Das Triple-A-Verfahren (AmbientAminAbsorption) - Optimierte Gaswäsche für einen skalierbaren und an die Rohgasinfrastruktur angepassten Ausbau der Biomethanproduktion

Abstract

Heutzutage kann Biomethan – als einer der bekanntesten sauberen gasförmigen Energieträger – einen wichtigen Beitrag zur Energiesicherheit leisten und die Dekarbonisierung industrieller Prozesse sowie des Verkehrssektors unterstützen. In Deutschland stellen kleine Biogasanlagen (BGA) mit einer Kapazität von unter 250 Nm³/h den Großteil der aktuell betriebenen Anlagen dar. Ihr Beitrag zur Biomethanproduktion ist jedoch bisher nur gering. Nach 20 Jahren Betrieb im Rahmen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) sind viele dieser Anlagen auf der Suche nach neuen Nutzungsperspektiven. Die Aufbereitung von Biogas zu Biomethan gilt dabei als vielversprechende Repowering-Option. Es wird angenommen, dass kleine BGA ein bislang ungenutztes Potenzial zur Biomethanproduktion aufweisen. Zwei der größten Hindernisse sind jedoch fehlende Skaleneffekte und technologiebedingte Kosten, die kleine Anlagen bislang von der Biomethanerzeugung abhalten. Aus technologischer Sicht besteht daher ein Bedarf an gut skalierbaren Aufbereitungstechnologien mit niedrigen Kosten oder hohen Erlöspotenzialen – etwa durch den THG-Quotenmarkt. Mit dem Triple-A-Verfahren wurde im vorliegenden Projekt eine aussichtsreiche Technologie für die Gasreinigung bei kleinen Anlagengrößen und unter annähernd ambienten Umweltbedingungen entwickelt und erprobt und auch ökonomisch und systemanalytisch untersucht. Die BGA, die im Rahmen des Triple-A-Netzeinspeisungs¬konzepts eingesetzt werden, können von fünf potenziellen Märkten profitieren. Dabei kann durch das entwickelte Substratmixoptimierungsmodell der Deckungsbeitrag der Gasproduktion unter Einhaltung der regulatorischen Anforderungen der verschiedenen Märkte maximiert werden. Auf Basis der Experiment-Vorstudie im Labor wurde eine mobile Versuchsanlage in einem Container ausgelegt und aufgebaut. Die Anlage wurde zuerst am Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK) unter Laborbedingungen mit synthetischem Biogas in Betrieb genommen. Die Ergebnisse zeigen, dass unter den Versuchsbedingungen eine maximale CO₂-Abscheideleistung von 92,6 % erreicht werden konnte. Um den Prozess praxisnah zu erproben und die Langzeitstabilität des Lösungsmittels zu untersuchen, wurde die aufgebaute Versuchsanlage an die Biogasanlage des Bioenergiehofs Weitenau angeschlossen und mit echtem Rohbiogas getestet. Die Ergebnisse aus dem Praxisbetrieb haben gezeigt, dass eine zunehmende Temperaturdifferenz zwischen Absorptions- und Desorptionsprozess sowie ein höheres L/G-Verhältnis zu einer Steigerung der erreichbaren Methanqualität führen. Unter den Versuchsbedingungen konnte eine maximale CO2-Abscheideleistung von 92,3 % erreicht werden. Durch den Dauerbetrieb konnte die Stabilität der Anlage sowie der Absorptionslösung untersucht werden. Eine wesentliche Herausforderung stellte die Degradation der Absorptionslösung dar, verursacht durch die Anwesenheit von Luft und Metallionen. Die Sensitivitätsanalyse für verschiedene Nutzungskonzepte bzw. Märkte zeigt, dass das Triple-A-Netzeinspeisungskonzept in allen BGA-Clustern bis zu einem durchschnittlichen Quotenpreis von 208 €/tCO₂-Äq einen höheren spezifischen Kapitalwert erzielt als das Triple-A-CNG-Konzept. Der hohe Stromverbrauch des Triple-A-Verfahrens hat grundsätzlich zwei negative Kosteneffekte. Erstens führt er zu höheren THG-Emissionen, wodurch eine BGA weniger Einnahmen aus dem THG-Quotenmarkt erzielen kann. Zweitens erhöht er die Betriebskosten des Aufbereitungs-prozesses und steigert somit die LCOE. Daher sollten neue Prozessoptimierungs¬maßnahmen entwickelt werden, um den Stromverbrauch und die THG-Emissionen zu reduzieren. Zur Senkung des externen Strombedarfs aus dem Netz könnte die Installation von PV-Solaranlagen eine vielversprechende Option sein, deren Integration untersucht werden sollte. Die Integration eines Konzepts für Carbon Capture, Storage und/oder Utilization (CCS & CCU) könnte dazu beitragen, die THG-Emissionen zu senken und die Einnahmen aus dem THG-Quotenmarkt zu steigern, und auch neue Geschäftsmodelle für BGA zu eröffnen. Damit würde der Triple-A-Prozess wirtschaftlich sowie ökologisch wettbewerbsfähiger werden.