DE19840691C2 - Verwendung eines CO2-haltigen Abgases als Kohlenstoffquelle für Pflanzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verwendung von kohlendioxidhaltigem Nebenprodukt bzw. Abfall-Gas, gewöhnlich gemischt mit Methan, als Kohlenstoffquelle.

Biogase als erneuerbare Energiequellen werden aus organischen Reststoffen aus Landwirtschaft, Kommune, Industrie und Gewerbe und Ganzpflanzen oder Teilen derselben durch gesteuerte anaerobe Fermentation in kommunalen und privaten städtischen Biogasanlagen und Kläranlagen und landwirtschaftlichen Biogasanlagen produziert. Die Steuerung betrifft vorzugsweise Aufenthaltszeit, Rührung, Temperierung und Konzentrationen im Reaktor. Die dabei entstehenden Biogase unterscheiden sich in der Zusammensetzung, d. h. im Methangehalt (zumeist 50-70 Vol.-%), Kohlendioxid (CO₂)- Gehalt (zumeist 47-27 Vol.-%), Gehalt an Feuchtigkeit (zumeist 1-3 Vol.-%) und Schwefelwasserstoff (zumeist 0,001 bis 0,5 Vol.-%).

Deponien sind kompaktierte Schüttungen einer großen undefinierten Mischung von organischen Stoffen, die ungesteuert Deponiegas produzieren. Die dabei entstehenden Deponiegase unterscheiden sich in der Zusammensetzung, d. h. im Methangehalt, Kohlendioxidgehalt, Gehalt an Feuchtigkeit, Schwefelwasserstoff und anderen gasförmigen Spurenbestandteilen. In Deponiegasen finden sich auch FCKWs und KWs, die in Biogasen nicht enthalten sind. Die Gewinnung von Deponiegasen erfolgt, indem Deponien vorzugsweise mit Folien und Erdschichten sowohl bodenseitig abgedichtet als auch luftseitig zur Reduzierung des Luftzutrittes abgedeckt werden. Rohrleitungen sind im Deponiekörper verlegt und Gasbrunnen im Deponiekörper eingelassen worden, um das Deponiegas abzusaugen. Deponiegase können wegen des möglichen Luftzutritts Sauerstoff und Stickstoff enthalten.

In der DE 44 19 766 A1 ist ein Verfahren zur biologischen Reinigung und Methananreicherung von Biogasen durch Ausnutzung der photoautotrophen Eigenschaften alkalitoleranter Bakterien und Algen, welche im Biogas enthaltenes Kohlendioxid abbauen, beschrieben.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen und Deponien zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird die Verwendung eines CO₂-haltigen Abgases als Kohlenstoffquelle für Pflanzen gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 bereitgestellt.

Die sich durch die erfindungsgemäße Verwendung erschließenden neuen Verwertungsmöglichkeiten des CO₂ enthaltenden Abgases (Nebenprodukt) vorzugsweise am Ort der Produktion/Entstehung bzw. der Aufbereitung führen zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit der Biogasanlagen und Deponien und zu einer besseren Gesamtenergieausnutzung der erneuerbaren Energiequelle. Ein als Hauptprodukt anfallendes, angereichertes, vorzugsweise erdgasgleiches Methan wird bevorzugt an einem Standort der Verwendung zugeführt, der von dem Ort der Produktion/Entstehung bzw. Aufbereitung entfernt ist.

Bisher war es nur möglich, Biogase und Deponiegase am Ort der Produktion/Entstehung zu verwerten, beispielsweise als Energiequelle für Blockheizkraftwerke, beispielsweise zur Verstromung, was dazu führte, daß die Gesamtenergieausbeute gering war, weil keine optimale Wärme-Kraft-Kopplung oder Wärme-Kraft-Kälte-Kopplung realisiert werden konnte oder weil die entstehenden Mengen zu gering sind, um sie wirtschaftlich weiterverarbeiten und veredeln zu können, vorzugsweise in Wärme-Kraft-Kopplung oder Wärme-Kraft-Kälte-Kopplung, in Methanol oder für die chemische Industrie, vorzugsweise Polimerisierungen, Teilchlorierungen, Veresterungen und Veretherungen. Nun ist es möglich, kleine dezentral anfallende Mengen von aufbereitetem Biogas durch die entfernte Entnahme von einem oder mehrerer Großabnehmer und Verbraucher zu poolen, so daß der economy-of-scale-Effekt für wirtschaftliche Umsetzungen ausgenutzt werden kann. Einige Biogasanlagen und/oder Deponien können auch durch ein dezentrales Rohrleitungsnetz zu einer gemeinsamen Aufbereitungsanlage zusammengeschlossen werden, bevor die Netzeinspeisung und Durchleitung des methanhaltigen Hautproduktes zum Abnehmer/Verbraucher erfolgt.

