(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオガスを発生させるための少なくとも１つの発酵槽（１）、バイオガス利用装置（２）、該少なくとも１つの発酵槽（１）のガスアウトレット（７）と接続可能な第一のバイオガスライン（４）と接続可能な、バイオガスを貯蔵するための第一のガス貯蔵器（３）、及び該少なくとも１つの発酵槽（１）のガスアウトレット（７）と接続可能な第二のバイオガスライン（６）と接続可能な、バイオガスを貯蔵するための第二のガス貯蔵器（５）を有するバイオガスプラントであって、その際、該バイオガス利用装置（２）が、該第一のバイオガス貯蔵器（３）及び／又は該第一のバイオガスライン（４）及び該第二のバイオガス貯蔵器（５）及び／又は該第二のバイオガスライン（６）と接続可能であり、その際、該バイオガスプラントは、前記バイオガスライン（４、６）及び／又は前記バイオガス貯蔵器（３、５）から、前記バイオガス利用装置へ誘導されるバイオガス流の量比を制御するための制御装置（８）を有することを特徴とする、上記のバイオガスプラント。
【請求項２】
前記少なくとも１つの発酵槽（１）が、乾燥発酵槽であることを特徴とする、請求項１に記載のバイオガスプラント。
【請求項３】
前記少なくとも１つの発酵槽（１）が、外気供給管（１２）と接続可能なパージガスインレット（９）を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のバイオガスプラント。
【請求項４】
前記少なくとも１つの発酵槽（１）が、前記少なくとも１つの発酵槽（１）の底部領域の範囲内で、外気供給管（１２）と接続可能なパージガスインレット（９）を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載のバイオガスプラント。
【請求項５】
前記少なくとも１つの発酵槽（１）が、前記第一のバイオガス貯蔵器（３）及び／又は第一のバイオガスライン（４）と接続可能なパージガスインレット（９）を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載のバイオガスプラント。
【請求項６】
前記少なくとも１つの発酵槽（１）が、前記少なくとも１つの発酵槽（１）の底部領域の範囲内で、前記第一のバイオガス貯蔵器（３）及び／又は第一のバイオガスライン（４）と接続可能なパージガスインレット（９）を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載のバイオガスプラント。
【請求項７】
前記少なくとも１つの発酵槽（１）が、前記第二のバイオガス貯蔵器（５）及び／又は前記第二のバイオガスライン（６）と接続可能なパージガスインレット（９）を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載のバイオガスプラント。
【請求項８】
前記少なくとも１つの発酵槽（１）が、前記少なくとも１つの発酵槽（１）の底部領域の範囲内で、前記第二のバイオガス貯蔵器（５）及び／又は前記第二のバイオガスライン（６）と接続可能なパージガスインレット（９）を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載のバイオガスプラント。
【請求項９】
前記バイオガスプラントが、前記バイオガスライン（４、６）及び／又は前記バイオガス貯蔵器（３、５）と接続可能な、メタン含有量を測定するための測定装置を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載のバイオガスプラント。
【請求項１０】
前記ガス貯蔵器（３、５）の少なくとも一方が、前記少なくとも１つの発酵槽（１）の上方に配置され、そして、大部分が該発酵槽に隣接しており、その際、前記少なくとも１つの発酵槽（１）の表面の少なくとも５０％が、該ガス貯蔵器（３、５）で覆われていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載のバイオガスプラント。
【請求項１１】
前記ガス貯蔵器（３、５）の少なくとも一方が、前記少なくとも１つの発酵槽（１）の上方に配置され、そして、大部分が該発酵槽に隣接しており、その際、前記少なくとも１つの発酵槽（１）の全表面が、該ガス貯蔵器（３、５）で覆われていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一つに記載のバイオガスプラント。
【請求項１２】
