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Die Erfindung betrifft ein Biomasseanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft dir Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Biomasseanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
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Aus biologischen Prozessen stammende Materialien werden als sogenannte Biomasse bezeichnet. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um Bestandteile und Ausscheidungen von Tieren und Pflanzen. Biomasse fällt in unterschiedlichem Umfang unter anderem in Haushalten, bei der Nahrungsmittelproduktion, in der Landwirtschaft und der Tierhaltung an. Zum einen stellt sich die der Problematik der Beseitigung der anfallenden Biomasse als Abfall, wie insbesondere im Haushaltsbereich und in der Tier- und Landwirtschaft. Zum anderen wird aber auch in zunehmendem Maße eine Nutzung als Energiequelle in Betracht gezogen, nämlich der in der Biomasse chemisch gebundenen Energie.
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In gewissem Umfang erfolgt bereits eine Kompostierung der Biomasse zu deren Beseitigung und der anschließenden Nutzung als Dünger. Dies erfolgt einerseits im kleinen Maßstab auf Komposthaufen von Haushalten und andererseits in großen Anlagen der Abfallwirtschaft im Rahmen industrieller Kompostierung. Bei der Kompostierung entstehende brennbare Gase, wie insbesondere Methan, werden in der Regel nicht aufgefangen und genutzt. Dies erfolgt allenfalls in großen, kommerziell betriebenen speziellen Biogasanlagen.
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Im Bereich von Haushalten und kleineren land- und tierwirtschaftlichen Betrieben, wie beispielsweise Bauernhöfen oder Pferdehöfen, fallen durchaus beachtliche Mengen an Biomasse an, die einerseits beseitigt werden müssen und andererseits genutzt werden können.
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Nachteilig ist, dass Biomasseanlagen, also Anlagen zur Nutzung von Biomasse, entweder nur ohne energetische Nutzung oder lediglich als sehr große Anlagen für eine kommerzielle Nutzung bekannt sind.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu beseitigen. Es soll insbesondere Biomasseanlagen in Maßstäben für den Hausgebrauch und für kleine bis mittlere Betriebsgrößen vorgeschlagen werden, die eine Behandlung der Biomasse einerseits und eine Nutzung der anfallenden Energie andererseits erlauben.
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Die Erfindung wird gelöst durch eine Biomasseanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Biomasseanlage dient zur biologischen Umsetzung von Biomasse in kompostierte Biomasse und zum Auffangen von bei der biologischen Umsetzung der Biomasse entstehendem Biogas. Sie weist eine Reaktionsbehälter auf, die insbesondre zur biologischen Umsetzung dient. Der Reaktionsbehälter ist mit wenigstens einer verschließbaren Öffnung zum Einbringen und Ausbringen der Biomasse und mit wenigstens einer Öffnung zum Entnehmen entstehenden Biogases ausgestattet. Im Übrigen ist sie Anlage vorzugsweise mit einem Beschickungssystem zum Beschicken des Behälters beziehungsweise Reaktionsbehälters mit der Biomasse und mit einem Entnahmesystem zum Entnehmen beziehungsweise Abführen kompostierter Biomasse aus dem Reaktionsbehälter ausgerüstet. Die Biomasseanlage zeichnet sich dadurch aus, dass im oder am Reaktionsbehälter ein Wärmetauschersystem zum Abführen von bei der biologischen Umsetzung der Biomasse entstehender Wärme vorgesehen ist. Vorzugsweise wird dabei lediglich überschüssige Wärme abgeführt, also vorzugsweise die Wärme, die nicht für die Aufrechterhaltung der Kompostierung benötigt wird.
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Der Reaktionsbehälter weist insbesondere eine thermische Isolierung, insbesondere eine Wandisolierung, auf. Vorzugsweise ist der Reaktionsbehälter als Thermobehälter ausgebildet. Auf diese Weise können Wärmeverluste zumindest reduziert oder größtenteils vermieden werden. Damit kann ein hoher Nutzungsgrad der entstehenden Wärme erreicht werden.
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Das Wärmetauschersystem weist bevorzugt einen Innenraum auf, der weiter bevorzugt von einer Wärmetauscherwand umgeben ist. Der Innenraum ist vorzugsweise als Hohlzylinder ausgebildet, welcher weiter vorzugsweise konzentrisch zur Längsachse innerhalb des Reaktionsbehälters angeordnet ist. Die Wärmetauscherwand ist bevorzugt wenigstens teilweise, weiter bevorzugt zumindest überwiegend, besonders bevorzugt vollständig aus Kupfer gebildet. Das Wärmetauschersystem kann auf diese Weise optimal an die Biomasseanlage angepasst werden, insbesondere in Bezug auf Parameter, wie Abmessungen und/oder Wärmeaustrag.
