Gaseinspeisung: Das Angebot wächst Wer Biogas ins Erdgasnetz einspeisen möchte, kann zwischen mehreren Verfahren wählen. Wo liegen die Stärken und Schwächen der Systeme? Zu teuer, zu aufwändig und zu kompliziert: Das waren bis vor wenigen Jahren die drei großen Hürden für landwirtschaftliche Biogasanlagen, die ihr Gas ins öffentliche Erdgasnetz einspeisen wollten. Das Blatt wendet sich aber. So ist die Einspeisung heute eine echte Alternative zur reinen Stromerzeugung. Siehe auch EnergieMagazin 3/2009, ab Seite 8. Doch bevor Biogas ins Erdgasnetz eingespeist 8 werden kann, muss es entschwefelt, getrocknet, von Kohlendioxid befreit und an die Druckstufe des Gasnetzes angepasst werden. Dazu bieten mittlerweile rund ein Dutzend Firmen entsprechende Techniken an. Zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik Umsicht in Oberhausen haben wir die verschiedenen Verfahren unter die Lupe genommen und bewertet. Verlegen einer Erdgasleitung. In Deutschland gibt es Ferntransportnetze, in denen das Erdgas mit rund 84 bar Druck fließt. Verteilt in die Regionen wird es über regionale Leitungen (16 bar), kommunale Netze (1 bar) und Haushaltsleitungen (20 mbar). 1. Druckwechseladsorption Bei diesem Verfahren wird das Biogas zunächst mit 4 bis 7 Bar verdichtet und auf unter 40 Grad Celsius abgekühlt. Anschließend strömt es durch einen turmförmigen Festbettreaktor (Adsorber). Dieser enthält ein Molekularsieb aus Aktivkohle, das wiederum aus unzähligen kleinen Poren besteht. Der Clou: Die Poren nehmen vor allem kleine Moleküle wie Kohlendioxid und andere Verunreinigungen (Stickstoff, Wasserdampf usw.) aus dem Gas auf, während das Methan zum großen Teil den Adsorber wieder verlässt. Das Biogas wird so lange durch das Sieb gedrückt, bis dieses kein Kohlendioxid mehr aufnehmen kann und gesättigt ist. Danach reduziert die Aufbereitungstechnik den Druck automatisch und saugt anschließend das Kohlendioxid und die übrigen Verunreinigungen aus dem Sieb ab. Um die Biogasreinigung nicht unterbrechen zu müssen, statten die meisten Hersteller dieser Technologie ihre Anlagen mit mehreren Adsorbern aus. So kann gleichzeitig das Gas und der Filter gereinigt werden. Neben Kohlendioxid werden laut Hersteller auch andere Verunreinigungen wie Stickstoff, Sauerstoff, Ammoniak und Wasserdampf aus dem Gas entfernt. Die Reinheit des Gases wäre damit sehr hoch. In der Praxis wird das System bislang am häufigsten eingesetzt. Daher gibt es bereits relativ viele Erfahrungen. Es wird keine Wärme für die Aufbereitung der Filter benötigt. Es sind keine Chemikalien für die Reinigung des Biogases notwendig. Es fällt kein Abwasser an. j
Einspeiseanlagen trimmen Biogas auf Erdgasqualität. Fotos: Getty Images, Heil, Landpixel, Werkbild 9
Relativ hoher Stromverbrauch: Je Kubikmeter Rohgas liegt dieser bei etwa 0,25 Kilowattstunden. Das Gas muss mit Druck durch die Filter geschickt werden. In der Regel mit 4 bis 7 Bar. Das ist allerdings nur dann ein Nachteil, wenn in ein Gasnetz mit einem geringen Druck eingespeist werden soll. Wenn hingegen das Gas in ein Hochdrucknetz fließt, kann sich dies auch als Vorteil herausstellen. Lesen Sie hierzu auch den Kasten So finden Sie das richtige System für Ihre Anlage. Beim Reinigen des Gases nehmen die Filter auch immer etwas Methan auf. Daher finden sich von den 100 % Methan im ungereinigten Rohbiogas nur rund 96 % im Endprodukt wieder. Die Methanverluste sind somit relativ hoch. Experten sprechen auch von Methanschlupf. Allerdings ist der Verlust von Hersteller zu Hersteller verschieden und variiert je nach Betriebsweise. So geben einige Unternehmen den Methanschlupf mit 2 % an, andere beziffern ihn sogar auf bis zu 10 %. Das Rohgas muss zuvor entschwefelt und getrocknet werden, bevor es aufbereitet werden kann. 10 Die Biogaseinspeisung war bislang großen Anlagen vorbehalten. Die Technik wird aber immer günstiger. Davon profitieren kleine Anlagen. 