DE102007007131A1

DE102007007131A1 - Verfahren und Vorrichtungen zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen

Info

Publication number: DE102007007131A1
Application number: DE102007007131A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr. Schwienbacher
Original assignee: PILEMA TECH PRODUKTE GmbH; PILEMA TECHNISCHE PRODUKTE GmbH
Current assignee: PILEMA TECH PRODUKTE GmbH; PILEMA TECHNISCHE PRODUKTE GmbH
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2008-10-16

Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren für Biogasanlagen, wobei das von der Biogasanlage erzeugte CO<SUB>2</SUB> und die erzeugte Abwärme zur Herstellung von Biomasse verwendet werden. Dadurch ist es möglich, die Wirtschaftlichkeit wesentlich zu verbessern und den Eigenbedarf an Biomasse selbst zu erzeugen. Die erzeugte Biomasse enthält einen hohen Fettanteil. Dieser wird durch Verseifung unter Verwendung der Abwärme und von Chemikalien in Fettsäuren und Glycerin gespalten, was zu einer Erhöhung der Gasausbeute und des Methangehaltes im Biogas führt.

Description

Die Stromerzeugung aus Biomasse über Biogasanlagen und Verbrennungskraftmaschinen nimmt in der EU einen immer wichtigeren Stellenwert ein (EEG-Einspeisungsgesetz). Durch Einsatz von Algenkulturen kann die Eigenherstellung der dazu benötigten Biomasse unter Verwendung der bei der Verstromung produzierten Nebenprodukte, Wärme und Kohlendioxyd, erreicht und die Wirtschaftlichkeit der Anlagen dadurch entscheidend verbessert werden. Durch die zusätzliche thermische Vorbehandlung der erzeugten Biomasse wird ausserdem die Verweilzeit des Substrates bis zur vollständigen Ausfaulung erheblich verkürzt und ein höheren Methangehalt erreicht. Die Investitionen in Anlagen werden bei gleicher Leistung kleiner, auch werden die Anlagen in Bezug auf die Wärmeverwertung unabhängig vom Standort.
Stand der Technik
Stromerzeugung aus Biomasse hat im Energieentwicklungsplan der EU einen wichtigen Stellenwert, bis 2020 sollen 20% des elektrischen Stroms aus regenarativen Quellen erzeugt weden.
Bei den üblichen Biogasverfahren wird Biomasse anaerob bei Temperaturen über 35°C bakteriell zur Faulung gebracht. Dabei werden organische Verbindungen durch eine heterogene Bakterienpopulation in einem feuchten und warmen Milieu zerlegt. Es entsteht dabei ein Gas. Das so erhaltene biogene Brenngas, nennt man Biogas, es enthält im wesentlichen ca. 40–75% Methan, Restanteile sind Kohlendioxyd und geringe Mengen an H₂S und NH₃ sowie weitere Gase in Spuren.
Zur Wandlung der chemisch gebundenen Energie im Biogas zu elektrischen Strom stehen verschiedene Aggregate hauptsächlich Verbrennungskraftmaschinen zur Verfügung, wobei das Gas gereinigt oder ungereinigt als Treibstoff verwendet wird. Durch die Verbrennung entsteht CO₂, das im Brenngas bereits vorhandene CO₂ durchläuft unverändert die Kraftmaschine.
