Einführung in die Wertschöpfungskette der Biomethanproduktion

Biomethan als alternative zur E-Mobilität

Wie wäre es, wenn man entspannt von A nach B kommen würde, ohne dem Klima zu schädigen? Der erste Gedanke legt nahe, sich ein E-Auto zuzulegen. Jedoch wird für die Herstellung der Batterien seltene Erden wie Dysprosium oder Neodym benötigt. Auch andere Elemente wie Lithium oder Kobalt müssen für die Produktion der Batterien genutzt werden. In der Regel sind die Elemente knapp verfügbar und weisen dazu noch problematische Lieferanten wie bei den seltenen Erden China oder beim Kobalt den Kongo auf. (Dicks, 2020)

Also was nun?

Gibt es eine Alternative, die sowohl umweltschonend als auch zeitsparend beim Tanken ist?

Die Antwort ist ein klares JA! Der Kraftstoff heißt Biomethan. Was genau Biomethan ist, wie es produziert wird und welche Schritte notwendig sind, um zum fertigen Endprodukt zu gelangen wird in diesem Beitrag erklärt.

Schritt Nr.1 : Anbaubetrieb/Entstehungsbetrieb von Biomethan

Ursprung des Biomethans

Hier stellt sich die Frage: Wie wird nun aus Wirtschaftsdüngern (Gülle/Mist) und NaWaRo´s (Nachwachsende Rohstoffe) der umweltfreundliche Kraftstoff?

Zuallererst werden Reststoffe, NaWaRo´s,  Gülle/Mist und Abfallstoffe von landwirtschaftlichen Entstehungsbetrieben und Erzeugerbetrieben von Sammlern, dies sind meist Händler oder Lieferanten eingesammelt und anschließend zur Biogasanlage gefahren. Dieser Schritt ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1 : 1. Schritt in der Wertschöpfungskette (agriportance GmbH, 2022)

Prozesse in der Biogasanlage

In dieser Anlage findet eine Vergärung dieser Stoffe statt. Bei der Methanbildung bauen Mikroorganismen organische Substanz in einem sauerstofffreien (Anaeroben) Milieu unter Freisetzung von Biogas ab. Dies ist ein wasserdampfgesättigtes Gasgemisch, welches im Wesentlichen aus Methan (CH4) und Kohlenstoffdioxid (CO2) besteht. Weitere Bestandteile neben dem Wasserdampf sind Spurengase wie u.a. Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und Ammoniak. In Biogas- und Klärgasanalagen werden diese anaeroben Gärungsprozesse technisch angewendet und mit einer möglichst hohen Effizienz ein energetisch nutzbares Biogas erzeugt.

Die Prozessschritte der Biogasanlage lässt sich Grob in vier Schritten erklären:

  1. Hydrolyse: Im ersten Schritt der Methanbildung bauen vor allem aerobe Bakterien komplexe organische Substanzen, wie Eiweiß, Kohlenhydrate oder Fette mithilfe von Enzymen zu einzelnen Molekülen ab. Diese Produkte sind unter anderem Aminosäuren, Fettsäuren oder Zucker.
  2. Acidogenese: Direkt im Anschluss übernehmen säurebildende, fakultativ anaerobe Bakterien in der Versäuerungsphase den weiteren Abbau vornehmlich zu Wasserstoff, Kohlendioxid, Fettsäuren und Alkoholen. Bei Öl- und fettreichen Substarten entstehen in dieser Phase auch H2S und NH3.
  3. Acetogenese: Die Produkte der Acidogenese werden in der Acetogenese durch essigsäurebildende Bakterien weiter abgebaut. Es entsteht Essigsäure, CO2 und H2.
  4. Methanogenese: Aus Essigsäure, CO2 und H2 wird mithilfe von hydrogenotrophen und methanogenen Archaeen Methan, CO2 und Wasser gebildet. (Martin Kaltschmitt, 2016)

Diese Prozesse werden in Abbildung 2 nochmal aufgezeigt.

