Membraanopwerking: hoe werkt de scheiding van CH₄ en CO₂ in een biomethaaninstallatie

Membraanscheiding berust op het doorlaten van gecomprimeerd biogas door bundels dunne polymeervezels, waarbij CO₂ vele malen sneller doorlaat dan CH₄. Aan één zijde van het membraan verzamelt zich een met methaan verrijkte stroom (retentaat – biomethaan), aan de andere zijde een CO₂-rijke stroom (permeaat). Dit is een van de meest gekozen opwerkingstechnologieën, vooral in installaties van kleine en middelgrote schaal, omdat deze modulair, chemievrij en relatief eenvoudig in gebruik is.

Mechanisme: oplossen en diffusie

Het transport door een dicht membraan wordt beschreven door het oplossings-diffusiemodel. Gas moleculen lossen op in het polymeer aan de hoge-drukzijde, diffunderen door de laag en desorberen aan de lage-drukzijde. De snelheid hangt af van het verschil in partiële druk, de dikte van de actieve laag en de doorlaatbaarheid van het materiaal voor het betreffende gas. Waterdamp, CO₂, H₂S en ammoniak passeren zeer snel, zuurstof matig, en methaan en stikstof langzaam. De verhouding tussen de doorlaatbaarheid van CO₂ en CH₄ wordt selectiviteit genoemd; hoe hoger deze is, hoe gemakkelijker zuiver methaan kan worden verkregen bij een laag verlies. Typische materialen zijn polyimiden, polysulfonen en celluloseacetaat, gevormd tot capillaire vezels in modules die in serie en parallel worden geschakeld.

Technologisch systeem

1. Voorbehandeling – verwijdering van H₂S (bijv. actieve kool of biologische ontzwaveling), aerosolen, condensdruppels en vluchtige organische verbindingen. Schadelijk zijn oliën uit de compressor en siloxanen.
2. Compressie – biogas wordt gewoonlijk gecomprimeerd tot enkele tientallen bar (orde van 8–16 bar(g), afhankelijk van de leverancier).
3. Membraantrappen – in een tweetrapssysteem gaat het retentaat van de eerste trap naar de tweede, en het permeaat van de tweede trap wordt teruggevoerd vóór de compressor. In drietrapssystemen gaat het permeaat van de eerste trap naar een extra trap voor methaanterugwinning.
4. Drogen en conditioneren – na de membranen wordt het biomethaan gedroogd, eventueel verrijkt met propaan en geodoriseerd.
5. Off-gas – het permeaat van de laatste trap bevat voornamelijk CO₂ met een spoor van methaan en vereist naverbranding of nuttige toepassing.

Methaanverliezen en zuiverheid

Hoe hoger de vereiste zuiverheid van het biomethaan en hoe lager het verlies, des te groter het membraanoppervlak en de compressie-energie. Moderne meertrapssystemen bereiken doorgaans verliezen onder de 1%, en sommige leveranciers claimen niveaus van 0,5% of lager; de contractuele waarde hangt af van de garanties en de belasting. Een belastingdaling onder het ontwerpniveau kan de parameters verslechteren, daarom worden installaties ontworpen met inachtneming van het regelbereik.

Energie

De compressor is de belangrijkste energieverbruiker. Voor membraansystemen wordt meestal een elektriciteitsbehoefte van 0,2–0,35 kWh per m³ ruw biogas opgegeven, wat overeenkomt met ongeveer 0,35–0,6 kWh per m³ biomethaan bij 55-procentig biogas. Het is raadzaam van de leverancier een opgave te verlangen voor het volledige systeem (inclusief drogen, koelen en voorbehandeling), omdat verschillende partijen waarden voor verschillende balansgrenzen samenstellen.

Voordelen en beperkingen

Voordelen: compactheid, snelle montage, geen chemicaliën of proceswater, eenvoudige opschaling door toevoeging van modules, mogelijkheid tot werking in containers.

Beperkingen: gevoeligheid voor verontreinigingen (olie, condensaat, siloxanen), noodzaak tot vervanging van modules na jaren gebruik, CO₂-stroom met lage zuiverheid (met sporen van CH₄), beperkte flexibiliteit bij zeer lage belasting.

Tips voor de investeerder

• Vraag garanties voor methaanverliezen bij een bepaalde belasting en biogassamenstelling, inclusief een boeteregeling.
• Informeer naar de voorwaarden voor modulevervanging en de kosten per m³ geproduceerd biomethaan.
• Plan de verwerking van off-gas: alleen naverbranding is eenvoudig, maar zonder warmterecuperatie gaat energie verloren.
• Kies de voorbehandeling afgestemd op biogas uit specifieke substraten (bijv. veel H₂S bij slachtafval).
• Controleer de compressiekwaliteit: olievrije compressoren of compressoren met goede oliefiltratie verlengen de levensduur van de membranen.

Rekenvoorbeeld

Aannames: 500 m³/h biogas, 55% CH₄, methaanslip 0,6%, compressie ca. 0,25 kWh/m³ biogas. Elektrisch vermogen compressoren ≈ 125 kW (500 × 0,25). Methaan vóór verliezen: 275 m³/h; verlies ≈ 1,65 m³/h; methaanproductie in biomethaan ≈ 273 m³/h. Jaarlijks elektriciteitsverbruik bij 8000 h: ca. 1000 MWh. Bij een aangenomen stroomprijs van 600 zł/MWh komt dit neer op ca. 600.000 zł per jaar, oftewel ≈ 0,27 zł per m³ biomethaan. De waarden zijn illustratief en vervangen geen offerte van de fabrikant.

Samenvatting

Membranen vormen een compromis tussen eenvoud en efficiëntie. Een goed ontworpen meertrapssysteem levert lage methaanverliezen, maar vereist schoon invoergas en zorgvuldige exploitatie.