VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ERZEUGUNG EINES METHANHALTIGEN ERDGASSUBSTITUTS

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines methanhaltigen Erdgassubstituts aus einem kohlen- oxidhaltigen Einsatzgas sowie auf ein mit einer derartigen Vorrichtung ausgerüstetes Energieversorgungssystem.

Unter Erdgassubstitut, abgekürzt SNG (Substitute Natural Gas), werden Gase verstanden, die zusätzlich zu oder anstelle von Erdgas verwendet werden können und dazu insbesondere in vorhandene Erdgas- bzw. Gasversorgungsnetze eingespeist werden können. Für eine solche Ein- Speisung müssen die Gase bestimmte Anforderungen erfüllen, die in zugehörigen Regeln und Vorschriften definiert bzw. standardisiert sind. So definieren beispielsweise die technischen Regeln der DVGW (Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e.V.) in den Arbeitsblättern G 260„Gasbeschaffenheit" und G 262„Nutzung von Gasen aus re- generativen Quellen in der öffentlichen Gasversorgung" die Anforderungen an Brenngase, die zur öffentlichen Gasversorgung genutzt werden. Dabei werden im Wesentlichen vier Gastypen unterschieden. Grundgase sind die in einem Versorgungsgebiet üblicherweise verteilten Gase. Konditionierungsgase sind Gase oder Gasgemische, die zur Einstellung brenntechnischer Kenndaten dem Grundgas bzw. dem einzuspeisenden Gas zugemischt werden. Zusatzgase sind Gase bzw. Gasgemische, die sich in Zusammensetzung und brenntechnischen Kenndaten wesentlich vom Grundgas unterscheiden und letzterem in begrenzter Menge zugesetzt werden können. Austauschgase sind Gase bzw. Gasgemische, die trotz einer vom Grundgas abweichenden Zusammensetzung und ggf. abweichenden Kenndaten bei gleichem Gasdruck und Geräteeinstellung ein gleichartiges Brennverhalten wie das Grundgas aufweisen und daher anstelle des Grundgases eingesetzt werden können. Austauschgas ist gegenüber Zusatzgas aufgrund der größeren Flexibilität im Hinblick auf die einspeisbaren Mengen von Vorteil, das einzuspeisende Gas muss dann jedoch strengere Qualitätsanforderungen erfüllen. Zu den wichtigsten brenntechnischen Kenndaten von Erdgas bzw. Erdgassubstitut ge- hört der sogenannte Wobbe-Index (kWh/m ³ _N orm), der beispielsweise für Erdgas niedrigerer Qualität (Gruppe L-Gas) zwischen etwa 10,5 bis 13,0 und für Gas höherer Qualität (Gruppe H-Gas) zwischen etwa 12,8 und 15,7 liegt. Eine in jüngster Zeit immer wichtiger werdende Quelle für Erdgassubstitut ist Biomasse, aus deren Umsetzung methanreiches Gas gewonnen werden kann, das als Erdgassubstitut eingesetzt werden kann. Die Biomasseumsetzung erfolgt typischerweise entweder durch eine thermo- chemische Vergasungsreaktion, die ein sogenanntes Synthesegas lie- fert, das die Hauptbestandteile Wasserstoff (H ₂ ), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2) enthält und durch Methanisierung in CH ₄ konvertiert werden kann, oder durch Biogasanlagen, die ein im Wesentlichen aus CO2 und Methan (CH ₄ ) bestehendes Produktgas liefern. Es wurde bereits verschiedentlich vorgeschlagen, regenerativ erzeugte elektrische Energie, die z.B. in Form von Wind- und Sonnenenergie mit merklicher zeitlicher Fluktuation anfällt, bei der Erzeugung von Erdgassubstitut einzusetzen, um sie auf diese Weise als chemische Energie zu speichern. Dazu wird mit der erzeugten elektrischen Energie eine Was- serstofferzeugungseinrichtung, z.B. eine Wasserelektrolyseanlage, betrieben und der von dieser erzeugte Wasserstoff zusammen mit einem C0 ₂ -haltigen Gas, das z.B. aus einer Biomasseumsetzung stammt, einer Methanisierungsreaktion unterzogen, aus deren Produktgas me- thanhaltiges Erdgassubstitut gewonnen werden kann. In der Offenle- gungsschrift WO 2010/1 15983 A1 der Anmelderin wird ein Energieversorgungssystem offenbart, mit dem auf diese Weise ein Zusatzgas oder Austauschgas in einer variabel vorgebbaren, zur Einspeisung in ein Gasversorgungsnetz geeigneten Zusatz-/Austauschgasqualität bereitgestellt und genutzt wird.

