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Doctoral Thesis
2015
Biomethane production in an innovative two-phase pressurized anaerobic digestion system
Biomethane production in an innovative two-phase pressurized anaerobic digestion system
Abstract (English)
Generation of biogas from biomass through anaerobic digestion is receiving increasing attention. Over the past decade, the biogas industry has been developing rapidly in Germany, as well as the rest of the world. In Germany, biogas is generally used in a heat and power plant (CHP) for electricity and heat production. However, most biogas plants are located in a rural area, where heating demands are quite low. Except for biogas plant thermal control, a huge amount of cogenerated heat is often wasted. In order to increase the overall energy utilization efficiency, biogas can be alternatively converted to biomethane of natural gas quality and injected into existing gas grids. By making use of the mature gas transportation and storage systems, biogas production and end utilization can be temporally and spatially separated. Therefore, it is regarded as an efficient and flexible solution to energy issues. Nevertheless, in terms of this application, raw biogas requires, above all, gas purification and upgrading. Carbon dioxide content, in particular, must be reduced from 40–50% in the raw biogas to approximately 4% in the purified gas. Conventional technologies are generally expensive in investment and/or operation. Therefore, an economical option is desired.
Within this research project, a two-phase pressurized anaerobic digestion system was developed. The innovative concept aimed to reduce the cost involved in biomethane conversion and injection into the natural gas grids by integration of biogas production, purification and compression in one system. It was expected that a great amount of carbon dioxide could be directly removed from the pressurized digester due to its high solubility. In addition, the methane-rich biogas could be produced at an elevated pressure which could meet the injection standard, and therefore could reduce or even avoid the expenses for further compression. In order to gain better understanding of two-phase pressurized anaerobic digestion, three major studies were conducted:
- The pressure effects on two-phase anaerobic digestion
- Effects of organic loading rate (OLR) on the performance of a pressurized anaerobic filter in two-phase anaerobic digestion
- Effects of liquid circulation on two-phase pressurized anaerobic digestion
By this means, the system performance could be examined and the technical feasibility and potential of the new concept could be explored. Moreover, an optimization of the process in a two-phase pressurized anaerobic digestion system could be realized. From both economic and ecological perspective, two-phase pressurized anaerobic digestion offers an interesting process option for biomethane production, making a great contribution to sustainable energy supply.
Abstract (German)
Die Erzeugung von Biogas aus Biomasse durch anaerobe Vergärung erfährt vor dem Hintergrund einer nachhaltigen Energieversorgung eine immer größere Aufmerksamkeit. Im letzten Jahrzehnt hat sich, nicht nur in Deutschland, sondern auch weltweit, eine wachsende Biogasindustrie entwickelt. Traditionell wird in Deutschland bisher Biogas in Blockheizkraftwerken in Wärme und Strom umgewandelt. Die meisten Biogasanlagen sind jedoch in ländlichen Gebieten angesiedelt, wo der Wärmebedarf eher gering ist. Abgesehen von der Wärmenutzung für die Biogasanlagen wird eine große Menge der erzeugten Wärme ungenutzt an die Umwelt abgegeben. Um die Effizienz der gesamten Energieverwendung zu steigern, kann Biogas alternativ auch in Biomethan umgewandelt werden, welches in das vorhandene Gasnetz eingespeist wird. Auf diesem Weg kann die Biogasproduktion von der Nutzung räumlich und zeitlich entkoppelt werden, da mit dem Erdgasnetz ein leistungsfähiges Transport- und Speichersystem zur Verfügung steht. Vor der Einspeisung muss Rohbiogas jedoch einem aufwendigen Reinigungs- und Aufbereitungsverfahren unterzogen werden. Insbesondere ist der Kohlenstoffdioxidgehalt des Biogases von 40–50 % im Rohgas auf ca. 4 % im Reingas zu reduzieren. Die dazu verwendeten konventionellen Technologien sind häufig technisch sehr aufwändig und nur für Großanlagen geeignet. Daher ist eine ökonomische Lösung auch für kleinere Biogasanlagen wünschenswert.
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde ein zweiphasiges Druckfermentationssystem entwickelt. Das innovative Konzept strebt eine Kostenreduzierung der Biomethanerzeugung und –einspeisung an, indem die Biogasproduktion, -reinigung und -verdichtung in ein Verfahren integriert werden. Es wurde erwartet, dass, aufgrund der höheren Wasserlöslichkeit im Vergleich zu Methan, eine große Menge Kohlenstoffdioxid mit der Prozessflüssigkeit aus dem unter Druck stehenden Fermenter entfernt werden kann. Darüber hinaus sollte das methanreiche Biogas unter erhöhtem Druck produziert werden, welcher dem Einspeisungsstandard entspricht und somit die Kosten einer weiteren Verdichtung reduzieren oder sogar vermeiden könnte. Um ein besseres Verständnis der zweiphasigen anaeroben Druckfermentation zu gewinnen, wurden drei umfassende Studien in folgenden Bereichen durchgeführt:
- Der Einfluss des Drucks auf die zweiphasige anaerobe Vergärung
- Der Einfluss der Raumbelastung (BR) auf die Leistung eines unter Druck gesetzten Methanreaktors bei der zweiphasigen anaeroben Vergärung
- Der Einfluss der Flüssigkeitszirkulation auf die Qualität der produzierten biogenen Gase
Auf diese Weise konnten die Leistung des Systems untersucht und die technische Durchführbarkeit sowie das Potenzial des neuen Konzepts erforscht werden. Des Weiteren konnte eine Optimierung des Prozesses im zweiphasigen Druckfermentationssystem realisiert werden.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die zweiphasige Druckfermentation sowohl unter ökonomischen als auch unter ökologischen Gesichtspunkten ein interessantes Verfahren der Biomethanerzeugung darstellt und somit zu einer nachhaltigen Energieversorgung beitragen kann.
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Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Agricultural Engineering
Examination date
2014-07-14
Supervisor
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ISBN
Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Collections
Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Chen2015,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/5894},
author = {Chen, Yuling},
title = {Biomethane production in an innovative two-phase pressurized anaerobic digestion system},
year = {2015},
school = {Universität Hohenheim},
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