Im Innern der Limeco Power-to-Gas-Anlage wird in einem kontinuierlichen Verfahren CO2-neutrales erneuerbares Gas produziert. Das Verfahren gliedert sich in drei wesentliche Schritte:
Die Elektrolysezelle besteht aus zwei Elektroden, einer Anode und einer Kathode, sowie einer protonendurchlässigen Membran (Proton-Exchange-Membran PEM). Zwischen den beiden mit Edelmetall beschichteten Elektroden wird eine Gleichspannung angelegt, die Elektrolysezelle wird mit aufbereitetem (vollentsalztem) Trinkwasser (H2O) versorgt, das durch die katalytische Wirkung des Edelmetalls elektrochemisch in seine Einzelteile zerlegt wird.
Die Wasserstoffprotonen diffundieren durch die protonendurchlässige Membran, wo sie zusammen mit den Elektronen, die über den Stromkreislauf zur Kathodenseite wandern, zu Wasserstoff (H2) kombiniert werden. Der anodenseitig gebildete Sauerstoff (O2) wird im Projekt Limeco vorerst noch nicht verwertet und übers Dach abgeblasen.
Durch die Aneinanderreihung vieler Elektrolysezellen entsteht ein Zellstapel, auch als Elektrolysestack bezeichnet. Die beiden in der Limeco-Anlage eingesetzten Elektrolysesysteme verfügen über eine elektrische Leistungsaufnahme von je 1.25 MW.
Die von der Elektrolyse abgeführte Wärme kann im Fernwärmenetz von Limeco genutzt werden, was den Gesamtwirkungsgrad der Anlage erhöht.
Die biologische Methanisierung beruht auf der Aktivität spezieller Mikroorganismen, sogenannter Archaeen, die Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) zu Methan (CH4) und Wasser (H2O) umwandeln. Dieser unter Sauerstoffausschluss ablaufende, wärmeabgebende Prozess wird als Methanogenese bezeichnet. Durch die Einstellung günstiger Betriebs- und Milieubedingungen innerhalb des Methanisierungsreaktors werden hohe Umsatzraten an Methan erreicht. Bevorzugt wird ein leicht saures bis alkalisches Milieu mit pH-Werten von 6.8 bis 8.5 und einer Temperatur von 55 bis 70 °C.
In der Limeco-Anlage kommt diese Verfahrenstechnik erstmals im industriellen Massstab zur Anwendung.
Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid werden dem Methanisierungsreaktor unter Druck kontinuierlich zugeführt. Während der Wasserstoff aus dem Elektrolyseur bereits unter Druck zur Verfügung steht, muss das Klärgas auf den Betriebsdruck des Methanisierungsreaktors verdichtet werden. Das Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoffdioxid wird kontinuierlich geregelt, sodass nach Umsetzung im Tank das Kohlenstoffdioxid nahezu verbraucht ist. Einzigartig an diesem Projekt ist, dass das Klärgas (Rohgas), das aus Methan, Kohlenstoffdioxid und Spuren weiterer Gase besteht, unbehandelt in den Methanisierungsreaktor eingebracht wird. In diesem geschlossenen System ist ein emissionsfreier Betrieb (kein Methanverlust) von der Vergärung bis zur Einspeisung möglich.
Im Normalbetrieb muss dem Prozess kontinuierlich Wärme entzogen werden, um das Temperaturniveau im Reaktor zu halten. Dies geschieht, indem ein Faulschlammstrom aus dem Reaktor abgezogen und in einem Schlamm-Wasser-Wärmetauscher gekühlt wird – diese Wärme kann ebenfalls im Fernwärmenetz von Limeco genutzt werden. Das bei der Umsetzung gebildete Wasser wird periodisch mit dem «verbrauchten» Faulschlamm ausgeschleust. Im Gegenzug werden durch periodische Zugabe von Faulschlamm aus der ARA Mikroorganismen und Nährstoffe zugeführt. Bei Bedarf werden prozessstabilisierende Zusatzstoffe beigegeben.
Das Produktgas aus der Methanisierung enthält mehrere Begleitgase, die vor der Einspeisung ins Gasnetz entfernt werden müssen.
Gasförmiges Ammoniak wird mittels einer Waschkolonne abgetrennt. Als Waschwasser für die Kolonne wird gereinigtes Abwasser verwendet, das am Kopf und somit im Gegenstrom zum Gas eingesprüht wird.
Des Weiteren wird das Gas mittels Aktivkohlefiltern entschwefelt und von Schwermetallen befreit.
Bevor das Gas ins Gasnetz eingespeist wird, trennt eine Membrananlage den vorhandenen Restwasserstoff ab. Der abgetrennte, an Wasserstoff angereicherte Gasstrom wird dem Klärgas vor der Verdichtung wieder zugeführt. Sollte das Gas die Einspeisequalität nicht erreichen, zirkuliert es im System bis zum Erreichen der Einspeisebedingungen.
Das Produktgas ist geruchlos. Um die vorgeschriebene Geruchsintensität vor der Einspeisung ins Gasnetz sicherzustellen, erfolgt die Zugabe von Odoriermittel.