In dem Zeitschriftenaufsatz M. Gassner et al., Integrated design of a gas Separation System for the Upgrade of crude SNG with membranes, Chemical Engineering and Processing 48 (2009), Seite 1391 bis 1404 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines me- thanhaltigen Erdgassubstituts aus einer Methansynthese eines durch thermochemische Biomassevergasung gewonnenen Gases mit durch eine Elektrolyse gewonnenem Wasserstoff offenbart. Dabei wird das Produktgas aus der Methansynthese in einer einstufigen oder mehrstufigen Gasabtrenneinrichtung zum Erdgassubstitut aufbereitet, insbesondere hinsichtlich einer Abtrennung des im dortigen Produktgas der Me- thanisierungsreaktion enthaltenen CO ₂ . Das Permeatgas aus der Gas- abtrennung wird einem Verbrennungsprozess zugeführt. Ähnlich wird in dem Zeitschriftenaufsatz M. Gassner und F. Marechal, Combined mass and energy Integration in process design at the example of membrane- based gas Separation Systems, Computers and Chemical Engineering, 2010 eine Methansynthese eines durch thermochemische Vergasung von Biomasse gewonnenen Gases mit anschließender ein- oder mehrstufiger Gasabtrennung vorgeschlagen, um mit dem Retentatgas der Gasabtrennung methanreiches Erdgassubstitut bereitzustellen, wobei die Methansynthese in diesem Fall ohne extern zugeführten Wasserstoff durchgeführt wird und wasserstoffhaltiges Permeatgas aus der Gasab- trennung optional zur Eingangsseite der Methansynthese rückgeführt und dem Produktgas der thermochemischen Biomassevergasung zugeführt wird. Für die Zusammensetzung des Produktgases aus der thermochemischen Biomassevergasung als Einsatzgas für die Methanisie- rungsreaktion sind ein Gehalt von 27% bis 42% H ₂ , 18% bis 38% C0 ₂ , 15% bis 28% CO und 9% bis 12% CH ₄ angegeben (alle Angaben in Volumenprozent). Dies bedeutet, dass beim dort umgesetzten Einsatzgas der Wasserstoffanteil in einem stark unterstöchiometrischen Bereich bezogen auf den Gehalt an Kohlenoxiden, d.h. CO und CO ₂ , liegt. Die Methanisierungsreaktion wird häufig als„chemische" Methanisierung durchgeführt und dazu katalytisch unterstützt, wobei verschiedene Katalysatormaterialien gängig sind, wie Nickel (Ni), Ruthenium (Ru), Eisen (Fe), Kobalt (Co), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Platin (Pt) und Iridium (Ir). Die Methanisierungskatalysatoren sind verschiedenen Deaktivie- rungsmechanismen unterworfen, insbesondere thermischer Sinterung, Kohlenstoffablagerung, Oxidation und Vergiftung durch Schwefel Verbindungen, d.h. Sulfidbildung. Zur Vermeidung von thermischer Sinterung ist darauf zu achten, eine gewisse Katalysator-Maximaltemperatur im Betrieb nicht zu überschreiten. Kohlenstoffablagerungen bilden sich u.a. auf Basis der Boudouard-Reaktion und führen u.a. zu einem sogenannten Fouling der Katalysatoroberfläche, zum Blockieren von Poren und Hohlräumen des Katalysators und zur physikalischen Zerstörung des Katalysatorträgermaterials, für das üblicherweise ein Metalloxid, z.B. Aluminiumoxid, Kieselerde oder Kalkstein verwendet wird.

Alternativ kann die Methanisierungsreaktion als„biologische" Methanisierung durchgeführt werden, die eine Umsetzung von CO ₂ mit H ₂ durch Bakterien in einem entsprechenden biochemischen Reaktor bei Temperaturen von typischerweise weniger als 70°C beinhaltet.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art sowie eines entsprechenden Energieversorgungssystems zugrunde, mit denen sich in gegenüber dem oben erläuterten Stand der Technik verbesserter Weise ein methanhaltiges Erdgassubstitut aus einem kohlenoxidhaltigen Einsatzgas gewinnen und nutzen lässt, beispielweise unter Einsatz von regenerativ erzeugter elektrischer Energie und/oder von Biomasse.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie eines Energieversorgungssystems mit den Merkmalen des Anspruchs 10.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Einsatzgas einer chemi- sehen oder biologischen Methanisierungsreaktion unterzogen und das daraus gewonnene Produktgas mittels Gasabtrennung in ein methanhal- tiges, das Erdgassubstitut lieferndes Retentatgas und ein wasserstoff- haltiges Permeatgas aufgeteilt. Wenigstens ein Teil des Permeatgases wird zum Einsatzgas rückgeführt und diesem unter Bildung eines ent- sprechenden Eduktgases für die Methanisierungsreaktion beigemischt. Charakteristischerweise wird für die Methanisierungsreaktion ein übers- töchiometrischer Wasserstoffanteil im Eduktgas eingestellt.

