Met AH2PD, een autogeneratieve hogedrukvergister met waterstofdosering, kan uit rioolslib en organische-afvalstromen in één stap schoon groengas worden geproduceerd. AH2PD heeft bovendien een zeer interessante batterijfunctie; uit wind en zon geproduceerde energie kan efficiënt worden omgezet en opgeslagen in methaan, voor gebruik op een later tijdstip.
Download hier de pdf van dit artikel
Geschreven door August Rodermans (Pandam.me), Kirsten Zagt (Bareau BV), Gert Jan Euverink (Rijksuniversiteit Groningen)
Autogenerative High Pressure Digestion (AHPD) is een tweede-generatie gistingstechnologie die gebruik maakt van biologische drukopbouw waarmee in één stap biogas van aardgas-kwaliteit kan worden geproduceerd. Dit groene gas kan zonder nabewerking direct in het bestaande gasnet worden geïnjecteerd. Bareau BV heeft de technologie, in samenwerking met de TU Delft, Wageningen UR, Rijksuniversiteit Groningen, GasTerra en het Wadddenfonds, in een proeffabriek getest, doorontwikkeld en verfijnd. Hieruit is een aantal octrooien ontstaan. In 2030 zou twee miljard kubieke meter groen gas kunnen worden geproduceerd.
In het AHPD-proces zetten barofiele (drukminnende) bacteriën, door middel van anaerobe omzetting, organische afvalstromen (zoals zuiveringsslib en organisch keukenafval) om in groengas. Daarbij wordt zonder gebruik te maken van pompen (autogeneratief) een druk opgebouwd van ongeveer 20 bar. Dit gebeurt in een continue anaerobe membraan-bioreactor (An-MBR) bij een temperatuur tussen 34°C en 60°C. Het membraan-gebaseerde scheidingssysteem (crossflow) is voorzien van een harenfilter en keramische ultrafiltratie.
De membranen zijn voorzien van een gepatenteerd schoonmaaksysteem om verstopping van de membranen te voorkomen, waarbij een deel van de reactorinhoud ook wordt verwijderd. Vanwege de verregaande afbraak van organisch materiaal in de reactor treedt nauwelijks biofouling van de membranen op; scaling gebeurt ook niet omdat de calcium-, magnesium- en fosfaatzouten alleen neerslaan bij een verhoogde pH, indien als de opgeloste zure gassen ontsnappen als gevolg van een drukverlaging in het permeaat. Deze drukverlaging gebeurt na de membraanpassage, geheel los van het biologische proces en buiten de AHPD-drukreactor.
Proceseigenschappen
Wanneer RWZI-slib als substraat wordt gebruikt, kan een hogere druk dan 20 bar leiden tot koolstofdioxidevergiftiging, doordat de partiële CO2-spanning stijgt tot boven de kritieke waarde van ongeveer 2,3 bar. Bij voeding met zuiveringsslib vindt het AHPD-proces plaats bij een pH van rond 6,3. Er vindt dan een iets tragere methanogenese plaats dan in conventionele gistingen, terwijl er wat meer vetzuren worden gevormd. Dit wordt gecompenseerd door de hoge methaanconcentratie en de verregaande slibafbraak, vooral met de AH2PD-variant waarbij waterstof wordt gedoseerd; dan worden ook de vetzuren weer afgebroken tot methaan.
Wanneer het proces bij de juiste temperatuur wordt uitgevoerd is zonder dosering van waterstof een methaangehalte van 90% haalbaar, mits substraten worden gedoseerd die naast koolhydraten ook ammoniak bevatten. Dit mag afvalwater zijn of zuiveringsslib, organisch keukenafval of varkensmest. Het hoge methaangehalte ontstaat als gevolg van een combinatie van de wet van Henry [1] plus de vorming van onder andere ammoniakcomplexen in het proces, zoals carbamaat en ureum. Zonder deze complexvorming is bij 20 bar, afhankelijk van de temperatuur, een methaangehalte van circa 82% haalbaar.
