Biogasaufbereitung

Inhalt:

  1. Notwendigkeit der Biogasaufbereitung
  2. Reinigung und Veredelung: Aus Biogas wird Biomethan
  3. Entschwefelung und Trocknung von Rohbiogas
  4. Trocknung
  5. Kohlendioxidabscheidung
  6. Sauerstoffentfernung
  7. Entfernung von Spurgasen
  8. Aufbereitung von Biogas auf Erdgasqualität

1. Notwendigkeit der Biogasaufbereitung

Aufbereitung von Biogas

Biogasaufbereitung
© Wilhelmine Wulff / pixelio.de

Sowohl die Erzeugung als auch die Nutzung von Biogas haben in den vergangenen Jahren seit Einführung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) im Jahr 2000 und dessen Novellierung im Jahr 2004 stark zugenommen. Förder- und Marktanreizprogramme zur Aufbereitung von Biogas vonseiten des Staates taten ihr übriges, um diese Entwicklung noch weiter zu beschleunigen. Die Nutzung von Biogas kann in ganz erheblichem Maße dazu beitragen, die Klimaziele der Bundesregierung schon in absehbarer Zeit zu erreichen. Biogas ermöglicht im Gegensatz zu vielen anderen erneuerbaren Energieträgern eine bedarfsgerechte Stromerzeugung und kann in Zeiten geringen Strombedarfs gespeichert werden. Deshalb ist auch zu erwarten, dass die Rolle von Biogas in Zukunft immer wichtiger werden wird.

Bei vielen Biogasanlagen besteht jedoch das Problem, dass es vor Ort keine bzw. nicht genügend Nachfrage für die durch Blockheizkraftwerke bereitgestellte Wärme gibt. Einziger Abnehmer ist oftmals die Biogasanlage selbst, um den Gärprozess im Fermenter aufrecht halten zu können. Dieser Umstand schmälert die Energieeffizienz solcher Anlagen in ganz erheblichem Maße. Hinzu kommt, dass sich die Ausgangsmaterialien für die Biogaserzeugung wie beispielsweise Gülle, Mist oder Futterreste aus wirtschaftlichen Gründen nicht über lange Distanzen transportieren lassen.

Die Energieerzeugung bleibt somit dezentral, was in den letzten Jahren dazu geführt hat, dass immer mehr Aufbereitungs- und Einspeiseanlagen für Biogas errichtet wurden. Dadurch lässt sich die Primärenergieausnutzung erheblich verbessern und der Gesamtwirkungsgrad erhöhen, da sich das eingespeiste Biomethan dort, wo tatsächlich Bedarf besteht, sehr effizient nutzen lässt. Durch die Speicherfähigkeit lassen sich vor allem tageszeitliche Schwankungen sehr gut überbrücken. Bei längerfristigen Schwankungen ist eine Lagerung der Rohstoffe hingegen sinnvoller.

Biogas hat gegenüber Erdgas den Vorteil, dass es nahezu CO2-neutral ist. Das bei der Verbrennung freigesetzte Kohlendioxid wird zuvor in gleicher Menge von Pflanzen im Zuge von deren Wachstum aufgenommen.

2. Reinigung und Veredelung: Aus Biogas wird Biomethan

Das, was in einer Biogasanlage den Fermenter verlässt, wird als Rohbiogas bezeichnet. Es entsteht durch die Vergärung organischer Stoffe in Fermentern, also den für Biogasanlagen typischen großen Gärbehältern. Biogas enthält wie Erdgas hauptsächlich Methan, wobei dessen Anteil jedoch deutlich geringer ausfällt. Dafür kommt Biogas auf höhere Gehalte an Wasserdampf und Kohlendioxid. Hinzu kommen Verunreinigungen durch Ammoniak und Schwefelwasserstoff. Damit Biogas auf Erdgasqualität gebracht werden und folglich auch genau wie dieses verwendet kann, bedarf es einer Aufbereitung zu Biomethan. Biomethan hat einen ähnlichen Heizwert bzw. Brennwert wie Erdgas. Die hierfür erforderlichen Aufbereitungsanlagen befinden sich meist direkt an der Biogasanlage bzw. sind Teil derselben.

