| Ansprüche 1. Verfahren zum Abbau des Kohlenstoffinventars im Kohlen- stoffkreislauf der Erde, bei dem Biomasse (F) in einen gegen die Atmosphäre gasdicht abgeschlossenen Fermentationsbehälter (2) eingebracht und dort unter Erzeugung von Biogas (G) zumindest im wesentlichen anaerob fermentiert wird, wobei die eingebrachte Biomasse (B) über einen Zeitraum von wenigstens 5 Jahren im Fermentationsbehälter (2) verbleibt. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die eingebrachte Biomasse (B) während der gesamten Betriebszeit sowie nach Stillle- gung des Fermentationsbehälters (2) im Fermentationsbehälter (2) verbleibt. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem ein während der Fermentierung durch Verringerung des Volumens der im Fermentationsbehälter (2) befindlichen Biomasse (B) entste- hender Freiraum des Fermentationsbehälters (2) mit frischer Biomasse (F) befüllt wird. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Prozesstemperatur auf einen Wert zwischen 100C und 900C, vorzugsweise zwischen 33°C und 38°C eingestellt wird. 5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Einstellung der Prozesstemperatur durch Zufuhr von Sauerstoff erfolgt. 6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem zur Einstellung der Prozesstemperatur die Erdwärme genutzt wird. 7. Anlage zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit einer Mehrzahl von gasdichten Fermentationsbehältern (2), die mit Biomasse (F) befüllbar sind, und deren Volumen jeweils größer als 10000m ist. 8. Anlage nach Anspruch 7, bei dem die Fermentationsbehälter (2) im Zuge von Rekultivierungsmaßnahmen im Braunkohletagebau unterirdisch mit eingebaut sind. 9. Anlage nach Anspruch 7 oder 8, bei der im Fermentationsbehälter (2) ein Rohrleitungssystem (6) installiert ist, mit dem sowohl das Biogas (G) gesammelt sowie Prozessparameter, insbesondere wie pH-Wert und Temperatur im Gesamtvolumen der Bio- masse (B) eingestellt werden. 10. Anlage nach Anspruch 9, bei der das Rohrleitungssystem (6) ein in das Erdinnere führendes Wärmetauscher-Rohrsystem (10) zur Entnahme von Erdwärme umfasst. 11. Anlage nach einem der Ansprüche 7 bis 10, die eine Mehrzahl von im Querschnitt gleichseitigen sechseckigen Fermentationsbehältern (2) aufweist, die in Form einer wabenartigen Struktur nebeneinander angeordnet sind. |
Verfahren und Anlage zum Verringern des Kohlenstoffinventars im Kohlenstoffkreislauf der Erde sowie zum Erzeugen von Energie unter gleichzeitiger Verringerung der Emission von Treibhausgasen in die Atmosphäre
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zum Verringern des Kohlenstoffinventars im Kohlenstoffkreislauf der Erde sowie zum Erzeugen von Energie unter gleichzeitiger Verringerung der Emission von Treibhausgasen in die Atmosphäre .
Um die Emission von Treibhausgasen in die Atmosphäre zu verringern, steht die Erzeugung von Energie aus sogenannten erneuerbaren Energiequellen im Fokus des Interesses. Während die Energieerzeugung durch Sonne und Wind witterungsbedingten Schwankungen unterworfen ist, ist die Erzeugung von Energie aus Biomassen die einzige Technologie, die vergleichbar zu konventionellen Kraftwerken und fossilen Energieträgern stets zur Verfügung steht.
