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Methanschlupf

Definition: das Entweichen von Methan in die Atmosphäre, z. B. bei Biogasanlagen und Gasmotoren

Englisch: methane leakage

Kategorien: erneuerbare Energie, Ökologie und Umwelttechnik

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 15.04.2012; letzte Änderung: 25.11.2019

Bei Biogasanlagen können nennenswerte Mengen von Methan (dem Hauptbestandteil des Biogases) entweichen, und zwar nicht nur durch Leckagen, sondern durch den Methanschlupf gewisser Anlagenkomponenten. Dies gilt für Anlagen zur Reinigung des Rohbiogases wie auch für Gasmotoren, mit denen das Biogas verstromt wird. Das Problem besteht nicht nur in einem Verlust an nutzbarer Energie, sondern vor allem darin, dass Methan in der Atmosphäre eine sehr starke Treibhausgaswirkung hat: über 20 Jahre gerechnet ca. 84 mal so stark wie Kohlendioxid (pro kg). Erst im Verlauf von Jahren wird das Methan zu Kohlendioxid und Wasserdampf oxidiert. Deswegen müssen Methanemissionen im Sinne des Klimaschutzes so weit wie möglich minimiert werden.

Man beachte, dass klimaschädliche Methanverluste nicht nur in Gasmotoren auftreten, z. B. in Biogasanlagen auch bei nicht abgedichteten Gärrestlagern und bei der Gewinnung und dem Transport von Erdgas und Erdöl.

Herstellung von Biomethan

Biogas wird teilweise zu Bioerdgas (mit höherem Reinheitsgrad) aufbereitet, um als Biomethan in das Erdgasnetz eingespeist zu werden. Hierfür werden unterschiedliche Verfahren verwendet, insbesondere die Druckwasserwäsche, die Druckwechseladsorption, die Aminwäsche oder die Seloxolwäsche. Hierbei entweichen je nach Verfahren gewisse Anteile des Methans in die Abluft. Nur bei der Aminwäsche sind diese Mengen vernachlässigbar, während es bei der Seloxolwäsche sogar weit über 10 % sein können. Die Druckwasserwäsche und die Druckwechseladsorption liegen mit Werten zwischen 1 % und 8 % dazwischen. Bereits Werte von 1 % sollten jedoch nicht toleriert werden, da sie Klimabilanz der Biogasnutzung erheblich verschlechtern. Gegebenenfalls sollte eine thermische oder katalytische Nachbehandlung der Abluft vorgenommen werden, um das Methanproblem zu lösen. (Für größere Anlagen kommt eine Nachverbrennung in Frage, siehe unten.) Eine relativ einfache Lösung ist es in manchen Fällen, die Abluft einer ohnehin in der Nähe laufenden Verbrennungsanlage zuzuführen.

Gasmotoren

Diverse Arten von Gasmotoren werden genutzt, um Biogas zur Stromerzeugung z. B. in Blockheizkraftwerken zu nutzen. Leider ist die Verbrennung im Motor nicht immer vollständig, so dass ein gewisser Methanschlupf auftreten kann; Methan entweicht dann mit dem Abgas. Die Stärke des Methanschlupfes hängt stark von der Art des Motors ab und ggf. der Abgasnachbehandlung ab, außerdem auch von der Gasqualität und den Betriebsbedingungen:

  • Ottomotoren weisen einen recht geringen Methanschlupf auf – meist weit unter 1 % und damit wenig problematisch, vor allem beim Betrieb mit Erdgas oder Bioerdgas.
  • Zündstrahlmotoren, die für Biogas häufig eingesetzt werden, können dagegen einen viel höheren Methanschlupf von z. B. 1 bis 2 % haben.
  • Im Teillastbetrieb und bei schlechter Gasqualität (geringem Methananteil, was zu schlechterer Verbrennung führt) kann der Methanschlupf stark ansteigen.
  • Im Prinzip kann auch ein Oxidationskatalysator Methan oxidieren, und damit weitgehend unschädlich machen kann. (Es verbleibt nur die viel schwächere Klimawirkung des Kohlendioxids.) Jedoch wurde verschiedentlich berichtet, dass eine nennenswerte Reduktion messtechnisch nicht bestätigt wurde (selbst bei guter Wirksamkeit gegen Kohlenmonoxid). Die Reduktionswirkung dürfte zumindest stark von diversen technischen Details abhängen, insbesondere vom Verbrennungsluftverhältnis des Motors.

Methanreduktion durch Abgasnachbehandlung

Die einzige bekannte sehr gut wirksame Maßnahme der Abgasnachbehandlung von Gasmotoren zwecks Methanreduktion ist die thermische Nachverbrennung (TNV). Hier werden Methan und andere unerwünschte Kohlenwasserstoffe bei Temperaturen von meist über 750 °C zu Kohlendioxid und Wasserdampf oxidiert. Auch eine starke Reduktion von Formaldehyd-Emissionen, wie sie bei Biogasanlagen oft auftreten, ist damit möglich.

Das Roh-Abgas wird hier z. B. mit Hilfe der Verbrennung von zusätzlichem Biogas stark erhitzt, was die Oxidation ermöglicht. Eine Wärmerückgewinnung z. B. mit einem Wärmeübertrager reduziert den dafür notwendigen Brennstoffbedarf z. B. auf rund 2 % des Verbrauchs der Gesamtanlage. Die gesamte Energieeffizienz der Anlage wird also durch die Nachverbrennung nur geringfügig reduziert.

Leider sind die Kosten für Nachverbrennungsanlagen bisher noch hoch, so dass ein Einsatz bei kleineren Biogasanlagen oft nicht in Frage kommt.

Siehe auch: Methan, Biogas, Biomethan, Klimaschutz, unverbrannte Kohlenwasserstoffe
sowie andere Artikel in den Kategorien erneuerbare Energie, Ökologie und Umwelttechnik

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Kommentare von Lesern

04.09.2019

Vielen Dank für diese informative Seite!

Wie groß ist denn der Gasschlupf bei Power-to-Gas Anlagen (Elektrolyseuren)?

Ist es richtig, dass dieser hier maßgeblich in peripheren Anlagenteilen wie Speichern und Verdichtern stattfindet und bei der Elektrolyse vernachlässigbar ist? Und kleiner als bei den hier dargestellten Techniken?

Antwort vom Autor:

Bei der Elektrolyse entsteht ja nur Wasserstoff. Erst vom nächsten Schritt an – der Methanisierung – könnte Methan freigesetzt werden. Am ehesten kommen hierfür Lecks von Leitungen und Speichern infrage sowie bei Verbrauchern, etwa Gasmotoren.

15.11.2019

Wenn der Grundstoff / Biomasse normal in der Natur verrottet, wird ja komplett alles Methan in die Umwelt entlassen. Insofern ist der Schlupf ja absolut unerheblich.

Antwort vom Autor:

Nein, das trifft in der Regel nicht zu. Bei der biologischen Zersetzung wird Kohlenstoff aus Biomasse weitgehend zu Kohlendioxid, nicht etwa zu Methan, außer unter speziellen Bedingungen (Vergärung unter Sauerstoffmangel).

Über Methanschlupf reden wir ohnehin dort, wo wir methanreiche Gase wie Erdgas oder Biogas erzeugen oder in Maschinen verwerten. Selbstverständlich ist es wichtig, dass hierbei möglichst wenig Methanschlupf auftritt, und die alternative Möglichkeit einer biologischen Zersetzung ist hier nicht relevant.

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