Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur begrenzten Anreicherung der Brenngasanteile, wie beispielsweise Methan, in Schwachgasen (z.B. Biogas, Deponiegas), durch CO ₂ -Abscheidung mit Membranen.

Bei herkömmlichen Biogasanlagen wird in der Regel auf eine Methananreicherung verzichtet; durchschnittliche Methangehalte von 50 bis 70 % sind für eine Verwertung des Biogases in Blockheizkraftwerken vollkommen ausreichend. Ist hingegen ein höherer Methangehalt erforderlich, wie etwa fü r d ie Biogas- Netzeinspeisung, stehen Verfahren wie die Druckwechseladsorption (PSA), die Druckwasserwäsche, die Gaswäsche, die Niederdruck-Membranabsorbtion, die Kryogene-Gastrennung oder die Gaspermeation mittels Membranen für eine Methan-Anreicherung zur Verfügung. Das letztgenannte Verfahren kann auch angewendet werden, wenn die Methankonzentration eines Schwachgases für eine motorische Verwertung nicht mehr ausreicht, beispielsweise bei einem Deponiegas in der Nachsorgephase.

Bei dem genannten Trennverfahren der Gaspermeation mittels Membranen wird die unterschiedliche Permeabilität der Gasbestandteile genutzt, so können CO ₂ - Moleküle die Membran schneller durchwandern als Methanmoleküle. Um den Trennvorgang zu beschleunigen, kann mit erhöhtem Druck gearbeitet werden. An der Hochdruckseite der Membran sammelt sich Methan an, während CO ₂ -Moleküle und auch geringe Mengen Methan durch die Membran permeieren.

Nachteilig bei Trennverfahren mittels Gaspermeation sind die Methanverluste aufgrund der durch die Membran durchtretenden Methanmoleküle. Dieser Effekt wird herkömmlich durch eine Serienschaltung mehrerer Membranen und die Rückführung der methanreicheren Teilströme vermieden. So kann die Membrantrennung gemäß der Fig. 1 zweistufig erfolgen, das heißt, das mit CO ₂ angereicherte Permeat eines ersten Membranmoduls wird als Feed 2 einem zweiten Membranmodul zugeführt. Dabei wird das Retentat 2 des zweiten Membranmoduls dem Feed des ersten Moduls beigemischt. Das Retentat 1 ist ein mit Methan angereichertes Schwachgas. Eine solche Serienschaltung mehrerer Membranen führt auf der einen Seite zu einer Erhöhung der Ausbeute, führt aber gleichzeitig auch zu einer Erhöhung der Investitions- und Betriebskosten.

Eine weitere Möglichkeit der Effizienzsteigerung bei der Verwertung von Schwachgasen beschreibt die DE 100 47 264 A1 . Dabei wird Verfahren zur Nutzung von methanhaltigem Biogas, insbesondere von Depon iegas und Biogas aus Vergärungsanlagen oder Faulprozessen auf Kläranlagen, vorgeschlagen, wobei das B iog as zu m Zwecke der Stromerzeug u ng ei nem Gasmotor e ines Gasmotor/Generatorsatzes zugeführt wird und das Biogas in einer dem Gasmotor vorgeschalteten Membrantrennanlage in zwei Gasströme getrennt wird, wobei der erste Gasstrom einen im Vergleich zur Biogaszusammensetzung höheren Methangehalt aufweist und als Brenngas zum Betrieb des Gasmotors genutzt wird und wobei der zweite mit CO ₂ angereicherte Gasstrom in den Deponiekörper oder Faulturm einer Kläranlage zurückgeführt wird. Eine derartige Rückführung ist allerdings nur in wenigen speziellen Anwendungen möglich bzw. sinnvoll.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine kostengünstige und wirtschaftliche Vorrichtung zur Anreicherung der Brenngasanteile in Schwachgasen bereitzustellen.

