Flow meting bij het omzetten van biogas naar groen gas

Nederland staat voor de grote taak om over te schakelen naar een duurzame samenleving, met veel lagere emissies van het broeikasgas koolstofdioxide en zonder aardgas van fossiele oorsprong uit de provincie Groningen. Zonne- en windenergie zullen een nog grotere rol gaan spelen in de elektriciteitsopwekking en de daarmee samenhangende elektrificatie van de samenleving. De Hanze Hogeschool in Groningen voert onderzoek uit en flow instrumenten van Bronkhorst spelen hierbij een rol.

De rol van biogas in de energietransitie

In deze energietransitie speelt 'groen gas' een belangrijke rol – dit is biogas dat geschikt is gemaakt voor het Nederlandse aardgasnet. Het is belangrijk dat hier voldoende van beschikbaar komt. We spreken met Gert Hofstede, een docent-onderzoeker aan de Hanzehogeschool Groningen, die zich heeft verdiept in dit onderwerp. Flow instrumenten spelen een belangrijke rol in zijn onderzoek naar het verwerken van biogas tot groen gas.

Biogas is een mengsel dat voornamelijk bestaat uit methaan (CH4, 50-60%) en kooldioxide (CO2, 40-50%) en wordt gemaakt door fermentatie ('anaërobe ontbinding') van organisch biomassa zoals gras of groente-, fruit- en tuinafval. Biogas wordt beschouwd als een hernieuwbare energiebron omdat het wordt geproduceerd uit organisch afval, maar het bevat te veel kooldioxide voor praktisch gebruik, bijvoorbeeld om het aan het aardgasnet toe te voegen. Het proces van het upgraden van biogas naar groen gas bestaat voornamelijk uit het verwijderen van de aanwezige kooldioxide, maar kan ook worden gedaan door de overtollige kooldioxide om te zetten in methaan. We vragen Gert hoe dit in zijn werk gaat.

Biogas omzetten in groen gas

'Mijn PhD-onderzoek gaat over het efficiënt afbreken van biomassa, om het uiteindelijk om te zetten in bio-energie. Er is een overvloed aan biomassa, maar we kunnen er veelal niets mee. Mijn taak is om bio-energie te produceren uit deze 'resten'. Biogas heeft een 'lage' kwaliteit en we willen dit gas upgraden naar groen gas. Hiervoor hebben we een 'truc' toegepast, door een bioreactor te bouwen waar we groene waterstof aan toevoegen. In de reactor heb ik gespecialiseerde micro-organismen die H2 en CO2 omzetten in methaan (4H2+CO2 -> CH4 +H2O). Hierdoor krijg je plotseling veel meer methaan (bijna twee keer zoveel) uit dezelfde hoeveelheid biomassa. Natuurlijk is 'groene' waterstof – geproduceerd door elektrolyse van water met elektriciteit van de zon of wind – het beste. Maar... wat is een praktische manier om waterstof aan de bioreactor toe te voegen, waarbij je precies weet hoeveel je toevoegt?'

'Het upgraden van biogas betekent dat het methaangehalte stijgt van slechts 60% naar meer dan 88-90%, waarna de kwaliteit compatibel is met laagcalorisch Nederlands aardgas en in het aardgasnetwerk kan worden geïnjecteerd. Als je waterstof rechtstreeks uit een gasfles met een drukventiel in de vloeistof met de micro-organismen 'bubbelt', heb je geen idee hoeveel je toevoegt. Bovendien lost waterstof bij 40°C slecht op in water met slib en bereikt het de micro-organismen niet goed, waardoor het niet werkt.'

Flow meter in een biogas installatie

Het toevoegen van waterstof

Gert vervolgt: ‘Uiteindelijk kwamen we, voor de laboratoriumschaal reactors, met een slimme oplossing door een siliconen slang in de reactor te plaatsen en vervolgens met behulp van een mass flow controller waterstof toe te voegen. De slang was gevuld met waterstof dat door de wand van de slang diffundeerde, waardoor zeer kleine belletjes werden toegevoegd die nauwelijks zichtbaar waren, maar wel effectief waren. Door de reactor ook te roeren, konden de micro-organismen de beschikbare waterstof bereiken. Dit verliep op kleine schaal erg goed, maar het opschalen zou kilometers slang vereisen. Tijd voor de volgende stap: de trickle-bed reactor.’

‘In een trickle-bed reactor worden de micro-organismen geïmmobiliseerd: ze worden gevangen op een poreuze drager met een zeer groot oppervlak, waarlangs vloeibare of gasvormige componenten worden getransporteerd. De micro-organismen die we gebruiken bestaan uit vele verschillende soorten, en afhankelijk van de verhouding waterstof tot kooldioxide, gebruiken we alleen die micro-organismen die CH4 kunnen maken van CO2 en H2. Theoretisch zou je verwachten dat je vier moleculen waterstof per molecuul kooldioxide nodig hebt om methaan te kunnen maken, maar in de praktijk heb je iets minder waterstof nodig omdat kooldioxide ook wordt gebruikt om de micro-organismen te laten groeien. De verhouding is dus erg belangrijk.’

Mass flow regelaars voor waterstof

‘We zijn begonnen met één mass flow regelaar, gekalibreerd voor een waterstof/koolstofdioxide verhouding van 80/20 volume %. Al snel bleek dat hiermee te veel waterstof werd geïntroduceerd, waardoor de verkeerde micro-organismen werden gefaciliteerd wat ten koste ging van de methaanproductie. Dus dachten we: we moeten de twee gassen, waterstof en koolstofdioxide, apart van elkaar toevoegen, zodat we elke gewenste verhouding kunnen gebruiken. We hebben dus een mass flow regelaar (uit de EL-FLOW Select Select serie) voor waterstof en een regelaar voor koolstofdioxide aangeschaft.’

Gert gebruikt inmiddels ook een derde mass flow regelaar om bijvoorbeeld stikstof toe te voegen. Dit verlaagt de partiële druk van het waterstof, wat de stabiliteit van het proces lijkt te verbeteren. Zijn onderzoek bevindt zich nu in een verdere opschalingsfase, waarin hij de reactoren die hij in het laboratorium heeft gebouwd aan het opschalen is naar demonstratieschaal en zelfs groter."

Meer waterstof flow oplossingen

Mass flow regelaar in een bioreactor process

Bronkhorst's service

Gert is voor zijn toepassing zeer tevreden over de prestaties van de mass flow regelaars. 'Ik moet precies weten hoeveel waterstof er in de loop van de tijd is binnengekomen, zodat ik kan berekenen wat ik theoretisch verwacht. Ik moet er zeker van zijn dat ik precies meet.

' Via een projectpartner kwam hij in contact met de Area Sales Manager van Bronkhorst, Erwin Broekman. 'Met Erwin heb ik altijd perfecte service. Als er iets mis is, krijg ik altijd binnen een uur een reactie, en soms zelfs de oplossing. Hij heeft mij ook eens in een noodsituatie een mass flow regelaar geleend, zodat ik tenminste mijn werk kon voortzetten. Eersteklas!'