Streng genommen, beginnt auch hier – also mit der Biogasproduktion – bereits das Verfahren zur Biogasaufbereitung. Das durch die Vergärung organischer Stoffe gewonnene Rohbiogas wird anschließend der Gasreinigung und -aufbereitung unterzogen, also der Biogasaufbereitung im engeren Sinne. Dieser Teil beinhaltet die Schritte Entschwefelung, Entfeuchtung bzw. Trocknung, Kohlendioxidabscheidung, Sauerstoffentfernung sowie die Entfernung von verbleibenden Spurengasen, sofern erforderlich. Was dabei herauskommt, wird als Reinbiogas bezeichnet. Ob stets alle Schritte benötigt werden, hängt von der weiteren Verwendung des Gases sowie von der geforderten Gasqualität ab.

Für die spätere Nutzung in Blockheizkraftwerken ist beispielsweise die Entschwefelung wichtig, um später eine Korrosion an den Motoren zu vermeiden. Soll das Reinbiogas über die Biogaseinspeisung als Ersatz für Erdgas dienen und folglich auch durch das Erdgasnetz geleitet werden, bedarf es noch der Aufbereitung auf Erdgasqualität, die den letzten Teil der Biogasaufbereitung darstellt. Die hierfür erforderlichen Schritte sind Odorierung, Brennwertanpassung und Druckanpassung. Vor allem der Methangehalt muss im Rahmen der Brennwertanpassung stark erhöht werden, von 50-55 % auf bis zu 98 %. Auf diese Weise wird das Reinbiogas in Biomethan umgewandelt. Die einzelnen Schritte der hier genannten Verfahren werden in den folgenden Kapiteln noch einmal detaillierter behandelt.

3. Entschwefelung und Trocknung von Rohbiogas

Rohbiogas ist nicht nur wasserdampfgesättigt, sondern beinhaltet vor allem auch Methan, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff. Gerade Letzteres kann Probleme bereiten, denn wenn Schwefelwasserstoff mit dem im Gas enthaltenen Wasserdampf in Verbindung tritt, entsteht dadurch Schwefelsäure. Diese ist wiederum dazu in der Lage, Motoren und Bauteile wie beispielsweise Gas- und Abgasleitungen anzugreifen. Darüber hinaus verringern die Schwefelkomponenten die Leistung nachfolgender Reinigungsstufen, wenn beispielsweise auch noch CO2 entfernt werden soll.

Grund genug also, das Rohbiogas im Rahmen der Biogasaufbereitung sowohl einer Entschwefelung als auch einer Trocknung zu unterziehen. Je nachdem, ob bzw. welche Begleitstoffe im Rohbiogas enthalten sind und abhängig vom späteren Einsatzzweck kann es erforderlich sein, noch weitere Maßnahmen zur Gasaufbereitung durchzuführen. Das gilt beispielsweise dann, wenn das Biogas später in Erdgasnetze eingespeist werden soll. Gerade beim Einsatz in Blockheizkraftwerken gelten oftmals herstellerseitig festgelegte Mindestanforderungen, die durch das Gas erfüllt werden müssen, damit ein reibungsloser, störungsfreier und wartungsarmer Betrieb gewährleistet werden kann.

Zum Zwecke der Entschwefelung können nun unterschiedliche Verfahren zum Einsatz kommen, die sich in chemische, physische und biologische unterteilen lassen. Darüber hinaus kann zwischen Grob- und Feinentschwefelung unterschieden werden. Welches der im Folgenden genannten Verfahren im Zuge der Biogasaufbereitung Anwendung findet, hängt in erster Linie von der späteren Nutzung des Biogases ab.

