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DAS FACHMAGAZIN FÜR BIOENERGIE UND -ÖKONOMIE Montag, 18.06.2018

Filtern auf molekularer Ebene

In der Biomethanerzeugung liefern sich die verschiedenen Aufbereitungstechniken ein heißes Rennen um den Wachstumsmarkt. Die Dortmunder Bebra Biogas GmbH importiert jetzt ein Membrantrennverfahren aus Österreich. Im württembergischen Allgäu wurde die erste Anlage Deutschlands mit dieser Technik errichtet.

Jürgen Becker, Geschäftsführer der Thüga Energie GmbH, und Franz Rupp, Betreiber der Abfall-Biogasanlage in Kißlegg (v.l.n.r.). / Foto: DanyAuf der Biogasanlage von Franz Rupp ist vieles anders. Auf einem der Fermenter steht nicht etwa ein Futtermischer, sondern ein ausrangiertes, sowjetisches Jagdflugzeug. Rupp füttert die Anlage nicht etwa mit Mais- oder Grassilage, sondern mit überlagerten Lebensmitteln, Fett- und Speiseresten. Aus dem Biogas wird nicht etwa vor Ort Strom erzeugt, sondern Biomethan, das ins Erdgasnetz eingespeist wird. Die Aufbereitungsanlage arbeitet nicht etwa mit einem der bekannten Wasch- oder Adsorptionsverfahren, sondern mit Membrantechnik. Sie ist die erste derartige Anlage in Deutschland!

Der Allgäuer Franz Rupp ist Landwirt und Geschäftsführer sowohl der Rupp Gaserzeugung GbR, als auch der BRV GmbH (Biologische Reststoff-Verwertung). Seit 16 Jahren wird auf seinem Hof Biogas erzeugt. Rupps Entsorgungsfachbetrieb BRV beliefert die Anlage mit nicht mehr für den Verzehr geeigneten Lebensmitteln. Frü-her hatten die angeschlossenen Bhkw eine Leistung von insgesamt 1,2 Megawatt elektrisch. Nachdem hier auf dem Weiler Kißlegg-Rahmhaus die Wärme nur für den eigenen Prozeßbedarf eingesetzt werden konnte, ist die Anlage im Vorjahr auf Gaseinspeisung umgerüstet worden. Die Aufbereitungsanlage wird von der Thüga Energie GmbH betrieben, dem Strom- und Gasversorger in der Region Allgäu-Oberschwaben. Insgesamt ist die Thüga-Gruppe an 110 Unternehmen, überwiegend kommunalen und regionalen Energieversorgern, beteiligt. Nachdem andere Thüga-Unternehmen schon Anlagen mit anderen Aufbereitungstechniken betreiben, sollte nun auch eine mit Membrantechnik errichtet werden. Die Membrantechnik kommt ohne die Verwendung von Prozeßwasser oder chemischen Reinigungsmitteln aus.

Auszeichnung für Gasaufbereitung

Im Rahmen des von der Deutschen Energie-Agentur koordinierten Projekts „Biogaspartner“ erhielt die Thüga Energie GmbH im Dezember einen Sonderpreis, weil sie laut der Juroren mit der innovativen Membrantechnik zur Gasaufbereitung eine Vorreiterrolle in Deutschland einnehme. Der Energieversorger will das Biomethan in allen drei Nutzungspfaden vermarkten: für Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, den Wärmemarkt und als Kraftstoff. Das Biomethan aus der Abfallvergärung wird in KWK-Anlagen allerdings nicht mit dem Nawaro-Bonus vergütet, was eine niedrigere Einspeisevergütung gegenüber Gas aus Energiepflanzen bedeutet. Dafür kann mit dem Abfall-Biomethan das Baden-Württemberger EE-Wärme-Gesetz erfüllt werden, das auch bei Heizungstausch in Bestandsgebäuden zehn Prozent erneuerbare Energien verlangt.