Es zeigt sich, dass die Einstellung eines überstöchiometrischen Was- serstoffanteils im Eduktgas für die Methanisierungsreaktion wesentliche Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Methanisierungsbetrieb mit un- terstöchiometrischem oder allenfalls knapp stöchiometrischem Wasserstoffanteil hat, speziell hinsichtlich hohem Umsatzgrad der im Einsatzgas enthaltenen Kohlenoxide, insbesondere CO ₂ und CO, und hinsicht- lieh Reduzierung von Deaktivierungseffekten eines im Methanisierungs- reaktor üblicherweise enthaltenen Katalysatormaterials. So können durch den vergleichweise hohen Wasserstoffanteil im Eduktgas die Kohlenoxide praktisch vollständig in Methan umgesetzt werden und es kann ein Kühleffekt im Methanisierungsreaktor zur Vermeidung bzw. Ab- Schwächung von Temperaturspitzen, den sogenannten Hot-Spots, bewirkt werden. Zudem wird ein inhärent sicherer Betrieb der Methanisie- rung bezüglich der verschiedenen Katalysator-Deaktivierungseffekte erzielt, wie Reduzierung bzw. Vermeidung von Kohlenstoffablagerungen sowie von Sulfidbildung, Oxidationsprozessen und thermischer Sinte- rung des Katalysatormaterials.

Der bei der Methanisierung nicht umgesetzte Wasserstoff wird als Bestandteil des Permeatgases durch die Gasabtrennung vom Retentatgas abgetrennt. Letzteres enthält das erzeugte Methan als Hauptbestandteil und liefert direkt oder nach weiterer Gasaufbereitung das gewünschte Erdgassubstitut. Je nach Erfordernis kann das so erzeugte Erdgassub- stitut in Zusatzgasqualität oder Austauschgasqualität bereitgestellt wer- den, zum Beispiel zur Einspeisung in ein öffentliches Gasversorgungsnetz. Durch die Rückführung des Permeatgases kann der darin enthaltene, nicht umgesetzte Wasserstoff wieder der Methanisierungsreaktion zugeführt werden. Die Methanisierung von CO und CO2 mittels H ₂ zu Methan (CH ₄ ) und Wasser (H ₂ O) verläuft primär gemäß den folgenden Methanisierungsre- aktionen:

3 H ₂ + CO ^ CH ₄ + H2O AH _R ° = -206,4 kJ/mol (Gl. 1 ) 4 H ₂ + C0 ₂ ^ CH ₄ + 2 H2O AH _R ° = -164,9 kJ/mol. (Gl. 2)

Die beiden Methanisierungsreaktionen sind durch die Shift-Reaktion

CO + H ₂ O ^ H ₂ + CO ₂ AHR° = -41 ,5 kJ/mol (Gl. 3) miteinander gekoppelt. Aufgrund der stark exothermen und volumenreduzierenden Hydrierung von CO und CO2 laufen die Reaktionen bevor- zugt bei niedrigen Temperaturen z.B. zwischen 180°C und 350°C und hohen Drücken ab. Die betragsmäßig große Reaktionsenthalpie (AH _R °) der CO-Methanisierung indiziert einen nahezu vollständigen Umsatz bei mäßigen Temperaturen, wodurch die Rückreaktion quasi vernachlässigt werden kann. Die CO2-Methanisierung erfolgt überwiegend in zwei Schritten, dem CO-Retroshift und der anschließenden CO-Hydrierung, evtl. auch durch eine direkte Methanisierung

Der erfindungsgemäß überstöchiometrische Wasserstoffanteil im Edukt- gas verschiebt die obigen Reaktionen jeweils in Richtung der wasser- stofffreien Seite, d.h. die beiden Methanisierungsreaktionen nach rechts, und damit in Richtung erhöhtem Kohlenoxidumsatz. Gleichzeitig werden durch den vergleichsweise hohen Wasserstoffanteil im Eduktgas die nachfolgenden, katalysatorrelevanten Reaktionsgleichungen so verschoben, dass die für die Katalysatordeaktivierung primär verantwortlichen Effekte wie Kohlenstoffbildung und Metall-Sulfidbildung reduziert werden:

C+ 2 H ₂ -» CH ₄ (Gl. 4)

C + C0 ₂ -» 2CO (Gl. 5)

C + H ₂ 0 -» CO + H ₂ (Gl. 6)

NiS + H ₂ Ni + H ₂ S (Gl. 7) Ni ₃ S ₂ + 2 H ₂ ^ 3 Ni + 2 H ₂ S (Gl. 8)

NiO + H ₂ -» Ni + H ₂ O (Gl. 9)

Dabei werden die Reaktionen gemäß den obigen Gleichungen 5 und 6 von der Reaktion gemäß der obigen Gleichung 1 gefolgt. In den obigen Gleichungen 7 bis 9 wurde stellvertretend für andere einsetzbare, her- kömmliche Katalysatormaterialien ein Nickel katalysator betrachtet.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Stöchiometriefaktor des Eduktgases, definiert als Verhältnis der Anteilsdifferenz von Wasserstoff und Kohlendioxid zur Anteilssumme von Kohlenmonoxid und Kohlendi- oxid, im Bereich größer drei und kleiner gleich fünfzehn gehalten. Bei dieser Definition hat der Stöchiometriefaktor bei stöchiometrischer Wasserstoffmenge den Wert 3, bei doppelt so hoher Wasserstoffmenge den Wert 7 und bei dreifach so hoher Wasserstoffmenge den Wert 1 1 , jeweils bezogen auf den Fall der CO ₂ -Umsetzung und CO ₂ -Menge.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 3 umfasst verschiedene mögliche vorteilhafte Varianten für die Einstellung des überstöchiometrischen Wasserstoffanteils für die Me- thanisierungsreaktion. Dazu werden ein oder mehrere ausgewählte Ver- fahrensparameter gemessen und abhängig davon ein oder mehrere Verfahrensparameter geeignet eingestellt. Bei den Messgrößen kann es sich insbesondere um Druck, Temperatur und Volumenstrom bzw. Menge der beteiligten Gase und um die Ermittlung eines Druck- und/oder Temperaturprofils im Methanisierungsreaktor handeln. Bei den davon abhängig eingestellten Verfahrensparametern kann es sich insbesondere um die Menge an zugeführtem Einsatzgas und/oder Permeatgas, den Wasserstoffanteil im Einsatzgas, den Druck im Methanisierungsreaktor und/oder den für die Gasabtrennung gewählten Differenzdruck handeln.