2. Membrantrennverfahren Dieses Verfahren macht sich die unterschiedliche Molekülgröße von Kohlendioxid und Methan zunutze. So wandern die Kohlendioxid-Moleküle sehr viel schneller durch eine Membran als Methan. Vereinfacht gesagt: Wird Biogas durch eine Membran geschickt, trennt diese es in zwei verschiedene Gase auf: Eines mit einem relativ hohen Methananteil und eines, das fast ausschließlich aus Kohlendioxid besteht. Experten unterscheiden zwischen dem nassen und trockenen Membrantrennverfahren. Bei letzterem entweicht das Kohlendioxid als Gas aus der Membran. Bei der nassen Variante wird das Kohlendioxid an der Membran in Wasser gebunden und dann abgetrennt. Die Technik ist relativ einfach und preiswert. Der Aufbau der Anlage ist kompakt und daher platzsparend. Das Rohgas muss auf bis zu 15 bar verdichtet werden. Damit verbunden sind hohe Stromkosten (0,35 bis 0,4 Kilowattstunden je Kubikmeter Rohgas). Hohe Methanverluste von bis zu Blick auf einen Container mit einer Aminwäsche. Sie kann bis zu 3 000 m 3 Rohgas pro Stunde aufbereiten. 15 % und ein Reingas mit einem Methangehalt von etwa 95 %. Diese Werte lassen sich allerdings verbessern, wenn ein zweistufiges Verfahren gewählt wird. Das gereinigte Gas aus dem ersten Durchlauf wird dazu noch einmal durch eine Membran geschickt, was allerdings die Betriebskosten stark nach oben schraubt. Es gibt erst wenige Erfahrungen. 3. Waschverfahren Bei den Wäschen wird zwischen den physikalischen Wäschen (Druckwasserwäsche und Genosorb-Wäsche) sowie der chemischen Wäsche (Aminwäsche) unterschieden. Druckwasser-Wäsche Bei diesem Verfahren machen sich die Hersteller den physikalischen Effekt zunutze, dass sich Gase in Flüssigkeiten lösen. Dazu wird das Biogas mit 4 bis 7 bar verdichtet und von unten durch eine so genannte Absorptionskolonne geleitet. Gleichzeitig wird von oben Wasser in den Tank versprüht. Während das Gas mit der Flüssigkeit in Kontakt kommt, löst sich dabei vor allem das Kohlendioxid. Der Clou: Da Kohlendioxid sich schneller löst als Methan, bleibt letzteres zum größten Teil gasförmig und wird nicht ausgewaschen, sondern verlässt die Box am oberen Ende. Das Abwasser fließt an der untersten Seite ab und strömt in die so genannte Desorptionskolonne.
Dort wird es für den nächsten Waschgang aufbereitet. Das Verfahren hat sich in der Praxis etabliert; es gibt bereits viele Praxiserfahrungen. Es wird keine zusätzliche Wärme benötigt, um das Gas zu reinigen. Die Methanverluste sind mit weniger als 2 % relativ gering. Das gereinigte Gas hat einen Methangehalt von mindestens 97 %. Als Betriebsmittel ist nur Wasser notwendig, das zudem überall preiswert verfügbar ist. Das Rohgas muss vor der Reinigung nicht entschwefelt oder getrocknet werden. Allerdings wird zumindest eine Entschwefelung von den meisten Herstellern empfohlen, weil es andernfalls zu Verstopfungen kommen kann. Die Druckwasserwäsche ist relativ flexibel. So kann der Methangehalt im Endprodukt gut an die jeweiligen Bedürfnisse im Erdgasnetz angepasst werden. Schwefelwasserstoff und Ammoniak werden bei diesem Verfahren ebenfalls aus dem Rohgas entfernt. Der Stromverbrauch ist wegen der notwendigen Verdichtung des Rohgases vor der eigentlichen Reinigung relativ hoch (rund 0,25 kwh je Kubikmeter Rohgas). Es fällt schwefelhaltiges Abgas aus der Aufbereitung Weitere Infos Weitere Infos zum Thema Gaseinspeisung finden Sie im Internet unter www.biogaseinspeisung.de Zu den Kosten der einzelnen Verfahren haben wir einen Leserservice auf www.topagrar.com zusammengestellt. an, das evtl. mit einem Biofilter gereinigt werden muss. Genosorb-Wäsche Dieses Verfahren wird derzeit von nur einem Hersteller angeboten. Vom Prinzip gleicht es der Druckwasserwäsche. Mit einer Ausnahme: Der Hersteller nutzt anstatt Wasser eine spezielle Waschflüssigkeit, die eine sehr viel höhere CO 2 -Löslichkeit hat. Durch die spezielle Waschflüssigkeit kann