3.1 Biologische Entschwefelung

Die biologische Entschwefelung wird meist direkt im Fermenter durchgeführt. Durch das Bakterium Sulfobacter oxydans wird Schwefelwasserstoff mithilfe von Sauerstoff in Schwefel umgewandelt, der anschließend als Gärrückstand aus dem Reaktor abgeleitet wird. Voraussetzung hierfür sind entsprechende Nährstoffe im Fermenter. Die Bakterien selbst sind bereits vorhanden und müssen daher nicht erst zusätzlich zugeführt werden. Der benötigte Sauerstoff wird durch das Einblasen von Luft bereitgestellt. Das so entschwefelte Gas erfüllt mindestens die Ansprüche für eine Verwendung in Blockheizkraftwerken.

Soll das Rohbiogas später noch auf Erdgasqualität gebracht werden, ist dieses Verfahren ungeeignet, da erhöhte Konzentrationen von Stickstoff und Sauerstoff enthalten sind, die sich nur schwer wieder entfernen lassen und die Brenneigenschaften des Gases signifikant verschlechtern. Um diese Nachteile zu vermeiden, kann die biologische Entschwefelung auch in externen Reaktoren durchgeführt werden, was als Tropfkörperverfahren bezeichnet wird. Hierbei kommen in separaten Behältern Entschwefelungskolonnen zum Einsatz, mit denen es möglich wird, die Anforderungen an die Luft- bzw. Sauerstoffzufuhr genauer einzuhalten. Zur Biomethanaufbereitung ist jedoch auch dieses Verfahren ungeeignet, da es zu einem hohen Lufteintrag kommt.

3.2 Biochemische Gaswäsche

Auch beim sogenannten Biowäscher handelt es sich um ein biologisches Verfahren, das im Gegensatz zum Tropfkörperverfahren sowie zur zuvor beschriebenen internen Entschwefelung auch für die Aufbereitung zu Erdgasqualität herangezogen werden kann. Dieses Verfahren ist zweistufig und besteht aus einer Füllkörperkolonne, einem Bioreaktor und einem Schwefelabscheider. In der Füllkörperkolonne wird der Schwefelwasserstoff mittels einer verdünnten Natronlauge absorbiert. Danach erfolgt im Bioreaktor die Regeneration der Waschlösung mir Luftsauerstoff. Anschließend wird das elementare Schwefel im Schwefelabscheider ausgetragen. Durch eine separate Regeneration wird ein Lufteintrag in das Biogas unterbunden.

3.3 Chemische Entschwefelung

Die chemische Entschwefelung kann bei allen Systemen der Nassvergärung zur Grobentschwefelung eingesetzt werden. Hierbei sind keine Aggregate erforderlich und es entsteht auch kein zusätzlicher Wartungsaufwand. Dieses Verfahren wird im Fermenter eingesetzt, falls die im Gasraum bereits vorhandene biologische Entschwefelung nicht für die geforderte Biogasaufbereitung ausreichen sollte. Es eignet sich zudem für eine nachgeschaltete Feinentschwefelung zum Zwecke einer Biogaseinspeisung.

3.4 Feinentschwefelung durch Aktivkohle

Die Adsorption an Aktivkohle fußt auf der katalytischen Oxidation von Schwefelwasserstoff an der Aktivkohleoberfläche. Damit sich sowohl die Reaktionsgeschwindigkeit als auch die Beladungskapazitäten verbessern lassen, kann die Aktivkohle zuvor imprägniert (z. B. mit Kaliumkarbonat) oder dotiert werden. Dieser Prozess setzt voraus, dass sowohl Wasserdampf als auch Sauerstoff ausreichend vorhanden sind. Imprägnierte Aktivkohle lässt sich somit nicht für luftfreie Gase einsetzen. Anders sieht es bei den dotierten Aktivkohlen aus, denn diese lassen sich sehr wohl für luftfreie Biogase verwenden. Zusätzlich verbessert sich die Entschwefelungsleistung.

