DE202011004421U1

DE202011004421U1 - Energieversorgungseinheit auf Basis Biogas zur Energieversorgung mehrerer Verbraucher

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Publication number: DE202011004421U1
Application number: DE202011004421U
Authority: DE
Original assignee: DGE Dr Ing Guenther Engineering GmbH
Current assignee: DGE Dr Ing Guenther Engineering GmbH
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2011-06-28
Anticipated expiration: 2021-03-26

Abstract

Energieversorgungseinheit auf Basis Biogas zur Energieversorgung mehrerer Verbraucher (Kleinverbraucher) im Verbund mit bestehenden Versorgungsnetzen für elektrische Energie und Erdgas, bestehend aus mindestens folgenden zu einer Baueinheit zusammengefassten Baugruppen: a) einer Fermenterbaugruppe mit mindestens zwei Fermentern (F1, F2), einem ersten Fermenter (F1) zur Vergärung von Gärsubstrat (Biomasse, Gülle und/oder Klärschlamm) und Erzeugung eines ersten Biogasstromes (B1) mit hohen Gehalten an CO2, Schwefelwasserstoff und Ammoniak und vergleichweise geringen Gehalten an Methan und Wasserstoff, b) einer dem ersten Fermenter (F1) nachgeschalteten ersten Reinigungsvorrichtung (BGR-1) zur Entfernung von Schwefelverbindungen, Ammoniak und Abtrennung von Kohlendioxid aus dem ersten Biogasstrom (B1), vorzugsweise unter Normaldruck und Normaltemperatur; c) einer der ersten Reinigungsvorrichtung nachgeschalteteten ersten Trocknungsvorrichtung (BGK-1) zur Einstellung einer relativen Feuchte des gereinigten ersten Biogasstromes (B1) auf unter 50%; d) einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Biogas, das über eine erste Leitung (L4) mit der ersten Trocknungsvorrichtung (BGK-1) verbunden ist,...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Energieversorgungseinheit auf Basis Biogas zur Energieversorgung mehrerer Verbraucher (Kleinverbraucher) im Verbund mit bestehenden Versorgungsnetzen für elektrische Energie und Erdgas als Baueinheit.
Die Bereitstellung von Energie, wie z. B. Strom und Gas, für Haushalte in Ortschaften erfolgt über zentrale Energieversorger. Über entsprechende Verteilernetze gelangt die Energie als elektrischer Strom oder Erdgas vom jeweiligen Erzeugungsstandort zu den Verbrauchern.
Hierfür sind aufwendige Leitungsnetze erforderlich. Außer den Transportkosten fallen noch Wartungskosten an. Darüber hinaus kann die Wärmeversorgung auch über andere flüssige, gasförmige oder feste Brennstoffe, die transportiert werden müssen, erfolgen.
Bei neu entstehenden Ortschaften oder Siedlungen auf der „grünen Wiese” fallen noch erhebliche Anschlusskosten an. Die unterschiedlichen Energieträger für die Wärmeversorgung haben unterschiedlich schwankende Preise.
Die Energieerzeugung erfolgt in der Regel auf Basis fossiler Brennstoffe. Sogenannte alternative Energien haben in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Darunter zählt auch die Herstellung von Biogas durch anaerobe Vergärung organischer Materialien auf pflanzlicher Basis (Biomasse).
Je nach der Qualität der Aufbereitung von Biogas kann dieses zur Einspeisung in ein herkömmliches Gasnetz oder zur Erzeugung von Strom und Wärmeenergie über ein Blockheizkraftwerk (BHKW) eingesetzt werden.
Bekannt ist auch ein kleintechnisches Energieversorgungssystem mit integrierter Biogasanlage ( DE 10 2008 038 040 A1 ), das für Einzelhaushalte bestimmt ist und deren Biogasanlage für Biomasseverbrauch von unter 20 t/Jahr ausgelegt ist. Der Bedarf an Energie von Einzelhaushalten ist stark schwankend und liegt im Jahresmittel bei 5000 kWh an Elektroenergie und 30000 kWh an Wärmeenergie, bezogen auf ein Einfamilienhaus. Mit einer konventionellen Biogasanlage wird in einem BHKW Energie in einem Verhältnis elektrischer Strom:verwertbarer Wärme von 1:2,5 erzeugt. Der Jahresmittelbedarf liegt aber bei 1:6 und kann somit nur dann über Biogas gedeckt werden, wenn etwa 50% des produzierten Biogases direkt zur Wärmeerzeugung verwendet werden. Dies ist aber praktisch nur schwer realisierbar, da der Verbrauch an Wärmeenergie im Verhältnis Tag/Nacht sowie Sommer/Winter deutlich größeren Schwankungen unterliegt als der Verbrauch an Elektroenergie.