前記ガス貯蔵器（３、５）の少なくとも一方が、前記少なくとも１つの発酵槽（１）の上方に配置され、そして、大部分が該発酵槽に隣接しており、その際、存在する全ての前記発酵槽（１）の全表面が、該ガス貯蔵器（３、５）で覆われていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一つに記載のバイオガスプラント。
【請求項１３】
前記バイオガスプラントが、前記少なくとも１つの発酵槽（１）の前記ガスアウトレット（７）と接続可能であり、そして排気処理／排ガス処理（１１）へ誘導される、排気ライン／排ガスライン（１０）を有することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一つに記載のバイオガスプラント。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一つに記載のバイオガスプラントを運転する方法であって、その際、発酵槽（１）中で発生した、第一の設定可能な限界値を下回るメタン含有量を有するバイオガスが、第一のガス貯蔵器（３）中で一時的に貯蔵される（ｚｗｉｓｃｈｅｎｇｅｓｐｅｉｃｈｅｒｔ）、上記の方法。
【請求項１５】
設定可能な限界値を下回るメタン含有量を有する前記バイオガスが、第二の設定可能な限界値を上回るメタン含有量を有する、発酵槽（１）中で発生したバイオガスと混合され、そして、バイオガス利用装置（２）が、それら二つのバイオガスの混合物で駆動されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
第二の設定可能な限界値を上回るメタン含有量を有するバイオガスが、第二のガス貯蔵器（５）中で一時的に貯蔵されることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の方法。
【請求項１７】
発酵槽（１）の始動又は停止の間、前記第一の設定可能な限界値を下回るメタン含有量を有するバイオガスが発酵槽（１）に供給され、その際、同時に、第二の設定可能な限界値を上回るメタン含有量を有する該バイオガスが発酵槽（１）から取り出されることを特徴とする、請求項１４〜１６のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１８】
少なくとも時々及び／又は周期的に、前記第二の設定可能な限界値を上回るメタン含有量を有するバイオガスが発酵槽（１）に供給され、その際、同時に、第二の設定可能な限界値を上回るメタン含有量を有するバイオガス及び／又は前記第一の設定可能な限界値を下回るメタン含有量を有するバイオガスが、該発酵槽（１）から取り出されることを特徴とする、請求項１４〜１７のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１９】
前記第二の設定可能な限界値が、３７％のメタン含有量であることを特徴とする、１５〜１８のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２０】
前記第二の設定可能な限界値が、５２％のメタン含有量であることを特徴とする、１５〜１９のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２１】
前記バイオガスの量比が、バイオガスのメタン含有量に依存して、二つのバイオガスの混合物のメタン含有量が、第三の設定可能な限界値を上回るように調節されることを特徴とする、請求項１４〜２０のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２２】
前記第三の設定可能な限界値が、３５％のメタン含有量であることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第三の設定可能な限界値が、５０％のメタン含有量であることを特徴とする、請求項２１又は２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第一の限界値が、前記第一のバイオガス貯蔵器（３）中におけるメタン含有量が、酸素含有量に依存した爆発限界下限値を下回るように選択されることを特徴とする、１４〜２３のいずれか一つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオガスを発生させるための発酵槽を少なくとも１つ有するバイオガスプラント並びにバイオガスプラントを運転する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