Abbildung 2: Anaerober Abbau von organischem Material zu Biogas (G Gärer, AB acetogene Bakterien, HAB homoacetogene Bakterien, SAO synthrope Acetatoxidierer, AM acetoklastische Methanogene, HM hydrogenotrophe Methanogene) (Martin Kaltschmitt, 2016).

Schritt Nr.2 : Weiterverarbeitung zu Biogas und anschließende Einspeisung ins Erdgasnetz

Prozessschritte Biogas bis zur Einspeisung

Um nun Biomethan aus Biogas zu gewinnen, muss das Gasgemisch aufgereinigt werden. Das passiert in den Biogasaufbereitungsanlagen. Dieser Schritt der Wertschöpfungskette ist in Abbildung 3 abgebildet

Abbildung 3: Schritt 2 in der Biomethan-Wertschöpfungskette (agriportance GmbH. (Juni 2022). Workshop_THG_Bilanzierung_V.0.1.12.)

Bei der Aufbereitung kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz, wie die Aminwäsche, die Druckwechseladsorption oder die Druckwasserwäsche (DWW):

Aminwäsche

Bei der Aminwäsche als Verfahren der chemischen Absorption erfolgt die Reinigung ähnlich wie bei der Druckwasserwäsche. Hier durchströmt das Biogas unter leicht erhöhtem Druck eine Amin-Wasser-lösung im Gegenstrom, wobei das CO2 mit der Waschlösung reagiert und darin übergeht. Die Aminlösung erreicht eine höhere Beladung als Wasser, was die umwälzende Waschmittelmenge verringert. Die Abluft enthält nur geringe Mengen Methan, weshalb in der Regel keine Schwachgasreinigung erforderlich ist. Es wird eine Feinentschwefelung empfohlen, um die Kapazität der Waschleistung langfristig aufrecht zu erhalten. Die Aminwäsche ist sehr energieintensiv, da für die Regeneration der Aminlösung große Mengen Prozesswärme benötigt werden. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Druckwasserwäsche

Das Verfahren der DWW nutzt die bei veränderlichem Druck unterschiedliche Löslichkeit von Methan und Kohlendioxid im Wasser. Das zuvor verdichtete Biogas durchströmt die Absorptionskolonne von unten nach oben. Diese ist im Regelfall als Rieselbettreaktor ausgeführt, in dem Wasser das Gas im Gegenstrom durchläuft. So lassen sich basische und saure Bestandteile des Biogases, vor allem Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff lösen sowie etwaige Stäube und Mikroorganismen abtrennen. Das gereinigte Gas verlässt die Kolonne mit einer Reinheit von 90 bis 99 Vol.% Methan. Die Abluft enthält neben dem CO2 etwa 1 Vol.% Methan, welches über eine Schwachgasbehandlung abgetrennt werden muss. Der Strombedarf ist gegenüber anderen Verfahren zur CO2-Abtrennung hoch, aufgrund der Umwälzung des Waschwassers und der erforderlichen Biogasverdichtung. Eine vorangestellte Trocknung des Gases ist nicht erforderlich. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Druckwechseladsorption

Bei der Druckwechseladsorption (DWA) werden Gasgemische durch Adsorption an Aktivkohlen, Molekularsieben oder Kohlenstoffmolekularsieben getrennt. Vor der DWA sind eine Trocknung, eine Feinentschwefelung sowie die Verdichtung des Biogases erforderlich. Das gekühlte, entwässerte Gas durchströmt anschließend das Adsorbens (Molekularsieb oder Aktivkohle), an dem das CO2 adsorbiert. Das methanreiche Produktgas wird anschließend entspannt und auf eine zweite Kolonne geleitet, in der unter Einleitung von Umgebungsluft die Adsorption wiederholt wird. Die Regeneration des Absorbens, wird durch eine Druckabsenkung mit Hilfe einer Vakuumpumpe realisiert. Das abgesaugte CO2-reiche Gas enthält noch Methan und muss daher einer Schwachgasnachbehandlung zugeführt werden. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Voraussetzungen für die Biomethaneinspeisung