Eine Abhilfe kann hier nur durch eine Speicherung von Biogas erfolgen, wozu sehr große Gasspeicher benötigt werden. Biogas kann dann aber nicht für alle Verbrennungsgeräte verwendet werden, da diese üblicherweise für Erdgas mit einem deutlich höheren Brennwert ausgelegt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energieversorgungseinheit auf Basis Biogas zur Energieversorgung mehrerer Verbraucher (Kleinverbraucher) im Verbund mit bestehenden Versorgungsnetzen für elektrische Energie und Erdgas als komplexe Baueinheit zu schaffen, die sich durch geringe Gestehungs- und Betriebskosten auszeichnet und eine ganzjährige Energieversorgung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 13.
Die vorgeschlagene Energieversorgungseinheit besteht aus mindestens folgenden Baugruppen, die zu einer komplexen Baueinheit miteinander verbunden sind:
Einer Fermenterbaugruppe bestehend aus mindestens zwei Fermentern. Der erste Fermenter ist zur Vergärung von Garsubstrat (Biomasse, Gülle und/oder Klärschlamm) und Erzeugung eines ersten Biogasstromes bestimmt.
Im ersten Fermenter liegen solche Gärbedingungen vor, um einen ersten Biogasstrom mit hohen Gehalten an CO₂, Schwefelwasserstoff und Ammoniak und vergleichweise geringen Gehalten an Methan und Wasserstoff zu erzeugen. Aus diesem Biogasstrom werden in einer dem ersten Fermenter nachgeschalteten ersten Reinigungsvorrichtung Schwefelverbindungen, Ammoniak sowie Kohlendioxid abgetrennt. Zur Abtrennung von Schwefelverbindungen sowie Ammoniak können auch getrennte Reinigungsvorrichtungen, wie z. B. Aktivkohlefilter, vorgesehen sein. Das gereinigte Biogas mit relativ geringem Methangehalt kann auch als Schwachgas bezeichnet werden.
Eine der ersten Reinigungsvorrichtung nachgeschaltete erste Trocknungsvorrichtung ist zur Einstellung einer relativen Feuchte des gereinigten ersten Biogasstromes auf einen Wert von unter 50% bestimmt.
Ferner gehört zu der vorgeschlagenen Energieversorgungseinheit mindestens ein Blockheizkraftwerk (BHKW), dem zur Erzeugung von elektrischem Strom über eine erste Leitung mindestens der gereinigte und getrocknete erste Biogasstrom zugeführt wird. Bei der Verstromung dieses Schwachgasstromes im BHKW anfallende Wärmeenergie ist zur Beheizung der Fermenter und/oder einer Biogasaufbereitung, sowie ggf. einer externen Wärmeversorgung nutzbar.
Der zweite Fermenter ist zur Erzeugung eines zweiten, sauerstofffreien Biogasstromes mit einem Methangehalt von mindestens 60% bestimmt. Dieser Biogasstrom wird in einer zweiten Reinigungsvorrichtung, vorzugsweise unter Normaldruck und Normaltemperatur, gereinigt und in einer nachfolgenden Einrichtung getrocknet und erreicht Erdgasqualität. Über eine zugehörige Gasleitung kann das gereinigte Biogas in das örtliche Erdgasnetz eingespeist werden.
Die beiden Fermenter sind über eine Transportschleuse und/oder Leitungen zeitweise miteinander verbunden, um nach einer definierten Gärzeitdauer Gärsubstrat vom ersten Fermenter in den zweiten Fermenter zu transportieren oder um eine Rückführung von Gärflüssigkeit aus dem nachfolgenden Fermenter zu ermöglichen.
Die Anzahl der Fermenter und deren Schaltung, in Reihe oder parallel, ist abhängig von der Art des zu vergärenden Substrates.
Dem zweiten Fermenter ist ebenfalls eine zweite Reinigungsvorrichtung zur Reinigung des zweiten Biogasstromes nachgeschaltet, die vorzugsweise bei Temperaturen von 20 bis 60°C und unter Normaldruck oder bei geringem Überdruck von unter 2 bar arbeitet.
