Biogas als Energieträger der Zukunft

Essen, 07.05.2024 – Biogas stellt einen bedeutsamen Energieträger dar, welcher aus organischen Materialien wie landwirtschaftlichen Abfällen, Gülle oder Energiepflanzen gewonnen wird. Die Vergärung von Biomasse in anaeroben Prozessen, d.h. unter Ausschluss von Sauerstoff, erfolgt durch Mikroorganismen, welche die organische Substanz zersetzen. Das Produkt dieser Zersetzung ist ein Gasgemisch, das typischerweise zu einem Anteil aus Methan (50 – 75 Vol.‑%) und Kohlendioxid (25 – 50 Vol.‑%) besteht. Die Zusammensetzung des Gases hängt dabei von der Mischung der organischen Materialien ab, die zur Produktion des biogenen Gases eingesetzt werden. Methan ist der energiereiche Bestandteil des Biogases und somit von zentraler Bedeutung für die energetische Nutzung.

Neben diesen Hauptprodukten enthält das Rohbiogas jedoch zahlreiche Verunreinigungen wie

–        Schwefelwasserstoff

–        Siloxane  

–        flüchtige organische Verbindungen (VOCs).

Diese Verunreinigungen können zu Korrosionsschäden in technischen Anlagen führen, zu Versauerung von Motoröl, Katalysatoren angreifen oder Schäden an Kolben und Zylindern der Motoren in Blockheizkraftwerken anrichten. Die daraus resultierenden Folgen sind unter anderem Leistungsverluste sowie höhere Kapital- und Wartungskosten. Daher ist die Aufbereitung von Biogas eine wesentliche Voraussetzung für seine Verwertung.

Um eine optimale Nutzung des Biogases zu gewährleisten, müssen diese Schadstoffe vor dem Einsatz in Blockheizkraftwerken (BHKW) oder der Einspeisung in das Gasnetz beseitigt werden. Der Einsatz von Aktivkohlefiltern bietet hier eine zuverlässige und effiziente Methode zur Entfernung dieser unerwünschten Störstoffe.

Biogasaufbereitung mittels Aktivkohlefilter

Die Adsorption des Schwefelwasserstoffs basiert auf der katalytischen Oxidation dieser Komponente. Dabei wird Schwefelwasserstoff zu Schwefel umgewandelt. Zur Steigerung der Beladungskapazität werden imprägnierte Aktivkohlen verwendet. Typische Imprägnate sind beispielsweise Kaliumiodid und Kaliumcarbonat. Entscheidend hierfür ist unter anderem das Vorhandensein von ausreichend Sauerstoff (Zweifach stöchiometrische Sauerstoffkonzentration) und einer entsprechenden relativen Feuchte (ca. 50 – 70 %). Bei luftfreien Biogasen kann die Entschweflung mit einer Kaliumpermanganat-imprägnierten Aktivkohle erfolgen.

Neben der Adsorption des Schwefelwasserstoffs adsorbieren diese Aktivkohlen simultan auch Siloxane, sowie weitere flüchtige organische Bestandteile. Hierfür sind imprägnierte Aktivkohlen jedoch nicht zwingend notwendig.

Der Einsatz von Aktivkohlefiltern in Biogasanlagen bietet dabei zahlreiche Vorteile. Neben der hohen Wirksamkeit bei der Entfernung von Schwefelwasserstoff und anderen Verunreinigungen sind diese Filter vergleichsweise einfach zu implementieren. Hier können neben stationären Anlagen ebenso mobile Mietadsorber eingesetzt werden. Diese können als Einheit ausgetauscht werden, was ein signifikant einfacheres Handling der beladenen Aktivkohlen darstellt.

Biogas-Upgrading

Für die Einspeisung des Biogases in das Erdgasnetz muss dieses – neben der vorherigen Aufreinigung mittels Aktivkohlefilter – einem „Biogas-Upgrading“ unterzogen werden, wo aus Biogas, durch Abtrennung von Kohlenstoffdioxid, Biomethan entsteht.

Ein wichtiges Verfahren in diesem Bereich ist die zyklische Druckwechsel Adsorption (VPSA – Vacuum Pressure Swing Adsorption) mittels Kohlenstoffmolekularsieben (CMS – Carbon Molecular Sieves). Der Prozess ermöglicht eine kinetische Trennung des Gasgemisches, die durch die Ausnutzung der deutlich schnelleren Sorptionsrate von Kohlenstoffdioxid gegenüber Methan möglich ist. Eine hohe Selektivität wird durch den Siebeffekt in absichtlich verengten Mikroporenöffnungen des Adsorbens erreicht. Als nachhaltige Materialwahl sind Kohlenstoffmolekularsiebe aus nachwachsenden Rohstoffen wie Kokosnussschalen empfohlen.

Das VPSA-System besteht aus mehreren mit Kohlenstoffmolekularsieben gefüllten Säulen, um sowohl eine hohe Reinheit als auch eine hohe Methanausbeute zu erreichen.

Hauptschritte des Prozesszyklus sind:

–        Produktion bei erhöhtem Druck, bei der Methan als Produkt gesammelt wird, während Kohlenstoffdioxid am CMS-Material adsorbiert wird.

–        Druckausgleich zwischen den Säulen mit dem Ziel, den Energieverbrauch zu senken und die Methanrückgewinnung zu verbessern.

–        Regeneration unter Vakuum, durchgeführt um das Kohlenstoffdioxid aus dem CMS‑Material zu desorbieren.

–        Spülschritte in den einzelnen Säulen mit Kohlenstoffdioxid oder Methan aus Puffertanks. Durch den gezielten Austausch der Gase in den Zwischenräumen der porösen Schüttung wird hierbei die Methanreinheit und -ausbeute weiter erhöht.

Dieses Verfahren ermöglicht eine hohe Methanreinheit, sodass es als hochwertiges Biomethan ins Erdgasnetz eingespeist werden kann. Entscheidend für die optimale Nutzung der Kohlenstoffmolekularsiebe ist eine vorherige Aufreinigung des Biogases. Das Vorhandensein von Verunreinigungen im Rohgas, insbesondere Schwefelwasserstoff, würde die Trennleistung der VPSA erheblich beeinträchtigen und das CMS-Material irreversibel schädigen.

Fazit

Die Kombination aus Biogasaufbereitung mit Aktivkohlefiltern und das Biogas-Upgrading durch Kohlenstoffmolekularsiebe stellt eine leistungsfähige und nachhaltige Lösung für den Betrieb von Biogasanlagen dar. Während Aktivkohlefilter primär die Schadstoffentfernung sicherstellen, ermöglicht der Einsatz von Kohlenstoffmolekularsieben die Aufbereitung des Biogases zu Biomethan in Erdgasqualität. Damit tragen diese Verfahren nicht nur zur Schonung technischer Anlagen, sondern auch zur effektiven Nutzung erneuerbarer Energiequellen bei.