4. Trocknung

Im Rahmen der Aufbereitung und der Verwendbarkeit von Biogas ist es besonders wichtig, dass Gasverwertungsaggregate vor zu hohem Verschleiß und Zerstörungen geschützt werden. Auch die Anforderungen nachgelagerter Reinigungsstufen verlangen, dass Wasserdampf aus dem Biogas entfernt werden muss. In erster Linie ist es von der Temperatur des Gases abhängig, wie viel Wasser bzw. Wasserdampf Biogas aufnehmen kann. Im Fermenter beträgt die relative Feuchte von Biogas 100 %, wodurch es als gesättigt gilt. Zur Trocknung von Biogas kommen nun drei Verfahren infrage: Kondensationstrocknung, Adsorptionstrocknung und Absorptionstrocknung.

4.1 Kondensationstrocknung

Bei diesem Verfahren wird das Biogas auf den Taupunkt abgekühlt, damit das Kondensat abgeschieden werden kann. Der Kühlungsvorgang wird meist in einer Gasleitung durchgeführt, die ein Gefälle aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, das Kondensat in einem am tiefsten Punkt installierten Kondensatabscheider zu sammeln. Dieser muss jedoch gut zugänglich sein, um ihn regelmäßig entleeren zu können. Darüber hinaus ist ein frostfreier Einbau wichtig, da es unbedingt zu verhindern ist, dass die Leitung einfriert.

Der Kühleffekt verbessert sich zusätzlich, wenn die Gasleitung unterirdisch geführt wird. Wichtig ist, dass die Leitung eine bestimmte Mindestlänge erreicht, damit ein ausreichender Kühlungseffekt gewährleistet ist. Durch das Kondensat wird nicht nur Wasserstoff abgeschieden, sondern auch weitere nicht erwünschte Inhaltsstoffe wie beispielsweise wasserlösliche Gase und Aerosole. Mit der Kondensationstrocknung lassen sich Taupunkte von 3-5 °C erreichen. Der Wasserdampfgehalt lässt sich so um bis zu 0,15 Vol.-% reduzieren.

4.2 Adsorptionstrocknung

Mit der Adsorptionstrocknung lassen sich schon deutlich bessere Ergebnisse erzielen. Das Verfahren basiert auf Zeolithen, Kieselgelen oder Aluminiumoxid und ermöglicht Taupunkte von bis zu -90 °C. Die Adsorber sind in einem Festbett installiert und werden wechselseitig bei Umgebungsdruck und 6-10 bar betrieben. Das Verfahren eignet sich wegen seiner Ergebnisse für alle nachfolgenden Nutzungsoptionen.

4.3 Absorptionstrocknung

Die sogenannte Glykolwäsche stammt aus der Erdgasaufbereitung. Es handelt sich dabei um ein absorptives Verfahren, bei dem Biogas in einer Absorberkolonne Glykol im Gegenstrom zugeführt wird. Auf diese Weise lassen sich neben dem Wasserdampf auch höhere Kohlenwasserstoffe entfernen. Mit diesem Verfahren zur Biogasaufbereitung lassen sich Taupunkte von bis zu -100 °C erreichen. Es eignet sich in erster Linie für höhere Volumenströme ab 500 m³/h, weswegen es besonders für eine anschließende Biogaseinspeisung infrage kommt.

5. Kohlendioxidabscheidung

Eine Kohlendioxidabscheidung wird vor allem dann benötigt, wenn das Biogas für eine nachfolgende Netzeinspeisung vorgesehen ist. Mittels der Erhöhung des Methangehaltes lässt sich eine entsprechende Anpassung der Brenneigenschaften erzielen. Bei den zu diesem Zweck verwendeten Verfahren handelt es sich in erster Linie um Druckwasserwäschen (DWW), Druckwechseladsorption (PSA) und chemische Wäschen. Welches Verfahren zum Einsatz kommt, hängt von der Beschaffenheit des Biogases, der erreichbaren Produktqualität, den Methanverlusten und den Aufbereitungskosten ab. Die sechs gängigsten Verfahren sollen hier kurz vorgestellt werden.