Die Aufgabe wird durch die Anreicherung von Brenngasanteilen, insbesondere Methan, in Eingangsgasen durch CO ₂ -Abscheidung mit Hilfe der Gaspermeation gelöst, wobei das Verfahren mindestens folgende Schritte umfasst:

— Beaufsch lag en m i nd esten s e i nes Gaspermeationsmod u l s e i ner Membrantrennanlage mit zugeführtem, vorzugsweise in einem Bioreaktor mikrobiell erzeugtem, Eingangsgas zur Teilabscheidung von CO ₂ aus dem Eingangsgas unter Ausnutzung des CO ₂ -Partialdruckgefälles zwischen dem Eingangsgas und der Umgebungsluft, wobei ein im Vergleich zum zugeführten Eingangsgas mit Methan angereichertes Produktgas mit weniger als 20 Vol.-% CO ₂ , vorzugsweise mit weniger als 18 Vol.-% CO ₂ , ganz besonders bevorzugt mit weniger als 15 Vol.-% CO ₂ , und ein im Vergleich zum zugeführ- ten Eingangsgas mit CO ₂ angereichertes Trenngas mit mindestens 4 Vol.-%

Methan, vorzugsweise mit mindestens 8 Vol.-% Methan, erhalten wird,

— energetische, insbesondere thermische, Nutzung des Trenngases durch dessen Nachverbrennung und

— Weiterleitung des mit Brenngasanteilen angereicherten Produktgases zu einer Gasnetzeinspeiseanlage mit direkt angeschlossenen Verbrauchern oder zu einer Gasaufbereitungsanlage zur Erzeugung einer angestrebten hohen Konzentration von Brenngasen bei gleichzeitig starker Reduktion des CO ₂ -Anteiles

Unter einem Eingangsgas wird im Sinne dieser Erfindung ein Schwachgas, vorzugsweise ein Biogas, ein Klärgas, ein Grubengas oder ein Deponiegas, mit einer Gaszusammensetzung von wenigstens 18 Vol.-% CO ₂ verstanden. Der Rest besteht im Wesentlichen aus Methan, Wasserdampf und Stickstoff.

Das verwendete Membranmaterial ist nicht durch das Verfahren bestimmt; es können hierbei beliebige geeignete Materialien verwendet werden, wie beispielsweise Celluloseacetat, Polysulfone, Silikone oder Polycarbonate usw. Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird beim Beaufschlagen des Gas- permeationsmoduls mit zugeführtem Eingangsgas das im Vergleich zum zugeführten Eingangsgas mit Methan angereicherte Produktgas als Retentat und das im Vergleich zum zugeführten Eingangsgas mit CO ₂ angereicherte Trenngas als Permeat erhalten. Dabei permeieren CO ₂ -Moleküle schneller durch die Membran als Methanmoleküle. Bei geeigneter Ausgestaltung der Membran ist alternativ auch eine Anreicherung von CO ₂ im Retentat und von Methan im Permeat einer Membrantrenneinheit möglich. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass lediglich eine Membran für die Teilabtrennung von CO ₂ erforderlich ist. Ein weiterer entscheidender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der vollständigen energetischen Ausnutzung des Eingangsgases bzw. Schwachgases. So können sowohl das Retentat, entweder unmittelbar oder nach weiterer Aufarbeitung, als auch das Permeat genutzt werden. Das CO ₂ -reiche Permeat wurde bisher lediglich entsorgt oder wieder zurückgeführt.

Zur Optimierung des Energieaufwandes und des apparativen Aufwandes wird nicht eine hohe Gasqualität des aufbereiteten Produktgases angestrebt, sondern nur eine Anreicherung auf die Qualitätsanforderungen der jeweiligen Anwendungen gewünscht. Hierzu wird bei der CO ₂ -Anreicherung das Partialdruckgefälle zwischen CO ₂ im Eingangsgas bzw. Schwachgas und der Umgebungsluft genutzt, um CO ₂ abzutrennen. Zur Reduzierung des Energieverbrauchs wird auf der Permeatseite der Membran ein Unterdruck erzeugt und/oder Spülgas, beispielsweise Luft, zugeführt. Das Partialdruckgefälle des CO ₂ über d ie Membran kann bei Bedarf durch Kompression des Schwachgases auf der Feedseite (Zufuhrseite des Eingangsgases in das Gaspermeationsmodul) vergrößert werden. Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sowohl durch einstufige wie auch durch mehrstufige Trennschritte bzw. Membranmodule durchgeführt werden.

