Verschillende processen om biomethaan te produceren zijn: (1) anaerobe vergisting gevolgd door opwaardering van biogas en (2) biomassavergassing (syngas) gevolgd door methanisering. Daarnaast kan methaan ook worden geproduceerd door CO2 te combineren met H2 in een Power-to-Methane pathway bij gebruik van uit biomassa verkregen CO2 (3).
Biomethaan
1) Anaerobe vergisting
De samenstelling van het biogas is sterk afhankelijk van de gebruikte inputstromen en het toegepaste proces. Ruwweg bestaat het voornamelijk uit methaan (CH4) en koolstofdioxide (CO2), samen met nog een heel aantal andere elementen in minder hoge concentraties. De opzuivering van biogas tot biomethaan is dan ook voornamelijk gericht op het verwijderen van de aanwezige CO2. De energie-inhoud van het gas is immers direct gerelateerd met de CH4-concentratie. Door het verwijderen van de CO2 stijgt de energie-inhoud tot het gewenste niveau.
Verschillende opzuiveringstechnieken zijn gericht op het verwijderen van de CO2. Sommige technieken zijn geschikt om meteen ook een aantal andere ongewenste elementen te verwijderen, bij andere technieken is eerst een voorzuivering nodig.
Absorptie
Wanneer absorptie wordt gebruikt als opzuiveringstechniek, komt het ongezuiverde biogas in contact met een vloeistof in tegenstroom binnenin een gepakte kolom. Het principe berust op het feit dat CO2 beter oplosbaar is dan methaan. De vloeistof zal de kolom dus verzadigd met CO2 verlaten, terwijl de biogasstroom een hogere concentratie aan methaan heeft. Er bestaan twee types: een waterscrubber en een chemische scrubber. Een waterscrubber maakt gebruik van water onder hoge druk, wat een goedkope en milieuvriendelijke scrubbervloeistof is. Dit type absorptie is zeer selectief omdat de oplosbaarheid van CO2 en methaan in water sterk verschilt. Een chemische scrubber gebruikt een chemische scrubbervloeistof (amines, glycol,…), die een hoger absorberend vermogen heeft dan water. De scrubbervloeistof wordt geregeneerd in desorptiekolom.
Pressure Swing Adsorption
Bij deze techniek wordt CO2 verwijderd door adsorptie onder hoge druk op een moleculaire zeef. Het adsorptiemateriaal bestaat meestal uit actief kool of zeolieten. De kolom kan opnieuw geregeneerd worden onder lage druk. Het is een compact systeem met een lage investeringskost.
Membraanscheiding
Bij membraanscheiding worden de verschillende gascomponenten gescheiden door een verschil in permeabiliteit doorheen het membraan. De membranen zijn permeabel voor CO2, H2O en NH3 en maar zeer beperkt voor CH4. Om een voldoende opzuivering te verkrijgen, worden er meestal verschillende membranen achter elkaar geplaatst.
Cryogene scheiding
Cryogene scheiding is een beloftevolle techniek waarbij de scheiding gebeurt op basis van de verschillende condensatiepunten van de aanwezige stoffen. Hierdoor worden zeer zuivere eindproducten bekomen. De hoge investeringskost en de hoge energievraag zijn momenteel nog de grootste struikelblokken voor de verdere implementatie van deze techniek.
2) Biomassa gasificatie
Het proces van biomassavergassing gebruikt houtachtige biomassa als grondstof en past hoge temperaturen toe van 700-800 °C en hoge druk in een zuurstofarme omgeving. Dit resulteert in een mengsel van gassen zoals CO, H2 en CH4, syngas genoemd. In het methaniseringsproces wordt dit syngas gereinigd en de daaropvolgende methanisatiestap produceert zuiver biomethaan en verwijdert CO2, H2O en andere ongewenste componenten.
