Biomethan- und Synthesegaserzeugung durch anaerobe Vergärung

Unabhängig von der eingesetzten organischen Substanz kann die Biomasse nur in Abwesenheit von Sauerstoff und bei einer Temperatur von ca. 38°C durch spezielle Bakteriengruppen abgebaut werden. Bei diesem so genannten Vergärungsprozess werden die organischen Verbindungen zu Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) abgebaut. Bei der anaeroben Vergärung (AD) laufen mehrere Umwandlungsschritte ab:

• Hydrolyse von organischen polymeren Verbindungen (Kohlenhydrate, Proteine, Fette) in Monomere (Zucker, Aminosäuren) 
• Acidogenese zersetzt die Zwischenprodukte weiter in Wasserstoff, CO2, Alkohole und organische Säuren 
• Acetatbildung wandelt die Zwischenprodukte weiter in Essigsäure, Wasserstoff und CO2 um 
• Im letzten Schritt wird Methan durch Spaltung von Essigsäure (CH3COOH) in Methan und CO2 gebildet. Weiterer Wasserstoff wird mit Kohlendioxid zu Methan oxidiert

Alle Schritte laufen in einer Biogasanlage meist parallel ab. Das Gesamttempo des Prozesses wird durch die Geschwindigkeit der Hydrolyse bestimmt. Befinden sich viele leicht abbaubare Verbindungen im Reaktor, kann die Methanbildung zum limitierenden Schritt werden. In diesem Fall kann die Zugabe von zu viel neuem Material zu einem Überschuss an Säure führen, der den pH-Wert in ungünstige Bereiche absinken lässt.

Wichtige Parameter, die den Prozess beeinflussen, sind der Trockensubstanzgehalt der Biomasse, Schwebstoffe und andere Inhaltsstoffe (z.B. Mineralstoffe), der Gehalt an Inhibitoren (z.B. Schwefel, Schwermetalle, aromatische Verbindungen), die Prozesstemperatur, der pH-Wert, das Redoxpotential, der Gehalt an niederen Fettsäuren und der Ammoniumgehalt. Außerdem entstehen während des Prozesses einige unerwünschte Elemente, wie Schwefelwasserstoff, Wasser und CO2, die entfernt werden müssen, um das gewünschte Produktgas zu erhalten. Je nach Weiterverwendung des Rohbiogases werden unterschiedliche Reinigungs- und Aufbereitungsprozesse benötigt.

Um Methan in ein wasserstoff- und kohlenmonoxidreiches Produktgas umzuwandeln, ist ein Reformierungsschritt erforderlich. Es sind verschiedene Prozessoptionen verfügbar, die Produktgase mit unterschiedlichen H2/CO-Verhältnissen erzeugen können:

Dampf-Methan-Reformierung

• Katalytisches (nickelbasierte Katalysatoren), endothermes Verfahren 
• Bio-Methan wird mit Dampf unter einem Druck von 20-25 bar vermischt 
• Thermische Energie (820-880°C) muss von einer externen Quelle bereitgestellt werden 
• Ergibt sehr hohe H2/CO-Verhältnisse (4-7:1)

Partielle Oxidation

• Bio-Methan wird bei hohen Temperaturen (1300-1400°C) und Drücken von 25-40 bar teilweise oxidiert
• Ergibt H2/CO-Verhältnisse von 1,6-1,9 (z. B. nicht ausreichend für die Weiterverarbeitung mittels FT-Synthese)

Autotherme Reformierung

• Biomethan wird zusammen mit Wasserdampf und Sauerstoff in den Reaktor geleitet, wo ein Teil verbrannt (patial oxidiert) wird, um thermische Energie bereitzustellen
• Das Gas wird über einen Katalysator geleitet und reagiert zu Produktgas
• Benötigt Temperaturen von 1020-1065°C und Drücke von 25-29 bar
• Ergibt ein H2/CO-Verhältnis von 2,2-2,3

Nach der Reformierung sind Reinigungs- und Aufbereitungsschritte notwendig, um das gewünschte Synthesegas für die weitere Verwendung, z.B. in der FT-Synthese, zu erhalten (siehe Kapitel 2.3.1). Dabei muss vor allem CO2 entfernt und der H2-Gehalt eingestellt werden. Hierfür können die in Kapitel 2.3.1.2 beschriebenen Verfahren eingesetzt werden. Im Allgemeinen ist das Produktgas aus der Reformierung viel sauberer als die Produktgase aus thermo-chemischen Prozessen (wie in Kapitel 2.3.1 beschrieben). Es enthält keine Teere oder Staubpartikel, die entfernt werden müssen.