DE102011054298A1

DE102011054298A1 - Methanerzeugungseinheit und Biomasse-Vergärungsanlage

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Publication number: DE102011054298A1
Application number: DE102011054298A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Beck; Johann Markus Hiepp
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2013-04-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine biologische Methanerzeugungseinheit, eine Biomasse-Vergärungsanlage mit einer solchen Methanerzeugungseinheit, sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Methan, wobei sie vorschlägt, um besonders effektiv Methan zu erzeugen, die separate Methanerzeugungseinheit (1) mit einer Zufuhr für ausschließlich gasförmige Substrate zu versehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Methanerzeugungseinheit sowie eine Biomasse-Vergärungsanlage mit einer solchen Methanerzeugungseinheit und ein Verfahren zur biologischen Erzeugung von Methan.
Methan ist als Energieträger und Energiespeicher grundsätzlich gut einsetzbar und in der Handhabung wesentlich einfacher und ungefährlicher als Wasserstoff und diesem daher vorzuziehen. Dies gilt umso mehr, als bereits ein gut ausgebautes Leitungsnetz für den Transport von Methan in Form von Erdgas besteht.
Auf chemischem Wege wird Methan über katalytische Verfahren bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur aus CO₂, CO und H₂ erzeugt, beispielsweise über das Sabatier-, Lurgi- oder Linde-Verfahren. Auf biologischem Wege wird Methan gezielt in Fermentern von Biomasse-Vergärungsanlagen aus festem oder flüssigem organischem Material durch Mikroorganismen auf obligat anaerobem Abbauwege erzeugt. Das so erzeugte Methan muß gereinigt und aufkonzentriert werden, bevor es einer weiteren Verwendung zuführbar ist.
Der Stand der Technik beschreibt dabei unterschiedliche apparative Möglichkeiten zur biologischen Methanerzeugung in Biomasse-Vergärungsanlagen. Beispielsweise ist aus der DE 10 2007 024 378 B4 Doppelfermenter zur Erzeugung von Biogas aus pumpbarem organischem Material bekannt, bei dem einem Fermenter einer Biomasse-Vergärungsanlage ein zweiter dergestalt nachgeschaltet ist, daß Gärreste aus dem ersten Fermenter über den Zulauf für das pumpbare Gut in den zweiten Fermenter einspeisbar sind. Aus der DE 10 2010 043 630 A1 ist eine zweistufige Biomasse-Vergärungsanlage mit einer Hydrolysestufe bekannt, bei dem das entstehende Hydrolysegas aufgetrennt und der hieraus erhaltene Wasserstoff in den Fermenter der Biomasse-Vergärungsanlage eingeleitet wird. Die Einleitung erfolgt dabei in eine prozeßtechnische Obersäule des Fermenters, die im Stoffaustausch mit dem eigentlichen Fermenter in der Untersäule steht. In der Untersäule befinden sich immobilisierte acetotrophe Methanbildner und in der Obersäule suspendierte/immobilisierte hydrogenotrophe Methanbildner. Aus der Untersäule strömt das dort gebildete Biogas einschließlich seines CO₂-Gehaltes nach oben in die Obersäule, wo das CO₂ mit dem gereinigten und von der Hydrolysestufe zugeführten H₂ von den hydrogenotrophen Methanbildnern zu CH₄ verstoffwechselt wird. Aus der JP 2000 152 799 A ist ein biochemischer Reaktor bekannt, in den Pyrolysegase einer Biomassepyrolyseanlage eingeleitet und in Methan umgewandelt werden.
Bei den chemischen Verfahren ist das Erfordernis erhöhter Temperaturen und Drücke sowie des Vorhandenseins von Katalysatoren nachteilig für die Energiebilanz des erzeugten Methans, bei der biologischen Methanerzeugung ist die erforderliche Anbindung an einen Fermenter einer Biomasse-Vergärungsanlage oder an eine Biomassepyrolyseanlage nachteilig.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Methanerzeugungseinheit anzugeben, die diese Anbindung nicht benötigt und die energetisch günstig Methan erzeugt.
Diese Aufgabe wird bei einer Methanerzeugungseinheit mit einem Fermenter dadurch gelöst, daß dieser ein abgeschlossenes Innenvolumen aufweist, in dem Oberflächen für immobilisierte Mikroorganismen angeordnet sind, wobei das Innenvolumen über mindestens je eine, am Fermenter angeordnete Substratgaszuleitung, Synthesegasableitung, Zuleitung und Ableitung für flüssige Stoffe mit der Umwelt verbunden ausgebildet ist und wobei ein Diffusor im Mündungsbereich der mindestens einen Substratgaszuleitung vorgesehen ist, wobei die Methanerzeugungseinheit ausschließlich mit gasförmigem Substrat betreibbar ist, das H₂ und eines oder beide der Gase CO₂, CO enthält.
