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01-02 | 2019

Energie Ein Teil des

Energie Ein Teil des Biomethans, das in der obigen Tankstelle getankt werden kann, wurde mit dieser Technologie aufbereitet. Bild: Apex AG Je nach Anwendung und Anlagengröße können verschiedene Modulgrößen gewählt sowie beliebig viele Membransysteme miteinander verschaltet werden. „Die derzeit durchsatzstärkste Anlage mit SEPURAN Green hat ein Volumen von 6.250 Nm3/h Biogas. Mit kleinen Faserbündeln können jedoch genauso auch Kleinstmengen an Gas aufbereitet werden“, so Wehber weiter. Insgesamt zeigt das System von Evonik eine besonders hohe Anlagenverfügbarkeit, einen sehr geringen Energiebedarf und niedrige Wartungskosten. Zudem entstehen bei der Aufbereitung weder Abfälle noch Emissionen. Es werden auch keine Hilfsmittel wie Wasser oder Sorptionsmittel benötigt. All diese Vorteile schlagen sich direkt in Form von Kostenvorteilen nieder. „Die Technologie kann außerdem leicht an sich ändernde Volumenströme und Gaszusammensetzungen angepasst werden“, erklärt Wehber. Seit 2012 arbeitet der Anlagenhersteller Apex AG mit SEPURAN-Green-Membranen von Evonik. Im Gegensatz zu den üblichen Verfahren zur Aufbereitung von Rohgas zu Biomethan eignen sich diese sehr gut für Anwendungen mit relativ kleinen Biogasmengen von < 100 Nm³/h. konventionelle Aufbereitungsanlagen meist erst ab einer Rohbiogasmenge von deutlich über 500 Nm3/h wirtschaftlich. Das bedeutet: Für eine dezentrale Energieversorgung mit zahlreichen kleineren Anlagen sind sie in der Regel ungeeignet. Die Apex AG suchte daher bereits seit 2006 nach alternativen Verfahren für eine ökonomisch sinnvolle Aufbereitung dieser Ressourcen. Hochselektive Membranen für unterschiedlichste Rohgasmengen „Seit 2012 arbeiten wir mit SEPURAN- Green-Membranen von Evonik. Im Gegensatz zu den üblichen Aufbereitungsverfahren eignen sich diese sehr gut für Anwendungen mit relativ kleinen Biogasmengen von < 100 Nm3/h, für die wir unsere Anlagen konzipieren“, so Oester. Die Technologie ist von der Anlagengröße unabhängig, da sie modular ist: „Die einzelnen Membranmodule bestehen aus Bündeln von Hohlfasern aus einem druck- und temperaturbeständigen Hochleistungskunststoff, die mit dem Rohgasgemisch unter Druck beaufschlagt werden. Sie arbeiten nach dem Prinzip der selektiven Permeation durch die Membranoberfläche“, erläutert Wehber. „CO2-Moleküle wandern schneller durch die Poren der Hohlfaserwand als CH4-Moleküle, die eher in der Hohlfaser verbleiben und so abgetrennt werden können.“ Die Gasseparationsmembranen von Evonik weisen eine hohe CO 2 /CH 4 -Selektivität von über 50 auf, mit der sich das Methan aus dem Rohgas auf bis zu 99 Prozent aufreinigen lässt. Bild: Evonik BlueBONSAI-Anlage in Schönenwerd mit dreistufiger Aufbereitung Im Einsatz ist die Technologie beispielsweise seit Juni 2016 in der Abwasserreinigungsanlage Schönenwerd bei Aarau. Dort ist eine BlueBONSAI-Anlage der Apex AG verbaut, die aus rund 20 Nm3/h Rohgas 12 Nm3/h Biomethan erzeugt und auf den notwendigen Speicherdruck von 300 bar für die Fahrzeugbetankung verdichtet. „Die Schlüsselkomponenten der Aufbereitungsanlage sind in einem zweigeteilten Container untergebracht“, so Oester. „Der größere Raum, der die Anforderungen der Ex- Zone 2 erfüllt, beherbergt die Gastechnik, das heißt Vorkonditionierung des Klärgases, Aktivkohlefilter, Membranaufbereitungsmodul, Gasverdichtung, Sensorik, Gasmengenmessung und Betankungspanel. Im kleineren Bereich befinden sich Steuerung und Kaltwassersatz.“ Der im Freien stehende 40 × 80 l fassende Hochdruckspeicher der Tankstelle und der Füllschlauch samt -kupplung für die Fahrzeugbetankung, die sich außen an der Containerwand befinden, komplettieren das System. Die Aufbereitung erfolgt automatisch und bedarfsgesteuert: Sinkt der Druck im Speicher durch die Betankung von Fahrzeugen unter einen bestimmten Schwellenwert, wird die Anlage gestar- 40 UmweltMagazin Januar - Februar 2019

