DE102006045872A1

DE102006045872A1 - Unterirdische Biogasanlage und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102006045872A1
Application number: DE102006045872A
Authority: DE
Inventors: Hermann Schulze; Hans Werner Hermsen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2008-04-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Biogasanlage, bei der sich zumindest der Reaktorraum tief im Erdreich, nämlich in den Kavernen ausgeförderter Erdölfelder, befindet. In diesem Reaktorraum (2) befinden sich qualitativ minderwertige Erdöl-Reste (3), die mit biologischen Präparaten (6) versetzt und durch anaerobe Gärung zu Methan-Gas (CH<SUB>4</SUB>) umgewandelt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Biogasanlage bei der sich zumindest der Reaktorraum tief im Erdreich befindet und auf ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Anlage.
Biogas als regenerative Energiequelle stellt einen umweltfreundlichen Beitrag zur Deckung des Energiebedarfs dar. Sein brennbarer Anteil Methan entsteht bei jedem anaeroben Fäulnisprozess in Sümpfen, Reisfeldern, Deponien, Faultürmen und in Viehhaltungsbetrieben. Als Ausgangsstoffe für die Biogasgewinnung in Biogasanlagen kann neben Fäkalien und Abwässern nach entsprechender Vorbehandlung jegliche Form von Biomüll verwendet werden. Entsprechende kommunale Biomüll-Sammelkonzepte sind schon verwirklicht.
Biogasreaktoren üblicher Bauart sind oberirdische Behälter innerhalb von Biogasanlagen, die in der Regel mit Gülle und anderen biologischen oben angesprochenen Substanzen arbeiten.
Aus der DE 197 24 012 C2 ist eine komplexe Biogasanlage bekannt, wobei in dieser Druckschrift auch schon der Gedanke geäußert wird, dass Teile der Biogasanlage unterirdisch angeordnet sein können (dort u. a. Anspruch 12).
Die Bildung von Biogas ist ein natürlich ablaufender Prozess, in dem Mikroorganismen die organischen Substanzen ohne Luftsauerstoff in ihre Grundbausteine zerlegen. Faulgas oder auch Biogas genannt, besteht überwiegend aus Methan und Kohlendioxid und ist brennbar. Neben verschiedenen Reaktorformen und Baustoffen sind in der Praxis verschiedene Systeme zur Durchmischung und Prozessführung anzutreffen.
Das Biogas oder Faulgas entsteht auch außerhalb von Biogasanlagen, wo seine Nichtnutzung eine Verschwendung von Energieressourcen darstellt. Das dabei entweichende Methan reagiert im Laufe der Zeit an der Luft zwar zu Kohlendioxid und Wasser, Methan selbst stellt allerdings vor seiner natürlichen Oxidation in der Atmosphäre ein so genanntes Treibhausgas dar. Seine technische Nutzung als aus Biogasanlagen gewonnener Brennstoff verursacht also im Gegensatz zu fossilen Energieträgern in der Gesamtenergiebilanz keine zusätzliche CO₂-Belastung der Atmosphäre und somit keinen zusätzlichen Treibhauseffekt. Auch die Verwertung von Faulschlammabfällen aus den Biogasanlagen als Naturdünger ist ein wichtiger Beitrag zur Schließung der ökologischen Kreisläufe zwischen Mensch, Landwirtschaft und Umwelt.
Das Gut Gülle stellt bei der normalen Verwertung (Ausbringung auf den Feldern) und bei der möglichen Überschreitung von Grenzwerten ein reelles Umweltproblem dar. Dort, wo es im Überschuss vorhanden ist, muss ein funktionierendes Logistiksystem aufgebaut werden, welches wiederum andere Umweltbelastungen nach sich zieht. Der heutige Schwerpunkt der Biogasgewinnung liegt daher bei landwirtschaftlichen Betrieben und bei kommunalen Deponien und Kläranlagen.
Ebenfalls bekannt ist, dass nach dem Versiegen von Erdölfeldern große Mengen von qualitativ minderwertigem Rest-Erdöl in den ausgeförderten Öl-Lagerstätten verbleiben. Die Verwertung dieser Rest-Erdölmengen ist derzeit unwirtschaftlich und unterbleibt aus diesem Grund.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese im Allgemeinen tief im Erdreich ungenutzt verbliebenen Erdöl-Restmengen zu nutzen, wobei die dazu erforderliche Anlage verhältnismäßig einfach zu erstellen sein soll und sowohl das Verfahren zu deren Betrieb als auch die Anlage die Umwelt möglichst wenig negativ beeinflussen soll.
Diese Aufgabe wird mit einer Biogasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren zum Betreiben einer derartigen Biogasanlage gemäß Anspruch 6 gelöst.