Die Erfindung schlägt mit großem Vorteil vor, eine im Vergleich zu chemischen Verfahren energetisch günstiger betreibbare biologisch arbeitende Methanerzeugungseinheit so auszugestalten, daß sie auch nur mit gasförmigem Substrat betreibbar ist und sie somit an allen Orten einsetzbar ist, an denen dieses verstoffwechselbare Substratgas in Form von einzelnen oder mehreren reinen Gasen oder Gemischen von gasförmigen Stoffen entsteht, vorhanden ist oder problemlos zur Verfügung gestellt werden kann. Hierdurch ist die erfindungsgemäße Methanerzeugungseinheit räumlich unabhängig von einem Fermenter einer Biomasse-Vergärungsanlage oder einer Biomassepyrolyseanlage betreibbar, so daß sie eine Vielzahl von bislang ungenutzten Substratquellen zu Methan verarbeiten und so zur energetischen oder stofflichen Nutzung bislang ungenutzter Quellen beitragen kann. Als Substrat, also als zu verstoffwechselnde Substanzen muss neben Wasserstoff auch CO oder CO₂ vorhanden sein, bevorzugt Kohlendioxid. Diese Substanzen sind mittels des Diffusors als Einzelgase oder Gasgemisch feinstperlig in das abgeschlossene Innenvolumen des Fermenters einbringbar, so daß sie im Betriebszustand mit den dann dort befindlichen Mikroorganismen eine möglichst lange Kontaktzeit aufweisen, wodurch sehr hohe Umwandlungsraten erzielbar sind. Aufgrund des nur gasförmig zugeführten speziellen Substrats schlägt die Erfindung inhärent mit großem Vorteil den Einsatz spezialisierter Mikroorganismen, nämlich hydrogenotropher Mikroorganismen anstelle von bisher bekannten Mikroorganismengemischen vor, wobei diese auch im System angereichert werden können. Hierdurch ist erfindungsgemäße eine Optimierung der Lebensbedingungen für diese speziellen Mikroorganismen, insbesondere Archaeen insbesondere hinsichtlich Temperatur, pH-Wert, Lichtverhältnissen, Sauerstoffgehalten, Rührgeschwindigkeiten und -dauern, etc. gut möglich. Dies bedeutet inhärent auch, daß die hydrogenotrophen Mikroorganismen in einer speziell angepaßten und kontrollierten Nährlösung und nicht in dem normalen Substrat des Fermenters einer Biomasse-Vergärungsanlage gehalten werden. Prinzipiell ist allerdings auch ein solches normales, pumpbares Substrat als Nährmedium denkbar. Erfindungsgemäß ist also, eine gezielte Auswahl einer bestimmten Mikroorganismengruppe aus den sonst üblichen Mikroorganismengemischen der Fermenter von Biomasse-Vergärungsanlagen, eine Optimierung zu separieren, um so für die synthetisch arbeitenden hydrogenotrophen Mikroorganismen optimale Bedingungen zu schaffen.
Insbesondere dann, wenn das gasförmige Substrat gewählt ist aus der Gruppe gebildet durch Gase natürlichen Ursprungs, Gase anthropogenen Ursprungs, Gase aus geologischen, aquamarinen, industriellen oder landwirtschaftlichen Quellen, Hydrolysegase aus Hydrolysestufen von Biomasse-Vergärungsanlagen, Gase aus anaeroben Abbauprozessen, Elektrolysegase aus der Wasserelektrolyse, Pyrolysegase, Gase aus Verbrennungsprozessen, Gase aus Raffinerieprozessen, Synthesegase, Produktgase aus chemischen Reaktionen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer besonders großen Breite einsetz- und verwendbar, insbesondere ist so aus bisherigen Abfallprodukten auf energetisch günstigem Wege Methan erzeugbar. Da die genannten Substratgasquellen üblicherweise in der unmittelbaren Nähe zu größeren technischen Anlagen zu finden sind, sind dort auch die benötigten Ver- und Entsorgungsleitungen, Wasser- und Stromanschlüsse vorhanden, oftmals sind auch Steuerstände nutzbar. Die erfindungsgemäße Methanerzeugungseinheit kann ganz allgemein als eigenständige biochemische Methanerzeugungsanlage aus unterschiedlichen Edukten angesehen werden. Sie ist damit auch eine Restenergieverwertungs- oder allgemein Energieumwandlungseinheit, die wie geschildert überschüssige Synthesegase, Abgase, Gase aus Kohle- oder Gaskraftwerken, denen CO₂ entzogen werden soll, und dergleichen zur Erzeugung von Methan heranziehend ist.
Mit Vorteil schlägt die Erfindung weiter vor, daß die Methanerzeugungseinheit eine Kurzschlußleitung von der Synthesegasableitung zur Substratgaszuleitung aufweist, vorzugsweise eine im Durchsatz regelbare Kurzschlußleitung. Diese, vorzugsweise im regelbaren Teilstrom erfolgende, Rückführung des in ihr erzeugten hochmethanhaltigen Gases in die wenigstens eine Zufuhrleitung für gasförmiges Substrat führt zu deutlich erhöhten CH₄-Konzentrationen von bis zu 99 Vol-% im letztendlich resultierenden Abstrom, da nach dem ersten Durchlauf noch verbliebene H₂/CO₂-Mengen ebenfalls verstoffwechselt werden.