Het energiegebruik van het AHPD-proces is lager dan dat van alle conventionele processen die gericht zijn op de productie van groen gas uit zuiveringsslib. Om het proces aan te drijven, methaan en koolstofdioxide te scheiden, water door het ultrafiltratiemembraan te persen, gas in het gasnet te injecteren, fosfaat terug te winnen en (zo nodig) slib uit te persen, wordt immers de autogeneratief opgebouwde hoge druk gebruikt. Opwaardering van biogas is niet meer nodig, zodat ook de benodigde investering lager is dan die voor een gecombineerde gisting/biogas-opwerkingsinstallatie.
Afbeelding 1. Vereenvoudigd AH2PD-processchema
Doorbraak: doseren waterstof
Als (groene) waterstof wordt gedoseerd in de AHPD-reactoren (zie afbeelding 1) noemen we dit proces AH2PD. Uit onderzoek blijkt dat het methaangehalte van het geproduceerde groen gas kan worden opgevoerd tot 98%. Waterstof lost bij 20 bar snel op in de reactorvloeistof en wordt daarna actief biologisch opgenomen. De opname van koolstofdioxide is concentratie-afhankelijk en diffusie-gelimiteerd en bepaalt de processnelheid van het AH2PD-proces volgens de Bio-Sabatier-reactie: 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O + energie.
Door waterstofdosering worden aanvankelijk geproduceerde vetzuren alsnog omgezet in CH4 + CO2, neemt de verhouding tussen de vluchtige organische zuren en de buffercapaciteit af (waardoor de vergister robuuster gaat draaien) en stijgt de pH van 6,3 naar 7,2. Vervolgens wordt de opgeloste koolstofdioxide ook met waterstof omgezet in methaan. Als gevolg van de gestegen pH gaat de methanogenesesnelheid omhoog. Dat leidt tot een hogere belastbaarheid van de installatie, een methaanopbrengst en een hogere methaanconcentratie in het productiegas.
De fysisch-chemische omstandigheden in een AHPD-systeem zijn bij uitstek geschikt voor de productie van groen gas. Onder druk lost, volgens de wet van Henry, veel meer koolstofdioxide dan methaan op in de waterfase. Er wordt daardoor een hoge methaanconcentratie bereikt in de gasfase. Bovendien ontstaat als gevolg van de opslag van koolzuur, in de waterfase een hoge buffercapaciteit en een stabiele pH. Het systeem is hierdoor minder gevoelig voor verzuring door de gevormde vetzuren en/of wisselende belastingen. Omdat koolzuur een zwak zuur is, stabiliseert de pH rond de 6,3. Dit ligt binnen de acceptabele bandbreedte voor anaerobe slibgisting. Bij AHPD ontstaan meer vetzuren zonder dat verzuring plaatsvindt.
Een verhouding tussen vluchtige organische zuren en totale anorganische koolstof (FOS/TAC-verhouding) van 1,2 (zonder waterstofdosering) is geen uitzondering. Mogelijk kan dit verschijnsel worden toegepast om vetzuren te produceren. Het permeaat van de crossflowmembranen van de AHPD-reactor ruikt als uitgegist slib, lijkt op bier – ook qua productieproces – en bevat opgeloste koolstofdioxide, bicarbonaat, waterstofsulfide, methaan, fosfaat, ammonium en andere zouten. Zodra de druk van het permeaat is gereduceerd, ontsnappen de opgeloste gassen en stijgt de pH naar die van de resultante van het koolzuur- en ammoniakevenwicht.
Bij een typische ammoniakconcentratie van 1.200 mg N/L is de pH van het AHPD-permeaat na ontgassing ongeveer 8,2. Bij deze pH is de oplosbaarheid van fosfaatzouten laag en ontstaan er verschillende fosfaatkristallen. Op deze manier kunnen spontaan calcium- en ijzerfosfaatkristallen worden teruggewonnen. Normaal gesproken is dit een derde tot de helft van de fosfaatvracht en daarbij vindt derhalve ook een gedeeltelijke ontzouting van het permeaat plaats.