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Das Wärmetauschersystem, insbesondere dessen Innenraum, weist vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 500 mm bis 800 mm und/oder eine Länge von etwa 1000 mm bis 1500 mm auf. Diese Abmessungen haben sich für Biomasseanlagen für den Einsatz im Haushalten und kleinen Betrieben als optimal herausgestellt. Allerdings lassen sich grundsätzlich auch andere Abmessungen einsetzen. Insbesondere kann das Wärmetauschersystem, insbesondere dessen Innenraum, auch Durchmesser von etwa 100 mm bis 5000 mm und/oder eine Länge von etwa 100 mm bis 5000 mm aufweisen.
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Bevorzugt arbeitet das Wärmetauschersystem mit einem fluiden Wärmetauschermedium, insbesondere einem flüssigen Wärmetauschermedium. Als besonders geeignet hat sich vorzugsweise Glycerin als Wärmetauschermedium herausgestellt. Das Wärmetauschersystem, vorzugsweise dessen Innenraum, kann dazu insbesondere zumindest im Wesentlichen mit dem Wärmetauschermedium gefüllt sein. In diesem Fall dient das gesamte Wärmetauschersystem zur Aufnahme von Wärme aus dem Reaktionsbehälter und zur Abgabe nach außen. Entsprechende Leitungen, insbesondere Wärmemittelleitungen, können mittels das Wärmetauschermedium aus dem Wärmetauschersystem heraus und wieder hineinleiten, um so Wärme entziehen zu können. Ein Kreislaufsystem für das Wärmetauschermedium wird dazu insbesondere vorgeschlagen. Auf diese Weise kann ein effizienter, sicherer Wärmetransport erreicht werden.
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Das Wärmetauschersystem ist insbesondere mit wenigstens zwei Wärmemittelleitungen zum Wärmetransport durchströmbar verbunden. Vorzugsweise sind die Wärmemittelleitungen und insbesondere der Innenraum und/oder eine im Innenraum verlaufende Wärmetauscherschleife vom Wärmetauschermedium durchströmbar. Eine Wärmetauscherschleife dient dazu, kleinere Mengen an Wärmetauschermedium vorhalten und/oder umpumpen zu müssen. Das Wärmetauschersystem insbesondere kann somit monolithisch aus einem Material, wie beispielsweise einem Metall, insbesondere Kupfer, gebildet sein. Die Wärmetauscherschleife läuft dann durch das Wärmetauschersystem und entnimmt diesem die Wärme. Insbesondere kann die Wärmetauscherschleife in Form wenigstens eines Kanals im Wärmetauscher ausgebildet sein.
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Vorzugsweise ist das Beschickungssystem nach Art eines Paternosters ausgebildet. Durch das Beschickungssystem ist der Reaktionsbehälter vorzugsweise in dessen oberen Bereich befüllbar. Das Beschickungssystem weist vorzugsweise wenigstens einen Schüttbehälter auf. Insbesondere ist wenigstens eine Schleuse zur Verhinderung von Biogasverlust vorhanden.
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Das Entnahmesystem weist vorzugsweise wenigstens einen Extruder auf. Mit dem Extruder ist insbesondere die kompostierte Biomasse beim Abführen beziehungsweise Entnehmen aus dem Reaktionsbehälter pressbar, vorzugsweise zu Pellets. Vorzugsweise ist das Entnahmesystem, vorzugsweise der wenigstens eine Extruder, insbesondere einem unteren Bereich des Reaktionsbehälters zugeordnet. Auf diese Weise wird für eine Weiterverarbeitung der kompostierten Biomasse gesorgt. Der Extruder kann vorzugsweise mit einem Querschnitt in der Größenordnung von etwa zwischen 1 mm bis 50 mm arbeiten, weiter vorzugsweise zwischen 3 mm und 15 mm.
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Bevorzugt weist der Reaktionsbehälter eine symmetrische, vorzugsweise rotationssymmetrische Form auf. Insbesondere ist der Reaktionsbehälter zylindrisch oder konusförmig ausgebildet, vorzugsweise in Bezug auf eine vertikale Längsachse. Damit kann eine energieeffiziente und kompakte Bauweise erreicht werden.