Weist die Methanerzeugungseinheit eine eigenständige Betriebsmittelver- und -entsorgung und eine eigenständige Steuerung auf und ist sie insbesondere in einem Gehäuse angeordnet und mit diesem transportabel ausgebildet, so werden die Vorteile der Erfindung besonders eindrucksvoll verwirklicht. Eine solche Anordnung in beispielsweise einem Container ist leicht auf- und abzubauen, vor unbefugtem Zutritt schützbar und der Betrieb mit üblichen Datenübermittlungstechniken ohne weiteres aus der Ferne überprüf- und regelbar. Die erfindungsgemäße auch transportable Anordnung erfaßt natürlich auch, daß in der Gehäusewand Anschlußstellen für Betriebsmittel vorgesehen sind, so daß zur Inbetriebnahme nur entsprechende Zuleitungen an das Gehäuse gelegt und an der Behälterwand an die Anschlußstellen angeschlossen werden müssen.
Die Erfindung schlägt auch ein Verfahren zur Erzeugung von Methan vor, bei dem H₂-haltige, CO₂-haltige und/oder CO-haltige Gase als einzige Substrate in eine Methanerzeugungseinheit wie beschrieben eingeleitet werden, in deren Fermenter hydrogenotrophe Mikroorganismen immobilisiert sind, diese die Substratgase zumindest teilweise in CH₄ umwandeln, das so erzeugte CH₄-haltige Gas abgeführt und im vorzugsweise regelbaren Teilstrom als Substratgas in den Fermenter rückgeführt wird. Dieses Verfahren schlägt mit Vorteil vor, unter allen denkbaren einen speziellen Typus von Mikroorganismen auszuwählen, und ihm optimale Lebensbedingungen zu gewähren, um auf energetisch günstigem Wege ein möglichst reines Produkt zu erhalten, das gegebenenfalls ohne weitere, seine Energiebilanz verschlechternde Schritte stofflich oder energetisch verwendbar oder lagerbar ist. Mit apparativ einfachen Mitteln wird so ein gut beherrschbares, wenig Energie verbrauchendes Verfahren vorgeschlagen, mit dem aus bislang nicht genutzten Substraten gut handhabbares Methan erzeugt wird.
Die Erfindung schlägt als drittes eine Biomasse-Vergärungsanlage vor, die eine Substratzufuhr, einen Biomasse-Vergärungsanlagenfermenter und eine Methanerzeugungseinheit wie beschrieben aufweist. Insbesondere in Verbindung mit einer Biomasse-Vergärungsanlage kann die erfindungsgemäße Methanerzeugungseinheit ihre Vorteile verwirklichen, da dort üblicherweise Wärme, Gase und Mikroorganismen zur Verfügung stehen.
Biomasse-Vergärungsanlagen sollen aus organischem Material auf biologischem Wege über gleichzeitig im selben Reaktionsvolumen ablaufende hydrolytische, acidogenetische, acetogenetische und methanogenetische Schritte Methan und über dieses letztendlich Strom und Wärme erzeugen. Bekannte Biomasse-Vergärungsanlagen, beispielsweise aus der DE 10 2010 043 630 A1 oder der DE 10 2007 024 378 B4 , weisen eine Substratzufuhr, ggf. eine Hydrolyseeinheit, einen Fermenter, ein Gärrestlager und oftmals ein Blockheizkraftwerk auf, in dem das erzeugte Methan nach Konditionierung und ggf. Aufkonzentration zur Wärme- und vor allem Stromerzeugung genutzt wird. Aufgrund der oft dezentralen Lage der Biomasse-Vergärungsanlagen und ihrer wachsenden Zahl und Größe kommt es zu vielfältigen Schwierigkeiten und Konflikten, hervorgerufen durch lange Transportwege, der nicht möglichen Nutzung der anfallenden Wärme vor Ort, der Menge und Art der zu entsorgenden Reststoffe sowie nicht zuletzt durch die Konkurrenz zwischen Nahrungsgüter- und Energiewirtschaft bei Substraten wie zum Beispiel Mais, Getreide und Zuckerrüben. Bekannte Biomasse-Vergärungsanlagen sind weiterhin in den verarbeitbaren Substraten beschränkt, da nur eine geringe Teilmenge aller denkbaren Substrate anaerob vergoren werden können. Andererseits sind Biomasse-Vergärungsanlagen grundsätzlich grundlastfähig und könnten daher eine gute Ergänzung der nicht-grundlastfähigen Wind- und Solarenergieanlagen bilden. Um Ressourcen zu schonen und optimal zu nutzen ist es daher wünschenswert, Biomasse-Vergärungsanlagen mit möglichst großem Wirkungsgrad zu versehen.
Mit großem Vorteil schlägt die Erfindung vor, eine bekannte Biomasse-Vergärungsanlage mit einer Methanerzeugungseinheit wie beschrieben zu versehen und damit sowohl die in der Anlage anfallenden gasförmigen Substrate als auch die anfallende Wärme zu nutzen und auch das Mikroorganismengemisch zu separieren um so unterschiedliche, jeweils optimale Lebensbedingungen für die Mikroorganismen einstellen zu können. Üblicherweise stellen sich immer diejenigen Mikroorganismen verstärkt ein, deren Lebensbedingungen optimiert sind. Im einleitenden Hydrolyseschritt werden hochmolekulare Substrate durch mikrobiell erzeugte Exoenzyme in lösliche Oligomere und Monomere umgewandelt. So werden aus Kohlenhydraten wie Stärke und Hemicellulose Oligo- und Monosaccharide, aus Proteinen werden Peptide oder Aminosäuren und aus Fetten werden Fettsäuren und Glycerin, hierbei entsteht ein H₂ und CO₂-haltiges Hydrolysegas. Das so aufgeschlossene Hydrolysat gelangt in den Fermenter der Biomasse-Vergärungsanlage, wo neben Acetogeneseschritten auch acetoklastische und hydrogenotrophe, zu Methan führende Schritte ablaufen. Dies vermeidet die erfindungsgemäße Biomasse-Vergärungsanlage mit großem Vorteil, indem sie unterschiedliche Habitate für die unterschiedlichen Mikroorganismen ermöglicht und somit deren jeweilige Methanerzeugungsraten optimiert. Die möglichen Substratgase werden überall dort, wo sie in der Biomasse-Vergärungsanlage anfallen, abgegriffen und einzeln oder als Gemisch zur Methanerzeugungseinheit geleitet und dort umgesetzt. Sie stammen somit aus der Hydrolysestufe, vom Fermenter, in Form von Abgasen vom Blockheizkraftwerk und weiteren Quellen, wie unten erläutert wird. Gleichzeitig können die acetoklastisch arbeitenden Mikroorganismen in dem Fermenter der Biomasse-Vergärungsanlage weiter genutzt werden. deren Lebensbedingungen ebenfalls optimiert sind.