Aufgrund vorgenannter Bedingungen lassen sich die Kosten für die Reinigung der jeweiligen Biogasströme erheblich reduzieren. Die Reinigungsvorrichtungen, insbesondere die für den ersten Biogasstrom, sind in ihrem Aufbau kostengünstig. Es entstehen vergleichsweise geringere Betriebskosten.
Zum Gesamtsystem der Energieversorgungseinheit gehört auch ein Sicherheitssystem, das so ausgelegt ist, dass der erforderliche Arbeitsdruck ausschließlich über den in den Fermentern herrschenden Gasdruck erfolgt und in einzelnen Baugruppen ein gasseitiger Druckverlust von je maximal bis zu 25 mbar eingehalten wird. Das gesamte Sicherheitssystem der Energieversorgungseinheit ist dem im Fermenter herrschenden Betriebsdruck angepasst.
Damit werden die Betriebskosten reduziert und das Gefahrenpotential gering gehalten. Biogaserzeugung und Biogasaufbereitung zu Biomethan bilden eine Systemeinheit, die mit einer zentralen Steuer- und Regelungseinheit ausgerüstet ist.
Die vorgeschlagene zentrale Energieversorgungseinheit ist je nach Baugröße für die Versorgung von ca. 50 bis 300 Haushalten, z. B. in Ein- und/oder Zweifamilienhäusern, mit elektrischem Strom sowie der für die Wärmeversorgung erforderlichen Erdgasmenge vorgesehen, also für Wohngebiete mit bis zu etwa 1000 Einwohnern.
Besonders für neu zu erstellende Wohngebiete oder Siedlungen in unmittelbarer Nachbarschaft zu landwirtschaftlich genutzten Flächen stellt dies eine kostengünstige Alternative für eine komplexe Eigenenergieversorgung mit einem eigenen Leitungsnetz, insbesondere für Gas, dar, wobei auf die Energieversorgung über zentrale Großversorger verzichtet werden kann. Ist bereits ein zentrales Gasnetz vorhanden, so kann dies zur Einspeisung von Biogas in Erdgasqualität genutzt werden.
Die spezielle Auslegung der Energieversorgungseinheit ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung von Biogas und dessen weiterer Verwertung zur Erzeugung von Erdgas und elektrischem Strom. Das BHKW sollte in unmittelbarer Nähe der Fermenter aufgestellt werden, um die während der Stromerzeugung anfallende Wärmeenergie effektiv zur Beheizung der Fermenter nutzen zu können. Die Energieversorgungseinheit ist ein autark arbeitendes System. Die Bereitstellung des erforderlichen elektrischen Stroms zum Betrieb der einzelnen Aggregate erfolgt über das BHKW.
Alternativ kann die Energieversorgungseinheit auch mit einer Stromerzeugung über Windkraft oder Solaranlagen gekoppelt werden.
Normalerweise ist die Fahrweise der Einheit so vorgesehen, dass nur so viel Biogas erzeugt wird, wie jahreszeitabhängig benötigt wird. Überproduktionen an Biomethan in Erdgasqualität können in einem gesondert aufgestellten Gasspeicher zwischengelagert werden. Bei einem Anschluss an ein zentrales Gasversorgungsnetz kann dieses auch als Gasspeicher genutzt werden.
Das gereinigte Biogas in Erdgasqualität wird z. B. in ein vorhandenes Gas-Niederdrucknetz (Netzdruck unter 1 bar) eingespeist. Über eine Rückverdichtung (Druck 5 bar) übernimmt das Erdgasnetz die Speicherfunktion.
Über eine absperrbare Bypassleitung im Leitungssystem kann erforderlichenfalls gereinigtes Biogas vom zweiten Fermenter zusätzlich noch zum BHKW geleitet werden. Hierzu sind im zugehörigen Leitungssystem ein Mehrwegventil oder separate Ventile angeordnet.
Im Ausnahmefall kann das Blockheizkraftwerk auch örtlich bzw. räumlich getrennt von den anderen Baugruppen aufgestellt sein. Eine zusätzliche externe Aufstellung eines weiteren BHKW kann erforderlichenfalls vorgenommen werden.
Die Energieversorgungseinheit ist hinsichtlich der Energieumwandlung so ausgelegt, dass das Verhältnis von Elektroenergie zur Summe von anfallender Wärmeenergie und Methangas, jeweils umgerechnet in kWh, im Bereich von 1:3 bis 1:12 liegt.
