Durchflussmessung für die Umwandlung von Biogas in grünes Gas

Die Niederlande stehen vor der großen Aufgabe, sich hin zu einer nachhaltigen Gesellschaft zu entwickeln, mit wesentlich geringeren Emissionen des Treibhausgases Kohlendioxid, und das ohne Erdgas fossilen Ursprungs aus der Provinz Groningen (NL). Solarenergie und Windenergie werden eine noch wichtigere Rolle in der Stromerzeugung spielen und mit der Elektrifizierung der Gesellschaft einhergehen. Die Hanze University of Applied Sciences in Groningen führt Forschung durch und Durchflussinstrumente von Bronkhorst spielen dabei eine Rolle.

Die Rolle von Biogas im Rahmen der Energiewende

In der Energiewende spielt "grünes Gas" eine wichtige Rolle – dabei handelt es sich um Biogas, das für das niederländische Erdgasnetz aufbereitet wird. Eine Voraussetzung dafür ist, dass ausreichend davon zur Verfügung steht. Wir sprechen mit Gert Hofstede, einem Dozenten und Forscher an der Hanze University of Applied Sciences in Groningen, der sich intensiv mit diesem Thema befasst hat. Durchflussinstrumente spielen eine wichtige Rolle in seiner Forschung zur Aufbereitung von Biogas zu grünem Gas.

Biogas ist eine Mischung, die hauptsächlich aus Methan (CH4, 50-60%) und Kohlendioxid (CO2, 40-50%) besteht und durch die Fermentation (anaerobe Zersetzung) von organischer Biomasse wie Grünschnitt, obst- und gartenbaulichen Abfällen hergestellt wird. Biogas gilt als erneuerbare Energiequelle, da es aus organischen Abfällen produziert wird, aber zu viel Kohlendioxid für die praktische Verwendung enthält, um es beispielsweise dem Erdgasnetz beizumengen. Die Aufbereitung von Biogas zu grünem Gas erfolgt hauptsächlich durch Entfernen des darin enthaltenen Kohlendioxids, kann aber auch durch die Umwandlung des überschüssigen Kohlendioxids in Methan erfolgen. Wir fragen Gert, wie dies erreicht werden kann.

Biogas in grünes Gas umwandeln

'Meine Doktorarbeit handelt davon, Biomasse so effizient wie möglich abzubauen, um sie schließlich in Bioenergie umzuwandeln. Es gibt eine Fülle von Biomasse, aber mit einem Großteil davon können wir nichts anfangen. Meine Aufgabe besteht darin, Bioenergie aus diesen 'Resten' zu erzeugen. Biogas hat eine 'niedrige' Qualität, und wir möchten dieses Gas zu grünem Gas aufwerten. Dazu haben wir einen 'Trick' angewendet, indem wir einen Bioreaktor gebaut haben, dem wir grünen Wasserstoff zuführen. In dem Reaktor habe ich spezialisierte Mikroorganismen, die H2 und CO2 in Methan umwandeln (4H2+CO2 → CH4 +H2O). So erhalten Sie plötzlich viel mehr Methan (fast das Doppelte) aus derselben Menge Biomasse. Natürlich ist 'grüner' Wasserstoff, der durch Elektrolyse von Wasser mit Strom aus Sonne oder Wind erzeugt wird, am besten. Aber... wie kann Wasserstoff praktisch dem Bioreaktor zugeführt werden, sodass Sie genau wissen, wie viel Sie hinzufügen?'

'Die Aufwertung von Biogas bedeutet, den Methangehalt von nur 60% auf über 88-90% zu erhöhen, wonach die Qualität mit dem niederenergetischen niederländischen Erdgas kompatibel ist und in das Erdgasnetz eingespeist werden kann. Wenn Sie Wasserstoff direkt aus einer Gasflasche mit einem Druckventil in die Flüssigkeit einleiten, die die Mikroorganismen enthält, haben Sie keine Daten darüber, wie viel Sie tatsächlich hinzufügen. Darüber hinaus löst sich Wasserstoff schlecht in Wasser mit Biomasse bei 40°C und erreicht die Mikroorganismen nicht ordnungsgemäß, sodass es nicht funktioniert.'

