Wie Sie die Wirkung von Aktivkohle optimieren

Eine Top-Gasqualität an Ihrer Biogasanlage wird immer wichtiger. Gründe dafür gibt es mehrere: Zum Einen steigen die gesetzlichen Anforderungen an die Emissionen – Hochleistungskatalysatoren sind erforderlich, um die Grenzwerte einzuhalten. Doch deren Feind Nr. 1 ist der bei Biogas kaum zu verhindernde zumindest minimale Schwefelgehalt im Abgas. Zum Anderen werden momentan viele mit Biogas betriebene BHKWs auch für die Wärmenutzung optimiert. Das bedeutet: Die Abgastemperaturen werden weiter abgesenkt, das Risiko von Schwefel und Schwefelsäure in der Abgasanlage steigt und damit auch das Risiko, dass die Abgasanlagen durch den Schwefel geschädigt werden, sobald das Abgas kondensiert. Und schließlich kommt noch der zunehmende Flex-Betrieb mit vielen Starts und Stopps samt häufigeren Temperatur- und Feuchtewechseln hinzu, der dieses Risiko noch weiter erhöht und wodurch neben der Abgasanlage auch Motor und weitere Komponenten gefährdet sein können.

Eine gute Gasaufbereitung kann all diese Risiken minimieren. Was Sie bei der Biogas-Aufbereitung beachten sollten, welche Rolle Aktivkohle spielt und welche Betriebsbedingungen Sie einhalten sollten, damit das System zuverlässig arbeiten kann, erfahren Sie in diesem Blogbeitrag.

Welche Komponenten gehören zu einer Gasaufbereitung?

Biogas muss getrocknet und entschwefelt werden, um einerseits Schäden wie Korrosion im BHKW zu vermeiden und andererseits sicherzustellen, dass das Biogas die entsprechenden Eigenschaften hat, damit etwa der Aktivkohlefilter ideal funktioniert. Typischerweise beinhaltet die Biogasaufbereitung eine Gaskühlung, eine Nacherwärmung, einen gerade schon erwähnten Aktivkohlefilter und einen Verdichter, um das warme, feuchte, unverdichtete und grob entschwefelte Biogas vom Fermenter in gekühltes, verdichtetes und entschwefeltes Biogas umzuwandeln.

Das in der Gasstrecke zum BHKW bereits teilentfeuchtete Gas durchläuft die Gaskühlung, wodurch weiteres Kondensat ausfällt. Im Aktivkohlefilter wird das Biogas von Schwefelwasserstoffen befreit, um den für den Katalysator und Abgaswärmetauscher schädlichen Schwefel zu entfernen. Im Gasverdichter wird das Biogas dann verdichtet. Zusätzlicher positiver Effekt für den Motor: Einmal entfernter Schwefel kann ihn nicht mehr durchlaufen – das verursacht auch dort weniger Ablagerungen und sorgt für längere Ölstandszeiten, bessere Wirkungsgrade und weniger Wartungsaufwand.

Was muss bei der Gasaufbereitung beachtet werden?

Bereits bei der Planung und Aufstellung gibt es einige Punkte, die entscheidend zu einer guten Gasaufbereitung beitragen: So ist es beispielsweise wichtig, in welcher Reihenfolge die einzelnen Komponenten angeordnet werden. Empfehlenswert ist es, das Rohbiogas in einem ersten Schritt abzukühlen, zu entfeuchten und dann nachzuerwärmen, damit Feuchtegehalt und Temperatur für den Aktivkohlefilter optimal sind. Damit dieser Prozess mit einer hohen Konvertierungsleistung (Schwefelwasserstoff – H2S – wird in Schwefel und Wasser aufgespalten) und damit einer hohen Beladungsleistung der Aktivkohle gelingt, wird ein enger Betriebsbereich für die relative Gasfeuchte (ca. 50 %) und die Gastemperatur (ca. 23°C) benötigt. Wichtig: Eine zu geringe relative Gasfeuchte verkürzt die Standzeit der Aktivkohle stark und sorgt für frühe H2S-Durchbrüche. Daher ist eine zu starke Abkühlung (unter 5°C) und Trocknung (auf weniger als 30% relative Feuchte) auch wegen des Stromverbrauchs des Kühlaggregats teuer und kontraproduktiv. Auch eine hohe relative Gasfeuchte (mehr als 80 %) ist zu vermeiden – sie macht die Entschwefelungsreaktion langsam und sorgt für frühzeitige, kleine H2S-Durchbrüche.