Hierzu ist in die vom zweiten Fermenter abführende Biogasleitung ein steuerbares Mehrwegeventil eingebunden, über das die Menge an zugeführtem Biogas vom zweiten Fermenter zum Blockheizkraftwerk lastabhängig regelbar ist.
Eine gesonderte, aufwendige Biogasspeicherung für unterschiedliche Bedarfssituationen ist nicht zwingend erforderlich.
Aus sicherheitstechnischen Gründen können noch Verdichter mit einem Betriebsdruck von bis zu 250 mbar, vorzugsweise 50 mbar, vorgesehen sein, die z. B. nach der ersten Trocknungsvorrichtung und/oder vor der zweiten Reinigungsvorrichtung installiert sind.
Zweckmäßig ist die Komplettierung der Energieversorgungseinheit mit einer Einheit zur Regeneration der in den Reinigungsvorrichtungen anfallenden verunreinigten Waschlösungen.
In die Biogas führende Leitung, die jeweils vom Fermenter zur Reinigungsvorrichtung führt, sollte eine Druckausgleichsleitung eingebunden werden, um bei einem Stillstand der Anlage zu gewährleisten, dass es zu keinem Aufbau eines Über- oder Unterdruckes kommt. Der Gasaustritt aus der Biogasanlage ist in diesem Fall geschlossen. Es besteht somit ein in sich geschlossenes System von Biogasanlage und Biogasaufbereitung. In dieses System kann keine Luft oder Sauerstoff eindringen.
In Abhängigkeit vom im Biogas enthaltenen Gehalt an Schwefelverbindungen kann unmittelbar nach dem Fermenter noch eine Entschwefelungsanlage eingebunden sein.
Die gesamte Energieversorgungseinheit ist so konzipiert, dass diese bauraumseitig nur einen geringen Platzbedarf beansprucht.
Die Fermenterbaugruppe kann in Abhängigkeit von der Art des zur Verfügung stehenden Gärsubstrates unterschiedlich ausgelegt werden, insbesondere hinsichtlich Anzahl und Schaltung, in Reihe oder parallel, der Fermenter. Gülle wird beispielsweise in drei in Reihe geschalteten Fermentern zu Biogas umgesetzt, im Gegensatz dazu werden zur Vergärung von Biomasse (Mais, Grassilage) z. B. zwei Fermenter eingesetzt, die parallel betrieben werden. Bei Einsatz einer Biogasanlage in zweistufiger Bauart kann der Prozess der biologischen Vergärung so erfolgen kann, dass im ersten Fermenter ein stark CO₂-haltiges Biogas als erster Biogasstrom entsteht, der hohe Anteile an Schwefelwasserstoff und Ammoniak und dagegen geringe Anteile an Methan und Wasserstoff enthält. Dieser erste Biogasstrom enthält dann etwa 15% des insgesamt erzeugbaren Anteiles an Methan, jedoch 85% der insgesamt anfallenden Menge an CO₂ Aus diesem ersten Biogasstrom werden in einer Reinigungsstufe Schwefelwasserstoff und Ammoniak, sowie die überwiegende Menge an CO₂ entfernt. Die Reinigung dieses ersten Biogasstromes verursacht vergleichsweise nur einen geringen Aufwand. Der Methangehalt dieses gereinigten Biogasstromes liegt bei 45 bis 70%. Dieser wird dem BHKW zur Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme zugeführt. Der elektrische Strom wird in ein Stromnetz eingespeist und die erzeugte Wärme wird zur Beheizung der Fermenter und Gasaufbereitung verwendet.
Unmittelbar bevor die Hauptphase der Methanogenese im ersten Fermenter einsetzt, wird Gärsubstrat über die Transportschleuse vom ersten Fermenter in den zweiten Fermenter geleitet. Im zweiten Fermenter findet dann die Hauptphase der Methanogenese statt, wobei ein zweiter Biogasstrom mit einem Methangehalt von 65 bis 75% und ggf. sogar über 80% erzeugt wird. Dieser Biogasstrom ist nahezu frei von Sauerstoff, da dieser im ersten Fermenter entsteht Die Gehalte an Schwefelwasserstoff und Ammoniak sind in diesem Biogasstrom vergleichsweise gering. Nach erfolgter Reinigung dieses Biogasstromes auf Erdgasqualität kann das Biogas in ein Gasnetz eingespeist werden. Der zweite Biogasstrom enthält 85% des erzeugbaren Anteils an Methan. Die Abwärme aus der Gasreinigung kann als Heizmedium für den zweiten Fermenter verwendet werden.