Auf diese Weise findet eine hochprofitable, nahezu restlose Ausnutzung der sonst nutzlosen Erdöl-Reste in den ausgeförderten Lagerstätten statt.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Besondere Vorteile weist eine Biogasanlage von der zumindest Teile unterirdisch angeordnet sind dann auf, wenn die unterirdisch angeordneten Teile zumindest den Reaktorraum umfassen, und wenn dieser Reaktorraum Erdöl-Reste enthält, die mit einem über Rohrleitungen und Pumpeinrichtungen in den Reaktorraum geförderten biologischen Präparat versetzt und durch anaerobe Reaktion zu Methan-Gas umgewandelt werden, welches über weitere Rohrleitungen in eine Weiterverarbeitungseinrichtung geleitet wird.
Des Weiteren ist eine Biogasanlage dann vorteilhaft, wenn der Reaktorraum in unterirdischen Hohlräumen wie Kapillaren, Porenspeichern oder Kavernen angelegt ist.
Ferner ist es bei einer erfindungsgemäßen Biogasanlage von Vorteil, wenn der Reaktorraum mit oberirdischen Einrichtungen wie Pumpeinrichtungen und/oder Weiterverarbeitungseinrichtungen über Rohrleitungen verbunden ist, und wenn die oberirdische Weiterverarbeitungseinrichtung durch ein Blockheizkraftwerk zur Wärme- und Stromgewinnung realisiert ist.
Besonders vorteilhaft ist eine Biogasanlage, wenn die Rohrleitungen zum Befüllen mit biologischem Präparat und die Rohrleitungen zum Entnehmen des Methangases durch eine gemeinsame Erdbohrung geführt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Biogasanlage ist es besonders günstig, wenn als biologisches Präparat ein Gemisch von Wasser und Natriumalginat Anwendung findet.
Zum Betreiben einer Biogasanlage ist ein Verfahren vorteilhaft, welches die Verfahrensschritte:
Bereitstellen eines zur Vergärung geeigneten biologischen Präparats;
Einbringen des Präparats in ausgeförderte Erdöl-Lagerstätten;
Zuführen des Präparats zu den beispielsweise in den Kavernen der Erdöl-Lagerstätten befindlichen Erdöl-Resten;
Initiieren der Umwandlung von Erdöl-Resten in Methan (CH₄) durch mikrobiologische Vorgänge wie Vergären;
Abführen des Methan-Gases (CH₄) zu einer Weiterverarbeitungseinrichtung.
Bei einem derartigen Verfahren ist von Vorteil, wenn die Bereitstellung des biologischen Präparats u. a. das Mischen von Wasser mit Natriumalginat umfasst.
Außerdem ist ein Verfahren vorteilhaft, bei dem das Einbringen des biologischen Präparats in die ausgeförderten Erdöl-Lagerstätten mittels Pumpeinrichtungen und Rohrleitungen erfolgt, und bei dem die Abförderung des Methan-Gases (CH₄) ebenfalls mittels Rohrleitungen erfolgt.
Besonders günstig ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, dass durch die Verwendung des biologische Präparat die Umwandlung der Erdöl-Reste zu Methan-Gas (CH₄) unter Vermeidung der Entstehung von Schwefel-Wasserstoff (H₂S) erfolgt.
Mit Hilfe der Zeichnung wird anhand eines Prinzip-Schaubildes die Erfindung noch näher erläutert.
Die Figur zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße unterirdische Biogasanlage.
Im Erdreich 1 befindet sich in mehreren 1000 Meter Tiefe eine Kaverne 2, die minderwertige Erdöl-Reste 3 aus der Endphase der Erdölförderung aufweist. Diese Erdöl-Reste 3 werden nicht mehr genutzt, weil die Aufbereitung zu nutzbarem Erdöl wirtschaftlich zu aufwändig ist. Über Rohrleitungen 4 und Pumpeinrichtungen 5 wird ein biologisches Präparat 6 in Form eines Gemischs aus Natriumalginat und Wasser in die Kaverne 2 gepumpt. Mit Hilfe dieses biologischen Präparats 6, welches gleichzeitig ein universeller Nährboden für Mikrolebewesen ist, wird durch anaerobe Vergärung der minderwertigen Erdöl-Reste 3 in den Kavernen 2 auf biologischem Wege Methan (CH₄) erzeugt.
Dabei werden durch die einsetzende anaerobe Mikro-Biologie in der Kaverne 2 und/oder auch in darüber hinaus vorhandenen Kapillaren und in dem Schlamm der Kavernen 2 die verbliebenen Erdöl-Reste 3 je nach Mengeneinsatz des Präparats 6 sehr schnell in Methan-Gas (CH₄) umgewandelt.
