NL1041065B1 - Systeem en werkwijze voor het doseren van waterstofgas aan een Autogenerative High Pressure Digestion installatie met als doel om bij hoge druk kooldioxide biologisch om te zetten in extra methaan. - Google Patents

Abstract

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een systeem en werkwijze die bedoeld is om nuttig gebruik te maken van de kooldioxide die vrijkomt bij het AHPD proces dat door Zagt Zelf BV is gepatenteerd en waartoe octrooi is verleend op 13 oktober 2010 onder nummer 1037103. De onderhavige vinding reduceert de hoeveelheid C02 die in eerste instantie in het AHPD proces wordt gevormd uit de omzetting van substraat, door het toevoegen van extra waterstof uit een externe bron. Daardoor zal zowel de hoeveelheid methaan als de methaanconcentratie toenemen. Tegelijkertijd wordt de uitstoot van kooldioxide evenredig verminderd.

Description

Systeem en werkwijze voor het doseren van waterstofgas aan een Autogenerative High Pressure Digestion installatie met als doel om bij hoge druk kooldioxide biologisch om te zetten in extra methaan.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een systeem en werkwijze die bedoeld is om nuttig gebruik te maken van de kooldioxide die vrijkomt bij het AHPD proces dat door Zagt Zelf BV is gepatenteerd en waartoe octrooi is verleend op 13 oktober 2010 onder nummer 1037103. R.E.F. Lindeboom heeft over het AHPD proces een proefschrift (ISBN 978-94-6173-860-8) geschreven dat op 27 februari 2014 succesvol is verdedigd aan Wageningen Universiteit. AHPD is een continu proces waarbij organische substraten (zoals bijvoorbeeld biomassa, afvalwater, zuiveringsslib) in een gesloten reactor worden geinjecteerd en daarin middels biokatalyse worden omgezet in onder andere kooldioxide en methaangas. Als gevolg van de biologische gasproductie in de gesloten reactor wordt druk opgebouwd zoals is weergegeven in figuur 1 en figuur 2. Vanwege de wet van Henry worden in groengas ongewenste componenten zoals kooldioxide en zwavelwaterstof opgelost in de waterfase. AHPD produceert derhalve groengas met een methaangehalte van 80-99% uit organische substraten onder biologisch opgebouwde druk. Naast afscheiding van het geproduceerde gas en het uitgegiste slib wordt separaat de waterfase uit de AHPD reactor afgevoerd terwijl de deeltjes zoveel mogelijk binnen blijven. Indien bij de afscheiding van water en deeltjes in een voordelige uitvoering een filter of membraan wordt toegepast wordt de résulterende waterstroom "permeaat" genoemd. Na verlaging van de druk van deze permeaatstroom door bijvoorbeeld een restrictie, een drukwisselaar, of een andere voordelige uitvoering, komen de onder druk opgeloste gassen weer vrij uit de waterstroom of het permeaat. Dat gasmengsel bestaat uit voornamelijk kooldioxide (C02) maar ook een fractie zwavelwaterstof (H2S) en een fractie methaan (CH4) en ammoniak (NH3). Deze qua druk gereduceerde stroom wordt ingevoerd bovenin een gasstripper met als doel de gassen zo veel mogelijk uit het water of permeaat te verwijderen. Een kenmerkende voordelige uitvoering van het AHPD proces is opgenomen als figuur 3.

De onderhavige vinding reduceert de hoeveelheid C02 die in eerste instantie in het AHPD proces wordt gevormd uit de omzetting van substraat, door het toevoegen van extra waterstof uit een externe bron. Deze andere bron kan zijn een stroom of reststroom waterstofgas uit een conventioneel fysisch-chemisch proces, dan wel waterstof dat doelbewust tegen lage kosten duurzaam is geproduceerd uit bijvoorbeeld windenergie of zonnestroom, tijdens piekmomenten waarbij de stroomprijs laag is als gevolg van vraag en aanbod of als gevolg van overcapaciteit op het elektriciteitsnet. Daardoor ontstaat een zogenaamd "Power-to-Gas" systeem, hetgeen voordelig is vanwege de eigenschap dat methaangas gemakkelijker dan stroom kan worden opgeslagen in de bestaande aardgas infrastructuur.

De werking van de vinding is gebaseerd op een microbiologische proces waarbij bepaalde bacterién waterstof en kooldioxide in de verhouding 4:1 combineren tot methaan en water in de verhouding 1:2 en daarmee energie voor hun groei produceren volgens de formule: "4H2 + C02 => CH4 + 2 H2 + Energie". Over dit biologische proces is bijvoorbeeld in 1984 gepubliceerd door Jan T. Keltjens (Anthony van Leeuwenhoek 50 (1984) 383-396. Uit de literatuur blijkt dat de injectie van extra waterstof bovendien de reductie van sulfaat tot sulfide kan bevorderen, ook een doel van het onderhavige AHPD proces.

