Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas durch kontinuierliche Trockenfermentierung stapelbarer Biomasse.

Bei der Gewinnung von Biogas (einer Mischung aus Kohlendioxid und Methan) durch Fermentation (anaerobe Vergärung/Faulung, Methanisierung) wird grundsätzlich zwischen Naß- und Trockenfermentation unterschieden.

Bei der Naßfermentation muß die zu verwertende Biomasse (organischer Abfall) in einem flüssigen Zustand (z. B. als Gülle oder Klärschlamm) vorliegen oder vor Beginn der Fermentierung wenigstens in einen pumpenfähigen Zustand gebracht werden, so daß sie einen Feststoffgehalt von etwa 10 bis 15 Prozent aufweisen. Dabei kann es sich um Schlämme und Suspensionen aus dem kommunalen und industriellen Bereich handeln, beispielsweise aus der lebensmittelverarbeitenden Industrie (Brauereien, Zuckerfabriken, etc.).

Bei der Trockenfermentation wird hingegen schüttfähige bzw. stapelbare Biomasse verwendet, deren Feststoffgehalt über der Pumpfähigkeitsgrenze liegt. In der Regel können dabei Biomassen mit bis zu 50% Feststoffanteil methanisiert werde. Beispiele für schüttfähige bzw. stapelbare Biomassen sind u. a. Abfälle aus der Landwirtschaft, wie Grüngutabfälle, Rasenschnitt, Gras, Maissilage, Stroh, Festmist oder organischer Hausmüll, d. h. Küchen- und Speiseabfälle.

Es ist bekannt, Trockenfermentation in einem diskontinuierlichen Verfahren (sogenanntes Batch-Verfahren) durchzuführen. Dabei wird die Biomasse nach einer Animpfung mit bereits vergorenem Material mit Radladern in einen garagenförmigen Fermentationsraum gefüllt. Dort wird die Biomasse unter Luftabschluß vergoren. Am Ende der Verweilzeit wird der Fermentataionsraum vollständig entleert und anschließend neu befüllt. Während der Fermentation erfolgt weder eine Durchmischung der Biomasse, noch wird zusätzliches Material zugeführt. Die aus der Biomasse sickernde Abtropfflüssigkeit (Perkolat) wird gesammelt und zur Befeuchtung der Biomasse verwendet. Das entstehende Biogas kann in einem Blockheizkraftwerk zur Gewinnung von Strom und Wärme genutzt werden.

Ein wesentlicher Nachteil solcher diskontinuierlicher Trockenfermentationsverfahren ist es, daß für einen kontinuierlichen Betrieb des Blockheizkraftwerks mehrere Garagen zeitlich versetzt betrieben werden müssen. Ein weiterer Nachteil von Batch-Verfahren ist die Sicherheitsproblematik beim Öffnen des Fermentationsraumes nach der Vergärungsphase. Durch den Restbestand an Methangas und ggf. Wasserstoff im Fermentationsraumes besteht bei der Entleerung durch Radlader Entzündungs- bzw. Explosionsgefahr.

Daher wurden in der Vergangenheit große Bemühungen unternommen, ein kontinuierlich arbeitendes Trockenfermentationsverfahren bereitzustellen.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten kontinuierlichen Trockenfermentationsverfahren werden die Substrate vor dem Einbringen in den Fermentationsraum in der Regel zerkleinert und/oder verdünnt. Dies dient in erster Linie dazu, sie unter Luftabschluß in den Fermentationsraum überführen zu können. Nach der Entnahme aus dem Fermentationsraum werden die Substrate dann wieder verfestigt, beispielsweise durch Verpressen, so daß nach außen hin der Anschein einer „trockenen" Fermentation gewahrt bleibt.

Bei anderen kontinuierlich betriebenen Trockenfermentationsverfahren verbleibt die Biomasse in einem stapelbaren Zustand, wird jedoch in dem Fermentationsraum kontinuierlich durchmischt, beispielsweise unter Verwendung von Rührwerken oder dergleichen.

