Der Biogasmarkt wächst stark: Die Schweiz speiste laut Bundesamt für Energie im letzten Jahr 471 Gigawattstunden dieses Energieträgers ins Erdgasnetz ein – doppelt so viel wie vor zehn Jahren. Angesichts der strengen Qualitätskriterien für das grüne Gas ist es zunehmend wichtig, Verunreinigungen schnell und zuverlässig messen zu können.
Forschende am Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften des PSI haben daraufhin eine Lösung entwickelt: Sie präsentieren die erste Analysemethode, die die beiden kritischsten Verunreinigungen in Biogas, nämlich Schwefelverbindungen und Siloxane, gleichzeitig erfassen kann.
Landesweite Produktion
In der Schweiz produzieren über 160 Biogasanlagen das wertvolle Gasgemisch aus Abfällen, Gülle und Mist. Zusätzlich erzeugen Hunderte von Abwasserreinigungsanlagen in Faultürmen aus Klärschlamm das ähnlich zusammengesetzte Klärgas, eine Unterart des Biogases.
Das grüne Gas besteht zu 50 bis 75 Prozent aus Methan und zu mindestens einem Viertel aus Kohlendioxid. Durch die Abtrennung des Kohlendioxids entsteht Biomethan, das ins Erdgasnetz eingespeist werden kann. Allerdings kann Biogas – und damit auch Biomethan – Verunreinigungen in nur millionstel Anteilen enthalten. Ayush Agarwal erklärt: „Diese verursachen trotz ihrer winzigen Konzentration riesige Probleme.“
Zu den gefürchteten Störstoffen gehören organische Schwefelverbindungen, die entstehen, wenn Bakterien schwefelhaltige Proteine abbauen. Siloxane wiederum sind siliziumhaltige Verbindungen, die etwa in Duschgelen verwendet werden. Sie gelangen über den Abfluss in die Kläranlagen und schließlich ins Biogas.
Pures Gift für Brennstoffzellen
Wird Biomethan für die Energieerzeugung verbrannt, etwa in Gaskesseln, reagieren die Siloxane in äusserst unerwünschter Weise: Sie bilden Siliziumdioxid – Bestandteil von Sand und eine der stabilsten Verbindungen auf der Erde. „Es verstopft die Brennsysteme, beispielsweise benötigen die Anlagen dann mehr Energie, um die gleiche Menge an Wasser zu erwärmen“, erklärt Agarwal. Ähnlich also einem Wasserkocher, der sich dicht mit Kalk zugesetzt hat.
Darüber hinaus verhindern sowohl Siloxane als auch organische Schwefelverbindungen die Nutzung von Biomethan in Brennstoffzellen. Da Schwefelverbindungen für Brennstoffzellen reines Gift sind, kann Biomethan momentan nicht in ihnen zur Stromerzeugung genutzt werden. Die Verunreinigungen stören zudem die Aufbereitung des Biogases zu einspeisefähigem Biomethan. Kurz gesagt: „Selbst in Spuren sind Siloxane und organische Schwefelverbindungen schädlich.“
Messen, um zu verbessern
Sowohl in der Schweiz als auch im übrigen Europa gelten strenge Grenzwerte für Schwefelverbindungen und Siloxane in Biogas. Diese sind die Voraussetzung dafür, Biomethan ins öffentliche Gasnetz einzuspeisen oder Biogasanlagen als Kraftstofflieferanten zu betreiben.
Grössere Biogasanlagen verfügen über spezielle Reinigungssysteme, um das Gas von diesen unerwünschten Substanzen zu befreien. Mithilfe analytischer Gerätschaften messen die Betreiber die Biogas-Zusammensetzung und überprüfen so die Effizienz ihrer Reinigungssysteme. Eine zuverlässige Analytik ist daher grundlegend für das Funktionieren des gesamten Biogas-Systems: „Man kann nur etwas verbessern, wenn man es auch gut messen kann“, fasst Agarwal zusammen.
Der Wissenschaftler entwickelte eine robuste Analysemethode, die Siloxane und organische Schwefelverbindungen gleichzeitig erfasst. Sie kann Spuren von bis zu fünfzehn milliardstel Anteilen nachweisen – eine extrem winzige Menge, bei der auf eine Milliarde Moleküle lediglich fünfzehn Moleküle der Verunreinigung kommen.
Schub für die Energiewende
Für kleinere Biogasanlagen, die keine eigenen Analysegeräte vor Ort besitzen, entwickelten die PSI-Forschenden zusätzlich eine praktische Lösung: Mithilfe eines mobilen Geräts können Biogasproben entnommen werden, wobei die Gase in einer Flüssigkeit gelöst werden. Auf diese Weise bleiben selbst geringste Mengen an Verunreinigungen nachweislich für mindestens 28 Tage stabil – genug Zeit, um die Proben an ein Analyselabor zur Messung zu versenden.
Die universelle Anwendbarkeit dieser Analysemethode ermöglicht ihren breiten Einsatz im ganzen Land und trägt so zur Förderung von Biogas bei. „Das ist ein gutes Beispiel dafür, wie wir am PSI angewandte Forschung betreiben, die konkrete Lösungen für aktuelle Herausforderungen liefert“, sagt Christian Ludwig.
So funktioniert die Methode
Zunächst trennt ein Gaschromatografiegerät die Bestandteile des Biogases auf. Anschliessend werden diese nacheinander mittels der Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma erfasst. Bei diesem Verfahren werden die Probenbestandteile verdampft, in ihre atomaren Bestandteile zerlegt und zu geladenen Teilchen umgewandelt. Das Massenspektrometer erfasst dann die Isotope der einzelnen Elemente und quantifiziert deren Menge.
Der Trick dieser Methode liegt darin, dass das Gerät nur ganz bestimmte, zuvor ausgewählte Elemente erfasst und alle anderen ignoriert. Dadurch wird es möglich, Schwefel und Silizium selbst in sehr geringen Mengen nachzuweisen, obwohl eine Fülle anderer Verbindungen im Biogas vorhanden ist. „Unseres Wissens ist das die erste Methode dieser Art, die Schwefel- und Siliziumverbindungen gleichzeitig bestimmen kann“, sagt Agarwal.
Quelle
Paul Scherrer Institut PSI (11/2025)