Einleitung

Nach dem Inkrafttreten des reformierten Erneuerbare
Energien-Gesetzes (EEG) im Jahr 2004 hatte sich der
Bau von Biogasanlagen zu einem regelrechten Boom
entwickelt. Mittlerweile hat sich dieser Boom durch
einen starken Preisanstieg für Substrate im Jahr 2007
abgeschwächt. Besonders die meist geringe Wärmenutzung
bei den Biogasanlagen erscheint immer kritischer,
da die Wirtschaftlichkeit der Anlagen durch die
Wärmenutzung deutlich verbessert werden könnte.
Die Aufbereitung und Einspeisung von Biogas in das
Erdgasnetz stellt eine gute Möglichkeit dar, Biogas effizienter
zu nutzen und die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen
zu sichern. Diese Art der Biogasnutzung
ist gegeben, wenn das aufbereitete Biogas in ein nahe
gelegenes Erdgasnetz eingespeist und schließlich
an einem Standort mit ganzjähriger Wärmeabnahme
verstromt werden kann. Dadurch kann neben der Vergütung
für den eingespeisten Strom auch ein Wärmeverkauf
erfolgen. Somit ergibt sich eine sehr gute Ausnutzung
des Energieträgers Biogas aus ökologischer
und ökonomischer Sicht.

Aktuelle Projekte in Deutschland

Aufgrund der beschriebenen Vorzüge der Einspeisung
von konditioniertem Biogas in das Erdgasnetz werden
seit Ende 2006 immer mehr sog. Bioerdgasanlagen errichtet.
Derzeit sind in Deutschland 11 Anlagen in Betrieb,
weitere 11 Anlagen sind in Planung bzw. in Bau
(Abbildung 1).

Aufbereitungsverfahren

Am Kompetenzfeld Erneuerbare Energien der Hochschule
Ingolstadt wurden die derzeit in Europa eingesetzten
Aufbereitungsverfahren vor allem im Hinblick
auf die ökonomisch und ökologisch bedeutsamen
Methanverluste kritisch betrachtet. Die in dieser Untersuchung
betrachteten Aufbereitungsverfahren sind die
Druckwechseladsorption, die Druckwasserwäsche,
das BCM®-Verfahren und die Membrantrennung.

Druckwechseladsorption

In den letzten 40 Jahren hat sich dieses Verfahren als
technisch bedeutsames Gastrennverfahren etabliert,
zunächst zur Sauerstoff- oder Stickstoffgewinnung
oder zur CO2-Abtrennung aus Abgasen, später auch
zur Gewinnung von Methan aus Bio-, Gruben- oder
Deponiegasen [2]. Es ist umfangreich beschrieben
und heute das in der Bioerdgasgewinnung am weitesten
verbreitete Verfahren [3, 4, 5, 6, 7, 8].
Nach Herstellerangaben beträgt der ökonomisch und
ökologisch bedeutsame Methanverlust maximal 4 %.
Dieser Wert konnte in einer Vergleichsuntersuchung
verschiedener Aufbereitungsverfahren jedoch nicht verifiziert
werden [9]. Die analytische Ermittlung der tatsächlichen
Verluste ergab eine durchschnittliche Methankonzentration
im Schlechtgas von 12 %. Bei einem
durchschnittlichen Eingangsvolumenstrom von ca. 30
m³/h Methan zeigte sich ein Methanverlust von etwa
8 % (Abbildung 2). Ursache waren Undichtigkeiten an
Kugelhähnen der Anlage, die auch durch einen Dichtungsaustausch
nicht verringert werden konnten, da
diese bereits nach wenigen Wochen wieder undicht
waren.

