Wasserwäsche bei der Biogasaufbereitung: Funktionsprinzip und Wasserbilanz

Die Wasserwäsche (Water Scrubbing) ist eine physikalische Absorption von CO₂ in Wasser, die in einer Kolonne unter einem Druck in der Größenordnung von 5–10 bar durchgeführt wird. Die Löslichkeit von CO₂ in Wasser ist um ein Vielfaches höher als die von Methan (bei Raumtemperatur etwa 25-fach), sodass das Wasser hauptsächlich CO₂ aufnimmt und das Methan die Kolonne als Biomethan verlässt. Anschließend wird das Wasser in der Desorptionskolonne regeneriert und kehrt in den Kreislauf zurück. Das Verfahren ist konzeptionell einfach, unempfindlich gegenüber Verunreinigungen und in größeren Anlagen weit verbreitet.

Anlagenschema

1. Verdichtung – das Biogas wird auf einige bis über zehn bar verdichtet und gekühlt.
2. Absorptionskolonne – das Biogas strömt von unten, das Wasser von oben, im Gegenstrom. Die Füllung vergrößert die Kontaktfläche. Oben wird das mit Feuchtigkeit gesättigte Biomethan abgenommen.
3. Flash-Behälter – das mit CO₂ gesättigte Wasser gelangt in einen Behälter mit abgesenktem Druck. Es wird ein Gas freigesetzt, das reich an gelöstem Methan ist und vor den Verdichter zurückgeführt wird, was die Verluste begrenzt.
4. Desorptionskolonne (Strippung) – das Wasser trifft im Gegenstrom auf Luft. Die Luft strippt das CO₂ (und einen Teil des H₂S) aus, und das gereinigte Wasser kehrt in die Absorption zurück, in der Regel nach dem Abkühlen.
5. Trocknung des Biomethans – das Gas nach der Wäsche ist feucht und erfordert daher vor der Einspeisung eine Trocknung.

Wasser- und Temperaturbilanz

Das Wasser zirkuliert im geschlossenen Kreislauf, doch ein Teil geht durch Verdunstung und Abschlämmung verloren und muss daher ergänzt werden. Der Bedarf an Zusatzwasser ist im Vergleich zum Kreislauf gering, hat aber in Gebieten mit begrenzter Wasserverfügbarkeit Bedeutung. Wichtig ist die Temperatur: Je kühler das Wasser, desto besser die Löslichkeit von CO₂, daher beeinflusst die Kühlung Effizienz und Energieverbrauch.

Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen

Die Wasserwäsche entfernt H₂S teilweise, das sich ebenfalls in Wasser löst, bei der Strippung aber in das Off-Gas ausgeblasen wird. Das verursacht Korrosion und Geruchsbelästigung, daher wird in der Praxis eine Vorentschwefelung eingesetzt. Das Wasser im Kreislauf begünstigt die Vermehrung von Mikroorganismen, was zum Zuwachsen der Füllung, zu Leistungsabfall und zur Notwendigkeit von Spülung oder Biozid-Dosierung führen kann.

Methanverluste und Off-Gas

Die Methanverluste in modernen Wäschern liegen in der Regel im Bereich von 0,5–1,5%. Das Off-Gas aus dem Stripper ist Luft mit CO₂ und Spuren von CH₄ und H₂S, die gereinigt oder nachverbrannt werden müssen, wenn es Emissions- und Geruchsanforderungen erfüllen soll. Eine zu aggressive Begrenzung der Methanverluste erhöht den Energiebedarf (größere Rezirkulationen, intensiveres Flashen).

Energie

Der Bedarf an elektrischer Energie ist ähnlich wie bei Membranen und PSA – in der Größenordnung von 0,2–0,3 kWh/m³ Biogas. Hauptverbraucher sind der Verdichter, die Umwälzpumpen und das Stripping-Gebläse. Prozesswärme wird nicht benötigt.

Vorteile und Einschränkungen

Vorteile: keine Chemikalien, hohe Unempfindlichkeit gegenüber schwankender Biogaszusammensetzung, Möglichkeit der Entfernung eines Teils des H₂S, stabiler Betrieb in einem weiten Lastbereich, geringe Anforderungen an die Reinheit des Eingangsgases.

Einschränkungen: große Abmessungen der Kolonnen, Bedarf an Wasser und Kühlung, etwas höhere Methanverluste als bei der Aminwäsche, Biologie des Kreislaufs, Emissionen aus dem Off-Gas, geringere Wirtschaftlichkeit bei kleinen Anlagengrößen.

Illustratives Beispiel

Annahmen: 800 m³/h Biogas, 53% CH₄ (424 m³/h CH₄), 8000 h/Jahr. Bei einem Verlust von 1,0% gehen 424 × 0,01 × 8000 ≈ 33.900 m³/Jahr verloren (ca. 340 MWh). Würde eine bessere Rückführung den Verlust auf 0,3% senken, ginge der Verlust auf ca. 10.000 m³/Jahr zurück. Der Wert des vermiedenen Verlusts beträgt bei einem angenommenen Preis von 200 PLN/MWh ca. 47.000 PLN pro Jahr – das ist der Hintergrund für Garantieverhandlungen.

Wann die Wasserwäsche sinnvoll ist

• Wenn die Anlagengröße groß ist (einige hundert bis einige tausend m³/h Biogas).
• Wenn das Biogas eine schwankende Zusammensetzung hat oder H₂S enthält, also eine tolerante Technologie benötigt wird.
• Wenn Wasser und Platz für die Kolonnen verfügbar sind und günstige Wärme für eine Aminwäsche fehlt.

Betrieb des Wasserkreislaufs

Die häufigsten Betriebsprobleme sind Biofilm und Ablagerungen in der Füllung der Kolonnen, Schaumbildung sowie Kalkstein bei hartem Zusatzwasser. Ihnen beugen Wasseraufbereitung, periodisches Spülen und Qualitätskontrolle des Kreislaufs (pH-Wert, Leitfähigkeit, Gehalt an Schwebstoffen) vor. Zu prüfen ist auch, ob die Kühlung des Kreislaufs für den Sommer vorgesehen ist, denn ein Anstieg der Wassertemperatur um einige Grad verschlechtert die Löslichkeit von CO₂ und erhöht den Energieverbrauch. Im Winter besteht das Risiko des Einfrierens von Nebenleitungen. Das Abwasser aus der Abschlämmung wird in der Regel gemäß wasserrechtlicher Genehmigung abgeleitet, daher sind Menge und Zusammensetzung in der Planungsphase abzustimmen und nicht erst nach der Inbetriebnahme.

Zusammenfassung

Die Wasserwäsche ist eine unkomplizierte, robuste Technologie, bei der die Hauptherausforderung im Management von Wasser und Off-Gas liegt. Bei der Planung lohnt es sich, von Anfang an eine Nachverbrennung oder Rückgewinnung von Methan aus dem Off-Gas vorzusehen.