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Dokumentenidentifikation DE102004031170A1 12.01.2006
Titel Bioreaktor Großraumkugel als Biomasse-Fermenter zur Energie-Humus-/Düngergewinnung, mit Luftkühlung als Antrieb der Gärgutumwälzung
Anmelder Aßmann, Allo, 32130 Enger, DE
Erfinder Aßmann, Allo, 32130 Enger, DE;
Rottmayr, Sepp, 81541 München, DE
DE-Anmeldedatum 28.06.2004
DE-Aktenzeichen 102004031170
Offenlegungstag 12.01.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.01.2006
IPC-Hauptklasse C05F 9/04(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse C02F 11/04(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      C12M 1/107(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen großräumigen und kugelförmigen Behälter (Fig. 1) mit einer mehrschichtigen selbsttragenden Schale (1) zur anaeroben Vergärung von Biomasse. Die Schale (1) schließt eine Luftschicht (2) mit ein, die durch die Temperaturentwicklung des Gärgutes im Behälterraum erwärmt wird. Aufgrund der Zuluft- (3) und Abluftöffnungen (4) in der äußeren Wandung der Schale (1) entsteht eine Thermik. Oben (4) entweicht die warme Luft, kalte Luft strömt unten (3) nach und kühlt die innere Wandung der Schale (1) und das anschließende Gärgut ab. Durch diese Abkühlung wird die Umwälzung (5 u. 8) des Gärgutes in Gang gesetzt.
Gewonnen wird aus der Biomasse Energie in Form von Biogas (Methan), hygienisiertes Humus- und Düngematerial und die aufströmende Luft treiben Stromgeneratoren an.
Die Erfindung wird deshalb als "Bioreaktor" bezeichnet.

Beschreibung[de]
2. Stand der Technik und Historie

Bei den Abbauprozessen von Biomaterial gibt es fünf typische Verfahren um aus diesem Material Energie zu gewinnen: Verbrennen, Verdauen, Vergären, Verrotten und Verfaulen. Die Energiegewinnung in Form von Biogas aus Biomasse ist keine Erfindung unserer Zeit, sondern verläuft seit Urzeiten ungeordnet in der Natur. Gut zu beobachten durch das Aufsteigen von Gasblasen in den Mooren und Sümpfen und in vielen anderen ähnlichen Bereichen.

Das Vergären von organischem Biomaterial erfolgt unter Luftabschluß (anaerob) und im feuchtem Millieu durch Methanbakterien bei Temperaturen zwischen 0 und 75°. Dabei entstehen im wesentlichen das brennbare Gas Methan, Kohlendioxyd und Wasser sowie einige andere Spurengase. Das ausgegorene Biomaterial ist Humus.

Die ersten wissenschaftlichen Untersuchungen wurden wohl von dem italienischen Naturforscher Alessandro Volta im 18. Jahrhundert gemacht. Er fing Sumpfgas aus dem Schlamm von Seen auf und machte Verbrennungsversuche. Im 19. Jahrhundert erkannte man, dass durch den anaeroben Faulprozeß Abwasser geklärt werden kann. 1913 wurde von Imhoff der erste beheizbare Fermenter gebaut, für den er ein Patent erhielt.

Die weitere Entwicklung verlief in unterschiedlichen Phasen, die durch Krieg und/oder Energiekosten angeschoben oder gebremst wurden. Heute gibt es im Wesentlichen folgende Biogasverfahren:

2.1 Einbehälter-Verfahren (Batch-Verfahren)

Das Gärgut wird bei diesem Verfahren in einem abgeschlossenen Behälter vergoren. Während der Standzeit muß das anfallende, neue Material in einem Vorbehälter gesammelt werden.

Nachteile:

Abbauprozesse beginnen schon im Vorbehälter.

Keine gleichmäßige Gasproduktion.

Beim Leeren und Füllen Kontakt mit Sauerstoff.

Hygienisierung nicht voll gesichert.

2.2 Wechselbehälter-Verfahren

Bei diesem Verfahren sind 2 Fermenter und eine Vorgrube im Einsatz. Gegenüber 1 wird die Verweilzeit im Vorbehälter halbiert und die Gasprduktion verläuft gleichmäßiger. Es verbleiben folgende

Nachteile:

Beim Leeren und Füllen Kontakt mit Sauerstoff.

Wärmeverlust durch doppelte Oberfläche bei 2 Fermentern.