Biogase und Deponiegase werden zwar dezentral an einem beliebigen Ort produziert, können nun aber an einem von der Einleitung entfernten Ort entnommen und verwertet werden, indem sie nun vorzugsweise erdgasgleich aufbereitet von dem dezentral gelegenen Produktionsort zu einem entfernten Verwertungsort transportiert werden. Die Aufbereitung von Biogasen erfolgt mit Hilfe von physikalischen und physikalisch-chemischen Verfahren, indem Feuchtigkeit, Schwefelwasserstoff, und Spurenbestandteile, die insbesondere in Deponiegasen enthalten sind, vorzugsweise zuerst abgetrennt werden und vorzugsweise danach Kohlendioxid und Methan voneinander getrennt werden. Die Trennungsverfahren für Kohlendioxid und Methan sind weiter unten näher beschrieben.

Den bestehenden Anlagen und Verfahren zur Anreicherung von Methan und Abtrennung von CO₂ ist gemein, daß Kohlendioxid (vorzugsweise 80 bis 95% des ursprünglich im Biogas vorhandenen) gemischt mit Methan (vorzugsweise 5 bis 20% des ursprünglich im Biogas vorhandenen), als Abfallprodukt anfällt und üblicherweise als Abgas über eine Fackel in die Umgebung abgegeben wird. Dieses Abfallprodukt wird erfindungsgemäß verwendet, vorzugsweise am Ort der Entstehung oder am Ort der Aufbereitung des Hauptproduktes.

Das zu transportierende erdgasgleiche Gas enthält hauptsächlich Methan (vorzugsweise 85 bis 96 Vol.-%). Dieses angereicherte Methan wird mit Hochdruckkompressoren, vorzugsweise Schraubenkompressoren oder hydraulischen Kompressoren, über eine Gasstrecke auf den geforderten Druck von vorzugsweise 2 bis 50 bar gebracht, um in ein vorhandenes Leitungsnetz, in denen Gase gleicher Zusammensetzung transportiert werden, vorzugsweise Erdgas, einzuspeisen. Die Gasstrecke enthält alle notwendigen Sicherheitsvorrichtungen, Meßfühler, Durchflußmesser, Methanschnüffler, schnellschließende Ventile und Rückschlagsicherungen.

Das erdgasgleich angereicherte Methan aus Biogasen und Deponiegasen wird auf einen Druck von vorzugsweise 2-50 bar gebracht und in vorhandene Leitungsnetze, vorzugsweise Leitungsnetze zur Beförderung von Gasen von gleicher Zusammensetzung, vorzugsweise Erdgas, eingeleitet, zu einem entfernten Ort gefördert und dort von Verwertern entnommen und verwertet, vorzugsweise für energetische Zwecke vorzugsweise von Heizungsanlagen, vorzugsweise industrielle, und häusliche Anwendungen, vorzugsweise Bäckereien, Fleischereien, Gastronomie, Gärtnereien, Wäschereien, Textilreinigung, Prozeßwärmebereitern und Warmluftheizungen, Kochherden, Wäschetrocknern, Wärmestrahlern, Lüftungssysteme. Erdgasgleiches Methan wird vorzugsweise verwertet von Kälteanlagen, Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen und Kraft- Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen, Absorptionskältemaschinen, Brennstoffzellen, Gastankstellen für motorische Anwendung (Erdgasautos), chemischen Anlagen vorzugsweise zur Erzeugung von Methanol und MTBE (Methyl-tert.-butylether). In Gastankstellen wird das erdgasgleiche Methan auf einen Druck von vorzugsweise 200 bis 250 bar erhöht. Durch den Vordruck bei Entnahme aus dem Leitungsnetz kann im Vergleich zur dezentralen Aufstellung der Gastankstelle der Bedarf an elektrischer Kompressionsarbeit verringert werden. Das Methan wird in den entfernten Anlagen vorzugsweise in chemische Stoffe mit nichtenergetischen Einsatzgebieten wie polimerisierte und teilhalogenierte Produkte, wie Bromide, Cloride, Flouride, in Ester und Ether umgewandelt. Das Methan wird vorzugsweise auf biotechnologischem Wege in Methanol, wie weiter unten unter Nebenprodukt beschrieben, umgewandelt.

