BIO(LOGISCHE) METHANISERING. NEGATIEVE STROOMPRIJZEN BEVORDEREN OMBOUWEN VAN WKK'S NAAR LEVERING GROENGAS.

 

 Biologische methanisering: Tijdens stroomoverschotten waterstof produceren om in een vergistingsinstallatie met 100 % rendement (a.g.v. een betere vergisting) het in de vergister aanwezige CO2 om zetten in extra groen gas (methaan). Energieproductie én een verminderde CO2-uitstoot (vergroting van de productie van kortcyclisch methaan).

 Nu de stroomprijzen steeds vaker negatief worden overwegen veel eigenaren van vergistingsinstallaties, en een biomassaverbrandingscentrale, om te schakelen naar opwerking biogas naar groengas voor levering op het aardgasnet. 

 Nog sterker. In plaats van dan met de biogasmotor nog meer overtollige elektriciteit te produceren zou dan met de dan overtollige elektriciteit uit het stroomnet groene waterstof kunnen worden geproduceerd om daarmee de CO2 in het biogas door microben (archaea) om te laten zetten in extra methaangas (biologische methanisering). Dan kan overtollige zonne- en of windstroom uit het net worden benut voor extra groengas productie én, gezien de extra groengasproductie met het in het biogas aanwezige CO2, dus extra CO2-opname.

Bio methanisering: Organisch materiaal wordt vergist tot biogas (CH4 + CO2) middels vergisting.

Biologische methanisering: De CO2 in het biogas wordt in de vergister met waterstof biologisch omgezet in extra CH4.

Batterij opslag is vooralsnog goedkoper en efficiënter. Ondanks benutting CO2.

 Voor biologische methanisering is naast de CO2 in het biogas waterstof nodig en derhalve een electrolyser. Biologische methanisering kan als opslag van overschotten aan elektriciteit dus alleen goedkoper worden als een elektrolyser per MW goedkoper wordt dan batterijen. Moet er gemiddeld voor 5 uur elektriciteit opgeslagen worden dan moet de elektrolyser per MW dus goedkoper worden dan batterijen voor 5 MWh opslag. 

 Ook energetisch is batterijopslag vooralsnog efficiënter dan de productie van het met H2 gemethaniseerde groengas. Batterijopslag heeft namelijk een roundtriprendement van 90 %.

 Bij biologische methanisering moet de overtollige elektriciteit worden omgezet in waterstof. Dat heeft al een rendement van slechts 70 %. Voor de biologische methanisering zelf hou ik een rendement van 100 % aan. In eerste instantie kan dat niet (elk organisme gebruikt immers zelf energie en is er dus altijd energieverlies) maar het vergistingsproces zal door de omzetting van het zure CO2 beter verlopen. Dan moet tijdens een stroomtekort vervolgens het dankzij extra groengas uitgespaarde aardgas in een STEG centrale vervolgens terug worden omgezet in elektriciteit. Wat een rendement heeft van 50 % (bovenwaarde). Daarmee komt het totale rendement van de bij biologische methanisering gebruikte overschotelektriciteit op 100 % x 0,7 x 0,5 = slechts 35 %.

 Het rendement van biologische methanisering om daarmee later elektriciteit terug te leveren is dus slechts 35 %. De aardgascentrale stoot dan wel (met een garantie van oorsprong) kortcyclische CO2 uit maar CO2-besparing is er ook (nog sterker en dan wel 90/35 is ruim 2½ keer meer) wanneer tijdens een stroomtekort de opgeladen batterijen terugleveren. 

Een biologische Sabatier reactie.

 In 1897 ontdekte Paul Sabatier dat waterstofgas en CO2 (chemisch) kon worden omgezet in methaangas (4 H2 + CO2 --> CH4 + 2 H2O). Het omgekeerde van Steam Methane Reforming dus. Dit betreft dus de chemische omzetting. Daarvoor is heel veel energie nodig voor de productie van de daarvoor benodigde waterstof. De voor het proces benodigde hoge temperaturen en een hoge druk zal verder, net als bij Steam Methane Reforming (25%), ook wel tot extra verliezen leiden. Dit chemisch proces wordt weinig toegepast. Ten eerste wordt er wereldwijd juist veel aardgas omgezet in waterstof als grondstof in de chemische industrie. En als er een overschot aan elektriciteit is kan de hiermee geproduceerde groene waterstof beter omgezet worden in het duurdere methanol (Power to Liquid). Af en toe lees je nog dat je van CO2 ook 'gewoon' brandstof kan maken. Maar die hebben dan nog niet meegekregen dat voor dit, endothermisch, proces en bijkomende omzettingsverliezen meer energie, en dus zelfs meer CO2-uitstoot, nodig is dan dat die power to liquid-brandstof aan CO2-uitstoot zal besparen.

