latest developments in biogas cleaning and upgrading technologies - prof. dr.-ing. frank scholwin

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www.biogasundenergie.de Developments in Biogas Cleaning & Upgrading Technologies Frank Scholwin (Ins>tute for Biogas, Waste Management & Energy, Weimar) Johan Grope (Ins>tute for Biogas, Waste Management & Energy, Weimar) 01.10.2014 Nür>ngen

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Presentation given at the Conference of the European Biogas Association 2014.

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Page 1: Latest Developments in biogas cleaning and upgrading technologies - Prof. Dr.-Ing. Frank Scholwin

www.biogasundenergie.de  

Developments  in  Biogas  Cleaning  &  Upgrading  Technologies    

Frank  Scholwin  (Ins>tute  for  Biogas,  Waste  Management  &  Energy,  Weimar)  Johan  Grope  (Ins>tute  for  Biogas,  Waste  Management  &  Energy,  Weimar)    

01.10.2014   Nür>ngen  

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       ©  2014  Ins>tut  für  Biogas,  KreislaufwirtschaN  &  Energie,  Prof.  Dr.-­‐Ing.  Frank  Scholwin                                              www.biogasundenergie.de  

Ins>tute  for  Biogas,  Waste  Management  and  Energy  

Scien2fic  Consul2ng  

Expert  reviews  

Energy  

Waste  Manage-­‐ment  

Biogas  technology  

virtual  ins2tute      

Prof.  Frank  Scholwin    &  

associated  experts  

Services  for    systems  integra2on.  

 Networking.  

 Knowledge  Transfer.  

   Publica2on.  

Long  term    experiences    in  consul2ng    and  research.  

 Na2onal  and    interna2onal    

mulidisciplinary    network.  

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A  view  into  the  early  history  

1981                                                                      1986                                                                      1993  

US                                                  NZ  

Water  Scrubber  

NL  

Selexol  

Landfill  &  Sewage  sludge  gas  

Membrane  PSA  

1   5  11  units  

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A  view  into  the  early  history  –  drivers  &  compe>>on  

1981                                                                      1986                                                                      1993  

US                                                  NZ  

Alterna2ve  use  of  local  available  (renewable)  fuel  

NL  

R&D  ac2vi2es  

1   ~3  ~5  suppliers  

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A  view  into  the  developing  history  

1993                                                                      1998                                                                        2003  

S  

Water  Scrubber  

F  

Chemical  scrubbers  

Landfill  &  Sewage  sludge  gas                                                        +  organic  waste,  manure….  

Membrane   PSA  

11   19   39  units  IS  

CH   CAN  N  

Organic  scrubbers  

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A  view  into  the  developing  history  –  drivers  &  compe>>on  

1993                                                                      1998                                                                        2003  

~5   ~8  ~10  suppliers  

Alterna2ve  use  of  local  available  renewable  fuel  

R&D  ac>vi>es   Strategic  enforcement  &  incen2ves  

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A  view  into  the  last  years  history  

2003                                                                      2008                                                                        2014  

S  

Water  Scrubber  

A  

Amine  scrubbers  

Landfill  &  Sewage  sludge  gas              +  organic  waste,  manure….                                                                        +  energy  crops  

Membrane  PSA  

39  

130  280  units  

E  

CH  J  

D  

UK,  I,  Asia,  N  ?  Organic  scrubbers  

N   UK  

FIN   I   DK  

Many  more….  

BRA  India  

NL  

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A  view  into  the  last  years  history  –      drivers  &  compe>>on  

2003                                                                      2008                                                                        2014  

~10  ~12  

~40  suppliers  

Increased  use  of  the  only  available  alterna2ve  to  natural  gas  

Strategic  enforcement  &  incen2ves  

Strong  environmental  requirements  Intensive  compe22on  

New  markets  

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!   Independent  on  applica>on,  cleaning  is  most  important  to  reduce  maintenance  &  upgrading  costs  

!   Biogas  drying:  technical  drying  promises  less  corrosion  &  longer  maintenance  intervals,  zeolites  are  an  op>on  

! Desulphurisa>on:  no  clear  trend  !   Internal  biological:  cost  efficient  for  1st  stage;  but  N2-­‐source  !   Internal  chemical:  costly  ! External:  most  efficient  •  Biological  processes  •  Adsorp>on  

!   O2  removal  with  ABC4O7  materials    A  =  rare  earth  element;  B  =  Barium    C  =  Cobalt  

Developments  –  biogas  cleaning    

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!   All  required  gas  specifica>ons  of  European  gas  grids  can  be  fulfilled  

!   High  pressure  transmission  &  underground  gas  storages:  oxygen  concentra>on  requirements  s>ll  a  challenge  

!   All  impuri>es  can  be  reduced  to  the  detec>on  limits  Ø  Landfill  gas  upgrading  is  an  increasing  topic  (out  of  central  

Europe)  

!   Development  of  methods  and  measurement  standards  (e.g.  European  Metrology  Research  Programme)  

