Kryogene Gastrennung

In der aktuellen Literatur wird sehr oft die Möglichkeit der kryogenen Gastrennung beschrieben. Die kryogene Gastrennung macht sich den Umstand zunutze, dass die einzelnen Komponenten von Biogas unterschiedliche Kondensationstemperaturen besitzen.

Verfahrensablauf

Der erste Schritt besteht in der Verdichtung des Biogases auf 65 bis 80 bar. Mithilfe von Kondensatabscheidern können dabei Wasser und ein Teil des Schwefelwasserstoffes abgeschieden werden. Ein anschließendes Molsieb reduziert den Wasser- und H2S-Gehalt neuerlich. Auf diese Weise werden ein Wasser-Taupunkt von -100° C und ein H2S-Gehalt von weniger als 5 ppm erreicht.

Pro Anlage sind zwei Molsiebe vorgesehen. Während eines in Betrieb ist, wird das andere regeneriert. Das Biogas besteht nun nur noch aus Methan und Kohlendioxid (mit minimalen Spuren von Verunreinigungen). Mit konventioneller Destillationstechnik lässt sich dieses Gasgemisch aber aus physikalischen Gründen nur bis zu einem Methangehalt von ca. 92 % rektifizieren. Der Restgehalt an CO2 geht sonst in seine Feststoffphase über und führt zur Vereisung der Anlage.

Zur Auftrennung dieser beiden Komponenten bedient man sich einer kryogenen Trennstufe. Durch Fremdkälte (aus Stirlingmaschinen) und Entspannungskälte wird das Gasgemisch auf die für die Trennung notwendigen Temperaturen abgekühlt. Die eigentliche Trennung von CH4 und CO2 erfolgt mit Hilfe der klassischen Rektifikationstechnik und dem Einsatz von Mikrowärmetauschern. Am Kopf der Trennkolonne kann dann das CH4 mit einer Reinheit von 99,95 % bei -151 °C und 2 bar abgezogen werden. Am Sumpf fällt das Kohlendioxid mit einer Reinheit von ca. 98 % bei 46 bar und 12 °C an.

Reingas

Bei diesen Prozessparametern liegt rund die Hälfte des separierten Methans in flüssiger und die andere Hälfte in gasförmiger Form vor. Deshalb ist im Anschluss an die Trennkolonne eine Aufteilung dieser beiden Phasen vorgesehen. Der flüssige Teil wird in einem LNG-Tank (Liquified Natural Gas) zwischengespeichert. Aufgrund des Volumenverhältnisses von flüssigem zu gasförmigen CH4 von 1:580 lassen sich beträchtliche Mengen CH4 in einem LNG-Tank speichern.

Das Verhältnis der Energiedichten von Biogas (65 % CH4, 35 % CO2) zu flüssigem Methan beträgt 1:850. Durch eine Verdampfungsrate von ca. 1 % pro Tag wird das Temperatur-Druck-Gleichgewicht im LNG-Tank gehalten, da das LNG durch das Verdampfen des Methans gekühlt wird. Aufgrund der hohen Energiedichte ist auch ein Transport des LNG mittels Tanklastzügen überlegenswert. Das produzierte Gas muss dann nicht mehr an Ort und Stelle verwertet werden, sondern kann dort genutzt werden, wo ein echter Bedarf an gasförmigen Energieträgern besteht.

Diese Alternative ist besonders für Biogasproduzenten interessant, die keine Möglichkeit zum Anschluss ihrer Anlage an das Gasnetz haben. Der gasförmige Teil des Methans steht alternativ zur Gasnetz-Einspeisung hier auch direkt für einen Einsatz in BHKW oder Brennstoffzellen zur Verfügung. Das am Sumpf der Trennkolonne mit einer Reinheit von 98 % abgezogene CO2 wird in einem Drucktank bei rund 12° C und 46 bar in flüssiger Form gelagert. Es steht ebenfalls für eine kommerzielle Nutzung zur Verfügung und bietet so dem Anlagenbetreiber eine weitere Einkommensquelle.

Abbildung 1: Schema einer kryogenen Gastrennanlage

Das Rohbiogas wird verdichtet, über einen Wärmetauscher der Gastrocknung zugeführt. In weiteren Wärmetauschern wird das Gas abgekühlt und in Methan und Kohlendioxid augespaltet. Die dazu nötige Kälte wird aus der Entspannung des abgetrennten Kohlendioxids entnommen. [Hagen et.al. 2001] Das Rohbiogas wird verdichtet, über einen Wärmetauscher der Gastrocknung zugeführt. In weiteren Wärmetauschern wird das Gas abgekühlt und in Methan und Kohlendioxid augespaltet. Die dazu nötige Kälte wird aus der Entspannung des abgetrennten Kohlendioxids entnommen. [Hagen et.al. 2001]

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Das Rohbiogas wird verdichtet, über einen Wärmetauscher der Gastrocknung zugeführt. In weiteren Wärmetauschern wird das Gas abgekühlt und in Methan und Kohlendioxid augespaltet. Die dazu nötige Kälte wird aus der Entspannung des abgetrennten Kohlendioxids entnommen. [Hagen et.al. 2001]

Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode ist die hohe Reinheit des Methans (wird mit 99,95 % bei -151° C und 2 bar abgezogen) und des Kohlendioxids (ca. 98 % bei 46 bar und 12° C). Ein Nachteil liegt im hohen Energiebedarf.

Stand der Technik

Die Notwendigkeit, das Biogas auf 65 bis 80 bar zu verdichten, zeigt bereits den hohen Energieaufwand dieser Behandlungsweise. Entscheidend dabei ist die Frage, welcher Nutzen hinsichtlich des Gesamtprozesses erzielt werden kann. Dies betrifft einerseits die Systemintegration, sprich wie kann der Energieaufwand im Zusammenhang mit anderen Nutzern optimiert werden. Andererseits stellt sich die Frage, wie etwa das CO2 (da es in einer hohen Reinheit anfällt) verwertet werden kann.