Biogas opwaarderen: technieken en hun invloed op CO₂-terugwinning
De techniek waarmee biogas wordt opgewaardeerd, bepaalt hoe CO₂ beschikbaar komt voor terugwinning: de samenstelling, het vochtgehalte, de druk en het verloop van de gasstroom. Die omstandigheden beïnvloeden de benodigde zuivering en het energieverbruik om vloeibare CO₂ te produceren.
Membranen, drukwisseladsorptie, wassing en cryogene processen scheiden de gascomponenten op verschillende manieren. Voor exploitanten en engineeringbedrijven die CO₂ willen terugwinnen, is daarom vooral van belang welke stroom de opwaarderingsinstallatie verlaat en wat er vervolgens nog moet gebeuren.
Solveno Technologies is gespecialiseerd in CO₂-terugwinning en liquefactie na biogasopwaardering, met een laag energieverbruik als centraal ontwerpdoel. Deze pagina beschrijft de gevolgen van de belangrijkste opwaarderingstechnieken voor dat deel van de installatie.
Waarom is de opwaarderingstechniek belangrijk voor CO₂-terugwinning?
Bij het opwaarderen van biogas worden CO₂ en andere componenten afgescheiden om biomethaan te produceren. Stoffen die uit het biomethaan worden verwijderd, kunnen echter in de afgescheiden CO₂-stroom terechtkomen.
Een hoge CO₂-concentratie zegt op zichzelf onvoldoende over de productkwaliteit. Resterend methaan, water, zwavelverbindingen, zuurstof, stikstof en organische sporencomponenten beïnvloeden de verdere behandeling. Hun aanwezigheid hangt samen met de grondstoffen, de bestaande voorzuivering en de configuratie van de installatie.
Twee installaties die dezelfde opwaarderingstechniek gebruiken, kunnen daardoor een verschillende CO₂-behandeling nodig hebben. Het uitgangspunt is de werkelijke gasstroom op het aansluitpunt van de terugwinningsinstallatie.
Membraanscheiding
Membranen scheiden gassen op basis van verschillen in doorlaatbaarheid. CO₂ passeert het membraan gemakkelijker dan methaan, waardoor aan de zijde met de lagere druk een CO₂-rijke stroom ontstaat.
Het aantal membraantrappen en de recirculatie bepalen mede de samenstelling van die stroom, waaronder het resterende methaangehalte. De voorzuivering beschermt de membranen, maar de afgescheiden CO₂ moet afzonderlijk worden beoordeeld op geschiktheid voor liquefactie en de beoogde toepassing.
Afhankelijk van de gasanalyse kan verdere behandeling bestaan uit filtratie van resterende zwavelverbindingen en organische stoffen, deeltjesfiltratie, droging en afscheiding van methaan en andere niet-condenseerbare gassen. De beschikbare uitlaatdruk beïnvloedt ook de benodigde compressie.
Drukwisseladsorptie (PSA)
Pressure swing adsorption, of PSA, gebruikt vaste adsorbenten die CO₂ onder druk vasthouden. Door de druk te verlagen komt het geadsorbeerde gas weer vrij. Meerdere vaten werken na elkaar om de productie van biomethaan te onderhouden.
Voor CO₂-terugwinning zijn de omstandigheden aan de gezamenlijke restgasuitlaat bepalend. De adsorptiecycli kunnen schommelingen in debiet en samenstelling veroorzaken. Hoe sterk die zijn, hangt af van de configuratie en de aanwezige buffering.
De terugwinningsinstallatie moet op dat bedrijfsprofiel aansluiten. Buffering en compressorregeling kunnen nodig zijn om een geschikte gastoevoer te verkrijgen. Resterende verontreinigingen en vocht bepalen welke aanvullende zuivering en droging nodig zijn.
Waterwassing
Waterwassing gebruikt de hogere oplosbaarheid van CO₂ in water om CO₂ van methaan te scheiden. De manier waarop het water wordt geregenereerd, heeft rechtstreeks invloed op de stroom die voor CO₂-terugwinning beschikbaar is.
Wanneer lucht wordt gebruikt voor de regeneratie, raakt de vrijgekomen CO₂ verdund met stikstof en zuurstof. Dat geeft een ander uitgangspunt dan een geconcentreerde CO₂-stroom. Alleen een droger en liquefactie-unit toevoegen lost die verdunning niet op.
Eerst moet daarom worden vastgesteld of een geschikte CO₂-stroom kan worden afgenomen. Als terugwinning haalbaar is, moeten ook vocht en eventuele mee afgescheiden verontreinigingen worden behandeld. De regeneratieconfiguratie is essentieel voor deze beoordeling.
Aminewassing
Bij aminewassing bindt CO₂ zich chemisch aan een oplosmiddel. Tijdens regeneratie met warmte komt de CO₂ weer vrij. Dit kan een geconcentreerde stroom opleveren voor verdere verwerking.
De benodigde zuivering hangt onder meer af van waar verontreinigingen eerder in het proces zijn verwijderd. Zwavelverbindingen en ammoniak kunnen met de CO₂ meekomen. Naast de CO₂-concentratie is daarom ook een analyse van sporencomponenten nodig.
Bij de beoordeling horen koeling, vochtverwijdering en eventuele aanvullende behandeling vóór liquefactie. De warmte voor regeneratie van het amine behoort tot de biogasopwaardering en moet afzonderlijk worden beschouwd van de elektriciteit voor CO₂-terugwinning.
