Drucklose CO2 - Entfernung aus Biogas

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Die Klimafalle

Der neueste IPCC-Bericht von Februar 2007 stellt fest, dass der Klimawandel durch die Aktivitäten der Menschheit hervorgerufen wird. Die einzige Möglichkeit, die Umwälzungen, die mit einem sich ändernden Klima in den nächsten Jahrzehnten auf uns zukommen, noch in einem verträglichen Rahmen zu halten, ist die schnellstmögliche und möglichst weitgehende Reduktion des Ausstoßes von Kohlendioxid in die Atmosphäre. Daher müssen fossile Brennstoffe als Energieträger abgelöst werden und neue Energiequellen erschlossen werden.

Erneuerbare Energien

Wir haben bis auf den heutigen Tag bereits etwa 70 % der Erdölvorräte und 60% der Erdgasvorräte der Erde verbraucht. Das brennendste Problem der Gesellschaft besteht heute im Klimawandel, der aus der ungehemmten Freisetzung von CO2 durch Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle, Öl und Erdgas resultiert.
Ein Ausweg aus der Krise sind nachhaltige Energien, darunter besonders Biogas.
Biogas verhält sich CO2-neutral und hat damit keinen Einfluss auf den Treibhauseffekt, weil alles freigesetzte CO2 beim Wachstum der verwerteten Biomasse gebunden worden ist.
Es wird also nur das freigesetzt, was beim Wachstum der Rohstoffe verbraucht worden ist. Der Betrieb von Biogasanlagen ist heute zusätzlich ein lohnendes Geschäft, das immer stärker an Wichtigkeit gewinnt, da der Betrieb von Biogasanlagen von der Bundesregierung umfangreich gefördert wird.
Diese Förderung setzt sich zusammen aus der Grundvergütung für den mit Biogas erzeugten Strom, einen sogenannten KWK-Bonus für in Kraft-Wärme-Kopplung erzeugte und genutzte Wärme, sowie einen Technologiebonus, beispielsweise für die Entfernung von CO2 aus dem Biogas und damit die Aufreinigung zu Biomethan.
Leider kann in vielen installierten Anlagen die Förderung der Bundesregierung nicht vollständig ausgeschöpft werden, weil ein großer Teil der förderungsrelevanten Energie, nämlich die Wärme aus einer Kraft-Wärme-Kopplung des Biogaskraftwerks, vor Ort nicht nutzbar ist.
Ein Weg, die Bioenergieerzeugung effizienter und rentabler zu machen und alle Förderungsmöglichkeiten zu nutzen, ist die Verbrennung des Biogases in zentralen Blockheizkraftwerken, die von mehreren Biogaserzeugern beliefert werden, und die die Wärme an ihrem Standort vollständig nutzen können.
Das Biogas muss zu diesen zentralen Blockheizkraftwerken transportiert werden. Dafür bieten sich die Erdgasleitungen der Netzbetreiber an. Um das Gas einspeisen zukönnen ist allerdings ein Aufbereitung nötig: das CO2 muss aus dem Biogas, worin es immerhin 30-50 Vol.-% ausmacht, möglichst vollständig entfernt werden.

Vorteile der Entfernung des CO2 aus Biogas

  • Biomethan hat einen höheren Brennwert als das Biogas.
  • Die Wartungsintervalle für die BHKWs verlängern sich – die Wartungskosten werden verringert.
  • Die Erträge erhöhen sich, weil im Falle zentraler Stromerzeugung durch vollständige Energienutzung die direkten Erträge und die staatlichen Vergütungen steigen.
  • Zentrale Blockheizkraftwerke können rationeller betrieben werden.
  • Das CO2 kann vermarktet werden und einen zusätzlichen Deckungsbeitrag leisten.

Die Technologie zur Entfernung des CO2 aus dem Biogas wird in Form des drucklosen BlueSky-Verfahrens von der Karl Steiger GmbH geliefert.

Unsere Technologie

Das Bluesky-Verfahren der Karl Steiger GmbH arbeitet im Gegensatz zu allen anderen üblichen Verfahren völlig drucklos und mit gesundheitlich völlig unbedenklichen und nicht umweltschädlichen Reagenzien.
Die drucklose Betriebsweise hat den entscheidenden Vorteil, dass die Genehmigungslage einfach ist im Vergleich zu Hochdruckanlagen, die mit bis zu 70 bar arbeiten. Eine solche Anlage kann auch vergleichsweise günstig hergestellt werden.
Zentrale Bedeutung kommt dem neuen Lösemittel BlueSky zu, das das CO2 bei der Gaswäsche durch chemische Absorption aus dem Biogas herauslöst.
Die Abtrennung von CO2 aus Biogasen erfolgt in drei Stufen. Das BlueSky-Lösemittel wird dabei im Kreis geführt:

  • Entfernung unerwünschter Nebengase in einer vorgeschalteten Gaswaschkolonne
  • Entfernung des CO2 aus dem gereinigten Gas in einer Gegenstrom-Absorberkolonne
  • Strippen des CO2 vom Lösemittel in einer Stripkolonne bei erhöhter Temperatur

Das Anlagen / Verfahrensschema gibt einen Überblick über das Verfahren.