そのようなバイオガスプラントは、例えば、火力発電所を利用したエネルギーの生産に使用されるような、メタン含有バイオガスの発生を利用する。その場合、発酵槽は、作動流中、すなわち、発酵槽の充填と排出との間で稼働し、発酵する、あるいは発酵したバイオマスによって、そのような発酵槽の操作が安定しない。むしろ、バイオマスの発酵の最初と最後には、ガス又はガス−空気混合物が吸気段階及び排気段階（Ａｎｆａｈｒｐｈａｓｅｎ  ｕｎｄ  Ａｂｆａｈｒｐｈａｓｅｎ）において生成され、これらは、特に、低いメタン含有量のために、無意味な回収工程が必要となる場合がある。現在、これらのガス混合物は、燃焼されるか又は他の技術の排気処理に供給される。その際に発生する潜在的に利用可能なメタンの損失によって、そのようなプラントの効率が低下する。従来のプラントにおいては、発酵槽における温度が、慣用的に使用される装置にバイオガスが供給される温度よりも高くなければならないことによって、さらに、効率を低下させる損失が発生する。それによって、発酵槽の熱損失、バイオガスの冷却効率に必要な別途費用を要する事態を招く。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、上述の損失を回避するか又は少なくとも低減し、そしてより高いバイオガスプラントの効率を可能にするバイオガスプラント及びバイオガスプラントの運転方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の課題は、請求項１に記載の特徴を有するバイオガスプラント、及び請求項８に記載の特徴を有する、バイオガスを運転する方法によって解決される。従属請求項の特徴は、有利な実施形態に関連しており、それらは、本発明の課題を解決するために好ましく貢献する。
【０００５】
本発明は、発酵槽中で発生する、第一の設定可能な限界値を下回るメタン含有量を有するバイオガスを、第一のガス貯蔵器中で一時的に貯蔵することを提供する。その際、そのバイオガスは、吸気段階及び排気段階中で発生し、そして従来のプラント中では、一般に、廃棄しなくてはならないバイオガスを意味する。第一の設定可能な限界値を下回るメタン含有量を有するこのバイオガスは、以下において“リーンガス（Ｓｃｈｗａｃｈｇａｓ）”とも呼ぶ。有利には、このリーンガスは、以下で、“優良ガス（Ｇｕｔｇａｓ）”と呼ぶ第二の設定可能な限界値を上回るメタン含有量を有するバイオガスと混合され、そしてバイオガス利用装置は、以下で、“混合ガス”と呼ぶ、優良ガス及びリーンガスの混合物で運転される。
【０００６】
本発明の方法を実現して可能にするために、本発明のバイオガスプラントは少なくとも２つのガス貯蔵器を有し、それ故、リーンガスを貯蔵するための第一のガス貯蔵器及び優良ガスを貯蔵するための第二のガス貯蔵器を利用することができる。これらガス貯蔵器は、ガスアウトレットを有するバイオガス管を介して少なくとも１つの発酵槽に接続することができ、そして該バイオガス利用装置は、該第一のガス貯蔵器から、又はそこへ供給する管からバイオガスを、かつ、第二のガス貯蔵器から、又はそこへ供給する管から他のバイオガスを取り出して、そして該二つのガスが、同時に、バイオガス利用装置に供給することが可能となるように接続することができる。それ故、本発明によれば、バイオガスプラントは、バイオガス利用装置に供給される、バイオガス管及び／又はバイオガス貯蔵器からのバイオガスの割合を制御するための制御装置を有する。この接続関係により、発酵槽の吸気段階又は排気段階中に一時的に、利用可能なメタン含有量が通常低いガスが発生する場合にも、バイオガス利用装置に使用可能なガス混合物を供給することが可能となる。そのため、ガス貯蔵器によって、優良ガス又はリーンガスは、それらの間で貯蔵することが可能となり、その結果、一時的に高すぎる割合のリーンガスが生成され、それからリーンガス貯蔵器に一時的に貯蔵されることから、平均化されたバイオプラントの運転時間にわたって常に利用可能なバイオガスを混合物として生成することができる。一時的に貯蔵されたリーンガスは、それから、貯蔵器から高い優良ガス割合での運転期間中に取り出されて、混合ガスに供給される。逆の場合も、利用可能な混合物を得るために、高い優良ガス割合による期間中、これは一時的に貯蔵されて、そして、より低い優良ガス割合の期間中、再び貯蔵器から取り出されることが可能となる。
【０００７】
