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Gasaufbereitung - Verfahren zur Abtrennung und Aufbereitung von CO2 bei der Biomethangasproduktion
Bei der Biomethangasproduktion entsteht eine beträchtliche Menge an CO2, das vor der Verwendung des Biomethangases abgetrennt und aufbereitet werden muss. In einem unserer letzten Beiträge haben wir uns mit der Aufbereitung durch die LPSA-Technologie, die bei der AVRIO Energie zum Einsatz kommt, beschäftigt. Heute wollen wir in diesem Beitrag noch einmal die verschiedenen Verfahren zur CO2-Abtrennung und -Aufbereitung in der Biomethangasproduktion vorstellen. Diese Methoden umfassen Druckwechseladsorption (PSA), Druckwasserwäsche (DWW), physikalische Absorption, physikalische Wäsche mit Polyglykolen, chemische Wäsche mit Aminen, Chemisorption, Gasseparation über Membranen und Hybridverfahren aus Membranverfahren und Tieftemperaturkühlung.
Druckwechseladsorption (Pressure Swing Adsorption, PSA)
Druckwechseladsorption ist ein Verfahren, bei dem CO2 aus dem Biomethangas durch die Verwendung von Adsorbentien entfernt wird. Das Verfahren beruht darauf, dass sich die Bindungskräfte und Molekülgrößen der verschiedenen Gaskomponenten unterscheiden. Das Gas wird unter hohem Druck durch eine Adsorbenssäule geleitet, wo das CO2 adsorbiert wird, während Methan und andere Gase passieren. Anschließend wird der Druck reduziert, um das adsorbierte CO2 freizusetzen und das Adsorbens für den nächsten Zyklus zu regenerieren. Als Adsorbens werden üblicherweise Aktivkohlen, Molekularsiebe (Zeolithe) oder Kohlenstoffmolekularsiebe verwendet.
Druckwasserwäsche (DWW, physikalische Absorption)
Physikalische Absorptionsverfahren nutzen die unterschiedlichen Löslichkeitseigenschaften von CO2 und Methan in bestimmten Lösungsmitteln aus. Die Druckwasserwäsche ist ein physikalisches Absorptionsverfahren zur CO2-Abtrennung. Dabei wird das Biomethangas mit Wasser in einer Druckkammer in Kontakt gebracht. Das CO2 löst sich im Wasser und kann dann von den übrigen Gasbestandteilen getrennt werden. Das gereinigte Biomethangas wird aus der Oberseite der Druckkammer abgezogen, während das CO2 für die weitere Aufbereitung gesammelt wird.
Der besondere Vorteil des Verfahrens ist das Waschmittel Wasser, da es sehr günstig verfügbar, einfach in der Handhabung und nicht umweltgefährdend ist. Für das Verfahren ist ein hoher Arbeitsdruck (5-10 bar) notwendig, was zu einem nennenswerten Strombedarf führt. Zusätzlich ist eine Feinentschwefelung des Rohbiogases vor der Druckwasserwäsche erforderlich, um zu verhindern, dass Schwefelwasserstoff (H2S) in den Abluftstrom oder den CO2-Strom gelangt.
Physikalische Wäsche mit Polyglykolen
Die physikalische Wäsche mit Polyglykolen ist ein ähnliches Verfahren wie die physikalische Absorption. Hierbei werden gut wasserlösliche Polyglykole als Lösungsmittel eingesetzt, die eine hohe Affinität zum CO2 aufweisen. Das CO2 wird absorbiert, während das Methan durch das Lösungsmittel hindurchgeht. Durch die Regeneration des Lösungsmittels kann das CO2 zurückgewonnen werden. Für die Regeneration des Lösungsmittels entsteht ein erhöhter Aufwand: Zusätzlich zur Entspannung und Strippung ist eine Erwärmung der Waschlösung notwendig.