So kann in einer dieser Varianten vorteilhaft die Beimischung des was- serstoffhaltigen Permeatgases zum Einsatzgas abhängig von einem vorgegebenen C0 ₂ /CO-Gasvolumenstrom des Einsatzgases und einer vorgegebenen Druckdifferenz von Retentatgas und Permeatgas auf die Erzielung eines vorgegebenen C0 ₂ /CO-Mindestumsatzes geregelt werden. Dabei gewährleistet die Rückführung einer ausreichenden Menge des wasserstoffhaltigen Permeatgases die Einhaltung eines überstöchi- ometrischen Wasserstoffanteils im Eduktgas. Eine weitere Variante eignet sich in Ausgestaltung der Erfindung für Anwendungen, bei denen als Einsatzgas eine Mischung ein an Kohlenoxid, d.h. CO2 und/oder CO, reichen Gases und eines Wasserstoffgases verwendet wird. Dies ist beispielsweise in Systemen der Fall, bei denen das CO ₂ /CO-reiche Gas aus einer Biomasseumsetzung stammt und ihm in einer Wasserelektrolyseanlage mit regenerativem elektrischem Strom erzeugter Wasserstoff beigemischt wird. Bei derartigen Anwendungen kann das Wasserstoffgas dem CO ₂ /CO-reichen Gas abhängig von der Menge und/oder der Zusammensetzung des CO ₂ /CO-reichen Gases und abhängig von der Menge und/oder der Zusammensetzung des rückgeführten Permeatgases zudosiert werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Methanisierungsreaktor auf das Auftreten einer Katalysator-Deaktivierung und/oder einer Hot- Spot-Verschiebung überwacht, und bei erkannter Katalysator-Deakti- vierung bzw. Hot-Spot-Verschiebung wird der Gasdruck im Methanisie- rungsreaktor und/oder ein Wasserdampfanteil im Eduktgas erhöht und/oder die Reaktor-Temperatur angepasst, d.h. je nach System und Anwendungsfall erhöht oder erniedrigt. In einer dieser Ausführungsvarianten wird der Druck und/oder die Temperatur im Methanisierungsreak- tor an mehreren in Gasströmungsrichtung hintereinander angeordneten Messstellen gemessen, und anhand des entsprechenden Druck- /Temperaturprofils wird das Auftreten einer Hot-Spot-Verschiebung er- kannt, die insbesondere durch eine zunehmende Katalysatordeaktivie- rung verursacht sein kann. Diesem Effekt kann dann durch die genannten Maßnahmen geeignet entgegengewirkt werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines methanhalti- gen Erdgassubstituts aus einem kohlenoxidhaltigen Einsatzgas umfasst außer einem Methanisierungsreaktor und einer nachgeschalteten Gasabtrenneinrichtung eine Permeatgasrückführung zur Eingangsseite des Methanisierungsreaktors sowie eine Steuer- oder Regeleinrichtung zur gesteuerten oder geregelten Einstellung eines überstöchiometrischen Wasserstoffanteils im Eduktgas für die Methanisierungsreaktion. Eine solche Steuer- oder Regeleinrichtung gewährleistet die Einhaltung des gewünschten, überstöchiometrischen Wasserstoffanteils im Eduktgas. Insbesondere weist die erfindungsgemäße Vorrichtung die erforderlichen Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf.

In Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung dazu auch geeignete Sensormittel auf, mit denen Messinformationen für die Steuer- oder Regeleinrichtung gewonnen werden. Abhängig von den zugeführten Messinformationen greift die Steuer- oder Regeleinrichtung über ent- sprechende Stellglieder in den Verfahrensprozess derart ein, dass der Wasserstoffanteil im Eduktgas auf einem gewünschten überstöchiometrischen Wert bleibt. Ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem ist mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines methanhaltigen Erd- gassubstituts ausgerüstet. Zusätzlich weist es eine Wasserstofferzeugungseinrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und eine Biomasse- Umsetzungsanlage oder eine andere, ein kohlenoxidhaltiges Gas liefernde C02/CO-Quelle auf. Diese liefern das Einsatzgas für die Methani- sierung als ein Gemisch von kohlenoxidhaltigem Gas und Wasserstoffgas. Die Wasserstofferzeugungseinrichtung kann z.B. in Form einer Wasserelektrolyseanlage mit regenerativ erzeugter elektrischer Energie betrieben werden. Dies stellt dann ein System dar, mit dem in vorteilhafter Weise mit hohem Wirkungsgrad aus Biomasse gewonnene oder anderweitig bereitstehende Kohlenoxide und regenerativ erzeugte elektrische Energie zur Gewinnung von Erdgassubstitut eingesetzt werden können.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichn dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Energieversorgungssystems mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines methanhaltigen Erdgassubstituts mit Methanisierungsreaktor und nachgeschalteter Gasabtrennung,