Door het toevoegen van waterstof aan een AHPD systeem ontstaat een AH2PD systeem waarvan een kenmerkende uitvoering is weergegeven in figuur 4. Het voordeel hiervan is, dat de oplosbaarheid van gassen onder invloed van de druk in de AHPD reactor volgens de wet van Henry groter is dan in conventionele Power-to-gas systemen met lagere druk. In een AHPD systeem dat volgens een voordelige uitvoering functioneert bij 20 bar zal derhalve een factor 20 meer gas kunnen worden opgelost. Doordat de benodigde gasvormige substraten waterstof en kooldioxide als gevolg van de wet van Henry bij een bepaalde druk in evenredig aan die druk verhoogde concentraties aanwezig zijn zal zowel de hoeveelheid methaan, de productie snelheid ervan, als het rendement van de methaanvorming toenemen ten opzichte van conventionele systemen bij lage druk. Tegelijkertijd neemt de hoeveelheid kooldioxide die in eerste instantie met AHPD zonder waterstofinjectie was geproduceerd af, evenredig met de hoeveelheid via extra waterstof geproduceerd methaan. Hierdoor wordt de uitstoot van kooldioxide evenredig verminderd. Tevens neemt de concentratie van het oogstbare methaan toe vanwege de reductie van de hoeveelheid kooldioxide en de grotere productie van methaan. De concentratie methaan in het uiteindelijk geproduceerde groene gas kan hierdoor verhoogd worden tot waarden tot maximaal 100% methaan hetgeen de commerciéle toepasbaarheid sterk vergroot.

Het systeem bevat een AHPD reactor volgens een voordelige uitvoering waaraan is toegevoegd een injectiepunt of een elektrode voor het doseren van waterstofgas. Het AH2PD systeem bevat tenminste een meting om de waterstofconcentratie in het systeem te meten. Het systeem bevat een meet- en regelsysteem om de verschillende processtappen op elkaar af te stemmen en te monitoren.

In plaats van waterstof kunnen in een voordelige uitvoering ook vrije elektronen worden toegevoegd conform het mechanisme dat wordt beschreven in het proefschrift van dr. Mieke C.A.A. van Eerten-Jansen getiteld: "Bioelectrochemical methane production from C02" met ISBN nummer 978-94-6257-006-1, verdedigd aan Wageningen Universiteit op 19 september 2014. In dat geval wordt geen extra waterstof gedoseerd maar vrije elektronen die uiteindelijk met een hoger rendement hetzelfde effect veroorzaken.

Literatuurlijst

Wetenschappelijke publicaties

Autogenerative high pressure digestion: Anaerobic digestion and biogas upgrading in a single step reactor system. Water Science and Technology, 64 (3), 647-653.

Lindeboom, R.E.F., Weijma, J., and van Lier, J.B., (2012). High-calorific biogas production by selective C02 retention at autogenerated biogas pressures up to 20 bar. Environmental Science & Technology, 46(3), 1895-1902.

Lindeboom, R.E.F., Ferrer I., Weijma, J. and van Lier J.B., (2013) Silicate minerals for C02 scavenging from biogas in Autogenerative High Pressure Digestion, Water Research, DOI:http://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2013.04.028.

Jan T. Keltjens, Coenzymes of methanogenesis from hydrogen and carbon dioxide. Anthony van Leeuwenhoek 50 (1984) 383-396. Lindeboom R.E.F., PhD Thesis Wageningen University and Research Centre, 27-02-2014, ISBN no. 978-6173-860-8.

Van Eerten-Jansen, C.A.A., PhD Thesis Wageningen University and Research Centre, 10-09-2014, ISBN no. 978-94-6257-006-1.

Conferentie-proceedings

Anaerobic Fermentations, Goldschmidt Conference, Knoxville, Tennessee, USA (poster).

Lindeboom, R.E.F., Fermoso, FG, Weijma, J, Zagt, K & Lier, JB van (2010). Autogenerative high pressure digestion: a new concept for biogas upgrading, in s.n. (Ed.), IWA world conference on anaerobic digestion (pp. 1-8). Guadelajara: IWA. Lindeboom, R.E.F., Fermoso, F.G., J. Weijma, K. Zagt and J.B. van Lier (2010). Autogenerative High Pressure Digestion: anaerobic digestion and biogas upgrading in a single step reactor system. In: Proc. Of IWA Int. Water and Energy Conference, November 10-12, 2010, Amsterdam, The Netherlands. Lindeboom R.E.F. , Weijma J., Zagt, K., and J.B. van Lier, 2011, 'Biogenic Natural Gas' Formation in a Pressurized Lab Scale Reactor, Goldschmidt Conference, Prague, Czech Republic.

Lindeboom R.E.F , Zagt, C.E., Weijma, J., and van Lier, J. B., 2011, Operational implications of Autogenerative High Pressure Digestion, IWA-Young Water Professionals conference, Leuven, Belgium.

Lindeboom R.E.F., 2013, High pressure digestion, 65e vakantiecursus in Drinkwater en Afvalwater, TuDelft.

Vakliteratuur en rapportages

Zagt, K., Barelds, J., Lindeboom, R.,Weijma, J.,Plugge, C., Van Lier, J. (2010) Energie uit rioolwater en keukenafval bij hoge druk, H20.

Claims (1)

1. Systeem voor het op biologische wijze verhogen van de methaanconcentratie door de injectie van extra waterstof in een hoge druk vergistingproces zoals AHPD, het systeem omvattende: een hoge druk vergisting zoals bijvoorbeeld een AHPD installatie; - tenminste een injectiepunt op een voordelige plaats voor het doseren van waterstof; een meting ten behoeve van het meten van de waterstofconcentratie in het systeem; een besturingssysteem voor het aansturen van het proces.