Diese Art der Stromerzeugung über Biogasanlagen ist trotz hoher Förderungen durch die Einspeisvergütungen, die durch die EU und das deutsche EEG Gesetz garantiert werden, nur selten und nur in ganz bestimmten Fällen wirtschaftlich zu betreiben.
NaWaRo (Einsatz von Nachwachsenden Rohstoffen als Substrat)-Anlagen kämpfen trotz hoher Vergütungen mit den stark gestiegenen Preisen der landwirtschaftlichen Rohstoffe.
Bei nicht NaWaRo Anlagen darf aus Renditegründen der Input so wenig wie möglich kosten. Sie müssen von möglichst preiswerten Abfällen leben, um wirtschaftlich zu produzieren. Dabei sind die saisonbedingt laufenden Änderungen der Substratzusammensetzung in Kauf zu nehmen. Es gelingt oft nicht, eine stabile Bioszönose aufzubauen, und es kann dabei zu Schwankungen bei der Gaszusammensetzung oder gar zum Erliegen der Gasausbeute kommen.
Durch diese häufigen Substratänderungen ist es schwierig, Prozesstabilität zu halten, und oft nicht möglich für die methanbildenden Bakterien optimale Wachstumsbedingungen zu schaffen und so hohe Methangehalte im Biogas zu erwirken und zu garantieren.
Sehr oft haben Biogasanlagen Schwierigkeiten, die überschüssige Prozesswärme zu vermarkten, weil die Anlagen und Betriebe meist ausserhalb von Siedlungen liegen.
Ohne den Erlös für den Verkauf der Wärme und den damit gekoppelten Wärmebonus (ca. 2 cts/KW), ist jede Biogasanlage nahezu unwirtschaftlich. Die Wärmenutzung ist von ausschlaggebender wirtschaftlicher Bedeutung.
Eine weitere Hauptursache für die problematische Rentabilität liegt in der Tatsache, dass der biologische Faulprozess sehr langsam abläuft, so dass Verweilzeiten von 50 bis 70 Tagen der Regelfall sind. Grosse Faulräume und damit hohe Investitionen sind notwendig.
Auch sind Primärmassnahmen zur Steigerung der Methanausbeute durch Änderung oder Verbesserung der Substratzusammensetzung im praktischen Betrieb kaum möglich.
Durch die hier aufgezeigten Gründe und wegen weiterer ungünstiger technischer Rahmenbedingunen, kann mit dem heutigen Stand der Technik nur in Ausnahmefällen und meist nur wenn alle Förderungen nutzbar sind betriebswirtschaftlich mit Gewinn gearbeitet werden.
Erfindung
Dem Erfinder ist es nun gelungen, ausgehend von einer genauen Systemanalyse, die wesentlichen beim heutigen Stand der Technik erkennbaren Schwachpunkte durch technisch und betriebswirtschaftlich neuartige und entscheidend bessere Verfahren und Lösungen zu ersetzen.
Durch die hier beschriebenen neuartigen Verfahren und Vorrichtungen, kann die vollständige Unabhängigkeit der Biogasanlagen von äusseren nicht oder nur geringfügig beeinflussbaren Rahmenbedingungen, wie Substratbeschaffung und Wärmeabgabe, erreicht werden. Die Effizienz der Anlagen wird so entscheidend gesteigert, dass auch bei einer Reduzierung der Förderungen oder bei Fehlen von Möglichkeiten der Wärmeabgaben, immer im wirtschaftlich positiven Bereich gearbeitet und produziert werden kann.
Hier die einzelnen erfindungsgemässen Bausteine