Maximale defosfatering met een rendement van 90% of meer is goedkoop te bewerkstelligen door na de drukval in het permeaat calcium- of magnesiumchloride te doseren. Net als in een conventionele gisting zullen de zware-metaalsulfiden worden geadsorbeerd aan het biologische slib in de reactor. Ophoping daarvan kan worden voorkomen door kleine hoeveelheden surplusslib af te tappen. Binnenin de AHPD-reactor zijn bij een pH van 6,3 al de carbonaten en sulfides neergeslagen. AHPD produceert dus een stroom schoon fosfaatslib en een minimale hoeveelheid vervuild biologisch slib.
Biogas van aardgas-kwaliteit
De afgelopen jaren hebben proefinstallaties laten zien dat met behulp van AH2PD stabiel gas kan worden geproduceerd, volgens de specificaties van de gaswet (89–98% methaan) en dus van dezelfde kwaliteit als aardgas, en dat meer dan 99,5 procent van de gedoseerde waterstof wordt omgezet. Ook is uitvoerig getest op piekdosering van waterstof. Daarmee lijkt AH2PD uitmuntend geschikt voor grootschalige chemische energieopslag via waterstofproductie uit piekstroom. Zonder waterstofdosering is de methaanconcentratie 89-92% (bij 20 bar en 56°C). Bij hoge waterstofdosering in een continue AH2PD systeem is de methaanconcentratie in het primaire gas 94% en de koolstofdioxide concentratie 6%. Andere gassen zijn in veel lagere concentraties aanwezig. Zonder waterstofdosering ligt de pH rond 6,3 en met waterstofdosering rond 7,2. De pH van het permeaat is na drukverlaging en ontgassing 8,2.
Maximale methaanproductie
Als gevolg van de dosering van waterstof wordt de afbraak van aanwezige vetzuren gestimuleerd (meer dan drie kwart van de vetzuren wordt afgebroken). Door de pH-stijging gaat de snelheid waarmee de micro-organismen waterstof en CO2 omzetten in methaan volgens de modellen omhoog, zodat ook minder ophoping van vetzuren optreedt. Ook wordt er bij dosering van waterstof (en eventueel CO2) nog meer droge stof afgebroken; er wordt een inhaalslag gemaakt.
De gasproductie van AHPD (zonder waterstof) is vanwege de grotere slibafbraak en de mindere verliezen aanzienlijk hoger dan die van een conventionele gisting, en is ook veel minder verontreinigd. Door waterstofdosering conform het AH2PD-proces kan de groengasproductie derhalve met een factor 2,5 worden verhoogd, omdat minder vetzuren achterblijven, de methaanproductiesnelheid stijgt en er tevens meer slib wordt afgebroken.
In de proeffabriek van Bareau resulteert 2,8 liter H2 in 1 liter extra CH4, terwijl een verhouding van 4:1 eerder in de lijn der verwachting lag. Het verschil wordt veroorzaakt door de afbraak van slib en vetzuren, minus de groei van waterstof-consumerende bacteriën. Bij AH2PD wordt een waterstofspanning tussen de 300 en 1.500 ppm gebruikt, ruim onder de maximale waarde a 0,5% voor injectie in het gasdistributienet (= 5.000 ppm).
De mogelijkheid om waterstof in pieken te injecteren (electricity peak-shaving) in plaats van continue dosering, en zodoende de bioreactor als stabilisator van het stroomnet te laten fungeren, is dus zeker aanwezig. Dit maakt het AH2PD-proces interessant voor zowel de gas & elektriciteitssector als de waterschappen. Als er naast waterstof ook kooldioxide wordt gedoseerd kan de groengas productie nog verder worden opgevoerd. Bijkomend voordeel van de dosering van kooldioxide is niet alleen de groter groengas productie, maar het geeft ook de mogelijkheid om te sturen op pH en zonodig op vetzuur- of methaanproductie. Dit zogenoemde AH3PD-proces zal in de proeftuin 'Aardgasvrije Wijken Krewerd' in een praktijksituatie worden getest.