Mit ganz großem Vorteil schlägt die Erfindung in Weiterbildung vor, daß die Biomasse-Vergärungsanlage weiterhin eine NH₃-Strippeinheit und eine NH₃-Spalteinheit aufweist. Hierdurch wird zum einen der energetische Wirkungsgrad der Anlage noch weiter erhöht, da die anfallenden Wärmemengen des BHKW´s prozeßtechnisch für diese Prozeßeinheiten nutzbar sind und nicht länger in die Umwelt abgegeben werden müssen, wodurch die Gesamtenergiebilanz günstiger ausfällt. Zum anderen wird die Biomasse N-abgereichert und zu einem deutlich geruchsreduzierten und N-abgereicherten Dünger verwandelt, indem ammoniumhaltige Fluide wie Gülle und/oder der Gärrest durch die NH₃-Strippeinheit geführt und dort mittels Wärme und/oder mittels pH-Shift, insbesondere durch Zugabe von Basen wie Ca(OH)₂, NaOH oder KOH Stickstoff in Form von NH₃ ausgetrieben wird. Hierdurch wird eine innovative und hoch effiziente Lösung für intensive Viehhaltungsgebiete mit hohen Stickstoffbelastungen in den natürlichen Ressourcen unter Energiegewinnung ermöglicht. In Kombination mit der erfindungsgemäß vorgesehenen NH₃-Spalteinheit wird aus dem gestrippten NH₃ ein Substratgas erzeugt, nämlich H₂. Für beide Prozesse ist mit Vorteil die am BHKW anfallende Wärme nutzbar. Dies führt zu einer hocheffizienten Biomasse-Vergärungsanlage, da diese die an den BHKW´s anfallende Wärme und ausgetriebenes NH₃-Gas einsetzt, um Wasserstoff aus dem NH₃-Gas zu gewinnen, der seinerseits in der Methanerzeugungseinheit zu Methan umsetzbar ist. Die erfindungsgemäße Anlage verwertet damit das ihr zur Verfügung gestellte organische Material besonders effizient.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß sie eine ammoniakalische Faseraufschlußeinheit aufweist. Die ammoniakalische Faseraufschlußeinheit ermöglicht die Verbreiterung der Substratbasis, da nun auch faserreiche Substrate wie Stroh oder Zellstoffe in der erfindungsgemäßen Biomasse-Vergärungsanlage einsetzbar sind, die bislang nicht verwertet werden konnten. Der für die Einheit erforderliche Ammoniak ist in der erfindungsgemäßen Anlage vorhanden und muß nicht per Gefahrguttransport herangeführt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß sie eine Hydrolyseeinheit aufweist.
Insbesondere dann, wenn die Wärme und der Strom des anlageneigenen Blockheizkraftwerks dazu verwendet werden, aus dem vergorenen Substrat NH₃ auszutreiben und/oder aus Vorläufersubstanzen gasförmige Substrate zu erzeugen und/oder die Prozeßeinheiten der Anlage zu temperieren, steigen mit Vorteil der Wirkungsgrad der Anlage und die Breite der Substratbasis.
Weist die erfindungsgemäße Biomasse-Vergärungsanlage eine Wasserhydrolyseeinheit auf, können momentan überschüssiger Strom und überschüssige Wärme dazu genutzt werden, Wasserstoff aus Wasser herzustellen, welches ohne Probleme an jeder Biomasse-Vergärungsanlage vorhanden ist. Dieser Wasserstoff ist wiederum als Substrat für die erfindungsgemäße Methanerzeugungseinheit verwendbar. Andererseits ist er auch zur stofflichen oder energetischen Verwendung einsetzbar, so daß aus Überschußstrom wie etwa während der durch Netzüberlastung hervorgerufenen Einspeisepause speicherbarer Wasserstoff oder speicherbares Methan erzeugbar sind. Dies verbessert das Einspeisemanagement deutlich. Aufgrund seiner Reaktivität und Flüchtigkeit ist eine ortsnahe Verwendung des Wasserstoffs sinnvoll.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß sie externe Quellen für gasförmige Substrate oder deren Vorläufersubstanzen aufweist. Hierdurch ist die einsetzbare Substratbasis mit Vorteil nochmals verbreitet. Als externe Quellen sind Gase aus Pyrolyseprozessen, Schwelgase, Verbrennungsgase oder Gase aus Gasreinigungsschritten bekannter Biomasse-Vergärungsanlagen genauso denkbar, wie sonstige Kohlendioxid-, Wasserstoff- oder Ammoniumquellen, die sich in der Nähe der Anlage befinden.
