Im vorliegenden Projekt wird Biogas aus einer Laborbiogasanlage durch eine von der Hochschule Weihenstephan entwickelte und individuell angepasste Gasreinigung behandelt. Dabei werden Wasser sowie Spurengase wie Ammoniak (NH3) und Schwefelwasserstoff (H2S) abgeschieden, so dass das daraus entstehende Gasgemisch weitgehend aus Kohlenstoffdioxid (CO2) und Methan (CH4) besteht.



Dieses vorgereinigte Gasgemisch wird anschließend dem von der Hochschule Landshut entwickelten kryogenen Trennverfahren zugeführt. Kernstück der konstruierten und gefertigten Laboranlage mit einer Durchsatzleistung von 30 Normliter pro Stunde sind drei in Reihe geschaltete Wärmetauscher mit einer Betriebstemperatur von ca. 200 bis 110 K. Diese Anordnung ermöglicht die Abscheidung des im gereinigten Biogas enthaltenen CO2 in Form von Trockeneis.



Der erste Wärmetauscher - zum Vorkühlen - ist gleichzeitig als Ausfriereinheit für eventuell noch vorhandene minimale Restkonzentrationen an Störstoffen wie H2S oder NH3 vorgesehen.


Im zweiten Wärmetauscher wird das gasförmige Kohlenstoffdioxid in einem Temperaturbereich von 190 K bis ca. 150 K durch Desublimation als fester Trockeneisschnee abgeschieden und aus dem gasführenden Teil der Anlage entfernt.



Die Verflüssigung des im Restgas enthaltenen Methans erfolgt im dritten Wärmetauscher bei einer Temperatur von 110 K. Das entstehende flüssige Methan - LBM (Liquefied Biomethane) - wird in einem Kryobehälter gesammelt und aus der Anlage diskontinuierlich entfernt. Dann verbleibende Restgasbestandteile wie geringe Mengen an Wasserstoff oder Stickstoff werden in Atmosphäre ausgeleitet. Abbildung 1 zeigt ein Blockschaltbild des Verfahrens mit den wesentlichen Stoffströmen.



Die thermodynamischen Eigenschaften des vorbehandelten Biogases garantieren eine Reinheit von über 99,9 % CH4 in der Flüssigphase, ohne dabei auf hohe Drücke oder giftige Chemikalien
zurückgreifen zu müssen. Hinzu kommt der sehr geringe Methanschlupf, der dazu beiträgt, die im Rohgas enthaltene Energie fast vollständig nutzbar zu machen. Die benötigte Kälteleistung wird in der Laboranlage mittels eines Gifford-Mc Mahon-Kühlers unter Vakuumisolierung für die drei kryogenen Wärmetauscher bereitgestellt.



Durch das Abtrennen des CO2 und der Verflüssigung des Methans entsteht ein hochwertiger tiefkalter und flüssiger Energieträger. Dieser besitzt bei einer Temperatur von 110 K einen Heizwert von 5,87 kWh/l (Vergleich: Biogas bei 300 K ca. 0,0055 kWh/l). Das Aufbereitungsverfahren eignet sich daher besonders bei Biogasanlagen, bei denen das Erdgasnetz als Energiespeicher nicht zur Verfügung steht. Durch die Konzentration der Energiedichte des Biogases um den Faktor 1000 wird der Transport von großen Energiemengen mittel LKW als Brennstoff oder als Kraftstoff ermöglicht. Im Gegensatz zu anderen Biogasaufbereitungsverfahren ist eine Anbindung an Biogasanlagen mit einem Volumenstrom kleiner 250 m³/h sinnvoll. Die Entwicklung modularer Verflüssigungseinheiten für einen Volumenstrom von ca. 25 – 35 m³/h wird angestrebt.



Ziele des Projekts sind der Nachweis einer dezentralen kryogenen Langzeitspeicherung großer Energiemengen als LBM, das Aufzeigen alternativer Verwertungswege für Biogas und eine effizientere Nutzung der im Rohgas enthaltenen Energie. Die zusätzlichen Vermarktungsmöglichkeiten von Trockeneis und LBM sollen einen wirtschaftlichen Betrieb von Biogasanlagen außerhalb des deutschen Erneuerbaren-Energien-Gesetzes (EEG) sicherstellen. Der Einsatz von LBM als Substitut von fossilem Kraftstoff für den Schwerlastverkehr oder als hochreiner Rohstoff für die chemische Industrie ist möglich. Einen zusätzlichen finanziellen Benefit verspricht die Vermarktung von Trockeneis für Kühlzwecke oder zur Oberflächenbehandlung.