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Aufbereitung von Biogas mit ionischen Flüssigkeiten verbraucht weniger Energie

Die Aufbereitung von Biogas zu Biomethan wird in rund 200 Anlagen in Deutschland praktiziert. Ingenieure aus Karlsruhe haben gemeinsam mit Praxispartnern im Projekt „BGA-IL - Biogasaufbereitung mit ionischen Flüssigkeiten“ (FKZ-Nr. 03KB104) des Förderprogramms "Energetische Biomassenutzung" ein energieeffizientes Aufbereitungskonzept entwickelt, das sich die Vorteile ionischer Flüssigkeiten zu Nutze macht.

Die Aufbereitung von Rohbiogas ist technisch sehr aufwändig. Bevor das Gas die für das Erdgasnetz notwendige Qualität erreicht, müssen störender Schwefel und Kohlendioxid (CO2) abgetrennt werden. Gespeichert im Erdgasnetz kann das Biomethan zeit- und ortsunabhängig in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen und ist damit eine Flexibilitätsoption im erneuerbaren Energiesystem.

Die sogenannte Gaswäsche ist das derzeit am weitesten verbreitete Verfahren für die Aufbereitung von Rohbiogas. Es arbeitet u.a. auf der Basis von Wasser-Amin-Lösungen, einer Mischung, die Kohlendioxid (CO2) durch chemische Reaktion in der Lösung bindet. Das Verfahren erfordert allerdings hohe Temperaturen für die Regeneration der Waschlösungen (140 – 160 ͦC). Ein Forscherteam vom Engler-Bunte-Institut in Karlsruhe, der Ionic Liquids Technologies GmbH aus Heilbronn und der Powerfarm Bioenergie GmbH aus Tuningen hat nun erfolgreich den Einsatz von ionischen Flüssigkeiten als Waschmedien an einer Biogasanlage demonstriert. Gefördert wurde das Projekt „BGA-IL - Biogasaufbereitung mit ionischen Flüssigkeiten“ (FKZ-Nr. 03KB104) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Förderprogramm „Energetische Biomassenutzung“.

Ionische Flüssigkeiten sind Salzlösungen. Sie bestehen aus geladenen Molekülen, genauer organischen Kationen (+) und/oder Anionen (-) und gehen daher nicht durch Verdampfung in die Gasphase über. Die physikalischen Eigenschaften von ionischen Flüssigkeiten lassen sich außerdem durch geschickte Kombination von Kationen und Anionen gezielt einstellen. Dies machen sich die Wissenschaftler zu Nutze: Denn im entwickelten Waschprozess findet die Aufnahme (Absorption) von CO2 unter nahezu derselben Temperatur (60 – 80 ͦC) statt, wie die anschließende Rückgewinnung (Regeneration) der Waschflüssigkeit. Externe Wärme benötigt der Regenerationsprozess nicht mehr. Dies spart Energie und senkt die Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Konzepten der Gasaufbereitung.

Von der Waschküche im Labor auf die reale Biogasanlage

Im Labor identifizierten die Wissenschaftler vielversprechende ionische Flüssigkeiten, die sie dann stofflich charakterisierten und umfangreichen Tests unterzogen. Neben Versuchen zur Herstellung von ionischen Flüssigkeiten wurde auch die Materialverträglichkeit der Komponenten untersucht, um einen möglichst geringen Verschleiß von Anlagenteilen wie bspw. Dichtungen zu gewährleisten. Im Laborbetrieb konnte die Machbarkeit des Konzeptes nachgewiesen werden. Die notwendigen Gasparameter wurden nach dem „Reinheitsgebot“ der Anforderungen des technischen Regelwerks der Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches e. V., DVGW G260/261 erreicht. Die Laborergebnisse konnten unter realen Bedingungen in der Biogasanlage in Tuningen bestätigt werden, so dass einer Erprobung in größerem Maßstab, nach einem sogenannten Scale-Up des Verfahrens, nichts mehr im Wege steht.

„Ein hohes Einsparpotenzial bei den Kosten des untersuchten Verfahrenskonzepts sehen wir durch die Verwendung von kostengünstigeren Materialien, die sich durch die geringeren Betriebstemperaturen erst einsetzen lassen“ erläutert Felix Ortloff vom EBI in Karlsruhe die Möglichkeiten, die in der Weiterentwicklung des Verfahrens liegen. „Die Praxisergebnisse zeigen, dass auch in der Biogasaufbereitung, in der die Aufbereitungstechnologien als etabliert gelten, durch den Einsatz neuer Sorbenzien (Mittel, die der Anreicherung bzw. Abtrennung von Stoffen dienen) und neue Prozessführungen noch vieles verbessert werden kann.“

Das Verfahren eignet sich nicht nur für den Aufbereitungsprozess in Biogasanlagen, sondern kann auch in anderen Industrieprozessen zum Einsatz kommen. Die Forscher planen derzeit ein umfangreiches Demonstrationsprojekt, das mit Fördermitteln der EU finanziert werden soll. Aus dem Abgas eines Zementwerks soll das CO2 auf Basis des entwickelten Verfahrens abgeschieden werden - eine Möglichkeit, Treibhausgase zu minimieren.

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