Unter diesen Bedingungen werden 5,7% als Elektroenergie, 8,3% als Wärmeenergie und 85% als Biomethan in Erdgasqualität erhalten. Das Verhältnis von Wärme:Elektroenergie beträgt 14,9:1. Der Gesamtwirkungsgrad an produzierter Energie beträgt 92,7% und liegt damit über dem bisher bekannter Energieerzeugungseinheiten auf Basis pflanzlicher Rohstoffe.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Beispiel erläutert.
In der zugehörigen Zeichnung ist eine Energieversorungseinheit vereinfacht als Blockschaltbild dargestellt.
Diese besteht im Wesentlichen aus zwei Fermentern F1 und F2, diesen zugeordnete Reinigungs- BGR-1, BGR-2 und Trocknungsvorrichtungen BGK-1, BGK-2, einem Blockheizkraftwerk BHKW und einem Gärrestlager GRL sowie einer zentralen Steuer- und Regeleinheit SE. Der Fermenter F1 hat ein Volumen von 200 m³ und ist mit einem Rührwerk und einer Heizung ausgestattet. Die Beheizung auf eine Fermentertemperatur von 50°C erfolgt mit Abwärme aus dem BHKW. Der Fermenter F2 hat ein Volumen von 2.000 m³.
In der vereinfachten Zeichnung sind in das Leitungssystem eingebundene Pumpen, Ventile und Verdichter nicht mit dargestellt.
Für den Betrieb der Energieversorgungseinheit werden zur Erzeugung von Biogas ca. 1.000 t Maissilage mit einem TS-Gehalt von 32% und 5.000 m³ Rindergülle mit einem TS-Gehalt von 8,5% eingesetzt. Diese stammen aus einem in unmittelbarer Nähe zum Standort befindlichen landwirtschaftlichen Betrieb. Die Ausgangsstoffe werden in konventionellen Speichern zwischengelagert und nach Bedarf der Energieversorgungseinheit zugeführt, es handelt sich demzufolge um eine kontinuierliche Betriebsweise.
Der Fermenter F1 wird über die Zufuhrleitung L1 mit 114 kg/h Maissilage gespeist. Im laufenden Betrieb werden zusätzlich 1,5 m³/h flüssiges Gärsubstrat aus dem Gärrestlager GRL über die Leitungen L9a und L9b zugeführt. Aus der Gärflüssigkeit wird in einer zwischengeschalteten Strippkolonne N-Rec Ammoniak geregelt entfernt.
Die Verweilzeit des Substrates im ersten Fermenter F1 beträgt zwei Tage.
Danach wird Gärsubstrat über die Leitung L3 in den zweiten Fermenter F2 gepumpt und frisches Substrat (Maissilage) im ersten Fermenter F1 nachdosiert.
Unter diesen Bedingungen entstehen im ersten Fermenter F1 kontinuierlich 14,7 Nm³/h Biogas mit einer trockenen Zusammensetzung von 80 Vol.-% CO₂, 17 Vol.-% CH₄, 1,5 Vol.-% H₂, 2.150 ppm H₂S und 490 ppm NH₃. Dieser erste Biogasstrom B1 (Schwachgas) strömt über die Leitung L4 ab und wird nachfolgend einer ersten Reinigungsvorrichtung BGR-1 zugeführt, in der CO₂, H₂S und NH₃ entfernt werden. Der gereinigte Biogasstrom B1 mit einer Menge von 4,2 Nm³/h hat die trockene Zusammensetzung von 60 Vol.-% CH₄, 5,3 Vol.-% H₂, 34,68 Vol.-CO₂, 80 ppm H₂S und 5 ppm NH₃. Dieses Biogas wird anschließend einer ersten Biogastrocknungsvorrichtung BGK-1 zugeführt, wo ein Wassertaupunkt von 10°C eingestellt wird. Anschließend wird das Biogas auf eine Temperatur von 20°C erwärmt und auf 80 mbar komprimiert und dem BHKW zugeführt. Im BHKW werden 10 kWh elektrischer Strom erzeugt, der über die Leitung L12 in das örtliche Versorgungsnetz eingespeist oder teilweise unmittelbar vor Ort, innerhalb der Energieversorgungseinheit, verbraucht wird.