Die derzeitigen Konzepte zur Erzeugung von Biogas, die im Wesentlichen auf dem Vorhandensein relativ kleiner dezentraler Biogasanlagen basiert, sind jedoch in dreierlei Hinsicht von Nachteil. Zum einen werden durch unvermeidliche unsachgemäße Handhabung dieser kleinen Anlagen erhebliche Mengen von Methan CH 4 in die Umwelt freigegeben. Das bei der Biogaserzeugung produzierte Methan CH 4 hat aber eine um den Faktor 27 höhere
Schädlichkeit für die Klimaerwärmung als Kohlendioxid CO2. Auf diese Weise wird ein Teil des mit der Erzeugung von Biogas und dessen Nutzung als Energieträger einhergehenden Vorteils, nämlich die Verringerung der Emission von CO2 in die Atmosphäre, das aus Verbrennung von fossilen Energieträgern stammt, zunichte gemacht. Zum anderen können in den Biogasanlagen nur schnell fermentierbare Biomassen wie Grünmaterial (Gras,
Stroh, Getreide etc.) verarbeitet werden. Die Biogasanlagen stehen also teilweise in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion. Um wirtschaftlich betrieben werden zu können, benötigen kleine Biogasanlagen außerdem erhebliche Fördermittel, da eine Herstellung von Biogas in der derzeitigen Konzeption nicht kostendeckend ist.
Über 85% des weltweiten Energiebedarfs wird noch durch Verbrennung von fossilen Brennstoffen (Kohle, Öl, Gas) gedeckt. Durch diese Energiegewinnung wird, durch den damit verbundenen hohen Ausstoß von Kohlenstoffdioxid CO2, das Kohlenstoffinven- tar der Erde permanent erhöht und somit die Erwärmung der Erde beschleunigt .
Durch die konventionelle Nutzung von Biomasse zur Energieerzeugung ist es zwar möglich, die Neuemission von Treibhausgasen in die Atmosphäre zu verringern, sie trägt aber nicht dazu bei, die Menge des im Kohlenstoffkreislauf der Erde befindlichen Kohlenstoffdioxids CO2 zu verringern, so dass durch die auch noch in Zukunft erfolgende Nutzung fossiler Energieträger ein weiterer Anstieg des Kohlendioxidanteiles in der Atmosphäre unvermeidlich ist.
Mit hohem technischem Aufwand wird versucht, das Kohlenstoff- inventar dadurch zu verringern, einen Teil dieses Kohlenstoffdioxids in Salzkavernen zu speichern (CCS-Technologie = Carbon Capture & Storage) . Diese Speicherung ist sehr teuer und mit dem hohen Restrisiko einer plötzlichen Kohlendioxidfreisetzung verbunden .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Verringern des Kohlenstoffinventars im Kohlenstoffkreis- lauf der Erde sowie zum Erzeugen von Energie unter gleichzeitiger Verringerung der Emission von Treibhausgasen in die Atmosphäre anzugeben, das hinsichtlich seiner Wirtschaftlichkeit gegenüber den bekannten Verfahren verbessert ist. Außer- dem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine mit diesem Verfahren betriebene Anlage anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird Biomasse in einen gegen die Atmosphäre gasdicht abgeschlossenen Fermentationsbehälter eingebracht und dort unter Erzeugung von Biogas zumindest im wesentlichen anaerob fermentiert, wobei die eingebrachte Biomasse über einen Zeitraum von we- nigstens 5 Jahren im Fermentationsbehälter verbleibt.
Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, dass bei den bekannten Anlagen zur Erzeugung von Energie aus Biomasse (Biogasanlagen) die in den Biogasreaktor eingebrachte Biomasse im Regelfall nur etwa 20 bis maximal 70 Tage verbleibt, um eine hohe Produktivität zu gewährleisten. Dies hat zur Folge, dass nur ein Teil der in der Biomasse enthaltenen Energie in Biogas umgewandelt und ein nicht unerheblicher Teil der in der Biomasse steckenden Energie aus dem Energiegewinnungsprozess herausgenommen wird. Enthält die aus dem Biogasreaktor entnommene, noch nicht vollständig fermentierte Restmasse noch Umweltgifte (Schwermetalle, Pestizide etc.), muss diese auf Sonderdeponien verbracht werden. Das gesamte Kohlenstoffinven- tar verbleibt hierbei im Kohlenstoffkreislauf der Erde. Ein Korrektiv für den hohen Kohlenstoffeintrag durch die fossilen Energieträger findet nicht statt.
