DE102007038870A1

DE102007038870A1 - Verfahren zum Betreiben einer Feststofffermenteranlage und Feststofffermenteranlage

Info

Publication number: DE102007038870A1
Application number: DE102007038870A
Authority: DE
Inventors: Joachim Kausch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-16
Filing date: 2007-08-16
Publication date: 2009-02-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Feststofffermenteranlage mit mindestens einem diskontinuierlich betreibbaren garagenartigen Feststofffermenter (12), wobei der Feststofffermenter (12) von oben nach unten mit einem Perkolat durchströmt wird und das Biogas aus dem Fermenter entnommen und aufgefangen wird und dann das entnommene Biogas einer Reinigung zur Kohlendioxidabreichung unterzogen wird, dergestalt, dass der Kohlendioxidgehalt des entnommenen Methangases unter 45 Vol.-% beträgt, sowie eine Feststofffermenteranlage, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Feststofffermenteranlage mit mindestens einem diskontinuierlich betreibbaren garagenartigen Feststofffermenter, wobei der oder die Feststofffermenter von oben nach unten mit einem Perkolat durchströmt werden und das abfließende Perkolat des mindestens einen Feststofffermenters erneut dem mindestens einen Feststofffermenter zugeführt wird und Biogas dem oder den Feststofffermenter entnommen wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um eine durchgehend anaerobe Fermentation von Biomasse. Dabei wird Biomasse in einem anaeroben Milieu von geeigneten Bakterien unter Bildung von Biogas, insbesondere Methan, zersetzt.
Grundsätzlich sind hierbei sowohl ein- als auch zweistufige Verfahren bekannt.
Sofern mehr als ein Feststofffermenter eingesetzt wird, werden die Feststofffermenter bevorzugt zeitlich zueinander versetzt betrieben.
Unter zeitlich zueinander versetzt soll verstanden werden, dass das Anfahren der einzelnen Batchprozesse in den Feststofffermentern nicht zeitgleich erfolgt. Die Feststofffermenter befinden sich dadurch in verschiedenen Stadien des Vergärungsprozesses.
Die vorliegende Feststofffermenter können insbesondere zu Fermentationen von organischen Feststoffen verwendet werden, wie sie zur Erzeugung von sogenanntem Biogas, insbesondere Methan, eingesetzt werden. Als organische Feststoffe werden Abfälle und Materialien bezeichnet, die über einen für die Kompostierung bzw. Vergärung genügend großen Anteil biologisch abbaubarer Stoffe verfügen. Das sind zum Beispiel Bioabfälle, Garten- und Parkabfälle einschließlich Grünschnitt, Klär- und Fäkalschlämme, Marktabfälle, Abfälle aus der Lebensmittelverarbeitung sowie Restmüll, der nach der Wertstofftrennung zurückbleibt. Darüber hinaus können auch weitere, in der Landwirtschaft erzeugte erneuerbare biologische Materialien wie beispielsweise Maishäcksel, etc. eingesetzt werden. Die Verwertung des erzeugten Biogases erfolgt dabei vorzugsweise in Gasmotoren, wie sie üblicherweise zur energetischen Nutzung von Biogasen eingesetzt werden.
Es sind in der Landwirtschaft und in der Abfallwirtschaft Feststoffermenter als im Batchverfahren betriebene Perkolationsfermenter im Einsatz. Hierbei werden vielfach sogenannte berieselte Boxenfermenter eingesetzt, wie sie beispielsweise in der EP 1 428 868 A1 beschrieben sind, bei denen eine Fermenterzelle in Form eines Boxenfermenters von unten nach oben mit Gas durchströmt wird um die Vergärung zu fördern. Problematisch ist hierbei die unsichere Betriebsweise, da eine Verstopfungsgefahr der Gasdüsen besteht.
Unter Boxenfermentern oder garagenartigen Fermentern werden erfindungsgemäß garagenartige Boxen verstanden, die mit Biomasse befüllt sind und mit Prozesswasser dem sogenannten Perkolat berieselt werden. Das Perkolat fließt am Fuß der Boxen zu einem oder mehreren Einläufen und wird gegebenenfalls in einem oder mehreren Perkolattanks erfasst, gegebenenfalls gespeichert und wieder über das Gärsubstrat verrieselt.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Feststofffermenteranlage, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens umfassend mindestens einen garagenartigen, mit fermentierbaren Material befüllbaren Feststofffermenter, der über Perkolat Zu- und Ableitungen mit einem Perkolatbehälter verbunden ist, wobei die Anlage eine Auffangeinrichtung für das entnommene Biogas umfasst.