2.3 Durchflußverfahren

Das frische Gärgut wird in Schüben kontinuierlich eingebracht und verdrängt gleichzeitig einen Anteil des vergorenen Inhalts, das durch einen Überlauf in einen Lagerbehälter gelangt.

Nachteile:

Hygienisierung ist durch Vermischung von alt und neu beeinträchtigt.

2.4 Speicher-Verfahren

Fermenter und Lagerbehälter sind zusammengefaßt. Das Speicher Verfahren wird oft mit dem Durchflußverfahren kombniert. Wegen der hohen Wärmeverluste werden diese Anlagen im niedrigen Temperaturbereich betrieben.

Nachteile:

Hygienisierung ähnlich wie bei 3.

Wärmeverluste bei ungedämmten Fermentern

Kurzschluß mit sauerstoffhaltiger Luft möglich

2.5 Verfahrensvarianten

Der anaerobe Faulprozeß kann in ein- oder mehrstufigen Verfahren ablaufen. Bei einstufigen Anlagen verlaufen die verschiedenen Phasen des Vergärungsprozesses räumlich und zeitlich parallel ab. Bei mehrstufigen Verfahren laufen diese Phasen in verschiedenen Behältern getrennt ab.

3. Nachteile bei allen bekannten Verfahren

In der Regel ist bei allen Verfahren eine Rühreinrichtung erforderlich, die entweder mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch ausgestattet ist. Die richtige Auswahl dieser Einrichtung hängt auch von der Form und Größe des Fermenters ab. Sie vermischen zwar das Substrat, greifen aber auch in den Gärprozeß ein. Zudem sind alle technische Einrichtungen störanfällig.

Bei den meisten Verfahren muß das frische Biomaterial als Anschub für den Rotteprozess vorgewärmt werden. Oft müssen Wärmeverluste ausgeglichen werden, damit der Vergärungsvorgang nicht erlischt. Der Wärmebedarf für diese Maßnahmen reduziert die Energieausbeute. Wird das Substrat nicht vorgewärmt, verläuft der Gärprozeß im Niedrigtemperaturbereich. Eine Hygienisierung wird dann jedoch nicht erreicht.

Aufgrund der geringen Fassungsvermögens der Fermenter und aus wirtschaftlichen bzw. zeitlichen Gründen wird der Rotteprozeß nach einer bestimmten Zeit abgebrochen, obwohl die Gasbildung, die Stabilisierung des Gärgutes und seine Hygienisierung noch nicht abgeschlossen sind. Diese müssen dann durch zusätzliche Verfahren und Arbeitsgänge außerhalb des Fermenters vorgenommen werden. Dabei gelangen die Restgase in die Atmosphäre und eine Hygienisierung erfordert zusätzliche Wärmeenergie.

Die Fermentergöße bestimmt auch den Einsatzbereich dieser Technik bei der Gewinnung von Energie aus erneuerbaren Rohstoffen. In der Regel sind diese Anlagen in größeren landwirtschaftlichen Betrieben eingesetzt. Zur Ent- und Versorgung größerer Regionen reichen die Kapazitäten nicht aus.

Dabei ist die nachwachsende Biomasse ein idealer Rohstoff zur Energiegewinnung, der ständig zur Verfügung steht und keine Fehlzeiten kennt. Der Energiegehalt der jährlich nachwachsenden Biomasse übertrifft den Energiebedarf der Welt um das Vielfache. Es gilt, diese Quelle richtig zu nutzten.

4. Beschreibung der Erfindung 4.1 Grundlage

Grundlage der Erfindung ist eine Großraumkugel (1), die aus Stahlbetonsegmenten entsprechend dem Patent Nr. DE 42 03 881 C2 gebaut ist, jedoch als Gärbehälter (Fermenter) genutzt wird, um aus Biomasse durch anaerobe Vergärung Energie und Humus bzw. Dünger zu gewinnen.

4.2 Hohe Sicherheit

Neben der Größe und der Form zeichnet sich die Kugel durch ihre hochsichere, mehrschichtige Schale (1) aus. Neben zwei tragenden Betonschalen, die durch anbetonierte oder aufgetragene Schichten gegen aggressive Stoffe aus dem Gärgut von innen und vor Bewitterungseinflüsse von außen geschützt sind, besitzt die Schale (1) eine luftführende Mittelschicht (2). Sie dient als Sicherheitszone bei evtl. auftretenden Leckagen und übernimmt bei dieser Erfindung eine wichtige Funktion bei der Umwälzung des Gärgutes und der Steuerung des Gärprozesses. Der Freiraum dieser Luftschicht (2) wird von Säulen oder Streben gehalten, die je nach Kugeldurchmesser bis ca. 4m lang seine können.

