Biogasaufbereitung mittels Membrantechnologie

Die Aufbereitung von Biogas - eine technologische Herausforderung
Innerhalb dieses Projekts wird die Anwendung des relativ neuartigen Membrantrennverfahrens Gaspermeation für die wesentlichsten Schritte der Biogasaufbereitung gezeigt. Gemessen an der Zusammensetung des Rohbiogases sind die wesentlichsten Schritte die Abtrennung von Kohlendioxid sowie die Trocknung des Gases (Abtrennung von Wasser). Die Abtrennung toxischer oder sonst schädlicher Spurenkomponenten wie Ammoniak oder Schwefelwasserstoff ist teilweise ebenfalls mittels Gaspermeation möglich, wird aber üblicherweise im Rahmen der Vorkonditionierung des Rohbiogases mit anderen Methoden durchgeführt. So wird beispielsweise die Abtrennung von Ammoniak mit der Vortrocknung des Gases durch Kondensation (Kältetrocknung) kombiniert oder die Abtrennung von Schwefelwasserstoff durch Absorption oder Adsorbtion bewerkstelligt.

Abbildung: Wesentliche Schritte der Biogasaufbereitung zur Erlangung der, per Gesetzgebung geforderten Produktgasqualität

Gaspermeation - ein innovativer und effizienter Prozess
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. 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).

Konstruktiv sind die Membranen als Hohlfasern ausgeführt, mit der Hochdruckseite innen (Feed - Retentat) und der Niederdruckseite aussen (Permeat). 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