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer exemplarischen, mehrstufigen Realisierung der Gasabtrenneinrichtung von Fig. 1 ,

Fig. 3 ein Kennliniendiagramm zur Veranschaulichung einer Hot- Spot-Verschiebung im Methanisierungsreaktor von Fig. 1 und Fig. 4 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Erzeugung eines methanhaltigen Erdgassubstituts. Ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem ist mit seinen hier interessierenden Komponenten in Fig. 1 dargestellt. Das Energieversorgungssystem umfasst eine Biogasanlage 1 , die in herkömmlicher Weise ein C0 ₂ -reiches Produktgas G _B liefert, und eine Wasserstofferzeu- gungseinrichtung 2, die Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas G _H liefert und bei der es sich beispielsweise um eine Wasserelektrolyseanlage handeln kann, die mit regenerativ erzeugtem elektrischem Strom z.B. aus Windkraft- und/oder Photovoltaikanlagen betrieben wird. Diesen Komponenten ist als vorliegend primär interessierende Komponente ei- ne Vorrichtung 3 zur Erzeugung eines methanhaltigen Erdgassubstituts aus einem Einsatzgas E nachgeschaltet, das durch Zudosierung des Wasserstoffgases G _H aus der Wasserstofferzeugungseinrichtung 2 zum C0 ₂ -reichen Produktgas G _B der Biogasanlage 1 gebildet wird und somit CO ₂ und H ₂ als Hauptgasbestandteile neben etwaigen Minorkomponen- ten wie CH ₄ und H ₂ 0 beinhaltet. Auf die Vorrichtung 3 wird nachfolgend näher eingegangen, zu den übrigen Komponenten eines solchen Energieversorgungssystems kann für weitere Details z.B. auf die eingangs erwähnte WO 2010/1 15983 A1 verwiesen werden, deren Inhalt insoweit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.

Zentraler Bestandteil der Erdgassubstitut-Erzeugungsvorrichtung 3 ist ein Methanisierungsreaktor 4 herkömmlichen Aufbaus, dem das Einsatzgas E über eine eingangsseitige Einsatzgas-Dosiereinrichtung 5 zudosiert werden kann. Der Reaktor 4 kann einstufig ausgeführt sein oder aus mehreren, z.B. in einer Kaskade angeordneten Reaktoreinheiten aufgebaut sein. Dem Methanisierungsreaktor 4 ist ausgangsseitig eine Gasabtrenneinrichtung 6 nachgeschaltet, der somit eingangsseitig ein Produktgas G _M aus dem Methanisierungsreaktor 4 zugeführt wird. Dabei wird das Produktgas G _M des Methanisierungsreaktors 4 über einen Wärmetauscher 7 und einen Wasserabscheider 8 geführt, die über eine Bypassleitung 9 umgangen werden können, bevor es in die Gasabtrenneinrichtung 6 eintritt. Erfindungsgemäß wird der Methanisierungsreaktor 4 mit überstöchio- metrischem Wasserstoffanteil betrieben, was zur Folge hat, dass im Produktgas G _M des Methanisierungsreaktors 4 noch ein merklicher Wasserstoffanteil enthalten ist. Die Gasabtrenneinrichtung 6 ist dafür ausgelegt, diesen nicht umgesetzten Wasserstoff zusammen mit eventuell nicht umgesetztem Kohlenoxid, Wasser und etwaigen anderen Mi- norkomponenten als Permeatgas Gp abzutrennen und dadurch mit dem nichtabgetrennten Gas ein methanhaltiges Retentatgas G _R ZU liefern, das je nach Qualitätsanforderungen direkt oder mittels weiterer Gasauf- bereitung als Erdgassubstitut verwendet werden kann.