4.3 Umwälzung durch Luftkühlung

In herkömmlichen Gärbehältern (Fermentern) sind mechanische, pneumatische oder andere Rührwerke zur Umwälzung des Gärgutes eingebaut. Sie verhindern u.a. die „Pfropfenbildung" auf der Oberfläche.

Die Erfindung verzichtet auf solche störanfällige Einrichtungen und nutzt für das Umwälzen der Biomasse das unterschiedliche physikalische Verhalten von kalt und heiß: Kalte Biomasse sinkt ab (5), während heiße aufsteigt (8). Für den Auftrieb (8) der Biomasse sorgt die hohe Rottetemperatur im Zentrum des kugelförmigen Gärbehälters (1).

Für den Abtrieb (5) an der Schale (1) wird das Gärgut wie folgt gekühlt: In der äußeren Wandung der Schale (1) sind über der Geländeoberkante des im Erdreich gegründeten Gärbehälters Zuluft- (3) und am Zenit Abluftöffnungen (4) umlaufend angeordnet, die mit motorisch gesteuerten Verschlußklappen ausgestattet sind. Bei geschlossenen Verschlußklappen und stehender Luft in der Luftschicht (2) ist diese wärmedämmend. Sie wird jedoch durch die Prozeßwärme aus dem Inneren des Gärbehälters erwärmt. Werden die Verschlußklappen der Zu- (3) und Abluftöffnungen (4) geöffnet, entsteht eine Thermik in der Luftschicht (2). Die warme Luft entweicht über die Abluftöffnungen (4) und kalte Außenluft strömt über die Zuluftöffnungen (3) nach. Durch diesen Luftaustausch wird Wärmeenergie abgeführt. Diese Luftkühlung reduziert die Temperatur des Gärguts an der Schale (1). Das abgekühlte Gärgut driftet nach unten (5) und setzt damit zusammen mit dem Auftrieb (8) im Innern des Gärbehälters (Bioreaktors), der durch die Rottehitze erzeugt wird, die Gärgutumwälzung in Gang.

4.4 Aufwindkraftwerk

Der durch die Thermik angeregte Luftstrom in der Luftschicht (2) der Schale (1) gelangt durch die Abluftöffnungen (4) in eine "Venturi-Düse" (15), die in Form eines Rotationshyperboloides auf dem Zenit der Kugel steht. Diese Düse verstärkt und verdichtet den Luftstrom bis zum Hals der Düse (16) und treibt hier Rotorblätter (17) von Stromgenaratoren an.

4.5 Biomasse zum vergären.

Zur Energie- und Humus-Düngergewinnung aus Biomasse durch eine anaerobe Vergärung eignen sich alle feste, halbfeste oder flüssige Biomaterialien, außer Holz. Die neue Fermentergröße erlaubt es erstmals, alle anfallenden Biofraktionen einer Region gemischt und gleichzeitig zu vergären. Um diese aus privaten Haushalten, Gaststätten, Großküchen, Lebens- und Futtermittelindustrie, Landwirtschaft, Park- und Grünanlagenpflege, Wasserwirtschaft usw. einzusammeln, stehen wie bisher entsprechende Fahrzeuge zur Verfügung. Aus gesundheitlichen, hygienischen und ästhetischen Gründen wird diese Art auf lange Sicht jedoch nicht haltbar bleiben.

4.6 Neue Sammelsysteme für Biomasse

Die Erfindung wird besonders effizient, wenn folgendes Verfahren angewandt wird:

Überall dort, wo Biomaterial anfällt, wird ein Bioabfallzerkleinerer mit einem Anschluß an einen vorhandenen Abwasserkanal installiert. In den privaten Haushalten z.B. sind diese vorzugsweise in den Spülen der Küchen eingebaut. Diese Technik ist in einigen Ländern, wie z.B. in den USA, schon im Einsatz

Mit dem Spülwasser wird der geheckselte Bioabfall über das Kanalsystem bis zu den Klärwerken gespült. In einem vorgelagerten Auffangbecken gibt es eine erste Kontrolle und die Trennung der Bioschlämpe vom Wasser. Das Wasser durchläuft die Kläranlage, während die Biomasse über Druckleitungen zum Bioreaktor gepumpt wird. Die zusätzliche Belastung der bestehenden Klärwerke ist gering. Entsprechende Studien liegen vor.