Die Erfindung beschreitet hier einen grundsätzlich anderen Weg, nämlich die Biomasse trotz der mit zunehmender Betriebsdauer abnehmenden Produktivität über einen sehr viel längeren Zeitraum im Fermentationsbehälter zu belassen, so dass zumin- dest nahezu die gesamte theoretische Menge an Biogas entnommen werden kann. Aufgrund der langen Verweildauer der Biomasse im Fermentationsbehälter können auch langsam fermentierbare Biomassen, beispielsweise alle Holzprodukte (einschließlich Rinde, Wurzeln etc.), die in herkömmlichen Biogasanlagen nicht vergärbar sind, zu Biogas fermentiert werden. Wird der Fermentationsbehälter einmalig befüllt, so wird bereits nach 5 Jahren von der restlichen im Fermentationsbehälter befindlichen Biomasse Biogas nur noch mit einer praktisch vernachlässigbaren Rate erzeugt, so dass es grundsätzlich möglich und sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch vertretbar wäre, die verbleibende Biomasse aus dem Fermentationsbehälter zu entfernen und einer Endlagerung auf Deponien zurückzuführen, da die dann von ihr noch erzeugte Gesamtmenge an Biogas praktisch nur noch einen vernachlässigbaren Beitrag zur Emission von Treibhausga- sen liefern könnte. Bei sehr langen Verweildauern im Bereich von mehreren Jahrzehnten verbleibt im Fermentationsbehälter oder Fermenter nur ein nicht weiter abbaubarer, sogenannter fossilisierter Rest. Durch die Erzeugung von Energie aus dem aus der Biomasse im Fermentationsbehälter entstehenden Biogas ist das auf diese Weise aus Methan CH 4 erzeugte bzw. im Biogas enthaltene und bei der Energieerzeugung freigesetzte Kohlendioxid CO2 in den natürlichen Kreislauf eingebunden und führt dementsprechend nicht zu einer Erhöhung des Cθ2~Gehaltes in der Atmosphäre. Durch das Verbleiben der unter den vorliegenden Fermentationsbedingungen nicht fermentierbaren Kohlenstoffverbindungen über einen langen Zeitraum im Fermentationsbehälter, der sich vorzugsweise mindestens über die Betriebszeit des Fermentationsbehälters, d.h. der Zeit bis zu seiner Stillle- gung (Beenden der Entnahme von Biogas) auch noch über dessen Stilllegung hinaus erstreckt, wird außerdem ein Beitrag zur Senkung des Kohlenstoffinventars im Kohlenstoffkreislauf der Erde geliefert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht nur möglich, Biogasanlagen mit großvolumigen Fermentationsbehältern in großtechnischem Maßstab wirtschaftlich und dementsprechend unter Einhaltung hoher betriebstechnischer Sicherheitsstandards zu betreiben, sondern außerdem in großtechnischem Maßstab und wirtschaftlich möglich, nicht nur den Anstieg des Kohlendioxidgehaltes in der Atmosphäre zu verringern, sondern während der Verweildauer der Biomasse im Fermentationsbehälter Kohlenstoff aus dem Kohlenstoffkreislauf der Erde zu entziehen, so dass bei entsprechend langer Verweildauer langfristig eine Verringerung des Kohlendioxidanteils in der Atmosphäre möglich ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens verbleiben die als Endprodukt der Fermentation entstehenden Reststoffe auch nach Stilllegung der Biogasanlage dauerhaft, d.h. in geologischen Zeiträumen im Fermentationsbehälter. Auf diese Weise wird ein nicht unerheblicher Anteil des in der Biomasse enthaltenen Kohlenstoffes durch Fossilisation dauerhaft dem natürlichen Kohlenstoffkreislauf der Erde entzogen, und gelangt dementsprechend auch nicht durch aerobe oder anae- robe Verrottung in Form von Methan CH 4 oder Kohlendioxid CO2 zurück in die Atmosphäre. Dementsprechend kann dieselbe Menge Kohlenstoff aus fossilen Energieträgern - Erdöl oder Kohle - verbrannt werden, ohne dass dies zu einer Anreicherung von Kohlendioxid CO2 in der Atmosphäre führt. Mit anderen Worten: Durch den dauerhaften Entzug von Kohlenstoff aus dem natürlichen Kreislauf innerhalb der Biosphäre ist es möglich den durch fossile Energieträger erzeugten Überschuss an Kohlendioxid zu verringern.