Als Permeat soll vorzugsweise CO ₂ abgetrennt werden, wobei auch geringe Anteile anderer Gaskomponenten, wie beispielsweise Methan, abgetrennt werden. Das als Permeat entstehende Trenngas mit brennbaren Anteilen weist einen niedrigen Heizwert auf. Die Wärmenutzung des Trenngases der Membrantrennanlage kann durch Nachverbrennung in einer speziellen Brennkammer, einem Motor, einer Gasturbine oder einer Brennstoffzelle mit oder ohne Zumischung eines anderen Brennstoffes erfolgen oder durch Zumischung in einen anderen Verbrennungsprozess mit einem anderen Brennstoff. Die bei der Trenngasnutzung des Permeats entstehende Wärme Q ist die nutzbare Wärme, die in unmittelbarer Umgebung des Membranmoduls und der Biogasanlage anfällt und dort genutzt werden sollte, vorzugsweise zur Fermenterbeheizung einer Biogasanlage. Für eine derartige Nutzung des Trenngases ist ein Mindestgehalt von 4 Vol.-% Methan, vorzugsweise 8 Vol.-% Methan, erforderlich.

Die beschriebene Gastrennung mit Membran und die Wärmenutzung aus der Nachverbrennung des Trenngases bzw. Permeatgases der Membrantrennanlage soll vorzugsweise eingesetzt werden, um mit einfachem apparativem Aufwand und geringem Energieaufwand eine Verbesserung der Produktgasqualität unter Nutzung der vorhandenen Partialdruckdifferenz des CO ₂ zwischen Eingangsgas und Umgebungsluft zu erreichen. Die Entfernung von Kohlendioxid aus Eingangsgasen soll hierbei durch eine Membran erfolgen. Damit verbunden ist die begrenzte Anreicherung der brennbaren Gasanteile wie Methan in Produktgasen, wobei bei der CO ₂ -Abscheidung das Feed-Gas komprimiert wird und auf der Permeatseite ein Unterdruck erzeugt wird oder Luft oder Abgase als Spülgas auf der Permeatseite eingesetzt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Gastrennung mit Membran und die Wärmenutzung aus der Nachverbrennung des Trenngases genutzt, um ein Produktgas für ein Gasnetz zu erzeugen, das in handelsüblichen Heizungsbrennern und Kochfeldern ohne Umrüstung verbrannt werden kann. Die Anford eru ng en a n d era rtig e H e izu ng s bren n er u nd Kochfel d er, a l so Haushaltsgeräte, sind im Allgemeinen höher als an Gasmotoren eines Kraftwerks, insbesondere vertragen erstere weniger CO ₂ . Deshalb ist ein Maximalanteil von Kohlendioxid zu unterschreiten. Das vorliegende Verfahren kann also zur CO ₂ - Abreicherung und Aufbereitung des Eingangsgases unter Bereitstellung eines Produktgases mit einer Gasqualität, die die Verbrennung in handelsüblichen Heizungsbrennern und Kochfeldern problemlos zulässt, eingesetzt werden. Dazu muss der Kohlendioxidgehalt ausreichend weit reduziert werden. Das mit Methan angereicherte Produktgas sollte dabei weniger als 20 Vol.-% CO ₂ , vorzugsweise weniger als 18 Vol.-% CO ₂ und ganz besonders bevorzugt weniger als 15 Vol.-% CO ₂ enthalten. Das so aufbereitete Produktgas kann in dieser Qualität direkt in einem Gasnetz mit angeschlossenen Verbrauchern genutzt werden. Daraus ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass lediglich ein bereits verwertbares Produktgas zum Endverbraucher transportiert zu werden braucht. Es kann somit ein Effizienzgewinn gegenüber der Nutzung von Schwachgasen in einem Blockheizkraftwerk mit anschließender Übertragung von Wärme (mit damit verbundenen Verlusten) erreicht werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Gastrennung mittels Membran und die Wärmenutzung aus der Nachverbrennung des Trenngases genutzt, um durch Vorabscheidung von CO ₂ die Durchsatzkapazität für Produktgas in Gasaufbereitungsanlagen zu erhöhen, in denen hohe Qualitätsanforderungen von CO ₂ -Abscheidegraden und CO ₂ -Restgehalten w i e z . B . b e i d e r Erdgaseinspeisung erfüllt werden müssen . Somit kann das Verfahren zur Leistungserhöhung bestehender Gasaufbereitungsanlagen mit Kohlendioxidentfernung durch Vorschaltung genutzt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird durch die CO ₂ -Vorabscheidung an verteilten Biogasanlagen oder Schwachgasquellen der Leitungstransport zu einer zentralen Gasaufbereitungsanlage zu höherer Gasqualität erleichtert und gleichzeitig eine effiziente Wärmequelle für die Fermenterbeheizung der Biogasanlage durch die Wärmenutzung aus der Nachverbrennung des Trenngases der Membrantrennanlage in Kraft-Wärme-Kopplung ermöglicht. Durch die Vorreinigung wird also insbesondere eine Volumenreduktion von Schwachgas aus dezentralen Biogasanlagen oder anderen Schwachgasquellen erreicht und der Weitertransport der Produktgase in Gasleitungen zu einer zentralen Gasaufbereitung vereinfacht.

Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung des Verfahrens wird durch eine variable CO ₂ -Abscheidung aus dem Schwachgas der Bereich der zumischbaren Flüssiggasmenge in einem Produktgasnetz mit Flüssiggaszumischung und direkter Nutzung zur Verbrennung in handelsüblichen Heizungsbrennern vergrößert ohne die zulässigen Grenzen der Gasqualitäten, wie beispielsweise Brennwert und Wobbe-Index, zu überschreiten. Dabei können die Variationsmöglichkeiten in der CO ₂ -Abtrennrate zur Erzeugung einer gleich bleibenden Gasqualität von Brenngasen bei schwankenden Mengen von beigemischtem Flüssiggas (LPG Liquified Petroleum Gas) - d.h. Propan, Butan und deren Gemische - Flüssigerdgas (LNG Liquefied Natural Gas) oder Flüssigbiomethan genutzt werden.

Weiterhin ist auch eine Vorrichtung zur begrenzten Anreicherung von Brenngasanteilen, insbesondere Methan, in Schwachgasen durch CO ₂ -Abscheidung mit Hilfe der Gaspermeation nach dem genannten Verfahren Gegenstand der Erfindung, wobei

— einem Reaktor, vorzugsweise einem Reaktor zur m ikrobiellen Schwachgaserzeugung, eine Membrantrennanlage mit mindestens einem Gaspermeationsmodul nachgeschaltet ist,

— die Membrantrennanlage permeatseitig über eine Leitung mit einem geeigneten Mittel, vorzugsweise einer Brennkammer, einem Motor, einer Gasturbine oder einer Brennstoffzelle, zur Nachverbrennung des Permeatgases verbunden ist und

— die Membrantrennanlage retentatseitig über eine Leitung mit einer Gasaufbereitungsanlage oder mit einer Gasnetzeinspeiseanlage verbunden ist.

Die Vorrichtung wird bevorzugt zur Vorreinigung und Volumenreduktion von Schwachgas aus dezentralen Biogasanlagen oder anderen Schwachgasquellen vor der anschließenden Weiterleitung des Produktgases zu einer zentralen Gasaufbereitung oder zu einer Gasnetzeinspeiseanlage verwendet.

Weitere Vorteile und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vor- richtung ergeben sich aus den Patentansprüchen sowie aus den anhand der Zeichnungen nachfolgend beschriebenen und die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen Fig. 2 eine Abreicherung von CO ₂ im Biogas durch ein Membranmodul auf eine für handelsübliche Gasbrenner nutzbare Qualität,

Fig. 3 eine Vor-Abreicherung von CO ₂ aus Biogas durch ein Membranmodul zur Kapazitätserhöhung einer nachgeschalteten Biogasaufbereitung auf Erdgasqualität,

Fig. 4 eine Abreicherung von CO ₂ im Biogas als dezentrale Vorstufe in verteilten

Biogasanlagen vor einer zentralen Biogasaufbereitung und

Fig. 5 eine flexible Abreicherung von CO ₂ im Biogas durch Membrane zur Anpassung der Gasqualität im Biogasnetz in Abhängigkeit der Last und Flüssig- gaszumischung.