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Der Reaktionsbehälter weist vorzugsweise ein Abmessungsverhältnis von Höhe zu Durchmesser von etwa 3 zu 4 auf. Insbesondere weist der Reaktionsbehälter eine Behälterwand mit einer Wanddicke von zwischen etwa 10 mm bis 300 mm auf, vorzugsweise in etwa 100 mm. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser des Reaktionsbehälters in etwa 3000 mm. Der Reaktionsbehälter weit insbesondere eine Höhe von etwa 4000 mm auf. Diese Abmessungen haben sich als geeignet für die typischen Anlagengrößen herausgestellt.
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Vorzugsweise weist der Reaktionsbehälter in einem unteren Bereich des Behälters wenigstens ein Gitter zum Sichten der kompostierten Biomasse auf, also zum Sieben. Weiter vorzugsweise teilt das Gitter in Richtung der Längsachse den Reaktionsbehälter in einen oberen Bereich und einen unteren Bereich auf. Das Gitter weist vorzugsweise eine Maschenweite von etwa 1 cm2 bis 100 cm2 auf, insbesondere in etwa 10 cm2. Mit diesen Parametern kann eine sinnvolle Sichtung des Materials erfolgen, um eine Abfuhr nur des fertig kompostierten Materials zu ermöglichen.
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Die eingangs beschriebene Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Biomasseanlage mit den Maßnahmen des Anspruchs 12. Die Biomasseanlage kann dabei insbesondere gemäß den obigen Ausführungen ausgebildet sein. Das Verfahren zeichnet sich einen oder mehrere der folgenden Schritte aus:
- a) Bereitstellen von Biomasse,
- b) Befüllen des Reaktionsbehälters mit der Biomasse mittels des Beschickungssystems,
- c) Biologische Umsetzung der Biomasse im Reaktionsbehälter,
- d) Auffangen und/oder Abführung von durch die biologische Umsetzung entstehender, insbesondere überschüssiger Wärme,
- e) Auffangen und/oder Abführung von durch die biologische Umsetzung entstehendem Biogas,
- f) Entnehmen kompostierter Biomasse mittels des Entnahmesystems, vorzugsweise mit einem Pressen der kompostierten Biomasse zu Pellets.
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Auf diese Weise wird ein Verfahren zum Kompostieren von Biomasse sowie zum Betreiben einer Biomasseanlage angegeben. Das Verfahren zeichnet sich durch einige Schritte aus, die sich insbesondere zur Ausführung im Zusammenhang mit der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Biomasseanlage eignen.
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Im Rahmen des Verfahrens kann insbesondere zum Befüllen die Biomasse mittels des Beschickungssystems, insbesondere eines Paternostersystems, in den Reaktionsbehälter verbracht werden, vorzugsweise ins dessen oberen Bereich. Eine vorzugsweise automatisierte Beschickung kann für einen kontinuierlichen Betrieb der Biomasseanlage ohne erforderliche menschliche Eingriffe sorgen. Ein Paternostersystem kann insbesondere für eine kontinuierliche Zufuhr von Biomasse in den Reaktionsbehälter sorgen.
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Bereits kompostierte Biomasse fällt vorzugsweise aus einem oberen Bereich des Reaktionsbehälters durch ein Gitter in einen unteren Bereich des Reaktionsbehälters, insbesondere einen Entnahmetrichter. Vorzugsweise wird es durch eine Entnahmevorrichtung, insbesondere einen Extruder, aus dem Behälter abgeführt und/oder zu Pellets gepresst. Damit wird insbesondere ein kontinuierlicher Prozess der Umsetzung von Biomasse ermöglicht. Außerdem kann bereits kompostiertes Material abgeführt werden.
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Vorzugsweise wird das aufgefangene Biogas zumindest anteilig genutzt, um die kompostierte Biomasse zu trocknen. Somit kann die kompostierte Biomasse insbesondere ohne zusätzlichen Energieaufwand weiter genutzt werden. Dies erfolgt weiter vorzugsweise mit einer thermischen Trocknungsvorrichtung. Diese kann insbesondere entnommene Wärme aus dem Reaktionsbehälter zur Trocknung nutzen. Es kann sich insbesondere um eine gasbetriebene Heizung handeln, vorzugsweise dem Biogas der Biomasseanlage. Besonders bevorzugt erfolgt die Trocknung der kompostierten Biomasse nach dem Entnehmen beziehungsweise Abführen aus dem Reaktionsbehälter und dem Pressen zu Pellets. Die durch das Pressen bereits teilentwässerten lassen sich so weiter trocknen.