Sowohl ein Zerkleinern und/oder Verdünnen der Biomasse, als auch eine kontinuierliche Durchmischung der Biomasse ist mit einem vergleichsweise hohen technischen Aufwand verbunden und erhöht die Fehleranfälligkeit der Anlage.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine besonders einfache Technologie zur Erzeugung von Biogas durch kontinuierliche Trockenfermentierung stapelbarer Biomasse bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Danach ist eine Vorrichtung mit einem Fermentationsraum, mit einer Einbringeinheit zum Einbringen der Biomasse in den Fermentationsraum, mit einer Bewegungseinheit zum Bewegen der Biomasse von einer Einbringposition zu einer Entnahmeposition und mit einer Entnahmeeinheit zum Entnehmen der Biomasse aus dem Fermentationsraum vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Bewegungseinheit zum Bewegen der Biomasse in gestapelter Form ausgebildet ist.

Das entsprechende Verfahren zur Erzeugung von Biogas durch kontinuierliche Trockenfermentierung stapelbarer Biomasse umfaßt die Schritte: Einbringen der Biomasse in einen Fermentationsraum, Bewegen der Biomasse von einer Einbringposition zu einer Entnahmeposition und Entnehmen der Biomasse aus dem Fermentationsraum, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Biomasse in gestapelter Form bewegt wird.

Die Begriffe Fermentierung und Fermentation werden inhaltsgleich verwendet. Unter dem Begriff „Trockenfermentierung" wird dabei die Fermentation feststoffreichen Materials verstanden, insbesondere die Fermentation von Material, dessen Trockensubstanzgehalt über der Pumpfähigkeitsgrenze liegt.

Unter dem Begriff „kontinuierliche Fermentierung" wird dabei eine Fermentation verstanden, bei der ein kontinuierliches oder semi-kontinuierliches Einbringen von Biomasse in den Fermentationsraum erfolgt derart, daß Biogas kontinuierlich erzeugt und entnommen werden kann.

Unter dem Begriff „stapelbare Biomasse" wird Biomasse, also methanisierbares biologisches Material jedweder Art verstanden, welches sich übereinanderschichten läßt in einer Art und Weise, daß ein turmartiges Gebilde (Stapel) entsteht. Die Biomasse kann dabei in voneinander beabstandeten Einzelstapeln oder in einem langgestreckten, kontinuierlichen Stapelfluß angeordnet sein. Die Höhe der Einzelstapel bzw. des Stapelflusses muß dabei nicht einheitlich sein. Unter der Formulierung „in gestapelter Form" wird eine Anordnung in einem solchen Stapel verstanden.