3) Power-to-Methane
Het Power-to-Methane proces is een manier om hernieuwbare elektriciteitsoverschotten in gasvorm (methaan) op te slaan. Deze elektriciteitsoverschotten worden gebruikt voor elektrolyse, waarbij H2O wordt gehydrolyseerd tot H2. CO2 wordt gebruikt voor de methanisatie van H2. Die CO2 kan men verkrijgen uit op biomassa gebaseerde processen (vb. productie van biogas of bio-ethanol), uit de omgevingslucht of uit het rookgas van installaties op fossiele brandstoffen. Afhankelijk van de CO2-bron is het verkregen methaan ofwel een biobrandstof, hernieuwbare brandstof van niet-biologische oorsprong of een brandstof met gerecycleerde koolstof. Allemaal hebben ze voordelen voor de uitstoot van broeikasgassen ten opzichte van fossiel methaan.
CO2-valorisatie
Een bijproduct van de opwerking van biogas naar biomethaan, is een redelijk zuivere en geconcentreerde CO2-stroom. De valorisatie van deze CO2-stroom kan mogelijks extra inkomsten opleveren voor de biogasuitbater. Zowel in de landbouw als in de industrie is er immers vraag naar zuivere CO2 voor uiteenlopende toepassingen: meststof in glastuinbouw, additief in
levensmiddelenindustrie, koelmiddel, zuur reagens en chemische bouwsteen. Ervaringen uit het buitenland leren dat een hoge kwaliteit nog moeilijk te behalen is, waardoor de afzetmogelijkheden nog beperkt blijven. Daarnaast is er ook een vrij hoge investeringskost voor de opzuivering en moet deze vaak aan kwaliteitseisen voldoen (vb. food grade kwaliteit). De rendabiliteit van CO2-valorisatie hangt af van afzetmarkten in de buurt, de zuiverheidsgraad en productiekosten van biomethaan en CO2.
Innovatieve biomethaantechnologieën
Op heden zijn er heel wat projecten lopende waar verschillende innovatieve biomethaantechnologieën worden gedemonstreerd. Zo is er het SEMPRE-BIO project waar er drie case studies (CS) worden opgezet om verschillende kosteneffectieve technologieën voor de productie van biomethaan te demonstreren.
CS1: Afvalwaterzuiveringsinstallatie (Spanje): kleinschalige biogas-naar-biomethaaninstallatie, met combinatie van CO2-biomethanisatie en protonuitwisselingsmembraanwaterelektrolyse
CS2: Green Waste Treatment Plant (Frankrijk): kleinschalige (hout)afval-naar-biomethaaninstallatie, met combinatie van pyrolyse en syngasbiomethanisatie, met opzuivering naar biomethaan
CS3: Melkveebedrijf (België): schaalverkleining van een oplossing die bio-LNG en vloeibaar CO2 kan produceren uit biogas, met integratie van het opzuiveringsproces op boerderijschaal. Biogas-E is hierbij betrokken.
Andere projecten rond demonstratie van innovatieve biomethaanproductie als energiedrager en brandstof zijn: BIOMETHAVERSE, HYFUELUP en METHAREN.
Biomethaan in Vlaanderen
Vandaag is er vooral belangstelling voor biogas/biomethaan door de hoge gasprijs en het duurzaam en hernieuwbare karakter van het groene gas. Ook in Vlaanderen zijn er reeds biomethaaninstallaties operationeel.
2018: IOK Afvalbeheer in Beerse injecteert als eerste Vlaamse biomethaan in het openbare gasnet
2021: Opstart biomethaaninstallatie op huishoudelijk afvalwaterslib bij RWZI Aquafin Antwerpen-Zuid
2022: REPowerEU-plan introduceert biomethaantarget van 350 TWh tegen 2030 --> stimulans vanuit Europa
2022: Verko opent op bedrijfssite in Appels een nieuwe vergistingsinstallatie om het ingezamelde GFT-afval te vergisten voor compostering
2023: Bio Blue Ieper injecteert als eerste Vlaamse agro-industriële installatie biomethaan in het gasnet
Voor een uitgebreid overzicht van de Vlaamse biogassector kan u het Biogas-E Voortgangsrapport (gratis voor leden) raadplegen.