Druckwasserwäsche

Auch die Druckwasserwäsche kann mit mehrjähriger
Erfahrung in der Biogasaufbereitung inzwischen als
Stand der Technik angesehen werden [5, 6, 7, 8].
Weitere Untersuchungen in [9] betrachteten auch hier
die Methanverluste. Es zeigt sich, dass bei der Druckwasserwäsche
immer ein Teil des im Biogas enthaltenen
Methans in Lösung geht. Dieser Anteil hängt von
der Wasserumlaufmenge und vom Betriebsdruck der
Anlage ab. Eine Teilentspannung im sog. Flashtank
kann bzw. soll den Methanverlust minimieren. So kann
es bei einer geringen Wasserzirkulation zu einer zu
geringen Durchmischung des Wassers im Flashtank
kommen, wodurch der Phasenübergang des gelösten
Methans nicht optimal verläuft. Daraus ergibt sich ein
Transport von Methan in die Strippkolonne.
Durch eine zu geringe Verweilzeit des Wassers im
Sumpf des Absorbers können theoretisch Biogasblasen
aus dem Absorber und durch den Flashtank in
den Stripper getragen werden, wo sie mit der Strippluft
ausgetragen werden und so den Methanverlust erhöhen.
Durch Variation beim Betriebsdruck (Verringerung
des Druckes im Flashtank) und bei der Betriebstemperatur
lässt sich der Methanverlust weiter verringern.
Zudem ist es möglich, den Methanverlust durch Einbringung
eines Blasenabscheiders in die Rückführung
des Waschwassers weiter zu reduzieren. Das Druckmanagement
im Flashtank ist offensichtlich von großer
Bedeutung für den Methanverlust. Generell ist davon
auszugehen, dass durch entsprechende Optimierung
unabhängig vom Auslastungszustand der Anlage Methanverluste
von unter 2 % dauerhaft zu erreichen sind,
generell sind allerdings Methanverluste bis 5 % möglich.

BCM®-Verfahren (drucklose Aminwäsche)

Die DGE GmbH, Wittenberg, hat speziell für die Aufbereitung
von Biogas ein Verfahren der drucklosen Aminwäsche
mit dem Waschmittel „BCM®-Sorb“ entwickelt,
das den Markennamen „BCM®-Verfahren“ trägt.
Es wurde erstmals im Oktober 2006 in einer Versuchsanlage
mit einer Kapazität von 25 Nm³/h erprobt [8].
Gasaufbereitungsanlagen auf Basis des BCM®-
Verfahrens werden von den Lizenznehmern MT-Biomethan
GmbH (exklusive Lizenz für die EU und die
USA), Rockstedt, und der Erdgas-Zürich AG geplant,
gefertigt und vertrieben [8]. Die Lizenzvergabe betrifft
allerdings nur die CO2-Abtrennung, die Gasvor- und
Nachbehandlung wird von den Lizenznehmern selbst
realisiert [7].
Nach Herstellerangaben konnten die Methanverluste
in einem Zeitraum von etwa einem halben Jahr auf unter
0,05 % konstant gehalten werden [10]. Im Juni 2008
wurde am Klärwerk Obermeilen die erste BCM®-Anlage
in der Schweiz errichtet. Abbildung 3 zeigt für diese
Anlage den Methanschlupf und den Methananteil im
BioErdgas. Der dort gemessene Methanverlust liegt
bei 0,04 %. Derzeit laufen Prozessoptimierungen zur
Minimierung des Wärme- und Strombedarfs [11].

Membrantrennung

Membranen zur Gastrennung mittels Gaspermeation
werden seit den 1940er Jahren wissenschaftlich
untersucht. Der technische Einsatz scheiterte jedoch
daran, dass keine geeigneten Membranen zur Verfügung
standen. Erst die Entwicklung integral asymmetrischer
Membranen und Kompositmembranen in den
1970er Jahren ermöglichte es, technisch dünne Filme
auf einer mikroporösen Unterstruktur herzustellen
[13]. Seit 1980 sind Gaspermeationsanlagen zur H2-
Rückgewinnung in Betrieb, seit Mitte der 1980er Jahre
wird CO2 mit Celluloseacetat-Membranen aus Erdgas
abgetrennt. Seit Beginn der 1990er Jahre ist die N2-
Anreicherung ein wichtiges Segment des Gaspermeationsmarktes.
Weitere Anwendungen sind die Drucklufttrocknung
oder auch die Abtrennung organischer
Dämpfe aus Ab- und Prozessgasen [14]. Eingesetzte
Membranmodule sind Hohlfaser-/Kapillarmodule, Kissenmodule
und Wickelmodule [15]. Die Aufbereitung
von Biogas zur Einspeisung in das Erdgasnetz mittels
Membrantechnologie befindet sich jedoch noch im
Entwicklungsstadium.
In Bruck an der Leitha (A) wird eine Biogasaufbereitungsanlage
mit Membrantechnologie betrieben. Dort
werden 180 Nm³/h auf die geforderte Qualität von Erdgas
nach der österreichischen Qualitätsrichtlinie aufbereitet
und damit 100 Nm³/h Bio-Erdgas eingespeist.
Mittlerweile sind erste Dauerbetriebsergebnisse verfügbar.
Offensichtlich zeigen sich nur geringe Qualitätsschwankungen.
(Abbildung 4).
Seit Dezember 2007 ist in Margarethen/Moos (A) eine
weitere Biogasaufbereitungsanlage mit Membrantechnologie
in Betrieb. Dort werden weiterentwickelte
Membranmodule mit größerer Einzelkapazität eingesetzt [16].