Zwar ist in der US 7,056,062 und der DE 10 2005 019 445 Al grundsätzlich bereits vorgeschlagen worden, Biomasse in tief im Erdinneren befindliche Hohlräumen, beispielsweise ausgebeutete Ölquellen bzw. Hohlräume eines stillgelegten Kohle- Erz- oder Salzbergwerkes, zu verbringen, dort unter anaeroben Bedingungen zu fermentieren und die dabei entstehenden Prozessgase als Energieträger zu nutzen, so dass auch bei diesem Konzept aus dem Kohlenstoffkreislauf der Erde dauerhaft Kohlenstoff entzogen werden könnte.
Diese bekannten Konzepte sind aber mit erheblichen technischen Problemen verbunden, da die geologischen Bedingungen in derartigen Hohlräumen, deren Unzugänglichkeit und deren durch geologische Prozesse verursachte komplexe und uneinheitliche Gestalt eine zur industriellen Nutzung der Biogasproduktion notwendige Beherrschung und Vorhersehbarkeit sowie gegebenenfalls erforderliche Steuerung des Fermentationsprozesses erschweren. Darüber hinaus stehen derart geeignete Hohlräume im Erdinnern nicht flächendeckend dort zur Verfügung wo entweder Biomasse verfügbar ist oder ein hoher Energiebedarf besteht. Dementsprechend ist es fraglich, ob derartige Konzepte eine wirtschaftlich rentable Nutzung ermöglichen. Solange diese aber zweifelhaft ist, ist niemand bereit in derartige Technologien entsprechende Investitionen zu tätigen.
Demgegenüber ist der gemäß der Erfindung vorgeschlagene Weg, nämlich eine „Endlagerung" der fermentierten Biomasse in künstlichen, anlagentechnisch hinsichtlich der Biogasproduktion optimiert ausgelegten, großvolumigen Behältern vorzunehmen, unter wirtschaftlichen Aspekten mit einem signifikant geringeren Risiko behaftet, da die Investitionen sowie deren wirtschaftlicher Nutzen überschaubar sind, so dass die Wahrscheinlichkeit einer zur Vermeidung einer Klimakatastrophe dringend erforderlichen kurzfristigen technischen Umsetzung gegenüber den bekannten Konzepten deutlich erhöht ist.
Die Biogasausbeute wird außerdem signifikant erhöht, wenn ein während der Fermentierung durch Verringerung des Volumens der eingebrachten Biomasse entstehender Freiraum des Fermentati- onsbehälters mit frischer Biomasse befüllt wird. Die Energieausbeute einer nach diesem Verfahren betriebenen Anlage basiert wesentlich auf der Erkenntnis, dass bereits nach einem Jahr Betriebszeit das Volumen der eingebrachten Biomasse nur noch ca.55%, nach 5 Jahren noch ca.10% des ursprünglich einge- brachten Volumens beträgt, so dass durch kontinuierlich oder diskontinuierlich nachgefüllte frische Biomasse das zur Verfügung stehende Fermentationsvolumen immer voll ausgenutzt wird und dadurch stets eine relativ hohe Biogasausbeute über einen großen Zeitraum gesichert ist.
Hinsichtlich der Anlage wird die Aufgabe der Erfindung gelöst mit einer Anlage mit den Merkmalen des Patentanspruches 7. Gemäß diesen Merkmalen enthält die Anlage eine Mehrzahl von mit Biomasse befüllbaren gasdichten Fermentationsbehältern, deren Volumen jeweils größer als 10000m 3 ist. Durch den Einsatz derart großvolumiger Fermentationsbehälter oder Fermenter ist trotz der mit zunehmender Aufenthaltsdauer der Biomasse im Fermenter abnehmenden Biogas-Erzeugungsrate auch nach einer Betriebsdauer von mehreren Jahrzehnten eine hohe Biogasausbeute und damit ein wirtschaftlicher und effektiver Weiterbetrieb der Biogasanlage möglich.