Die Gasabtrenneinrichtung 6 kann von irgendeinem der hierfür bekannten herkömmlichen Bauarten sein, insbesondere als einstufige oder mehrstufige Abtrenneinheit vom Membrantyp. Hierzu sind je nach An- forderungen unterschiedliche Membrantypen im Stand der Technik bekannt, worauf verwiesen werden kann, wie solche vom Schlauchmembrantyp, z.B. Rohrmodule und Kapillar-/Hohlfasermodule, und vom Flachmembrantyp, z.B. Plattenmodule und Wickelmodule. Fig. 2 zeigt stellvertretend für beliebige andere verwendbare, herkömmliche Gasabtrennmembraneinheiten eine dreistufige Gasabtrennmembraneinheit 6' mit drei bezüglich des Retentatgasstroms seriell hintereinander geschalteten Membranabtrennstufen 61 , 62, 63. Eine erste Membranabtrenneinheit 61 trennt vorwiegend Wasserstoff und Wasser- dampf aus dem zugeführten Produktgas G _M des Methanisierungsreaktors ab. Das Retentatgas aus dieser ersten Stufe 61 wird über ein Dosierventil 6 ₄ einer zweiten Membranabtrenneinheit 62 zugeführt, die speziell auf die Abtrennung von CO2 und CH ₄ ausgelegt ist. Das Permeatgas dieser mittleren Abtrennstufe 62 wird dem Permeatgas aus der ers- ten Stufe 61 zugegeben, was dann den gesamten Permeatgasstrom Gp dieser Gasmembranabtrenneinheit 6' bildet. Das Retentatgas der mittleren Stufe 62 wird einer dritten Stufe 63 zugeführt, in der eine Restabtrennung stattfindet, wobei das Permeatgas dieser letzten Stufe 63 über ei- nen Verdichter 6 ₅ zur Eingangsseite der mittleren Abtrennstufe 6 ₂ rückgeführt wird. Über ein weiteres Dosier-/Druckventil 6 _Θ wird das Retentat- gas der dritten Stufe 6 ₃ als Erdgassubstitut, d.h. SNG, abgegeben. Es versteht sich, dass wie gesagt beliebige andere Varianten von Gas- membranabtrenneinrichtungen mit einer, zwei oder mehr seriellen Abtrennstufen verwendet werden können, wobei je nach Anwendungsfall unterschiedliche Rückführungen von Permeatgas einer späteren Stufe zur Eingangsseite einer früheren Stufe vorgesehen sein können. Wieder auf Fig. 1 Bezug nehmend weist die Erdgassubstitut- Erzeugungsvorrichtung 3 eine Permeatgasrückführung 10 auf, durch die das Permeatgas Gp aus der Gasabtrenneinrichtung 6 zur Eingangsseite des Methanisierungsreaktors 4 rückgeführt und dort dem Einsatzgas E beigemischt wird, um ein entsprechendes Eduktgas G _E zur Einspeisung in den Methanisierungsreaktor 4 zu bilden. Zusätzlich kann über eine zugehörige Wassereinspeiseleitung 1 1 Wasserdampf für das Eduktgas G _E zudosiert werden. Nicht zur Rückführung benötigtes Permeatgas wird als sog. Purgegas G _PU abgeführt. Wie erwähnt, wird entsprechend einer erfindungsgemäßen Betriebsweise der Methanisierungsreaktor 4 mit überstöchiometrischem Wasserstoffanteil betrieben. Eine in Fig. 1 nur schematisch angedeutete Steueroder Regeleinrichtung 12 ist dazu vorgesehen, den Betrieb der Vorrichtung 3 so zu steuern bzw. zu regeln, dass für die Methanisierungsreakti- on ein solcher überstöchiometrischer Wasserstoff anteil im Eduktgas G _E bleibend beibehalten wird. Dazu gehören neben einer eigentlichen Steuer-/Regeleinheit die zugehörigen peripheren Komponenten wie Sensoren und Stellglieder. Dies ist dem Steuerungs-/Regelungs- fachmann geläufig und bedarf hier keiner näheren Erläuterungen, so dass vorliegend nur auf Besonderheiten im Zusammenhang mit der Erdgassubstitut-Erzeugungsvorrichtung 3 eingegangen wird. Zur Charakterisierung des überstöchiometrischen Wasserstoffanteils kann ein Stochiometriefaktor S definiert werden durch

S = ([H ₂ ]-[C02])/([CO]+[C02]) , d.h. der Stochiometriefaktor ist in diesem Fall definiert als Verhältnis der Anteilsdifferenz von Wasserstoff und Kohlendioxid zur Anteilssumme von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid im Eduktgas G E- Mit dieser Definition entspricht bezogen auf die C02-Menge ein stöchiometrischer Was- serstoffanteil einem Stochiometriefaktor S=3, für unterstöchiometrische Wasserstoffanteile liegt der Stochiometriefaktor S unterhalb von drei, für überstöchiometrische Wasserstoffanteile liegt er oberhalb von drei. Vorzugsweise wird er, wie schon weiter oben erwähnt, auf Werte im überstöchiometrischen Bereich größer drei eingestellt, typisch bis zu einem Stochiometriefaktor von fünfzehn. Wie aus der obigen Definition unmittelbar ersichtlich, kann der Stochiometriefaktor S und damit der Wasserstoffanteil im Eduktgas GE durch Variation der zudosierten Wasserstoffmenge und/oder der zugeführten Menge an Kohlenoxiden des Einsatzgases E verändert werden. Die Zudosierung von Wasserstoff ist bei der Vorrichtung 3 sowohl anhand des Wasserstoffgases GH aus der Wasserstofferzeugungseinrichtung 2 als auch anhand des wasserstoffhalti- gen, rückgeführten Permeatgases Gp variierbar.