Anbieter von Biogasaufbereitungsanlagen

In Deutschland sind nur 3 Anbieter für Biogasaufbereitungsanlagen
ansässig, die Carbotech Engineering
GmbH, Essen, die Haase Energietechnik AG, Neumünster,
und die MT-Biomethan GmbH, Rockstedt.
Die Carbotech Engineering GmbH wurde zudem 2006
von der Schmack Biogas AG, Schwandorf, einem der
Marktführer im Biogasanlagenbau, übernommen.
Auch weltweit ist die Anzahl der Anbieter begrenzt, mit
der QuestAir Technologies Inc. (Kanada), der Malmberg
Water AB (S), der Flotech Group (S) und der Cirmac
International BV (NL).

Fazit

Die große Bedeutung der Einspeisung von aufbereitetem
BioErdgas ins Erdgasnetz wird durch die große
Anzahl von Neuanlagen und Planungen unterstrichen.
Um so erstaunlicher ist es, dass es, über Studien
hinaus, kaum unabhängige Untersuchungen und Erkenntnisse
zu Wirtschaftlichkeit, betrieblicher Stabilität
und zum energetischen Aufwand einschließlich der
Methanverluste gibt. Zweifelsfrei haben alle beschriebenen
Verfahren noch unausgeschöpfte Potenziale
zumindest im Hinblick auf Energieverbrauch und Methangewinnung.
Wahrscheinlich ist es zudem auf die sehr überschaubare
Anzahl von Herstellern zurückzuführen, dass die
derzeit nur in Österreich aktiv verfolgte Membrantrennung
trotz ihrer Vorzüge noch keine weitere Verbreitung
gefunden hat.

Literaturverzeichnis

[1] www.biogaspartner.de, Website der Deutschen Energie-
Agentur GmbH, Zugriff 18.08.2008.

[2] Unger J.: Druckwechseladsorption zur Gastrennung:
Modellierung, Simulation und Prozeßdynamik,
VDI-Verlag, Düsseldorf, 1999.

[3] Bathen D.; Breitbach M.: Adsorptionstechnik, Springer,
Berlin, 2001.

[4] Ruthven D.; Farooq S.; Knaebel K.: Pressure Swing
Adsorption, VCH, New York, 1994.

[5] Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (Hrsg.):
Handreichung Biogasgewinnung und -nutzung,
Gülzow, 2004.

[6] Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (Hrsg.):
Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz, Gülzow,
2006.

[7] Solarenergieförderverein Bayern (Hrsg.): Biogasaufbereitungssysteme
zur Einspeisung in das Erdgasnetz
– ein Praxisvergleich, München, 2008.

[8] Urban W., Girod K., Lohmann H.: Technologien und
Kosten der Biogasaufbereitung und Einspeisung in
das Erdgasnetz. Ergebnisse der Markterhebung 2007-
2008, Fraunhofer UMSICHT, Oberhausen, 2008.

[9] Ahrens T.: Vergleichende Bewertung von Verfahren
zur Biogasaufbereitung, Fakultät für Mathematik/Informatik
und Maschinenbau, TU Clausthal, 2007.

[10] Wünsche K.: Praxiserfahrungen Drucklose Aminwäsche
MT-Biomethan, 6. Hanauer Dialog „Biogasaufbereitung
zu Biomethan,“ Hanau, 21.02.2008.

[11] www.pressemeldungen.at, Pressemitteilung vom
04.09.2008.

[12] www.biomethan.ch, Website der Erdgas Zürich
GmbH, Zugriff 11.09.2008.

[13] Melin T., Rautenbach R.: Membranverfahren
– Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung, 3.
Auflage, Springer Verlag, Berlin, 2007.

[14] Ohlrogge K., Ebert K.: Membranen: Grundlagen,
Verfahren und industrielle Anwendung, Wiley-VCH,
Weinheim, 2006.

[15] Ehresmann, H. E.:Untersuchungen zur Methananreicherung
von Biogas durch Gaspermeation, Dissertation,
RWTH Aachen, 1990.

[16] Harasek M.: Biogasaufbereitung für die Einspeisung
ins öffentliche Netz am Beispiel der Biogasanlage
Bruck a. d. Leitha, 6. Hanauer Dialog „Biogasaufbereitung
zu Biomethan“, Hanau, 21.02.2008.