Mit Vorteil schlägt die Erfindung vor, einen Methanspeicher und/oder eine Methaneinspeiseeinheit und/oder ein Blockheizkraftwerk vorzusehen. Weist die erfindungsgemäße Biomasse-Vergärungsanlage einen Methanspeicher und/oder eine Methaneinspeiseeinheit auf, ist mit Vorteil eine zeitliche Entkopplung von Methanproduktion und Methanverbrauch ermöglicht. Durch Aktivierung einer gespeicherten Methanmenge im BHKW ist eine solche Anlage auch zur Abdeckung von Spitzenlasten einsetzbar, da die Stromproduktion ohne zeitliche Verzögerung anhebbar ist. Gleiches gilt für die Einspeisung in ein vorhandenes Erdgasnetz.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der schematischen Figuren der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren zeigen dabei
1: eine Biomethanerzeugungseinheit,
2: eine Grundstufe der erfindungsgemäßen Biomasse-Vergärungsanlage und
3: eine Ausbaustufe der erfindungsgemäßen Anlage,
wobei Leitungen für Gase gepunktet und sonstige Leitungen durchgezogen dargestellt sind.
1 zeigt ganz schematisch die erfindungsgemäße Methanerzeugungseinheit 1 Sie ist in diesem Fall in einem Gehäuse 23 angeordnet, beispielsweise einem Container, an dessen Wänden Anschlußvorrichtungen für von außen herangeführte Zu- und Ableitungen vorgesehen sind. Hierdurch kann die Methanerzeugungseinheit im Inneren des Gehäuses vollständig verrohrt und betriebsfertig angeschlossen sein, was die Mobilität der Anlage ermöglicht. Der Fermenter 2 ist bevorzugt als Festbettreaktor ausgebildet, da bei diesem die Mikroorganismen kaum ausgetragen sondern vielmehr die hydrogenotrophen Archaeen, die durch eine sehr langsame Vermehrungsrate gekennzeichnet sind, zurückgehalten und angereichert werden. Der Fermenter weist mit einem Biofilm besiedelte Oberflächen auf, die die Biozönosen zurückhalten und ermöglichen. Solche Oberflächen können beispielsweise durch besondere Gestaltung der Festbettreaktorwände oder durch die Art der Festkörper zur Verfügung gestellt werden. Denkbar sind Schüttgüter wie Lavagranulat, Blähton, Keramik- oder Kunststoffpellets aber auch Röhren, profilierte Röhren, Waben, Stäbe, Seile, Fäden, Trommeln etc.. Es können klein dimensionierte Rührwerke vorhanden sein, selbstverständlich sind sämtliche, zur Betriebsüberwachung notwendige Sensoren und Regler vorhanden, wie Temperaturfühler, pH-Meßsonden und dergleichen mehr. Eine Zuleitung 6 für das Nährmedium und eine Ableitung 7 sind vorgesehen, die auch zu Vorrats- oder Aufbereitungsgefäßen innerhalb des Gehäuses 23 führen können. Die Zuleitung 4 endet in einem Diffusor 8, vorzugsweise einem Sintermetall. Der Diffusor kann auch aus einer Keramik oder einem Kunststoff bestehen. Von dort wird das Substratgas mit den notwendigen Komponenten Wasserstoff, Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid feinstperlig in das darüber befindliche Nährmedium eingeblasen. Anordnung und Form und Anzahl der Diffusorenkörper sind erfindungsgemäß variabel, genauso wie die Geometrie des Fermenters. Der Fachmann wird hier jeweils die optimale Ausgestaltung anwenden, bei der die vorgesehene Kontaktdauer zwischen Gas und Biofilm sowie der Auftrieb Berücksichtigung finden. Erfindungsgemäß kann auch eine Rückfuhr vorgesehen sein, die im Fermenter oben schwimmende und über die Abführleitung 7 aus dem Fermentervolumen ausgetragene Mikroorganismen und -kolonien in dieses rückführt. Es ist eine Kurzschlußleitung 9 vorgesehen, die den methanhaltigen Abstrom des Fermenters zumindest teilweise und insbesondere in steuerbarem Anteil in den Fermenter zurückführt, um so noch nicht umgesetztes Substrat nicht auszutragen und gleichzeitig die Reinheit des erzeugten methanhaltigen Gases deutlich zu erhöhen. Erfindungsgemäß kann dieser Teilstrom auch auf Null gesetzt werden, wenn die sonstigen Betriebsbedingungen dazu führen, daß eine Rückführung für die Erreichung der gewünschten hohen Volumenverhältnisse nicht erforderlich ist. Die Leitung kann dann auch ganz fehlen. Bei der Methanerzeugungseinheit 1 kann es sich auch um mehrere, durch unterschiedliche Mikroorganismen und Lebensbedingungen an die jeweilige Substratgaszusammensetzung angepasste und zusammengefaßte Einheiten handeln. Es werden erfindungsgemäß alle diejenigen hydrogenotrophen Mikroorganismen verwendet, die sich aufgrund optimierter Lebensbedingungen von selbst einstellen, bzw. die sich aufgrund der Vorgaben durch Art, Menge und Form der Substratzugabe einstellen. Eine kontinuierliche Zugabe von Archaeen ist nicht standardmäßig vorgesehen. Die immobilisierten Mikroorganismen können in speziellen, gesondert hergestellten Nährmedien gehalten werden, oder aber auch in den üblichen Substraten einer Biomasse-Vergärungsanlage oder allgemein in allen denjenigen Nährmedien, die das Überleben und die Vermehrung der Mikroorganismen und die Aufrechterhaltung der Gasproduktion ermöglichen. Die Betriebsparameter des Fermenters der Methanerzeugungseinheit 1 hinsichtlich Art und Konzentration der Nährstoffe, der Betriebstemperatur, der Raumbelastung, pH-Wert und dergleichen werden erfindungsgemäß an die Bedürfnisse der immobilisierten Methanbildner optimal angepasst. Gleiches gilt für die Einbringungsart und den Durchsatz der Substratgase, deren Aufenthaltsdauer, Verteilung und Gasperlengröße. Die restlichen Komponenten der gasförmigen Substrate dürfen nur geringe Anteile biozider Schadstoffe enthalten.