Erst nach Abkühlung und Aufwärmung sollte das Gas dann verdichtet werden. Würde man den Gasverdichter vor der Gasaufbereitung installieren, kann dies zwar Vorteile haben, allerdings muss dann die durch die Verdichtung entstandene Wärme wieder durch die Gaskühlung abgekühlt werden.Ein weiterer wichtiger Punkt, der nicht zu unterschätzen ist: die Gaskühlung mittels Kältemaschine. Das Rohgas allein passiv über die Erdleitung abzukühlen, reicht aufgrund von saisonalen Schwankungen und ungleichen beziehungsweise flexiblen Gasmengen nicht aus. Damit ließe sich keine verlässliche und dauerhaft konstante Gastemperatur erreichen. Um die Kältemaschine nicht überzudimensionieren (und dann im Betrieb zu viel Energie zu benötigen) oder sie auf zu geringe Gas- und Umgebungstemperaturen auszulegen, sollte man bei der Planung unbedingt die Rohgastemperatur beachten.

Auch die Ableitung von Kondensat sollte richtig geplant werden – da es im Winter einfrieren kann, sollten Sie unbedingt Frostschutz und Isolierung vorsehen. Schließlich gilt bei Dimensionierung und Aufstellung des Aktivkohlefilters: Der Aktivkohlefilterbehälter muss ausreichend groß ausgelegt sein, so dass die Verweildauer des Gases 4-6 Sekunden beim Durchströmen des Behälters beträgt. Ist er zu klein, würde die Verweilzeit zu gering werden, Schwefelwasserstoff würde nur unzureichend umgewandelt werden und die Beladungsleistung der Aktivkohle wäre zu gering. Und eine bequeme Zugänglichkeit zum Filter macht Entleerung und Beladung beim Kohlewechsel deutlich einfacher.

Außerdem sollte der Aktivkohlefilter isoliert und warmgehalten werden, damit auch bei längeren Stillstandszeiten der Anlage(n) keine Kondensation im Behälter erfolgt, die die Funktion der Aktivkohle stark beeinträchtigen würde. Kondensat im Aktivkohlefiltergehäuse würde nämlich zur Ablagerung des Schwefels an der Außenseite der Aktivkohlepellets führen und die Wirkung der inneren Oberflächen blockieren. Das verringert die Standzeit der Aktivkohle drastisch. Außerdem besteht die Gefahr des Verklumpens, was auch den Wechsel der Aktivkohle erschwert.

Schließlich sollten Sie im Betrieb die Beladung der Aktivkohle optimal ausnutzen. Überwachen Sie die Gasqualität und Entschwefelung regelmäßig, damit Fehlfunktionen rechtzeitig erkannt werden können.

Was genau macht Aktivkohle?

Biogas enthält giftigen Schwefelwasserstoff. Kommt dieser bei Feuchtigkeit und Wärme mit Metallen in Kontakt, bilden sich Metallsulfide und -sulfate. Korrosion droht, Schäden können die Folge sein. Um dies zu verhindern, kommt Aktivkohle ins Spiel, die den im Biogasmotor und auch im Katalysator unerwünschten Schwefelwasserstoff sowie weitere Schadstoffe wie Siloxane aus dem Biogas filtert.