Circulair grondstoffengebruik
Hogere slibafbraak
Volgens de uitgevoerde proeven in continubedrijf zorgt 1 kg waterstof voor de extra afbraak van 77 kg DS secundair slib, waarbij tevens 3,93 Nm3 methaan vrijkomt. Als slibverwerking van 1000 kg DS gemiddeld € 350 kost en biomethaan €1 per Nm3 oplevert, mag 1 kg waterstof dus 77 × 350/1000 + 3,93 = € 27/kg kosten; dat is een goede businesscase.
Recyclen fosfaten
Aan het permeaat kan bij een pH van 8,2 eenvoudig een afgepaste hoeveelheid calciumchloride worden toegevoegd, waardoor er een fosfaatverwijdering van 90% wordt gerealiseerd. De kosten van deze fosfaatterugwinning zijn lager dan bij conventionele defosfatering omdat er minder bijproducten worden gevormd, en er dus geen dure hydroxides nodig zijn. Deze schone gekristalliseerde fosfaatstroom lijkt geschikt om lokaal te kunnen worden hergebruikt als meststof.
Energetische efficiëntie
Als de zon hard schijnt of de wind hard waait, is de vraag naar elektriciteit regelmatig lager dan de productie. Deze elektriciteit gaat nu verloren omdat elektriciteit moeilijk grootschalig kan worden opgeslagen. Door nu deze overcapaciteit (pieken) in elektriciteitsproductie te gebruiken kan met elektrolyse waterstof worden gemaakt, dat met het AH2PD-proces wordt omgezet in methaan. Elektriciteit kan zodoende goedkoop worden opgeslagen in het aardgasnetwerk in de form van methaan. Zie tabel 1 voor een vergelijking van de opties voor energieopslag in waterstof, methaan en lithium-ionbatterijen.
Tabel 1. Vergelijking energieopslagmogelijkheden
| Opslagmedium | Productie-effeciëntie | Opslag | Transport en gebruik |
| H2 | Efficiëntie ~60% tijdens elektrolyse, en opnieuw 13% verlies tijdens compressie tot 800 bar [2], zelfs zonder de elektrische en mechanische verliezen mee te rekenen. |
€ 10 – 1300/kg CAPEX. -> € 0,30–30/kWh opslagkosten. €10 voor ondergrondse omslag in bijvoorbeeld zoutcavernes of lege aardgasvelden. €1300 voor 800-bar opslagtanks. |
Gigantische investeringen in infrastructuur nodig: nieuwe pijpleidingen, branders, turbines, gaspitten, etc.
Minimaal 10% energieverlies voor 1000 km in pijpleidingen. 30-40% verlies tijdens het vloeibaar maken van waterstof [2]. In het geval van H2 naar elektriciteit, ~50% turbine rendement. |
| CH4 middels AH2PD en elektrolyse | Efficiëntie ~60% tijdens elektrolyse en 105% tijdens omzetting H2-CH4. Waterstof stimuleert de afbraak van organische reststromen: een indirect toegevoegde waarde van €24/kg H2 |
Niet van toepassing! Zolang er aardgas wordt geïmporteerd is methaanopslag technisch gezien gratis: de hoeveelheid geproduceerde methaan wordt gewoon minder uit Rusland geïmporteerd. |
Transport van methaan kan via de huidige leidingen. Transport van methaan via leidingen is vanwege lage frictie en hoge dichtheid ongeveer 4,6 keer efficiënter dan bij waterstof [2]. In het geval van CH4 naar elektriciteit ~50% turbine- rendement. |
| Li-ion | Nauwelijks verliezen | € 120/kWh in 2022. Voorspeld is dat dit af zal nemen tot ~ € 55/kWh in 2030 [3]. Rendement maximaal 90%, en grote rendementsverliezen voor langtijdige opslag / bij lage temperaturen. |
~ 5% verlies over het net. Enorme investeringen voor netverzwaring vereist. Hoge snelheid en flexibiliteit in gebruik. |
Energieopslag in methaan via AH2PD blijkt voor energieopslag duidelijk het meest voor de hand te liggen. Om kleine/kortdurende overschotten op te slaan en te leveren tijdens kleine/kortdurende energietekorten, kunnen batterijen worden ingezet ten behoeve van netstabilisatie.
