SKVTechnik informiert:

Für einen stabilen biologischen Abbauprozess in Biogasanlagen sind möglichst gleichmäßige Bedingungen im Fermenter erforderlich. Neben pH-Wert, Nährstoffversorgung, Verweilzeit und Substratzusammensetzung spielt dabei insbesondere die Temperatur eine wichtige Rolle.

In großvolumigen Fermentern kann die eingebrachte Wärme ungleichmäßig verteilt sein. In der Nähe von Heizleitungen oder Wärmetauschern entstehen möglicherweise wärmere Bereiche, während weiter entfernte Behälterzonen eine niedrigere Temperatur aufweisen. Solche Temperaturgradienten können sich auf die Aktivität der am Abbauprozess beteiligten Mikroorganismen auswirken.

Eine Möglichkeit, die Wärmeverteilung im Fermenter zu unterstützen, ist die Zirkulation von Biogas. Dabei wird Gas aus dem oberen Bereich des Fermenters entnommen, durch einen geeigneten Seitenkanalverdichter gefördert und über ein Leitungssystem wieder in das Substrat eingeblasen.

Biogas innerhalb des Prozesses zurückführen

Bei der gasgestützten Temperaturhomogenisierung wird das bereits im Fermenter vorhandene Biogas als Prozessgas verwendet. Es wird nicht verbraucht, sondern innerhalb eines Kreislaufs geführt.

Der grundsätzliche Prozess besteht aus folgenden Schritten:

1. Biogas wird aus dem Gasraum des Fermenters entnommen.
2. Der Seitenkanalverdichter erhöht den für die Rückführung benötigten Gasdruck.
3. Das geförderte Biogas wird über Rohrleitungen zu den vorgesehenen Einblasepunkten geleitet.
4. Das Gas tritt im unteren Bereich des Fermenters in das Substrat ein.
5. Die aufsteigenden Gasblasen erzeugen Strömungen im Fermenterinhalt.
6. Wärmere und kühlere Substratbereiche werden stärker miteinander vermischt.
7. Das Biogas gelangt anschließend zurück in den Gasraum und kann erneut in den Kreislauf geführt werden.

Die entstehende Gasblasenströmung kann dazu beitragen, die von Heizsystemen eingebrachte Wärme besser im Behälter zu verteilen. Ziel ist nicht die eigentliche Erwärmung des Substrats. Der Seitenkanalverdichter übernimmt vielmehr die Aufgabe, den für den Wärmeausgleich benötigten Gasstrom bereitzustellen.

Temperaturgradienten können biologische Prozesse beeinflussen

Die Mikroorganismen im Fermenter reagieren empfindlich auf ungünstige oder stark schwankende Prozessbedingungen. Maßgeblich ist dabei nicht nur die durchschnittlich gemessene Fermentertemperatur. Auch die räumliche Verteilung innerhalb des Behälters ist von Bedeutung.

Wird die Temperatur lediglich an einem einzelnen Messpunkt erfasst, können wärmere oder kühlere Zonen an anderen Stellen unerkannt bleiben. Mögliche Ursachen für eine ungleichmäßige Temperaturverteilung sind:

• Lage und Ausführung des Heizsystems,
• große Behälterabmessungen,
• unterschiedliche Substratdichten,
• hoher Feststoffanteil,
• eingeschränkte natürliche Konvektion,
• unzureichende Durchmischung,
• kalte Substratzugaben,
• Wärmeverluste an Behälterwänden oder im Dachbereich,
• jahreszeitlich schwankende Außentemperaturen.

Eine unterstützende Gaszirkulation kann vorhandene Temperaturunterschiede verringern. Ob die gewünschte Wirkung erreicht wird, hängt allerdings von der gesamten Prozessgestaltung ab.

Seitenkanalverdichter erzeugen den erforderlichen Gasstrom

Seitenkanalverdichter eignen sich für Anwendungen, bei denen ein kontinuierlicher Gasvolumenstrom bei niedrigen bis mittleren Druckdifferenzen benötigt wird. Das Gas wird berührungslos und ohne Schmiermittel im Verdichtungsraum gefördert.

Für die Temperaturhomogenisierung muss der Verdichter ausreichend Druck erzeugen, um den hydrostatischen Gegendruck des Substrats sowie die Druckverluste des Leitungssystems zu überwinden.

Zum gesamten Druckbedarf gehören unter anderem:

• der Druck aufgrund der Einblastiefe,
• Druckverluste in Rohrleitungen,
• Widerstände von Armaturen und Rückschlagventilen,
• Druckverluste in Filtern oder Abscheidern,
• Widerstände der Verteiler,
• Druckverluste an Düsen, Lanzen oder anderen Einblaselementen.

