Innovative Lösungswege zur Biogasaufbereitung

Entwicklung des NitroSX-Verfahrens zur Nutzung von Nitrat aus landwirtschaftlichem Gärrest als Sauerstoff-Donator für eine biologisch oxidative Biogas-Entschwefelung

Innenansicht der NitroSX Versuchsanlage.  © FiW e. V.
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Verfahrensschema der NitroSX-Versuchsanlage.  © FiW e. V.
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Versuchsanlage am Standort Simmerath auf einem landwirtschaftlichen Betrieb mit Biogasanlage.  © FiW e. V.
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Biogas, ein energiereiches, brennbares Gas, ist das Endprodukt des anaeroben Abbaus organischer Masse. Hauptbestandteil des Biogases ist das energetisch nutzbare Methan (CH4). Daneben enthält Biogas jedoch auch große Mengen Kohlenstoffdioxid (CO2) und weitere Begleitgase. Sehr problematisch ist dabei Schwefelwasserstoff (H2S), welcher vermehrt bei der Umsetzung von proteinhaltigem Substrat gebildet wird. Hierbei können ohne Weiteres H2S-Konzentrationen von 200 bis 5.000 ppm (0,02 bis 0,5 Vol.-%) im Biogas auftreten.

Bei der Verbrennung von H2S entsteht Schwefeldioxid (SO2). SO2 wirkt in der Atmosphäre als Treibhausgas. Gleichzeitig führt es durch Korrosion und Schmiermittelversäuerung zu einer Schädigung der Gasmotoren. Apparate zur katalytischen Abgasreinigung werden durch Schwefeloxide (SOX) in ihrer Funktion eingeschränkt. Zudem hat H2S schon in sehr geringen Dosen eine hoch toxische Wirkung auf viele Organismen.

Aktuelle Aspekte, wie die stetige Verschärfung der gesetzlichen Emissionsanforderungen und der Bedarf zur energetischen Optimierung, erfordern eine innovative Weiterentwicklung der Biogasreinigung, insbesondere die Entfernung von Schwefelwasserstoff. Die Verwendung eines biologisch-oxidativen Reinigungsverfahrens stellt eine nachhaltige und ganzheitliche Vorgehensweise bei der Biogasentschwefelung dar, um den vorgesehenen Wirkungsgrad für Biogasmotoren und einen wartungsarmen Betrieb ohne Laufzeitverkürzungen gewährleisten zu können.

Beschreibung des NitroSX-Verfahrens

Das NitroSX-Verfahren basiert auf einem Biowäscher, der mit Gärrest sowohl als Inokulum wie auch als Waschflüssigkeit betrieben wird. Ziel ist die mikrobiologische Entfernung von im Biogas enthaltenem H₂S. Hierbei werden die im Gärrest natürlich vorkommenden Mikroorganismen sowie die darin enthaltenen Nährstoffe genutzt. Diese chemolithotrophen Bakterien setzen reduzierte Schwefelverbindungen zur Energiegewinnung um. 

Im Rahmen der biologischen Entschwefelung werden diese Stämme eingesetzt, um H₂S im Biogas zusammen mit Nitrat (NO₃⁻) abzubauen. Der Umsatz erfolgt dabei stufenweise über elementaren Schwefel bis hin zum Sulfat. Die dabei freiwerdende Energie wird von den Mikroorganismen für Stoffwechsel und Wachstum genutzt.

Das für den Prozess notwendige Nitrat wird in einer vorgeschalteten Nitrifikationsstufe bereitgestellt. In dieser Stufe wird das im Gärrest natürlich enthaltene Ammonium (NH₄⁺) unter aeroben Bedingungen – ähnlich wie in einer Kläranlage – mikrobiologisch zu Nitrit (NO₂⁻) und Nitrat (NO₃⁻) umgewandelt.

Entwicklung des NitroSX-Verfahrens

Die Entwicklung des NitroSX-Verfahrens erfolgte im Rahmen von vier aufeinander aufbauenden Forschungsprojekten. Alle Untersuchungen wurden im Pilotmaßstab auf einem landwirtschaftlichen Betrieb durchgeführt. Dabei wurde die Anlage mit realem Biogas und Gärrest betrieben, um die Skalierbarkeit des Verfahrens zu demonstrieren.

Im ersten Projekt erfolgten die Planung und Dimensionierung der Pilotanlage. Dabei wurden erste Prozessdaten unter niedrigen H₂S-Konzentrationen gewonnen.

In den beiden folgenden Projekten konnte die Prozessstabilität im stationären Betrieb nachgewiesen werden, auch bei H₂S-Konzentrationen von über 3.000 ppm. Bis zu diesem Zeitpunkt wurde KNO₃ und Ca(NO₃)₂ als externe Oxidationsquelle dosiert.

Im vierten Forschungsprojekt wurde schließlich die Nitrifikation des Gärrests erprobt, um diesen als Inokulum und Waschflüssigkeit im Biowäscher einzusetzen. Die Ergebnisse zeigten eine hohe Stabilität und Robustheit des Verfahrens, auch unter stark variierenden H₂S Konzentrationen. 

Ausblick

Die Forschungsarbeiten werden fortgeführt. Im aktuell laufenden Folgeprojekt Enbian, das durch die Förderrichtlinie Industrielle Bioökonomie des BMWK unterstützt wird und bis September 2027 andauert, steht die Skalierung des Verfahrens im Mittelpunkt. Ziel ist die Demonstration des NitroSX-Prozesses im industriellen Maßstab.

Die großtechnische Anlage wird in Zusammenarbeit mit der Firma SH Sulphtec GmbH, die für die Umsetzung verantwortlich ist, realisiert. Die Kooperation zwischen FiW und SH Sulphtec verfolgt das Ziel, das NitroSX-Verfahren bis zur Marktreife zu entwickeln. Damit soll eine wirtschaftliche und zugleich umweltschonende Technologie für Bau und Betrieb von Biogasentschwefelungsanlagen zur Verfügung stehen.

Im Rahmen des Projektes werden insbesondere folgende Aspekte bearbeitet:

  • Entwicklung eines großtechnischen Anlagenkonzeptes inkl. chemischer Berechnungen, Reaktordesign und Dimensionierung der Komponenten
  • Detaillierte Konzeptentwicklung für Steuerung und Automatisierung der Anlage
  • Wirtschaftliche Bewertung der betrieblichen und verfahrenstechnischen Aspekte