Das nun durch die Verfahren aufgereinigte Biomethan muss jedoch, bevor es ins Erdgasnetz eingespeist werden darf, verschiedene Voraussetzungen erfüllen:

  • Energiegehalt: Die Anforderungen an den Energiegehalt werden über den Wobbe-Index definiert, welcher zur Charakterisierung der Qualität von Brenngasen durch kontrollierte Verbrennung genutzt wird. Dieser muss bei L-Gas zwischen 11-13 kWh/m3 und bei H-Gas zwischen 13,6-15,7 kWh/m3
  • Schwefelwasserstoffgehalt: Der Anteil an Schwefelwasserstoff (H2S) muss auf 5 mg/m3 gesenkt werden.
  • Relative Dichte: Die Gasdichte muss zwischen 0,55-0,75 kg/m3

Theoretisch kann jede Biogasanalage ihr aus dem Biogas gewonnenes Biomethan ins Erdgasnetz einspeisen. In der Praxis muss der Bau der Einspeiseanlage, sowie der Leitungen zum Gasnetz durch den jeweiligen Netzbetreiber geprüft werden. Da die Kosten für den Bau von Einspeiseanlagen und Leitungen durch die abgesetzten Gasmengen getragen werden müssen, macht die Einspeisung in der Regel nur Sinn, für welche die nahe am Erdgasnetz gelegen sind. Für die Einspeisung von Biomethan in das Erdgasnetz und die Verwendung als Kraftstoff definieren Richtlinien nach DVGW sowie nach DIN entsprechende Kennzahlen. Daher muss Biomethan, bevor es ins Erdgasnetz eingespeist werden kann, auf die am jeweiligen Standort erforderliche Erdgasqualität gebracht werden. Diese Qualitäten sind regional verschieden, vor allem hinsichtlich des erforderlichen Brennwerts und Druckes. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015); (agriportance GmbH. (Juni 2022). Workshop_THG_Bilanzierung_V.0.1.12.)

Das nun aufgereinigte und die Voraussetzungen erfüllende Biomethan kann nun von dem Verbraucher verwendet werden.

Aber wofür genau kann Biomethan nun verwendet werden ?

Wie eingangs beschrieben, kann Biomethan für den Transport verwendet werden. Auch wenn die automobile Welt elektrischer wird: Erdgas bzw. CNG ist und bleibt eine umweltfreundlichere Alternative zu Benzin und Diesel. Die Auswahl an Fahrzeugmodellen ist allerdings begrenzt (Neuwagen mit CNG/Erdgas-Ausrüstung „ab Werk“: Audi, Fiat, Seat, Skoda, VW) und das Tankstellennetz ausbaufähig (Abbildung 4). Erdgas gehört wie Erdöl und Kohle zu den brennbaren organischen Rohstoffen. Es besteht aus etwa 85% Methan. Es werden komprimiertes Erdgas (CNG, Compressed Natural Gas) und LNG (Liquefied Natural Gas) angeboten. Letzteres wird bei minus 164 Grad Celsius verflüssigt und kommt lediglich bei Nutzfahrzeugen zum Einsatz. Am gebräuchlichsten bei Pkw ist das gasförmige CNG. Immer öfter kommt auch Biogas an den Tankstellen zum Einsatz. Es wird im Fahrzeug in Tanks gespeichert mit einem Betriebsdruck von 200 Bar. In Deutschland gibt es rund 820 Tankstellen, an denen CNG erhältlich ist. Eine besonders umweltfreundliche Variante ist Biogas. Durch die Erhöhung des Methananteils kann es auf eine Qualitätsstufe mit Erdgas gebracht werden. Solches Biomethan ist uneingeschränkt als Kraftstoff für Erdgasfahrzeuge geeignet. An vielen Erdgastankstellen in Deutschland wird Biomethan bereits heute rein oder mit Erdgas vermischt als Kraftstoff angeboten. (ADAC, Erdgas/CNG – ein Antrieb mit Zukunft?, 2022)

Abbildung 4 Biogastankstellen in Münster und Umgebung (ADAC, Finden Sie die günstigste Tankstelle)

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