Inleiding tot de waardeketen van biomethaanproductie

Biomethaan als alternatief voor e-mobiliteit

Hoe zou het zijn om op een ontspannen manier van A naar B te komen zonder het klimaat te schaden? De eerste gedachte is om een elektrische auto te nemen. Er zijn echter zeldzame aardmetalen zoals dysprosium of neodymium nodig om de batterijen te produceren. Ook andere elementen zoals lithium of kobalt moeten worden gebruikt om de batterijen te produceren. In de regel is er een tekort aan deze elementen en hebben ze 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 - aantrekkelijke brandstof voor de mobiliteitstransitie.

Stap nr.1: Biomethaan kweken/productie boerderij

Oorsprong van biomethaan

Dit roept de vraag op: Hoe kunnen we mest van boerderijen en hernieuwbare grondstoffen omzetten in milieuvriendelijke brandstof?

Allereerst worden residuen, NaWaRo's, drijfmest/mest en afvalstoffen van agrarische bronbedrijven en producerende bedrijven verzameld door inzamelaars, die meestal handelaren of leveranciers zijn, en vervolgens naar de biogasinstallatie getransporteerd. Deze stap wordt weergegeven in Figuur 1.

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

Processen in de biogasinstallatie

In deze installatie vindt fermentatie 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). Andere componenten naast waterdamp zijn spoorgassen 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.

Grob kan de processtappen van de biogasinstallatie in vier stappen uitleggen:

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

Processtappen biogas naar feed-in

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

Figuur 3: Stap 2 in de biomethaanwaardeketen (agriportance GmbH. (Juni 2022). Workshop_THG_Balancing_V.0.1.12.)

Voor de behandeling worden verschillende processen gebruikt, zoals aminewassing, pressure swing adsorptie of waterwassen onder druk (DWW):

Amine wassen

In het geval van aminewassing als chemisch absorptieproces is de zuivering vergelijkbaar met die van waterwassing onder druk. Hier stroomt het biogas door een amine-wateroplossing in tegenstroom onder licht verhoogde druk, waarbij de CO2 reageert met de wasoplossing en erin overgaat. De amineoplossing heeft een hogere belasting dan water, waardoor er minder wasmiddel moet worden gecirculeerd. De uitlaatlucht bevat slechts kleine hoeveelheden methaan, zodat 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 voor de regeneratie van de amineoplossing. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Drukwassen

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. Op deze manier 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 vol.% methaan. Naast CO2 bevat de uitlaatlucht ongeveer 1 vol.% methaan, dat moet worden afgescheiden via een behandeling van arm gas. Vergeleken met andere processen voor CO2-scheiding is er veel elektriciteit nodig vanwege de circulatie van het waswater en de noodzakelijke biogascompressie. Het vooraf drogen van het gas is niet nodig. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Drukswingadsorptie

Bij pressure swing adsorptie (DWA) worden gasmengsels gescheiden door adsorptie op actieve kool, moleculaire zeven of koolstofmoleculaire zeven. Voor 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 waar de adsorptie wordt herhaald met de toevoeging van omgevingslucht. De regeneratie van het adsorbens gebeurt door de druk te verlagen met behulp van een vacuümpomp. Het geëxtraheerde CO2-rijke gas bevat nog steeds methaan en moet daarom worden toegevoerd aan een nabehandeling van arm gas. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Eisen voor biomethaaninjectie

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

Energie-inhoud: De vereisten voor de energie-inhoud worden gedefinieerd via 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 gasdichtheid moet tussen 0,55-0,75 kg/m3 liggen.

Theoretisch kan elke biogasinstallatie zijn biomethaan uit biogas terugleveren aan het aardgasnet. In de praktijk moet de bouw van de terugleverinstallatie en de pijpleidingen naar het gasnet worden gecontroleerd door de respectieve netbeheerder. Aangezien de kosten voor de bouw van terugvoedingsinstallaties en pijpleidingen moeten worden gedragen door de verkochte gasvolumes, is teruglevering meestal alleen zinvol voor installaties die dicht bij het aardgasnet zijn gevestigd. Voor de teruglevering van biomethaan aan het aardgasnet en het gebruik ervan als brandstof definiëren richtlijnen volgens DVGW en DIN overeenkomstige kengetallen. 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 met betrekking tot de vereiste calorische waarde en druk. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)(agriportance GmbH. (Juni 2022). Workshop_THG_Bilanzierung_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). Technische en methodologische grondbeginselen van broeikasgasbalancering van biomethaan. DBFZ.

agriportance GmbH. (Juni 2022). Workshop_THG_Bilanzierung_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 is uitbreidbaar (Figuur 4). Net als ruwe olie en steenkool is aardgas een brandbare organische grondstof. Het bestaat uit ongeveer 85% 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 bedrijfsvoertuigen. De meest gebruikte brandstof voor personenauto's is gasvormig CNG. Biogas wordt ook steeds meer gebruikt bij tankstations. Het wordt in het voertuig opgeslagen in tanks met een werkdruk van 200 bar. In Duitsland zijn er ongeveer 820 tankstations waar CNG verkrijgbaar is. Biogas is een bijzonder milieuvriendelijke variant. Door het methaangehalte te verhogen, kan het op een kwaliteitsniveau met aardgas worden gebracht. Zulk biomethaan is onbeperkt geschikt als brandstof voor aardgasvoertuigen. Bij veel aardgastankstations in Duitsland wordt biomethaan al puur of gemengd met aardgas als brandstof aangeboden. (ADAC, Aardgas/CNG - een aandrijving met toekomst?, 2022)