Chemische Wäsche mit Aminen (Chemisorption)
Bei einer Chemisorption wird die physikalische Absorption der im Waschmittel gelösten Gaskomponenten mit einer nachfolgenden, chemischen Reaktion kombiniert. Dadurch kann gegenüber der reinen Absorption eine deutlich höhere Beladung der Waschflüssigkeit erreicht werden. Bei gleichen CO₂-Konzentrationen in der Gasphase sind beispielsweise die Beladungskapazitäten von Aminlösungen um ein Vielfaches höher als die von Wasser. Das Verfahren erfordert eine vorangehende Feinentschweflung, da die meisten Aminverbindungen sensibel auf Schwefelanteile in der Lösung reagieren. Bei der Regeneration des Waschmittels wird viel Energie für die Rückreaktion benötigt. Der wesentliche Nachteil der Amine ist deren wassergefährdende Eigenschaft. Sie sind gesundheitsschädlich und ätzend, teilweise auch als kanzerogen eingestuft, weshalb besondere Sicherheitsvorkehrungen und geschultes Personal zum Schutz von Menschen und Umwelt erforderlich sind.
Gasseparation über Membranen
Die Gasseparation über Membranen nutzt die unterschiedliche Permeabilität von CO2 und Methan durch spezielle Membranen. Das Biomethangas wird durch eine Membran geleitet, die selektiv CO2 abtrennt und das gereinigte Methan zurückhält. Diese Methode erfordert keine Chemikalien und ist energieeffizient, da sie ohne den Einsatz von thermischer Energie auskommet und dadurch energetisch günstiger sein kann als Trennverfahren. Vorteile der Membrantrennverfahren sind der sehr einfache technische Aufbau, die nahezu wartungsfreie und unkomplizierte Handhabung sowie die damit verbundene hohe Betriebssicherheit. Nachteilig sind allgemein ein hoher Verdichtungsaufwand und die damit verbundenen hohen Kosten. Bei der Biogasaufbereitung entstehen im Vergleich zu anderen Aufbereitungsverfahren vergleichsweise hohe Methanverluste.
Hybridverfahren aus Membranverfahren und Tieftemperaturkühlung
Hybridverfahren kombinieren verschiedene CO2-Abtrennungstechniken, um eine höhere Effizienz zu erreichen.
CO2 kann auch unter Einwirkung tiefer Temperaturen in flüssigem Aggregatzustand von Biogas abgetrennt werden (kryogene Abtrennung). Durch die unterschiedlichen Siedepunkte von CO2 und CH4 kann eine sehr saubere Trennung mit einem sehr geringen Methanschlupf gewährleistet werden. Darüber hinaus bietet das Verfahren einen weiteren Vorteil. Das als Nebenprodukt gewonnene CO2 hat eine hohe Reinheit und kann beispielsweise in der Lebensmittelindustrie verwendet werden. Das Biomethangas wird zunächst durch Membranen geleitet, um einen Großteil des CO2 abzutrennen. Anschließend wird das Gas auf tiefe Temperaturen gekühlt, wodurch das restliche CO2 kondensiert und abgetrennt werden kann. Im Gegensatz zur reinen kryogenen Abtrennung mit ihrem hohen energetischen Aufwand, stellt die Kombination aus Tieftemperaturkühlung und Membranverfahren ein innovatives Hybridverfahren dar.
Zusammenfassung:
Die Abtrennung und Aufbereitung von CO2 bei der Biomethangasproduktion ist ein wichtiger Schritt, um hochwertiges Biomethan zu gewinnen. Die vorgestellten Verfahren wie Druckwechseladsorption, Druckwasserwäsche, physikalische und chemische Absorption, Gasseparation über Membranen und Hybridverfahren bieten effiziente Möglichkeiten, CO2 von Biomethangas zu trennen. Die Wahl des geeigneten Verfahrens hängt von verschiedenen Faktoren wie CO2-Konzentration, Gaszusammensetzung und wirtschaftlichen Aspekten ab. Durch die Implementierung dieser CO2-Abtrennungsverfahren kann die Biomethangasproduktion einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen leisten und zur Erreichung einer nachhaltigen Energieversorgung beitragen.