4.7 Füllvorgang

Nach einer weiteren Prüfung vor dem Füllvorgang wird das überschüssige Transportwasser abgesondert und durch Kreislaufwasser mit Methanbakterienstämme aus dem Bioreaktor ersetzt. Über Druckleitungen wird diese vorbereitete Biomasse (7) kontinuierlich oder in Intervallen, abgestimmt mit der Luftkühlung, in den Gärbehälter (Bioreaktor) gepumpt. Die Einfüllstutzen (6) sind ringförmig und symmetrisch oberhalb der Kugelmittellinie in der inneren Wandung der Schale (1) eingebaut. Das kalte Inputmaterial (7) unterstützt von dieser Position aus den Abtrieb (5) des Gargutes.

4.8 Zonen im Gärbehälter

Der Gärbehälter (Bioreaktor) in Kugelform wird zu 60 bis 75% mit Biomaterial gefüllt. Es bilden sich 3 Schichten: In der Mitte ist die aktive Zone (5 + 8), in der die verschiedenen Phasen des Vergärungsprozesses räumlich und zeitlich parallel ablaufen. Die Gase steigen auf und sammeln sich über dem Gärgut in der Gasblase (9) und sichten sich hier entsprechend ihres spezifischen Gewichtes. Der ausgegorene Faulschlamm sinkt auf den Boden (12) des Bioreaktors ab und wird über Öffnungen (13) entnommen und der weiteren Verwendung zugeführt.

5. Vorteile der Erfindung 5.1 Vorteilhafte Größe

Durch die Größe des Bioreaktors ist er in der Lage, alle Biofraktionen einer Region einschl. der belasteten Gülle und dem Dung aus der Tierhaltung aufzunehmen und als Mix zu vergären

5.2 Kein Vorwärmen des Inputmaterials

Bei dem großen Volumen des Gärbehälters (Bioreaktors) baut sich die erforderliche Rottetemperatur nach einer gewissen Zeit von selbst auf. Das Inputmaterial wird bei dieser Erfindung nicht vorgewärmt.

5.3 Angepaßte Form

Die von den Methanbakterian erzeugte Hitze ist im Zentrum (8) am höchsten. Von hier breitet sie sich kugelförmig aus. Diesem Verhalten ist der Bioreaktor in Kugelform ideal angepaßt. Es gibt keine Ecken und Nester, die nicht von dem Rotteprozeß erfaßt werden.

5.4 Hohe Hygienisierung

Die Methanbakterien sind im Temperatur-Bereichen bis ca. 75 ° aktiv. Bei ca. 45 – 53° ist die Methanausbeute am höchsten. Danach überhitzen sich die Methanbakterien und vernichten sich und auch andere Bakterien. Dieser Vorgang bewirkt die gewünschte Hygienisierung des gesamten Faulschlamms (12). Der dann als Humus und Dünger in den Naturkreislauf zurück gegeben werden kann.

5.5 Ausreichende Stabilisierung

Die Größe des Bioreaktors erlaubt eine lange Verweilzeit der Biomasse, in der sie ausreichend vergoren wird und dadurch eine hohe Stabilisierung erreicht. Eine zeitaufwendige Nachrotte ist nicht erforderlich.

5.6 Rührwerk nicht erforderlich

Ein störanfälliges mechanisches oder pneumatisches Rührwerk ist nicht erforderlich, weil die notwendige Gärgutumwälzung durch eine Luftkühlung in der Luftschicht (2) der mehrschichtigen Schale (1) in Gang gesetzt wird.

5.7 Rückgewinnung von Wertstoffen

Das große Durchsatzvolumen macht es zukünftig wirtschaftlich sinnvoll, durch geeignete Maschinen und Einrichtungen vorhandene Wertstoffe zurück zu gewinnen, oder Störstoffe auszusondern. Durch den Gärprozeß entstehen keine neuen Schadstoffe.


