Biogas als Kraftstoff

Umweltvorsprung durch Biomethan

Biomethan gilt als umweltfreundlicher Energieträger. Es kann zur Gewinnung von Wärme oder als klimaneutraler Kraftstoff genutzt werden. Bevor Biomethan ins Erdgasnetz eingespeist wird, ist eine umfangreiche Aufreinigung notwendig. Besonders selektive SEPURAN® Green Hohlfasermembranen von Evonik bereiten Biogas einfach und effizient zu hochreinem Biomethan auf, um es als erneuerbare Energiequelle dezentral verfügbar zu machen.

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Das heutige Potential an Bioenergie aus Wald- und Holzwirtschaft, landwirtschaftlichen Roh- und Reststoffen sowie organischen Abfallstoffströmen ist enorm, um einen hohen Beitrag bei der Einsparung von Treibhausgasemissionen zu leisten. Speziell Biogas und daraus aufbereitetes Biomethan ist im Wesentlichen nachhaltig produziertes erneuerbares Erdgas aus organischen (Rest-) Wertstoffen mit erheblichem energetischem Potential. Biomethan kann einen signifikanten Beitrag bei dem Transfer zu alternativen Energien leisten, ohne dass die Bereitstellung der dafür notwendigen Substrate im Wettbewerb mit der Produktion von Nahrungs- und Futtermitteln steht.

Die Technologien zur Biogas- und Biomethanerzeugung sind gut entwickelt, um wirtschaftlich sinnvoll eingesetzt zu werden. In den letzten 5-10 Jahren hat sich die Effizienz von Biomethanaufbereitungsanlagen deutlich verbessert, was der Anlagenwirtschaftlichkeit zu Gute kommt.

Das erzeugte Gas bietet eine klimaneutrale Alternative zu fossilem Erdgas und steht mit gleichwertigem Potential zur Verfügung. Notwendiger Strom zum Betrieb von Biogas (Aufbereitungs-) Anlagen sollte möglichst CO2-neutral und nachhaltig bereitgestellt werden. Das bei der Herstellung von Biomethan abgetrennte CO2 kann industriell oder in der landwirtschaftlichen Produktion weiterverwendet werden. Nicht genutztes CO2 beeinflusst den Treibhauseffekt nicht negativ, da es nicht fossilen Ursprungs ist und die Bilanz des Kohlenstoffhaushalts somit nicht in der Weise beeinflusst, wie das bei fossilem CO2 der Fall ist.

BIOMETHANTECHNOLOGIE UND INFRASTRUKTUR VORHANDEN

Trotz vorhandener Gasnetzen-Infrastruktur bleibt das Potential von Biomethan nicht völlig ausgeschöpft. Um Treibhausgasemissionen zu reduzieren und die gesteckten Klimaziele zu erreichen, könnte Biomethan durchaus seinen Beitrag leisten. Die Technologie zur Herstellung und Verbreitung sowie die Infrastruktur ist vorhanden und muss nicht erst entwickelt werden.

Antriebstechnologien für den Betrieb von Fahrzeugen mit CNG sind seit Jahren verfügbar und müssten nur genutzt und besser vermarktet werden. Zur Einhaltung von Flottenemissionen der Automobilhersteller könnte CNG einen wesentlichen Beitrag leisten. Für den Schwerlastverkehr ist LNG die einzige, direkt verfügbare und wirtschaftlich sinnvolle Alternative, die den Anforderungen des Schwerlastverkehrs gerecht werden kann. Für LNG muss das zuvor produzierte Biomethan in einem weiteren Schritt noch verflüssigt werden. Die Vorteile zum herkömmlichen Diesel betriebenen Lkw liegen dabei auf der Hand:

• bis zu 80 Prozent weniger CO2 im Vergleich zum konventionellen Dieselantrieb
• ca. 99 Prozent weniger Feinstaubpartikel
• fast vollständige Reduzierung des Ausstoßes von Schwefel und Stickoxiden
• ca. 50 Prozent weniger Lärm als ein vergleichbarer Dieselmotor

Um Biomethan bzw. in späterer Folge BioLNG herzustellen, wird zunächst in einem Fermentationsprozess aus organischen Substraten Biogas produziert. Das Rohbiogas besteht im Wesentlichen aus den Hauptbestandteilen Methan und Kohlendioxid sowie einigen anderen Spurengasen. Die am weitesten verbreitete Nutzungsweise war bzw. ist noch immer der Betrieb von Gasmotoren bzw. Blockheizkraftwerken, um Strom und Wärme zu erzeugen. Eine effiziente Nutzung ist hier teilweise nur schwer möglich, da häufig die anfallende Wärme nicht genutzt werden kann und lediglich der Strom ins Netz eingespeist wird. Es gibt Ansätze das Biogas in eigene Ringverbände/ Verbundkreise einzuspeisen und an dezentraler Stelle zu verstromen und die anfallende Wärme ebenfalls einer zielgerichteten Nutzung zuzuführen. Wird jedoch nach der Biogasproduktion Rohbiogas auf Erdgasqualität aufbereitet, kann es in das (sofern vorhandene) regionale Erdgasnetz eingespeist, gespeichert und unabhängig vom Gestehungsort in vielerlei Hinsicht verwendet werden.

EFFIZIENTE BIOGASAUSBEREITUNG MITTELS MEMBRANEN

Um CO2 aus dem Rohbiogas abzutrennen und zu Biomethan aufzubereiten, stehen unterschiedliche Technologien zur Verfügung. Neben bekannten Technologien wie beispielsweise der Druckwasserwäsche, der Aminwäsche oder der Druckwechselabsorption, konnte sich in den vergangenen Jahren die Membrantechnologie immer stärker etablieren.

Dank hocheffizienter und hochselektiver Membranen ist es möglich, in einem kompakten 3-stufigen Verfahren das CO2 nahezu komplett vom 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 unter anderem in der Einfachheit des Verfahrens und des geringen Wartungsaufwandes. Beeinflusst wird die Verbreitung von Biogasaufbereitungsanlagen natürlich auch von örtlichen Gegebenheiten und Vorschriften sowie nationalen Vergütungsregelungen. Bei Membranaufbereitungsanlagen sind Polyimid Membranen am weitesten verbreitet.

Hatten Membranverfahren zur Jahrhundertwende noch mit mangelnder Effizienz betreffend Ausbeute und Selektivität zu kämpfen, konnte dieser Nachteil durch verbesserte Prozessführung, sowie Verbesserung der Selektivität aufgrund neuer Polymerlösungen mehr als wettgemacht werden.

Evonik produziert seit den 80er Jahren Hochleistungskunststoffe auf Polyimid-Basis, welche wiederum zu Hochleistungsfiltermaterialien weiterverarbeitet werden. In Form von Filterschläuchen werden diese sehr erfolgreich z.B. in der Rauchgasreinigung eingesetzt. Basis dieses Erfolges ist unter anderem die hohe Beständigkeit hinsichtlich Temperatur und Schadstoffen im Rauchgas. Filtern bzw. trennen gehört auch im neuen Anwendungsgebiet dieses Hochleistungskunststoffes zur Hauptaufgabe. Das entsprechende Polyimid und seine Eigenschaften wurden entsprechend modifiziert und weiterentwickelt, um in einem neuen Anwendungsgebiet anstatt Stäuben aus Abgas, Gasmoleküle voneinander zu trennen.

EXPERTISE IN KUNSTSTOFFVERARBEITUNG

Entscheidend hierbei sind nicht nur das richtige Material, sondern auch die Form der Filter. Dazu ist es notwendig, das Polymer zu feinen Hohlfasern zu spinnen und gleichzeitig mit Eigenschaften auszustatten, um jeweils Gasgemische wie beispielsweise Stickstoff und Sauerstoff oder eben auch Methan und CO2 hocheffizient und energiesparend voneinander trennen zu können. Die Gastrennung mittels Membrantechnologie macht sich die unterschiedlichen Molekülgrößen und Molekülwechselwirkungen zu Nutze. Aus diesen Hohlfasermembranbündeln werden Membrankartuschen und Module gefertigt, welche als Membransystem zur Gastrennung eingesetzt werden.

HOCHREINES BIOMETHAN MIT 3-STUFIGER VERSCHALTUNG

In der Biogasaufbereitung wird das Rohgas komprimiert in den Innenraum der Hohlfasermembran (Feedseite) geleitet, das CO2 wird durch die Eigenschaft der Membran zum überwiegenden Teil auf die Außenseite (Permeatseite) geleitet, das Methan sammelt sich am Ende der Membran (Retentatseite) in hochkonzentrierter Form. Mittels mehrstufi ger Verschaltung ist es möglich eine Trennung des Gasgemisches von annähernd 100% zu erreichen, üblicher Weise steht das Methan mit einer Reinheit von >95% und CO2 mit einer Reinheit >99% zur Verfügung. Je nach Anwendungsfall sind auch höhere Reinheiten möglich.

Ein kleiner Teil der in den letzten Jahren realisierten Biogasaufbereitungsanlagen mit SEPURAN® Membranen in Übersee wurde mit einem 2-stufi gen Membranprozess ausgestattet. Die gewünschte Produktqualität lässt sich nach Belieben einstellen, aufgrund des einhergehenden Methanverlustes ist diese Verschaltung für europäische Standards jedoch nicht ausreichend. Am europäischen Kontinent wurde aufgrund höchster Effi zienz beim Einsatz der SEPURAN® Green Membrane durchwegs das 3-stufi ge Aufbereitungsverfahren angewendet. Hierbei werden Stufe 1 und Stufe 2 in Reihe, Stufe 3 aber parallel zu Stufe 1 geschalten. Mit dieser Konfi guration war es das erste Mal möglich bei Einsatz von nur einem Kompressor ein sehr reines Produkt bei gleichzeitig höchster Methanausbeute, zu erhalten.