Eine grundlegende Überlegung der Erfindung besteht darin, den aus den herkömmlichen Batch-Verfahren bekannten Ansatz einer Fermentation stapelbaren Materials ohne vorherige Zerkleinerung bzw. Verdünnung und ohne kontinuierliche Durchmischung während des Gärvorgangs auf ein kontinuierliches Verfahren zu übertragen. Hierfür wird die Idee, die Biomasse in gestapelter Form zu vergären, aufgegriffen und mit einer Bewegung der gestapelten Biomasse kombiniert derart, daß sich die Biomasse in gestapelter Form von der Einbringposition zu einer Entnahmeposition durch den Fermentationsraum hindurchbewegt. Dadurch wird ein Verfahren zur Biogaserzeugung geschaffen, das nicht die Nachteile des Batch-Verfahrens aufweist. Zugleich entfallen sämtliche aufwendigen Aufbereitungs- und Durchmischungstechniken, wie sie aus anderen kontinuierlichen Trockenfermentierungsverfahren bekannt sind.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung wird somit auf einfache Art und Weise eine kontinuierliche Erzeugung von Biogas aus stapelbarer Biomasse mittels Trockenfermentation sichergestellt. Durch die robuste Technik wird dabei die Fehleranfälligkeit deutlich verringert. Es hat sich gezeigt, daß trotz einer fehlenden dauerhaften Durchmischung mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens eine nahezu vollständige Verwertung des Biomassesubstrats möglich ist. Die erfindungsgemäße Technologie ist daher nicht nur besonders preiswert, sondern zudem auch besonders wirtschaftlich.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Biomasse von der Einbringposition zu einer Entnahmeposition eine Horizontalbewegung durch den Fermentationsraum hindurch vollführt. Hierzu ist der Fermentationsraum vorzugsweise nach Art eines liegenden, langgestreckten Hohlkörpers ausgeführt, wobei die Einbringposition an dem einen Ende des Fermentationsraumes und die Entnahmeposition an dem anderen Ende des Fermentationsraumes angeordnet ist, so daß trotz der Bewegung der Biomasse eine ausreichende Verweilzeit erreicht wird. Eine horizontale Bewegung ist sehr einfach zu verwirklichen und bedarf keiner aufwendigen mechanischen Mittel. Zugleich wird damit sichergestellt, daß das Biomasse-Material sich im wesentlichen immer an ein und derselben Stelle des Stapels und damit an einer definierten Position im Vergärungsprozeß befindet. Ein unbeabsichtigtes Verrutschen der Biomasse in Bewegungsrichtung und damit eine vorzeitige Entnahme bzw. ein zu langes Verweilen in dem Fermentationsraum wird vermieden.

Um eine besonders gleichmäßige Bewegung der Biomasse durch den Fermentationsraum zu erreichen, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Bewegungseinheit mit einem fremdkraftbetriebenen Antrieb auszustatten. Dabei handelt es sich insbesondere um einen Elektromotor. Der Antrieb dient in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zum Bewegen einer Plattform, auf der die Biomasse in gestapelter Form aufliegt. Als ganz besonders vorteilhaft hat sich eine Ausführungsform der Erfindung erwiesen, bei der die Plattform einen Teil eines Schubbodens, eines Kratzbodens oder eines Förderbandes bildet.

Besonders vorteilhaft ist es zudem, wenn die Einbringeinheit und die Entnahmeeinheit zum Fermentationsraum hin gasdicht ausgeführt sind und die Einbringeinheit und/oder die Entnahmeeinheit zu diesem Zweck eine Fördereinrichtung umfaßt zur Durchleitung von Biomasse durch einen mit Flüssigkeit gefüllten Abdichtbehälter. Damit kann auf besonders einfache und zuverlässige Weise ein unbeabsichtigter Gasverlust verhindert werden. Wird als Flüssigkeit Perkolat verwendet, dient die Fördereinrichtung in der Einbringeinheit zugleich zum Anfeuchten der Biomasse.

Von besonderem Vorteil ist es, daß die Biomasse ohne Vorbehandlung in den Fermentationsraum eingebracht werden kann. Unter „Vorbehandlung" wird hier nicht das Anfeuchten mit Perkolat oder dergleichen verstanden, sondern ein Zerkleinern oder Verdünnen etc. Insbesondere ist es von Vorteil, daß selbst Biomasse, die mit Fremdkörpern versehen ist, in den Fermentationsraum eingeführt und vergoren werden kann, ohne daß dies zu einer Beeinflussung des Gärvorgangs führt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt die einzige Figur eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Trockenfermenters mit ihren wesentlichen Bestandteilen in einem Längsschnitt.

Der Trockenfermenter 1 umfaßt einen Fermentationsraum 2, eine Einbringeinheit 3 zum Einbringen des Biomassesubstrats 4 in den Fermentationsraum 2, eine Bewegungseinheit 5 zum Bewegen des Biomassesubstrats 4 von der Einbringposition 6 zu einer Entnahmeposition 7 und eine Entnahmeeinheit 8 zum Entnehmen des Biomassesubstrats 4 aus dem Fermentationsraum 2.