Als Lieferant für die Aufbereitungstechnik fand sich die Dortmunder Bebra Biogas GmbH, die eine Partnerschaft mit der Axiom Angewandte Prozesstechnik GmbH aus Österreich hat. Axiom hat in einem Projektkonsortium unter Federführung der TU Wien das Membrantrennverfahren mit entwickelt. Im Juni 2007 ist in Bruck an der Leitha ein Pilot-Einspeiseprojekt ans Netz gegangen. Die Kooperation sieht vor, daß Bebra Biogas im deutschen Markt den Vertrieb und das Anlagenlayout unter der Marke Bebra-Methan übernimmt. Hergestellt und in den Containern vorinstalliert werden die Anlagen bei Axiom in Österreich.

Für eine kurze Besichtigungstour ist Benno Brachthäuser von Bebra Biogas nach Kißlegg-Rahmhaus gekommen. 1,7 Millionen Euro habe die Aufbereitungsanlage inklusive der Schnittstellen „Rohgas“ und „Produktgas in die Erde“ gekostet, verrät der Geschäftsführer. Einspeiseleitung und -anlage mitgerechnet, betrage die Gesamt-Investitionssumme rund 2,8 Millionen Euro. Darin enthalten seien 0,7 Millionen Euro Netzanschlußkosten, die an den Netzbetreiber Thüga Energienetze GmbH entfallen. „Die Aufbereitungsanlage hat eine Kapazität von 500 Kubikmeter Rohgas pro Stunde. Daraus können 320 Kubikmeter Biomethan je Stunde erzeugt werden“, erzählt er vorab. Die hohe Biomethanausbeute liege an der Gasqualität des Rohgases: Durch die energiereichen Abfallstoffe betrage der Methangehalt zur Zeit 65 Prozent. Allerdings schwanke dieser relativ stark entsprechend der Inputstoffe. Zielgröße für den Aufbereitungsprozeß sei ein Produktgas mit 98 Prozent Methananteil. Das sei Standard und hier in Kißlegg für die Einspeisung in das H-Gasnetz auch erforderlich. „Höhere Konzentrationen sind zwar erzielbar, die Leistungsanforderungen würden aber dermaßen steigen, daß das Ganze unwirtschaftlich wird“, erklärt der Biogasexperte Brachthäuser. Der Weg des Biogases durch die Leitungen kann auf der Kißlegger Anlage gut nachvollzogen werden. Das Rohgas kommt zunächst drucklos an. Ein Verdichter bringt es auf 160 Millibar. Die Meß-, Steuer- und Regeltechnik überwacht die Gehalte der Gase Schwefelwasserstoff, Methan und Sauerstoff. Bei letzterem herrsche Nulltoleranz, erläutert Brachthäuser: „Wegen Explosionsgefahr darf kein Sauerstoff in die Aufbereitungsanlage und ins Erdgasnetz gelangen“. Als erstes erfolgt eine Kältetrocknung: Bei fünf bis acht Grad kondensieren hier Schwebteilchen aus. Über zwei Aktivkohlefilter wird das Gas dann entschwefelt. Die Aktivkohle-Behälter können in Serie oder parallel geschaltet werden. So ist ein Wechseln von mit Schwefel beladener Aktivkohle während des Betriebs möglich.

Zwei Abtrennungsstufen

In zwei Stufen wird das Gas verdichtet und Methan von Kohlendioxid getrennt: Der Kompressor im ersten Container verdichtet auf 6,3 Bar vor. Im zweiten Container wird auf 7,8 Bar komprimiert. Der erforderliche Arbeitsdruck liegt zwischen sieben und zehn Bar. In Kißlegg kann er wegen des hohen Methananteils relativ niedrig gehalten werden. In beiden Containern befinden sich die zylindrischen Membran-module. Bereits im ersten Container wird einspeisefähiges Gas mit einer Konzentration von 98 Prozent Methan abgetrennt. Das Permeat genannte Restgas durchläuft dann in der zweiten Stufe mit höherem Druck eine erneute Membranfilterung. Auf dem Überwachungs-Display liest Brachthäuser ab: „303 Kubikmeter Rohgas gehen rein, 173 Kubikmeter Produktgas raus“. Die Membranmodule sind derzeit wegen des geringeren Gasstroms nicht alle in Betrieb. Das Produktgas (Retentat) geht mit sechs Bar Druck als Biomethan auf die fünf Kilometer lange Reise bis zur Einspeiseanlage. Dort wird es für die Einspeisung in das Transportnetz auf 70 Bar verdichtet.