1. Verwendung und Einsatz des erzeugten Kohlendioxyds aus den Verbrennungskraftmaschinen von Biogasanlagen als Rohstoff zur Herstellung von Biomasse. Diese kann wieder in den Biogaskreislauf zurückgeführt werden. Dazu werden geeignete Algen in beheizten Becken durch Einleiten von CO2 und Licht gezüchtet und geerntet. Zur Beheizung der Becken wird die anlageneigene Abwärme verwendet. Algen sind Pflanzen, welche mit Licht und CO₂ über Photosynthese Biomasse herstellen. Bei geeigneten Bedingungen verdoppelt sich das Lebendgewicht der Algen täglich. Bei der Züchtung wird ein Umsetzungsgrad des eingeleiteten CO₂ zu Biomasse von 30 bis 70% erreicht, so dass bei erfindungsgemässem Arbeiten nicht nur kein Fremdsubstrat in der Biogasanlage eingesetzt werden muss, sondern sogar noch zusätzliche Biomasse für Fremdnutzung erzeugt wird. Das CO₂ wird gereinigt oder ungereinigt verwendet, Licht kann Sonnenlicht oder künstliches elektrisches Licht sein. Das bei Nacht produzierte CO₂ kann für den Tageseinsatz gespeichert werden.
2. Zum Einsatz kommen Algenarten, die einen Fettanteil über 30% der Trockenmasse haben. Durch Untersuchungen konnte von uns festgestellt werden, dass die Gasausbeute von Algensubstraten direkt mit der Präsenz und dem Gehalt von Fetten und Fettsäuren in der Algenmasse zusammenhängt. Je höher der Fettanteil um so höher die Gasausbeute. Bei Wiedereinsatz und Verwendung des gesamten in der Anlage produzierten CO₂ überschreitet die mit Fett-Algensorten erzeugte Biomasse den Eigenbedarf an Substratrohstoff derselben Biogasanlage. Durch Züchtungen und Modifikationen sind die von uns verwendeten Stämme leicht veränderbar und austauschbar, deshalb werden hier die einzelnen Algenarten nicht genannt. Generellen Schutz zur patentgemässen Verwendung von Algen für dieses Verfahren beanspruchen wir alle Algenarten, die einen Gehalt von mehr als 30% an Fettsäuren und Ölen bzw. Estern in der eigenen Biomasse aufbauen können. Die Fettsäuren liegen in der Biomasse sowohl frei oder in Form von Glycerinestern vor.
3. Hitzebehandlung der abgetrennten Algenbiomasse vor der Rückführung in den Biogasprozess. Es konnte festgestellt werden, dass eine kurzzeitige Druckerhitzung der Biomasse ohne oder mit Zugabe von geringen Mengen von Chemikalien bei einem pH von ca 3.0 bis 10,5 und bei Temperaturen von 90–150°C die Biogasproduktion pro Tonne eingesetzte Biomasse erhöht. Wir beanspruchen alle Verfahren, die die in der Biomasse vorhandenen Öle, chemisch definiert als Glycerinester, verseifen zu Fettsäuren und Glycerin, mit dem Ziel höhere Biogasausbeuten zu erzielen. Durch die Freilegung der Fettsäuren und des Glycerins, konnte die Ausbeute auf 700–750 m³ Biogas pro Tonne Biomasse gesteigert werden. Die von unbehandelter Fettalgen-Biomasse, die hauptsächlich aus Glycerinestern besteht, erhaltene Biogasausbeute liegt bei ca. 500 m³ pro Tonne Biomasse.
4. Verbesserung der Bioszönose Wir beanspruchen als Teil dieser Erfindung die thermische Behandlung der Biomasse, durch kurzzeitige Druckerhitzung derselben ohne oder mit Zugabe von geringen Mengen von Chemikalien bei einem pH von ca 3.0 bis 10,5 und bei Temperaturen von 90–150°C, weil dadurch das Eigensubstrat nicht nur eine konstante Bioszönose über den gesamten Jahresbetrieb ermöglicht, sondern dass die durch die Zugabe von behandeltem Algensubstrat aufgebaute Bioszönose im Faulraum eine Erhöhung der Besatzdichte der Methanbildenden Bakterien bewirkt und so wesentlich bessere Methangehalte im Biogas erreicht werden. Im Biogas wird mit der thermisch behandelten Biomasse ein Methangehalt von über 70% erreicht anstelle der sonst üblichen Methangehalte im Biogas von 50 bis 65%. Die mit diesem thermisch behandeltem Rohstoff erreichten Gasmengen liegen mit einem Faktor von 2,5 über der vom üblichen Standard Substrat (Vollmais) erzeugten Biogasmenge.
5. Wir beanspruchen die erfindungsgemässe thermische Substratbehandlung wird ausserdem eine Reduzierung der Verweilzeit des Substrates bis zur vollständigen Ausfaulung um bis zu ca. 60% ermöglicht.
6. Wir beanspruchen die Eigennutzung der gesamten im System erzeugten Wärme vor Ort zur Züchtung und Behandlung der eigenen Biomasse und dadurch Berechtigung auf den Wärmebonus. Die Erzeugung von Biomasse aus Algen durchläuft bei 23–35°C ein Produktionsoptimum. Weitere Wärme aus der Eigenproduktion wird für die thermische Behandlung der Biomasse benötigt. Vorteile der Eigennutzung der gesamten Wärme aus den Verbrennungsmaschinen zur Heizung der Zuchtanlagen zur Biomasseerzeugung, liegen nicht nur im Wärmebonus, sondern auch in der nicht notwendigen Investition in Anlagen zum Transport und der Verteilung der Wärme zu den Verbrauchern.

