BIO(LOGISCHE) METHANISERING. NEGATIEVE STROOMPRIJZEN BEVORDERT OMBOUWEN VAN WKK NAAR GROENGAS.
Nu de stroomprijzen steeds vaker negatief worden overwegen veel eigenaren van vergistingsinstallaties, en een biomassacentrale (verbranding), om te schakelen naar opwerking van het biogas naar groengas voor levering op het gasnet. Nog sterker. In plaats van dan met de biogasmotor nog meer overtollige elektriciteit te produceren zou met de dan overtollige elektriciteit uit het stroomnet geproduceerde groene waterstof de CO2 middels biologische methanisering kunnen worden omgezet in extra methaangas.
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 omgezet in extra CH4.
In 1897 ontdekte Paul Sabatier dat waterstofgas en CO2 (chemisch) kon worden omgezet in methaangas (4 H2 + CO2 --> CH4 + 2 H2O). Dit betreft dus de chemische omzetting. Daarvoor is heel veel energie nodig voor de productie van waterstof en voor de hoge temperaturen en een hoge druk (en dito verliezen). Dit chemisch proces wordt weinig toegepast. Ten eerste wordt er wereldwijd als grondstof voor de chemische industrie juist veel meer aardgas omgezet in waterstof. 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 proces door de omzettingsverliezen meer energie, en dus CO2-uitstoot, nodig is dan dat die power to liquid brandstof oplevert.
Er bestaat echter ook biologische methanisering. Daarbij zetten archaea (eencelligen verwant aan bacteriën) bijvoorbeeld in de pens van een koe CO2 en H2 om in CH4. Maar het blijkt ook dat deze archaea, naast de vergistingsbacteriën, ook actief kunnen zijn biogasvergistingsinstallaties. Hiervoor zijn dus niet die zeer hoge temperaturen en zeer hoge druk nodig zoals bij de chemische methanisering.
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 biogas een hogere concentratie methaangas krijgt. Wordt er bovendien waterstof toegevoegd dan wordt een groter deel van de bij de vergisting ontstane CO2 dus omgezet in extra methaangas.
Deze biologische methanisering heeft vergeleken met een warmtekrachtkoppeling belangrijke voordelen:
- Er wordt tijdens uren met een (bijna) negatieve prijs geen overtollige elektriciteit meer geproduceerd.
- 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 in de vergister wordt geïnjecteerd. De daarin aanwezige CO2 wordt dan omgezet in methaan.
- Overtollige elektriciteit wordt dan niet opgeslagen in batterijen maar als 'aardgas' opgeslagen. In plaats van bijvoorbeeld een 5 MWh batterij moet dan geïnvesteerd worden in een 1 MW elektrolyser. Bijvoorbeeld een HBr-flowbatterij met zowel voor de elektrolyser- als de brandstofcelfase een rendement van 84 % (roundtrip 70 %). Deze zal dan voor de brandstofcelfase wel voorzien moeten worden van een aardgasreformer voor de dan noodzakelijke teruglevering van waterstof.
- Door de hogere druk neemt het gehalte aan methaan in het biogas toe. Bij een hogere druk lost CO2 (en het rotte eierengas H2S) beter op in het water dan CH4. Het biogas is daardoor rijker aan methaan en het kost dus minder moeite om het biogas op aardgaskwaliteit te krijgen.
- Door de hogere druk (tot 20 bar) is het groene gas ook makkelijker in het aardgasnet te injecteren.
- Er is dan alleen een electrolyser nodig en dus geen waterstofnetwerk. Na omzetting tot methaan gaat het gas immers het aardgasnet in.
- Er hoeft ten tijde van een stroomoverschot ook geen waterstofgas worden opgeslagen.
- 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 afbraak van organische stof.
- Bij de opwerking naar groengas komt minder CO2 vrij. Voor elke 4 moleculen aan H2 wordt dus één molecuul CO2 uit de biologische koolstofcyclus getrokken welke dan omgezet is in methaan. Bij de verbranding van deze bio-methaan wordt de verbranding van het fossiele aardgas bespaard en komt er dus minder CO2 vrij.
Biologische methanisering staat op plaats C op de waterstofladder.
Op de waterstofladder van Michael Liebreich staat deze (micro)biologische methanisering op plaats C dus onder vervanging van de huidige uit aardgas geproduceerde waterstof voor de productie van bijvoorbeeld N-kunstmest en voor olieraffinaderijen. Toch zal naar mijn mening toepassing van lokale overschotten aan elektriciteit voor waterstofproductie voor biologische methaniserings interessanter zijn omdat er bij deze lokale toepassing er geen waterstofnetwerk nodig is.
Er is wel een ruim vier keer zwaardere elektriciteitsaansluiting nodig om alle CO2 met groene waterstof om te zetten in methaan.
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 immers veel meer elektriciteit nodig dan de opbrengst van de biogasmotor.
Biogas heeft normaal een CO2 gehalte van 40 tot 50 %. Een biogasmotor heeft immers een elektrisch rendement van 33 %. Als een warmtekrachtkoppeling een elektrisch vermogen heeft van 1 MW verbruikt de biogasmotor dus 3 MW aan biogas (methaan, CO2 heeft immers geen verbrandingswaarde).
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.
Heeft de electrolyser een rendement van 70 % dan is er dus 3 MW / 0,7 = 4.3 MW aan elektriciteit nodig. Dat is dus een vier keer zo zware netaansluiting.
Biomassacentrale BMC Moerdijk. 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 de 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). Hier wordt de rekensom anders want bij vergisting wordt immers in tegenstelling tot verbranding niet alle organische stof omgezet. Een elektrisch rendement van 40 % 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 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 kippenmest verbrander dus niet de ruim 4 keer zo zware elektriciteitsaansluiting dan bij een gewone (koeienmest)vergister. Overigens zal deze zwaardere aansluiting niet het probleem zijn voor deze kippenmestvergister aangezien deze op een groot industrieterrein staat. De benodigde ruimte voor de dan te bouwen elektrolyser zal eerder een probleem zijn.
Vergisting van kippenmest heeft ook een ander voordeel want bij verbranding gaat immers anders ook de stikstofmeststof verloren. Kippenmest is immers zeer geconcentreerd (vooral als 80 % van de organische stof is omgezet in biogas) en kan dus makkelijk getransporteerd worden naar akkerbouwgebieden waar geen organische mestoverschot is. BMC Moerdijk houdt het echter bij verbranding.
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.
Leon Nelen.
Reacties
Een reactie posten