Biogasreinigung

Unter Biogasaufbereitung werden Verfahren verstanden, mit denen Biogas so aufbereitet wird, dass es anschließend direkt einer Nutzung (beispielsweise in einem Kraftfahrzeug) zugeführt oder in eine bereits bestehende Versorgungsleitung eingespeist werden kann. Die hier aufbereiteten Rohbiogase können sowohl aus dem fermentativen Abbau in Biogasanlagen stammen als auch aus Kläranlagen (Klärgase) oder aus Mülldeponien freigesetzt werden (Deponiegase).

Für die Aufbereitung von Rohbiogasen sind in der Regel vier Verfahrensschritte durchzuführen:

  1. die Biogasentschwefelung,
  2. die Trennung von Methan und Kohlendioxid,
  3. die Gastrocknung und
  4. die Konditionierung vor einer evtl. Einleitung in das Erdgasnetz.

Diese Schritte bauen häufig aufeinander auf, können aber teilweise auch kombiniert werden.

Inhaltsverzeichnis

Biogasentschwefelung

Bei geringen Sulfid-Belastungen des Rohgases, wie sie insbesondere bei Vergärung von Energiepflanzen zu erwarten sind, wird in der Regel eine Sulfidfällung zur groben Entfernung des Schwefelwasserstoffs ausreichend sein. Prinzipiell können verschiedene Methoden zur Entschwefelung gewählt werden:

  • Reinigung nach der Gasproduktion durch Entschwefelungsfilter: Hier wird das Gas durch eisenhaltiges Filtermaterial (Raseneisenstein, Stahlwolle) geleitet. Das Filtermaterial muss ausgetauscht oder durch Erhitzen regeneriert werden, wenn es gesättigt ist.
  • Reinigung im Gasraum durch Zugabe von Sauerstoff: Das H2S (Schwefelwasserstoff) wird in elementaren Schwefel umgewandelt. Der Schwefel lagert sich im Gasraum ab. Dies ist bisher die gängigste und billigste Methode, hat aber den Nachteil, dass elementarer Schwefel in der Anlage akkumuliert. Das Verfahren kann nur eine begrenzte Menge von Schwefelwasserstoff neutralisieren. Außerdem ist es nur möglich, wenn das Biogas vor Ort in einem BHKW oder Brenner verwendet wird. Bei Aufreinigung auf Erdgasqualität sind vor allem die zusätzlichen Stickstoffanteile sowie freie Sauerstoffanteile problematisch, da diese zu Qualitätseinschränkungen im aufbereiteten Biomethan führen. Eventuell können vorgegebene Grenzwerte im aufbereiteten Gas dadurch nicht oder nur mit erhöhtem Aufwand eingehalten werden. Andererseits bleibt der elementare Schwefel als Dünger bei der Substratausbringung pflanzenverfügbar und kann als Schwefeldünger bilanziert werden.
  • Reinigung in der Reaktorflüssigkeit durch Zugabe von Sauerstoff: Ein verbessertes Verfahren ist die Zugabe von Luft oder eines anderen Oxidationsmittels direkt in die Reaktorflüssigkeit (Linde-Patent). Es läuft derselbe Prozess wie bei der Gasraumentschwefelung ab.
  • Laugenwäsche: Das Biogas wird in einer FüllkörperKolonne (Verfahrenstechnik)Kolonne im Gegenstrom mit Lauge gewaschen. Die Lauge muss anschließend entsorgt werden. Die Laugenwäsche verringert auch die CO2-Konzentration im Biogas.
  • Biologische Entschwefelung: Diese erfolgt ähnlich wie bei der Laugenwäsche, die Lauge wird jedoch in einem zweiten Aerobreaktor zur Hälfte regeneriert. Es entsteht ein im Vergleich zur Laugenwäsche reduzierter, schwefelfreier Abwasserstrom und ein Elementarschwefelschlamm. (Paques-Patent)
  • Zugabe von Eisenionen: Bei hohen Proteinanteilen im Ausgangssubtrat können die Schwefelwasserstoffkonzentrationen 20.000 ppm übersteigen. Hier ist jeder Filter überfordert. Die Zugabe von Eisenionen hilft die Bildung von Schwefelwasserstoff im Faulbehälter zu verhindern. Eisen besitzt eine hohe Affinität zu Schwefel und verbindet sich mit diesem zu unlöslichem Eisensulfid (FeS). Das Eisensulfid verbleibt als Feststoff in der Gülle.
  • Irreversible Adsorption an Aktivkohle: Die Aktivkohle wird teilweise iodiert, um die Beladungsfähigkeit zu erhöhen. Dieses Verfahren eignet sich nur bei sehr geringen H2S-Konzentrationen, z.B. als Endreinigung.
  • Rückführung von teilweise entschwefeltem Biogas in die Reaktorflüssigkeit. Dadurch wird das Austreiben des noch in der Flüssigkeit gelösten H2S verbessert.

