Verfahren zur Nutzung von Biomasse in einem Biogasprozess

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur energetischen Verwertung von Biomasse mit hohen Feststoff- und Stickstoffanteilen als Substrat in Biogasanlagen.

Tabelle 1 zeigt beispielhaft einige dieser Substrate. Weitere Substrate mit hohem Feststoffanteil sind u. a. Grünschnitt aller Art sowie Garten- und Lebensmittelabfälle. Weiterhin gibt es Substrate mit sehr hohem Stickstoffanteil wie ölschrote und Schlempen. Substrate mit hohen Fremdstoffanteilen sind z. B. Hühnermist mit einem hohen Kalk-/Sand-Anteil.

Tabelle 1 : Zusammensetzung ausgewählter Substrate

Die bekannten Biogasverfahren werden allgemein in Trocken- und Nassvergärungs- verfahren unterschieden. Grundlage für einen vorteilhaften Biogasprozess ist u. a. ein optimaler Aufschluss des eingesetzten Substrates, um den verwendeten Bakterien eine möglichst große Angriffsfläche zu erschließen. Von besonderer Bedeutung sind die Umgebungsbedingungen für die Bakterien. Diese erfordern eine gleichmäßige Temperierung des Prozesses und ein Trägermedium, welches eine hohe Mobilität der Bakterien erlaubt bzw. die Zufuhr der Biomasse zu den Bakterien gewährleistet. Die Temperierung ist aufwendig, die in engen Grenzen definierte notwendige Kontaktierung zwischen Bakterien und Substrat kostenintensiv.

Bei Trockenvergärungsverfahren wird das Substrat in der Regel zerkleinert und in fester Form in ein luftdichtes Behältnis eingeschlossen, in welchem der Biogasprozess abläuft. Nachteilig bei diesen Verfahren ist der in der Regel niedrige Biogasertrag, der seine Ursachen in dem ungleichmäßigen Wärmeeintrag und damit der ungleichmäßigen Temperatur und der geringen Mobilität der Bakterien hat.

Diese wesentlichen Nachteile sind bei der Nassvergärung nicht vorhanden. Durch das flüssige Trägermedium sind sowohl eine gleichmäßige Prozesstemperatur als auch die Mobilität der Bakterien bzw. die Zufuhr des Substrates gewährleistet.

Von Nachteil bei der Nassvergärung ist jedoch, dass Substrate mit hohen Trockensubstanzanteilen laufend mit Flüssigkeit angemaischt werden müssen. Dies führt zu einer Erhöhung der Gärrestemenge mit entsprechendem logistischem Aufwand bei der Lagerung und dem Transport. Eine Möglichkeit, den Flüssigkeitsbedarf zu verringern, bietet die Rezirkulierung von Gärrest zum Anmaischen. Diese Lösung funktioniert aber nicht beim Einsatz von Substraten mit hohen Stickstoffkonzentrationen. Zur Verringerung der Stickstoffkonzentrationen bleibt nur die Möglichkeit der Verdünnung mit Flüssigkeit.

Steht zum Anmaischen nur Wasser und nicht Gülle zur Verfügung, besteht für den Prozess weiterhin die Gefahr, dass die erforderlichen Bakterien aus dem Prozess geschwemmt werden und es so zu einem Abbruch der Biogasproduktion kommt. Das mögliche Ausschwemmen der Bakterien aus dem Biogasprozess hat seine Ursache in der langen Generationszeit der Bakterien, d. h. dass mit dem Gärrest mehr Bakterien den Fermenter verlassen, als neu gebildet werden. Dies gilt im Besonderen für die Me- thanisierungsbakterien.

Bei der Rezirkulierung von Gärrest zur Anmaischung des Substrates kommt es in bestehenden Biogasanlagen häufig zu einer Aufkonzentration der Mineralien im Fermenter. Diese Mineralien haben teilweise die Eigenschaft von Hemmstoffen in Bezug auf den Biogasprozess.