Mittels der im BHKW anfallenden Abwärme wird Warmwasser erzeugt, das über die Leitung L13 zur weiteren Nutzung abgeführt wird, z. B. zur Beheizung der Fermenter. Umgerechnet fallen somit im BHKW noch 15,1 kWh an nutzbarer Wärmeenergie an.
Wie bereits erwähnt, wird zum Betrieb des zweiten Fermenters F2 über die Leitung L3 kontinuierlich vorbehandeltes Garsubstrat in den Fermenter F2 gepumpt. Zusätzlich werden über Leitung L2 in den zweiten Fermenter F2 Rindergülle (0,58 m³/h) und über die Leitungen L9a und L9c flüssiges, ammoniakarmes Garsubstrat (3,1 m³/h) aus dem Gärrestlager GRL zugeführt.
Das Garrestlager GRL steht über die Leitungen L9a, L9b, L9c mit den Fermentern F1, F2 in Verbindung. In dieses Leitungssystem ist eine Vorrichtung N-Rec zur Entfernung von Ammoniak aus flüssigem Garsubstrat eingebunden. Der Gehalt an Ammonium im Gärsubstrat kann auf einen Wert von unter 2 g/l eingestellt werden. Der abgeschiedene Ammoniak wird mit Säure, wie z. B. Schwefelsäure, zu Ammoniumsulfat gebunden und über die Leitung L10 abgefuhrt, z. B. zur weiteren Verwendung als Dünger. Bei der Rückführung von Gärflüssigkeit in den Fermenter wird somit gewährleistet, dass möglichst wenig Ammonium mit eingeschleust wird.
Die mittlere Verweilzeit für die anaerobe Vergärung im zweiten Fermenter F2 beträgt 16 Tage. Unter diesen Bedingungen entstehen 52,4 Nm³/h an Biogas mit einer trockenen Zusammensetzung von 63,5 Vol.-% CH₄, 36,2 Vol.-% CO₂, 100 ppm H₂, 1.800 ppm H₂S und 300 ppm NH₃, das als zweiter Biogasstrom B2 über die Leitung L5 aus dem Fermenter F2 austritt und der zweiten Biogasreinigungsvorrichtung BGR-2 zugeführt wird. In dieser wird im Biogas enthaltener Ammoniak nahezu vollständig bis auf einen Wert von unter 1 ppm ausgewaschen, Schwefelwasserstoff bis auf einen Wert von 3 ppm und CO₂ bis auf einen Restgehalt von mindestens 1 Vol.-% entfernt.
Für die Entfernung des im Biogas enthaltenen CO₂ werden für die Reinigungsvorrichtung BGR-2 14,8 kWh an Wärmeenergie benötigt, die über das BHKW bereitgestellt werden.
Während der Reinigung fällt wieder Abwärme (umgerechnet als Energiemenge 12 kWh) an, die zur Beheizung der Fermenter (F1 = 50°C und F2 = 61°C) genutzt wird.
Nach der Biogasreinigungsvorrichtung BGR-2 fallen 32 Nm³/h gereinigtes Biogas (Biomethan) an, das in der Biogastrocknungsvorrichtung BGK-2 auf einen Taupunkt von –60°C eingestellt wird. Die nachgeschaltete Biomethaneinspeisestation BME besteht aus einem Verdichter und einer Brennwertanpassung zur Aufbereitung des gereinigten Biogases für eine Einspeisung in das Erdgasnetz. Ggf. wird noch eine Odorierung vorgenommen. Das aus dem Biogasstrom B2 gewonnene Biomethan bzw. Methangas wird nach erfolgter Komprimierung auf den Druck des Erdgasnetzes und Brennwertanpassung über die Leitung L11 eingespeist.
In die Verbindungsleitung zwischen der Biogasreinigungsvorrichtung BGR-2 und der Biogastrocknungsvorrichtung BGK-2 ist eine Druckausgleichsleitung L16 eingebunden, die mit der Leitung L5 für den zweiten Biogasstrom B2 in Verbindung steht.