2 zeigt schematisch eine Biomasse-Vergärungsanlage mit einer Substratzufuhr 10, beispielsweise für Rinder- oder Schweinegülle, Maissilage, Grassilage, Futterrüben, Zuckerrüben, Schlempen, Gärreste, Bioabfälle, Stroh, Komposte, Kadaver und dergleichen mehr. Die Substratzufuhr 10 führt zu einem Fermenter 11 der Biomasse-Vergärungsanlage, von dem aus das entstehende Biogas in die Methanerzeugungseinheit 1 überführt wird, um dort an Methan aufkonzentriert zu werden. Nicht dargestellt ist, daß die vergorene Biomasse aus dem Fermenter 11 in eine Nachfermentation überführt und dort weiter mineralisiert wird, wobei das in der Nachfermentation entstehende Gas ebenfalls in die Methanerzeugungseinheit 1 eingespeist wird. Das endmineralisierte Substrat wird in einem Gärrestlager 21 gespeichert und kann als N-reduzierter Dünger weiterverwendet werden. Die Biomasse aus dem Gärrestlager 21 und/oder dem Fermenter der Biomasse-Vergärungsanlage 11 wird in einer NH₃-Strippeinheit 12 unter Einsatz von insbesondere anlagenintern erzeugter Wärme, insbesondere aus einem BHKW 20 und durch pH-Shift mittels Zugabe von Basen N-abgereichert, indem NH₃ ausgetrieben wird. Die Eindosierung der Base kann dabei fest oder flüssig, automatisiert oder von Hand erfolgen. Hierdurch wird der N-Anteil im Gärrest deutlich verringert, so daß vorteilhaft ein unmittelbar als Wirtschaftsdünger aufbringbarer N-reduzierter Dünger aus dem Gärrest resultiert. Gleichzeitig wird der Gärrest hygienisiert. Dies hat große Vorteile insbesondere in Gebieten mit intensiver Viehhaltung auch im Hinblick auf entstehende Geruchsbelästigungen bei der Düngerausbringung, auf die Nitratauswaschung in Grund- bzw. Oberflächenwasser sowie auf die mikrobielle Belastung durch eventuell noch enthaltene pathogene Keime oder Unkrautsamen. Der so behandelte Gärrest könnte der Biomasse-Vergärungsanlage wiederum über die Substratzufuhr 10 als Substrat zugeführt werden. Mit Vorteil kann so der N-Gehalt des Gärrests an die Erfordernisse des Anwendungsbetriebes angepasst werden. Erfindungsgemäß ist auch, daß diese Strippeinheit 12 direkt mit organischen bzw. mineralisierten organischen oder anorganischen Stickstoffverbindungen wie Gülle, Jauche, tierischen und menschlichen Fäkalien, Klärschlämmen, etc beschickt wird, um aus diesen zunächst NH₃ auszutreiben und simultan eine Abtötung pathogener Keime, Parasiten und Unkrautsamen zu erzielen, bevor sie in die Substratzufuhr 10 gelangen. Das aus der NH₃-Strippeinheit erhaltene Gas wird einer NH₃-Spalteinheit 13 zugeführt, in der mittels insbesondere anlageninterner Wärme aus einem BHKW 20, aber auch mittels anderweitig zugeführter Wärme, und ggf. unter Zuhilfenahme katalytisch wirksamer Oberflächen in Umkehrung des Haber-Bosch-Verfahrens eine Spaltung in die Elemente erfolgt. Das entstehende Gasgemisch wird getrennt, der Stickstoff abgelassen und der Wasserstoff als Substrat in die Methanerzeugungseinheit 1 eingeleitet. Hierdurch kann ein beachtlicher Anteil an Biomasse durch den gasförmigen Input von CO/CO₂ sowie H₂ substituiert werden. Dies spart nachwachsende Rohstoffe ein und führt zu einer besseren Akzeptanz. Die Methanerzeugungseinheit 1 wird ebenfalls mit Wärme aus dem BHKW 20 versorgt. Sie kann ohne weiteres auch eine gemeinsame Wand mit dem Fermenter 11 aufweisen und so von diesem mitgeheizt werden. Der Abstrom aus der Methanerzeugungseinheit 1 wird gesplittet und im Teilstrom als Substratgas der Einheit 1 erneut zugeführt, wie geschildert. Hierdurch können besonders hohe Volumenverhältnisse bis hin zu 99 Vol.-% Methan im Abstrom erreicht werden. Das erzeugte Methan wird in einem Methanspeicher 18 gespeichert und von dort entweder einem Blockheizkraftwerk 20 zur sofortigen oder späteren Erzeugung von Strom und Wärme zugeführt. Durch das Vorsehen eines solchen Methanspeichers 18 kann die erzeugbare Strommenge schnell geändert werden, so daß die erfindungsgemäße Anlage auch Regelenergie im Bereich der Stromerzeugung liefern kann. Dies ist auch durch Steuerung der Betriebsparameter der Methanerzeugungseinheit 1 und der Substratzusammensetzung insbesondere hinsichtlich gesteigerter oder reduzierter mikrobieller Verdaulichkeit der Mischung möglich, da die Methanbildung von der Leistungsfähigkeit und damit von den optimalen Lebensumständen der Biozönosen der Methanogenen abhängt, so dass die Gasbildung innerhalb der Einheit 1 ebenfalls schnell gesteigert oder gesenkt werden kann.