Ein sehr problematischer Hemmstoff ist Ammoniak. Die Rezirkulierung von Gärrest ist besonders beim Einsatz von Substraten mit hohen Stickstoffanteilen kritisch. Beim Biogasprozess wird der organisch gebundene Stickstoff in Ammonium umgewandelt, der wiederum mit Ammoniak im chemischen Gleichgewicht steht. Dieses Gleichgewicht ist im Wesentlichen von der Temperatur und dem pH-Wert abhängig. Das Ammoniak ist für die Bakterien giftig und Ursache der so genannten Stickstoffhemmung. Das durch die Rezirkulierung aufkonzentrierte Ammonium und die vermehrte Ammoniakbildung behindern den Biogaserzeugungsprozess und können im Extremfall zu einem Abbruch der Biogasbildung führen. Des Weiteren kommt es durch

die hohen Ammoniumkonzentrationen im Lager des flüssigen Gärrestes zu einer ständigen Ammoniakbildung und diese führt zu Ammoniakemissionen.

Großteilige Fremdstoffe werden in der Regel vor dem Eintrag in die Biogasanlage abgeschieden. Hingegen gelangen kleinteilige Fremdstoffe mit dem Substrat in die Fermenter und führen dort zu Ablagerungen. Speziell die Ablagerung von Schlämmen und Sand stellt ein großes Problem dar. Ursache für die Ablagerungen von Fremdstoffen im Fermenter ist zum einen die Größe der Fremdstoffe, die eine Abtrennung durch Siebe oder Rechen nicht ermöglichen. Weiterhin sind sie in der Regel unmagnetisch und elektrisch neutral. Eine Abscheidung durch Schwerkraft ist oftmals nicht möglich, da sie an Biomasse gebunden sind und somit der Dichteunterschied zu Wasser bzw. zur angemaischten Biomasse zu gering ist. Weiterhin sind die Ablagerungen im Fermenter auch problematisch, da die vorhandenen automatischen Entnahmesysteme wie Schieber oder Kratzböden nur unzureichend funktionieren. Ursache hierfür ist, dass die Ablagerungen durch die Schieber aufgewirbelt werden und somit zum Großteil im Fermenter verbleiben. Die Anreicherung der Ablagerungen führt dann zu einer überlastung der Entnahmesysteme bis hin zum Ausfall und es verbleibt nur die manuelle Entnahme der Ablagerungen, wozu der Betrieb der Biogasanlage eingestellt werden muss.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die bestehenden Nachteile des Biogaserzeugungsprozesses zu überwinden und Substrate mit hohen Feststoff- und Stickstoffanteilen in einer Biogasanlage energetisch vorteilhaft zu nutzen. Dabei soll gewährleistet werden, dass folgende Punkte umgesetzt werden:

■ Steigerung der Biogasproduktion durch o Abtrennung von Störstoffen, o Optimierung der Biologie, o Reduzierung der Hemmstoffe (im Besonderen die Vermeidung der Stickstoffanreicherung in Biogasanlagen);

■ wesentliche Wassereinsparung;

^■ vorteilhaftes Energieregime;

■ Vermeidung von Ammoniakemissionen;

^■ Verringerung des Gärresteanfalls.

Die Erfindung hat die Aufgabe, den Biogasprozess im regulären Betrieb im Wesentlichen ohne ständigen Zusatz von Flüssigkeit abzusichern. Damit kann die Gärrestemenge reduziert werden. Der Gärrest soll am Ende des Verfahrens hygienisiert sein und sich durch nur geringe Emissionen (wie z. B. Ammoniak) auszeichnen.

Weiterhin soll Biomasse mit hohen Fremdstoffanteilen nutzbar sein.

Die Erfindung soll weiterhin die Aufgabe lösen, Substrate mit hohen Feststoffanteilen zur Biogasproduktion zu nutzen. Ferner soll der Einsatz stickstoffhaltiger Substrate (siehe Tabelle 1) möglich sein.