その際、有利には、優良ガスとリーンガスとの量割合は、混合ガスのメタン含有量が、第三の設定可能な限界値を超えて移動するように選択される。そのため、有利には、優良ガス及び／又はリーンガスのメタン含有量に依存して調節されるため、変更する優良ガス中及びリーンガス中のメタン含有量の場合にも確保され、混合物はメタン含有量において第三の設定可能な限界値を超える。
【０００８】
したがって、好ましくは、バイオガスプラントは、メタン含有量を測定するための測定装置を有し、該測定装置は、バイオガスライン及び／又はバイオガス貯蔵器に接続可能であり、それにより、発酵槽中で実際に生成されるガス、バイオガス貯蔵器中で貯蔵されるガス、及び／又はバイオガス利用装置に供給される混合ガスのいずれのメタン含有量に関する値が得られる。
【０００９】
有利には、第一の限界値は、第一のバイオガス貯蔵器中のメタン含有量、つまり、リーンガスのメタン含有量が、酸素含有量に依存する爆発限界値を下回るように選択される。それによって、プラントを爆発から保護することに関する費用を抑えることにより、投資限界を低減される。
【００１０】
有利には、第二の限界値、すなわち、優良ガスのメタン含有量のより下方の限界値は、３７％、好ましくは５２％である。さらに、第三の限界値、すなわち、混合ガスの最小メタン含有量の限界値は、３５％、好ましくは５０％である。これらの限界値を上回るメタン含有量は、通常のタイプのコジェネレーションの使用可能性を広げ、そして、プラントの中断されない大規模な運転が可能となる。
【００１１】
有利には、発酵槽からの少なくとも期間的又は周期的にバイオガス又はリーンガスは、発酵槽にフィードバックされて、循環させることができる。発酵槽は、そのために、パージガスインレットを、好ましくは、発酵槽の境界の範囲内に有し、これは、適当なバイオガスラインで接続可能であり、そして、バイオマスを、優良ガス及び／又はリーンガスでパージしてほぐし、そして、バイオマス中のより良好なドレナージを確保することが可能となる。
【００１２】
好ましくは、同様にして、パージガスインレットは外気ラインと接続可能であり、これは、特に、吸気又は排気運転の間の発酵槽の外気パージを可能にする。その際、バイオガス利用装置を損傷することなく、例えば、バイオガス利用装置に供給されたガス混合物に対する要求に基づくガスを、発酵槽から直接取り出すことができない場合には、適当なパージ処理を貯蔵タンクからのガスにも行えるようにするために、パージインレットもまた、リーンガス貯蔵器及び／又は優良ガス貯蔵器と接続可能である場合がさらに有利である。
【００１３】
そのため、発酵槽の吸気又は排気の間、パージガスインレットを介してリーンガスを発酵槽に供給するのが特に好ましい。というのも、それから、この期間では、優良ガスが、この発酵槽中で生成されて、取り出されるからである。
【００１４】
有利には、バイオガスプラントは、吸気ライン／排気ラインを有し、これらは少なくとも一つの発酵槽に接続可能であり、そして排気処理に誘導される。これにより、発酵槽中で発生し、そしてその組成に基づいて優良ガスにもリーンガスにも割り当てることのできるガス混合物を安全に廃棄できるよう、限界値を互いに独立して特定することができる。
【００１５】
その際、有利には、少なくとも一つの発酵槽の上に、大きな面積で隣接してガス貯蔵器の少なくとも一つが配置される。そのため、有利には、少なくとも一つの発酵槽の面積の少なくとも５０％が覆われる。より好ましくは、少なくとも一つの発酵槽、又は特に有利には全ての存在する発酵槽の全面積が、一つの／複数のガス貯蔵器で覆われる。この構成により、一年のほとんどの時間において、発酵槽の特に好ましい断熱を達成することができ、その際、同時に、ガス貯蔵器の平坦な設計によって環境に対して大きな表面を有することとなり、これは、一年を通じて良好なガス冷却が可能となり、発酵槽から取り付け面に至る設置面積を要しない。
【００１６】
本発明を、図１〜図１０を参照しながら、以下でより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、２つの発酵槽中で優良ガスを製造し、同時に、第三の発酵槽からのリーンガスを貯蔵する間の、例示的な本発明バイオガスプラントの図式的なプロセスフロー図である。
【図２】図２は、使用前のリーンガスをＧｕｔガスに混合する間の図１のプラントのフロー図である。
【図３】図３は、リーンガス貯蔵器からのリーンガスを発酵槽に供給すると同時に、全ての発酵槽からＧｕｔガスを取り出す間の、図１及び図２のプラントのフロー図である。