In der EP 1 301 583 B1 ein Bioreaktor zur Methanisierung von Biomasse und eine Biogasanlage bekannt, die ebenfalls auf dem Prinzip des Boxenfermenters beruht, wobei hierbei im Boden eine Heizeinrichtung eingebracht ist, um den Fermenter auf die notwendige und für die Mikroorganismen erforderliche Temperatur aufzuheizen. Dabei offenbart die Druckschrift bereits, das Perkolat einer Perkolataufbereitung zuzuführen, wobei Messwerte erfasst werden können und in einer Zumischeinrichtung Zusatzstoffe beigefügt werden können. Nachteilig dabei ist aufgrund des schlechten Wärmeübergangs, dass eine vollständige Durchheizung des Biomaterials nur unbefriedigend bzw. mit hohen Verlusten möglich ist. Nachteilig ist ebenfalls der notwendige Einsatz von bereits vergorenem Material zu Impfzwecken, wodurch der Raumbedarf und damit die Investitionen hoch sind.
Aus der DE 44 09 487 C2 ist ein Verfahren und eine Anlage zur Vergärung von organischen Rohabfällen bekannt, wobei hier zwei Bioreaktoren vorgesehen sind, das Perkolat, das mit einem Bioreaktor abgezogen wird, in einen Sickerwassersammelbehälter gesammelt und dann in einer Kreuzführung über einen in einem anderen zeitlichen Fenster befindlichen Bioreaktor wieder verrieselt wird.
Schließlich sei auf die DE 10 2005 029 306 A1 hingewiesen, die die aufgeführten Nachteile bereits verbessert, jedoch eine mehrtägige Startphase benötigt, da aufgrund des hohen Kohlendioxidgehalts im zu startenden Fermenter bzw. des relativ geringen Methangehalts im Biogas, die Verwertbarkeit des entstehenden Biogases in Gasmotoren in der Anlaufphase stark eingeschränkt ist. In der Folge muss das Biogas eines in der Startphase befindlichen Fermenters entweder durch Zugabe von brennbarem Gas, zum Beispiel Propan, Erdgas etc., für die Verwertbarkeit in Gasmotoren verbessert werden. Alternativ kann das Biogas gereinigt werden und dann ohne energetische Nutzung an die Umgebungsluft abgegeben werden. Beide Möglichkeiten führen zu finanziellen Nachteilen. Die Filterung bzw. Reinigung verhindert darüber hinaus die Nutzung eines methanarmen Biogases. Wegen des Batchbetriebes ist mit Problemen hinsichtlich der Reinigungsleistung des Biogasfilters zu rechnen. Die Zugabe von Gasen aus fossilen Quellen ist nach dem Erneuerbare Energiengesetz für die Verwertung vor Ort nicht mehr zulässig. Die Ableitung des methanarmen Gases direkt an die Umgebungsluft wäre neben dem Verlust des Methans umweltschädlich und ist insofern abzulehnen.
Ausgehend vom Stand der Technik stellt sich der Erfindung nun die Aufgabe, ein Verfahren sowie eine Feststofffermenteranlage bereit zu stellen, bei dem bereits in der Startphase ein für eine Verwertung mindestens ausreichender Methangehalt im entnommenen Biogas eingestellt werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren und eine Feststofffermenteranlage gemäß den Ansprüchen 1 und 7.
Dabei ist vorgesehen, dass das Biogas ganz oder teilweise durch eine CO₂-Reinigungsanlage geleitet wird. Durch die Reinigung des Biogases erfolgt eine CO₂-Abreicherung im Biogas am Ausgang der Reinigungsanlage auf unter 45 Vol.-% und vorzugsweise auf unter 40 Vol.-% jeweils bezogen auf das trockene Biogas. Hierdurch wird das Methan im Biogas angereichert, so dass am Ausgang der Reinigungsanlage ein Methangehalt von größer 55 Vol.-% oder sogar vorzugsweise größer 60 Vol.-% vorliegt.