Developments  –  upgraded  gas  quality  

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Market  share    

Source:  Persson  2014,  IEA  task  37  

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! Increased  environmental  requirements  &  cost  efficiency  are  drivers  

!   Slip  is  reduced  from  ~10  %  in  the  first  plants  to  less  than  2  %  at  all  technologies  today  

!   <  1%  at  water  scrubbers,  membranes  with  more  stages,  organic  scrubbers  

!   <  0.1%  amine  scrubbers  ! Increased  selec>vity  of  membranes    ! Typically  less  than  0.5%  can  be  guaranteed  ! Regularly  used  for  process  heat  supply  !   Oxyda>on  technologies  available  at  all  technology  suppliers  

Developments  –  methane  slip  

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! Increased  environmental  requirements  &  cost  efficiency  are  drivers  for  R&D  ac>vi>es  

! Decreased  opera>onal  pressures  (water  scrubber,  amine  scrubber,  organic  scrubbers,  PSA)  

! Decreased/op>mised  temperature  (water  scrubber,  amine  scrubber  –  e.g.  desorp>on  with  vacuum  at  temperatures  below  100  °C)  

! Use  of  internally  availabel  heat  sources  (e.g.  compressors)  ! Combina>on  of  both  (amine  scrubber)  for  site  adap>on  ! Improved  amine  mixtures  &  enzyme  addi>ves    ! Electricity  demand  <  0,2  kWh/m³  offered  

Developments  –  energy  consump>on  

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!   LNG  market  develops  –  LBG  is  an  addi>onal  op>on  for  biogas  •  Higher  energy  density  •  Increased  efforts  &  energy  demand  for  produc>on  

!   Pure  Liquid  Carbon  Dioxide  as  valuable  by  product  ! Synergies  with  PtG  technologies  and  gasifica>on  ! Biomethane  as  carbon  resource  in  Biorefineries      

Developments  –  new  markets  

Some key figures

• Investment 20 MEUR incl. 4 MEUR from State Subsidy

• Condensation requires 1 kWh per Nm3 biomethane

• Three times as much energy per volume unit. (vs. biogas at 200 bar)

• 2 – 5 times as much energy on each transport.

• 5,75 kWh/liter LBG • LNG/LBG-blend is competitive! • Operational since April 2012

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!   Technology  combina>ons  offer  improved  opera>onal  performance  or  bener  product  quality  

! Waste  heat  u>lisa>on  (e.g.  from  compressors  &  RTO)  !   Small  scale  upgrading  seems  to  have  a  market  (membranes,  water  

scrubber,  PSA)  ! Upgrading  technologies  go  towards  low  cost  solu>ons  outsides  

Europe  (Brazil,  India)  ! Landfill  gas  will  play  an  increasing  role  (out  of  central  Europe)  !   South  America  and  Southeast  Asia    

seem  to  be  the  most    growing  markets.  

Developments  –  technologies  &  synergies  

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! Cryogenic  gas  separa>on:  1  pilot  plant    !   High  pressure  water  scrubber:  small  scale  applica>ons  are  working  ! Some  technologies  in  research  scale    

•  PCC  precipitated  calcium  carbonate;    •  internal  enrichment,  pressurised  fermenta>on    •  Ash  filter  (CO2  is  fixed  by  calcium  oxide  under  the  forma>on  

of  calcite)  •  Temperature  swing  adsorp>on  •  Solid  state  amine  adsorp>on  

! Upgraded  biogas  will  play  a  role  in  Power  to  Gas  technologies    •  Renewable  CO2  source    •  Combined  with  electrolysers  increased  methane  yields  

(microbial  methane  enrichment)  

Developments  –  emerging  technologies  

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Specific  investment  costs  

Source:  Persson  2014,  IEA  task  37  

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Specific  energy  demand  

Source:  Persson  2014,  IEA  task  37  

To  be  observed:  product  gas  is  supplied  at  different  pressures!  

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!   Rapid  market  growth  in  Europe  and  interna>onal  

! Process  efficiency  raised  strongly  in  the  past  

! Energy  demand  and  waste  energy  u>lisa>on  

! Reduced  methane  slip  

! Increased  methane  recovery  

! No  general  advantages  of  a  single  technology  visible  

!   High  dependency  on  the  given  economical  framework  

! Local  situa>on  defines  technology  choice  

 

 

Conclusion  

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Biogas  –  Key  technology  in  Energy  and  material  cycle  of  the  future  

   

Prof.  Dr.-­‐Ing.  Frank  Scholwin    Ins2tute  for  Biogas,  Waste  Management  &  Energy  

 Henßstraße  9,  D-­‐99423  Weimar  Tel              +49  (0)3643  -­‐  7  40  23  64  Mobil        +49  (0)177  -­‐  2  88  56  23  Fax            +49  (0)3643  -­‐  7  40  23  63  [email protected]          

 

www.biogasundenergie.de    

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www.regatec.org    

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