In einer Reihe technischer Artikel stellen wir Ihnen die Nordsol-Technologie zur Verflüssigung von Biogas zu Bio-LNG vor. Dieser dritte Artikel befasst sich mit der Bedienbarkeit und Zuverlässigkeit der Anlage.
Michiel van Aken
Technical Director & Partner
Die Technologie von Nordsol erklärt: Kühlprozess mit Turboexpander
Okt. 25 2024
Einleitung
Video‑Zusammenfassung
Bio‑LNG‑Produktionsprozess
Bio-LNG wird durch Verflüssigung von aus Biogas gewonnenem Biomethan hergestellt. Die Produktion von verflüssigungsfähigem Biomethan und die eigentliche Verflüssigung sind sehr unterschiedliche Prozesse. Aus diesem Grund konzentrieren sich Hersteller von Prozessanlagen entweder auf die Gasaufbereitung oder auf die Verflüssigung. this article.
In the biomethane liquefaction step, the temperature of the biomethane must drop to -145°C or lower. Several refrigeration technologies can do this, each with its own operational challenges, efficiency and complexity.
Der Energieverbrauch bestimmt einen wesentlichen Teil der Betriebskosten und beeinflusst die Kohlenstoffintensität des Biokraftstoffs. Gleichzeitig erfordert die kleinskalige Bio-LNG-Produktion eine kompakte Anlage und einen einfach zu steuernden, möglichst unbemannten Prozess. Daher ist das richtige Gleichgewicht zwischen Energieeffizienz und Bedienbarkeit des Prozesses entscheidend für die wirtschaftliche Tragfähigkeit einer Bio-LNG-Anlage.
Wahl des Kältekreislaufs
Die folgenden grundlegenden Kältekreisläufe für Bio-LNG lassen sich unterscheiden, in aufsteigender Reihenfolge hinsichtlich Komplexität und Energieeffizienz:
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- Flüssigstickstoff-(LIN)-Offenzyklus
- Stirling-Kreisprozess
- Linde-Kreisprozess
- Umgekehrter Brayton-Kreisprozess
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Mischkältemittel-(MR)-Kreisprozess
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Kaskadenprozesse mit Mischfluid oder reinen Komponenten
Diese Verfahren existieren in vielen Varianten und Kombinationen, lassen sich jedoch alle in die oben genannten sechs Gruppen einordnen. Um sich einem theoretisch perfekten thermodynamischen Prozess anzunähern, wäre eine hochkomplexe und kostspielige Anlage erforderlich. Daher hat Nordsol seinen Biomethan-Verflüssigungsprozess auf Basis des umgekehrten Brayton-Kreisprozesses entwickelt, der einen guten Kompromiss zwischen Effizienz und Komplexität darstellt.
Nordsol‑Implementierung des umgekehrten Brayton‑Kreisprozesses
Unser umgekehrter Brayton-Kreisprozess basiert auf der Expansion von Methangas über einen einzelnen Turboexpander und ist eine vereinfachte Version des effizienten AP-C1-Prozesses, der von Air Products entwickelt wurde. Dieses marktführende Unternehmen im LNG-Bereich hat gezeigt, dass Gasexpansionszyklen mit Flash-Kühlung erhebliche Energieeinsparungen ermöglichen können.
Reduziertes Risiko von Vereisung
Eine Unterkühlung auf eine niedrige Temperatur (unter -150 °C) in einem Wärmetauscher birgt das Risiko einer lokalen Vereisung während Transienten und kurzzeitiger Störungen, wie beispielsweise einer erhöhten CO₂-Konzentration. Dieses Risiko wird bei einem Gasexpansions-Flash-Kühlprozess mit einer relativ hohen Temperatur (-120 °C) des Wärmetauschers deutlich reduziert.
Sanfter Abkühlvorgang
Kälteschocks treten bei flüssigem LNG oder flüssigem Mischkältemittel (MR) in Wärmetauschern sehr häufig auf. Langfristig können sie aufgrund thermischer Ermüdung zu Undichtigkeiten in den Wärmetauschern führen. Da im iLNG-Prozess keine Flüssigkeiten im Wärmetauscher vorhanden sind, besteht weder das Risiko von Kälteschocks noch von Flüssigkeitsfehlverteilung (ungleicher Kühlung) oder thermischer Ermüdung.
Integration mit Boil-Off-Gas
Niederdruck-Flashgas, kombiniert mit Boil-Off-Gas (BOG) aus dem Tank und Rückgas vom Lkw-Beladen, dient als Spülgas für die Membranen im Schritt der Biogasaufbereitung. Das Gas wird zum Biogaskompressor zurückgeführt, der nun mehrere Funktionen in einer effizienten Maschine vereint: Biogaskompressor sowie BOG-, Flashgas- und Lkw-Rückgaskompressor.
Vereinfachtes Anfahrverfahren
Beim Anfahren ist eine Unterkühlung zunächst nicht möglich, da noch keine Flüssigkeit vorhanden ist. Das Abkühlverfahren eines Gasexpansions-Flash-Prozesses ist einfacher und schneller, mit der Möglichkeit, einen relativ großen Flashgasstrom während einer gleichmäßigen, gut kontrollierten Geräteabkühlung zu recyceln.
Der Biomethan‑Turboexpander
Die einzigartige Nordsol-Anwendung des Turboexpanders, ausgestattet mit Folienlagern und mit Methan als Kältemittel, verbessert die Einfachheit und Effizienz des umgekehrten Brayton-Kreisprozesses im erforderlichen Temperaturbereich im Vergleich zum Stickstoffexpander zusätzlich.
Der mit 60.000 U/min laufende Turboexpander ist von den sogenannten Air-Cycle-(Klimaanlagen-)Maschinen in Verkehrsflugzeugen wie der Boeing 777 abgeleitet. Diese Air Cycle Machines (ACM) arbeiten mit Luft, sind sehr zuverlässig und robust, für tausende Start-Stopp-Zyklen ausgelegt und basieren auf einfachen, robusten Gasfolienlagern.
Der Biomethan-Turboexpander mit Folienlagern läuft derzeit mit hoher Effizienz und Zuverlässigkeit rund um die Uhr in der eigenen Bio-LNG-Anlage von Nordsol in Amsterdam.
Die Nordsol-Implementierung des umgekehrten Brayton-Kühlkreislaufs, kombiniert mit Flash-Kühlung, Methan als Kältemittel und einem Biomethan-Turboexpander, vereint das Beste aus zwei Welten: geringe Anzahl an Anlagenteilen, niedriger Kältemittelbestand, einfache Bedienbarkeit und gleichzeitig hohe Effizienz.
Michiel van Aken
Technical Director & Partner
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