Nach Ablauf der Verweilzeit im Fermenter F2 wird kontinuierlich Gärrest über die Leitung L8 ausgetragen und dem Gärrestlager GRL zugeführt. In diesem findet noch eine Nachgärung statt, wobei noch Biogas (4,3 Nm³/h) entsteht, das über die Leitung L15 abströmt, die über ein Ventil in die Leitung L6b eingebunden ist. Das Biogas aus der Nachgärung hat folgende Zusammensetzung: 60 Vol.-% CH₄ und 39,5 Vol.-% CO₂, 45 ppm H₂, 65 ppm H₂S und 10 ppm NH₃. Dieser dritte Biogasstrom B3 kann wahlweise und nach Bedarf dem ersten und/oder zweiten Biogasstrom B1 bzw. B2 zugeführt werden. Im Garrestlager verbrauchter Gärrest wird über die Leitung L14 abgeführt und ggf. entsorgt.
Wird dieser dritte Biogasstrom dem ersten Biogasstrom B1 zugeführt, so kann die elektrische Leistung des BHKW von 10 auf 20 kWh und die Wärmeerzeugung von 15,1 auf 31 kWh gesteigert werden. Wird der dritte Biogasstrom dem zweiten Biogasstrom B2 zugeführt, so erhöht sich die Menge an einspeisungsfähigem Biomethan auf 34,7 Nm³/h.
Uber ein in das Leitungssystem eingebautes Mehrwegeventil MW1 und dessen Regelung über die zentrale Steuereinheit SE kann die erzeugte Elektroenergie im Bereich von 10 bis 20 kWh dem jeweiligen Bedarf angepasst werden.
Von den insgesamt nach den Reinigungs- und Trocknungsstufen anfallenden 37,83 Nm³/h Biomethan (Heizwert 378,3 kWh) werden mindesten 2,5 Nm³/h dem BHKW zur Erzeugung von 10 kWh an elektrischem Strom zugeführt. 35,3 Nm³/h (353 kWh) stehen als Biomethan in Erdgasqualität zum Verbrauch zur Verfügung.
Das Verhältnis von erzeugter Erdgasenergie zu Elektroenergie beträgt somit 353:10, also 35:1. Der energetische Gesamtwirkungsgrad ohne Abwärmenutzung liegt bei ca. 93%. In einem Jahr (8.600 Betriebsstunden) können, bezogen auf dieses Beispiel) 325.380 Nm³ Biomethan mit einem Heizwert von 10 KWh/Nm³ erzeugt werden.
Bei einem durchschnittlichen Jahresverbrauch eines Einfamilienhauses von ca 35 000 kWh an Energie für Strom und Wärme können mittels dieser Energieversorgungseinheit die Haushalte von 93 Einfamilienhäusern mit Energie versorgt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008038040 A1 [0007]

Claims

Energieversorgungseinheit auf Basis Biogas zur Energieversorgung mehrerer Verbraucher (Kleinverbraucher) im Verbund mit bestehenden Versorgungsnetzen für elektrische Energie und Erdgas, bestehend aus mindestens folgenden zu einer Baueinheit zusammengefassten Baugruppen: a) einer Fermenterbaugruppe mit mindestens zwei Fermentern (F1, F2), einem ersten Fermenter (F1) zur Vergärung von Gärsubstrat (Biomasse, Gülle und/oder Klärschlamm) und Erzeugung eines ersten Biogasstromes (B1) mit hohen Gehalten an CO₂, Schwefelwasserstoff und Ammoniak und vergleichweise geringen Gehalten an Methan und Wasserstoff, b) einer dem ersten Fermenter (F1) nachgeschalteten ersten Reinigungsvorrichtung (BGR-1) zur Entfernung von Schwefelverbindungen, Ammoniak und Abtrennung von Kohlendioxid aus dem ersten Biogasstrom (B1), vorzugsweise unter Normaldruck und Normaltemperatur; c) einer der ersten Reinigungsvorrichtung nachgeschalteteten ersten Trocknungsvorrichtung (BGK-1) zur Einstellung einer relativen Feuchte des gereinigten ersten Biogasstromes (B1) auf unter 50%; d) einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Biogas, das über eine erste Leitung (L4) mit der ersten Trocknungsvorrichtung (BGK-1) verbunden ist, wobei im Blockheizkraftwerk (BHKW) bei der Verstromung anfallende Wärmeenergie über eine Warmwasserleitung (L13) abgeführt wird, die an mindestens einen Verbraucher innerhalb der Energieversorgungseinheit angeschlossen ist; e) die beiden Fermenter (F1, F2) über Transportleitungen (L9c, L9b und L3) zur Förderung von Gärsubstrat vom ersten Fermenter (F1) in den zweiten Fermenter (F2) nach einer definierten Gärzeitdauer und/oder Rückführung von Gärflüssigkeit in den ersten Fermenter (F1) zeitweise miteinander