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Einerseits eignet sich die kompostierte Biomasse, insbesondere in Form von Pellets, als Brennstoff, vorzugsweise für Heizzwecke oder auch allgemein für die Energiegewinnung, beispielsweise in Kraftwerken. Insbesondere können die Pellets in einer Pelletheizung eingesetzt werden. Andererseits lässt sich die kompostierte Biomasse, insbesondere in Form von Pellets, auch als hochwertiger Pflanzendünger nutzen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt:
- 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Biomasseanlage.
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In der 1 ist eine Biomasseanlage 10 dargestellt. Die Biomasseanlage 10 weist einen Reaktionsbehälter 11 mit einem Innenraum 12 auf. Der Innenraum 12 dient zur Aufnahme der Biomasse und zur Durchführung der Kompostierung.
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Im unteren Bereich des Reaktionsbehälters 11 ist ein Entnahmebereich, hier in Form eines Entnahmetrichters 14 angeordnet. Dieser dient zur Entnahme beziehungsweise Abfuhr bereits kompostierten biologischen Materials. Ein Gitter 15 begrenzt den Innenraum 12 des Reaktionsbehälters 11 nach unten. Dieses Gitter 15 dient dazu, das zu kompostierende Material im Innenraum zumindest so lange zu halten, bis es hinreichend umgesetzt beziehungsweise kompostiert ist.
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Nach unten hin schließt sich der Entnahmetrichter 14 an. Als Entnahmeraum 16 wird dazu das Innere des Entnahmetrichters 14 bezeichnet. In diesen Entnahmeraum 16 fällt das umgesetzte beziehungsweise kompostierte Material durch das Gitter 15 hindurch.
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Das Material kann dann aus dem Entnahmeraum 16 entnommen werden. Dazu dient insbesondere ein Entnahmesystem, wie insbesondere ein Extruder 22. Dieser ist am unteren Bereich des Entnahmetrichters 14 angeordnet. Mittels des Extruders 22 lassen sich Portionen des kompostierten Materials pressen. So lassen sich Pellts aus dem kompostierten Material herstellen. Dabei kommt es zu einer ersten Entwässerung, mithin einer teilweisen Trocknung.
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Die bei der Umsetzung des biologischen Materials im Reaktionsbehälter 11 entstehende Wäre, die sogenannte Prozesswärme, soll genutzt werden. Dazu wird diese mittels eines Wärmetauschersystem 17 aus dem Reaktionsbehälter 11 teilweise entnommen.
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Das Wärmetauschersystem 17 weist in einem ersten Fall einen Innenraum 18 der von einer Wärmetauscherwand 19 umgeben ist. In diesem Fall kann der gesamte Innenraum 18 mit einem Wärmemedium gefüllt sein, beispielsweise mit Glycerin. Zwei Wärmemittelleitungen 20 dienen hier dazu, das Wärmemedium im Kreis umzupumpen. Auf diese Weise kann die entstehende Wärme sukzessive aus dem Reaktionsbehälter 11 entnommen werden. Außerhalb des Reaktionsbehälters 11 lässt sich die Wärme nutzen, beispielsweise zu Heizungszwecken, wie insbesondere zur Gebäudeheizung oder auch zur Trocknung des kompostierten Materials.
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In einem zweiten Fall ist hier in gestrichelten Linien eine Wärmetauscherschleife 21 eingezeichnet. Diese verläuft hier als Kanal- oder Rohrsystem durch das Wärmetauschersystem 17. Tatsächlich kann es sich in diesem Fall um Bohrungen oder Kanäle in einem kompakten Material, wie insbesondere einem Metall, vorzugsweise Kupfer handeln. Das Material des Wärmetauschersystems 17 nimmt in diesem Fall Wärme aus dem Reaktionsbehälter 11 auf und gibt sie an das durchströmende Wärmemedium ab.
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Die obere Öffnung des Reaktionsbehälters 11 kann mit einem Behälterdeckel 23 verschlossen sein. Dieser Behälterdeckel 23 erfüllt idealerweise mehrere Funktionen:
- - Zum einen sorgt der Behälterdeckel 23 für einen möglichst gasdichten Abschluss des Reaktionsbehälters 11 insgesamt. Damit kann das bei den Reaktionen entstehende Biogas aufgefangen werden. Das sich dann im Reaktionsbehälter 11 ansammelnde Biogas kann auf diese Weise gezielt entnommen und dann weiter genutzt werden. Hierzu können insbesondere im Bereich des Behälterdeckels 23 oder auch am oberen Randbereich des Reaktionsbehälters 11 hier nicht gezeigte Öffnungen und/oder Ventile vorsehen, die zur Entnahme des Biogases dienen können. Gegebenenfalls können sie auch zur Belüftung des Reaktionsbehälters 11 dienen. Beim entstehenden Biogas handelt es sich zumeist überwiegend um Kohlenwasserstoffe, insbesondere kurzkettige Kohlenwasserstoffe, wie insbesondere Methan, Ethan und/oder Propan.