Fig. 2 zeigt eine Abreicherung von CO ₂ im Biogas A durch ein Membranmodul 1 auf eine für handelsübliche Gasbrenner nutzbare Qualität. In einem Biogasnetz E mit Methan-angereichertem Produktgas, h ier m it d em Biogas B, soll dabei eine Gasqualität erreicht werden, mit der handelsübliche Heizgeräte von Verbrauchern 1 bis N betrieben werden können. Dazu muss der CO ₂ -Anteil im Biogasnetz E auf einen für diese Heizgeräte geeigneten Wert reduziert werden . Die hierzu erforderlichen CO ₂ -Abtrennraten werden durch Membranabtrennung in einem Membranmodul 1 erreicht. Das Partialdruckgefälle des CO ₂ über die Membran kann bei Bedarf durch Kompression des Biogases A auf der Feedseite mittels eines Kompressors 2 vergrößert werden. Auf der Permeatseite der Membran des Membranmoduls 1 wird Luft G als Spülgas zugeführt. Das CO ₂ -reiche Trenngas C wird der Trenngasnutzung 4 zugeführt. Mit Hilfe einer Vakuumpumpe 3 kann der Trennvorgang im Membranmodul 1 unterstützt werden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung wird im Falle von Biogas die Gastrennung mit einer Membran in der Nähe einer Biogasanlage, in der das Biogas A erzeugt wurde, aufgestellt, so dass eine Nutzung der Wärme Q aus der Trenngasnutzung 4, beispielweise einer Nachverbrennung, des Trenngases C der Membrantrennanlage 1 für die Fermenterbeheizung möglich ist. Zur Trenngasnutzung 4 kann dazu optiona l ei n Zusatzbren nstoff F m it verwendet werden . Das be i d e r Trenngasnutzung 4 entstehende CO ₂ -reiche Abgas wird über d ie Leitung D abgeführt. Alternativ oder zusätzlich kann neben der Wärme Q auch weitere Energie P, beispielsweise Elektrizität, produziert und abgeleitet werden.

Ein Vorteil ist der energetisch wesentlich effizientere Energietransport und die wesentlich billigeren Leitungen für das Produktgas B zum Verbraucher als bei einem Fernwärmetransport bei einer Nutzung des Produktgases in einem Blockheizkraftwerk. Auch der Aufwand für eine optional nachfolgende Aufbereitung auf höhere Gasqualität wird reduziert. Das mit Methan angereicherte Biogas B wird gemäß dieser Ausführungsvariante günstig der Gasnetzeinspeiseanlage 5 zugeführt, von wo aus dann die Verteilung des Biogases über ein Biogasnetz E zu den Verbrauchern 1 bis N erfolgt.

Gemäß Fig. 3 erfolgt eine Vor-Abreicherung von CO ₂ aus Biogas A durch ein Membranmodul 1 zur Kapazitätserhöhung einer nachgeschalteten Biogasaufbereitung 5' auf Erdgasqualität E'. Bei der Biogasaufbereitung 5' entsteht ein CO ₂ - reiches Abgas H. Durch Vorabscheidung von CO ₂ aus Schwachgas wird die für die endgültige Aufbereitung des Produktgases, beispielsweise des Biogases B, auf hohe Brenngasqualität abzutrennende CO ₂ -Menge reduziert. Dadurch kann in einer nachfolgenden Gasaufbereitung 5' nach der Vorabscheidung von CO ₂ mit Membran ein größeres Produktgasgasvolumen verarbeitet werden als ohne Vorabscheidung von CO ₂ . Gl eichzeitig wi rd der En erg ieaufwand d er letzten Stufe der Gasaufbereitung aufgrund der kleinren abzutrennenden CO ₂ -Menge reduziert. Da die CO ₂ -Abtrennnung mit Membran weder auf hohe Abtrennraten noch auf hohe Produktreinheiten ausgelegt wird, besteht durch die passende Anlagenauslegung ein Potenzial zur Energieeinsparung bei der Gasaufbereitung bis zur angestrebten Gasqualität.