Claims

Vorrichtung für eine Biogasanlage, die derart ausgelegt ist, dass das erzeugte Biogas über Verbrennungskraftmaschinen in Strom verwandelt und dabei CO₂ Abgas und Wärme erzeugt wird, und diese Nebenproduktströme zur Herstellung von Biomasse verwendet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass zur Ereugung von Biomasse Algenkulturen, Licht, wässrige Nährlösungen welche durch Wärme auf 18 bis 35°C gehalten sind, verwendet werden.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dazu verwendeten Algenkulturen im Zellaufbau mindestens 30% Fettsäuren, Öle bzw. Glycerinester enthalten.
Vorrichtungen nach einem der vorstehemnden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sie in der Lage sind, kontinuierlich oder diskontinuierlich die erzeugten Algen zu ernten, zu entwässern und einen Teilstrom oder die gesamte erzeugte Biomasse in den Prozess der Biogaserzeugung zurückzuführen.
Vorrichtungen nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichet, dass sie die erzeugte Biomasse vor dem Wiedereinsatz so behandeln, dass eine Reduzierung der Verweilzeit des Substrates bis zur vollständigen Ausfaulung um bis zu ca. 60% ermöglicht wird.
Vorrichtungen nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichet, dass sie die erzeugte Biomasse vor dem Wiedereinsatz so behandeln, dass die Gasausbeute und der Methangehalt des Biogases wesentlich gesteigert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese Behandlung ein Erhitzen der gewonnenen und entwässerten Biomasse auf 80 bis 150°C bedeutet mit und ohne Zusatz von Chemikalien, mit dem Ziel die in der Biomasse vorhandenen Öle in Fettsäuren und Glycerin zu spalten.
Vorrichtung, dadurch gekennzeichet, dass ein Teil der produzierten Biomasse ausgeschleusst und zu anderen kommerziellen Zwecken verwendet wird.
Verfahren für eine Biogasanlage, wobei das erzeugte Biogas über Verbrennungskraftmaschinen in Strom verwandelt und dabei CO₂ Abgas und Wärme erzeugt wird, und diese Nebenproduktströme zur Herstellung von Biomasse verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 9 und Verfahren, dadurch gekennzeichnet dass zur Ereugung von Biomasse Algenkulturen, Licht, wässrige Nährlösungen, welche durch Wärme auf 18 bis 35°C gehalten sind, verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dazu verwendeten Algenkulturen im Zellaufbau mindestens 30% Fettsäuren, Öle bzw. Glycerinester enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass kontinuierlich oder diskontinuierlich die erzeugten Algen geerntet, entwässert und ein Teilstrom oder die gesamte erzeugte Biomasse in den Prozess der Biogaserzeugung zurückgeführt wird.
Verfahren, dadurch gekennzeichet, dass die erzeugte Biomasse vor dem Wiedereinsatz so behandelt wird, dass eine Reduzierung der Verweilzeit des Substrates bis zur vollständigen Ausfaulung um bis zu ca. 60% ermöglicht wird.
Verfahren, dadurch gekennzeichet, dass die erzeugte Biomasse vor dem Wiedereinsatz so behandelt wird, dass die Gasausbeute und der Methangehalt des Biogases wesentlich gesteigert werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese Behandlung ein Erhitzen der gewonnenen und entwässerten Biomasse auf 80 bis 150°C bedeutet mit und ohne Zusatz von Chemikalien, mit dem Ziel die in der Biomasse vorhandenen Öle in Fettsäuren und Glycerin zu spalten.
Verfahren, dadurch gekennzeichet, dass ein Teil der produzierten Biomasse ausgeschleusst und zu anderen kommerziellen Zwecken verwendet wird.