Wassing met een fysisch oplosmiddel
Fysische oplosmiddelen nemen CO₂ op en geven deze tijdens regeneratie weer af. Ook andere stoffen kunnen in het oplosmiddel terechtkomen en samen met de CO₂ vrijkomen.
Het oplosmiddel en de regeneratiemethode bepalen de gassamenstelling. Wanneer luchtstripping wordt toegepast, moet de verdunning worden beoordeeld voordat deze stroom als voeding voor CO₂-liquefactie kan worden beschouwd.
Het ontwerp voor terugwinning begint daarom bij het werkelijke regeneratiegas: de CO₂-concentratie, het vochtgehalte en de verontreinigingen. Die gegevens bepalen de geschiktheid en de benodigde aanvullende behandeling.
Cryogene en hybride opwaardering
Cryogene processen scheiden gascomponenten bij lage temperaturen. Hybride installaties combineren scheidingstechnieken en kunnen al een deel van de CO₂-zuivering of liquefactie omvatten.
Van belang is welk CO₂-product of welke tussenstroom beschikbaar komt. De aggregatietoestand, druk, temperatuur en kwaliteit bepalen welke verdere behandeling nodig is.
Behandeling die al eerder in het proces plaatsvindt, moet worden meegenomen in de afbakening van de terugwinningsinstallatie. Zo voorkomen we dat apparatuur of energieverbruik dubbel wordt gerekend.
Welke aanvullende CO₂-zuivering kan nodig zijn?
De opwaarderingstechniek geeft context. De gasanalyse en de vereiste specificatie van de vloeibare CO₂ bepalen de behandelingsstappen.
| Component of omstandigheid | Mogelijke behandeling | Belang voor CO₂-terugwinning |
|---|---|---|
| Water en meegesleepte druppels | Koeling en condensaatscheiding, gevolgd door droging tot het vereiste vochtgehalte. | Beschermt het proces bij lage temperaturen tegen ijsvorming en verstopping. |
| Resterende zwavelverbindingen en organische stoffen | Geschikte adsorptie of een andere gerichte behandeling op basis van de gasanalyse. | Verwijdert stoffen die de productkwaliteit kunnen beïnvloeden. Het filtermedium moet geschikt zijn voor de aanwezige componenten. |
| Deeltjes | Deeltjesfiltratie op geschikte plaatsen in het proces. | Beschermt apparatuur, onder meer tegen materiaal dat uit adsorptiebedden wordt meegevoerd. |
| Methaan, stikstof en zuurstof | Afscheiding van niet-condenseerbare componenten tijdens de CO₂-zuivering. | Beïnvloedt productkwaliteit, terugwinningsrendement en de verwerking van het resterende gas. |
| Debiet- en drukschommelingen | Buffering en afgestemde compressorregeling waar nodig. | Stemt de gastoevoer af op het bedrijfsbereik van de terugwinningsinstallatie. |
Deze stappen hebben verschillende functies. Actieve kool vervangt geen droging of afscheiding van niet-condenseerbare gassen. Ook bewijst liquefactie alleen niet dat CO₂ geschikt is voor voedingsmiddelen en dranken. Daarvoor zijn eveneens bronkwalificatie en passende kwaliteitscontroles nodig.
Wat betekent dit voor het energieverbruik?
Het energieverbruik per ton teruggewonnen vloeibare CO₂ hangt af van het aangeleverde gas en het vereiste eindproduct. De beschikbare druk beïnvloedt de compressie. Het vochtgehalte beïnvloedt de droging. Niet-condenseerbare componenten beïnvloeden de scheiding en de hoeveelheid CO₂ die als vloeistof wordt teruggewonnen.
Een energiecijfer is daarom alleen bruikbaar met een vastgelegde inlaatsamenstelling, belasting en productspecificatie. Ook moet duidelijk zijn welke apparatuur is inbegrepen: compressie, zuivering, droging, koeling en hulpverbruik.
Solveno ontwikkelt zijn terugwinningsinstallaties met een laag energieverbruik als uitgangspunt. Bij de integratie beoordelen we welke behandeling de beschikbare stroom nodig heeft en wat dit betekent voor energieverbruik en bedrijfskosten.
Meer uitleg over het vervolgproces vindt u op onze pagina over CO₂-liquefactie.
CO₂-terugwinning naast uw bestaande of geplande installatie
Bij een bestaande installatie begint de beoordeling met de beschikbare CO₂-rijke stroom en de bedrijfscondities. Bij een nieuw project kunnen deze gegevens samen met de leverancier van de opwaarderingsinstallatie en het engineeringteam worden vastgelegd.
Solveno beoordeelt en ontwerpt het CO₂-terugwinningsgedeelte, inclusief de benodigde behandeling en aansluitingen op het bestaande proces. Onze engineeringdiensten ondersteunen deze integratie.
Bezorg ons de opwaarderingstechniek, de beschikbare restgasanalyse, het debiet, de druk en de temperatuur, samen met de beoogde toepassing van de CO₂. Daarmee kunnen we de geschiktheid beoordelen en de vervolgstappen voor energie-efficiënte terugwinning bepalen.
Technische achtergrond
Meer achtergrond over opwaarderingstechnieken en de verdeling van verontreinigingen staat in Biogas upgrading – Technical Review van Energiforsk (2016), met name de hoofdstukken over verontreinigingen en zuiveringsstappen, en in het overzicht van biogasopwaarderingstechnieken van IEA Bioenergy Task 37. Deze bronnen beschrijven de procesprincipes. De benodigde behandeling voor een specifieke installatie volgt uit de werkelijke gascondities.