Druckwechseladsorption (PSA): Mit dem Verfahren der durch Druckwechsel alternierenden physikalischen Adsorption und Desorption lässt sich ein Methangehalt von mehr als 97 % erreichen. Hierfür sind die vorhergehenden Schritte Entschwefelung und Trocknung notwendig. Nachteile liegen im hohen Stromverbrauch, einer geringen Regulierbarkeit der Anlage und in einem hohen Methanschlupf (Methanverlust). Dafür ist der Wärmebedarf gering und es werden keine Prozesschemikalien benötigt.

Druckwasserwäsche (DWW): Hierbei handelt es sich um eine physikalische Absorption mit Wasser als Lösungsmittel, mit dem sich ein Methananteil von mehr als 98 % erzielen lässt. Die Regeneration erfolgt durch eine Druckreduktion. Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass ihm weder Entschwefelung noch Trocknung vorangehen müssen. Darüber hinaus ist eine flexible Anpassung an den Gasvolumenstrom möglich und es finden auch hier keine Chemikalien Verwendung. Zwar gibt es keinen Wärmebedarf, dafür jedoch einen hohen Bedarf an Strom. Auch bei diesem Verfahren ist der Methanschlupf relativ hoch.

Aminwäsche: Mit der chemischen Absorption mittels Waschlauge und einer Regeneration durch Wasserdampf lässt sich ein Methangehalt von über 99 % erzielen. Das Verfahren eignet sich nur für kleine Gasvolumenströme, kommt mit geringen Strommengen aus, hat dafür jedoch einen hohen Wärmebedarf. Der Methanschlupf fällt vergleichsweise gering aus. Zudem besteht ein hoher Waschmittelbedarf.

Genosorbwäsche: Hierbei handelt es sich um das gleiche Verfahren wie bei der Druckwasserwäsche mit dem Unterschied, dass statt Wasser nun Genosorb als Lösungsmittel eingesetzt wird. Der Strombedarf ist etwas höher und es kommt ein geringfügiger Wärmebedarf hinzu. Mit diesem Verfahren lässt sich ein Methananteil von mehr als 96 % erreichen.

Membrantrennverfahren: Hierbei werden Porenmembranen mit Druckgefälle zur Gastrennung eingesetzt. Der erreichbare Methangehalt liegt bei 96 %. Dieses Verfahren wird nur relativ selten eingesetzt. Es bringt einen hohen Strombedarf bei geringem Wärmebedarf mit sich und erfordert sowohl eine vorhergehende Entschwefelung als auch Trocknung. Es werden keine Prozesschemikalien benötigt und der Methanschlupf ist relativ hoch.

Kryogene Verfahren: Dieses Verfahren zur Tiefentemperaturtrennung basiert auf einer Gasverflüssigung durch Rektifikation und befindet sich noch in der Testphase. Der erreichbare Methananteil soll bei 98 % liegen. Auch hier sind wieder Entschwefelung und Trocknung nötig. Der Strombedarf fällt sehr hoch aus, dafür ist der Methanschlupf minimal und es werden keine Chemikalien benötigt.

6. Sauerstoffentfernung

Soll Biomethan in das Erdgasnetz eingespeist werden, kommt der Entfernung von Sauerstoff eine größere Bedeutung zu, um Regelungen und Vereinbarungen zu genügen. Zwei Aufbereitungsverfahren haben sich in der Vergangenheit besonders hervorgetan: die katalytische Entfernung an Palladium-Platin-Katalysatoren und die Chemisorption an Kupferkontakten.