CO2 und andere kleine Moleküle durchdringen die Membranen und werden letztlich als Permeat einem Schwachgasbrenner zugeführt. Das Permeat enthält noch einen Rest an Methan, der früher als „Methanschlupf“ problematisch war, weil er ungehindert in die Atmosphäre entwich und das Klima schädigte. Für den Gasaufbereitungs-Technologiebonus im EEG 2009 dürfen die Methanemissionen maximal 0,5 Prozent betragen. Beim Nachverbrennungssystem der Bebra-Biogas handle es sich um eine „Zero-Emissions-Anlage“, die den Methanschlupf vollständig eliminiert, erläutert der Chemiker Brachthäuser: „Bei unserem System kann der Methangehalt im Permeat zwischen drei und zehn Prozent geregelt und der Biogasanlage Wärme je nach deren Bedarf für die Fermenterheizung und Pasteurisierung zur Verfügung gestellt werden“.

Der Schwachgasbrenner nach dem Prinzip der flammlosen Oxidation (Flox-Technologie) befindet sich im dritten Container: Die Einheit aus Brenner und Abhitzekessel mit Brennwerttechnik kommt von der Firma E-flox GmbH aus Renningen (Baden-Württemberg). Das Schwachgas und die zugemischte Verbrennungsluft werden hier auf 400 bis 500 Grad vorgeheizt. Die Oxidation findet dann bei einer Temperatur von rund 850 bis 950 Grad statt. Im Winter wird aufgrund des erhöhten Wärmebedarfs der Biogasanlage das auch „Off-Gas“ genannte Restgas mit höherem Methangehalt in den Brenner geführt. Brachthäuser: „Das System kommt nach der Anfahrphase ohne zusätzliche Brennstoffe aus und ist damit in der Lage, die im Schwachgas enthaltene Energie vollständig zu verwerten.“ Die Brennereinheit enthält einen Startbrenner. Dieser wird mit gereinigtem Rohbiogas betrieben, das bei einem Methangehalt von unter fünf Prozent auch als Zusatzgas während der Schwachgasverbrennung dient. „Die Gesamteffizienz der Anlage muß betrachtet werden, nicht nur die Biomethanproduktion“, sagt der Geschäftsführer.

01_11_bebramethan_1_grAuch für kleinere Biogasanlagen

Großes Potential sieht Brachthäuser in der Nachrüstung bestehender Biogasanlagen mit der Aufbereitung durch Membrantechnik: „Viele 500-Kilowatt-Anlagen müssen allmählich ihre Bhkw ersetzen. Bei denjenigen, die über keine richtige Wärmesenke verfügen, ist ein Umbau auf Einspeisung ins Gasnetz sinnvoll. Das haben bereits viele Betreiber erkannt.“ Anstatt mit einem neuen Bhkw läßt sich eine Biogasanlage auch mit den drei Containern, die die Gasaufbereitung und den Schwachgasbrenner zur vollständigen Wärmeversorgung der Anlage enthalten, ergänzen. Auf ein Bhkw könne damit verzichtet werden. Der Biogas-Landwirt erhalte mit der Gasaufbereitung die Wärmeversorgung für seine gesamte Anlage.

Die Membrantechnik hat für Brachthäuser einen entscheidenden Vorteil: „Sie ist einfach aufgebaut. Dadurch können wir leichter ‚downscalen’“, so der promovierte Chemiker. Die Zielvorgabe fürs eigene Unternehmen sei daher, in der 500-Kilowatt-Klasse Aufbereitungskosten von unter zwei Cent je Kilowattstunde realisieren zu können. Für eine Aufbereitungsanlage in dieser Größe mit einem Rohgasaufkommen von rund 250 Normkubikmeter pro Stunde setzt der Geschäftsführer 1,1 Millionen Euro an Investitionen an.