3 zeigt zusätzlich zu dem bisher beschriebenen eine höhere Ausbaustufe der Biomasse-Vergärungsanlage, die besonders energieeffizient arbeitet.
Zunächst ist eine Hydrolysestufe 15 vorgesehen, in der die eingesetzten Biomassesubstrate hydrolysiert werden. Das entstehende Hydrolysegas aus H₂, CO₂ und etwas Methan wird ohne weitere Aufbereitung als gasförmiges Substrat in eine Methanerzeugungseinheit 1 überführt. Mit großem Vorteil wird das bislang überwiegend nicht vollständig genutzte Hydrolysegas zur Erzeugung von Methan eingesetzt und verbessert damit die Wirtschaftlichkeit der Anlage. Gleichzeitig wird der in einer Hydrolysestufe auftretende Methanschlupf deutlich verringert, da das gesamte Hydrolysegas einschließlich seiner Methananteile in die erfindungsgemäße Methanerzeugungseinheit 1 eingeleitet wird. Aufgrund dieser besseren Verwertung des eingesetzten Substrats können nachwachsende Rohstoffe eingespart werden, was das gesellschaftliche Konfliktpotential der Biomasse-Vergärungsanlagen verringert. Der Ammoniak aus der NH₃-Strippeinheit 12 wird bei dieser Ausbaustufe auch dazu verwendet, in einer Faseraufschlußeinheit 14 Stroh oder andere, rohfaserreiche Substrate aufzuschließen, um diese für die Vergärung vorzubereiten, indem die Ligninstrukturen, bzw. die aus Zellulose, Pentosanen und Ligninsäuren bzw. deren Muttersubstanzen bestehenden Strohkomplex der Strohzellen aufgebrochen werden. Hierdurch wird zum einen die Substratbasis noch weiter verbreitert und zum anderen kann das gesellschaftliche Konfliktpotential weiter verringert werden, da mehr nicht-lebensmittel- oder futtermitteltaugliche Substrate einsetzbar sind. Von dieser Einheit 14 kann eine direkte Verbringung des aufgeschlossenen Strohs in die Hydrolyseeinheit 15 erfolgen. Diese Ausbaustufe der Anlage enthält auch eine Einleitung des Abstroms der Methanerzeugungseinheit 1 in den Fermenter 11 der Biomasse-Vergärungsanlage. Weiter sind externe Quellen für H₂, CO₂/CO oder NH₃/₄ 16, 17 vorgesehen.
Beispielsweise kann die NH₃-Spalteinheit 8 gasförmigen Ammoniak aus externen Quellen 17 empfangen, so daß die Anlage auch als Ammoniakverarbeitungsanlage einsetzbar ist. Die NH₃-Strippeinheit 12 kann ebenfalls feste oder flüssige Ammoniumverbindungen aus externen Quellen 17 empfangen und weiterverarbeiten. Schließlich kann die Energieeffizienz der Anlage weiter gesteigert werden, indem eine Wasserhydrolyseeinheit 16 Wärme und Strom des BHKW´s 20 dazu verwendet, aus Wasser Wasserstoff zu gewinnen und dieser dann als externer Quelle der Methanerzeugungseinheit 1 zugeführt wird. Dies kann auch zur Verwertung und/oder Speicherung von Stromüberschüssen aus Windkraft- oder Photovoltaikanlagen eingesetzt werden. Hierdurch lassen sich Stromüberschüsse verwerten und in stofflich oder energetisch verwertbaren Wasserstoff oder Methan umwandeln. Denkbar ist, die nötige elektrische Energie zur Generierung von Wasserstoff aus Wasser überwiegend durch thermische zu ersetzen. Der Sauerstoff kann beispielsweise dem BHKW 20 zugeführt werden. Das Abgas des BHKW´s 20 kann zusammen mit anderen Quellen als externe CO₂-Quelle 17 eingesetzt werden. Hierdurch ließen sich auch nicht oxidierte Methananteile des Abgases wiedergewinnen. Anstelle oder ergänzend zu einem BHKW kann auch eine Gasturbine vorhanden sein.