Der Energiehaushalt des gesamten Prozesses soll so gestaltet werden, dass bei nur geringen Verlusten an Wärme ein technisch, ökonomisch und ökologisch akzeptables Ergebnis erzielt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach dem Hauptanspruch gelöst. Die Unteransprüche dienen der zweckmäßigen Ausgestaltung. Die Zeichnungen dienen dem Verständnis der Erfindung.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft im Einzelnen wie folgt ab:

Die Biomasse (Substrate) wird als Feststoff in den Prozessablauf eingebracht (1 , 2). Um einen optimalen Biogasprozess zu ermöglichen, werden die Feststoffe zerkleinert (3). Mit Ausnahme von Anfahrvorgängen wird der Erfindung keine Flüssigkeit zugeführt. Der Biogasprozess läuft in einem pumpfähigen/flüssigen Zustand der Substrate ab. In einem Mischer (4) werden die zerkleinerten Substrate mit Rezirkulat angemaischt. Nach dem Mischer werden die Substrate nochmals durch einen Inline- Zerkleinerer (5) in ihrer Größe reduziert, um die aktive Oberfläche zu vergrößern und mit einer Pumpe (6) weiter befördert.

Das Rezirkulat ist nur in der Anfahrphase des erfindungsgemäßen Prozesses durch Wasser oder Gülle ersetzt.

In der Vorstufe, die als Zyklon (7) ausgeführt ist, erfolgen die Hydrolyse und die Säurebildung sowie die Abtrennung von Störstoffen. Die Hydrolyse und die Säurebildung sind die ersten Abbaustufen im Biogasprozess. Durch den Beginn des biologischen Abbaus kommt es zu einer Trennung von organischen und anorganischen Bestandteilen des Substrates. Die schwereren anorganischen Bestandteile, z. B. Sand, werden durch den Zyklon abgetrennt und stören den weiteren Biogasprozess nicht mehr. Die

Verweilzeit des Substrates in der Vorstufe beträgt bis zu 6 Tage. Gleichzeitig wird eine Optimierung des Biogasprozesses durch die räumliche Trennung der verschiedenen Abbaustufen erreicht, wodurch sich für die spezifischen Bakterien jeweils die optimalen Milieubedingungen einstellen lassen. In den nachfolgenden Fermentern (8, 9) laufen die Essigsäurebildung und Methanogenese, d. h. die Bildung des Biogases, ab. In den Fermentern wird das Substrat mittels Rührwerken umgewälzt. Die Vergärung der Substrate erfolgt mesophil, d. h. bei Temperaturen von 38 bis 42 ⁰ C, oder thermophil, d. h. bei Temperaturen von 50 bis 60 ⁰ C. Die Verweilzeit in den Fermentern beträgt zwischen 20 und 40 Tagen. Anzahl und Größe der Fermenter sowie die Verweilzeit der Substratmischung sind abhängig von Art und Menge der Substrate.

Das Biogas wird in Gasblasen (9) gespeichert und nach einer Reinigung (19) in einer Kraftwärmekopplungsanlage (20) in Strom und Wärme umgewandelt. In der Regel werden Blockheizkraftwerke eingesetzt, doch können auch Mikrogasturbinen, Gasturbinen, Brennstoffzellen oder ORC-Prozesse zum Einsatz kommen.

Der Gärrest des Biogasprozesses wird zum Anmaischen der Substrate im Mischer (4) verwendet. Hierbei wird der Gärrest in zwei Teilströme getrennt.

Teilstrom 1 (A) ist unbehandelter Gärrest. Durch diesen wird das Neusubstrat biologisch angeimpft, was einen reibungslosen Ablauf des Biogasprozesses unterstützt. Das hat den großen Vorteil, dass Bakterien in die Anmaischvorrichtung kommen, die dem bislang verwendeten Substrat besonders gut entsprechen, dieses zügig abbauen und eine hohe Biogasproduktion fördern.

