Membranaufbereitung: Wie die Trennung von CH₄ und CO₂ in der Biomethananlage funktioniert

Die Membrantrennung besteht darin, verdichtetes Biogas durch Bündel dünner Polymerfasern zu leiten, in denen CO₂ um ein Vielfaches schneller durchtritt als CH₄. Auf der einen Seite der Membran sammelt sich ein an Methan angereicherter Strom (Retentat – Biomethan), auf der anderen ein CO₂-reicher Strom (Permeat). Das ist eine der am häufigsten gewählten Aufbereitungstechnologien, insbesondere in kleinen und mittelgroßen Anlagen, da sie modular, chemiefrei und verhältnismäßig einfach im Betrieb ist.

Mechanismus: Lösung und Diffusion

Den Durchtritt durch eine dichte Membran beschreibt das Lösungs-Diffusions-Modell. Gasmoleküle lösen sich im Polymer auf der Hochdruckseite, diffundieren durch die Schicht und desorbieren auf der Niederdruckseite. Die Geschwindigkeit hängt von der Partialdruckdifferenz, der Dicke der aktiven Schicht und der Permeabilität des Materials für das jeweilige Gas ab. Wasserdampf, CO₂, H₂S und Ammoniak permeieren sehr schnell, Sauerstoff mäßig, Methan und Stickstoff langsam. Das Verhältnis der Permeabilitäten CO₂/CH₄ nennt man Selektivität; je höher sie ist, desto leichter lässt sich reines Methan bei niedrigem Verlust gewinnen. Typische Materialien sind Polyimide, Polysulfone und Celluloseacetat, zu Kapillarfasern in Modulen geformt, die in Reihe und parallel geschaltet werden.

Verfahrenskette

1. Vorreinigung – Entfernung von H₂S (z. B. Aktivkohle oder biologische Entschwefelung), Aerosolen, Kondensattröpfchen und flüchtigen organischen Verbindungen. Schädlich sind Verdichteröle und Siloxane.
2. Verdichtung – das Biogas wird in der Regel auf über zehn bar verdichtet (Größenordnung 8–16 bar(g), je nach Lieferant).
3. Membranstufen – in einem zweistufigen System geht das Retentat der ersten Stufe in die zweite, und das Permeat der zweiten kehrt vor den Verdichter zurück. In dreistufigen Systemen gelangt das Permeat der ersten Stufe in eine zusätzliche Stufe zur Methanrückgewinnung.
4. Trocknung und Konditionierung – nach den Membranen wird das Biomethan getrocknet, gegebenenfalls mit Propan angereichert und odoriert.
5. Off-Gas – das Permeat der letzten Stufe enthält hauptsächlich CO₂ mit einer Spur Methan und erfordert Nachverbrennung oder Verwertung.

Methanverluste und Reinheit

Je höher die geforderte Reinheit des Biomethans und je niedriger der Verlust, desto größer sind die Membranfläche und die Verdichtungsenergie. Moderne mehrstufige Systeme erreichen in der Regel Verluste unter 1%, und ein Teil der Lieferanten gibt Werte in der Größenordnung von 0,5% oder niedriger an; der Vertragswert hängt von der Garantie und der Auslastung ab. Ein Absinken der Last unter die Auslegungslast kann die Parameter verschlechtern, daher werden die Anlagen unter Berücksichtigung des Regelbereichs ausgelegt.

Energie

Hauptenergieverbraucher ist der Verdichter. Für Membransysteme wird in der Regel ein Bedarf an elektrischer Energie in der Größenordnung von 0,2–0,35 kWh pro m³ Rohbiogas angegeben, was bei 55%igem Biogas etwa 0,35–0,6 kWh pro m³ Biomethan entspricht. Es lohnt sich, vom Lieferanten eine Angabe für das Gesamtsystem zu verlangen (mit Trocknung, Kühlung und Vorreinigung), da verschiedene Anbieter Werte für unterschiedliche Bilanzgrenzen zusammenstellen.

Vorteile und Einschränkungen

Vorteile: Kompaktheit, schnelle Montage, keine Chemikalien und kein Prozesswasser, leichte Skalierung durch Hinzufügen von Modulen, Betrieb in Containern möglich.

Einschränkungen: Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen (Öl, Kondensat, Siloxane), Notwendigkeit des Modulaustauschs nach Jahren des Betriebs, CO₂-Strom von geringer Reinheit (mit Spuren von CH₄), eingeschränkte Flexibilität bei sehr niedriger Last.

Hinweise für den Investor

• Verlangen Sie eine Garantie der Methanverluste bei bestimmter Last und Biogaszusammensetzung, samt Vertragsstrafenmechanismus.
• Fragen Sie nach den Bedingungen für den Modulaustausch und den Kosten je m³ erzeugtes Biomethan.
• Planen Sie die Verwertung des Off-Gases: Allein die Nachverbrennung ist einfach, verschwendet aber ohne Wärmerückgewinnung Energie.
• Wählen Sie die Vorreinigung passend zum Biogas aus den konkreten Substraten (z. B. viel H₂S bei Schlachtabfällen).
• Prüfen Sie die Qualität der Verdichtung: Ölfreie Verdichter oder solche mit guter Ölfilterung verlängern die Lebensdauer der Membranen.

Berechnungsbeispiel

Annahmen: 500 m³/h Biogas, 55% CH₄, Schlupf 0,6%, Verdichtung ca. 0,25 kWh/m³ Biogas. Elektrische Leistung der Verdichter ≈ 125 kW (500 × 0,25). Methan vor Verlusten: 275 m³/h; Verlust ≈ 1,65 m³/h; Methanproduktion im Biomethan ≈ 273 m³/h. Jährlicher Stromverbrauch bei 8000 h: ca. 1000 MWh. Bei einem angenommenen Strompreis von 600 PLN/MWh sind das ca. 600.000 PLN pro Jahr, also ≈ 0,27 PLN je m³ Biomethan. Die Werte sind illustrativ und ersetzen kein Angebot des Herstellers.

Zusammenfassung

Membranen sind ein Kompromiss zwischen Einfachheit und Effizienz. Ein gut ausgelegtes mehrstufiges System liefert niedrige Methanverluste, erfordert aber sauberes Eingangsgas und einen sorgfältigen Betrieb.