- - Zum anderen sorgt der Behälterdeckel 23 auch für einen thermischen Abschluss des Reaktionsbehälters 11. Damit kann ein Wärmeverlust zumindest deutlich reduziert oder sogar größtenteils vermieden werden. Die Wärmeenergie kann somit über das Wärmetauschersystem 17 abgeführt werden, um diese gegebenenfalls weiter nutzen zu können.
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Als besondere zusätzliche Ausführung der Erfindung ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein optionales Paternostersystem 24 zur Zuführung von Material dargestellt. Dieser Anlagenteil wird im Folgenden beschrieben, auch wenn er lediglich optional in dieser Form vorgesehen sein kann.
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Das Paternostersystem 24 weist ein Förderband 25 auf, an dem Schütten 26 angeordnet sind. Diese Schütten 26 werden im Betrieb entlang des Verfahrwegs des Förderbands 25 umlaufend verfahren. Die Transportrichtung 27 ist mit Pfeilen angedeutet. Dementsprechend werden können die Schütten 26 jeweils Biomasse aufnehmen und in den Bereich des Behälterdeckels 23 des Reaktionsbehälters 11 transportieren. Dort angekommen werden die Schütten 26 umgekippt, so dass die enthaltene Biomasse in den Innenraum 12 des Reaktionsbehälters 11 hineinfällt.
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Um einen ungewollten Verlust des Biogases aus dem Behälter kann im Bereich des Behälterdeckel 23 eine nicht gezeigte Schleuse vorgesehen sein. Die Schleuse soll zur Einbringung des Biomasse-Materials dienen, ohne dass entstandenes Biogas verloren geht.
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Als Vorteil der beschriebenen Biomasseanlage 10 sind insbesondere die erreichbaren hohen Temperaturen zu nennen. Dadurch bleiben insbesondere keine Samen etc. übrig, die bei einer Kompostierung auf dem Komposthaufen nicht zerstört werden. Aufgrund des Aufbaus der Anlage kann eine Befüllung für mehrere Wochen Betrieb der Biomasseanlage ausreichen, vorzugsweise für etwa drei Wochen.
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Zusätzlich lassen sich weitere regenerative Energieträger einbinden, wie beispielsweise zusätzlich Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen und ähnliches. Damit kann der Betrieb auch in elektrischer Hinsicht regenerativ und ökologisch gestaltet werden.
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Um den Prozess des Kompostierens in der Biomasseanlage zu verbessern, kann ein Hinzufügen von Mikroorganismen erfolgen. Damit kann sowohl ein Starten als auch ein Optimieren des Prozesses erreicht werden.
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Die kompostierte Biomasse, insbesondere in Form von Pellets, kann insbesondere als Brennstoff und/oder als Dünger für Pflanzen genutzt werden.
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Als Brennstoff kann die kompostierte Biomasse beziehungsweise können die Pellets in einer entsprechenden Heizungsanlage verwendet werden. Es kann sich beispielsweise eine Pelletheizung eignen, die üblicherweise mit Holzpellets betrieben wird.
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Indem die kompostierte Biomasse außerdem als Brennstoff zum Betrieb der Biomasseanlage verwendet wird, können CO2-Emissionen für den Betrieb der Anlage reduziert oder sogar ganz vermieden werden.
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Weitere, gegebenenfalls nicht explizit beschriebene Merkmalskombinationen sind grundsätzlich möglich, sofern diese aus technischer Sicht kombinierbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Biomasseanlage
- 11
- Reaktionsbehälter
- 12
- Innenraum
- 13
- Behälterwand
- 14
- Entnahmetrichter
- 15
- Gitter
- 16
- Entnahmeraum
- 17
- Wärmetauschersystem
- 18
- Innenraum
- 19
- Wärmetauscherwand
- 20
- Wärmemittelleitungen
- 21
- Wärmetauscherschleife
- 22
- Extruder
- 23
- Behälterdeckel
- 24
- Paternostersystem
- 25
- Förderband
- 26
- Schütte
- 27
- Transportrichtung