Teilstrom 2 (B) wird erst einer Substrataufbereitung (10) unterzogen, um die Hemmstoffe zu entfernen. Hierbei geht es in erster Linie um die Entfernung von Ammonium/ Ammoniak mit Hilfe eines Strippprozesses. Der Strippprozess wird mit der Abwärme der KWK-Anlage (20) beheizt. Gleichzeitig wird eine Hygienisierung des Gärrestes erreicht, d. h. die Temperatur beim Strippprozess liegt für einen Zeitraum von mehr als 60 Minuten über 70 ⁰ C. Daher arbeitet der Strippprozess in einem Batchbetrieb. Der Abscheidegrad des Ammoniumstickstoffs soll bei ca. 50 bis 90 % liegen. Um die Heizenergie für den Strippprozess zu minimieren, werden der zu- und abgeführte Gärrest im Gegenstromverfahren vorgewärmt bzw. abgekühlt (11). Um das Gegenstromverfah- ren zu ermöglichen, sind für den Strippprozess 3 Strippbehälter vorgesehen, von denen maximal 2 Behälter in Betrieb sind bzw. 1 Behälter in Betrieb und jeweils 1 Behäl-

ter befüllt und entleert wird. Der hygienisierte und stickstoffarme Gärrest wird über einen Pufferbehälter (12) kontinuierlich einem Separator (13) zugeführt. Alternativ kann der Strippprozess mit vier Strippbehältern ausgeführt werden, wobei jeweils 1 Behälter befüllt und entleert wird sowie 2 Behälter in Betrieb sind. Bei dieser Variante entfällt der Pufferbehälter (12) vor dem Separator (13).

Durch den Separator (13) wird der Gärrest in eine Fest- und Flüssigphase getrennt. Der Trockensubstanzanteil der Flüssigphase beträgt etwa 2 bis 6 %. Sie wird zum Anmaischen des Substrates verwendet. Durch den Strippprozess wird gleichzeitig eine thermische Desintegration der Biomasse des Gärrestes erreicht. Hierdurch werden eine weitere Umwandlung der rezirkulierten Biomasse der Flüssigphase im Fermenter erreicht und somit erhöhte Gaserträge erzielt.

Der Trockensubstanzanteil der Festphase beträgt etwa 25 bis 50 %. Durch den Strippprozess ist die Ammoniumkonzentration in der Festphase auf ca. 0,5 bis 10 kg NH ₄ / 1 TS reduziert. Damit sind die Ammoniakemissionen deutlich vermindert. Zum Vergleich liegen die Ammoniumkonzentrationen bei unbehandeltem flüssigem Gärrest bei ca. 20 bis 80 kg NH ₄ / 1 TS. Die Geruchsemissionen werden durch den Abbau der Substrate im Biogasprozess und die Hygienisierung reduziert. Ein weiterer aerober Abbau des Gärrestes und somit die Entstehung von Geruchsemissionen wird durch Lufttrocknung des Gärrestes mit der Abwärme (14) aus dem Strippprozess verhindert. Der feste Gärrest wird gelagert und kann in der Landwirtschaft als Dünger ausgebracht werden.

Der Biogasprozess muss beheizt werden. Aufgrund der Massenverhältnisse zwischen Substrat und Rezirkulat erfolgt der wesentliche Wärmeeintrag in den Biogasprozess durch den Strippprozess. Weiterhin wird die Abwärme des Strippprozesses zur Beheizung des Biogasprozesses verwendet. Alternativ kann auch direkt die Wärme der Kraftwärmekopplungsanlage (20) zur Beheizung verwendet werden. Die Beheizung erfolgt durch einen externen Wärmeübertrager (18). Hierzu wird Substrat aus der Vorstufe und den Fermentern entnommen, im Wärmeübertrager aufgeheizt und zurück gepumpt. Die Behälter werden abwechselnd beheizt und das Substrat dem Behälter wieder zugeführt, dem es entnommen wurde. Beim Zyklon wird das Substrat zur Beheizung am Ausgang entnommen, um die Schmutzfracht und somit auch die Verschmutzung des Wärmetauschers möglichst gering zu halten.