Kohlendioxid (CO₂) und Methan (CH₄) aus Biogasen werden mit Hilfe von physikalischen und physikalisch-chemischen Verfahren getrennt. Bei Anlagen mit einer Kapazität von 10 bis 100 m³/h geschieht dies vorzugsweise mit physikalisch-chemischen Verfahren der Druckwäsche in wäßriger Lösung, z. B. mit dem Wechseldruckverfahren, oder in größeren Anlagen mit einer Kapazität von vorzugsweise 50 bis 2.000 m³/h über physikalische Verfahren. Im unteren Bereich kommen selektive Membranen mit kontinuierlicher Gaspermeation und im oberen Bereich diskontinuierliche PSA-Anlagen (Druckwechsel- Adsorptionsanlagen) mit Molekularsieben oder Aktivkohle zum Einsatz.

Das angereicherte erdgasgleiche Methan wird für energetische Zwecke vorzugsweise an Gastankstellen, die mit der Anlage am gleichen Ort gekoppelt sein können oder mit der Aufbereitung über das gekoppelt sind, abgegeben und direkt als Treibstoff in mobilen Verbrennungsmotoren (Erdgasautos) und in Zukunft auch in Brennstoffzellen, vorzugsweise in umgewandelter Form wie z. B. Methanol genutzt.

Falls erforderlich, wird vor der CO₂-Nutzung der Methangehalt im CO₂-Gas durch energetische Nutzung auf Methankonzentrationen von vorzugsweise 0 bis 5 Vol.-% reduziert, vorzugsweise am Ort der Entstehung oder der Aufbereitung, vorzugsweise mit einer elektrochemischen Oxidation in Brennstoffzellen oder einer katalytischen Oxidation an Metalldrähten unter stöchiometrischer Luftzufuhr. Diese Oxidation hat den Vorteil sehr geringer spezifischer NOx-Emissionen. Bei sehr niedrigen Methangehalten kann das Methan an sehr heißen Oberflächen, vorzugsweise im kraterförmigen Sandbett, zusammen mit substöchiometrischen Mengen an Luftsauerstoff oxidiert werden.

Das im Methan/CO₂-Gemisch enthaltene Methan wird katalytisch, chemisch oder mikrobiell zu Methanol oxidiert, indem O₂ oder ein Sauerstoffträger im stöchiometrisch richtigen Verhältnis zugegeben wird. Die Reaktion findet vorzugsweise im Flüssig- oder Festbettreaktor statt. Vorzugsweise wird als Sauerstoffträger Wasserstoffperoxid oder ein Percarbonat verwendet.

Bei mikrobieller Oxidation werden vorzugsweise methylotrophe Mikroorganismen verwendet, die die Fähigkeit der Weiteroxidation von Methanol verloren haben. Die Mikroorganismen werden im Festbettreaktor in geeigneter Weise immobilisiert. Im Flüssigreaktor kann ebenfalls eine Immobilisierung auf partikulären Trägermaterialien stattfinden.

Das entstandene Methanol wird über geeignete Verfahren wie Membranverfahren, Druckwechselverfahren, Mol-Siebe oder Ausfrieren aus dem Gasstrom entfernt. Die Entfernung von Rest-Sauerstoff kann nach der Methanolausschleusung durch erfindungsgemäße katalytische oder sonstige Oxidation von Restmethan zu CO₂ erfolgen. Bei dem Festbettverfahren in der Flüssigphase wird Methanol aus der Flüssigphase abgetrennt.

