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Bioenergie, Erdwärme, Wasserkraft

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Biogas mit hochselektiver Membran aufbereiten

Text: Jürgen Tenbrink, Carsten Steentjes, Envitec Biogas Fotos: Envitec Biogas, Evonik Industries
Biogas gewinnt als heimischer, dezentraler und klimaverträglicher Energieträger kontinuierlich an Bedeutung. Besonderes Potenzial bietet das Aufbereiten von Biogas zu Biomethan, das ins öffentliche Erdgasnetz eingespeist werden kann. Eine hocheffiziente Membrantechno­logie zur Biogasaufbereitung kann den Anteil des energiereichen Methans von etwa 50 Prozent auf bis zu 99 Prozent erhöhen.

Einer der großen Vorteile von Biogas gegenüber anderen erneuerbaren Energien ist die Tatsache, dass sich Biogas zu Bio-methan aufbereiten und in die bestehende Erdgasinfrastruktur einspeisen lässt. Der Verbraucher erhält ein umweltfreundliches, CO2-neutrales Gas. Biomethan kann auf diese Weise fossiles Erdgas ersetzen und die Energiewende auch in der Gaswirtschaft vorantreiben. Zum Einspeisen in das Erdgasnetz muss Rohbiogas jedoch zuvor von Schwefelwasserstoff (H2S), Ammoniak (NH3) und Kohlendioxid (CO2) befreit werden. Bisher gängige Verfahren wie die Druckwechseladsorption oder die Druckwasserwäsche haben einige gewichtige Nachteile: Sie benötigen Hilfschemikalien, viel Energie und erzeugen Abwasser, das wiederum zu reinigen ist.

Eine von Evonik Industries entwickelte Gastrennung mit Polymermembranen - Sepuran Green - bringt hier Energie- und Kosteneffizienzvorteile [1]. Das Verfahren ist flexibel und damit sowohl für Klein- als auch für Großanlagen anwendbar. Envitec stattet daher ihre Envithan-Anlagen zum Aufbereiten von Biogas in Bioerdgas mit den Membranmodulen aus.

Biogasanlagenbetreiber können mit der neuen Technologie von den Vorteilen profitieren, die das novellierte Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) für aufbereitetes Biogas vorsieht: Nach dem Willen der Bundesregierung soll Bioerdgas zunehmend fossiles Erdgas ersetzen. Bis 2020 sollen jährlich 60 Milliarden Kilowattstunden, bis 2030 rund 100 Milliarden Kilowattstunden erzeugt und ins Netz eingespeist werden [2]. Mit dem neuen EEG 2012 erhalten Betreiber von Blockheizkraftwerken (BHKW), die aufbereitetes Biogas nutzen, einen erhöhten Gasaufbereitungsbonus auf die Stromvergütung. Das macht den Markt für Bioerdgas neben den möglicherweise in den nächsten Jahren steigenden Erdgaspreisen auch für Biogasanlagenbetreiber attraktiver.

Gastrennung mit Hohlfasermembran

Doch wie funktioniert die Membrantechnologie? Hierzu ist es notwendig, zuerst den Gärprozess in einer Biogasanlage zu beleuchten: Bei der Vergärung von Biomasse entsteht ein Gas aus Methan und Kohlendioxid sowie in kleinen Mengen Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und gegebenenfalls Ammo-niak. Je höher der Anteil an Methan ist, desto energiereicher ist das Gas. Auf dem Weg vom Biogas zum Biomethan in Erdgasqualität wird das Rohgas zunächst gereinigt und verdichtet. Anschließend folgt der wichtigste Schritt: das weitest mögliche Abtrennen von CO2und Wasserdampf mittels einer hochselektiven Hohlfasermembran. Grundsätzlich arbeiten solche Membranen nach dem Prinzip der selektiven Permeation durch die Membranoberfläche. Die sogenannte Permeationsrate jedes Gases hängt von der Löslichkeit im Membranmaterial sowie von der Diffusionsrate des Gases ab. Gase, die eine höhere Löslichkeit sowie eine geringere Molekulargröße haben, durchdringen die Membran sehr schnell. Weniger lösliche Gase durchdringen die Membran langsamer. Hinzu kommt, dass unterschiedliche Membranmaterialien unterschiedlich trennen. Die zum Trennen von Gasen benötigte Triebkraft wird über ein Partialdruckgefälle erreicht. Die sogenannte Partialdruckdifferenz beschreibt das Partialgefälle zwischen der Innenseite der Hohlfaser, der Retentatseite, und der Außenseite der Hohlfaser, der Permeatseite. Je größer die Differenz hier ist, desto mehr permeiert durch die Membran. Bei einer Trennung von CO2und CH4, wie dies bei der Biogasaufbereitung der Fall ist, permeiert Kohlendioxid durch die Membran sehr stark, während das Methan eher zurückgehalten wird.

Die Technologie nutzt vereinfacht ausgedrückt die unterschiedliche Größe von Gasmolekülen: Da Kohlendioxidmoleküle kleiner sind als Methanmoleküle, können sie die Mikro-poren der Membran wesentlich schneller durchwandern, siehe Abbildung 1. Während der überwiegende Teil des CO2sowie Wasserdampf das molekulare Sieb passieren, sammelt sich das wertvolle Methan an der Hochdruckseite der Membran. Im nächsten Schritt wird das aufbereitete Biomethan zur Einspeisestation geleitet und dort vom Netzbetreiber weiterbehandelt oder direkt in das Erdgasnetz eingespeist. Das CO2-angereicherte Abgas wird dann in einer regenerativ-thermischen Oxidation (RTO) nachbehandelt. Seit Anfang 2011 nutzt Evonik diese Technologie in einer Biogasanlage in Österreich und reinigt Methan aus Rohbiogas auf einen Gehalt von mehr als 98 Prozent.

