Cryogene scheiding van CO₂ uit biogas: werkingsprincipe en koppeling met bioLNG

Cryogene scheiding maakt gebruik van verschillen in de temperaturen van faseovergangen: CO₂ gaat over in vloeibare of vaste toestand bij aanzienlijk hogere temperaturen dan CH₄, dat pas condenseert rond −162°C bij atmosferische druk. Als we dus gecomprimeerd biogas koelen tot een bereik van ongeveer −50…−90°C (afhankelijk van druk en samenstelling), condenseert of kristalliseert CO₂ en kan het worden afgescheiden van het gasvormige methaan. De technologie is minder wijdverbreid dan andere, maar heeft een uniek kenmerk: ze kan leiden tot de vloeibaarmaking van methaan, oftewel bioLNG, en levert vloeibaar CO₂.

Waarom CO₂ zo gemakkelijk kan worden afgescheiden

Het tripelpunt van CO₂ ligt bij een temperatuur van ongeveer −56,6°C en een druk van ongeveer 5,2 bar. Boven deze druk kan koolstofdioxide als vloeistof voorkomen, daaronder resublimeert het tot vaste stof (droogijs). Methaan blijft onder deze omstandigheden gasvormig, omdat de kritische temperatuur ongeveer −82°C bedraagt. Scheiding is dus mogelijk door de juiste druk en temperatuur te kiezen; de details hangen af van de gassamenstelling en configuratie.

Typische procesvolgorde

1. Voorbehandeling – verwijdering van H₂S, siloxanen, VOC en water. Water en H₂S bevriezen in warmtewisselaars en veroorzaken verstoppingen.
2. Compressie en voorkoeling – het gas wordt stapsgewijs gecomprimeerd en gekoeld, met terugwinning van koude.
3. Condensatie of resublimatie van CO₂ – in een warmtewisselaar of destillatiekolom wordt CO₂ afgescheiden als vloeistof of vaste stof en opgevangen.
4. Verdere koeling van methaan – als het doel bioLNG is, wordt het biomethaan gekoeld tot ongeveer −162°C. Als het doel het net is, keert het methaan terug naar omgevingstemperatuur.
5. Terugwinning van koude – de koelenergie van de producten wordt gebruikt om het ingaande gas te koelen.

Voordelen

• Hoge zuiverheid van CO₂ en directe productie van vloeibaar CO₂, dat gemakkelijk te transporteren en verkopen is.
• Lage methaanverliezen in goed ontworpen systemen.
• Samenhang met bioLNG-productie – in plaats van twee afzonderlijke installaties (opwerking en vloeibaarmaking) ontstaat een geïntegreerd proces.
• Geen chemische oplosmiddelen.

Nadelen

• Complexiteit en CAPEX – cryogene warmtewisselaars, compressoren, koude-terugwinning, materiaaleisen.
• Gevoeligheid voor verontreinigingen – water, H₂S en siloxanen moeten zeer grondig worden verwijderd.
• Energie – koeling tot lage temperaturen is kostbaar; als het doel echter bioLNG is, moet een deel van de energie sowieso worden besteed aan de vloeibaarmaking van methaan.
• Schaal – de rendabiliteit neemt toe bij grotere stromen, hoewel er ook containerunits worden ontwikkeld.

Waar deze technologie zinvol is

De technologie past waar twee doelen samenkomen: de verkoop van bioLNG (voor transport, waaronder zwaar en maritiem) en de verkoop van vloeibaar CO₂ (voor de voedingsmiddelenindustrie of als grondstof). Omdat de prijs van bioLNG en CO₂ vaak hoger is dan die van netbiomethaan, kan de waarde van de bijproducten de hogere CAPEX rechtvaardigen. Voorwaarde is een stabiele afname van beide producten en logistiek (cryogene tankwagens).

Illustratief voorbeeld: hoeveel CO₂ zit er in biogas

Aannames: 1000 m³/h biogas, 45% CO₂, dichtheid CO₂ ca. 1,98 kg/m³ (normale omstandigheden), 8000 h/jaar. CO₂-stroom: 450 m³/h ≈ 890 kg/h ≈ 7100 t/jaar. Bij een veronderstelde verkoopprijs van vloeibaar CO₂ van 300 zł/t (puur illustratief – prijzen zijn afhankelijk van de lokale markt en kwaliteit) bedraagt de brutowinst ongeveer 2,1 miljoen zł/jaar, waarvan de kosten voor vloeibaarmaking, opslag en transport moeten worden afgetrokken. In een haalbaarheidsstudie moet worden uitgegaan van afnameovereenkomsten, niet van aannames.

Kwaliteitseisen voor de voeding

Voor cryogene systemen is het cruciaal dat in het gas dat de warmtewisselaars bereikt, praktisch alleen CH₄ en CO₂ aanwezig zijn. Water moet tot een zeer laag dauwpunt worden verwijderd, en H₂S, siloxanen en vluchtige organische verbindingen tot sporenhoeveelheden, omdat ze bij lage temperaturen vaste afzettingen vormen en de kanalen van warmtewisselaars verstoppen. Ook ammoniak en zwaardere koolwaterstoffen kunnen, indien aanwezig, eerder bevriezen dan CO₂. Daarom worden cryogene installaties voorafgegaan door uitgebreide zuivering (adsorbers, actieve kool, moleculaire zeven). De kosten van deze stap worden meegenomen in de berekening, en de kwaliteit ervan bepaalt de beschikbaarheid.

Rol van opslagcapaciteit

Vloeibaar CO₂ en bioLNG vereisen geïsoleerde tanks en veiligheidsprocedures (druk, lage temperaturen, verstikkingsgevaar bij lekkage van CO₂). De opslagtank fungeert als buffer tussen continue productie en periodieke afname door tankwagens, daarom moet de grootte ervan worden afgestemd op het logistieke schema, en niet alleen op het vermogen van de installatie.

Samenvatting

Cryogene techniek is een nichemarkt, maar logisch wanneer het doel bioLNG en vloeibaar CO₂ is. Het vereist de hoogste standaarden voor voorbehandeling en hogere investeringen, maar biedt in ruil producten van hoge kwaliteit.