DBI-GRUPPE
DBI Gas- und Umwelttechnik

Erfolgreicher Feldtest zur kombinierten Entfernung von Schwefelwasserstoff und Sauerstoff aus Biomethan

Die Biogasbranche stellt eine wesentliche Säule der angestrebten Energiewende in Deutschland dar. Hierbei spielt der Ausbau der Einspeisekapazität regenerativ erzeugten Methans in das deutsche und europäische Erdgasnetz eine zentrale Rolle. Zur Einhaltung der vorgeschriebenen Grenzwerte für Sauerstoff und Schwefelwasserstoff für die Einspeisung wurde durch die DBI – Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg im Rahmen des INNO-KOM-Ost-Forschungsprojektes „O2-Phy“ ein Verfahren zur kombinierten Entfernung dieser Spurengase aus Biogas bzw. Biomethan entwickelt. In einem Feldtest an einer realen Biogaseinspeiseanlage wurde das Verfahren zudem erfolgreich erprobt.
Das DVGW-Regelwerk schreibt seit 2011 in Gasnetzabschnitten mit einem maximalen Betriebsdruck (MOP) von mehr als 16 bar einen Sauerstoff-Grenzwert von 10 ppmv vor (0,001 Vol.-%), um die Gasnetzinfrastruktur (inkl. Gasspeicher) vor Korrosion bzw. Schädigungen zu schützen. Ebenso sind die Sauerstoff-Grenzwerte anderer EU-Staaten für aufbereitetes Biogas zur Einspeisung in das Erdgasnetz in den letzten Jahren kontinuierlich gesunken.

Aus verschiedenen Studien zur Gasqualität ist jedoch bekannt, dass der Anteil von Sauerstoff im Rohbiogas vergleichsweise hoch ausfallen kann. Bei der Mehrheit der untersuchten NawaRo-Anlagen (nachwachsende Rohstoffe) liegt der O2-Gehalt im Rohbiogas zwischen 0,25  bis 0,65 Vol.-%, im Mittel bei 0,5 Vol.-%. Neben der Substratzufuhr sind vor allem die Grobentschwefelung mit Luft und die Regeneration der Waschflüssigkeit mit Stripluft bei physikalischen Wäschen zur CO2-Abtrennung typische Quellen für den Eintrag von Sauerstoff ins Rohbiogas bzw. ins Biomethan.

Abbildung 1: Farbliche Veränderungen bei der H2S-Entfernung (1) und O2-Entfernung (2) beim entwickelten O2-Phy- Verfahren
Abbildung 1: Farbliche Veränderungen bei der H2S-Entfernung (1) und O2-Entfernung (2) beim entwickelten O2-Phy- Verfahren

Vor diesem Hintergrund war das Ziel des Forschungsprojekts „O2-Phy“ die Entwicklung eines Konzepts zur gekoppelten Schwefelwasserstoff- und Sauerstoffentfernung mittels Eisenoxiden. In einem ersten Schritt reagieren hierbei die Eisenmassen mit dem im Biogas enthalten Schwefelwasserstoff, so dass dieser entfernt wird. Dabei entsteht Eisensulfid, welches wiederum mit Hilfe von Sauerstoff, der bspw. durch eine physikalische Wäsche ins Biomethan eingetragen wurde, regeneriert werden kann. Hierdurch entsteht elementarer Schwefel, welcher sich an die Eisenmasse anlagert. Der Sauerstoff wird aus dem Biogas entfernt. Durch die verfahrenstechnische Verschaltung (Parallelbetrieb) mehrerer Adsorberkolonnen mit den entsprechenden Eisenmassen besteht die Möglichkeit kontinuierlich sowohl H2S wie auch O2 aus dem Gasstrom zu entfernen.