Der Fermentationsraum 2 ist nach Art eines liegenden, langgestreckten Hohlkörpers 9 aus gasdichtem Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material ausgeführt, wobei die Einbringposition 6 an dem einen Ende 11 des Fermentationsraumes 2 und die Entnahmeposition 7 an dem gegenüberliegenden anderen Ende 12 des Fermentationsraumes 2 angeordnet ist.

Der Fermentationsraum 2 ist dabei modular aufgebaut und besteht in dem hier dargestellten Beispiel aus zwei Raummodulen 13, 14, die in Modullängsrichtung 15 hintereinander angeordnet und aneinander gekoppelt sind. Besonders vorteilhaft sind dabei Raummodule 13, 14 mit einer Länge von 3 bis 5 Metern, die sich vergleichsweise einfach transportieren lassen. Durch diese Modulbauweise ist der Trockenfermenter 1 auch transportabel. Zugleich kann er besonders einfach auf- und abgebaut werden. Ein typischer Fermentationsraum 2 weist dabei eine Breite von etwa 3 Metern und eine Länge von etwa 15 bis 20 Metern auf.

Die Anzahl der verwendeten Raummodule 13, 14 ist ebenso wie dessen Länge nicht begrenzt. Der Fermentationsraum 2 ist somit je nach Bedarf modular erweiterbar. Je nach Anforderungen und Verweildauer des Biomassesubstrats 4 in dem Trockenfermenter 1 können daher sehr kurze Trockenfermenter 1, als auch sehr lange Trockenfermenter 1 unter Verwendung identischer Raummodule 13, 14 bereitgestellt werden. Zugleich kann auch die Verweilzeit des Biomassesubstrats 4 in dem Fermentationsraum 2 beliebig eingestellt werden.

Für eine Erweiterung des Fermentationsraumes 2 müssen lediglich die Stirnseiten 16, 17 der Raummodule 13, 14 angepaßt werden. Hierzu sind diese vorzugsweise derart ausgebildet, daß eine Umwandlung von einer den Fermentationsraum 2 abschließenden Stirnseite 16 in eine offene Stirnseite 17 zur Verbindung mit einem benachbarten Raummodul 13, 14 schnell und einfach möglich ist, beispielsweise mit Hilfe von gasdicht schließenden Türen und entsprechenden Verriegelungsvorrichtungen.

Jedem Raummodul 13, 14 ist eine separate Bewegungseinheit 5 zugeordnet. Jede Bewegungseinheit 5 ist derart ausgebildet, daß das Biomassesubstrat 4 in gestapelter Form horizontal durch das Raummodul 13, 14 bewegt wird. Hierzu umfaßt die Bewegungseinheit 5 eine Anzahl von parallel zueinander angeordneter Schubböden 18, auf deren Plattformen 19 das Biomassesubstrat 4 in gestapelter Form aufliegt, und die von einem oder mehreren Elektromotoren angetrieben werden.

Der Fermentationsraum 2 insgesamt ist gasdicht ausgeführt, um einen Verlust des erzeugten Biogases zu verhindern. Hierzu ist auch eine gasdichte Einbringung und eine gasdichte Entnahme von Biomassesubstrat 4 vorgesehen. Die Einbringeinheit 3 und/oder die Entnahmeeinheit 8 umfaßt zu diesem Zweck eine Fördereinrichtung 21 zur Durchleitung von Biomassesubstrat 4 durch einen mit Perkolat 22 gefüllten Abdichtbehälter 23. Die Fördereinrichtung 21 umfaßt beispielsweise eine erste Förderschnecke 24, die Biomassesubstrat 4 in den gefüllten Abdichtbehälter 23 einführt, eine zweite Förderschnecke 25, die Biomassesubstrat 4 von dem Abdichtbehälter 23 in den Fermentationsraum 2 überführt und eine in dem Abdichtbehälter 23 angeordnete Übergabestation 26 zur Übergabe des Biomassesubstrats 4 von der ersten Förderschnecke 24 an die zweite Förderschnecke 25. Die zweite Förderschnecke 25 ist dabei vorzugsweise als doppelwandige Schnecke ausgeführt derart, daß das aus dem Rbdichtbehälter 23 mitgenommen Perkolat 22 nicht mit dem Biomassesubstrat 4 in den Fermentationsraum 2 überführt, sondern in den Abdichtbehälter 23 zurückgeführt wird.