7. Entfernung von Spurgasen

Zu den im Biogas enthaltenen Spurgasen zählen beispielsweise Ammoniak, Siloxane sowie BTX. Handelt es sich um Biogas aus landwirtschaftlichen Biogasanlagen, ist jedoch nicht damit zu rechnen, dass diese Stoffe in größeren Mengen auftreten. Meist liegen die Belastungen unter den Anforderungen des DVGW-Regelwerkes und sind in vielen Fällen auch überhaupt nicht nachweisbar. Oftmals werden die Spurgase auch schon im Zuge vorangegangener Reinigungsverfahren der Biogasaufbereitung mit entfernt.

8. Aufbereitung von Biogas auf Erdgasqualität

Wurden die einzelnen Reinigungsstufen durchlaufen, bedarf es gegen Ende der Biogasaufbereitung noch einer Anpassung an die geforderte Erdgasqualität. Die Anforderungen leiten sich aus den Eigenschaften des anliegenden Erdgases ab. Für Biogasproduzenten ist jedoch nur von Relevanz, dass sie die Vorgaben aus den DVGW-Arbeitsblättern G 260 und G 262 erzielen. Die Feinanpassung liegt dann im Verantwortungsbereich des jeweiligen Netzbetreibers, der folglich auch die laufenden Betriebskosten zu tragen hat. Bei der finalen Aufbereitung auf Erdgasqualität sind drei Punkte zu beachten: Odorierung, Brennwertanpassung und Druckanpassung.

8.1 Odorierung

Bei der Odorierung werden dem eigentlich geruchlosen Biomethan permanent Geruchsstoffe zugesetzt. Dies dient dazu, dass Leckagen vom Geruchssinn überhaupt wahrgenommen werden können. Hierbei kommen in erster Linie schwefelhaltige organische Verbindungen wie beispielsweise Mercaptane oder Tetrahydrothiophen zum Einsatz. In den vergangenen Jahren wurden aber auch vermehrt schwefelfreie Odoriermittel verwendet, was sowohl technische als auch ökologische Gründe hat.

8.2 Anpassung des Brennwerts

Im nächsten Schritt erfolgt eine Brennwertanpassung. Biomethan muss die gleichen Brenneigenschaften wie das anliegende Erdgas haben. Diese Eigenschaften werden anhand des Brennwerts, der relativen Dichte und des Wobbeindex festgelegt, wobei die tatsächlichen Werte innerhalb des zulässigen Schwankungsbereichs liegen müssen. Die relative Dichte darf dabei aber auch vorübergehend überschritten, der Wobbeindex unterschritten werden. Ist der Brennwert im Biogas zu hoch, kann dieser durch die Zugabe von Luft reguliert werden. Ist er zu niedrig, wird Flüssiggas beigemischt, wobei es sich in den meisten Fällen um ein Propan-Butan-Gemisch handelt. Die Zugabe von Flüssiggas wird jedoch durch die Gefahr der Rückverflüssigung in Hochdruckanwendungen (z. B. Speicher) begrenzt.

8.3 Anpassung des Drucks

Damit sich das Biomethan in die unterschiedlichen Netzebenen einspeisen lässt, muss dessen Druck knapp über dem vorherrschenden Netzdruck liegen. In der Regel kommen drei Einspeisestufen infrage:

  • Niederdrucknetze mit weniger als 0,1 bar,
  • Mitteldrucknetze mit 0,1 bis 1 bar,
  • Hochdrucknetze ab 1 bar und
  • Höchstdrucknetze ab 16 bar.

Die nötige Verdichtung wird mithilfe von Schrauben- und Kolbenkompressoren herbeigeführt. Einige Verfahren im Rahmen der Biogasaufbereitung geben das aufbereitete Biogas bzw. Biomethan bereits mit einem Arbeitsdruck von 5 bis 10 bar ab. In solchen Fällen kann, je nach anliegendem bzw. gefordertem Netzdruck, keine Verdichterstation mehr nötig sein.

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