Two-stage high pressure anaerobic digestion for biomethane production

Abstract

The use of natural gas for power and heat generation in the EU has become particularly prominent since the 1990s. As a result, the whole natural gas infrastructure has been continuously expanded and today has a total length of 2.15 million km and a storage capacity of about 108.3 billion m³. The production of biomethane in the EU and its distribution by natural gas network offers an interesting alternative for the reconfiguration of EU’s energy supply system. Up to now, biomethane is obtained by purifying and upgrading raw biogas in a complex process. In this study, a novel two-stage high pressure anaerobic digestion system was developed. This innovative concept aims to integrate biogas production, purification and pressure boosting within one system. The process is based on the enhanced water solubility of carbon dioxide compared to methane. By operating the methane reactor for biogas production at increased pressures, high amounts of dissolved carbon dioxide can be removed with the liquid effluent from the reactor, resulting in a high-calorific biogas. In batch experiments at pressures up to 30 bar, a significant influence of pressure on the pH-value in the reactor was observed, due to the augmented formation of carbon hydroxide. The study on the effect of a rapid pressure increase up to 100 bar showed no inhibition of the microorganisms in the batch-rigs too, although the microorganisms were not adapted to these environmental conditions. Furthermore, a continuously operated methane reactor was run at pressures up to 50 bar for the first time. The experiments showed that a stable anaerobic digestion process could be run at these pressures nearly without any problems and methane contents above 90% could be achieved. The promising results showed that this technology has great potential in producing on-site high calorific gas also in smaller units. In addition, the costs of post-production gas purification can be significantly reduced, due to the fact that the size of a subsequent gas purification unit can be decreased. Furthermore, the produced gas can be injected into the transnational gas grids without post pressurization or can be used in the transportation sector.

In der EU hat die Nutzung von Erdgas zur Erzeugung von Strom und Wärme seit den 1990er Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Infolge dessen wurde die Erdgasinfrastruktur kontinuierlich ausgebaut und umfasst heute eine Leitungslänge von 2,15 Mio. km und ein Speichervolumen von 108,3 Mrd. m³. Eine interessante Alternative zur Neugestaltung des Energieversorgungssystems in der EU ist die Erzeugung von Biomethan und die anschließende Einspeisung in das bestehende Erdgasnetz. Biomethan wird bisher in einem aufwendigen Reinigungs- und Aufbereitungsverfahren aus Rohbiogas gewonnen. In der vorliegenden Studie wurde ein neuartiges zweistufiges Hochdruckfermentationsverfahren entwickelt. Ziel dieses innovativen Konzepts ist die Integration von Biogaserzeugung, -aufbereitung und -verdichtung in ein einziges Verfahren. Dieses Verfahren basiert auf der erhöhten Wasserlöslichkeit von Kohlenstoffdioxid im Vergleich zum Methan. Durch den Betrieb des Methanreaktors unter erhöhtem Druck können große Mengen an gelöstem Kohlenstoffdioxid mit dem Effluent aus dem Reaktor ausgetragen werden, was die Erzeugung eines hochkalorischen Biogases ermöglicht. Mithilfe von Batch Experimenten im Labormaßstab bei Betriebsdrücken bis 30 bar konnte ein signifikanter Einfluss des Drucks auf den pH-Wert im Reaktor ermittelt werden, aufgrund der ansteigenden Bildung von Hydrogencarbonat. Die schnelle Druckerhöhung in den Batch-Reaktoren in weiteren Untersuchungen bis zu 100 bar zeigte keinerlei Hemmung der Mikroorganismen, obwohl diese nicht an die neuen Umgebungsbedingungen angepasst waren. Außerdem wurde erstmalig ein kontinuierlicher Methanreaktor bei Drücken bis 50 bar betrieben. Dabei konnte gezeigt werden, dass ein kontinuierlicher Betrieb des Methanreaktors bei Drücken bis 50 bar nahezu problemlos möglich ist und Methangehalte von über 90% realisiert werden können. Diese vielversprechenden Ergebnisse zeigen, dass diese Technologie ein großes Potential für die Herstellung von hochkalorischem Gas auch in kleineren Maßstäben vor Ort bietet. Außerdem können die Kosten für eine nachgeschaltete Aufbereitungseinheit signifikant reduziert werden, da diese deutlich kleiner ausfallen könnte. Darüber hinaus kann das erzeugte Gas ohne weitere Verdichtung in das Erdgasnetz eingespeist oder im Transportsektor als Treibstoff eingesetzt werden.