Verfahrensschema

Das Verfahren

Wäscher

Zunächst wird das Biogas in einen für die CO2-Abtrennung geeigneten Zustand gebracht.
Das Rohgas wird in die mit Füllkörpern versehene Gaswaschkolonne geleitet. Hier werden die Nebengase H2S und Spuren von NH3 ausgewaschen.
Die Gaswäsche zur Entfernung der Nebengase kann an die Zusammensetzung der jeweiligen Biogase angepasst werden.
Das gereinigte Gas verlässt den Gaswäscher und gelangt in die Absorberkolonne.

Absorberkolonne

In dieser Kolonne wird das im Gas enthaltene CO2 im Gegenstrom von dem Lösemittel BlueSky absorbiert. Das so gereinigte Biogas verlässt die Kolonne mit einen Methangehalt von ca. 96%., wird anschließend getrocknet und das dabei anfallende Wasser in die Absorberkolonne rückgeführt. Es hat nach der Trocknung einen Methangehalt von ca. 99%. Anschließend wird das so erhaltene gereinigte Biomethan an die Bio-Erdgas-Konditionierung übergeben.
Das beladene Lösemittel wird der Stripkolonne zugeführt.

Stripkolonne

Die mit CO2 beladene Bluesky-Lösung gelangt in den Kopf der Stripkolonne und rieselt dort nach unten. Durch Einblasen von Dampf in die Kolonne wird das CO2 wieder freigesetzt und am Kolonnenkopf ausgetragen. Das nun CO2-freie Lösemittel BlueSky wird zurück gewonnen. Es verlässt die Kolonne und wird wieder in die Absorberkolonne rückgeführt. Somit ist der Bluesky-Kreislauf in der Anlage geschlossen.

Kohlendioxid-Verflüssigung

Beim Betrieb einer Biogasanlage mit einem 1MW-Blockheizkraftwerk fallen jährlich etwa 7500-7800 t CO2 an. Diese können als Rohstoff gewonnen und genutzt werden.
Das CO2 wird beim Betrieb der Anlage kontinuierlich abgeschieden, verflüssigt und in Tanks für die weitere Verwendung gelagert. [Schemabild]

Vergleich zu anderen Verfahren

Methanschlupf

Der Methanschlupf ist die Methanmenge, die im Verlauf der Aufbereitung die Anlage verlässt. Die Wichtigkeit des Methanschlupfs resultiert daraus, dass Methan mit ca. 20% etwa genau so viel zur Klimaerwärmung beiträgt wie CO2.
Die Klimawirkung von Methan ist 23 mal so hoch wie die von CO2.
Folglich wirkt sich bei einem Methangehalt von 50-60% im Biogas bereits ein Methanschlupf von weniger als 3% so aus, als würde man das abgeschiedene CO2 komplett in die Atmosphäre entlassen.
Andere gebräuchliche Verfahren für die CO2-Abscheidung sind die Druckwechseladsorption und die Druckwasserwäsche. Der diesen Verfahren immanente Methanschlupf von 2-5% zehrt den Klimavorteil der Biogasnutzung weitgehend auf oder führt sogar zu einer negativen Klimawirkung. Das Bluesky-Verfahren mit einem Methanschlupf von < 0,1% ist hier weitaus vorteilhafter.
Verfahren     Methanschlupf
Druckwasserwäsche     2-5%
Druckwechseladsorption     4-5%
Bluesky-Verfahren     < 0,1%

Absorptionsmittel

Das BlueSky-Verfahren verwendet im Gegensatz zu anderen Verfahren nur Reagenzien, die für Umwelt und Gesundheit völlig ungefährlich sind.

Rentabilität

An den Folgenden beispielhaften Rentabilitätsbetrachtungen für eine Biogaserzeugung von 250 Nm3/h und anschließende Stromerzeugung mit dem erzeugten Biogas in einem BHKW mit einer elektrischen Nennleistung von 500 kW zeigt sich, dass die Erträge bei zentraler Verstromung gegenüber einer angenommenen Zweidrittelnutzung der Wärme des BHKW vor Ort um bis zu 57% höher liegen.
Dies summiert sich bei einer Laufzeit der Anlage von 20 Jahren auf etwa 3 Mio. €.
Die Erträge eines mit Biogas betriebenen Blockheizkraftwerks hängen stark von der verwendeten Wärmemenge ab. Bei einer Nutzung von 500 kW Wärme, was etwa einer 2/3-Nutzung entspricht, und einer Aufbereitung des Biogases zu Biomethan nach unserem Verfahren sind die Erträge um 21% höher als ohne Aufbereitung. Auch ohne zentrale Verstromung wird also ein Mehrertrag erzielt.
Vor Ort sind diese Wärmemengen jedoch meist nicht verwendbar.
Eine Aufreinigung des Biogases zu Methan und eine zentrale Verstromung vergrößert den Ertragsvorteil auf 57%.
Den untenstehenden Modellrechnungen liegen die aktuellen Förderungen der Bundesregierung für Strom aus nachwachsenden Rohstoffen zugrunde.
Bei den Berechnungen sind die notwendigen Installationen bei üblichen Abschreibungszeiträumen berücksichtigt.
Zu den errechneten Erträgen hinzu kommt noch ein günstigerer Betrieb des BHKW, da sich die Wartungsintervalle sowie die Ölwechsel-Intervalle der Generatoren gegenüber der Biogasverbrennung verlängern. Diese Vorteile im Betrieb gelten selbstverständlich auch, wenn das Biomethan nicht ins Erdgasnetz eingespeist wird, sondern direkt am Ort der Erzeugung verwertet wird. Sie summieren sich auf etwa weitere 300.000 € in 20 Jahren.

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