In Fig . 1 sind einige vorliegend wichtige Stellglieder und Sensormittel explizit gezeigt, die mit der Steuer-/Regeleinrichtung 12 in Verbindung stehen, wobei in üblicher und daher hier nicht näher gezeigter Weise die Sensorausgangsinformationen einer Eingangsseite 1 2a der Steuer- /Regeleinrichtung 12 zugeführt werden und daraus abgeleitete Stellsignale von der Steuer-/Regeleinrichtung 12 über eine Ausgangsseite 1 2b an zugeordnete Stellglieder abgegeben werden.

So umfassen die Stellgliedmittel insbesondere die schon erwähnte Einsatzgas-Dosiereinrichtung 5 sowie eine Permeatgas-Dosiereinrichtung 13 und ein Retentatgas-Auslassventil 14. Die Sensormittel umfassen ein oder mehrere Eduktgas-Sensorelemente 15 zur Messung des Eduktgas- Volumenstroms und der Eduktgaszusammensetzung, d.h. der prozentualen Anteile der verschiedenen Eduktgaskomponenten, einen Permeat- gas-Drucksensor 16 und ein oder mehrere Retentatgas-Sensorelemente 17 zur Messung des Drucks, der Temperatur, des Volumenstroms und/oder der Zusammensetzung des Retentatgases G _R . Mit gestrichelten Linien ist symbolisiert, welche Stelleingriffe die Steuer- /Regeleinrichtung 12 an welchen Stellgliedern aufgrund welcher Sensor- Informationen vornimmt, wobei dies nur eine vereinfachende Illustration eines speziellen Beispiels ist und selbstverständlich andere Steuerungs- /Regelungsmaßnahmen realisierbar sind, wie dies der Fachmann versteht. Zusätzlich sind im Methanisierungsreaktor 4 mehrere Sensorelemente 18ι , I 8 ₂ , I 8 ₃ an in Gasströmungsrichtung hintereinander liegenden Messstellen angeordnet, mit denen jeweils der Gasdruck und/oder die Temperatur an der betreffenden Messstelle erfasst werden kann. Mit dieser Sensorelementanordnung 181 , I 82, I 83 ist die Steuer-/Regel- einrichtung 12 in der Lage, den Methanisierungsreaktor 4 auf eine etwaige Hot-Spot-Verschiebung hin zu überwachen und die Betriebsführung hinsichtlich Methanisierungsreaktion und Gasabtrennung dadurch an Alterungserscheinungen von im Methanisierungsreaktor 4 verwendetem Katalysatormaterial anzupassen bzw. derartige Katalysatoralterungser- scheinungen so gut wie möglich auszugleichen.

Dies wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert. Durch die Sensorelemente 181 , I 82, I 83 kann die Steuer-/Regeleinrichtung 12 ein Profil des Temperaturverlaufs im Methanisierungsreaktor 4 entlang des Reaktionsweges bzw. der Reaktorlänge ermitteln. Bekanntermaßen zeigt dieses Profil einen von der Eingangsseite aus zunächst stark ansteigenden und dann wieder allmählich abfallenden Temperaturverlauf mit einem als Hot-Spot bezeichneten Maximum aufgrund der exother- men Reaktionsenthalpie der im Methanisierungsreaktor 4 ablaufenden Reaktionen. Fig. 3 veranschaulicht ein entsprechendes Temperaturprofil zu drei verschiedenen Zeitpunkten, einem ersten Zeitpunkt ti mit noch nicht gealtertem Katalysatormaterial, einem Zeitpunkt t ₂ mit bereits et- was gealtertem Katalysatormaterial und einem Zeitpunkt t ₃ mit bereits stark gealtertem bzw. deaktiviertem Katalysatormaterial.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, verschiebt sich der Hot-Spot mit zunehmender Katalysatoralterung von der Reaktoreintrittsseite weg, und das Ma- ximum nimmt etwas ab. Diese Hot-Spot- Verschiebung basiert auf den weiter oben erläuterten Katalysatordeaktivierungsmechanismen und kann von der Steuer-/Regeleinrichtung 12 aufgrund der betreffenden Sensorinformationen erkannt werden. Die Steuer-/Regeleinrichtung ist dann in der Lage, geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten, um den Ef- fekten der Katalysatordeaktivierung entgegenzuwirken. So kann sie beispielsweise zur Aufrechterhaltung der Retentatgasqualitat bei erkannter nachlassender Katalysatoraktivität den Druck im Methanisierungsreaktor 4 erhöhen und/oder die Druckdifferenz zwischen Retentatgas G _R und Permeatgas Gp in der Gasabtrenneinrichtung 6 anheben, indem sie das Einsatzgas-Dosierventil 5 und/oder das Permeatgas-Dosierventil 13 und/oder das Retentatgas-Druckregelventil 14 entsprechend ansteuert. Dies erlaubt längere Betriebszeiten ohne Austausch des Katalysators, so dass Katalysatorbetriebszeiten von einigen Jahren ohne signifikante Verringerung der Retentatgasqualität möglich sind. Eine Katalysatorde- aktivierung aufgrund von Kohlenstoffablagerungen auf dem Katalysator kann z.B. anhand des damit einhergehenden Druckverlustes im Methanisierungsreaktor 4 erkannt werden. Als steuernde bzw. regelnde Gegenmaßnahme kann der Wasserdampfanteil im Eduktgas G _E erhöht werden, z.B. durch erhöhte Einspeisung über die Wasserzufuhrleitung 1 1.