Schließlich ist bei dieser Ausführungsform auch vorgesehen, anstelle oder ergänzend zu einer Methaneinspeiseeinheit 19 eine Biomethantankstelle für Kraftfahrzeuge, eine Flaschenabfüllung oder eine stoffliche Nutzung vorzusehen.
Mit der vorliegenden Erfindung läßt sich eine energetisch hocheffiziente, hochreines Methan liefernde und mit breiter Substratbasis betreibbare Biomasse-Vergärungsanlage herstellen und betreiben, bei der über die Bevorratung der Inputbiomassen, wie sie allgemein bei Nawaro-Anlagen üblich ist, hinaus durch die Bevorratung von Ammoniak- und/oder Ammoniumverbindungen sowie von Methan ein Verfahren zur Energiespeicherung mit kurzfristiger Mobilisierbarkeit darstellbar ist. Die erfindungsgemäße Anlage kann auch zur Speicherung von Stromüberschüssen aus Windkraft- und/oder Photovoltaikanlagen eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Methanerzeugungseinheit
2: Fermenter
3: Innenvolumen
4: Substratgaszuleitung
5: Synthesegasableitung
6: Zuleitung flüssige Stoffe
7: Ableitung flüssige Stoffe
8: Diffusor
9: Kurzschlußleitung
10: Substratzufuhr
11: Biomasse-Vergärungsanlagenfermenter
12: NH₃-Strippeinheit
13: NH₃-Spalteinheit
14: Faseraufschlußeinheit
15: Hydrolyseeinheit
16: Wasserhydrolyseeinheit
17: Externe Quelle
18: Methanspeicher
19: Methaneinspeiseeinheit
20: BHKW
21: Gärrestlager
22: Rückführung
23: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007024378 B4 [0004, 0014]
DE 102010043630 A1 [0004, 0014]
JP 2000152799 A [0004]

Claims

Methanerzeugungseinheit (1) aufweisend einen Fermenter (2) mit abgeschlossenem Innenvolumen (3), in dem Oberflächen für immobilisierte Mikroorganismen angeordnet sind, wobei das Innenvolumen (3) über mindestens je eine, am Fermenter angeordnete Substratgaszuleitung (4), Synthesegasableitung (5), Zuleitung (6) und Ableitung für flüssige Stoffe (7) mit der Umwelt verbunden ausgebildet ist und wobei ein Diffusor (8) im Mündungsbereich der wenigstens einen Substratgaszuleitung (4) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Methanerzeugungseinheit (1) ausschließlich mit gasförmigem Substrat betreibbar ist, das H₂ und eines oder beide der Gase CO₂, CO enthält.
Methanerzeugungseinheit (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmigen Substrate gewählt sind aus der Gruppe gebildet durch Gase natürlichen Ursprungs, Gase anthropogenen Ursprungs, Gase aus geologischen, aquamarinen, industriellen oder landwirtschaftlichen Quellen, Hydrolysegase aus Hydrolysestufen von Biomasse-Vergärungsanlagen, Gase aus anaeroben Abbauprozessen, Elektrolysegase aus der Wasserelektrolyse, Pyrolysegase, Gase aus Verbrennungsprozessen, Gase aus Raffinerieprozessen, Synthesegase, Produktgase aus chemischen Reaktionen.
Methanerzeugungseinheit (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Kurzschlußleitung (9) von der Synthesegasableitung (5) zur Substratgaszuleitung (4) aufweist, vorzugsweise eine im Durchsatz regelbare Kurzschlußleitung.
Methanerzeugungseinheit gemäß einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine eigenständige Betriebsmittelver- und -entsorgung und eine eigenständige Steuerung aufweist und insbesondere in einem Gehäuse angeordnet und mit diesem transportabel ausgebildet ist.
Verfahren zur Erzeugung von Methan, bei dem H₂-haltige, CO₂-haltige und/oder CO-haltige Gase als einzige Substrate in eine Methanerzeugungseinheit nach einem der vorherigen Ansprüche eingeleitet werden, in deren Fermenter hydrogenotrophe Mikroorganismen immobilisiert sind, diese die Substratgase zumindest teilweise in CH₄ umwandeln, das so erzeugte CH₄-haltige Gas abgeführt und im Teilstrom als Substratgas in den Fermenter rückgeführt wird.
Biomasse-Vergärungsanlage, aufweisend eine Substratzufuhr (10), einen Biomasse-Vergärungsanlagenfermenter (11) und eine Methanerzeugungseinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.
Biomasse-Vergärungsanlage gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine NH₃-Strippeinheit (12) und eine NH₃-Spalteinheit (13) aufweist.
Biomasse-Vergärungsanlage gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine ammoniakalische Faseraufschlußeinheit (14) aufweist.
Biomasse-Vergärungsanlage gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Hydrolyseeinheit (15) aufweist.
Biomasse-Vergärungsanlage gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Wasserhydrolyseeinheit (16) aufweist.
Biomasse-Vergärungsanlage gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie externe Quellen (17) für gasförmige Substrate oder deren Vorläufersubstanzen aufweist.
Biomasse-Vergärungsanlage gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Methanspeicher (18) und/oder eine Methaneinspeiseeinheit (19) und/oder ein Blockheizkraftwerk (20) aufweist.