Der benötigte Betriebspunkt ergibt sich aus dem gewünschten Gasvolumenstrom und dem tatsächlich vorhandenen Gesamtdifferenzdruck. Die maximalen Angaben eines Seitenkanalverdichters für Volumenstrom und Druck dürfen nicht gleichzeitig als verfügbarer Betriebspunkt angesetzt werden.

Mit zunehmendem Gegendruck sinkt der erreichbare Volumenstrom. Die Auswahl muss deshalb anhand der jeweiligen Maschinenkennlinie erfolgen.

Einblastiefe und Gasverteilung richtig bestimmen

Der hydrostatische Gegendruck steigt mit der Tiefe, in der das Biogas in das Substrat eingebracht wird. Zusätzlich können die Dichte und Zusammensetzung des Fermenterinhalts den erforderlichen Druck beeinflussen.

Neben der reinen Verdichterleistung ist eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Gasstroms auf die vorhandenen Einblasepunkte notwendig. Unterschiedliche Leitungslängen oder Querschnitte können dazu führen, dass einzelne Düsen stärker beaufschlagt werden als andere.

Eine größere Maschine löst solche Verteilungsprobleme nicht automatisch. Vielmehr sollten Rohrleitungen, Verteiler, Armaturen und Einblaselemente strömungstechnisch aufeinander abgestimmt werden.

Für die technische Vorauswahl benötigt SKVTechnik deshalb möglichst genaue Angaben zu:

• gewünschtem Gasvolumenstrom,
• Einblastiefe,
• Füllstand des Fermenters,
• Anzahl und Lage der Einblasepunkte,
• Rohrleitungsdurchmessern,
• Leitungslängen,
• vorhandenen Armaturen,
• Ausführung der Einblaselemente,
• Gastemperatur,
• Gaszusammensetzung,
• Feuchtigkeit und möglicher Kondensatbildung,
• Betriebsdauer,
• Aufstellort und Umgebungsbedingungen,
• ATEX-Zoneneinteilung.

Aus diesen Angaben lässt sich ein realistischer Betriebspunkt für die technische Vorauswahl ableiten.

ATEX-Anforderungen bei der Biogasförderung beachten

Biogas enthält überwiegend Methan und Kohlendioxid. Abhängig vom Prozess können außerdem Wasserdampf, Schwefelwasserstoff und weitere Begleitstoffe enthalten sein. In Verbindung mit Luft kann sich eine explosionsfähige Atmosphäre bilden.

Der Betreiber beziehungsweise Anlagenplaner muss daher im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung feststellen, welche ATEX-Zone vorliegt und welche Anforderungen für den Seitenkanalverdichter und die übrigen Anlagenkomponenten gelten.

Dabei müssen unter anderem berücksichtigt werden:

• Gerätekategorie,
• Gas- und Staubgruppe,
• Temperaturklasse,
• Umgebungstemperatur,
• Aufstellbereich,
• elektrischer Anschluss,
• Motor- und Geräteschutz,
• Gaszusammensetzung,
• vorgesehene Betriebsweise.

Die ATEX-Ausführung des Seitenkanalverdichters ersetzt nicht die Gefährdungsbeurteilung der vollständigen Anlage. Auch Rohrleitungen, Filter, Ventile, Messgeräte, elektrische Anschlüsse und Steuerungskomponenten müssen zum Sicherheitskonzept passen.

Feuchtes und korrosives Biogas berücksichtigen

Biogas ist häufig feucht. Beim Abkühlen des Gasstroms kann sich Kondensat bilden und in Rohrleitungen, Armaturen oder im Seitenkanalverdichter sammeln. Darüber hinaus können Schwefelwasserstoff und andere Bestandteile korrosiv wirken.

Für eine zuverlässige Anlagenplanung sollten deshalb folgende Punkte geprüft werden:

• mögliche Kondensatbildung,
• Gefälle und Tiefpunkte der Rohrleitungen,
• Kondensatabscheider,
• kontrollierte Entwässerungsmöglichkeiten,
• geeignete Werkstoffe,
• erforderliche Oberflächenbehandlungen,
• Stillstandszeiten,
• Antikondensationsheizung,
• Schutzart des Motors,
• korrosionsgeschützte Sonderausführungen.

Flüssigkeit darf nicht unkontrolliert in den Seitenkanalverdichter gelangen. Die Leitungsführung und Kondensatableitung sind deshalb bereits bei der Planung des Gasumlaufs zu berücksichtigen.

