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Gaspermeation


Gaspermeation verwendet eine dichte Polyimid-Membran mit unterschiedlichen Löslichkeiten und Diffusivitäten für die im Biogas enthaltenen Gaskomponenten. Dadurch ergibt sich, dass die unterschiedlichen Gaskomponenten eine sehr unterschiedlich starke Tendenz haben durch die Membran zu diffundieren, wodurch eine quantitative Auftrennung der verschiedenen Spezies möglich wird. Membranen für die Biogasaufbereitung sind selektiv durchlässig für Gaskomponenten wie Kohlendioxid, Wasser und Ammoniak. Schwefelwasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff permeieren nur beschränkt durch die Membran und Methan wird weitestgehend zurückgehalten. Typische Materialien für Membranen bei der Biogasaufbereitung sind Polymere wie Polysulfon, Polyimid oder Polydimethylsiloxan. Diese Materialien zeigen hervorragende Selektivität für die Trennung von Methan und Kohlendioxid bei gleichzeitiger Robustheit gegenüber den im Rohbiogas vorhandenen Spurenkomponenten.

Die Triebkraft für den Durchtritt durch die Membran ist die Partialdruckdifferenz der unterschiedlichen Gasbestandteile zwischen der Feedseite und der Permeatseite. Ein hoher transmembraner Fluss lässt sich damit durch hohen Druck auf der Feedseite und möglichst niedrigen Druck auf der Permeatseite (nahe atmosphärisch) realisieren. Mit dem eingesetzten Membranmaterial lassen sich aus dem Rohbiogas nahezu alle unerwünschten Gasbestandteile quantitativ entfernen, wobei der Trennvorgang selbst als sehr einfach, kompakt und gleichförmig zu charakterisieren ist. Nur Stickstoff zeigt ein dem Methan ähnliches Verhalten und kann deshalb nicht mit dieser Technologie abgetrennt werden, sondern verbleibt im Produktgasstrom. Dieses Verhalten bezüglich Stickstoff zeigen aber nahezu alle heute üblichen Verfahren zur Biogasaufbereitung, sodass es im Allgemeinen notwendig ist, den Gehalt an Stickstoff im Rohbiogas von Anfang an durch geeignete Massnahmen zu reduzieren. Der Grad der Aufreinigung ist bei Anwendung von Gaspermeation keinen prinzipiellen Grenzen ausgesetzt. Ausreichende Produktgasqualität kann garantiert werden, wenn genug Membranfläche sowie geeignete Betriebsbedingungen zur Verfügung gestellt werden.


Abbildung: Prinzip der Biogasaufbereitung mittels Gaspermeation

Die großen Vorteile der Gaspermeation gegenüber anderen Verfahren liegen in der Kontinuität und Kompaktheit sowie der gleichzeitigen Trocknung und Entfernung von Spurenbestandteilen wie Ammoniak oder Schwefelwasserstoff. Nachdem aber die Kombination aus sehr feuchtem, kondensierenden Gas und hohen Gehalten an Ammoniak oder Schwefelwasserstoff das Membranmaterial beeinträchtigen können, ist eine Vorbehandlung des Rohgases unerlässlich. Der Prozess zeigt weitere Vorteile im äußerst stabilen und kontinuierlichen Anlagenbetrieb und ist deshalb sehr einfach zu regeln. Darüber hinaus sind keine teuere und energieintensive Regeneration sowie im Wesentlichen keine Chemikalien notwendig. Der gesamte Prozess wird damit sehr einfach und kompakt und kann hinsichtlich Investitions- und Betriebskosten sehr günstig ausgeführt werden. Desweiteren konnte bereits nachgewiesen werden, dass die Biogasaufbereitung mittels Gaspermeation ausgesprochen energieeffizient ist, dh nur ein sehr geringer Anteil des Energieinhaltes des eingespeisten Erdgas-Substituts werden für die Gasaufbereitung benötigt (Größenordnung 3% des Brennwertes).

Um der Gastrennung bei kompakter Anlagengröße ausreichend Membranfläche zur Verfügung zu stellen, sind die Membranen konstruktiv als Hohlfasern ausgeführt, wobei üblicherweise die Hochdruckseite innen (Feed - Retentat) und die Niederdruckseite aussen (Permeat) ausgeführt ist. Eine grosse Anzahl dieser Hohlfasern werden dann gebündelt in Membranmodulen zusammengefasst, wobei auch die Anschlüsse für Feed, Retentat und Permeat ausgefürt werden. Eine definierte Anzahl dieser modularen Baukomponenten bildet dann die Gesamtmembranfläche einer Biogas-Aufbereitungsanlage.


Abbildung: Links: REM-Aufnahme einer Hohlfasermembran (etwa 650fache Vergrösserung); Rechts: Schema eines Membranmoduls

Nach der Kompression des Rohbiogases auf den erforderlichen Betriebsdruck wird das Gas zum Zwecke der Trocknung und Abtrennung von Ammoniak abgekühlt. Nach der Wiedererwärmung mittels Kompressorabwärme wird der Restgehalt von Schwefelwasserstoff durch Adsorption auf Eisen- oder Zinkoxid abgetrennt. Danach wird das vorkonditionierte Gas einer ein- oder mehrstufigen Gaspermeationseinheit zugeführt. Die Anzahl und interne Verschaltung der einzelnen Membranstufen wird dabei nicht durch die erwünschte Biomethanqualität bestimmt, sondern durch die erforderliche Methanausbeute und die aufzuwendende Kompressionsarbeit. Moderne Gaspermeationsanlagen zeigen ein komplexeres Anlagendesign und warten mit sehr hohen Methanausbeuten bei vergleichsweise niedrigem Kompressionsenergiebedarf auf. Selbst Anlagenverschaltungen mit mehreren Kompressoren wurden bereits realisiert und konnten ihre wirtschaftliche Vorteilhaftigkeit unter Beweis stellen. Der Betriebsdruck und die Kompressordrehzahl werden geregelt um die gewünschte Qualität und Quantität des Biomethanstromes konstant und sicher bereitzustellen.


Abbildung: Fließbild einer typischen Biogasaufbereitungsanlage nach dem Prinzip der Gaspermeation

Gaspermeation ist die jüngste Technologie, die für die Biogasaufbereitung Anwendung gefunden hat und ist deshalb noch relativ neuartig. Dennoch gibt es bereits eine Reihe realisierter Anlagen, die die technische und wirtschaftliche Machbarkeit des Verfahrens demonstrieren.


Abbildung: Biogasaufbereitungsanlage Kisslegg, Deutschland mit einer Rohgaskapazität von 500m³/h (Quelle: AXIOM Angewandte Prozesstechnik)