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Anlage Bruck/Leitha


Nach ausgiebigen Tests in Laboratoriums- und Technikumsmassstab wurde das Prinzip der Gaspermeation für die Biogasaufbereitung erstmalig in Österreich in industriellem Massstab am Standort Bruck/Leitha in Niederösterreich (40km östlich von Wien) realisiert. Die Planungen und die Angebotsphase für diese Anlage begannen gemeinsam mit dem Start des Projektes "Virtuelles Biogas" im Sommer 2006. Im Frühjahr 2007 wurde die Anlage durch die Firma Axiom Angewandte Prozesstechnik am Firmenstandort in einem standardisierten 30-Fuss-Container montiert und im Mai zum endgültigen Standort an der Kofermentationsanlage Bruck/Leitha transportiert. Die offizielle Inbetriebname fand am 25.Juni 2007 statt. Der normale Einspeisebetrieb in diversen Voll- und Teillastbereichen wurde im Jänner 2008 aufgenommen. Seither befindet sich die Aufbereitungsanlage im Dauerbetrieb und fungiert als Technologie-Demonstrationsanlage, das heisst es werden zahlreiche Besichtigungstermine, Exkursionen und Präsentationen abgehalten.


Abbildung: Links: Außenansicht des Biogasaufbereitungs-Containers; Rechts: Innenansicht des Biogasaufbereitungs-Containers mit Kompressor, Wärmeaustauschern und Membranmodulen

Die Aufbereitungsanlage wurde auf einen Produktgasvolumenstrom von 100Nm³/h dimensioniert, wozu etwa 180Nm³/h Rohbiogas notwendig sind. Das Produktgas (Biomethan) entspricht in allen Punkten den beiden ausschlaggebenden Richtlinien der "Österreichischen Vereinigung für das Gas- und Wasserfach" ÖVGW G31 (Erdgas in Österreich - Gasbeschaffenheit) und G33 (Regenerative Gase - Biogas) und darf deshalb als vollwertiges Erdgas-Substitut in das öffentliche Gasnetz eingespeist werden. Parallel zur Netzeinspeisung werden an der Biogasanlage Bruck/Leitha zwei Blockheizkraftwerke (2 x 830kWel) zur Erzeugung von Strom und Wärme betrieben.

Bei dieser Anlage wurde eine zweistufige Membranverschaltung gewählt. Das Rohbiogas wird mit dem Permeatstrom der 2. Membranstufe (Recycle) gemischt, gemeinsam verdichtet und anschließend durch Kühlung auf Gastemperaturen von unter 7°C getrocknet. Danach wird das Gas wieder aufgewärmt (Nutzung eines Teils der Abwärme des Kompressors) um die optimale Temperatur für die nachfolgenden Schritte einzustellen. Anschließend erfolgen die Feinentschwefelung mittels Adsorption und die finale Aufbereitung in der zweistufigen Membranverschaltung. Die zweistufige Verschaltung der Membranmodule wurde zur Minimierung des Methanschlupfs der Gesamtanlage angewandt. Als Methanschlupf wird hierbei der Anteil des, mit dem Rohbiogas angesaugten Methans, welcher nicht in das Erdgasnetz eingespeist wird, sondern über das Offgas abgegeben wird, verstanden. In dieser Verschaltung wird der Permeatstrom der zweiten Membranstufe, welcher verglichen mit dem Permeat der ersten Stufe signifikant höhere Methangehalte aufweist, rückgeführt und rekomprimiert. Der Permeatstrom der ersten Membranstufe fungiert als Senke für den Kohlendioxidteil und verlässt als Offgas die Aufbereitungsanlage. Wie bei jeder anderen Trenntechnik, ist es auch mit Gaspermeation nicht möglich, das gesamte Methan, welches im Rohbiogas enthalten ist, in das Produktgas zu transferieren. Ein Teil diesen Methans wird mit abgeschieden, weshalb das kohlendioxidreiche Offgas der Aufbereitungsanlage auch einen geringen Anteil an Methan enthält (üblicherweise 2 bis 3% des produzierten Biomethan-Stromes). Zur Erreichung eines Null-Emissions-Betriebes hinsichtlich Methan wurde deshalb die neu errichtete Aufbereitungsanlage perfekt in die bestehende Biogasanlage Bruck/Leitha integriert. Hier wird das restliche Methan nicht an die Atmosphäre abgegeben, sondern den bestehenden Gasmotoren (BHKWs) zugeführt. Auf diese Weise wird die enthaltene chemische Energie zur Produktion von Strom und Wärme genutzt.