Michael Beil, Leiter Biogasaufbereitung am Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik in Kassel, beurteilt die Membrantechnik im Vergleich zu anderen Verfahren. Gegenüber der Druckwechseladsorption (PSA = pressure swing adsorption) und der Druckwasserwäsche, die mit maximal sieben Bar auskommen, brauche sie einen höheren Arbeitsdruck. 1,7 Millionen Euro für eine Anlage mit einer Kapazität von rund 300 Normkubikmeter Biomethan pro Stunde und einen Stromverbrauch nach Herstellerangaben von umgerechnet rund 0,25 Kilowattstunden je Normkubikmeter Rohgas seien in etwa im Rahmen anderer Anlagen und Verfahren, was für eine Erstlingsanlage in Deutschland aber schon ganz beachtlich sei. „Mit den von Bebra Biogas genannten Aufbereitungskosten von 1,4 Cent pro Kilowattstunde zählt die Anlage in Kißlegg-Rahmhaus zu den günstigeren“, sagt Beil. An dem guten Wert hat aber auch der relativ hohe Methangehalt im Rohgas seinen Anteil.

Als trockenes, ebenfalls mit Druckluft arbeitendes Verfahren ist die PSA prinzipiell wohl am ehesten mit der Membrantechnik vergleichbar. „Die PSA erscheint doch etwas komplexer aufgebaut, da sie in der Regel pro Einheit vier oder sechs Adsorber mit vielen beweglichen Teilen be-nötigt“, vergleicht der Experte für Aufbereitungstechnik. Dagegen sei die Druckwasserwäsche, obwohl ein nasses Verfahren, sehr einfach aufgebaut, weil hier sowohl auf die vorherige Entschwefelung als auch die Nachverbrennung des Abgases verzichtet werden kann. Letzteres gelte auch für die beiden anderen Verfahren, die Genosorb- und die Aminwäsche, wobei diese Wärme zur Regeneration der Waschlösung benötigen und hier wiederum ihre spezifischen Nachteile hätten.
Neben der Wahl des richtigen Aufbereitungsverfahrens sei Benno Brachthäuser zufolge aber das entscheidende Problem, daß das Biomethan nicht nur produziert, sondern auch vermarktet werden muß: „Landwirte sind deshalb nicht unsere bevorzugte Zielgruppe“. Vielmehr seien Energieversorger und professionelle Biomethanvermarkter wichtige Ansprechpartner, da sie den Absatz des Gases sicherstellen und die doch sehr komplexe Bilanzkreis- und Herkunftsnachweisführung übernehmen können. Mit dem Energiedienstleister Arcanum Energy aus Unna strebt Bebra Biogas deshalb eine Kooperation an, genauso wie mit Anlagenbauern, zum Beispiel Planet Biogastechnik GmbH aus Vreden. Das Ziel sei eine partnerschaftliche Zusammenarbeit von Gaserzeugung und -aufbereitung - so etwa, wie das bei Franz Rupp und der Thüga Energie GmbH der Fall ist.

www.bebra-biogas.com
www.thuega-energie-gmbh.de

Christian Dany

Dieser Artikel ist in der Ausgabe 1 / 2011 energie pflanzen erschienen.

HINTERGRUND

Membrantrennverfahren oder Gaspermeation

(cd). Der Aufbereitungs-Prozeß bei der Membrantechnik ist eine Filtration auf molekularer Ebene. Feinste, 0,3 Millimeter dünne Kanülen (Hohlfasern) aus Polyimid stellen die Filtermembrane dar, durch die CO2 und andere Gase hindurchwandern, während Methan als „Retentat“ zurückbleibt. Die Druckdifferenz vor und hinter der Membrane muß genau stimmen. Das ist das Know-how, auf das es ankommt. Bei den Hohlfasern liegt die Hochdruckseite innen  und die Niederdruckseite außen. Eine große Anzahl dieser Hohlfasern wird dann gebündelt in Membranmodulen zusammengefaßt, wobei wiederum eine definierte Anzahl dieser modularen Komponenten die Gesamtmembranfläche einer Biogas-Aufbereitungsanlage bildet.