Durchflussregler in einer Biogasanlage

Hinzufügen von Wasserstoff

Gert fährt fort: 'Für den Labormaßstab haben wir schließlich eine clevere Lösung gefunden, indem wir einen Silikonschlauch in den Reaktor gelegt und dann einen Massendurchflussregler verwendet haben, um Wasserstoff hinzuzufügen. Der Schlauch war mit Wasserstoff gefüllt, der durch die Wand des Schlauchs diffundierte und sehr kleine Blasen erzeugte, die kaum sichtbar waren – aber sie waren effektiv. Durch Rühren des Reaktorinhalts konnten die Mikroorganismen den verfügbaren Wasserstoff erreichen. Das funktionierte im kleinen Maßstab sehr gut – aber für die Hochskalierung wären Kilometer von diesen Schläuchen erforderlich. Zeit für den nächsten Schritt: den Trickle-Bed-Reaktor.'

'In einem Trickle-Bed-Reaktor sind die Mikroorganismen immobilisiert: Sie sind auf einem porösen Träger mit einer sehr großen Oberfläche gefangen, entlang dessen flüssige oder gasförmige Komponenten transportiert werden. Die Mikroorganismen, die wir verwenden, bestehen aus vielen verschiedenen Arten, und je nach Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlendioxid unterstützen wir nur diejenigen, die CH4 aus CO2 und H2 herstellen können. Theoretisch würden sie erwarten, dass vier Moleküle Wasserstoff für ein Molekül Kohlendioxid benötigt werden, um Methan herzustellen, aber in der Praxis benötigen sie etwas weniger Wasserstoff, weil auch Kohlendioxid verwendet wird, um die Mikroorganismen zu vermehren. Das Verhältnis ist also äußerst wichtig.'

Massendurchflussregler für Wasserstoff

‘Wir haben mit einem Massendurchflussregler begonnen, der für ein Wasserstoff/Kohlendioxid-Verhältnis von 80/20 Volumen-% kalibriert war. Es stellte sich jedoch bald heraus, dass wir dadurch zu viel Wasserstoff einführen und die falschen Mikroorganismen begünstigen, auf Kosten der Methanproduktion. Also dachten wir: Wir müssen in der Lage sein, die beiden Gase, Wasserstoff und Kohlendioxid, getrennt hinzuzufügen – damit wir jedes Verhältnis hinzufügen können, das wir benötigen. Wir haben je einen Massendurchflussregler (aus der EL-FLOW Select-Serie) für Wasserstoff und Kohlendioxid gekauft.‘

Gert verwendet jetzt auch einen dritten Massendurchflussregler, um beispielsweise Stickstoff hinzuzufügen. Dies verringert den Partialdruck von Wasserstoff, was sich anscheinend auf die Stabilität des Prozesses auswirkt. Seine Forschung befindet sich jetzt in einer weiteren Hochskalierungsphase, in der er die von ihm gebauten Reaktoren vom Labormaßstab auf den Demonstrationsmaßstab und sogar auf noch größere Maßstäbe hochskalieren wird.

Weitere Wasserstoff-Durchflusslösungen

Massendurchflussregler im Bioreaktorprozess

Bronkhorsts Service

Gert ist sehr zufrieden mit der Leistung der Massendurchflussregler für seine Anwendung. „Ich muss genau wissen, wie viel Wasserstoff im Laufe der Zeit hinzugefügt wurde, damit ich berechnen kann, was ich theoretisch erwarte. Ich muss sicher sein, was ich messe.“
Durch einen Projekt-Partner kam er in Kontakt mit Erwin Broekman, dem Area Sales Manager von Bronkhorst. „Mit Erwin habe ich immer perfekten Service. Wenn etwas nicht stimmt, erhalte ich immer innerhalb einer Stunde eine Antwort und manchmal sogar die Lösung. Er hat mir auch einmal in einer Notlage einen Massendurchflussregler ausgeliehen, damit ich zumindest meine Arbeit fortsetzen konnte. Erstklassig!“

Wenn Sie ebenfalls neugierig sind, wie Bronkhorst Ihnen bei flussbezogenen Lösungen helfen kann, zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren.