Für saubere Energie – Biogasaufbereitung und Gasreinigung
Sie haben das passende Gärsubstrat gefunden und die Fermentation lief perfekt. Nun ist es so weit: Das Biogas wartet auf seinen Einsatz. Doch halt! Bevor Sie damit Strom produzieren oder es gar ins Erdgasnetz einspeisen können, muss es entsprechend aufbereitet werden.
Die gute Nachricht vorab: Bis sich Ihr Biogas in Reinbiogas oder sogar hochwertiges Biomethan verwandelt hat, sind es nur wenige Schritte. Warum die Reinigung überhaupt nötig ist und welche Technologien und Biogasaufbereitungsanlagen Ihnen zur Verfügung stehen, erfahren Sie bei uns – übersichtlich und kompakt.
Die Inhalte rund um die Reinigung und Aufbereitung von Biogas
Bei der Biogasaufbereitung haben Sie die Qual der Wahl, denn oftmals gibt es deutlich mehr als eine Methode Biogas zu entschwefeln, zu trocknen und zu veredeln. Wir liefern Ihnen einen Überblick über die gängigsten Maßnahmen und erklären Ihnen ganz nebenbei, wie Sie aus Ihrem Rohbiogas das Beste herausholen!
Unsere Services für Ihre Biogasaufbereitung
Wir sind Profis in Sachen Biogasaufbereitung und unterstützen Sie gern – sei es bei der Optimierung Ihrer Biogasaufbereitungsanlage oder bei der Suche nach geeigneten Produkten zur Grob- und Feinentschwefelung. Darüber hinaus kommen wir gern direkt zu Ihnen, um Gasmessungen vorzunehmen oder Aktivkohlefilter auszutauschen.
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Biogas-Services im Überblick
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Die Basics – Das sollten Sie vor der Biogasaufbereitung wissen
Sie möchten am liebsten sofort alles über die einzelnen Schritte bei der Aufbereitung von Biogas erfahren? Das können wir verstehen. Doch zuvor sollten Sie sich eine Minute Zeit nehmen und einen Blick auf die folgenden Themen werfen. So können Sie die Anforderungen an die Reinigung von Biogas noch schneller verstehen, die Abläufe in Ihrer Biogasaufbereitungsanlage verbessern oder sich je nach geplantem Einsatz vielleicht die ein oder andere Maßnahme sparen.
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Wer sich mit dem Thema Biogas und Biogasaufbereitung beschäftigt, stößt auf unzählige Begriffe für Gas in unterschiedlichsten Aufbereitungs-Zuständen. Wir bringen Ordnung ins Gewirr und erklären Ihnen, welche Bezeichnung was bedeutet.
- Biogas: Der Begriff Biogas steht grundsätzlich für das Gas, das durch Fermentation von Biomasse entsteht. Gelegentlich wird er jedoch auch verwendet, um den Unterschied zum vollständig aufbereiteten Bioerdgas/Biomethan deutlich zu machen.
- Rohbiogas: Als Rohbiogas wird das Biogas bezeichnet, das nach der Vergärung den Fermenter verlässt. Es enthält neben etwa 40 bis 70 Prozent Methan noch eine ganze Reihe weiterer Bestandteile, die je nach geplanter Nutzung entfernt werden müssen.
- Reinbiogas: Als Reinbiogas wird das Biogas nach der Entschwefelung, Trocknung und Gastrennung bezeichnet. Noch kann es nicht ins Erdgasnetz eingespeist werden, da der letzte Schritt, die Konditionierung, noch aussteht. Für die Verwertung in einem Blockheizkraftwerk ist es (selbst ohne Gastrennung) geeignet.
- Biomethan: Strenggenommen ist Biomethan das Methan, das bei der Biogasproduktion gewonnen wird. Es zählt zu den Hauptbestandteilen von Biogas. Allerdings wird der Begriff häufig gleichbedeutend mit Bioerdgas genutzt und meint das gänzlich aufbereitete und zur Einspeisung geeignete Biogas.
- Bioerdgas: Bioerdgas bezeichnet das vollständig aufbereitete, hochqualitative Biogas, das mit einem Methangehalt von etwa 98 bis 99 Prozent Erdgas ähnelt und daher ins Erdgasnetz eingespeist oder als Kraftstoff verwendet werden kann.
- Erdgas: Erdgas ist im Gegensatz zu Biogas ein fossiler Brennstoff und weist einen sehr hohen Methangehalt von etwa 99 Prozent auf. Will man Biogas ins Gasnetz einspeisen, muss Biomethan bis auf ein ähnliches Niveau angereichert werden.
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Das Biogas, das den Fermenter verlässt, ist noch gänzlich „unbearbeitet“. Es besteht zu etwa …
- 40 bis 70 Prozent aus Methan
- 25 bis 55 Prozent aus Kohlendioxid, das für die Einspeisung ins Erdgasnetz oder für die Nutzung als Kraftstoff abgetrennt werden muss.
Daneben finden sich zahlreiche weitere Stoffe in geringerer Konzentration, die teilweise entfernt werden müssen, um Schäden an der Anlage zu verhindern oder die Qualität von Erdgas zu erreichen:
- Wasserdampf
- Stickstoff
- Sauerstoff
- Wasserstoff
- Ammoniak
- Schwefelwasserstoff
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Inwieweit Sie das Rohbiogas aufbereiten müssen, hängt auch davon ab, wie Sie das Gas einsetzen möchten. Soll es Ihrem Blockheizkraftwerk (BHKW) zugeführt und zur Strom- bzw. Wärmeerzeugung eingesetzt, ins Erdgasnetz eingespeist oder als Kraftstoff an Tankstellen zur Verfügung gestellt werden? Je nachdem sind unterschiedliche Maßnahmen nötig. Grundsätzlich stellt sich die Aufbereitung für die Biogaseinspeisung sowie für die Verwendung als Treibstoff aufwendiger dar als für den Einsatz im BHKW.
Blockheizkraftwerk Netzeinspeisung/Treibstoff Entschwefelung Entschwefelung Trocknung Trocknung Gastrennung Odorierung Brennwertanpassung Druckanpassung
Die Entschwefelung von Biogas
Im Rohbiogas sind geringe Mengen an Schwefelwasserstoff enthalten. Trifft er auf den Wasserdampf, der ebenfalls im Gas vorhanden ist, entsteht Schwefelsäure. Diese behindert zum einen die nächsten Schritte in der Biogasaufbereitung. Zum anderen schädigt sie die Anlage, greift den Gasmotor oder Gasleitungen an und beeinträchtigt die Eigenschaften der Motorenschmierstoffe. Darum muss der Schwefelwasserstoff aus dem Biogas entfernt werden. Dabei unterscheidet man in biologische, biochemische, chemische oder physikalische Grobentschweflung und – abhängig von der weiteren Nutzung des Biogases – Feinentschwefelung.
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Die biologische Entschwefelung kann sowohl bereits im Fermenter als auch im Tropfkörperverfahren in einem separaten Behälter nachgelagert erfolgen. Dabei kommen Bakterien zum Einsatz, die sich teilweise schon in der Biomasse befinden beziehungsweise hinzugefügt werden und in der Lage sind Schwefelwasserstoff abzubauen. Dazu wird Sauerstoff in den Gärraum geblasen oder ein Oxidationsmittel in die Gärflüssigkeit gegeben, mit dessen Hilfe die Mikroorganismen den Schwefelwasserstoff in Schwefel und Wasser teilen. Der Schwefel verbleibt in den Gärresten, deren Nährstoffgehalt sich dadurch erhöht. Da diese Form der Entschweflung auf natürlichen Abläufen beruht, ist sie etwas störungsanfälliger als andere Methoden.
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Bei der biochemischen Entschwefelung – auch Biowäsche oder Laugenwäsche genannt – wird das Biogas in einem zweistufigen Biowäscher mit Lauge „gewaschen“. Der Schwefelwasserstoff wird absorbiert und mittels Schwefelabscheider abgeschleust. Die Lauge wird anschließend entweder entsorgt oder in einem Bioreaktor für den nächsten Einsatz regeneriert. Neben dem Schwefelgehalt verringert dieses Verfahren auch das Kohlendioxid. Aufgrund des technischen Aufwands und hoher Investitionskosten kommt es allerdings oftmals nur bei großen Biogasanlagen zur Anwendung.
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Die chemische Entschwefelung erfolgt durch Eisenpräparate, die während oder nach der Fermentation zugegeben werden. Das Eisen verbindet sich mit Schwefel zu Eisensulfit, das in den Gärresten verbleibt. Das Verfahren kann auch eingesetzt werden, wenn die biologische Entschwefelung nicht effektiv genug verlaufen ist. Die Kosten für diese Methode sind gering, allerdings ist gelegentlich eine höhere Dosierung nötig.
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Für die (chemisch-)physikalische Entschwefelung stehen Entschwefelungsfilter zur Verfügung. Das Gas wird dabei durch das eisenhaltige Filtermaterial geleitet. Sind diese gesättigt, müssen sie ausgetauscht oder erhitzt und damit regeneriert werden.
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Da das Biogas durch die Grobentschwefelung meist noch nicht die Eigenschaften aufweist, die für die Produktion von Biogas in Erdgasqualität nötig sind, wird im Anschluss in der Regel eine Feinentschwefelung vorgenommen. Sie erfolgt nach der Vergärung außerhalb des Fermenters durch Adsorption an Zinkoxid oder Aktivkohle.
Die Feinentschweflung mit Aktivkohle – einem kohlenstoffhaltigen Produkt, das industriell hergestellt wird – kommt am häufigsten zur Anwendung. Mit ihr kann Schwefelwasserstoff fast vollständig aus dem Biogas entfernt werden. Die Feinentschweflung mit Aktivkohle geschieht durch so genannte Adsorption: Dabei lagern sich die Moleküle und Partikel des Schwefelwasserstoffs an der Oberfläche der dotierten oder imprägnierten Aktivkohle an. Sobald diese nach einer gewissen Einsatzzeit gesättigt ist, muss sie ausgewechselt und gemäß der Abfallverzeichnis-Verordnung (AVV) entsorgt werden. Da der Austausch der erschöpften Aktivkohle bestimmte Schutzmaßnahmen erfordert und zeitaufwändig ist, können Sie auf den Aktivkohle-Service der BayWa zurückgreifen.
Unsere Services rund um die Entschwefelung von Biogas
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Unsere Fachberater verfügen über moderne Gasmessgeräte und überprüfen gern den Reinigungsprozess der Aktivkohle.
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Aktivkohle-Service – Langzeitschutz für Ihr BHKW
Die Trocknung von Biogas
Wasserdampf, der bis zu sieben Prozent des Rohbiogases ausmachen kann, behindert nicht nur die nachfolgenden Schritte in der Gasaufbereitung, er kann auch den Verbrennungsmotor des Blockheizkraftwerks sowie andere Bestandteile zur Gasverwertung schädigen. Darüber hinaus können die Anforderungen an die Gasqualität, die für eine Einspeisung ins Erdgasnetz nötig sind, nicht erfüllt werden. Folglich muss dem Rohgas der Wasserdampf entzogen werden – es wird getrocknet beziehungsweise entfeuchtet. Dazu stehen Ihnen drei unterschiedliche Verfahren zur Verfügung: die Kondensationstrocknung, die Adsorptionstrocknung und die Absorptionstrocknung.
- Die Kondensationstrocknung verläuft in folgenden Schritten: Zuerst wird das Rohbiogas so weit heruntergekühlt, dass es kondensiert. Dies geschieht entweder mithilfe eines Kältekompressors oder indem ein Kondensator mit langen Gasleitungen unter der Erde frostfrei verlegt wird. Der abgeschiedene Wasserstoff sammelt sich am tiefsten Punkt der Anlage und wird schließlich durch den Kondensatabscheider abgeleitet. Neben Wasserstoff wird auch das wasserlösliche Ammoniak herausgelöst.
- Noch bessere Ergebnisse als die Kondensationstrocknung weist die Adsorptionstrocknung auf, nach der das Biogas für alle anschließenden Nutzungen des Gases geeignet ist. Die Methode, bei der sich Stoffe nur oberflächlich anlagern, beruht auf dem Einsatz von Zeolithen, Kieselgelen, Aluminiumoxiden oder Molekularsieben als Trocknungsmittel.
- Bei der Absorptionstrocknung – auch als Glykolwäsche bekannt – wird dem Biogas Glykol zugeführt, wodurch nicht nur der Wasserdampf, sondern auch Kohlenwasserstoff entfernt wird. Das Gas ist nach der Behandlung im weiteren Verlauf auch für die Biogaseinspeisung ins Erdgasnetz geeignet, allerdings sind die Kosten dieser Trocknungsmethode vergleichsweise hoch.
Bereits nach der Trocknung ist das Biogas für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk geeignet.
Die Trennung der Gase
Nach der Entschwefelung und Trocknung folgt die eigentliche Aufbereitung des Biogases: Das Kohlendioxid, aber auch Sauerstoff und weitere Spurengase werden abgetrennt und Methan angereichert. Dieser Schritt ist vor allem dann nötig, wenn das Biogas in das Erdgasnetz eingespeist werden soll. Er kann sich aber auch bei der Verbrennung im Blockheizkraftwerk positiv auswirken. Dazu muss später der Brennwert angepasst und der Methangehalt von ca. 40 bis 70 Prozent auf etwa 98 Prozent erhöht werden. Die genaue Höhe hängt immer von der aktuellen Methankonzentration im jeweiligen Gasnetz ab.
Für die Kohlendioxidabscheidung stehen verschiedenste geeignete Verfahren zur Auswahl. Die Druckwechseladsorption, die Druckwasserwäsche sowie die Aminwäsche kommen besonders häufig zum Einsatz. Daneben gibt es physikalische Wäschen, das Membranverfahren und kryogene Verfahren. Welche Aufbereitung für Sie am besten geeignet ist, hängt von zahlreichen Faktoren ab, darunter von der Zusammensetzung des Biogases oder dem angestrebten Anteil an Methan.
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Die Druckwechseladsorption (DWA) – englisch auch Pressure Swing Adsorption, kurz PSA genannt – trennt das Kohlendioxid in einem ersten Schritt ab, indem dessen Moleküle unter hohem Druck an der Oberfläche eines Adsorptionsmittels (Adsorbens) angelagert werden. Dabei kann es sich zum Beispiel um Aktivkohle oder aber um ein Kohlenstoff-Molekular-Sieb handeln. Sobald das Mittel oder der Sieb gesättigt ist, wird der Druck abgesenkt. Dadurch löst sich das Kohlendioxid vom Adsorbens und wird abgeleitet. Danach wird das Mittel regeneriert, der Druck wieder erhöht und der Prozess kann von Neuem beginnen. Mit dieser Methode kann ein Methangehalt von etwa 98 Prozent erreicht werden, allerdings sind der Stromverbrauch sowie der Methanverlust relativ hoch.
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Die Druckwasserwäsche nutzt das Prinzip der Absorption zur Trennung der Gase. Dabei wird das Biogas zuerst komprimiert. In einem Absorber werden Kohlendioxid, aber auch Schwefelwasserstoff und Ammoniak unter Druck in Wasser gelöst und gebunden. Dann wird der Druck gesenkt, das Wasser wird regeneriert und kann erneut eingesetzt werden. Das auf diese Weise aufbereitete Gas hat einen Methangehalt von etwa 97 bis 99 Prozent. Auch hier sind Stromverbrauch und Methanverlust eher hoch. Ein Vorteil der Druckwasserwäsche: Die Entschwefelung und Trocknung des Biogases sind vorab nicht nötig.
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Die Aminwäsche funktioniert ähnlich wie die Druckwasserwäsche aufgrund von Absorption – mit dem großen Unterschied, dass das Lösungsmittel nicht Wasser, sondern eine Aminlösung und daher chemischer Natur ist. Das Biogas muss zuvor allerdings entschwefelt und getrocknet werden. Dann wird das Kohlendioxid in einer Waschlösung, die aus Alkanolaminen besteht, ohne Druck herausgelöst. Das Lösungsmittel wird energieaufwendig durch Wasserdampf gereinigt und wiederverwendet. Mit diesem Verfahren können eine sehr hohe Gasqualität und ein Methangehalt von etwa 99 Prozent erzielt werden.
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Bei der physikalischen Absorption mit Lösungsmitteln wie Methanol oder Polyethylenglykol-Dimethylether ist vorab keine Entschwefelung nötig. Das Absorptionsmittel durchströmt im Gegenstromverfahren das Biogas und „wäscht“ Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Ammoniak heraus. Der zu erwartende Methananteil liegt etwas niedriger bei etwa 96 Prozent. Zu den physikalischen Absorptions-Verfahren zählen unter anderem die Genosorbwäsche® oder die Selexolwäsche®.
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Das Membrantrennverfahren macht sich die unterschiedliche Durchlässigkeit verschiedener Stoffe zunutze. Das Biogas wird dazu komprimiert und unter hohem Druck durch drei Porenmembrane aus Polymeren geschickt. Während das Kohlendioxid die Barrieren durchdringen kann, bleibt das Methan zurück. Der Stromverbrauch und Methanverlust sind eher hoch, der Methangehalt liegt etwa bei 96 Prozent.
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Die kryogene Gastrennung – auch Tieftemperaturverfahren genannt – basiert auf den unterschiedlichen Kondensationstemperaturen der Bestandteile des Biogases. Das Gas wird zuerst komprimiert, dann wird die Temperatur bis auf etwa -160 Grad Celsius abgesenkt, bis sich das Biogas verflüssigt und sich Kohlendioxid und Methan trennen. Der Stromverbrauch ist bei dieser Methode sehr hoch, die Methanverluste jedoch gering. Es kann ein Methangehalt von 98 bis 99 Prozent erreicht werden.
Die Konditionierung des aufbereiteten Biogases
Bevor das durch die Gastrennung entstandene Biomethan dem Erdgasnetz zugeführt werden kann, fehlen noch einige Anpassungen. Diese erfolgen meist in Biogaskonditionierungs- und Einspeiseanlagen. Dort wird das Biomethan zuerst gemessen und analysiert. Abhängig von den Eigenschaften des anliegenden Erdgases – die von Region zu Region unterschiedlich ausfallen können – folgen Odorierung, Brennwertanpassung sowie Druckanpassung. Dann endlich kann das Biomethan, das nun die Qualität von Erdgas erreicht hat, eingespeist werden.
- Odorierung: Biomethan ist geruchslos. Aus Gründen der Sicherheit müssen ihm Geruchsstoffe zugesetzt werden. So können ein Austritt von Gas oder Gasleckagen leichter entdeckt werden. Meist wird es mit Schwefelverbindungen versetzt, es können jedoch auch schwefelfreie Mittel zum Einsatz kommen.
- Anpassung des Brennwerts: Welcher Brennwert benötigt wird, hängt von den Anforderungen des örtlichen Erdgasnetzes ab. Fakt ist jedoch: Das Biomethan muss etwa die gleichen Brenneigenschaften vorweisen können. Ist der Brennwert zu niedrig, wird meist Flüssiggas wie Butan oder Propan beigemischt.
- Verdichtung: In einem letzten Schritt muss das aufbereitete Biogas verdichtet werden. Dabei ist für den Einsatz als Kraftstoff für Fahrzeuge und Maschinen oftmals eine Hochdruckverdichtung notwendig. Die Verdichtung für die Netzeinspeisung richtet sich nach dem dort vorherrschenden Druckniveau. Um die entsprechenden Drücke zu erreichen, werden Verdichter beziehungsweise Kompressoren eingesetzt.
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