Abbildung: Prozessfliessbild der Biogasaufbereitungsanlage mit Gaspermeation Bruck/Leitha

Der Methangehalt des Produktgasstromes wird durch ein Proportionalventil geregelt, welches am Retentataustritt der zweiten Membranstufe situiert ist. Die Position dieses Ventils wird durch einen PID-Regler gesteuert und beeinflusst durch den Gasdruck auf der Hochdruckseite der Membran das Trennverhalten und damit den Methangehalt im Produktgas. Mit dieser Regelstrategie können weitgehend beliebige Methangehalte im Produktgas eingestellt werden (von nahezu Rohgasqualität 70% bis zu 99% CH4 oder mehr). Im Normalbetrieb wird in Bruck/Leitha ein Methangehalt von 98,0% und ein Kohlendioxidgehalt von 1,80% eingestellt. Sauerstoff, Stickstoff, Schwefelwasserstoff, Ammoniak und Gasfeuchte werden durch die Gasaufbereitungsanlage ebenfalls auf Gehalte gebracht, die weit unter den gesetzlichen Vorgaben liegen. Zusätzlich wird der Volumenstrom des produzierten Biomethan-Stromes durch einen erweiterten PID-Regler gesteuert, welcher über einen Frequenzumformer auf die Drehzahl des Kolbenkompressors wirkt.


Abbildung: Zusammensetzung des Biomethan-Produktstromes; Links: Hauptkomponenten Methan und Kohlendioxid; Rechts: Nebenkomponenten Sauerstoff, Wasser und Schwefelwasserstoff

Die Trocknung des Biogases erfolgt in dieser Aufbereitungsanlage in zwei Schritten. Zunächst wird durch Kühlung des Gases auf Temperaturen von unter 7°C der grösste Teil des Wassers auskondensiert und flüssig ausgeschleust. Im zweiten Schritt erfolgt die Feintrocknung in der Membranstufe, da gasförmiges Wasser durch die verwendeten Polyimid-Membranen hervorragend abgeschieden werden kann. Als Ergebnis erhält man ein Produktgas mit ausgesprochen niedrigen Drucktaupunkten, welche die Vorgaben in den gesetzlichen Richtlinien deutlich unterschreiten.