 Er bestaat echter ook biologische methanisering. Daarbij zetten archaea (een microbensoort) die bijvoorbeeld in de pens van een koe CO2 en H2 omzetten in methaangas. Maar het blijkt ook dat deze archaea, naast de vergistingsbacteriën, ook actief kunnen zijn in vergistingsinstallaties. Hiervoor zijn dus niet die zeer hoge temperaturen en zeer hoge druk nodig zoals bij de chemische methanisering van Sabatier en derhalve minder omzettingsverliezen. Nog sterker. Het blijkt dat door de omzetting van CO2 het vergistingsproces verbetert.

 Naar deze biologische methanisering (het woord biomethanisering is voorbehouden aan de gewone vergisting van mest, rioolslib, voedselresten ect) wordt naast het aanverwante Autogeneratieve Hogedruk Gisting (High Presure Anaerobic Digestion HPAD) steeds meer onderzoek gedaan. Beiden hebben als voordeel dat het gas dat de reactor verlaat een hogere concentratie methaangas krijgt (bij een hogere druk lost er meer CO2 op in water. Draai je een flesje frisdrank open dan zie je derhalve dat in de frisdrank opgeslagen CO2 opdwarrelende gasbelletjes vormen). Bij biologische methanisering wordt er bovendien waterstof toegevoegd en wordt een groter deel van de bij de vergisting ontstane CO2 omgezet in extra methaangas.

Deze biologische methanisering heeft vergeleken met een warmtekrachtkoppeling belangrijke voordelen:

1. Er wordt tijdens uren met een (bijna) negatieve prijs geen overtollige elektriciteit meer geproduceerd.
2. Nog sterker. Tijdens deze uren kan met de overtollige elektriciteit uit het elektriciteitsnet extra methaangas worden geproduceerd. Daarvoor moet dan wel met een electrolyser waterstof worden geproduceerd welke dan in de vergister wordt geïnjecteerd. De daarin aanwezige CO2 wordt dan (gedeeltelijk) omgezet in extra methaan.
3. Overtollige elektriciteit wordt dan niet opgeslagen in batterijen maar als 'aardgas' opgeslagen (zie ook punt 10). In plaats van bijvoorbeeld een 5 MWh batterij moet dan geïnvesteerd worden in een 1 MW elektrolyser (en een veilige dosering van waterstof in de biogasreactor).
4. Er is dan alleen een electrolyser nodig en dus geen waterstofnetwerk (en geen batterijen). Na omzetting gaat de opgeslagen energie immers in de vorm van methaan het aardgasnet in.
5. Er hoeft ten tijde van een stroomoverschot dan ook geen waterstofgas worden opgeslagen.
6. Doordat er meer CO2 wordt omgezet in methaangas stijgt de zuurgraad wat ten goede komt aan het vergistingsproces. Ondanks dat de reactie 4 H2 + CO2 --> CH4 + 2 H2O licht exothermisch is (-136 kJ per mol CH4) geeft waterstofinjectie dus een (licht) hogere energieopbrengst door een betere c.q. snellere afbraak van organische stof tot methaan.
7. Bij de opwerking van CO2 naar groengas komt minder CO2 vrij. Voor elke 4 moleculen aan H2 wordt immers één molecuul CO2 uit de biologische koolstofcyclus getrokken welke dan omgezet is in methaan. Bij de verbranding van deze bio-methaan wordt er aan verbranding van fossiele aardgas bespaard en komt er dus minder CO2 vrij.

   

Biologische methanisering staat op plaats C op de waterstofladder maar ... 

 Op de waterstofladder van Michael Liebreich staat deze (micro)biologische methanisering op plaats C en dus onder vervanging van de huidige uit aardgas geproduceerde waterstof voor de productie van bijvoorbeeld N-kunstmest en voor bijvoorbeeld het ontzwavelen in olieraffinaderijen. Lokaal opgewekte waterstof kan daarvoor niet gebruikt worden. Dag-nacht opslag van zonnestroom is efficiënter.

  Maar als er ooit in de zomer voldoende zonnestroom opgeslagen kan worden om Nederland ook 's avonds en 's nachts van zonnestroom te kunnen voorzien (met ook baseload kerncentrales en of energieopslag in gesmolten zout reactoren of HBr-flowbatterijen) is biologische methanisering de beste optie. Bij lokale overschotten aan wind- en of zonneenergie er dan ook geen waterstofnetwerk nodig.

Om alle CO2 met groene waterstof om te zetten in groengas is er een ruim vier keer zwaardere elektriciteitsaansluiting nodig.