Hochleistung durch Separation und Druck

Jedes Sepuran-Green-Modul setzt sich zusammen aus mehreren tausend feinen Hohlfasern, die an ihren Enden in Harz eingebettet und dann in einem Edelstahlrohr gebündelt werden, siehe Abbildung 2. Die Fasern werden aus Hochleistungskunststoffen hergestellt, die sich durch große Druck- und Temperaturbeständigkeit auszeichnen. Die Membranen dienen, wie oben bereits beschrieben, zum Trennen von Gas und werden in Form von feinen Hohlfäden über einen Phasen-inversionsprozess hergestellt. Ein Lösemittel sorgt dafür, dass die Fasern beim Durchgang durch die Spinndüse ausgehöhlt werden. Es entstehen so dünne Hohlfasern mit einem Außendurchmesser von wenigen 100 Mikrometern und einer Mem-branwandung von weniger als 100 Mikrometer Stärke. In dem sogenannten Hohlfasermodul wird es zu einer Funktions-einheit zusammengefasst. Das Hohlfasermodul wiederum besteht aus einem Bündel von mehreren Tausend Hohlfasern, die in ein Rohr eingeführt werden. Die Enden des Rohrs werden in ein Harz eingebettet. Erst jetzt kann das fertige Modul mit einen Gasgemisch unter Druck beaufschlagt werden, wobei der Druckunterschied zwischen der Retentatseite und der Permeat-seite des Membranmoduls dafür sorgt, dass CO2und Wasserdampf abgetrennt werden und das Methan zurück-gehalten wird. Die besondere Leistung des Membranmoduls besteht also in der intelligenten Selektion, das heißt des Durchtritts des CO2und dem Gewinnen des Methans. So ist es mittlerweile möglich, den Methananteil im Abgas auf unter 0,5 Prozent zu bringen. Da das Methan an der Hochdruckseite abgezogen wird, steht es unter Druck zur Verfügung und muss je nach Netzdruck nicht verdichtet werden. Weitere Aufbereitungsmaßnahmen sind in der Regel nicht mehr notwendig.

Reduzierte Betriebskosten

Die Vorteile des oben beschriebenen Membranverfahrens liegen für Anlagenbauer aber auch für Biogasanlagenbetreiber auf der Hand: Aufgrund der hochselektiven Hohlfasermembran steigert die Envithan-Technologie von Envitec den Methangehalt auf bis zu 99 Prozent. Zudem ist ein Methanschlupf von weniger als 0,5 Prozent möglich. Durch die modulare Bauweise ist die Technik schnell und kostengünstig installiert und lässt sich aus Sicht des Anlagenbaus flexibel an unterschiedliche Qualitätsanforderungen und Leistungskapazitäten anpassen. Die eingebaute Technik ist einfach und robust. Das bedeutet einen geringen Betriebs- und Wartungsaufwand, was wiederum Zeit und Kosten spart. Die Membrane sind langlebig und in der Regel wartungsfrei. Die Anfahrtszeit einer Envithan-Anlage bis zur vollen Leistungsfähigkeit beträgt nur wenige Minuten und auch ein Teillastbetrieb ist aufgrund guter Regelbarkeit über Druck und Volumenstrom möglich.

Anders als andere Methoden zur Gasaufbereitung erfordert die beschriebene Technologie keine Chemikalien, weder Wasser noch andere Hilfsmittel. Nach dem Separationsprozess ist außerdem keine weitere Gastrocknung notwendig. Wenn das Produktgas die Membran verlässt, ist es so weit entfeuchtet, dass es direkt ins öffentliche Gasnetz eingespeist werden kann.

Im Vergleich zu anderen Verfahren benötigt die Membrantechnologie wenig Energie. Zudem kann die bei der Aufbereitung entstehende Wärme zum großen Teil zurückgewonnen und verwertet werden. Ein weiterer Vorteil liegt im direkten Einspeisen des Gases ins Erdgasnetz: Während bei anderen Verfahren der Druck des Produktgases nicht ausreicht und nachträglich verdichtet werden muss, kann das mit der Envithan-Technologie aufbereitete Gas oftmals direkt ins öffentliche Netz eingespeist werden. Der Grund liegt in dem geringen Druckverlust im System. Er sorgt dafür, dass der Ausgangsdruck nur geringfügig unter dem Arbeitsdruck liegt.

Weniger Treibhausgase mit Bioerdgas

Noch werden bis zu 80 Prozent des in Deutschland verbrauchten Erdgases importiert. Aufbereitetes Bioerdgas kann dazu beitragen, einen hohen Anteil des Erdgasverbrauchs aus heimischen nachwachsenden Rohstoffen und organischen Reststoffen zu decken. So lässt sich auch der Ausstoß von Treibhausgasen verringern. Der Grund: Bei der Verbrennung von Biomethan wird nur so viel Kohlendioxid frei, wie die zum Erzeugen verwendeten Substrate vorher gebunden haben. Die Folge ist eine im Idealfall klimaneutrale Nutzung.

Weitere Informationen

[1] www.sepuran.de

[2] Gasnetzzugangsverordnung (GasNZV), §41a

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