Die Fermentationskessel sind vorzugsweise unterirdisch angeordnet. Als Standort sind insbesondere Flächen geeignet, die beim Braunkohletagebau entstanden sind. Beim Braunkohletagebau wird großflächig Erdreich abgetragen um die tieferliegenden Braunkohleschichten zu erreichen. Es entstehen dadurch künstlich geschaffene großflächige Vertiefungen mit einer Tiefe von 100 bis 400 m. Nach Abbau der Braunkohleflöze müssen diese Bereiche wieder rekultiviert, das heißt teilweise bzw. vollständig wieder mit Erdreich aufgefüllt werden. Werden die Fermentationskessel in die Talsohle der Vertiefung eingebaut, wird der Bau der erfindungsgemäßen Anlage in die Rekultivierungsmaßnahmen integriert. In diesem Fall werden die Fermentationsbehälter, deren Höhe bis zu 150m betragen kann, vor der Wiedereinbringung des Erdreiches auf der Talsohle des abgebau- ten Kohleflözes gebaut und anschließend im Zuge der Rekultivierung mit Erdreich überdeckt und verbleiben dauerhaft im Erdreich. Die Erdüberdeckung ist abhängig von der Tiefe der Talsohle und kann mehrere 100 m betragen. Durch diese Maßnahme kann die dadurch freiwerdende Fläche zum Bau eines Biogas- kraftwerkes bzw. zum Anbau von Biomassekulturen genutzt werden. Des Weiteren wird u.a. sowohl das Befüllen der Kessel mit Biomasse, das Abführen des entstehenden Biogases sowie erfor- derliche Überwachungs- und Prozesskorrekturmaßnahmen wesentlich vereinfacht.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält die Anlage eine Mehrzahl im Querschnitt vorzugsweise gleichseitigen sechseckigen Fermentationsbehältern, die in Form einer wabenartigen Struktur nebeneinander angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich kompakte Anlagen mit großem Gesamtvolumen unter effizienter Ausnutzung der verfügbaren Fläche bei geringer Anzahl von Seitenwänden realisieren. Darüber hinaus kann die Anlage problemlos um weitere Fermentationsbehälter ergänzt werden, um deren Wirtschaftlichkeit über einen längeren Zeitraum zu optimieren.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den den unabhängigen Patentansprüchen jeweils untergeordneten Patentansprüchen angegeben.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Anlage zum Erzeugen von Energie unter gleichzeitiger Verringerung der Emission von Treibhausgasen in die Atmosphäre gemäß der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung,
Fig. 2 eine besonders vorteilhafte Anordnung von Fermentationsbehältern in einer Anlage gemäß der Erfindung,
Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Gesamtmenge des produzierten
Methangases sowie die Rate der Methangaserzeugung einer Anlage gemäß der Erfindung gegen die Betriebsdauer aufgetragen sind, Fig. 4 ein Diagramm, in dem die in der Anlage verbleibende gesamte Biomasse (Fossilisationsmasse) und die für eine weiterführende Fermentation noch jährlich zur Verfügung stehende Biomasse ebenfalls gegen die Betriebsdauer auf- getragen sind.
Gemäß Fig. 1 enthält eine Anlage gemäß der Erfindung wenigstens einen Fermentationsbehälter 2, in den aus der Biosphäre 4 entnommene (frische) Biomasse F eingebracht wird. In der Fig.l ist symbolisch nur ein Fermentationsbehälter 2 dargestellt. In der Praxis ist es jedoch von Vorteil, wenn die Anlage eine Mehrzahl von Fermentationsbehältern 2 umfasst, die jeweils ein Volumen haben, das größer als 10000m 3 , vorzugsweise größer als 100000m ist. Ein wirtschaftlicher Betrieb der Anlage ergibt sich beispielsweise bei einem Einsatz von 37 Fermentationsbehältern 2 mit jeweils 67500m Volumen. Der Fermentationsbehälter 2 ist für eine mehrere Jahrzehnte dauernde Betriebsdauer konzipiert und besteht vorzugsweise aus Beton. Der oder die Fermentationsbehälter 2 können sowohl unterirdisch als auch oberirdisch aufgestellt werden, wobei aufgrund des hohen Flächenbedarfes beispielsweise die Talsohle einer aufgelassenen Braunkohle-Tagebaufläche 5 besonders geeignet ist, wie dies im Ausführungsbeispiel der Figur 1 veranschaulicht ist.
