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Nach Angaben der US-Umweltschutzbehörde (EPA) sind vier Treibhausgasverbindungen am häufigsten für das Phänomen der globalen Erwärmung verantwortlich: Kohlendioxid (CO₂), Distickstoffoxid (N₂O), fluorierte Gase und Methan (CH₄). Methan wird bei der Gewinnung und Verarbeitung von Kohle, Erdgas und Erdöl in die Atmosphäre emittiert. Die Blähungen von Vieh sind eine weitere Quelle für sichtbare Methanfreisetzung. Es wird angenommen, dass Methan unter diesen Gasen 10 Prozent zum gesamten atmosphärischen Treibhausgasvorkommen beiträgt. Weniger beachtet wird, dass Methan nicht nur ein Nebenprodukt der Energieerzeugung ist, sondern auch eine wachsende Quelle für die Stromerzeugung.
Organische Materialien können sowohl unter Sauerstoffanwesenheit als auch unter Sauerstoffabwesenheit zersetzt werden. Ob abgestorbene Bäume, herabgefallene Blätter, Tierkadaver, Lebensmittelabfälle, Vogelkot oder gemähtes Gras – all diese Substanzen zerfallen chemisch auf die eine oder andere Weise. Wenn dies ohne Sauerstoff geschieht, beginnen Bakterien, sie in Phasen abzubauen, sodass Methan ein Endprodukt ist. Diese Abfolge von Reaktionen wird als anaerobe Vergärung bezeichnet. Obwohl sie in der Natur stets vorkommt, kann die anaerobe Vergärung durch menschlichen Einfallsreichtum perfektioniert und beschleunigt werden. Abgeschlossene Tanks, die Substrat, d.h. das organische Material, aufnehmen, können die anaerobe Vergärung bewirken und sie in kürzerer Zeit als in der Natur zu ihrem gewünschten Abschluss bringen – der erneuerbaren Methanproduktion. Diese Systeme sind skalierbar gebaut, von einer Haushaltsanlage, die Kochbrennstoff liefert, bis hin zu einer großen Biomethananlage, die Kläranlagen oder öffentlichen Verkehrssystemen Strom zuführt.
Das bei der anaeroben Vergärung entstehende Biogas enthält nicht nur CH₄. Dementsprechend muss das Biogas gereinigt und von Verunreinigungen und schädlichen Verbindungen befreit werden. Zu diesen Verunreinigungen gehören Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Siloxane und flüchtige organische Verbindungen. Einige davon sind gefährlich für die individuelle und öffentliche Gesundheit sowie für die strukturelle Integrität von Rohrleitungen und Tanks. Andere Nicht-CH₄-Komponenten, wie CO₂ und Wasserdampf, reduzieren die Effizienz von Biogas als Energiequelle. Biogas wird mittels unzähliger Techniken gereinigt. Einige erfordern, dass die Verunreinigungen in flüssigen Lösungen absorbiert werden. Andere Methangaswäscher-Methoden verwenden feste Oberflächen aus Aktivkohle und anderen Elementen, um die unerwünschten Biogasbestandteile zu adsorbieren. Kühlung und Kondensation ermöglichen die Trennung der verschiedenen chemischen Komponenten voneinander. Membrantechnologien funktionieren ähnlich, indem sie die Verunreinigungen die Membran passieren lassen, während das Methan zurückgehalten wird.
Eine Endanwendung dieses raffinierten Biogases ist die Umwandlung in Elektrizität. Dies kann mit Brennstoffzellen erreicht werden, die die chemische Energie des Biogases nutzen, indem sie es in ihre negative Elektrode aufnehmen, während Luft in die positive Elektrode der Zelle eintritt. Die Gasmoleküle werden in Protonen und Elektronen getrennt; letztere fließen zur positiven Elektrode, wo Strom erzeugt wird. Ein weiteres Medium zur Stromerzeugung ist der Verbrennungsmotor: Hier treibt die Verbrennung von Biogas eine Turbine an, die Elektrizität erzeugt. Biomethan ist ein erneuerbares Erdgas, das – zusammen mit konventionell gewonnenem Erdgas – 26 Prozent des US-amerikanischen Stroms erzeugt.
Biomethan (von Biogas zu Methan) kann auch als Heiz-, Koch- und Fahrzeugkraftstoff verwendet werden. Laut der European Biogas Association ist Biomethan vollständig kompatibel mit Verbrennungsmotoren. Biomethan kann zu CNG oder LNG verdichtet oder verflüssigt werden. Von Autos, Nutzfahrzeugen und schwereren Lastwagen genutzt, ist Biomethan sogar für Boote, Schiffe und Eisenbahnlokomotiven in Planung. Gereinigtes Biogas ist ein passender Ersatz für Erdgas beim Heizen von Wohn- und Geschäftsgebäuden. Die kommunale Biomethanheizung ist in Orten wie Suderbyn, Schweden, bereits Realität. Jedes Haus muss daher nicht seine eigene Biogasanlage besitzen.
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