De wekelijkse, maandelijkse en seizoenspieken en dalen kunnen het best worden uitgebalanceerd met behulp van biomethaan. Met de huidige technische mogelijkheden is waterstof wel geschikt als tussenvorm van energie om vervolgens in methaan te worden omgezet, maar (nu nog) niet als opslagmedium of als toekomstige brandstof. De energietransitie met AH2PD-technologie zou voor Nederland heel gunstig kunnen uitpakken, omdat de benodigde technologie al aanwezig is en een groot deel van de benodigde investeringen al decennia geleden is gedaan.
Economisch perspectief
Een schematische afbeelding van de rol van AH2PD in het energielandschap is te zien in afbeelding 2. Berekeningen laten zien dat onder conservatieve aannames wat betreft gasprijzen, een AH2PD-installatie inclusief electrolyzer zichzelf snel terug kan verdienen. Als vuistregel gaat op: hoe groter de installatie, hoe korter de terugverdientijd. Maar zelfs bij een relatief kleine rioolwaterzuivering verdient een AH2PD-installatie zichzelf zonder subsidies binnen tien jaar terug. Bij grotere RWZI’s (ca. 600.000 inwonerequivalent) kan dat al in zes jaar. Reststromen uit de voedingsmiddelenindustrie en/of keukenafval kunnen ook als substraat worden gebruikt, zodat een AHPD-installatie ook winstgevend kan zijn voor kleinere gemeenten die organische reststromen hebben.
In het geval van optimistischere scenario’s, met hogere gasprijzen, en inclusief de verwachte subsidies, kunnen installaties zichzelf al in drie of vier jaar terugverdienen, afhankelijk van de schaal. Het Activiteitenbesluit Milieubeheer verplicht om alle energiebesparende maatregelen met een terugverdientijd van vijf jaar of minder uit te voeren. Deze energiebesparingsplicht geldt voor bedrijven en instellingen (Wet milieubeheer-inrichtingen) die per jaar vanaf 50.000 kWh elektriciteit of 25.000 m3 aardgas of een equivalent daarvan verbruiken. Of dit activiteitbesluit de opschaling van AH2PD zal versnellen is nog niet duidelijk. Wel wordt verwacht dat de binnenkort in te voeren bijmengverplichting voor gas een sterk positieve invloed zal hebben op zowel de groengasprijs als de opschaling van AH2PD technologie.
Afbeelding 2. De rol van AH2PD in de energieketen
Van alle Nederlandse huishoudens heeft 90 procent al een gasaansluiting en er ligt een functionele infrastructuur om gas te transporteren door het land. AH2PD-technologie kan de huidige infrastructuur benutten zonder dat aanpassingen aan het netwerk nodig zijn. Deze technologie heeft ook een grote positieve impact op een aantal duurzame ontwikkelingsdoelen (SDG’s) van de Verenigde Naties (zie tabel 2).
Tabel 2. Directe en indirecte positieve bijdrage van AH2PD aan vijf duurzame ontwikkelingsdoelen (SDG: Sustainable Development Goals)
| Duurzaam ontwikkelingsdoel | Uitleg |
| SDG 7: betaalbare groene energie | Schone energie wordt geproduceerd en opgeslagen tegen een lage prijs |
| SDG 9: industrie en infrastructuur | Bestaande infrastructuur krijgt een nieuwe, schone functie |
| SDG 11: duurzame steden | Grondstoffen worden gerecycled en afvalstoffen geminimaliseerd |
| SDG 13: klimaatactie | Elk groen methaanmolecuul dat verbrand wordt betekent de verbranding van een fossiel methaanmolecuul minder: het gebruik van bio-methaan stoot netto geen CO2 uit. |
REFERENTIES
1. Wikipedia, Henry's law. https://en.wikipedia.org/wiki/Henry%27s_law
2. Bossel, U., Eliasson, B. (2002). Energy and the Hydrogen Economy. US department of energy. https://afdc.energy.gov/files/pdfs/hyd_economy_bossel_eliasson.pdf
3. Statista (2021). Lithium-ion battery pack costs worldwide between 2011 and 2030. https://www.statista.com/statistics/883118/global-lithium-ion-battery-pack-costs/