Die zweite Förderschnecke 25 ist vorzugsweise derart weit über den Schubböden 18 positioniert, daß das in den Fermentationsraum 2 eingebrachte Biomassesubstrat 4 unter dem Einfluß der Schwerkraft auf die Schubböden 18 herabfällt. Nach dem Transport durch die Förderschnecken 24, 25 und vor der Ablagerung in Stapelform wird das Biomassesubstrat 4 somit aufgelockert und es ergeben sich Stapel gleichmäßiger Dichte und Beschaffenheit. Um ein möglichst gleichmäßiges Durchmischen des Biomassesubstrats 4 vor der Stapelbildung und ein möglichst homogenes Aufbringen auf den Schubböden 18 zu erreichen, kann am Ende der zweiten Förderschnecke 25 auch eine zusätzliche Auflockerungs- und/oder Verteilvorrichtung vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer Walze oder dergleichen.

Das Einbringen des Biomassesubstrats 4 erfolgt je nach Betriebsart semi-kontinuierlich, d. h. in definierten Zeitintervallen portionsweise, oder kontinuierlich. Im Gegensatz zu vielen anderen Trockenfermentern sind keine separaten Einbringungs- oder Entnahmekammern vorgesehen, Statt dessen erfolgt das Einbringen und die Entnahme des Biomassesubstrats 4 direkt in den bzw. aus dem Fermentationsraum 2. Nach dem Einbringen des nicht vorbehandelten Biomassesubstrats 4, beispielsweise ungehäckseltem Gras, an der einen Stirnseite 16 des Fermentationsraumes 2 wird das Biomassesubstrat 4 in gestapelter Form von der Einbringposition 6 in Prozeßrichtung 27 zu einer Entnahmeposition 7 an der gegenüberliegenden Stirnseite 16 des Fermentationsraumes 2 bewegt und dort wieder entnommen. Die Prozeßrichtung 27 entspricht dabei der Modullängsrichtung 15 der Raummodule 13, 14. Die Verweildauer beträgt zumeist mehrere Wochen, beispielsweise 30 Tage.

Die Entnahme des Biomassesubstrats 4 erfolgt entsprechend dem Einbringen (siehe oben). Das entnommene Biomassesubstrat 4 kann beispielsweise als Dünger in der Landwirtschaft verwendet werden.

Während des Fermentationsprozesses wird Biogas erzeugt, das sich oberhalb des Biomassesubstrats 4 in dem Fermentationsraum 2 sammelt und von dort über eine Anzahl von Ableitungen 28 zu einem Blockheizkraftwerk (BHKW) geleitet wird. Vorzugsweise ist dabei in jedem Raummodul 13, 14 eine Ableitung 28 vorgesehen. In dem BHKW wird durch Verbrennung des Biogases elektrische Energie erzeugt. Zugleich wird die entstehende Abwärme zu Heizzwecken verwendet.

Werden, wie in der dargestellten Ausführung, mehrere Raummodule 13, 14 verwendet, so sind diese vorzugsweise in Modullängsrichtung 15 vertikal versetzt zueinander angeordnet derart, daß das Biomassesubstrat 4 von den Schubböden 18 des ersten Raummoduls 13 auf die Schubböden 18 des zweiten Raummoduls 14 herabfällt und sich hierdurch aufgelockert und neu durchmischt. Zusätzliche kann an der Stelle des Versatzes 29 am Ende des ersten Raummoduls 13 eine Auflockerungs- und/oder Verteilvorrichtung vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer Walze 31 oder dergleichen. Dadurch wird das Biomassesubstrat 4 vollständig so durchmischt, daß inaktive Zonen vermieden werden.

