Rapport final
(Allemand)
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Methan ist neben Kohlendioxid und Lachgas eines der bedeutendsten Klimagase. Zunehmend geraten daher anthropogene Prozesse, welche Methan in die Atmosphäre frei setzen können, ins Kreuzfeuer der Kritik. Dies ist auch der Fall, wenn das Freisetzungspotenzial für Methan ein rein theoretisches ist und die tatsächlichen Methanemissionen nicht nachgewiesen sind. Biogasanlagen, inklusive ihrer vorgelagerten und nachgelagerten Prozessschritte, gehören mit zu den Verfahren, welche dieser Kritik ausgesetzt sind.
Die Aufbereitung von Biogas zu Erdgasqualität und die Einspeisung von aufbereitetem Methan in bestehende Verteilernetze haben sich in letzter Zeit stark verbreitet. Die Prozesskette der Aufbereitung steht teilweise unter dem Verdacht, prozess- oder betriebsbedingt Methan in die Atmosphäre frei zu setzen (Methanschlupf; Restmethan). Übersteigen diese Methanverluste ein kritisches Mass, so ist die Klimaneutralität der gesamten Biogasprozesskette in Frage gestellt. In bisher in Betrieb stehenden grosstechnischen Anlagen zur Aufbereitung von Biogas wird der Methanverlust selten mit ausreichender Genauigkeit gemessen. Bilanzierungen über längere Betriebsperioden fehlen. Die verfügbare Datenlage ist daher unsicher, die Methanverluste grosstechnischer Anlagen werden mit 2% - 13% angegeben.
Vor diesem Hintergrund initiierte das Schweizerische Bundesamt für Energie BFE 2007 ein Projekt zur Bilanzierung der Methanverluste der Biogasaufbereitungsanlage der GALU in Emmen, Luzern. Mit der Projektleitung wurde die Fachgruppe Umweltbiotechnologie des Instituts für Biotechnologie der ZHAW beauftragt. Die analytischen Messungen erfolgten durch die Gruppe für Thermische Verfahrenstechnik des PSI. Die vorliegende Studie dokumentiert den aktuellen Stand der Technik der Biogasaufbereitung (Kapitel 2), beschreibt die durchgeführten Messkampagnen auf der grosstechnischen Anlage (Kapitel 3) und interpretiert die Resultate im Rahmen des Betriebes (Kapitel 4). Zusätzlich erfolgt eine Einordnung der bilanzierten Methanverluste im lokalen sowie im nationalen Umfeld (Kapitel 1).
Führend in der Installation und im Betrieb von Anlagen zur Biogasaufbereitung für die Gasnetzeinspeisung sind in Europa Schweden (über 30 Anlagen), Deutschland (ca. 12 Anlagen) und die Schweiz (ca. 15 Anlagen). Für die Netzeinspeisung gelten gegenüber der direkten Verbrennung und Verstromung von Biogas generell erhöhte Anforderungen. Die Schweiz regelt diese Anforderungen in der SVGW Richtlinie G13 [42]. Neben einem tiefen Sauerstoffgehalt unter 0.5 Vol.-% O2 und einer maximalen Konzentration an Schwefelwasserstoff von 5 mg H2S/m3N wird dabei ein minimaler Methangehalt von 96 Vol.% CH4 an der Einspeisestelle gefordert.
Die Abtrennung von Kohlendioxid stellt bei der Biogasaufbereitung klar den aufwändigsten Reinigungsschritt dar. Als Stand der Technik werden für diese Aufgabe sowohl trockene Druckwechseladsorptionsverfahren (PSA = Pressure Swing Adsorption) als auch nasse Absorptionsverfahren auf Wasser- oder Glykolbasis eingesetzt. In Entwicklung oder im technischen Vorstadium befinden sich zudem trockene und nasse Membrantrennverfahren, chemische Waschverfahren sowie kryogene Trennverfahren.
Die vorliegende Studie vermass die Methanfrachten der Druckwechseladsorptionsanlage der ARA Region Luzern (GALU) und bilanziert die Methanverluste im Bilanzzeitraum 2007. Die PSA-Anlage bereitet Biogas aus der anaeroben Faulung kommunaler Schlämme für die Einspeisung in das Erdgasnetz auf. Die Anlage ist für einen Volllastbetrieb von 90 m3N/h Reingas ausgelegt, sie verarbeitete während des Bilanzzeitraumes unter Teillast einen Reingastrom von ca. 70 m3N/h. Von der im 2007 insgesamt aufbereiteten Methanfracht von 260'000 m3N fallen 2.6% (6740 m3N) als Methanverlust an. Von dieser Menge fallen 88 % während der normalen Produktionsphase der PSA Anlage an. Lediglich 2 % resp. 10 % des Methanverlustes sind auf Anfahr- resp. Ausfahrprozesse zurück zu führen.
Im Vergleich zu den jährlichen Stromkosten der PSA Anlage von CHF 18'000.- schlägt dieser Methanverlust mit einer Gewinneinbusse von CHF 4'200.- zu Buche. Eine Minimierung der Methanverluste auf 0 – 1 % der Reingasfracht ist durch betriebliche und technische Massnahmen möglich, stösst jedoch an die Grenzen des ökonomisch Tragbaren.
Hochgerechnet auf die in der Schweiz aktuell pro Jahr aufbereitete und ins Gasnetz eingespiesene oder als Treibstoff genutzte Menge an Methan aus Biogas resultiert ein extrapolierter Methanschlupf von 2.6% in einer Gesamtemission von ca. 26 Tonnen CH4. Angewendet auf eine hypothetische vollumfängliche Aufbereitung und Einspeisung allen schweizweit produzierten Biogases ergibt dieser Verlustfaktor eine theoretische Gesamtemission von 1'300 Tonnen CH4 pro Jahr. Dies entspricht 0.49 % der anthropogenen Methanemissionen der Schweiz oder der kumulierten jährlichen Methanemission von ca. 16'000 Grossvieheinheiten (DGVE).
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Zürcher Hochschule fur Angewandte Wissenschaften, Dep. Life Sciences und Facility Management, IBT Institut fur Biotechnologie, Fachgruppe Umweltbiotechnologie
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Baum,Sebastian
Baier,Urs
Judex,Johannes
Biollaz,Serge
Schneebeli,Jorg
Documents annexés
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