Energie tet und bleibt in Betrieb, bis der Speicher wieder gefüllt ist. Der Methangehalt des Rohgases in Schönenwerd liegt bei circa 60 Prozent, hinzu kommen Kohlendioxid, Wasserdampf und weitere Begleitstoffe. „Nach der Entfeuchtung, dem Abtrennen der Begleitstoffe und der Vorkonditionierung wird das Rohgas auf den Betriebsdruck der SEPURAN-Green-Membranen verdichtet, in denen der Trennungsprozess stattfindet“, erläutert Oester. Dies geschieht nach einem dreistufigen, von Evonik patentierten Verfahren, bei dem das Biogas immer mindestens zwei Membranstufen durchläuft: Das Gas tritt in die erste Membranstufe ein und nach der Gasseparation geht das Retentat, das nun deutlich weniger CO 2 -Moleküle enthält, in die zweite Stufe ein. Bei deren Retentat handelt es sich bereits um das fertige Produkt – Biomethan in Treibstoffqualität. Im Anschluss wird das Permeat der ersten Stufe, das hoch CO 2 -lastig ist, in einer dritten Stufe erneut gereinigt, so dass die darin verbliebenen CH 4 -Moleküle abgefangen werden. Dadurch ist der Methanschlupf bei diesem Verfahren besonders gering – er liegt deutlich unter 1 Volumenprozent. Abschließend wird das Biomethan auf den Speicherdruck verdichtet und für die Fahrzeugbetankung vorgehalten. Die einzelnen Membranmodule bestehen aus Bündeln von Hohlfasern aus einem druck- und temperaturbeständigen Hochleistungskunststoff, die mit dem Rohgasgemisch unter Druck beaufschlagt werden. Funktionsweise der Membrankartuschen: Die Membranen arbeiten nach dem Prinzip der selektiven Permeation durch die Membranoberfläche: Die CO2-Moleküle wandern schneller durch die Poren der Hohlfaserwand als CH4-Moleküle, die eher in der Hohlfaser verbleiben und abgetrennt werden können (Retentat). Energieverbräuche gezielt steuerbar Der Stromverbrauch für die Aufbereitung mit diesem Verfahren beläuft sich in Schönenwerd auf circa 0,3 kWh/Nm3 Rohgas oder 0,5 kWh/Nm3 Biomethan. Hinzu kommt der Strombedarf für die Verdichtung des Biomethans, so dass der Wert insgesamt bei 0,6 kWh/Nm3 Rohgas beziehungsweise 1 kWh/Nm3 Biomethan liegt. Der Verbrauch für die Aufbereitung hängt dabei wesentlich von der individuellen Konzeption der Gesamtanlage ab: „Je höher der Druck im System ist, desto mehr Kompressorleistung wird benötigt“, so Wehber. „Eine Anlage kann so designt werden, dass sie auf einen höheren Druck und weniger Membranfläche ausgelegt ist. Sollen niedrige Drücke gefahren, also Kompressorleistung und damit Stromkosten eingespart werden, muss dagegen in mehr Membranfläche investiert werden.“ Eine eigens entwickelte Simulationssoftware von Evonik hilft dabei, ein Projektoptimum zu finden: Hier können Szenarien mit unterschiedlichen Druckstufen, Membrananzahlen, Produktreinheiten und Ausbeuten durchgespielt werden. „Diese Software ist sehr hilfreich bei der Auslegung unserer Anlagen“, erklärt Oester. „Wir nutzen sie für die Simulation verschiedener Parameter sowie die Findung der optimalen Betriebsbedingungen.“ Letztere werden anschließend im Betrieb überprüft und nachjustiert. „Mit der bisherigen Zusammenarbeit mit Evonik sind wir sehr zufrieden“, erklärt der Geschäftsführer der Apex AG abschließend. Das Unternehmen plant, SEPURAN-Green-Membranen auch in Zukunft in den eigenen Aufbereitungsanlagen zu verbauen und das Gesamtsystem weiter zu optimieren – mit dem Ziel, die Investitions- und Betriebskosten weiter zu senken. Dabei nutzt der Schweizer Betrieb unter anderem Synergien mit seinem angestammten Geschäftsfeld Erdgas-Tankstellen. Auch hier bilden die Vorteile der modularen Bauweise, die Apex-Anlagen Plug-andplay-fähig macht, eine wesentliche Voraussetzung. „Mit der Membrantechnologie könnte letztlich jede existierende Biogas- oder Kläranlage mit einer Aufbereitungsanlage inklusive Tankstelle verbunden werden und somit die CNG- Tankstelleninfrastruktur relativ einfach innerhalb weniger Jahre flächendeckend erweitert werden – auch in Gebiete ohne Erdgasnetz“, resümiert Wehber. „Dieses Potenzial für eine dezentrale Energieversorgung bietet derzeit keine andere Technologie.“ Iris Gehard, ABOPR, info@abopr.de Bild: Evonik Bild: Evonik UmweltMagazin Januar - Februar 2019 41

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