Oberhalb der Schubböden 18 sind Sprühvorrichtungen 32 angeordnet, aus denen Perkolat 22 über das sich durch den Fermentationsraum hindurch bewegende Biomassesubstrat versprüht wird. Dadurch wird das Biomassesubstrat 4 ständig feucht gehalten, so daß optimale Bedingungen für eine Vergärung erreicht werden.

Das Perkolat 22 wird, nachdem es durch das gestapelte Biomassesubstrat 4 hindurchgesickert ist, von einem Sammelsystem 33 unterhalb der Schubböden 18 aufgefangen und zum Versorgen der Sprühvorrichtungen 32 erneut dem Perkolatkreislauf zugeführt. Zugleich werden über das Sammelsystem 33 die Abdichtbehälter 23 mit Perkolat 22 befüllt. In dem Sammelsystem 33 können Filter vorgesehen sein zum Konzentrieren des Perkolats 22 vor einem erneuten Ausbringen.

Mit der im BHKW erzeugten Wärmeenergie wird der Fermentationsraum 2 über eine Heizanlage beheizt. Die Heizanlage umfaßt dabei vorzugsweise mit heißem Wasser befüllte Heizungsrohre oder -platten 34, die unterhalb der Schubböden 18 und/oder an bzw. in den Wänden des Fermentationsraumes 2 angeordnet sind. Diese gewährleisten, daß das Biomassesubstrat 4 eine optimale Betriebstemperatur in einem Bereich von 34°C bis 37°C aufweist. Zugleich kann auch der Perkolatkreislauf beheizt werden, so daß auch das Perkolat 22 eine optimale Betriebstemperatur aufweist. Alternativ oder zusätzlich zu der Heizung kann der Fermentationsraum 2 auch wärmeisoliert sein.

Neben der Temperatur des Perkolats 22 und des Biomassesubstrats 4 können durch Einführöffnungen auch Zusatzstoffe in den Prozeß eingeführt werden, wie beispielsweise Kalk, um eine Versäuerung zu verhindern. Diese Einführöffnungen können an beliebigen Stellen des Fermentationsraumes 2 vorgesehen sein. Insbesondere weist aber jedes Raummodul 13, 14 an seinen Stirnseiten 16, 17 eine Einbring- bzw. Entnahmeöffnung auf, die auch zu diesem Zweck verwendet werden kann.

Der erfindungsgemäße Trockenfermenter 1 wird über ein rechnergestütztes Steuerungssystem gesteuert. Vorzugsweise können dabei das Einbringen und die Entnahme von Biomassesubtrat 4, der Perkolatkreislauf, die Heizung sowie weitere Prozeßparameter für jedes Raummodul 13, 14 einzeln eingestellt werden. Durch eine kontinuierliche Überwachung von Prozeßparametern, vorzugsweise getrennt nach Raummodulen 13, 14, kann eine optimale Gasausbeute erzielt werden. So kann beispielsweise auf eine veränderte Zusammensetzung der zugeführten Biomassesubstrats reagiert werden, indem in einem vorderen Raummodul 13 andere Betriebsbedingungen eingestellt werden, als in einem hinteren Raummodul 14.

1

Trockenfermenter

2

Fermentationsraum

3

Einbringeinheit

4

Biomassesubstrat

5

Bewegungseinheit

6

Einbringposition

7

Entnahmeposition

8

Entnahmeeinheit

9

Hohlkörper

10

(frei)

11

erstes Ende

12

zweites Ende

13

erstes Raummodul

14

zweites Raummodul

15

Modullängsrichtung

16

erste Stirnseite

17

zweite Stirnseite

18

Schubboden

19

Plattform

20

(frei)

21

Fördereinrichtung

22

Perkolat

23

Abdichtbehälter

24

erste Förderschnecke

25

zweite Förderschnecke

26

Übergabestation

27

Prozeßrichtung

28

Biogasableitung

29

Versatz

30

(frei)

31

Walze

32

Sprühvorrichtung

33

Sammelsystem

34

Heizung