Das Methan-Gas CH₄ wird über Rohrleitungen 7 durch das Erdreich 1 an die Erdoberfläche geführt. Dort wird es in einer oberirdischen Weiterverarbeitungseinrichtung 8 weiter verarbeitet. Besonders geeignet zur Weiterverarbeitung ist ein Blockheizkraftwerk zur Wärme- und Stromgewinnung. Die erzeugte Wärme kann als Prozesswärme dem Umwandlungsprozess zugeführt werden, falls dies erforderlich oder vorteilhaft sein sollte. Die Wärme kann aber auch anderweitig verwendet werden. Der erzeugte Strom kann in das öffentlich Stromnetz eingespeist oder ebenfalls anderweitig verwendet werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Abführung des Methan-Gases CH₄ durch Rohrleitungen 7 erfolgt, die in unmittelbarer räumlicher Nähe zu den Rohrleitungen 4 verlegt sind, durch welche das biologische Präparat 6 in den unterirdischen Reaktorraum 2 eingeleitet wird. Dies ist zwar nicht zwingend für eine Realisierung, aber doch sehr vorteilhaft, weil dann nur eine kostenintensive Erdbohrung vorzunehmen ist. Diese Variante ist durch eine gestrichelt gezeichnete Rohrleitung 7 in der Figur dargestellt.
Die außerdem mögliche Realisierung, bei der die Rohrleitung 7 räumlich von der Rohrleitung 4 getrennt durch das Erdreich 1 geführt wird, ist in der Figur durch einer mit Volllinien gezeichnete Rohrleitung 7 dargestellt.
Es versteht sich, dass die Pumpeinrichtungen 5 räumlich mit der Weiterverarbeitungseinrichtung 8 – beispielsweise in einem Gebäude – zusammen gefasst sein können. Dies muss zeichnerisch nicht dargestellt werden.
Das Mischungsverhältnis des biologischen Präparats 6 und die über Rohrleitungen 4 und Pumpeinrichtungen 5 in die Kaverne 2 eingeleitete Menge des biologischen Präparats 6 richtet sich nach der Menge des verbliebenen Erdöl-Rests 3 und den geologischen Eigenschaften der Kavernen 2 oder den Kapillaren in denen sich die Erdöl-Reste 3 ebenfalls befinden können. Auch in Porenspeichern können sich Erdöl-Restmengen befinden, die in erfindungsgemäßer Weise umgewandelt werden können. Diese Varianten sind zeichnerisch schwer darstellbar, werden aber von dem Erfindungs-Gedanken mit umfasst.
Die bei herkömmlichen Biogasanlagen meistens erforderlichen Rühranlagen können ersatzlos entfallen, da durch den unterirdischen Gärprozess eine genügende Durchmischung der umzusetzenden organischen Stoffe, nämlich des Erdöls 3, erfolgt.
Der heutige Schwerpunkt der Biogasgewinnung liegt bei landwirtschaftlichen Betrieben und bei kommunalen Deponien und Kläranlagen. Die Nutzung gelingt jedoch bedauerlicher Weise noch sehr eingeschränkt. Insbesondere bei Deponien und Kläranlagen wird das gewonnene Biogas oft einfach nur abgefackelt oder dient allenfalls zum Heizen. Eine andere und bessere Nutzung des Biogases kann erst nach dessen Reinigung erfolgen, weil im Biogas Verunreinigungen, etwa in Form von giftigem und übel riechendem Schwefel-Wasserstoff und anderem enthalten sind. Schwefel-Wasserstoff ist ein farbloses Gas, das sowohl bei Mensch und Umwelt als auch beim Betrieb von Biogasanlagen zu negativen Auswirkungen führt. Auf den Menschen wirkt H₂S stark toxisch. Es greift die Schleimhäute der Augen und der Atemwege an und ist bei höherer Konzentration in kürzester Zeit tödlich. Bei dem Betrieb von Biogasanlagen wirkt sich vor allem seine stark korrosive Wirkung negativ aus. Der Schwefel-Wasserstoff verhindert beispielsweise den Einsatz in geschlossenen Räumen als auch in herkömmlichen Verbrennungsmotoren, wo Biogas prinzipiell zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme dient. Beim Einsatz in derartigen Verbrennungsmotoren oxidiert er zu giftigem SO₂ und korrosiv wirkender Schwefelsäure. Betroffen sind hiervon alle Teile der Biogasanlage, die mit dem H₂S in Berührung kommen. In besonderem Maße gilt das auch bei Blockheizkraftwerken (BHKW), in denen das Biogas verbrannt und dadurch Strom und Wärme erzeugt wird. Bei der Verbrennung entsteht auch hier SO₂, welches zu einer Versäuerung der Motorenöle und damit zu einer drastischen Verkürzung der Ölwechselintervalle führt. Aber auch andere Armaturen im BHKW, die mit dem Biogas in Berührung kommen, sind betroffen. Die Folge ist oftmals eine erhebliche Verkürzung der Anlagenstandzeiten, womit deren Lebensdauer gemeint ist. Zudem wird der Brennwert durch den natürlichen CO₂-Gehalt erniedrigt, der je nach Anlage zwischen 20 und 40 Vol.-% liegt.