Abbildung: Prozessintegration der Biogasaufbereitungsanlage Bruck/Leitha

Ein weiterer wesentlicher Aufbereitungsschritt an der Anlage Bruck/Leitha ist die Entfernung von Schwefelwasserstoff. Wegen seiner Toxizität und Korrosivität sind nur sehr geringe Mengen dieses Fremdstoffes im produzierten Biomethan erlaubt. Die hier realisierte Prozessverschaltung beinhaltet augenblicklich drei Stufen der Entschwefelung. Die erste Stufe ist die In-Situ-Entschwefelung durch Zugabe spezieller chemischer Substanzen (flüssige Mischungen verschiedener Metallsalze) direkt in die Fermenter. Dadurch werden einerseits Ammoniak und Schwefelwasserstoff gebunden und andererseits das Milieu für die Bakterien verbessert und damit die Bildung dieser Substanzen reduziert und gleichzeitig die Methanausbeute gesteigert. Das produzierte Rohbiogas enthält damit am Austritt der Gaslagerbehälter typischerweise zwischen 100 und 150ppmv Schwefelwasserstoff (ohne diese Dosierung bis 3000ppmv möglich). Der zweite Schritt ist die biologische Entschwefelung durch den Einsatz des chemoautotrophen Bakteriums Thiobazillus in Form eines immobilisierten Bakterienrasens in einer Füllkörperkolonne. Diese Mikroorganismen veratmen H2S und konvertieren das Gas in Wasser und elementaren Schwefel bzw. schwefelige Säure, welche gemeinsam mit dem Abwasserstrom aus der Kolonne ausgeschleust wird. Nach diesem Schritt enthält das Biogas üblicherweise noch 50ppmv Schwefelwasserstoff. Bevor die Aufbereitungsanlage in Betrieb genommen wurde, wurde für die biologische Entschwefelungskolonne Luft als Oxidationsmittel eingeblasen. Nachdem aber Luft zum größten Teil aus Stickstoff besteht und Stickstoff wie bereits erwähnt mittels Gaspermeation nicht aus dem Biogas abgetrennt werden kann, wurde dieser Entschwefelungsschritt auf Reinsauerstoffdosierung umgerüstet. Hier wird momentan gerade ein erweiterter Regelalgorithmus entwickelt, der bei ausreichend guter Entschwefelungsleistung selbst bei schwankender Gasbelastung den Sauerstoffverbrauch minimieren soll. Betriebserfahrungen von mittlerweile mehr als einem Jahr zeigen gleichbleibend gute Entschwefelungsleistung nach dem Umstieg von Luft auf Reinsauerstoff. Der dritte und letzte Entschwefelungsschritt ist die adsorptive Feinentschwefelung an Eisenoxid-Pellets, wodurch der endgültige Schwefelgehalt des produzierten Biomethans auf typischerweise weniger als 1ppmv eingestellt werden kann.


Abbildung: Schritte der H2S-Entfernung: Links: In-Situ-Entschwefelung; Mitte: Biologische Entschwefelung; Rechts: adsorptive Feinentschwefelung

Sehr interessant ist auch die nachgelagerte Behandlung des produzierten Biomethan-Stroms. Nach der detaillierten Online-Gasanalyse aller relevanten Gasbestandteile (Methan, Kohlendioxid, Sauerstoff, Schwefelwasserstoff, Feuchte) wird das produzierte Gas über eine 2,8km lange Stichleitung zur Gasverteilerstation geleitet. Sollte die Gasqualität nicht innerhalb der erforderlichen Grenzwerte der österreichischen Gesetze liegen, wird die Netzeinspeisung sofort unterbrochen und das Gas zurück zu den Gasmotoren der Biogasanlage geleitet. Das automatisierte Kontrollsystem regelt in einem solchen Fall die Gasqualität wieder auf die Sollwerte zurück und startet bei Erreichen der Mindestqualität wieder die Netzeinspeisung.

Das eingespeiste Biomethan wird über das lokale Erdgasnetz mit Gasdrücken von bis zu 3bar zur nahe gelegenen Ortschaft Bruck/Leitha (Bevölkerung etwa 7600) geleitet. In den Wintermonaten wird das gesamte produzierte Gas hier verbraucht, zusätzliches fossiles Erdgas wird bezogen, um die Ortschaft komplett zu versorgen. In den Sommermonaten liegt der lokale Gasverbrauch von Bruck/Leitha bei einem Bruchteil der produzierten Gasmenge, deshalb wird das überschüssige Biomethan auf 60bar hochverdichtet und in das regionale Gasnetz (Netzebene 2) eingespeist. Dadurch ist ein konstanter Betrieb der Biogasaufbereitungsanlage über das ganze Jahr garantiert, sodass Anlagenauslastung und Kostenstruktur optimal gestaltet werden können.


Abbildung: Gasübergabestation und Hochdruckverdichter zur Einleitung des Biomethans ins lokale sowie ins regionale Gasnetz