verbunden sind; f) einem zweiten Fermenter (F2) zur Erzeugung eines zweiten, sauerstofffreien Biogasstromes (B2) mit einem Methangehalt von mindestens 60%, der über eine Leitung (L5) mit einer zweiten Reinigungsvorrichtung (BGR-2) zur Reinigung des zweiten Biogasstromes (B2), vorzugsweise unter Normaldruck und Normaltemperatur, und einer nachfolgenden Einrichtung (BGK-2) zur Trocknung des gereinigten Biogasstromes (B2) auf Erdgasqualität verbunden ist, wobei die von der zweiten Reinigungsvorrichtung (BGR-2) abführende Gasleitung (L11) in das örtliche Erdgasnetz (EN) eingebunden ist; g) ein Sicherheitssystem, das so ausgelegt ist, dass der erforderliche Arbeitsdruck ausschließlich über den in den Fermentern (F1, F2) herrschenden Gasdruck erfolgt, wobei im Betriebszustand in den einzelnen Baugruppen (BGR-1, BGK-1, BGR-2, BGK-2, BHKW) nach den Fermentern (F1, F2) ein gasseitiger Druckverlust von je maximal bis zu 25 mbar eingehalten wird, und h) einer zentralen Steuer- und Regelungseinheit (SE).
Energieversorgungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Fermenter (F1, F2) der Fermenterbaugruppe in Reihe oder parallel geschaltet sind.
Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vom zweiten Fermenter (F2) abführende Biogasleitung (L5) über eine abstellbare Bypassleitung (L6a, L6b) mit der vom ersten Fermenter (F1) abführenden Biogasleitung (L4) verbunden ist, wobei die Einbindung der Bypassleitung (L6a, L6b) im Leitungsabschnitt unmittelbar vor dem Blockheizkraftwerk (BHKW) erfolgt.
Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Blockheizkraftwerk (BHKW) örtlich getrennt von den anderen Baugruppen aufgestellt ist.
Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Methangehalt des in das Versorgungsnetz eingespeisten, gereinigten Biogases mindestens 85 Vol.-% beträgt.
Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die vom zweiten Fermenter (F2) abführende Biogasleitung (L5) ein steuerbares Mehrwegeventil (MW1) eingebunden ist, über das die Menge an zugeführtem Biogas vom zweiten Fermenter (F2) zum Blockheizkraftwerk (BHKW) lastabhängig regelbar ist.
Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Blockheizkraftwerk (BHKW) zur Verstromung zugeführte Menge an Biogas so bemessen ist, dass sich ein Verhältnis von Elektroenergie zur Summe von anfallender Wärmeenergie und Methangas, jeweils umgerechnet in kWh, im Bereich von 1:3 bis 1:12 einstellt.
Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens im Leitungssystem für den ersten Biogasstrom (B1) und für den zweiten Biogasstrom (B2), zwischen der ersten Trocknungsvorrichtung (BGK-1) und dem Blockheizkraftwerk (BHKW) sowie vor der zweiten Biogasreinigungsvorrichtung (BGR-2) ein Verdichter für einen maximalen Betriebsdruck von 100 mbar eingebunden ist.
Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gärrestlager (GRL) über eine einen dritten Biogasstrom (B3) führende Leitung (L14) mit der den zweiten Biogasstrom (B2) führenden Leitung (L5, L6b) verbunden ist.
Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in diese eine Einheit zur Regeneration der in den Reinigungsstufen (BGR-1, BGR-2) anfallenden verunreinigten Waschlösung eingebunden ist.
Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in die Leitung (L11) hinter der zweiten Reinigungsvorrichtung (BGR-2) eine Druckausgleichsleitung (L16) eingebunden ist, die entweder mit der Biogas führenden Leitung (L5, L15) des zweiten Fermenters (F2) oder des Gärrestlagers (GRL) verbunden ist.
Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar nach dem Fermenter (F1, F2) eine Entschwefelungsanlage eingebunden ist.
Energieversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in die vom Gärrestlager (GRL) zu den Fermentern (F1, F2) führenden Leitungen (L9a, L9b, L9c) eine Vorrichtung (N-Rec) zur Entfernung von Ammoniak aus flüssigem Gärsubstrat eingebunden ist.