Die Reinigung und Abreicherung von CO₂ erfolgt dabei so, dass auch bei Beginn der Fermentation, also in der Startphase in einem Feststofffermenter, in der ein CO₂-Gehalt von 70 bis 80 Vol.-% des trockenen Biogases aus diesem Feststofffermenter vorliegt, sich nach der Biogasreinigungsanlage ein Methangehalt in der Biogasleitung zur Verwertung von über 55 Vol.-% einstellt.
Besonders vorteilhaft ist, dass bei einem Methangehalt von über 55 Vol.-% und einem Kohlendioxidgehalt von unter 45 Vol.-% die üblicherweise verwendeten Gasmotoren für die Biogasverstromung störungsfrei und wartungsarm laufen und starten. Insbesondere der Motorstart, der als Folge von externen Einflüssen vergleichsweise häufig ausgeführt werden muss, benötigt eine hohe Gasqualität für automatisierte Startvorgänge. Die erfindungsgemäße Methananreicherung verringert so auch den Personalaufwand.
Zur Reinigung kommen dabei alle Verfahren und Einrichtungen zur CO₂-Abreicherung in Frage, wie sie auch aus den Aufbereitungstechniken für die Herstellung von Austauschgas, d. h. aufbereitetem Biogas von annähernder oder tatsächlicher Erdgasqualität bekannt sind. Prinzipiell können für die Aufbereitung von Biogas die gleichen Verfahren verwendet werden, welche für die Aufbereitung von anderen technischen Gasen Anwendung finden. Ziel des zu verwendenden Reinigungsverfahrens ist die Abreicherung des CO₂-Gehaltes auf unter 45 Vol.-%, um eine Verwertung vor Ort in Gasmotoren sicherstellen zu können und insbesondere das schwach methanhaltige Biogas aus den Startphasen verwerten zu können. Der apparative, d. h. der investive und der laufende Aufwand des beschriebenen Verfahrens ist dabei zum Beispiel im Vergleich zu einer Aufbereitung auf Erdgasqualität gering. Derartige Reinigungsanlagen sind beispielsweise Druckwechseladsorber mit Kohlenstoffmolekularsieb (PSA), Filtermembranen und insbesondere Gaswäscher, entweder als Druckwasserwäscher oder als Wäscher mit bestimmten Waschflüssigkeiten.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn eine solche Reinigungsanlage zugleich auch Schwefelwasserstoff (H₂S) entfernt, da Schwefelwasserstoff schädlich für die energetische Verwertung des Biogases in Gasmotoren ist. Dies ist beispielsweise bei Wäschern der Fall. H₂S und begleitende schwefelhaltige Kohlenstoffverbindungen, z. B. Mercaptane, sind giftig bzw. führen zu belästigenden Gerüchen. Bei der üblichen Verstromung des Biogases in Blockheizkraftwerken führt H₂S u. a. zur Versauerung des Motoröls und damit wegen des erforderlichen häufigen Ölwechsels zu hohen Kosten. Die Entfernung oder Abreicherung von H₂S senkt so die Wartungskosten.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Reinigung bzw. Abreicherung in einer Biogassammelleitung, die das Biogas aus allen Fermentern erfasst, erfolgt und eine entsprechende Einrichtung eingebaut ist.
Vorteilhaft können zwei und insbesondere drei Feststofffermenter vorgesehen sein, die sich in verschiedenen Stadien der Fermentation befinden, um so die Ausbeute des Methans in Biogas möglichst gleichmäßig zu halten, da in der Startphase bei einsetzender Methanproduktion zunächst zugleich ein sehr hoher CO₂-Anteil anfällt, das Methan/CO₂-Verhältnis durch Mischung des Biogases aller Fermenter jedoch zugunsten des Methans verschoben werden kann.
Ein Animpfen der Fermenter zum Starten der Fermentation kann dabei entweder mittels Perkolat oder mittels sogenanntem Gärrest erfolgen. Ein Animpfen überwiegend mit Perkolat ist gegenüber einem Start mit Gärrest aus bereits angefaultem Material als Starterkultur vorzuziehen, da bei einem Animpfen mit Gärrest der Anteil bezogen auf das Gewicht des frischen Materials in der Regel zwischen 30–50% und teilweise sogar über 80% beträgt und entsprechende Fermenter groß dimensioniert werden müssen, um für die Abgasgewinnung einen ausreichenden Anteil frischer Biomasse zu umfassen.