Der Fermentationsbehälter 2 ist gegenüber der Atmosphäre gasdicht verschlossen, so dass die im Fermentationsbehälter 2 befindliche Biomasse B anaerob zersetzt wird. Das dabei entstehende Biogas G wird mittels eines symbolisch veranschaulichten Rohrleitungssystems 6, das durch die gesamte Biomasse B geführt wird, gesammelt und aus dem Fermentationsbehälter 2 über eine Entnahmeleitung 7 kontinuierlich entnommenen, nach entsprechender Aufbereitung und Reinigung entweder in das Erdgasnetz eingespeist oder einer Kraftwerksanlage 8 zugeführt, in elektrische Energie E und gegebenenfalls in Nutzwärme Q umgewandelt und in ein elektrisches Netz bzw. eine Fernwärmeleitung eingespeist. Das Rohrleitungssystem 6 dient au- ßerdem zum Einstellen von Prozessparametern wie z.B. des pH- Wertes durch Zufuhr von chemischen Hilfsstoffen sowie der Temperatur durch Einbringen von Sauerstoff oder geothermisch erwärmtem Wasser.
Um eine effektive Fermentierung zu gewährleisten, wird der Wassergehalt vorzugsweise auf etwa 50 bis 80 Gew.-% eingestellt. Dies kann durch entsprechende Aufbereitung der Biomasse F - Anreichern mit Wasser H 2 O - oder durch Einschleusen von Wasser H 2 O in den Fermentationsbehälter 2 erfolgen. Der optima- Ie pH-Wert im Fermentationsbehälter 2 beträgt etwa zwischen 5,5 und 8,0, vorzugsweise zwischen 6,5 und 7,5.
Je nach Zusammensetzung der Biomasse F kann es notwendig sein, diese zu zerkleinern, wobei die Größe der Partikel vorzugswei- se kleiner als 10cm ist. Eine besonders hohe Anfangsausbeute wird erzielt, wenn die Biomasse F zu einer breiartigen Konsistenz zerkleinert wird. Während der Fermentation sind nur geringe Eingriffe notwendig. Zusätzlich kann jedoch eine permanente Berieselung mit temperiertem Wasser mit einer Temperatur von etwa 35°C oder einem periodisches Berieseln der Biomasse B mit eigenem frei werdenden Prozesswasser durch einen internen Kreislauf über das im Fermentationsbehälter 2 befindliche Rohrleitungssystem 6 durchgeführt werden. Die Prozesstemperatur innerhalb des Fermentationsbehälters 2 wird vorzugsweise auf einen Temperaturbereich zwischen 10 0 C und 90 0 C eingestellt, wobei optimale Ausbeuten erreicht werden können, wenn die Temperatur innerhalb des Fermentationsbehälters 2 zwischen 33° und 38°C beträgt. Zur Einstellung der optimalen Prozesstemperatur können außerdem geringe Sauerstoffmengen O 2 hinzugefügt werden, die eine aerobe Verrottung und damit einhergehend eine Erwärmung der im Fermentationsbehälter 2 befindlichen Biomasse B auslösen, um bei Bedarf die Temperatur im Fermentationsbehälter 2 zu erhöhen, wenn die im anaeroben Prozess erzeugte Energie nicht ausreicht. Um eine gleichmäßige Wärmeverteilung in der im Fermentationsbehälter 2 befindlichen Biomasse B zu erreichen erfolgt die Sauerstoffeinspeisung vorteilhaft mittels des installierten Rohrleitungssystems 6. So wird beispielsweise beim aeroben Abbau von lmol Glucose CeHi 2 Oe zu Kohlendioxid CO2 und Wasser H 2 O etwa 2803kJ erzeugt, während bei Abbau von lmol Glucose CeHi 2 Oe im anaeroben Prozess zu Methan CH 4 und Kohlendioxid CO 2 nur 132kJ freigesetzt wer- den.
