Inleiding tot de waardeketen van biomethaanproductie

Biomethaan als alternatief voor e-mobiliteit

Hoe zou het zijn om van A naar B te komen zonder het klimaat te schaden? De eerste gedachte die bij je opkomt is de aanschaf van een elektrische auto. Er zijn echter zeldzame aardmetalen zoals dysprosium of neodymium nodig om de batterijen te maken. Ook andere elementen zoals lithium of kobalt moeten worden gebruikt om de batterijen te produceren. Deze elementen zijn over het algemeen schaars en hebben ook problematische leveranciers, zoals China voor zeldzame aardmetalen of Congo voor kobalt (Dicks, 2020).

Wat nu?

Is er een alternatief dat zowel milieuvriendelijk is als tijd bespaart bij het tanken?

Het antwoord is een volmondig JA! De brandstof heet biomethaan. Wat biomethaan precies is, hoe het wordt geproduceerd en welke stappen nodig zijn om tot het eindproduct te komen, wordt uitgelegd in dit artikel.

Dicks, H. (9 december 2020). Biomethaan - een aantrekkelijke brandstof voor de mobiliteitstransitie.

Stap 1: Teelt/productie van biomethaan

Oorsprong van het biomethaan

Hier rijst de vraag: Hoe wordt de milieuvriendelijke brandstof geproduceerd uit mest (drijfmest/mest) en hernieuwbare grondstoffen?

Allereerst worden reststoffen, hernieuwbare grondstoffen, gier/mest en afvalstoffen van boerderijen en producenten verzameld door inzamelaars, meestal handelaars of leveranciers, en vervolgens naar de biogasinstallatie getransporteerd. Deze stap wordt geïllustreerd in Figuur 1.

Figuur 1: 1e stap in de waardeketen (agriportance GmbH, 2022)

Processen in de biogasinstallatie

In deze installatie vindt de vergisting van deze stoffen plaats. Tijdens de methaanvorming breken micro-organismen organisch materiaal af in een zuurstofloze (anaerobe) omgeving, waarbij biogas vrijkomt. Dit is een met waterdamp verzadigd gasmengsel dat voornamelijk bestaat uit methaan (CH4) en koolstofdioxide (CO2). Naast waterdamp bevatten andere componenten sporengassen zoals stikstof, zuurstof, waterstof, waterstofsulfide en ammoniak. In biogas- en rioolgasinstallaties worden deze anaerobe gistingsprocessen technisch toegepast en wordt biogas dat kan worden gebruikt voor energie geproduceerd met de hoogst mogelijke efficiëntie.

De processtappen van de biogasinstallatie kunnen grofweg in vier stappen worden uitgelegd:

Hydrolyse: In de eerste stap van methaanvorming breken met name aerobe bacteriën met behulp van enzymen complexe organische stoffen zoals eiwitten, koolhydraten of vetten af tot afzonderlijke moleculen. Deze producten omvatten aminozuren, vetzuren en suikers.
Acidogenese: Onmiddellijk daarna nemen zuurvormende, facultatief anaerobe bacteriën in de verzuringsfase de verdere afbraak over, voornamelijk tot waterstof, kooldioxide, vetzuren en alcoholen. In het geval van olie- en vetrijke ondersoorten worden in deze fase ook H2S en NH3 geproduceerd.
Acetogenese: De producten van acidogenese worden verder afgebroken in acetogenese door azijnzuurproducerende bacteriën. Er wordt azijnzuur, CO2 en H2 gevormd.
Methanogenese: Uit azijnzuur, CO2 en H2 worden methaan, CO2 en water gevormd met behulp van hydrogenotrofe en methanogene archaea (Martin Kaltschmitt, 2016).

Deze processen worden nogmaals weergegeven in Figuur 2.