 Het ombouwen van een bio-WKK naar groengas injectie voorkomt dat vergistingsinstallaties vaak waardeloze elektriciteit, of zelfs met een negatieve prijs, op het elektriciteitsnet kwijt moeten. Helemaal ideaal zal dus zijn dat de vergistingsinstallatie tijdens deze uren met een (bijna) negatieve prijs zelfs lokale elektriciteitoverschotten gaan gebruiken om groene waterstof te produceren om de CO2 uit het biogas om te zetten in extra groengas. Vaak zal dat echter niet met alle CO2 lukken. Voor biologische methanisering is voor de productie van de benodigde waterstof immers veel meer elektriciteit nodig dan de opbrengst van de biogasmotor. En dat uiteraard alleen als er een stroomoverschot is. Is de elektriciteitsprijs hoog dan is, zonder storende werking van subsidies én een bijmengverplichting als een vorm van oversubsidiëring, omzetting van elektriciteit in extra methaangas immers niet interessant.

 Biogas heeft normaal een CO2 gehalte van 40 tot 50 %. En een biogasmotor heeft een elektrisch rendement van 33 %. Als een warmtekrachtkoppeling een elektrisch vermogen heeft van 1 MW verbruikt de biogasmotor dus 3 MW aan biogas.

 Als het biogas voor 50 % bestaat uit CO2 kan er dus voor 3 MW aan extra methaangas gevormd worden. Daarvoor is echter wel zeer veel elektriciteit nodig voor de productie van waterstof. Heeft de electrolyser een rendement van 70 % dan is er 3 MW / 0,7 = 4.3 MW aan elektriciteit nodig. Dat is dus een ruim vier keer zo zware netaansluiting dan die nodig was om de 1 MW aan elektrisch vermogen van de WKK.

Biomassacentrale BMC Moerdijk. Zonder biologische methanisering al de mogelijkheid om jaarlijks 30 miljoen m3 groengas op het aardgasnet te leveren.

 De in de tweede alinea genoemde biomassacentrale betreft de kippenmestverbrander Bio Massa Centrale Moerdijk (BMC Moerdijk). Hier wordt dus organische stof verbrand om stoom op te wekken waarmee een stoomturbine wordt aangedreven. Deze heeft een elektrisch vermogen van 36 MW en waarschijnlijk een rendement van 40 % (stoomturbine). 

 Als BMC Moerdijk bij de ombouw naar vergisting tevens over zou gaan op biologische methanisering zal die installatie voor de productie van de benodigde waterstof een zwaardere stroomaansluiting moeten krijgen. Nu zal die zwaardere aansluiting op een industrieterrein een veel minder groot probleem zijn dan bij een gemiddelde mestvergistingsinstallatie. De benodigde ruimte voor de elektrolysers zal voor BMC Moerdijk eerder een probleem zijn.

 Het elektrisch rendement van 40 %  van de stoomturbine van 36 MW van deze mestverbrander houdt in dat er dan 36 MW / 0,4 = 90 MW aan organische stof wordt verbrand. Als de biogasvergisting een rendement heeft van 80 % dan zal er dus 90 MW x 0,8 = 72 MW aan biogas ontstaan. Waarschijnlijk dat vergisting van kippenmest een hoger methaangehalte oplevert, stel 70 %. In dat geval is er dus 30 % aan CO2 welke met de toevoeging van groene waterstof omgezet kan worden in methaangas. Daarbij ontstaat voor 72 MW x 30/70 = 31 MW aan extra methaangas. Daarvoor is bij een rendement van 70 % van de electrolyser dus 31 MW / 0,7 = 44 MW aan elektriciteit voor de opwekking van de benodigde groene waterstof nodig. Dat is dus voor de ombouw van deze kippenmestverbrander dus niet de ruim 4 keer zo zware elektriciteitsaansluiting dan bij een gewone (koeienmest)vergister.

 Vergisting van kippenmest heeft ook een ander voordeel want bij verbranding gaat immers ook de stikstofmeststof verloren. Kippenmest is immers zeer geconcentreerd (vooral als 80 % van de organische stof is omgezet in biogas) en kan dan dus makkelijker getransporteerd worden naar akkerbouwgebieden waar geen organische mestoverschot is. BMC Moerdijk houdt het echter bij verbranding van de uitgegiste kippenmest.

 BMC Moerdijk kwam onlangs met het nieuws dat de investering voor ombouw tot een vergister en dus levering van groengas rond is maar dat de provincie Noord Brabant een natuurvergunning weigert. Tijdens de bouw zal namelijk tijdelijk te veel stikstof vrijkomen voor het 20 kilometer zuidelijker gelegen Ulvenhoutse bos (...). Als vergister zou BMC jaarlijks 30 miljoen m3 groen gas kunnen leveren. Ook wil BMC Moerdijk de jaarlijkse 35.000 ton CO2 als vloeibare CO2 verkopen aan glastuinders. Als onder hoge druk (AHPD) vergist wordt is de CO2 immers eenvoudig uit het effluent te winnen (het open getrokken flesje frisdank effect).

Kippenmestverbrander wil nóg duurzamer werken, maar het ‘stikstofslot’ zit in de weg - NRC

Leon Nelen.