Eine Abreicherung von CO ₂ im Biogas A1 , A2, An als dezentrale Vorstufe in verteilten Biogasanlagen (Biogasanlagen K1 , K2 bis Kn) vor einer zentralen Biogasaufbereitung 5" gemäß einer Ausführungsvariante ist in Fig. 4. dargestellt. Die Anlagenteile der Biogasanlagen K1 , K2 bis Kn sind mit den Zusätzen 1 , 2 bzw. n analog zu den Figuren 1 bis 3 bezeichnet. Durch Vorabscheidung von CO ₂ aus Schwachgas mit dem beschriebenen Verfahren mit Membran und Wärmenutzung aus der Nachverbrennung des Trenngases der Membrantrennanlage soll die erste Stufe der Gasaufbereitung von Schwachgas aus verteilten Biogasanlagen bzw. Schwachgasquellen durchgeführt werden. Das Produktgas B1 , B2 und Bn aus diesem ersten Aufbereitungsschritt mehrerer, verteilter Biogasanlagen bzw. Schwachgasquellen kann dann in einer Gasleitung mit geringerem Querschnitt zu einer großen, zentralen Gasaufbereitungsanlage 5" geleitet werden und dort auf die angestrebte hohe Gasqualität mit geringem CO ₂ -Anteil aufbereitet werden. Die Wärmenutzung Q1 , Q2 und Qn aus der Nachverbrennung des permeatseitigen Trenngases der Membrantrennanlage wird im Falle von Biogas direkt bei der Biogasanlage K1 , K2 bis Kn zur Fermenterbeheizung eingesetzt (symbolisiert jeweils durch den Pfeil ausgehend von Q1 , Q2 oder Qn zur Biogasanlage K1 , K2 oder Kn) und trägt damit zu einer effizienten Biogasnutzung bei.

Gemäß Fig. 5 erfolgt eine flexible Abreicherung von CO ₂ im Biogas A durch eine Membran zur Anpassung der Gasqualität im Biogasnetz E in Abhängigkeit der Last und Flüssiggaszumischung. In einem Gasnetz, in dem das Schwachgas unter anderem für die Wärmeerzeugung eingesetzt wird, entstehen unterschiedliche Lastanforderungen . Da eine Biogasanlage oder andere Schwachgasquellen nur beschränkt auf die Laständerung reagieren können, wird dem Produktgas Flüssiggas J beigemischt. Bei steigender Zumischung würde der Brennwert des Gasgemisches steigen und auch andere Gasqualitäten wie die Dichte sich ändern.

Um dies zu vermeiden und eine gleich bleibende Gasqualität im Biogasnetz E zu erreichen, kann durch die Verringerung der CO ₂ -Abtrennung im Membranmodul 1 ein gegenläufiger Effekt bei der Erzeugung des Gasgemisches erreicht werden. Durch die variable Anpassung der CO ₂ -Abtrennung im Membranmodul 1 kann ein möglichst großer Bereich von Lastfällen im Schwachgasnetz ermöglicht werden. Bezugszeichenliste:

A, A1 , A2, An Biogas

B, B1 , B2, Bn Methan-angereichertes Produktgas, Biogas

C Trenngas

D Leitung für CO ₂ -reiches Abgas

E Biogasnetz

E' Produktgas mit Erdgasqualität

F Zusatzbrennstoff

G Luft

H CO ₂ -reiches Abgas

J Flüssiggas

K1 , K2, Kn Biogasanlagen

Q, Q1 , Q2, Qn Wärme P weitere Energie

1 Membranmodul

2 Kompressors

3 Vakuumpumpe 4 Trenngasnutzung

5 Gasnetzeinspeiseanlage

5' nachgeschaltete Biogasaufbereitung

5" Biogasaufbereitung