Des Weiteren kann als besonders vorteilhaft vorgesehen sein, die Reinigung vor einer Speicherung des Biogases, um das gespeicherte Gas dann einer weiteren Nutzung zum Beispiel zur Energiegewinnung zuzuführen, zu installieren, da die Außenhaut der üblicherweise verwendeten Folien-Gasspeicher belästigende Gerüche passieren lässt und bei Reinigung vor dem Gasspeicher die Geruchsprobleme minimiert werden. Weiterhin kann das Biogas im Gasspeicher kondensieren, was sich auf die spätere Verwendung in Gasmotoren positiv auswirkt.
Um den notwendigen Perkolatstrom für die Fermentation einstellen zu können, kann am Fuß des Substrats der Einbau eines dränierenden Filters vorgesehen sein. Die Stärke des Filters ist dann so zu wählen, dass auch bei teilweise eingeschwemmtem Gärsubstrat eine ausreichende Filter- und Dränagewirkung erreicht wird. Der Filter kann durch zusätzliche Dränageleitungen, offen liegend, oder in den Boden eingelassen, unterstützt werden.
Dabei kann vorgesehen sein, das Perkolat aller Feststofffermenter in einem Perkkolattank zusammenzuführen, wobei der Perkolattank als Regenerationsfermenter dienen kann. Aus diesem Perkolattank wird dann das Perkolat wieder den Fermentern zugeführt. Dabei kann Biogas auch aus dem Perkolattank entnommen werden und mit dem Biogas der Feststofffermenter einer Verwertung zugeführt werden.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt die Zeichnung in der einzigen Figur eine Feststofffermenteranlage, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Die Feststofffermenteranlage 10 umfasst hierbei einen Feststofffermenter 12. Der Feststofffermenter 12, der eine garagenartige Form aufweist, und von vorne ähnlich wie eine Autogarage mit Biomasse befüllt werden kann, ist mit Biomasse, die mit 14 gekennzeichnet ist, beladen.
Des Weiteren umfasst die Feststofffermenteranlage 10 einen Perkolatbehälter 16, in dem Perkolationsflüssigkeit 18 zwischengespeichert wird, die zur Verregnung im Fermentationsbehälter 12 verwendet wird, wobei das Perkolat 18 am Fuß des Fermenters 12 z. B. über eine Filterdränage 22 aufgefangen und in den Perkolatbehälter 16 zurückgeführt wird.
Die Filterdränage 22 hält Stoffe zurück, die die gleichmäßige Verregnung in den Verteileinrichtungen 26 bei einer Kreislaufführung derselben blockieren können und ermöglicht die rasche Rückführung von Perkolat 18 in den Perkolatbehälter 16 bzw. verhindert das Aufschwimmen der Biomasse 14 im Fermentationsbehälter 12. Die Perkolatverteilung ist hierbei durch eine Leitung 20 gekennzeichnet, über die Perkolat 18 aus dem Perkolatbehälter 16 entnommen wird. Mittels einer Pumpe 24 wird hierbei das Perkolat 18 zu Verteileinrichtungen 26 gefördert und möglichst gleichmäßig über die Biomasse 14 verteilt, um eine gute Durchfeuchtung zu erreichen.
Am Boden der Filterdränage 22 wird das Perkolat 18 dann über die Leitung 30 wieder abgezogen und in den Perkolatbehälter 16 überführt. Der Perkolatbehälter 16 wirkt hier als Regenerationsfermenter, so dass über eine Gasentnahmeleitung 41, die mit dem Perkolatbehälter 16 verbunden ist, methanhaltiges Biogas aus dem Perkolatbehälter 16 entnommen wird, und einer Biogassammelleitung 40 zugeführt wird. Der Perkolatbehälter 16 dient darüber hinaus dem Säureabbau und neben einem reifen Fermentern der Regeneration des Perkolats 18. Daneben kann das Perkolat 18 auch bei Verwendung mehrerer Fermenter 12 in den reifen Fermentern regeneriert werden.
Bei Fermentationsanlagen 10 mit mehreren Feststofffermentern 12a bis 12n erfolgt die Beladung der Fermenter mit frischer Biomasse 14 nicht zeitgleich, sondern zeitlich so zueinander versetzt, dass möglichst viele Phasen der Vergärung, also frühe, mittlere und reife Phasen, gleichzeitig ablaufen, um einen möglichst wenig schwankenden Methangehalt zu erreichen.