mehr Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff aufgenommen werden. Auch die Wasseranteile im Biogas lassen sich besser herausfiltern. Das Rohgas wird gleichzeitig entschwefelt und getrocknet. Wie bei der Druckwasserwäsche kann die Gasqualität an die Bedürfnisse des Erdgasnetzes angepasst werden. Bei hohen Gasqualitäten steigen die Betriebskosten stark an. Das Rohgas muss auf 4 bis 7 bar verdichtet werden, was mit einem hohen Stromverbrauch einhergeht (0,24 bis 0,30 Kilowattstunden pro Kubikmeter Rohgas). Relativ hohe Methanverluste (2 bis 4 %). Die Waschflüssigkeit wird mithilfe von Wärme aufbereitet. Dazu sind Temperaturen von 50 bis 80 Grad Celsius notwendig. Es gibt bislang erst wenige Referenzen. Amin-Wäsche Auch diese Verfahren ähneln dem der Druckwasserund der Genosorbwäsche. Allerdings werden hierbei die Gase nicht mithilfe physikalischer Kräfte gelöst, sondern mit einer chemischen Reaktion des CO 2 mit Aminen. Zum Einsatz kommen auch hier spezielle Waschmittel. j 11
So finden Sie das richtige System für Ihre Anlage Die verschiedenen Gaseinspeise- Verfahren lassen sich nicht nach geeignet und ungeeignet sortieren. Vielmehr entscheidet der Standort über das System. Verdichtung: Ein Kriterium, anhand dessen eine Auswahl getroffen werden kann, ist die Frage nach dem Druck im Erdgasnetz, in das eingespeist werden soll. Verlangt der Netzbetreiber beispielsweise einen hohen Druck, so haben die Druckwechseladsorption, die Druckwasserwäsche und das Genosorb-Verfahren ihre Stärken. Speisen Sie hingegen in ein Niederdrucknetz ein, dann sind die Aminwäschen eine interessante Alternative. Methanverluste: Wer den Technologie-Bonus nach dem EEG in Anspruch nehmen will, sollte die Methanverluste im Blick haben. Experten sprechen auch vom Methanschlupf. Als maximaler Grenzwert werden 0,5 % Methan im Abgas toleriert mehr nicht! Die Druckwechseladsorption, Druckwasserwäsche und das Genosorb-Verfahren schaffen diesen Wert zwar auch, aber nur mit einer Abgasnachbehandlung, was die Investitionskosten wiederum nach oben schraubt. Die Aminwäschen sind hingegen mit Methanverlusten von weniger als 0,1 % in diesem Punkt klar im Vorteil. Kosten: Der Einfluss der Investitionskosten auf die gesamten Kosten pro Kubikmeter Biogas ist relativ gering. Vor allem der Strom- und Wärmeverbrauch der verschiedenen Varianten ist entscheidend. Mit Blick auf den Strombedarf sind die Aminwäschen im Vorteil. Die Druckwechseladsorption, die Druckwasserwäsche und das Genosorb-Verfahren bewegen sich im Mittelfeld. In diesem Punkt schneidet das Membrantrennverfahren hingegen schlecht ab. Berücksichtigt man nur den Wärmebedarf, so sind vor allem die Aminwäschen wiederum im Nachteil. Sie benötigen 160 Grad Celsius für die Aufbereitung des Waschwassers. Das Genosorb-Verfahren rund 55 bis 80 Grad Celsius. Für diejenigen, die die Prozesswärme kostengünstig zur Verfügung stellen können, ist dieser Punkt hingegen weniger entscheidend und der Stromverbrauch dürfte den Ausschlag bei der Auswahl des Gaseinspeise-Verfahrens geben. -ro- Das Biogas muss vor der Reinigung nicht verdichtet werden. Die Methanverluste sind mit weniger als 0,1 % sehr gering. Der Stromverbrauch der Aminwäsche ist relativ gering, weil das Rohgas vorher nicht verdichtet werden muss. Der Strombedarf liegt bei weniger als 0,15 Kilowattstunden pro Kubikmeter Rohgas. Das Verfahren ist preiswert, wenn die 12 Prozesswärme für Aufbereitung des Waschmittels günstig zur Verfügung gestellt werden kann. Es ist eine Entschwefelung des Gases im Vorfeld notwendig. Es wird Wärme für die Reinigung des Waschmittels benötigt. Dafür sind rund 160 Grad Celsius notwendig. Daher ist die Aminwäsche nur wirtschaftlich, wenn die Wärme preiswert zur Verfügung gestellt werden kann. Es gibt bislang nur relativ wenige Referenzen. Diethard Rolink In der folgenden Marktübersicht stellen wir die derzeit am Markt verfügbaren Gasaufbereitungstechniken vor.