Figuur 2: Anaerobe afbraak van organisch materiaal tot biogas (G fermentoren, AB acetogene bacteriën, HAB homoacetogene bacteriën, SAO synthropische acetaatoxidanten, AM acetoclastische methanogenen, HM hydrogenotrofe methanogenen) (Martin Kaltschmitt, 2016).

Martin Kaltschmitt, H. H. (2016). energie uit biomassa. springer.

Stap nr. 2: Verdere verwerking tot biogas en vervolgens teruglevering aan het aardgasnet

Processtappen van biogas tot teruglevering

Om biomethaan uit biogas te produceren, moet het gasmengsel worden gezuiverd. Dit gebeurt in de biogasopwerkingsinstallaties. Deze stap in de waardeketen wordt geïllustreerd in Figuur 3

Figuur 3: Stap 2 in de biomethaanwaardeketen (agriportance GmbH. (juni 2022). Workshop_THG_Bilanzierung_V.0.1.12.).

Voor de verwerking worden verschillende processen gebruikt, zoals aminewassing, pressure swing adsorptie of water onder druk wassen (DWW):

Aminewassen

Bij aminewassing als chemisch absorptieproces is de zuivering vergelijkbaar met waterwassing onder druk. Hier stroomt het biogas onder licht verhoogde druk door een amine-wateroplossing in tegenstroom, waarbij de CO2 reageert met de wasoplossing en erin overgaat. De amineoplossing heeft een hogere belasting dan water, waardoor er minder reinigingsmiddel hoeft te worden gecirculeerd. De uitlaatlucht bevat slechts kleine hoeveelheden methaan, waardoor meestal geen reiniging van magere gassen nodig is. Een fijne ontzwaveling wordt aanbevolen om de capaciteit van de wasprestatie op lange termijn te behouden. Aminewassing is zeer energie-intensief, omdat er grote hoeveelheden proceswarmte nodig zijn om de amineoplossing te regenereren (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015).

Wassen met water onder druk

Het DWW-proces maakt gebruik van de verschillende oplosbaarheid van methaan en koolstofdioxide in water bij verschillende drukken. Het eerder samengeperste biogas stroomt van onder naar boven door de absorptiekolom. Deze is meestal ontworpen als een druppelbedreactor waarin water in tegenstroom door het gas stroomt. Hierdoor kunnen basische en zure componenten van het biogas, vooral kooldioxide en waterstofsulfide, worden opgelost en stof en micro-organismen worden afgescheiden. Het gezuiverde gas verlaat de kolom met een zuiverheid van 90 tot 99% methaan per volume. Naast CO2 bevat de uitlaatlucht ongeveer 1% methaan per volume, dat moet worden afgescheiden via behandeling van arm gas. De elektriciteitsbehoefte is hoog vergeleken met andere CO2-scheidingsprocessen vanwege de circulatie van het waswater en de vereiste biogascompressie. Voorafgaande droging van het gas is niet nodig (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015).

Drukswingadsorptie

Bij pressure swing adsorptie (PSA) worden gasmengsels gescheiden door adsorptie op actieve kool, moleculaire zeven of koolstofmoleculaire zeven. Vóór DWA moet het biogas gedroogd, fijn ontzwaveld en gecomprimeerd worden. Het gekoelde, gedehydrateerde gas stroomt vervolgens door het adsorbens (moleculaire zeef of actieve kool), waarop de CO2 adsorbeert. Het methaanrijke productgas wordt vervolgens geëxpandeerd en naar een tweede kolom geleid waarin het adsorptieproces wordt herhaald met de toevoeging van omgevingslucht. Regeneratie van het absorptiemiddel vindt plaats door de druk te verlagen met behulp van een vacuümpomp. Het geëxtraheerde CO2-rijke gas bevat nog steeds methaan en moet daarom naar een nabehandeling voor magere gassen (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015).