Als Verfahrensalternative kann insbesondere bei relativ geringen Methankonzentrationen im Rohgas auf eine vorlaufende Abtrennung von Methan verzichtet werden und das Rohgas selbst der erfindungsgemäßen Behandlung unterworfen werden.

Methanol ist ein Grundstoff der chemischen Industrie und hat perspektivisch hohe Absatzchancen als Kfz-Treibstoff (Brennstoffzelle nach katalytischer Zersetzung).

Das Methan im Abgas kann in Blockheizkraftwerken vorzugsweise durch Zumischung von unbehandelten Biogasen oxidiert werden, damit der Methananteil über 30 bis 40 Vol.-% liegt. Die Mischung von Nebenprodukt/Abgas mit unbehandelten Biogasen kann auch bei den anderen energetischen Nutzungen erfolgen.

Zur Desodorierung kann das Abgas vorzugsweise in Aktivkohlefiltern behandelt werden, um eventuell noch vorhandene Geruchsstoffe zu entfernen. Dadurch werden geschmacks- und geruchsbildende Einflüsse auf das gelagerte Gut vermieden. CO₂ selber ist geschmack- und geruchlos, ungiftig und erstickend.

Das Abgas wird vorzugsweise nach Entfernung des Methans wegen des hohen Kohlendioxidgehaltes genutzt.

Die Abgasverwertung als Kohlenstoffquelle ermöglicht folgendes: Abgas-CO₂ wird vorzugsweise in Treibhäuser mit und ohne hydroponischen Kulturverfahren für Obst, Heil- und Gewürzpflanzen, Zierpflanzen, Gemüsen, aber auch in freiwachsende pflanzliche Kulturen in einer Konzentration von vorzugsweise 0,1 bis 0,2 Vol.-% und in Aquakulturen vorzugsweise über Vorrichtungen zur feinperligen Gasverteilung als CO₂-Dünger eingeleitet, um seine Wirkung als Kohlenstoffquelle zum Wachstum für vorzugsweise autotrophe und kombiniert autotrophe/heterotrophe Lebewesen zu entfalten. Kohlendioxid kann vorzugsweise hohe pH-Werte im Wasser neutralisieren, die bei Wachstum bestimmter Algen durch Nährstoffentzug aus dem Wasser auftreten. CO₂ dient nicht nur als Kohlenstoffquelle, sondern erhöht in Treibhäusern/Gewächshäusern bei Sonneneinwirkung den Treibhauseffekt, wodurch der Heizenergiebedarf im Winter, z. B. das Verbrennen von Öl in Öfen, die in den Treibhäusern aufgestellt werden, verringert werden kann.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird nachfolgend in einem Diagramm angegeben, wobei über die erfindungsgemäße Verwendung hinaus weitere Verwendungsmöglichkeiten angegeben sind.

Claims (12)

1. Verwendung eines CO₂-haltigen Abgases als Kohlenstoffquelle für Pflanzen, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Abgas um ein bei der Aufbereitung von Biogasen und/oder Deponiegasen neben dem methanhaltigen Hauptprodukt anfallendes CO₂- haltiges Nebenprodukt mit einem CO₂-Gehalt von wenigstens 60 Vol.-% handelt.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Methangehalt des CO₂- haltigen Abgases zwischen 0 bis 5 Vol.-% beträgt.

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas 80-95% des ursprünglich im Biogas vorhandenen CO₂ und 5-20% des ursprünglich im Biogas vorhandenen Methans enthält.

4. Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas einen CO₂-Gehalt von 60-95 Vol.-% aufweist.

5. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas in ein Treibhaus für Obst, Heil- und Gewürzpflanzen, Zierpflanzen und/oder Gemüse eingeleitet wird.

6. Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein Treibhaus mit hydroponischem Kulturverfahren handelt.

7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas in freiwachsende pflanzliche Kulturen eingeleitet wird.

8. Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas in Aquakulturen eingeleitet wird.

9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas hohe pH-Werte im Wasser neutralisiert.

10. Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas über Vorrichtungen zur feinperligen Gasverteilung eingeleitet wird.

11. Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas in einer Konzentration von 0.1 bis 0.2 Vol.-% eingeleitet wird.

12. Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas bei Sonneneinwirkung den Treibhauseffekt erhöht.