Da sehr feuchtes Gas und hohe Gehalte an Schwefelwasserstoff oder Ammoniak das Membranmaterial beeinträchtigen können, ist eine Vorbehandlung des Rohgases unerläßlich: je sorgfältiger die vorherige Reinigung des Gases, desto länger die Standzeiten der Membranen. „Die Filtereinsätze können als Cartridge komplett getauscht werden“, erklärt der Entwickler Michael Harasek von der TU Wien, „sie halten mindestens zwei Jahre. Wenn alle Hausaufgaben gemacht werden, dementsprechend länger“. Von großem Vorteil sei, daß keine teure und energieintensive Regeneration sowie im Wesentlichen keine Chemikalien nötig seien.

Die Entwicklung des Membrantrennverfahrens ist in Österreich von einem Konsortium im Rahmen des Projektes „Virtuelles Biogas“ vorangetrieben worden. Das Projekt unter der Leitung des Instituts für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften an der TU Wien ist noch im Gange. Beteiligt sind elf Partner, darunter auch drei große Gasversorger. Die Patente halten Michael Harasek und die Firma Axiom Angewandte Prozesstechnik GmbH aus Deutsch-Brodersdorf nahe Wien, die auch die Container-Montage der Anlagen ausführt. Bei Großanlagen wird das Membranverfahren in zwei Druckstufen eingesetzt, was eine hohe Methanausbeute ermöglicht. Mittlerweile sind in Österreich drei Biomethananlagen mit Membrantechnik in Betrieb.

Im Juni 2007 startete in Bruck an der Leitha das Pilotprojekt für die Einspeisung. In einem zweistufigen Prozeß werden stündlich 180 Kubikmeter Rohgas zu 100 Kubikmeter Bio-
Methan aufbereitet und in das Gasnetz der Energieversorgung Niederösterreich AG (EVN AG) eingespeist. In diesem Projekt konnte nachgewiesen werden, daß die österreichischen Gasqualitäts-Kriterien von großmaßstäblichen Anlagen im Dauerbetrieb eingehalten werden können. Die positiven Erfahrungen führten dazu, daß Ende 2007 ein weiteres Membrantechnik-Projekt im niederösterreichischen St. Margarethen/Moos entstand. Hier werden in einer einstufigen Anlage nur 35 Normkubikmeter Biomethan je Stunde für eine Tankstelle im Inselbetrieb erzeugt. Besonderheit hier ist das häufige An- und Abfahren. „Innerhalb von 90 Sekunden ist die Anlage auf Produktgas-Qualität“, erläutert Harasek. Auch bei zweistufiger Ausführung dauere es nur drei Minuten. Die Grobkalkulation sieht vor, daß sich die Investitionskosten für die komplette Treibstoffproduktion in Höhe von etwa 440.000 Euro innerhalb von sechs Jahren amortisieren. Eine dritte Aufbereitungsanlage wird derzeit auf der Kläranlage in der Wiener Neustadt in Betrieb genommen. Sie gehört der EVN AG, die aufbereitetes Klärgas mit einer Rohgas-Kapazität von 600 Normkubikmeter je Stunde ins Netz einspeist.

Völlig unabhängig von den Österreichern hat auch das niederländische Unternehmen Cirmac International BV eine Membrantechnik entwickelt. Cirmac bietet drei verschiedene Aufbereitungsverfahren an, darunter auch eine einstufige Membrantrennung. Als bevorzugtes Anwendungsgebiet geben die Niederländer hierfür die Methananreicherung in Schwachgasen, bei-spielsweise für eine motorische Gasnutzung (Mindestmethangehalt 40 Prozent) oder die Anreicherung von Biogasen auf Erdgas-L-Qualität an. In den Niederlanden wird eine Referenzanlage in Beverwijk betrieben, die im Jahr 2006 errichtet wurde. Dort wird Klärgas bei etwa sieben bis acht Bar aufbereitet und mit einer Kapazität von 160 Normkubikmeter Rohgas pro Stunde ins L-Gasnetz eingespeist.

www.cirmac.com 
www.virtuellesbiogas.at






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