Fig. 4 veranschaulicht eine Variante 3' der Vorrichtung 3 von Fig. 1 zur Erzeugung eines methanhaltigen Erdgassubstituts aus einem kohlen- oxidhaltigen Einsatzgas, wobei identische und funktionell äquivalente Elemente der Übersichtlichkeit halber mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und insoweit auf die obige Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen werden kann. Bei der Vorrichtung 3' von Fig. 4 wird das wasserstoffrei- che Permeatgas Gp über einen Injektor 19 angesaugt und dadurch dem Einsatzgas E beigemischt, das seinerseits aus einem C02-reichen Gas, wie z.B. dem Biogasanlagen-Produktgas G _B , und diesem zudosiertem Wasserstoffgas besteht. Das Retentatgas-Auslassventil 14 wird von einem Druckregler 17' der zugehörigen Steuer-/Regeleinrichtung gesteu- ert, und die Zudosierung von Wasserstoffgas zum C0 ₂ -reichen Gas wird über ein Dosierventil 20 durch einen Gasvolumenstrom- bzw. Massen- stromregler 16' der Steuer-/Regeleinrichtung abhängig vom gemessenen, angesaugten Permeatgas-Volumenstrom gesteuert. Bei dieser Systemauslegung liegt selbst bei stöchiometrischer Zudosierung des Wasserstoffgases über das Dosierventil 20 zum C0 ₂ -reichen Gas aufgrund des über den Injektor 19 zusätzlich zudosierten wasserstoffreichen Permeatgases Gp ein Eduktgas G _E mit überstöchiometri- schem Wasserstoffanteil vor. Der System-Prozessdruck kann in dieser Anlage über eine einfache Vor-Druckregelung konstant gehalten werden. Die H ₂ -Dosierung erfolgt im Verhältnis zur momentanen CO2- Dosierung, die als Leitgröße dient. Dabei wird das Dosierventil 20 abhängig von der über den Permeatgasstrom Gp injizierten Wasserstoffmenge so gesteuert, dass insgesamt der gewünschte überstöchiometri- sehe Wasserstoffanteil im Eduktgas G _E eingestellt bleibt.

Vorstehend wurde der Methanisierungsreaktor 4 primär in einer Auslegung zur Durchführung einer chemischen Methanisierung erläutert, das heißt als chemischer Reaktor zur katalysatorgestützten Umsetzung der Edukte, insbesondere CO2 mit H ₂ , in einem Temperaturbereich von vorzugsweise zwischen 180°C und 600°C. Alternativ kann der Methanisierungsreaktor 4 zur Durchführung einer biologischen Methanisierung als biochemischer Reaktor ausgeführt sein, der die Edukte, insbesondere CO ₂ mit H ₂ , durch Bakterien in einem Temperaturbereich von typischerweise weniger 70°C umsetzt. Für beide Reaktortypen kann als Edukt alternativ auch Biogas, das heißt CH ₄ und CO ₂ , zugeführt werden. Auch bei Durchführung der biologischen Methanisierung ist die Einstellung eines überstöchiometrischen Wasserstoffanteils im Eduktgas von Vorteil. Kohlendioxid reagiert nahezu quantitativ zu Methan. Aus dem Produktgas, bestehend aus dem Hauptanteil CH ₄ und dem im Überschuss zugegebenen H ₂ , ist der H ₂ -Anteil soweit abzutrennen, dass das Gas die Kriterien für die Gasnetzeinspeisung erfüllt. Diese Abtrennaufgabe ist einfacher durchzuführen als die Abtrennung von CO ₂ als nicht umgesetztes Eduktgas aus dem Produktgas. Im Eduktgas kann das Kohlendioxid in entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung wenigstens teilweise durch Kohlenmonoxid ersetzt sein. Wie die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele deutlich machen, ermöglicht die Erfindung in vorteilhafter Weise die Erzeugung eines me- thanhaltigen Erdgassubstituts aus einem kohlenoxidhaltigen Einsatzgas mit einer chemischen oder biologischen Methanisierungsreaktion, für die ein überstöchiometrischer Wasserstoffanteil im Eduktgas mittels geeig- neter Steuerung oder Regelung eingestellt wird. Damit lässt sich ein C0 ₂ /CO-reiches Einsatzgas nahezu vollständig umsetzen, und die Methanisierung kann bezüglich einer Katalysatordeaktivierung in einem inhärent sicheren Betrieb betrieben werden, d.h. entsprechenden Deakti- vierungseffekten kann durch geeignete Anpassung des Wasserstoffan- teils im Eduktgas der Methanisierungsreaktion entgegengewirkt werden. Zudem erfüllt der überstöchiometrisch zugeführte Wasserstoffanteil, der insbesondere mit dem rückgeführten Permeatgas zudosiert werden kann, einen Kühleffekt im Methanisierungsreaktor zur Vermeidung bzw. Abschwächung von Hot-Spot-Erscheinungen.