Eine weiterführende vorteilhafte Alternative für die Einstellung der Temperatur im Fermentationskessel ist die Nutzung der Geothermie. Für die benötigte Energiezufuhr für den Fermenta- tionsprozess wird durch ein in das Erdinnere führende Wärmetauscher-Rohrsystem 10 des Rohrleitungssystems 6 Prozesswasser bzw. alternativ Biogas in die tieferen Erdschichten gepumpt, dort erwärmt und dem Fermentationsprozess wieder zugeführt. Die Tiefe des Wärmetauscher-Rohrsystems 10 orientiert sich hierbei an den geologischen Verhältnissen des Standortes oder der des Fermentationsbehälters 2. Der Temperaturanstieg nimmt im Bereich von 2 bis 6 0 C pro 100 m Tiefe zu. Für die im Fermentationsbehälter 2 vorzugsweise angestrebte Prozesstemperatur von 30 bis 40 0 C wird daher eine Bohrtiefe von wenigstens 300m bis etwa 2000m benötigt. Zur Steuerung und Überwachung der im Fermentationsbehälter 2 stattfindenden Prozesse sind im Fermentationsbehälter 2 außerdem in der Figur 1 nicht dargestellte Messeinrichtungen angeordnet, mit denen relevante Prozessparameter, beispielsweise Temperatur, pH-Wert, Feuchte, Sauerstoffgehalt, an verschiedenen Stellen im Fermentationsbehälter erfasst werden. Der Einbau der Fermentationskessel 2 erfolgt vorzugsweise in Bereichen von aufgelassenen Tagebauflächen, beispielhaft im Braunkohletagebau, wo sie unmittelbar nach ihrer Fertigstel- lung im Rahmen von Rekultivierungsmaßnahmen mit Erdreich abgedeckt werden. Unabhängig von den verfahrenstechnischen Vorteilen wie Einfüllen der Biomasse F in die Fermentationsbehälter 2, Installation von erforderlichen Hilfseinrichtungen etc., stehen wertvolle Oberflächenressourcen weiterhin zur Verfügung und erforderliche Rekultivierungsmaßnahmen können naturnah und optisch ansprechend durchgeführt werden.
Die Fermentationsbehälter 2 sind vorzugsweise auf eine Betriebszeit, d.h. der Zeitraum, in dem Biogas G entnommen und industriell verwertet wird, von mehr als 50 Jahren ausgelegt. Sie übertrifft damit die in der fossilen Energieerzeugung üblichen Betriebszeiten von 30 bis max . 40 Jahre. Die Betriebszeit kann mittels der in der Biomasse vorliegenden Temperatur durch Einstellen der optimalen Fermentationstemperatur im Bereich von 30 0 C bis 40 0 C, bei gleichzeitigem Erhöhen der Produktivität (Methanproduktion pro Zeiteinheit) , deutlich verkürzt werden. Mit zunehmender Temperaturerniedrigung unterhalb 30 0 C wird dagegen die Produktivität zunehmend vermindert und die Betriebszeit verlängert. Im Gegensatz zu allen anderen fossilen und erneuerbaren Energieerzeugungstechniken müssen am Ende der Betriebszeit die großen Fermentationsbehälter 2 nicht abgebaut werden. Die Fermentationsbehälter 2 verbleiben viel- mehr einschließlich der nicht vergärbaren Kohlenstoffanteile dauerhaft im Erdreich. Bei der Stilllegung kann außerdem zusätzlich das noch freie Restvolumen der Fermentationsbehälter 2 mit nicht verrottbaren Feststoffen, vorzugsweise mit anfal- lendem Abraum (Erde, Steine, Sand) des Tagebergbaues befüllt werden .
Fig. 2 zeigt eine besonders platzsparende Anordnung einer Mehrzahl von Fermentationsbehältern 2 mit einem besonders günstigen Verhältnis aus benötigten Wandflächen und Gesamtgrundfläche. Jeder Fermentationsbehälter 2 hat im Querschnitt die Form eines gleichseitigen Sechseckes, so dass die Fermentationsbehälter 2 in Form einer wabenartigen Struktur nebeneinander angeordnet werden können. Auf diese Weise kann eine hohe Stabilität der Fermentationsbehälter 2 bei möglichst geringem Einsatz von Wandmaterial erzielt werden. Mit zunehmender Anzahl der Fermentationsbehälter 2 sind Gruppierungen besonders vorteilhaft, die 7, 19 oder 37 Fermentationsbehälter 2 umfassen. So beträgt der Platzbedarf eines Energieparks mit 37 Kesseln und einem Gesamtvolumen von 2,5 x 10 m 3 je nach Bauhöhe der Kessel 30.000m 2 bis max . 90.000m 2 .