Als Variante zu der Schaltung in Abbildung 2 wird das Verfahren entsprechend der Abbildung 3 gestaltet werden. Bei dieser Variante wird die biologische Vorstufe (7) und die Sandabscheidung (23) apparatetechnisch getrennt. Nach der biologischen Vorstufe (7) wird das Substrat einer Substrataufbereitung (10) unterzogen. Die Substrataufbereitung ist wie in der zuvor beschriebenen Variante ausgestaltet.

Das hygienisierte und stickstoffarme Substrat wird dem Störstoffabscheider (23) zugeführt. Alternativ zur Abbildung 3 kann der Störstoffabscheider (23) auch zwischen der Substrataufbereitung (10) und dem Gegenstromwärmeübertrager (11) angeordnet werden. Vom Störstoffabscheider wird das Substrat, welches hygienisiert und von Hemm- und Störstoffen befreit ist, den nachfolgenden Fermentern (8, 9) zur Biogasbildung zugeführt. Die Vergärung erfolgt wie zuvor beschrieben. Der Gärrest des Biogasprozesses (Ablauf des Fermenters) wird dem Separator (13) zur Trennung des Gärrestes in eine Fest- und Flüssigphase zugeführt. Die Flüssigphase wird zum An- maischen des Substrates verwendet. Auf eine Rezirkulierung in 2 Teilströmen kann bei dieser Variante verzichtet werden. Der Rest des Verfahrens in Abbildung 3 bleibt im Vergleich zum Verfahren in Abbildung 2 unverändert.

Als weitere Variante ergibt sich die Entfernung der Störstoffe sowohl nach der Biogasgewinnung (Abbildung 2) als auch nach der Hydrolyse (Abbildung 3), um einen besonders hohen Abscheidegrad bezüglich der Hemmstoffe zu erzielen.

Ausführungsbeispiel

Das Beispiel für die Ausführung des Verfahrens verwendet Hühnermist als Substrat, doch ist es ebenfalls zur Demonstration für den Einsatz aller anderen bereits genannten Substrate mit hohen Stickstoff- oder hohen Feststoffanteilen geeignet (siehe Abbildung Bilanz).

Der Einsatz von Hühnermist ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses Substrat einen hohen Trockensubstanzanteil (TS = 30 % bis 80 %) und einen hohen Stickstoffanteil von bis zu 6 % TS hat. In der vorliegenden Beispielrechnung beträgt der Trockensubstanzanteil 48 % bei einem Stickstoffanteil von 5 % TS.

In Abwandlung des beschriebenen Verfahrens wird der Hühnermist ohne Zerkleinerung und Mischer direkt der Vorstufe zugeführt. In der Vorstufe wird ein pump-

fähiges Substrat mit einem Trockensubstanzanteil von TS = 10 bis 15 % durch An- maischen mit Rezirkulat erzeugt. In der Beispielrechnung beträgt der Trockensubstanzanteil 12,5 %, wobei zum Anfahren der Anlage ca. 2.000 t Rezirkulat bzw. beim erstmaligen Anfahren Wasser benötigt werden. Die Durchmischung erfolgt durch das Zentralrührwerk des Zyklons.

Die Verweilzeit des Substrates im Zyklon beträgt im Anwendungsbeispiel 4 Tage. Im Zyklon setzt sich der im Hühnermist gebundene Sand ab. Es werden laut Beispiel jährlich ca. 860 1 Sand aus dem Prozess abgetrennt.

Im nachfolgenden Inline-Zerkleinerer erfolgt die Einstellung der erforderlichen Partikelgröße des Substrates. Zerkleinert werden im Inline-Zerkleinerer im Wesentlichen Stroh und Federn, die soweit zerkleinert werden, dass durch die Partikelgröße eine gute Pumpfähigkeit und ein störungsfreier Substratfluss in den Rohrleitungen sichergestellt sind. Eine dem Inline-Zerkleinerer nachgeschaltet Pumpe fördert das Substrat in den Fermenter.