Anspruch[de]
  1. Energie- und Humus-/Düngergewinnung durch anaerobe Vergärung von wassergesättigter Biomasse (Gärgut), die in einem geschlossenen Gärbehälter umgewälzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Gärbehälter (Fermenter) großräumig und kugelförmig (1) ist und eine selbsttragende und mehrschichtige Schale (1) hat. In der mittleren Schicht (2) ist Luft. Den erforderlichen Freiraum in dieser Luftschicht (2) stellen Säulen oder Streben als Abstandhalter her, die je nach Kugeldurchmesser bis zu 4m lang sind. Bei stehender Luft ist diese Luftschicht (2) wärmedämmend.
  2. Energie- und Humus-/Düngergewinnung durch anaerobe Vergärung von wassergesättigter Biomasse (Gärgut), die in einem geschlossenen Gärbehälter umgewälzt wird, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der äußeren Wandung der mehrschichtigen Schale (1) über der Geländeoberkante (3) des im Erdreich gegründeten Großbehälters und am Zenit (4) umlaufend Öffnungen angeordnet sind. Durch die Wärmeeinwirkung aus dem Innern des Gärbehälters auf die Luftschicht (2) entsteht in der Schale (1) eine Thermik. Die warme Luft entweicht über die Öffnungen am Zenit (4) und kalte Außenluft strömt durch die Öffnungen (3) über der Geländeoberkante nach, führt Wärmeenergie ab, und bewirkt eine Kühlung des Gärgutes hinter der Schale (1).
  3. Energie- und Humus-/Düngergewinnung durch anaerobe Vergärung von wassergesättigter Biomasse (Gärgut), die in einem geschlossenen Gärbehälter umgewälzt wird, nach Anspruch 1 + 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen über der Geländeoberkante (3) und am Zenit (4) motorisch gesteuerte Verschlußklappen aufweisen. Bei geöffneten Verschlußklappen wird die Thermik in der Luftschicht (2) der Schale (1) aktiviert, bei geschlossenen unterbunden.
  4. Energie- und Humus-/Düngergewinnung durch anaerobe Vergärung von wassergesättigter Biomasse (Gärgut), die in einem geschlossenen Gärbehälter umgewälzt wird, nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfindung die Thermik in der Luftschicht (2) mit Kühlung des Gärguts an der Schale (1) einsetzt, um damit eine Umwälzung (5 + 8) des Gärgutes in Gang zu setzen. Das abgekühlte Gärgut (5) sinkt hinter der Schale (1) ab. Für den Auftrieb (8) sorgt die Rottehitze im Innern des Gärbehälters. Ein besonderes Rührwerk ist dadurch entbehrlich.
  5. Energie- und Humus-/Düngergewinnung durch anaerobe Vergärung von wassergesättigter Biomasse (Gärgut), die in einem geschlossenen Gärbehälter umgewälzt wird, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beschickung des Gärbehälters mit Gärgut (7) mehrere Einfüllstutzen (6) oberhalb der Kugelmitte ringförmig und symetrisch in der inneren Wandung der Schale (1) des Gärbehälters angeordnet sind. Aufgrund dieser Position der Einfüllstutzen (6) unterstützt das kalte Inputmaterial (7) die vertikale Umwälzung (5) des Gärgutes.
  6. Energie- und Humus-/Düngergewinnung durch anaerobe Vergärung von wassergesättigter Biomasse (Gärgut), die in einem geschlossenen Gärbehälter umgewälzt wird, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Gasblase (9) über dem Gärgut, in der sich die gewonnenen Gase ansammeln, ringförmig in unterschiedlichen Höhen, entsprechend den Gasschichtungen, Gasentnahmeöffnungen (10) eingebaut sind, die über Leitungen mit der Energiezentrale (11) auf dem Zenit der Kugel verbunden sind. Diese Leitungen sind zur Kühlung der warmen Gase in der Luftschicht (2) der Schale (1) installiert.
  7. Energie- und Humus-/Düngergewinnung durch anaerobe Vergärung von wassergesättigter Biomasse (Gärgut), die in einem geschlossenen Gärbehälter umgewälzt wird, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Ablagerung des Faulschlammes (12) auf der Sohle des Gärbehälters in der inneren Wandung der Schale (1) ringförmig und in verschiedenen Höhen verschließbare Sediment-Entnahmeöffnungen (13) angeordnet sind, durch die das Sediment über Leitungen zur weiteren Verarbeitung in der Bodenstation (14) gelangt.
  8. Energie- und Humus-/Düngergewinnung durch anaerobe Vergärung von wassergesättigter Biomasse (Gärgut), die in einem geschlossenen Gärbehälter umgewälzt wird, nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Zenit des Gärbehälters eine Venturi-Düse (15) aufgebaut ist, die den Luftstrom aus der Luftschicht (2) der Schale (1) aufnimmt, ihn bis zum Düsenhals (16) verstärkt und verdichtet und die hier angeordneten Rotorblätter (17) von Stromgeneratoren antreibt.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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