Biogas - das Multitalent unter den erneuerbaren Energien
Biogas ist eine umweltfreundliche Energiequelle. Es kann zur Wärmeerzeugung oder als Kraftstoff genutzt werden. Doch bevor Biogas in das Erdgasnetz eingespeist werden kann, ist ein aufwändiger Aufbereitungsprozess notwendig. Hochselektive Polymermembranen SEPURAN® Green von Evonik wandeln Rohbiogas einfach und effizient in hochreines Biomethan und Bio-CO2 um, das auch als wertvolle Rohstoffquelle genutzt werden kann.
Gängige Trennverfahren wie die Druckwasserwäsche, die Druckwechseladsorption und die Aminwäsche haben erhebliche Nachteile: Sie benötigen vergleichsweise große Mengen an Energie sowie Hilfsstoffe und Chemikalien. Es fallen Abfälle und Abwässer an, die behandelt und entsorgt werden müssen. Außerdem hat das Biogas nach der Aufbereitung meist einen niedrigen Druck. Bevor es in ein Mitteldrucknetz eingespeist wird, muss es z.B. durch einen zusätzlichen Verdichter auf 15-20 bar verdichtet werden. Konventionelle Aufbereitungsanlagen sind daher in der Regel erst ab einer Rohbiogasmenge von deutlich über 500 Normkubikmetern pro Stunde (Nm³/h) wirtschaftlich. Damit sind sie für eine dezentrale Energieversorgung mit einer Vielzahl von relativ kleinen Anlagen meist ungeeignet.
Neben diesen Technologien zur Biogasaufbereitung hat sich in den letzten Jahren zunehmend die membranbasierte CO2-Entfernung aus dem Biogasstrom etabliert. Dank hocheffizienter und hochselektiver Membranen ist es möglich, CO2 in einem kompakten 3-stufigen Prozess nahezu vollständig von Methan zu trennen. In einigen europäischen Ländern wie Frankreich, Schweiz, Italien oder Großbritannien haben Membranverfahren zur Biogasaufbereitung bereits einen Marktanteil von >60%. Der Vorteil von Membranaufbereitungsanlagen gegenüber herkömmlichen Technologien liegt u.a. in der Einfachheit des Verfahrens und dem geringen Wartungsaufwand. Natürlich wird die Verbreitung von Biogasaufbereitungsanlagen auch von den lokalen Gegebenheiten und Vorschriften sowie von nationalen Förderungen beeinflusst.
EFFIZIENTE BIOGASAUFBEREITUNG MIT POLYIMDE-MEMBRANEN
Polyimidmembranen sind die am häufigsten verwendeten Membranaufbereitungssysteme. Hatten Membranverfahren um die Jahrhundertwende noch mit mangelnder Effizienz in Bezug auf Ausbeute und Selektivität zu kämpfen, konnte dieser Nachteil durch eine verbesserte Prozessführung und eine verbesserte Selektivität dank neuer Polymerlösungen beseitigt werden. Evonik stellt bereits seit den 1980er Jahren Hochleistungskunststoffe auf Polyimidbasis her, die zu Hochleistungsfiltermaterialien verarbeitet werden. In Form von Filterschläuchen werden diese zum Beispiel sehr erfolgreich in der Rauchgasreinigung eingesetzt. Grundlage dieses Erfolges ist u.a. die hohe Temperatur- und Schadstoffbeständigkeit im Rauchgas. Filtern oder Trennen ist auch im neuen Einsatzgebiet dieses Hochleistungskunststoffs die Hauptaufgabe. Das entsprechende Polyimid und seine Eigenschaften wurden entsprechend modifiziert und weiterentwickelt, um in einem neuen Anwendungsfeld anstelle von Stäuben aus Rauchgas Gasmoleküle voneinander zu trennen.
Entscheidend ist dabei nicht nur das richtige Material, sondern auch die Form der Filter. Dazu ist es notwendig, das Polymer zu feinen Hohlfasern zu spinnen und gleichzeitig Eigenschaften zu schaffen, die eine hocheffiziente und energiesparende Trennung von Gasgemischen wie Stickstoff und Sauerstoff oder Methan und CO2 voneinander ermöglichen. Die Gastrennung mittels Membrantechnologie macht sich die unterschiedlichen Molekülgrößen und molekularen Wechselwirkungen zunutze. Aus diesen Hohlfasermembranbündeln werden Membrankartuschen und Module hergestellt, die als Membransysteme zur Gastrennung eingesetzt werden.
Nach der Aufbereitung des Biogases können seine Bestandteile auf vielfältige Weise genutzt werden:
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ANWENDUNGEN |
BESCHREIBUNG |
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Das chemische Molekül von Biomethan ist das gleiche wie das von Erdgas - CH4. Biomethan kann daher in chemischen Prozessen als Erdgasäquivalent verwendet werden. |
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Biomethan kann als Energiequelle für Heizzwecke oder sogar für die Stromerzeugung verwendet werden, um Erdgas vollständig zu ersetzen und die CO2-Emissionen zu senken. |
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Verflüssigtes Biomethan - Bio-LNG - ist bereits heute eine bewährte Technologie für den umweltfreundlichen Transport von Gütern und trägt zur Reduzierung von Abgasemissionen bei. |
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Komprimiertes Biomethan - Bio-CNG - hingegen ist eine großartige erneuerbare Kraftstoffalternative für Kommunalfahrzeuge wie Müllwagen oder Stadtbusse. |
Nachwachsende Rohstoffe für verschiedene Anwendungen
HOCHREINES BIOMETHAN MIT 3-STUFIGEM VERBUND
Bei der Biogasaufbereitung wird das Rohgas komprimiert und in das Innere der Hohlfasermembran geleitet (Feed-Seite), das CO2 wird aufgrund der Eigenschaften der Membran hauptsächlich nach außen geleitet (Permeat-Seite), das Methan sammelt sich am Ende der Membran (Retentat-Seite) in hochkonzentrierter Form. Durch die mehrstufige Verschaltung ist es möglich, eine Trennung des Gasgemisches von nahezu 100% zu erreichen, in der Regel liegt das Methan mit einer Reinheit von >95% und CO2 mit einer Reinheit von >99% vor. Je nach Anwendung sind auch höhere Reinheiten möglich.
Ein kleiner Teil der in den letzten Jahren in Übersee realisierten Biogasaufbereitungsanlagen mit SEPURAN®-Membranen wurde mit einem 2-stufigen Membranverfahren ausgestattet. Die gewünschte Produktqualität kann zwar beliebig eingestellt werden, aber aufgrund des damit einhergehenden Methanverlustes ist diese Verschaltung für europäische Standards nicht ausreichend. Auf dem europäischen Kontinent hat sich aufgrund der höchsten Effizienz beim Einsatz der SEPURAN® Green Membrane das 3-stufige Aufbereitungsverfahren durchgesetzt. Dabei sind Stufe 1 und Stufe 2 in Reihe geschaltet, Stufe 3 ist jedoch parallel zu Stufe 1 geschaltet. Mit dieser Konfiguration ist es erstmals gelungen, mit nur einem Kompressor ein sehr reines Produkt mit höchster Methanausbeute zu erhalten.