Die Verweilzeit des Substrates in den Fermentern beträgt im Anwendungsfall 30 Tage. Der Prozess verläuft mesophil bei 40 ⁰ C. Die Ammoniumkonzentration im Fermenter beträgt ca. 4 kg NH ₄ -N / 1 Substrat.

Das erzeugte Biogas wird, bevor es in einem Blockheizkraftwerk verwertet wird, in einer externen Gasreinigung aufbereitet. Um beim Ausfall der Wärme-Kraftmaschine den Verbrauch des Biogases und die Beheizung der Substrataufbereitung sicher zu stellen, sind eine Notfackel und eine Notheizung installiert. Der elektrische Strom wird ins Netz eingespeist, während die Wärme zur Versorgung der Substrataufbereitung und weiterer Verbraucher dient.

Nach der Fermentation wird der Teilstrom 1 des vergorenen Substrates mit einem Trockensubstanzanteil von 7,5 % rezirkuliert und dem Mischer wieder zugeführt. Dadurch werden die für die Fermentation notwendigen Bakterien dem Neusubstrat beigemischt. Das restliche Substrat (Teilstrom 2) wird der Substrataufbereitung zugeführt. Dieses wird dort hygienisiert und jährlich ca. 310 t Stickstoff entfernt. Danach folgt die Separation in Flüssig- und Festphase. Die rezirkulierte Flüssigphase weist noch eine Ammoniumkonzentration von ca. 0,8 kg NH ₄ -N / 1 Substrat bei einem Trockensubstanzanteil von 3 % auf. Sie wird ebenso wie Teilstrom 1 zum Anmaischen der Neusubstrate verwendet.

Durch die Mischung des Neusubstrates mit dem Rezirkulat von Teilstrom 1 und Teilstrom 2 im Mischer ergibt sich eine Temperatur des Gemisches von ca. 36 ⁰ C. Mit der Abwärme der Substrataufbereitung werden über einen Wärmeübertrager die Vorstufe und die Fermenter beheizt. Hierbei müssen durch die Beheizung die Erwärmung von 36 auf 40 ⁰ C sichergestellt und die Wärmeverluste der Biogasanlage ausgeglichen werden.

Die hygienisierte Festphase des Gärrestes hat im Anwendungsfall einen Trockensubstanzanteil von ca. 36 %. Sie wird nach einer Lufttrocknung in einem Feststofflager mit einem Trockensubstanzanteil von ca. 66 % gelagert und kann der Verwendung, z. B. in der Landwirtschaft, zugeführt werden. Als Wärme für die Lufttrocknung wird Abwärme aus dem Strippprozess verwendet.

Die Erfindung wird durch folgende Abbildungen näher erläutert:

Abbildung 1 : Prinzipskizze

Abbildung 2: Fließbild 1

Abbildung 3: Fließbild 2

Abbildung 4: Bilanzdarstellung für das Ausführungsbeispiel

Die Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik wesentliche Vorzüge auf. Es ist nunmehr möglich, Substrate erfindungsgemäß zu nutzen, die in herkömmlichen Biogasverfahren nicht oder nur mit großen Nachteilen eingesetzt werden konnten.

Der ökonomische Vorteil der Erfindung liegt u. a. im geringeren Verbrauch von Wasser im Vergleich zu gängigen Nassvergärungsverfahren bei gleichzeitig verbesserter Biogaserzeugung und damit deutlich erhöhten Gaserträgen im Vergleich zu Trocken- vergärungsverfahren.

Tabelle 2 stellt die Erfindung einer normalen Nassvergärung gegenüber. Wie aus der Tabelle ersichtlich, ergeben sich beispielhaft durch die Erfindung verringerte Investitionen für die Gärrestelagerung von ca. 480.000 €. Weiterhin verringern sich die jährlichen Kosten für das Wasser und die Ausbringung der Gärreste auf landwirtschaftliche Nutzflächen um ca. 458.000 EURO.

Tabelle 2: Vergleich der Erfindung zu einer herkömmlichen Nassvergärung