2 FeOOH + 3 H2S → 2 FeS + S + 4 H2O            (1)
4 FeS + 3 O2 + 2 H2O → 4 FeOOH + 4 S           (2)

Im Rahmen des Projektes wurden als erster Schwerpunkt geeignete Eisenmassen für das entwickelte O2-Phy-Verfahren identifiziert und erprobt. In Durchbruchsversuchen wurde einerseits die Adsorptionsfähigkeit gegenüber Schwefelwasserstoff, andererseits die Regenerationsfähigkeit der Materialien mit Sauerstoff untersucht. Wie aus Abbildung 1 ersichtlich führen die Gasreinigungsprozesse zu einer farblichen Veränderung der Eisenmassen. Die linke Kolonne (1) zeigt die schrittweise Verfärbung der rostbraunen Eisenmassen bei der Gasentschwefelung durch die Bildung von Eisensulfid (schwarz). Ein weiterer Farbumschlag findet im darauf folgenden Schritt bei der Sauerstoffentfernung statt. Die Schwarzfärbung verblasst (2) (rechte Kolonne im Bild).

Parallel zu den Laboruntersuchungen erfolgte eine detaillierte Betrachtung der physikalischen und chemischen Eigenschaften, um Struktur-Aktivitätskorrelationen zu erstellen. Basierend auf den Untersuchungsergebnissen erfolgte die gezielte Auswahl optimaler chemischer Zusammensetzung und Oberflächenstruktur. In Abbildung 2 sind zusammenfassend die notwendigen Eigenschaften für eine hohe Adsorptionsleistung dargestellt.

Abbildung 2: Optimierung der Materialeigenschaften für eine optimale H2S-/O2-Sorption an Eisenoxiden
Abbildung 2: Optimierung der Materialeigenschaften für eine optimale H2S-/O2-Sorption an Eisenoxiden

Im Ergebnis zeigte sich, dass durch entsprechend aufbereitende Eisenhydroxide (Fe(OH)3) und Goethite (α-FeOOH) die besten Abtrennergebnisse erzielt werden konnten. Entsprechende Massen wurden zur vertiefenden Untersuchung im Feldtest ausgewählt.

Um die Praxistauglichkeit des Verfahrens in einem fünfmonatigen Feldtest an einer realen Biogaseinspeiseanlage zu untersuchen, wurde  ein Demonstrator konzipiert, ausgelegt und in einem mobilen Labor integriert. Kernstück des Demonstrators sind zwei mit Eisenmasse befüllte Edelstahladsorberkolonnen, welche wechselseitig mit Rohbiogas (Entschwefelung) und Biomethan (Sauerstoffentfernung) durchströmt werden. Die verfahrenstechnische Einbindung in die Biogasaufbereitungsanlage ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3:	Verfahrenstechnische Einbindung der Gasreinigungsstufen in eine Biogasaufbereitungsanlage
Abbildung 3: Verfahrenstechnische Einbindung der Gasreinigungsstufen in eine Biogasaufbereitungsanlage

Die Anlage wurde in die Biogasanlage eingebunden und autonom betrieben. Zusätzlich verfügt sie über umfangreiche MSR-Technik zur Prozessüberwachung und -steuerung per Fernzugriff via LTE. Einen Eindruck der Versuchsanlage im mobilen Labor vermitteln Abbildung 4 und Abbildung 5.

 



Abbildung 4:  Mobiles Labor am Aufstellort der Biogaseinspeiseanlage


Abbildung 5:  Demonstrator zur kombinierten Entfernung von Schwefel-wasserstoff und Sauerstoff aus Biogas

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass im Feldtest die Versuchsreihen zur zyklischen Beschwefelung und Regeneration erfolgreich verliefen und die Eignung des O2-Phy- Verfahrens zur Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte für Sauerstoff nachgewiesen wurden.

Das FuE-Vorhaben „O2-Phy“ (FKZ: MF160046) wurde über die EuroNorm GmbH im Rahmen des Förderprogramms zur „FuE-Förderung gemeinnütziger externer Industrieforschungseinrichtungen in Ostdeutschland – Innovationskompetenz Ost (INNO-KOM-Ost) – Modul Marktorientierte Forschung und Entwicklung (MF)“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die DBI - Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg bedankt sich für die finanzielle Unterstützung. Des Weiteren danken wir der DREWAG – Stadtwerke Dresden GmbH, die den Feldtest an ihrer Biogaseinspeiseanlage ermöglichte.

Die vollständige Pressemitteilung können Sie hier herunterladen.

Kontakt

Ronny Erler
Fachgebietsleiter Energieversorgungssysteme
DBI - Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg
Telefon: +49 3731 4195-328
E-Mail:   kontakt[at]dbi-gruppe.de

 


 

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