【図４】図４は、図１〜図３において示されているプラントにおける、二つの発酵槽中の優良ガスの製造及び利用の間、同時に、発酵槽からのリーンガスの貯蔵の間のフローチャートを示しており、その際、優良ガスを製造する発酵槽に、優良ガス流の一部が再び供給される。
【図５】図５は、図１〜図４に示されているプラントにおける、二つの発酵槽中での優良ガスの製造及び一つの発酵槽中でのリーンガスの製造の間のフローチャートを示しており、その際、優良ガス及びリーンガスは混合ガスとして利用され、そして、該混合ガス中のリーンガスの割合は、リーンガス貯蔵器に、又はリーンガス貯蔵器からリーンガスを供給するか、又はリーンガスを取り出すことによって調節される。
【図６】図６は、図１〜図５からのプラントのフローチャートを示しており、その際、発酵槽はリーンガスを生成し、これは、別の発酵槽からの優良ガスと一緒に利用され、その際、リーンガス貯蔵器を介してリーンガスの割合は調節され、その際、優良ガスを製造する発酵槽中に優良ガスの一部がフィードバックされ、そして同時に、第三の発酵槽が、吸気ライン／排気ラインを介して供給される外気でフラッシングされる。
【図７】図７は、例示的な、可能な異なる構成を示しており、発酵槽の最高部上か又は発酵槽の隣にガス貯蔵器が配置されている。
【図８】図８は、例示的な、可能な異なる構成を示しており、発酵槽の最高部上か又は発酵槽の隣にガス貯蔵器が配置されている。
【図９】図９は、例示的な、可能な異なる構成を示しており、発酵槽の最高部上か又は発酵槽の隣にガス貯蔵器が配置されている。
【図１０】図１０は、例示的な、可能な異なる構成を示しており、発酵槽の最高部上か又は発酵槽の隣にガス貯蔵器が配置されている。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
例示的な本発明のプラントは、３つの相互に依存することなく駆動可能な発酵槽１を有し、該発酵槽は、それらのガスアウトレット７により、バイオガス管４、第二のバイオガス管６又は排気管／排ガス管１０と選択的に接続することができ、その際、後者は、排気処理／排ガス処理１１に誘導される。バイオガス管４及び６中に誘導されるバイオガス流は互いに混合することができるか又は個別にバイオガス利用装置２に供給することができる。そのために、例示的な本発明のプラントは、二つのバイオガス流を混合するための制御装置８を有する。さらに、測定装置１３が設けられ、これは、利用装置２に供給されるバイオガスのメタン含有量を測定することができる。バイオガス管４は、リーンガス貯蔵器として設計されたバイオガス貯蔵器３に接続される。その際、停止弁１４並びに輸送装置１５によって、目的とするバイオガスを、第一のバイオガス貯蔵器３に供給するか、又はそこから取り出すことができる。あるいはまた、この貯蔵器を迂回することもできる。
【００１９】
第二のバイオガス管６は、第二のバイオガス貯蔵器５に接続され、該貯蔵器は、このバイオガス管の貯蔵保持器として設計される。
【００２０】
発酵槽１は、さらにガスインレット９を有しており、該アウトレットは、第二のバイオガス管６又は外気管１２と接続可能なバイオガス管４に、任意に、停止弁１６を介して、かつ、相互に独立して接続させることができる。その際、それぞれの発酵槽の境界の範囲内にあるガスインレット９を介した発酵槽１のフラッシング時に利用される、十分な圧力、冷却ガスを供給するためにコンベヤ１７が設けられる。さらに、発酵槽１のガスアウトレット７を、選択的に、そして第一のバイオガスライン４及び／又は第二のバイオガスライン６の吸気ライン／排気ライン１０と、相互に独立して接続させる停止弁１８が利用される。
【００２１】
バイオガス貯蔵器３及び５は、慣習的な方法で、発酵槽１とは独立して設定することができる。しかしながら、バイオガス貯蔵器を、二つのバイオガス貯蔵器のいずれか一方、すなわち、第一のバイオガス貯蔵器３か、又は第二のバイオガス貯蔵器５のいずれか一方が、発酵槽の最高部面を覆うように構成することもでき、また、特に有利である。同様に、二つのバイオガス貯蔵器を、存在する発酵槽１に共通して形成された最高部面上に配置することも可能である。そのために、図７に示されるように、相互に独立したバイオガス貯蔵器が、最高部面上に相互に隣接させて配置される。しかしながら、図８に示されるように、二つのバイオガス貯蔵器３及び５を、共通の保護シェル１９と一緒に設けることもまた可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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