Ein gemäß der vorliegenden Erfindung konzipierter Energiepark kann während seines Betriebes problemlos um weitere Fermenta- tionsbehälter ergänzt werden, um auf diese Weise eine andauernd hohe und über große Zeiträume konstante Energie/Wärme- Erzeugung der Kraftwerksanlage zu gewährleisten.
Im Diagramm der Fig. 3 ist in Kurve a die Produktionsrate r von Methan in Tonnen/Halbjahr für eine Anlage mit einem Gesamtvolumen von 2,5x10 m , mit beispielsweise 37 Fermentationsbehältern mit jeweils etwa 67500m 3 , gegen die Anzahl der Be- triebsjähre t aufgetragen. Kurve b gibt die Gesamtmenge G tot an produziertem Methan in to in Abhängigkeit der Zeit t in Jahren wieder. Die Abschätzung wurde unter der Annahme durchgeführt, dass einerseits die Fermentation in einem Temperaturbereich von 25°C bis 35°C und einem pH-Wert von 5,5 bis 7,5 abläuft und andererseits die 37 Behälter nacheinander in halbjährigem Rhythmus vollständig gefüllt werden und die bereits gefüllten Kessel ebenfalls halbjährlich stets mit dem Volumen an frischer Biomasse F nachbefüllt werden, das dem Volumenverlust durch fortschreitende Fermentation der bereits in den Fermentationsbehältern befindlichen Biomasse B entspricht. Der Fig.3 ist zu entnehmen, dass eine derartige Anlage auch noch im 50. Betriebsjahr etwa 4.500to Methan erzeugt. Dies entspricht einer Jahresproduktion von etwa 5,5><10 7 kWh. Bei einem Wirkungs- grad von etwa 50% entspräche dies noch einer Kraftwerksleistung von etwa 3,2MW. Nach 50 Betriebsj ahren sind in den Fermentationsbehältern etwa 3 χ l0 6 to Kohlenstoff C in der Fossili- sationsmasse gebunden und somit dauerhaft dem natürlichen Kreislauf entzogen worden, 7.900to Kohlenstoff befinden sich in der noch vergärbaren Biomasse. Bis zu diesem Zeitpunkt wurden etwa 0,9 χ l0 to Kohlenstoff C in Form von Kohlendioxid CO 2 und 0,75 χ l0 6 to Kohlenstoff C in Form von Methan CH 4 freigesetzt. Nach der Umsetzung des Methans CH 4 in nutzbare Energie (Wärme, Elektrizität) wurden in Summe ca. 6 χ l0 6 to Kohlendioxid in die Biosphäre zurückgeführt. Diese Cθ2~Menge führt, da aus dem natürlichem Kohlenstoffkreislauf der Erde entnommen und nach der Fermentation wieder zurückgeführt, zu keiner Erhöhung des Cθ2~Gehaltes in der Biosphäre. Der Kohlenstoffgehalt in der verbleibenden Fossilisationsmasse entspricht einem bleibenden CO2 Entzug aus der Biosphäre von 3,2 χ l0 6 to Kohlendioxid CO2. Im Diagramm gem. Fig. 4 ist in Kurven c und d die in den Fermentationsbehältern verbleibende Biomasse B fos in m , d.h. die bereits fossilisierte Biomasse, und in Kurve d die pro Jahr jeweils noch zur Fermentierung zur Verfügung stehende Biomasse Bf e r in m 3 ebenfalls gegen die Betriebsdauer t in Jahren aufgetragen .
Next Patent: SEALING ARRANGEMENT FOR SEALING A PISTON ROD OF A RECIPROCATING COMPRESSOR