Indem das Biogas durch speziell dotierte Aktivkohle geleitet wird, wird der Schwefelwasserstoff dort angelagert und in einer chemischen Reaktion in Schwefel und Wasserstoff umgewandelt, der Rest (vorwiegend Methan und Kohlendioxid), geht durch die Aktivkohle hindurch.
Aktivkohle übernimmt also einen äußerst wichtigen Part bei der Gasaufbereitung. Sie sorgt dafür, dass ein Großteil des im Biogas gelösten Schwefelwasserstoffs nicht zum Motor kommt. Dadurch schützt sie den Motor und kann die Standzeit von Zündkerzen, Motorenöl und beweglichen Motorkomponenten signifikant erhöhen. So macht sie auch den Einsatz eines Oxi-Kats, der sehr niedrige Schwefelgehalte erfordert, erst möglich und hilft dadurch dem Betreiber der Anlage, auch die Emissionswerte einzuhalten. Und: je weniger Schwefel im Abgas enthalten ist, desto besser – denn dann kann erst gar keine Schwefelsäure entstehen, die sich bei Taupunktunterschreitung an den Edelstahlrohren des Wärmetauschers niederschlagen und innerhalb weniger Tage oder Wochen für Schäden sorgen würde. Die Reinigung des Biogases mit Aktivkohle sorgt also für einen möglichst störungsarmen Betrieb.

Was optimiert die Wirkung von Aktivkohle?

Bereits im normalen Grundlastbetrieb stellen die Schwankungen des Schwefelwasserstoffgehaltes des Biogases, seiner Temperatur und relativen Feuchte die Aktivkohle vor hohe Anforderungen. Im Flex-Betrieb mit veränderter Betriebsweise durch häufigere Starts und Stopps und eventuell sehr unterschiedlichen Gasmengen gilt das erst recht. Und dies bedeutet nochmals mehr eine Herausforderung, die Gasaufbereitung richtig zu planen und zu betreiben.

Nach einer gewissen Zeit ist die Aktivkohle in der Biogasanlage erschöpft und muss ausgetauscht werden. Worauf Sie als Betreiber bei der Nutzung von Aktivkohle achten können, um deren Wirkung und Standzeit zu optimieren:

• Die erste wichtige Entscheidung ist die Wahl der Aktivkohleart. Es gibt große Leistungsunterschiede – Hochleistungskohle kann beispielsweise doppelt so lange halten wie Standard-Kohle. Außerdem muss vorher geklärt sein, ob weitere Schadstoffe wie beispielsweise Siloxane oder Ammoniak neben dem Schwefelwasserstoff im Biogas behandelt werden müssen – davon hängt die Auswahl der richtigen Aktivkohle maßgeblich ab.
• Achten Sie auf drei entscheidende Qualitätsmerkmale: Die Aktivkohle Ihrer Wahl sollte viele kleine Poren (und damit eine große innere Oberfläche) haben, um das Gas rasch aufzunehmen und viel Raum zur Anlagerung von Schwefel zu bieten. Außerdem sollte die Aktivkohle so modifiziert sein, dass eine möglichst vollständige Umwandlung des Schwefelwasserstoffs zu Schwefel ermöglicht wird. Und: eine gleichmäßige Pelletstruktur mit hoher Abriebfestigkeit stellt einen geringen Druckverlust und wenig Abrieb beim Umfüllen sicher.
• Ohne Sauerstoff als Reaktionspartner für den Schwefelwasserstoff kann keine Entschwefelung stattfinden. Deshalb muss er ausreichend im Gas enthalten sein. Ideal ist ein Sauerstoffgehalt mehr als 0,5 Vol. %.
•  Weitere Störstoffe wie etwa Terpene sollten in einer vorgelagerten Reinigungsstufe abgeschieden werden.

Eine gute Gasaufbereitung hängt also von mehreren Faktoren ab wie der richtigen Auslegung des Aktivkohlebehälters und der passenden Auswahl der Aktivkohleart. Indem Sie als Anlagenbetreiber auch die Betriebsbedingungen so weit wie möglich optimieren, können Sie eine ganze Menge tun, um die Qualität des Gases zu verbessern. Bemerken Sie dennoch, dass etwa die Aktivkohle-Kosten zu hoch oder die Standzeiten zu gering sind, kann eine Fachberatung die Probleme mit den Schadstoffen des Biogases lösen. Dies trägt auch gleichzeitig dazu bei, die Betriebskosten zu senken und auch Schäden am Motor frühzeitig zu erkennen und zu vermeiden.