Mikroverflüssigungsanlagen für Biomethan: Kühltechnologien und Auswahlkriterien

Bio-LNG-Mikroverflüssigungsanlagen sind Anlagen mit einer Leistung von einigen bis zu einigen Dutzend Tonnen verflüssigtem Biomethan pro Tag, die gereinigtes Biomethan auf etwa −162 °C abkühlen. Sie arbeiten in einem von drei Systemen: im Stickstoffkreislauf (umgekehrter Brayton-Kreisprozess), im Kreislauf mit einem Kältemittelgemisch oder im Kaskadenkreislauf. Die Wahl hängt von Anlagengröße, geforderter Effizienz, Investitionskosten und dem Sicherheitsansatz ab. Alle erfordern ein sehr gründlich gereinigtes Eingangsgas.

Verflüssigungsstufen

1. Endreinigung: Entfernung von CO₂ bis auf einige Dutzend ppm (CO₂ gefriert bei niedriger Temperatur), von Wasser unter 1 ppm, von H₂S, Quecksilber und gegebenenfalls schweren Kohlenwasserstoffen.
2. Vorkühlung: Wasser oder mechanische Kühlung.
3. Verflüssigung: kryogener Wärmetauscher, in dem das Biomethan Wärme an das kalte Kältemittel abgibt.
4. Unterkühlung und Entspannung: zur Begrenzung der Verdampfung bei der Lagerung.
5. Lagerung: vakuumisolierter Tank, Verladung in Tankwagen.

Technologien

In kleinen Größenordnungen werden meist Stickstoffkreisläufe oder vereinfachte Gemische gewählt, weil Einfachheit, Sicherheit und niedrige Betriebskosten zählen. In größeren Anlagen gewinnt der Wirkungsgrad an Bedeutung, und es werden Kältemittelgemische eingesetzt.

Auswahlkriterien

1. Anlagengröße. Bei kleinen bioLNG-Produktionen haben die Energiekosten im Verhältnis zu den CAPEX geringere Bedeutung, daher zählt Einfachheit; bei größeren wird der Wirkungsgrad wichtiger.
2. Energieverbrauch. Typische Werte in der Literatur liegen für kleine Verflüssigungsanlagen im Bereich von 0,4–0,8 kWh/kg bioLNG, je nach Anlagengröße und Kreislauf.
3. Sicherheit. Ein nicht brennbares Medium (Stickstoff) erleichtert die Erlangung von Genehmigungen und vereinfacht die Sicherungseinrichtungen.
4. Lastflexibilität. Es ist vorteilhaft, wenn die Verflüssigungsanlage bei schwankendem Biomethanangebot arbeiten kann.
5. Verfügbarkeit des Service. Erforderlich ist Unterstützung für Turboexpander, Verdichter und Wärmetauscher.
6. Integration in die Reinigung. Mitunter ist die Kombination mit der CO₂-Verflüssigung (kryogene Abtrennung) vorteilhaft.
7. Verfügbarkeit. Kryogene Anlagen erfordern regelmäßige Inspektionen und Abtauen.

Beispiel für einen Energievergleich

Annahmen: Verflüssigungsanlage mit 10 t/Tag (417 kg/h), 8000 h/Jahr. Stickstoffkreislauf 0,7 kWh/kg, Kreislauf mit Gemisch 0,5 kWh/kg (illustrative Annahmen). Jahresverbrauch: 417 × 8000 × 0,7 ≈ 2335 MWh gegenüber 417 × 8000 × 0,5 ≈ 1668 MWh. Differenz: ca. 667 MWh, was bei 600 PLN/MWh ca. 400.000 PLN pro Jahr ergibt. Wenn der höhere Wirkungsgrad 2 Mio. PLN mehr an CAPEX kostet, beträgt die einfache Amortisationszeit ca. 5 Jahre – das ist eine beispielhafte Bewertungsmethode, die für reale Angebote wiederholt werden sollte.

Typische Betriebsprobleme

• Einfrieren der Wärmetauscher durch Verunreinigungen (CO₂, Wasser),
• Verdampfungsverluste und die Notwendigkeit, Boil-off-Gas zurückzuführen,
• unterschätzter Energieverbrauch bei Hitze, wenn die Kühlung weniger effektiv ist,
• Anfahr- und Abfahrvorgänge, die Energie verbrauchen und Zeit zum Abkühlen erfordern.

Integration in die Logistik

Die Verflüssigungsanlage ist keine einsame Insel: Sie muss mit Lager, Verladearm und Tankwagenflotte zusammenarbeiten. Ihre Leistung ist nur dann sinnvoll, wenn die Abnahme gleichmäßig erfolgt. Planen Sie einen Tankpuffer ein, der der Produktion von mehreren Tagen entspricht, um die Verflüssigung nicht wegen der Verspätung eines Tankwagens unterbrechen zu müssen.

Bedarf an Versorgungseinrichtungen (Utilities)

Neben Strom benötigt die Mikroverflüssigungsanlage Wasser oder Luftkühlung (Abführung der Verdichtungswärme), Instrumentenluft oder Stickstoff, ein Entlüftungs- und Boil-off-Rückgewinnungssystem sowie eine Notstromversorgung für die Sicherungseinrichtungen. Bei sommerlichen Temperaturen sinkt der Kühlwirkungsgrad, daher werden in Projekten die ungünstigsten Bedingungen zugrunde gelegt, nicht die Jahresmittelwerte. Die Notstromversorgung ist wichtig, weil ein Ausfall der Steuerung oder der Kühlung ohne kontrollierte Abschaltung zu einem Druckanstieg in den Tanks führen kann.

Fragen an den Lieferanten

Fragen Sie nach dem garantierten Energieverbrauch in kWh/kg bei sommerlicher Umgebungstemperatur, nach der Mindestlast (Turndown), der Anfahrzeit aus dem kalten und dem heißen Zustand, der erforderlichen CO₂-Konzentration am Eintritt, Referenzen von Anlagen ähnlicher Größe sowie der Lieferzeit der Schlüsselkomponenten. Klären Sie auch, wer für das Boil-off-Gas verantwortlich ist und wie es verwertet wird, denn ohne Lösung dieser Frage entstehen Methanemissionen oder Produktverluste. Zu bewerten ist außerdem das Risiko eines Servicemonopols: Je stärker die Technologie proprietär ist, desto wichtiger ist ein Servicevertrag mit garantierter Reaktionszeit.

Zusammenfassung

Die Wahl der Verflüssigungstechnologie ist ein Kompromiss zwischen Wirkungsgrad sowie Einfachheit und Sicherheit. In kleinen landwirtschaftlichen Anlagen setzt sich häufig der Stickstoffkreislauf durch, in größeren – Systeme mit Kältemittelgemischen. Zu vergleichen sind stets die Gesamtkosten, nicht nur der Preis der Anlage.