Das biologische Präparat 6 aus Wasser und beispielsweise Natriumalginat weist bereits hervorragende Eigenschaften hinsichtlich des Verhinderns der Bildung von Schwefel-Wasserstoff (H₂S) auf, so dass auch diesbezüglich das gewonnene Methan-Gas (CH₄) günstige Eigenschaften aufweist und die vorbeschriebenen Nachteile beseitigt.
Zusammengefasst bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Biogasanlage bei der sich zumindest der Reaktorraum tief im Erdreich, nämlich in den Kavernen ausgeförderter Erdölfelder befindet. In diesem Reaktorraum sind noch qualitativ minderwertige Erdöl-Reste enthalten, die mit biologischen Präparaten wie Natriumalginat versetzt und durch anaerobe Gärung zu Methan-Gas (CH₄) umgewandelt werden.
Auf diese Weise findet eine hochprofitable, nahezu restlose Ausnutzung der sonst nutzlosen Erdöl-Reste in den ausgeförderten Lagerstätten statt.

1: Erdreich
2: Kaverne
3: Erdöl-Rest
4: Rohrleitung
5: Pumpeinrichtung
6: biologisches Präparat
7: Rohrleitung
8: Weiterverarbeitungseinrichtung

Claims

Biogasanlage von der zumindest Teile unterirdisch angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die unterirdisch angeordneten Teile zumindest den Reaktorraum (2) umfassen, und dass dieser Reaktorraum (2) Erdöl-Reste (3) enthält, die mit einem über Rohrleitungen (4) und Pumpeinrichtungen (5) in den Reaktorraum (2) geförderten biologischen Präparat (6) versetzt und durch anaerobe Reaktion zu Methan-Gas (CH₄) umgewandelt werden, welches über weitere Rohrleitungen (7) in eine Weiterverarbeitungseinrichtung (8) geleitet wird.
Biogasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorraum (2) in unterirdischen Hohlräumen wie Kapillaren, Porenspeichern oder Kavernen angelegt ist.
Biogasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorraum (2) mit oberirdischen Einrichtungen wie Pumpeinrichtungen (5) und/oder Weiterverarbeitungseinrichtungen (8) über Rohrleitungen (4, 7) verbunden ist.
Biogasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen (4, 7) in räumlich voneinander getrennten Erdbohrungen vom Reaktorraum (2) an die Erdoberfläche geführt werden.
Biogasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen (4, 7) in einer gemeinsamen Erdbohrung vom Reaktorraum (2) an die Erdoberfläche geführt werden.
Biogasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oberirdische Weiterverarbeitungseinrichtung (8) durch ein Blockheizkraftwerk zur Wärme- und Stromgewinnung realisiert ist.
Biogasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als biologisches Präparat ein Gemisch von Wasser und Natriumalginat Anwendung findet.
Verfahren zum Betreiben einer Biogasanlage, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: Bereitstellen eines zur Vergärung geeigneten biologischen Präparats (6); Einbringen des Präparats (6) in ausgeförderte Erdöl-Lagerstätten; Zuführen des Präparats (6) zu den beispielsweise in den Kavernen (2) der Erdöl-Lagerstätten befindlichen Erdöl-Resten (3); Initiieren der Umwandlung von Erdöl-Resten (3) in Methan (CH₄) durch mikrobiologische Vorgänge wie Vergären; Abführen des Methan-Gases (CH₄) zu einer Weiterverarbeitungseinrichtung (8).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung des biologischen Präparats (6) u. a. das Mischen von Wasser mit Natriumalginat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des biologischen Präparats (6) in die ausgeförderten Erdöl-Lagerstätten (2) mittels Pumpeinrichtungen (5) und Rohrleitungen (4) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abförderung des Methan-Gases (CH₄) mittels Rohrleitungen (7) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verwendung des biologische Präparat (6) die Umwandlung der Erdöl-Reste (3) zu Methan-Gas (CH₄) unter Vermeidung der Entstehung von Schwefel-Wasserstoff (H₂S) erfolgt.