Bei höheren Belastungen (etwa bei Ursprung des Rohgases aus einer Kläranlage) aber auch bei hohen Gasvolumenströmen werden Biogaswäscher eingesetzt (dabei wird häufig das Waschwasser regeneriert). Teilweise wird die Entschwefelung auch parallel zur Trennung der im Rohbiogas enthaltenen Gase durchgeführt. Anschließend findet häufig eine Feinentschwefelung statt, wobei das Gas durch mehrere in Serie geschaltete Aktivkohlefilter geleitet wird.

Trennung der Gase

Zur Trennung von Kohlendioxid und Methan bieten sich Druckwasserwäsche, kryogene Verfahren, Membrantrennverfahren, aber auch Druckwechseladsorption und weitere Verfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid durch Adsorption (wie die Aminwäschen) an, die je nach den Standortbedingungen wettbewerbsfähig sein können. Beispielsweise führen Aminwäschen zu einer sehr hohen Produktgasqualität, erfordern aber den Einsatz von Prozesswärme auf hohem Temperaturniveau. Bei den meisten Verfahren muss das Rohgas bereits grob von Schwebstoffen, Wassertropfen und Schwefelwasserstoff befreit sein.

Die Druckgaswäsche trennt das Methan vom Kohlendioxid und konzentriert das Methan je nach Bedarf auf 95 - 99 Vol% auf. Danach wird es auf den Taupunkt bei dem jeweiligen Anwendungsdruck getrocknet.

Gastrocknung

Bei der Trocknung wird dem Rohgas Wasser entzogen. Es muss aus dem Biogas vor dessen Verwertung entfernt werden, damit Erdgasqualitäten eingehalten werden. So kann die Bildung von Wassertaschen durch Kondensation und Korrosion an Verbrennungsmotoren und Leitungseinrichtungen vermieden werden.

Biogas wird durch die Kühlung des Gases im Erdreich oder durch Kompressorkälte entfeuchtet. Die Unterschreitung der Taupunkttemperatur des Wasserdampfes lässt das Wasser kondensieren (von der gasförmigen in die flüssige Phase übergehen). Dann kann das Wasser in Tiefpunkten der meist erdverlegten Biogasleitung gesammelt und abgeleitet werden. Bei einer Kühlung durch Kältemaschinen fällt das Wasser im Biogas an den Kälteregistern aus und kann dort gesammelt und abgeleitet werden. Da Ammoniak gut wasserlöslich ist, kann es bei der Trocknung aus dem Gas entfernt und mit dem Kondensat abgeführt werden.

Konditionierung

Bei einer Einleitung in das Gasnetz sind die Qualitätsparameter für Erdgas zu beachten (Trockenheit, Druck, Wobbeindex). Die Qualität und Beschaffenheit des einzuspeisenden Methans hat der Deutsche Verein des Gas- und Wasserfaches e.V. (DVGW) geregelt[1]. Zur Konditionierung zählt auch die Odorierung.

Verbreitung und Ökonomie

Wegen der erforderlichen Investititonen gilt die Biogasaufbereitung ab einer Kapazität von etwa 250 bis 500 m3 Biomethan pro Stunde als wirtschaftlich sinnvoll, das entspräche einer Anlagenkapazität von 1 bis 2 Megawattel bei direkter Biogasverstromung im BHKW. In Deutschland sind Anfang 2009 14 Anlagen zur Biomethanerzeugung mit Kapazitäten zwischen 148 m3 und 1000 m3 pro Stunde in Betrieb, 16 Anlagen sind in Bau oder Planung.[2] Für 2009 werden bundesweit zwischen 45 und 50 neue Anlagen erwartet. Erklärtes Ziel der Bundesregierung ist es, dass in Deutschland im Jahr 2020 etwa 60 Milliarden Kilowattstunden Biomethan pro Jahr erzeugt werden, da entspricht der Kapazität von rund 1200 bis 1800 Biomethananlagen.[3]

Als erste Kläranlage der Schweiz speist seit Januar 2005 die ARA Region Luzern ihr nach Erdgasparametern aufbereitetes Klärgas ins Erdgasnetz. Dabei wird das aufbereitete Gas zur Betankung von Erdgasfahrzeugen verwendet. In der Schweiz werden weitere große Anlagen zur Biogasaufbereitungsanlagen in der Region Bern gebaut. Auch in Schweden wird die Aufbereitung und Einspeisung schon durchgeführt.

Einzelnachweise

  1. DVGW, 2008: DVGW-Arbeitsblatt G 260: Gasbeschaffenheit
  2. Biogaspartner – Projektliste Deutschland
  3. Biogasnutzung im ländlichen Raum - Der Beitrag verschiedener Anlagenkonzepte zur regionalen Wertschöpfung und ihre Umweltleistung.

Literatur


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