CO2 + Wasserstoff sorgen für mehr Grünes Gas
Im Juli wurde das Erneuerbaren Ausbau-Gesetz beschlossen. Es sieht Förderungen vor, um bei bestehenden Biogasanlagen die Aufbereitung des Rohbiogases zu Biomethan zu ermöglichen. Dabei muss das im Rohbiogas enthaltene CO2 abgetrennt werden, um Grünes Gas mit dem notwendigen Methangehalt in der Erdgasnetz einspeisen zu können.
Je nach eingesetztem Substrat macht CO2 20–55 % des Biogasvolumens aus. Doch das CO2 kann auch genutzt werden, um durch Zugabe von Grünem Wasserstoff synthetisches Methan herzustellen. Auf diese Weise ist eine Verdopplung des Methanertrags von Biogasanlagen möglich. Wird der Wasserstoff für die Methanisierung in einer mit erneuerbarem Strom betriebenen Wasserelektrolyse erzeugt, spricht man von einer Power-to-Gas-Technologie, die Strom- und Gasnetze koppelt (zusammenführt) und erneuerbaren Strom in Form von Grünem Gas speichert.
In der ÖVGW-Publikation Gasforschung (GF) 60 „Standardisierte Biogasaufbereitung und Methanisierung“ werden zwei Methoden beschrieben, mit denen CO2 aus Biogasanlagen genutzt werden kann, um unter Zugabe von Wasserstoff synthetisches Methan zu erzeugen: die katalytische und die biologische Methanisierung.
Katalytische Methanisierung
Bei der katalytischen Methanisierung wird das CO2 mit Wasserstoff an einem Katalysator – zumeist wird dafür das Metall Nickel verwendet – chemisch zu Methan und Wasserdampf umgewandelt. Dieser Vorgang erfolgt bei Temperaturen zwischen 300 und 500 °C und Druckverhältnissen, die zwischen 5 und 15 bar liegen.
Wird bei diesem Prozess genügend Wasserstoff eingesetzt, kann das im Biogas enthaltene CO2 praktisch vollständig zu Methan umgesetzt werden. Bevor das Synthesegas in das Gasnetz eingespeist werden kann, muss der darin enthaltene Wasserdampf abgetrennt werden.
Nachdem die Methanisierung mit einem Wasserstoffüberschuss passiert, bleibt ein gewisser Anteil reinen Wasserstoffs von ca. 6 % im Produktgas. Da am 1. Juni die Richtlinie G B210 veröffentlicht wurde, welche einen Wasserstoffanteil von 10% bei der Einspeisung ins Gasnetz zulässt, stellt dies kein Problem mehr dar.
Schema Katalytische-Methanisierung (Quelle: ÖVGW)
Biologische Methanisierung
Bei der biologischen Methanisierung kommen bei der Methanerzeugung speziell gezüchtete Archaeen, das sind einzellige Organismen, zum Einsatz. Sie nutzen das im Rohbiogas enthaltene CO2 und den zugesetzten Wasserstoff als Nahrung und wandeln diese Bestandteile in Methan um. Dieser Vorgang findet bei Temperaturen von 40 bis 70 °C und leichtem Überdruck statt. Der Prozess ist also weniger energieintensiv als die katalytische Methanisierung. Er läuft langsamer ab und man benötigt größere Reaktoren und längere Verweilzeiten.
Die biologische Methanisierung kann direkt im Biogasreaktor (in-situ Betrieb) oder in einem separaten biologischen Methanisierungsreaktor (ex-situ Betrieb) erfolgen. Als Reaktoren werden am häufigsten kontinuierliche Rührkessel verwendet, vereinzelt werden auch Trickle Bed-Reaktoren und Blasensäulen eingesetzt.
Auch bei der Biologischen Methanisierung ist eine Reinigung des gewonnen Produktgases notwendig. Allerdings entfällt hierbei die Reinigung des Rohbiogases vor der Methanisierung, da kein Katalysator vorhanden ist, der beschädigt werden könnte. Somit ist der Reinigungsaufwand deutlich geringer als bei der katalytischen Variante. Zusätzlich zur Entfernung des Wasserdampfes muss auch die Abtrennung von Schwefelverbindungen erfolgen.
Schema Biologische-Methanisierung (Quelle: ÖVGW)
Investitionskosten
Bei einer Integration in eine bestehende Biogasanlageninfrastruktur (in-situ Betrieb) ist die biologische Methanisierung aus technischer und ökonomischer Sicht bis zu einer Anlagengröße von 1 MW geeignet. Bei größeren Anlagen ist die katalytische Methanisierung zu bevorzugen.
Die Investitionskosten für eine „Power-to-Gas“-Anlage zur Methanisierung von Biogas hängen von der Anlagengröße und von der Art der Methanisierung ab. Derzeit sind für die biologische Methanisierung um knapp 50 % höhere Investitionen nötig als bei der katalytischen Methanisierung. Auch bei größeren Anlagen verringert sich dieser Unterschied – allerdings nur im geringen Ausmaß. Durch Lerneffekte und Skaleneffekte (größere Anlagen können vergleichsweise günstiger errichtet werden) ist in den kommenden Jahren eine Verringerung der Investitionskosten zu erwarten.
Bei der ÖVGW werden im Rahmen ihrer Forschungsinitiative „Greening the Gas“ auch die technologischen Fortschritte bei der Methanisierung von Rohbiogas behandelt. Neue vielversprechende Ansätze können dabei in konkreten wissenschaftlichen Forschungsprojekten auf die Eignung für die Erzeugung und den Einsatz von Grünen Gasen geprüft werden.