Methanisering en power-to-gas met biogeen CO₂: katalytische en biologische methode

Methanisering (power-to-methane) is een proces waarbij waterstof uit elektrolyse zich met kooldioxide verbindt tot methaan: CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O. Bij een biomethaaninstallatie is de natuurlijke bron van CO₂ de afvalstroom uit de opwerking van biogas, dus in plaats van die aan de atmosfeer af te geven kan zij worden benut voor de productie van extra methaan. Het proces kan katalytisch (Sabatier-methode) of biologisch met archaea verlopen. Het totale energetische rendement van elektriciteit tot methaan ligt indicatief in het bereik van ongeveer 45–55%, omdat de grootste verliezen in de elektrolyse ontstaan.

Katalytische methode (Sabatier)

De reactie is exotherm (ΔH ≈ −165 kJ/mol CH₄), wordt doorgaans uitgevoerd bij een temperatuur van ca. 250–400°C, onder een druk van atmosferisch tot ruim tien bar, op een nikkelkatalysator. Voordelen: hoge snelheid, compactheid, mogelijkheid tot benutting van de reactiewarmte. Nadelen: gevoeligheid van de katalysator voor zwavel, noodzaak van reiniging van CO₂, complexere regeling bij wisselende waterstoftoevoer (bijv. uit hernieuwbare bronnen).

Biologische methode

Methanogene archaea (bijv. Methanothermobacter) zetten H₂ en CO₂ om in CH₄ bij een temperatuur van ca. 55–65°C in een reactor met vloeistof of in een vergister. Voordelen: tolerantie voor verontreinigingen (waaronder waterstofsulfide), flexibiliteit bij wisselende waterstoftoevoer, lagere drukken. Nadelen: beperkingen van de massaoverdracht van gas naar vloeistof, grotere reactorvolumes, lagere temperaturen van de restwarmte.

Massa- en energiebalans

Per 1 m³ CH₄ zijn 1 m³ CO₂ en 4 m³ H₂ nodig. Waterstof heeft een calorische waarde van ca. 3,0 kWh/m³ (0,0899 kg/m³ × 33,3 kWh/kg), dus 4 m³ H₂ is ca. 12 kWh. Uit 1 m³ CH₄ verkrijgen we ca. 9,97 kWh. Het rendement van de methanisering zelf (energie van methaan / energie van waterstof) bedraagt dus ca. 83%, en de rest is reactiewarmte. Elektrolyse verbruikt ca. 52 kWh/kg H₂: voor 0,36 kg H₂ (4 m³) is dat ca. 18,7 kWh elektrische energie. Rendement van elektriciteit tot methaan: 9,97/18,7 ≈ 53%, zonder verrekening van energie voor compressie en hulpapparatuur. De warmte van reactie en elektrolyse verhoogt, als ze wordt benut, het totale rendement.

Voorbeeld: biomethaaninstallatie met methanisering

Aannames: de biomethaaninstallatie verwerkt 500 m³/h biogas met 55% CH₄ en 45% CO₂. Het off-gas bevat ca. 225 m³/h CO₂. Bij volledige benutting van CO₂ met extra waterstof is het mogelijk 225 m³/h extra CH₄ te produceren, oftewel vrijwel een verdubbeling van de productie (275 + 225 = 500 m³/h CH₄). Dit vereist 900 m³/h waterstof en ca. 4,2 MW elektrolysevermogen (900 m³/h × 0,0899 kg/m³ ≈ 81 kg/h × 52 kWh/kg ≈ 4,2 MW). Bij een elektriciteitsprijs van PLN 400/MWh bedragen de energiekosten per m³ CH₄ ca. 18,7 kWh × PLN 0,4/kWh ≈ PLN 7,5/m³ – meerdere malen meer dan de kosten van biomethaan uit vergisting. Dit illustreert waarom methanisering zeer goedkope elektriciteit of toegevoegde waarde vereist (bijv. opslag van overschotten uit hernieuwbare bronnen, de RFNBO-eis).

Toepassingen

1. Energieopslag: overschotten aan elektriciteit omgezet in methaan in het gasnet.
2. E-methaan als hernieuwbare brandstof (RFNBO), als de elektriciteit aan de eisen voldoet.
3. Verhoging van de biomethaanproductie in de biogasinstallatie door benutting van CO₂.
4. Decarbonisatie van de industrie, waar waterstof moeilijker toe te passen is dan methaan.

Demonstratie-installaties

In Werlte in Duitsland nam Audi in 2013 een e-gas-installatie in gebruik met een elektrisch vermogen van ca. 6 MW, die CO₂ uit een biogasinstallatie benut. In Avedøre in Denemarken is de BioCat-installatie met biologische methanisering met een vermogen van de orde van 1 MW in bedrijf. Dit zijn pilot- en demonstratieprojecten; de commerciële schaal blijft beperkt door de kosten.

Regelgevende voorwaarden

Om e-methaan als RFNBO te laten erkennen, moet de elektriciteit voor de elektrolyse voldoen aan de eisen van additionaliteit, tijdelijke en geografische correlatie; het CO₂ moet afkomstig zijn uit in de regelgeving toegelaten bronnen (waaronder biogene). De regelgeving voorziet in overgangsperioden en gedetailleerde regels, die in de actuele rechtsakten moeten worden gelezen. Wanneer de elektriciteit uit biogas komt, kan de status anders zijn.

Samenvatting

Methanisering maakt het mogelijk CO₂ uit de biogasinstallatie te benutten en de sectoren elektriciteit en gas te verbinden, maar de economie hangt af van de elektriciteitsprijs en regelgevende eisen. In de komende jaren is het een demonstratie- en nichetechnologie.