Eisen voor biomethaan feed-in

Het biomethaan dat nu door de processen is gezuiverd, moet echter aan verschillende eisen voldoen voordat het aan het aardgasnet kan worden toegevoerd:

Energie-inhoud: De vereisten voor de energie-inhoud worden bepaald door de Wobbe-index, die wordt gebruikt om de kwaliteit van brandstofgassen door gecontroleerde verbranding te karakteriseren. Deze moet tussen 11-13 kWh/m3 liggen voor L-gas en tussen 13,6-15,7 kWh/m3 voor H-gas.
Gehalte aan waterstofsulfide: Het gehalte aan waterstofsulfide (H2S) moet worden beperkt tot 5 mg/m3.
Relatieve dichtheid: De dichtheid van het gas moet tussen 0,55-0,75 kg/m3 liggen.

Theoretisch kan elke biogasinstallatie het geproduceerde biomethaan aan het aardgasnet leveren. In de praktijk moet de bouw van de terugvoedingsinstallatie en de pijpleidingen naar het gasnet worden gecontroleerd door de desbetreffende netbeheerder. Aangezien de kosten voor de bouw van terugleverinstallaties en pijpleidingen moeten worden gedragen door de hoeveelheden verkocht gas, is teruglevering over het algemeen alleen zinvol voor installaties die dicht bij het aardgasnet liggen. De DVGW- en DIN-richtlijnen definiëren overeenkomstige kengetallen voor de teruglevering van biomethaan aan het aardgasnet en het gebruik ervan als brandstof. Voordat biomethaan aan het aardgasnet kan worden toegevoegd, moet het dus op de aardgaskwaliteit worden gebracht die op de betreffende locatie vereist is. Deze kwaliteiten verschillen van regio tot regio, vooral wat betreft de vereiste calorische waarde en druk (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015); (agriportance GmbH. (Juni 2022). Workshop_THG_Balancing_V.0.1.12.).

Het biomethaan dat nu gezuiverd is en aan de eisen voldoet, kan nu door de consument worden gebruikt.

Braune, K., Naumann, K., Postel, J., & Postel, C. (2015). Technical and methodological basics of GHG balancing of biomethane. DBFZ.

agriportance GmbH. (Juni 2022). Workshop_THG_Balancing_V.0.1.12.

Waar kan biomethaan precies voor worden gebruikt?

Zoals aan het begin beschreven, kan biomethaan worden gebruikt voor transport. Zelfs als de autowereld meer elektrisch wordt: Aardgas of CNG is en blijft een milieuvriendelijker alternatief voor benzine en diesel. De keuze aan voertuigmodellen is echter beperkt (nieuwe auto's met CNG/aardgasuitrusting "af fabriek": Audi, Fiat, Seat, Skoda, VW) en het netwerk van tankstations kan worden uitgebreid (Figuur 4). Net als ruwe olie en steenkool is aardgas een brandbare organische grondstof. Het bestaat voor ongeveer 85% uit methaan. Er is gecomprimeerd aardgas (CNG) en vloeibaar aardgas (LNG) beschikbaar. Het laatste wordt vloeibaar gemaakt bij min 164 graden Celsius en wordt alleen gebruikt in commerciële voertuigen. Gasvormig CNG wordt het meest gebruikt in personenwagens. Biogas wordt ook steeds meer gebruikt bij benzinestations. Het wordt in het voertuig opgeslagen in tanks met een werkdruk van 200 bar. Er zijn ongeveer 820 tankstations in Duitsland waar CNG verkrijgbaar is. Biogas is een bijzonder milieuvriendelijke variant. Door het methaangehalte te verhogen, kan het op hetzelfde kwaliteitsniveau worden gebracht als aardgas. Dergelijk biomethaan is zonder beperkingen geschikt als brandstof voor aardgasvoertuigen. Biomethaan wordt al als pure brandstof of gemengd met aardgas aangeboden bij veel aardgastankstations in Duitsland (ADAC, Erdgas/CNG - ein Antrieb mit Zukunft?, 2022).