ATEX und Korrosionsschutz erfüllen unterschiedliche Aufgaben: Die ATEX-Ausführung betrifft den Explosionsschutz. Eine Oberflächenbehandlung oder Sonderausführung dient dagegen dem Schutz vor Feuchtigkeit und korrosiven Bestandteilen. Beide Anforderungen müssen getrennt bewertet werden.

Temperaturhomogenisierung und Durchmischung unterscheiden

Die gasgestützte Temperaturhomogenisierung und die gasgestützte Fermenterdurchmischung beruhen auf einem ähnlichen technischen Prinzip. Bei beiden Prozessen wird Gas in das Substrat eingebracht und erzeugt dort eine Strömung.

Der Schwerpunkt ist jedoch unterschiedlich:

Bei der Fermenterdurchmischung steht die Bewegung und Homogenisierung des Substrats im Vordergrund. Ablagerungen, Schwimmschichten und ungleichmäßig verteilte Bestandteile sollen begrenzt werden.

Bei der Temperaturhomogenisierung liegt der Schwerpunkt dagegen auf dem Wärmeausgleich zwischen unterschiedlichen Behälterbereichen. Die Gaszirkulation soll wärmere und kühlere Zonen miteinander in Kontakt bringen.

In der praktischen Anwendung können sich beide Wirkungen überschneiden. Die tatsächlich erreichbare Temperaturverteilung hängt von Fermentergeometrie, Substrateigenschaften, Heizsystem, Gasvolumenstrom und Anordnung der Einblasepunkte ab.

Gaszirkulation ergänzt das Heizsystem

Ein Seitenkanalverdichter erzeugt keine Prozesswärme und ersetzt weder Heizleitungen noch Wärmetauscher. Seine Aufgabe besteht darin, das Biogas zu fördern und die für die Umwälzung erforderliche Strömung bereitzustellen.

Die benötigte Wärme muss weiterhin durch das dafür vorgesehene Heizsystem in den Fermenter eingebracht werden. Durch eine günstigere Verteilung kann diese Wärme jedoch gleichmäßiger im Substrat wirksam werden.

Für die Bewertung der Prozesswirkung empfiehlt sich eine Temperaturmessung an mehreren repräsentativen Stellen. Auf diese Weise kann festgestellt werden, ob Temperaturgradienten tatsächlich verringert werden und ob Anpassungen am Gasvolumenstrom oder an der Einblasung erforderlich sind.

Schutz des Seitenkanalverdichters

Der Seitenkanalverdichter darf nur innerhalb seines zulässigen Kennlinienbereichs betrieben werden. Ein zu hoher Differenzdruck oder eine ungeeignete Drosselung kann den Gasvolumenstrom reduzieren und gleichzeitig die thermische Belastung der Maschine erhöhen.

Je nach Anwendung können folgende Schutzmaßnahmen erforderlich sein:

• Drucküberwachung,
• Temperaturüberwachung,
• Sicherheits- oder Druckbegrenzungsventil,
• Motorschutz,
• Filterüberwachung,
• Rückschlagventil,
• Kondensatabscheidung,
• geeignete Anlagensteuerung.

Die konkrete Ausstattung ist anhand des Betriebspunktes, der Gaszusammensetzung und der Sicherheitsanforderungen festzulegen.

Technische Vorauswahl durch SKVTechnik

SKVTechnik unterstützt Betreiber, Planer und Anlagenbauer bei der technischen Vorauswahl eines geeigneten Seitenkanalverdichters für die Temperaturhomogenisierung in Biogasfermentern.

Grundlage der Auswahl sind nicht allein der maximale Volumenstrom oder der maximale Überdruck einer Maschine. Entscheidend ist der konkrete Betriebspunkt aus erforderlichem Gasvolumenstrom und zu überwindendem Gesamtdruck.

Zusätzlich werden Medium, Gastemperatur, Feuchtigkeit, Korrosionsbelastung, Betriebsdauer, Aufstellbedingungen und ATEX-Anforderungen betrachtet. Bei besonderen Einsatzbedingungen kann die technische Unterstützung des Herstellers FPZ projektbezogen einbezogen werden.

Weitere Informationen zur Anwendung:
https://www.skvtechnik.de/biogas-seitenkanalverdichter/temperaturhomogenisierung-im-fermenter/

Übersicht zu Seitenkanalverdichtern für Biogasanlagen:
https://www.skvtechnik.de/biogas-seitenkanalverdichter/

Die endgültige Auswahl und Freigabe müssen anhand der konkreten Prozessdaten, der Gefährdungsbeurteilung und der jeweils aktuellen Herstellerunterlagen erfolgen.