BiomethanAnalyse
Technologien der Biogasaufbereitung: Vergleich von Membranen, PSA, Wäschern und Kryotechnik
Fünf Technologiefamilien entfernen CO₂ aus dem Biogas: Membranen, PSA, Wasserwäsche, Aminwäsche und Kryotechnik. Wir vergleichen Funktionsprinzip, Methanverluste und Energiebedarf.
Zur Entfernung von CO₂ aus Biogas werden fünf Haupttechnologiefamilien eingesetzt: die Membrantrennung, die Druckwechseladsorption (PSA), die physikalische Absorption in Wasser, die chemische Absorption in Aminen und die kryogene Trennung. Keine gewinnt in allen Kriterien – Membranen sind kompakt und modular, die Aminwäsche hat die niedrigsten Methanverluste, die Wasserwäsche ist einfach und robust, PSA konkurriert über den Preis, und die Kryotechnik liefert am Ausgang flüssiges CO₂ oder bioLNG. Der folgende Vergleich hat orientierenden Charakter: Die genauen Werte hängen vom Lieferanten, von vertraglichen Garantien und von den Betriebsbedingungen ab.
Funktionsprinzipien im Überblick
- Membranen – das Gas strömt durch Polymerfasern, in denen CO₂ (und Wasserdampf) schneller permeiert als CH₄. Das Methan verbleibt auf der Retentatseite.
- PSA – CO₂ wird bei erhöhtem Druck an einem Molekularsieb (Kohlenstoff- oder Zeolithsieb) adsorbiert und bei vermindertem Druck desorbiert; mehrere Kolonnen arbeiten zyklisch.
- Wasserwäsche – CO₂ löst sich in Wasser um ein Vielfaches besser als CH₄ (Größenordnung 25-mal bei Raumtemperatur), sodass das Wasser in der Druckkolonne hauptsächlich CO₂ bindet.
- Aminwäsche – CO₂ reagiert chemisch mit einer Aminlösung; das Lösungsmittel wird mit Wärme von ca. 110–140 °C regeneriert.
- Kryotechnik – das Biogas wird verdichtet und auf niedrige Temperaturen abgekühlt, bei denen CO₂ sich verflüssigt oder resublimiert und vom Methan abgetrennt wird.
Orientierender Vergleich
| Kriterium | Membranen | PSA | Wasserwäsche | Aminwäsche | Kryotechnik |
|---|---|---|---|---|---|
| Methanverluste (moderne Systeme) | in der Regel unter ca. 1% | in der Regel ca. 1% oder weniger | ca. 0,5–1,5% | in der Regel unter 0,1–0,2% | niedrig, systemabhängig |
| Hauptenergiebedarf | Strom | Strom | Strom | Wärme + wenig Strom | Strom (Kühlung) |
| Reinheit des CO₂-Stroms | niedrig (Permeat mit Methan) | niedrig | niedrig (Strippung mit Luft) | hoch (>99%) | hoch, häufig flüssiges CO₂ |
| Voraussetzungen | Trocknung, Entfernung von H₂S und VOC | Entfernung von H₂S und VOC | tolerant gegenüber H₂S | Entfernung von H₂S | tiefe Trocknung |
| Vorteil | Modularität, Einfachheit | niedriger Preis | Robustheit, keine Chemie | niedrigster CH₄-Schlupf | bioLNG und flüssiges CO₂ |
| Nachteil | CH₄-Verluste bei einer Stufe | komplexe Automatisierung | Wasser, große Kolonnen | Wärmebedarf, Aminabfälle | Komplexität und CAPEX |
Wie die Technologie ausgewählt wird
- Anlagengröße. Eine kleine und mittelgroße landwirtschaftliche Anlage (einige hundert m³/h Biogas) wählt in der Regel Membranen, da sie kompakt und schnell zu montieren sind. Große Anlagen erwägen auch Wäscher.
- Abwärme. Wenn in der Nähe günstige Wärme verfügbar ist (z. B. aus einer vorhandenen CHP, einem Biomassekessel oder einem Industriebetrieb), wird die Aminwäsche attraktiv – ihr größter Kostenfaktor, die Regeneration, ist dann niedrig.
- Verwertung des CO₂. Soll das CO₂ verkauft werden (z. B. an die Lebensmittelbranche), ist eine hohe Reinheit erforderlich, die die Aminwäsche oder die Kryotechnik bietet; bei den übrigen Technologien muss der Abfallstrom zusätzlich gereinigt werden.
- Methanverluste. Jedes Prozent Schlupf ist entgangener Erlös und Treibhausgasemission.
- Verfügbarkeit des Service. Wichtig ist, ob der Lieferant lokale Unterstützung bietet und die Verfügbarkeit garantiert.
Beispielrechnung zur Veranschaulichung
Annahmen: Biogasstrom 1000 m³/h mit 55% CH₄ (550 m³/h Methan), Methanschlupf 0,5% in Variante A und 1,5% in Variante B, 8000 Betriebsstunden pro Jahr. Methanverlust in A: 550 × 0,005 × 8000 ≈ 22.000 m³, in B: 550 × 0,015 × 8000 ≈ 66.000 m³. Die Differenz beträgt ca. 44.000 m³ CH₄ pro Jahr, also ca. 440 MWh (bei ca. 10 kWh/m³). Für Gas, das mit 200 PLN/MWh bewertet wird, ergibt das ca. 88.000 PLN pro Jahr – ein Betrag, der über einen Horizont von mehr als zehn Jahren eine teurere Technologie rechtfertigen kann, wenn der Unterschied bei den CAPEX gering ist. Der Preis von 200 PLN/MWh ist eine Rechenannahme, keine Notierung.
Trends
Die Lieferanten kombinieren Technologien, z. B. Membranen mit einer abschließenden Methan-Nachbehandlung aus dem Off-Gas durch einen thermischen Oxidator oder eine zusätzliche Trennstufe, und die Aminwäsche mit Wärmerückgewinnung aus der Verdichtung. Es wächst die Bedeutung der Verwertung von biogenem CO₂ und der Begrenzung der Emissionen aus dem Off-Gas, was die rechtlichen Anforderungen und die Treibhausgasbilanz beeinflussen wird.
Worauf im Angebot zu achten ist
Neben den Parametern aus der Tabelle sollten Sie die vollständigen Lieferumfänge vergleichen. Ein Angebot umfasst Vorreinigung, Trocknung, Verdichter, Nachverbrennungssystem für das Off-Gas und Einspeisestation, ein anderes nur das Trennmodul. Fragen Sie nach der garantierten Verfügbarkeit (in Prozent des Jahres), den Kosten für den Austausch von Verbrauchsmaterialien (Membranen, Sorbens, Lösungsmittel, Füllung), der Lieferzeit sowie dem Betriebsbereich bei Teillast. In der Praxis arbeitet eine landwirtschaftliche Anlage selten mit einem konstanten Auslegungsdurchfluss an Biogas, da die Produktion von der Beschickung der Fermenter abhängt. Ein System, das eine Last von 50–60% des Nennwerts gut verträgt, ist mitunter mehr wert als ein System mit etwas niedrigeren Verlusten im Auslegungspunkt.
Zusammenfassung
Eine vernünftige Wahl erfordert den Vergleich der Gesamtkosten (CAPEX + OPEX + Wert der Methanverluste) und die Berücksichtigung der lokalen Bedingungen – Wärme, Wasser, Strom und CO₂-Markt. Eine ausführliche Besprechung jeder Technologie finden Sie in den folgenden Beiträgen der Reihe.
Quellen
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