Das bei der Fermentation in den Fermentern 12, 16 entstehende Biogas wird nach der Entnahme aus den Fermentern 12, 16 einer Reinigungseinrichtung 31 zugeführt und dort von CO₂ und ggf. H₂S gereinigt und über eine Gasleitung 30 einer Verwertung oder einem Gassammelbehälter (nicht dargestellt) zugeführt. Die Abreicherung des CO₂-Gases erfolgt dabei auf unter 45 Vol-% im trockenen Biogas, so dass sich bereits in der Startphase des Fermenter 12 ein Methangehalt von größer 55 Vol.-% in Biogas einstellt.
Das entstehende und abgereicherte Biogas kann bei einsetzender Methanbildung in dem Fermenter sofort in Gasmotoren verwertet werden, statt wie bisher, umweltschädlich an die Umgebungsluft abgegeben zu werden und erst in einem späteren Zeitpunkt der Fermentation verwertbar zu sein, in der der Methangehalt in Biogas aufgrund der ablaufenden Fermentationsvorgänge höher ist.
Ein Vorteil besteht somit darin, dass durch das frühzeitige Verwerten des Biogases die im Gärsubstrat enthaltene Energie zu einem höheren Anteil ausgenutzt wird, was zu höheren Einnahmen führt.
Die vorliegende Erfindung bietet daher ein ertragsoptimiertes Feststofffermentationsverfahren bzw. eine entsprechende Vorrichtung hierzu, die einfach und sicher zu handhaben ist und darüber hinaus einen sehr guten Methan-Gasertrag ermöglicht und den Emissionsgesichtspunkten Rechnung trägt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1428868 A1 [0007]
- EP 1301583 B1 [0010]
- DE 4409487 C2 [0011]
- DE 102005029306 A1 [0012]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Feststofffermenteranlage mit mindestens einem diskontinuierlich betreibbaren garagenartigen Feststofffermenter (12), wobei der Feststofffermenter (12) von oben nach unten mit einem Perkolat (18) durchströmt wird und das Biogas aus dem Fermenter (12) entnommen und aufgefangen wird und dann das entnommene Biogas einer Reinigung zur Kohlendioxidabreichung unterzogen wird, dergestalt, dass der Kohlendioxidgehalt des entnommenen Methangases unter 45 Vol.-% gesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Kohlendioxidgehalt unter 40 Vol.-% abgereichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mindestens zwei diskontinuierlich und zeitlich versetzt betreibbare garagenartige Feststofffermenter (12) eingesetzt werden, wobei das Biogas aus allen Fermentern entnommen und insbesondere vermischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das abfließende Perkolat (18) aller Feststofffermenter (12) in einem als kontinuierlicher Regenerationsfermenter arbeitenden Perkolatbehälter (16) zusammengeführt und erneut den Feststofffermentern (12) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Reinigung vor einer Speicherung des Biogases erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das entnommene und gereinigte Biogas bereits bei einsetzender Methanbildung in einem Feststofffermenter (12) einer energetischen Verwertung zugeführt wird.
Feststofffermenteranlage (10), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorgenannten Ansprüche mit mindestens einem garagenartigen Feststofffermenter (12), der über Zu- und Ableitungen (26) mit im Kreis geführten Perkolat berieselbar ist und mit mindestens einer Auffangeinrichtung (30, 40) für das entnommene Biogas, dadurch gekennzeichnet, dass eine CO₂-Reinigungseinrichtung (31) in der Auffangeinrichtung (30, 40) vorgesehen ist, durch die das entnommene Biogas hindurchleitbar ist.
Feststofffermenteranlage nach Anspruch 7, wobei ein Perkolatbehälter (16) vorgesehen ist, der insbesondere als Regenerationsfermenter dient.
Feststofffermenteranlage nach Anspruch 6 oder 7, bei der die Reinigungseinrichtung (31) vor einem Biogasspeicher zur Speicherung des aus dem oder den Feststofffermentern (12) entnommenen Biogases angeordnet ist.
Feststofffermenteranlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Auffangeinrichtung (30, 40) mit einer energetischen Verwertungseinrichtung, insbesondere einem Gasmotor, verbunden ist.