Úvod do hodnotového řetězce výroby biometanu

Biometan jako alternativa k e-mobilitě

Jak by bylo možné dostat se z bodu A do bodu B v klidu a bez poškození klimatu? První myšlenka nabízí pořízení elektromobilu. K výrobě baterií jsou však zapotřebí vzácné zeminy, jako je dysprosium nebo neodym. K výrobě baterií je třeba použít i další prvky, jako je lithium nebo kobalt. Těchto prvků je zpravidla nedostatek a mají také problematické dodavatele, jako je Čína v případě vzácných zemin nebo Kongo v případě kobaltu. (Dicks, 2020)

Co teď?

Existuje alternativa, která je šetrná k životnímu prostředí a šetří čas při tankování?

Odpověď zní jednoznačně ANO! Toto palivo se nazývá biometan. Co přesně biometan je, jak se vyrábí a jaké kroky jsou nutné k dosažení konečného produktu, se dozvíte v tomto článku.

Dicks, H. (9. prosince 2020). Biometan - atraktivní palivo pro přechod k mobilitě.

Krok č. 1: pěstování/výroba biometanu na farmě

Původ biometanu

To vyvolává otázku: Jak přeměnit zemědělský hnůj a obnovitelné suroviny na ekologické palivo?

Nejdříve jsou zbytky, NaWaRo, kejda a odpadní materiály ze zemědělských podniků, které jsou původci a producenty, shromažďovány sběrači, což jsou většinou obchodníci nebo dodavatelé, a poté jsou dopravovány do bioplynové stanice. Tento krok je znázorněn na obrázku 1.

Obrázek 1 : 1. krok v hodnotovém řetězci (agriportance GmbH, 2022)

Procesy v bioplynové stanici

V této rostlině dochází ke kvašení těchto látek. Při tvorbě metanu mikroorganismy rozkládají organické látky v bezkyslíkatém (anaerobním) prostředí a uvolňují bioplyn. Jedná se o směs plynů nasycenou vodní párou, která se v podstatě skládá z metanu (CH4) a oxidu uhličitého (CO2). Dalšími složkami kromě vodní páry jsou stopové plyny, jako je dusík, kyslík, vodík, sirovodík a amoniak. V bioplynových stanicích a zařízeních na výrobu odpadních plynů se tyto procesy anaerobní fermentace technicky uplatňují a bioplyn, který lze energeticky využít, se vyrábí s nejvyšší možnou účinností.

Společnost Grob dokáže vysvětlit procesní kroky bioplynové stanice ve čtyřech krocích:

Hydrolýza: V prvním kroku tvorby metanu rozkládají zejména aerobní bakterie pomocí enzymů složité organické látky, jako jsou bílkoviny, sacharidy nebo tuky, na jednotlivé molekuly. Mezi tyto produkty patří aminokyseliny, mastné kyseliny nebo cukry.
Acidogeneze: Bezprostředně poté převezmou další rozklad ve fázi acidifikace kyselinotvorné fakultativně anaerobní bakterie, a to především na vodík, oxid uhličitý, mastné kyseliny a alkoholy. V případě substrátů bohatých na oleje a tuky vznikají v této fázi také H2S a NH3.
Acetogeneze: Produkty acidogeneze jsou dále rozkládány v acetogenezi bakteriemi tvořícími kyselinu octovou. Vzniká kyselina octová, CO2 a H2.
Metanogeneze: Metan, CO2 a voda vznikají z kyseliny octové, CO2 a H2 pomocí hydrogenotrofních a metanogenních archeí. (Martin Kaltschmitt, 2016)

Tyto procesy jsou opět znázorněny na obrázku 2.

Obrázek 2: Anaerobní rozklad organického materiálu na bioplyn (G fermentory, AB acetogenní bakterie, HAB homoacetogenní bakterie, SAO synthropní acetát oxidátory, AM acetoklastické metanogeny, HM hydrogenotrofní metanogeny) (Martin Kaltschmitt, 2016).

Martin Kaltschmitt, H. H. (2016). Energie z biomasy. Springer.

Krok č. 2: Další zpracování na bioplyn a následné vtláčení do sítě zemního plynu

Procesní kroky bioplynu k dodávkám

Aby bylo možné z bioplynu vyrobit biometan, musí se směs plynu vyčistit. K tomu dochází v zařízeních na úpravu bioplynu. Tento krok v hodnotovém řetězci je znázorněn na obrázku 3.

Obrázek 3: Krok 2 v hodnotovém řetězci biometanu (agriportance GmbH. (červen 2022). Workshop_THG_Balancing_V.0.1.12.)

K úpravě se používají různé procesy, například aminové čištění, adsorpce tlakovým výkyvem nebo čištění tlakovou vodou (DWW):

Aminové praní

V případě aminového čištění jako chemického absorpčního procesu je čištění podobné čištění tlakovou vodou. Zde bioplyn protéká roztokem aminové vody v protiproudu za mírně zvýšeného tlaku, přičemž CO2 reaguje s pracím roztokem a přechází do něj. Aminový roztok dosahuje vyššího zatížení než voda, což snižuje množství pracího prostředku, který musí cirkulovat. Odsávaný vzduch obsahuje pouze malé množství metanu, takže obvykle není nutné čištění chudého plynu. Jemné odsíření se doporučuje pro zachování kapacity pracího výkonu v dlouhodobém horizontu. Aminové čištění je energeticky velmi náročné, protože k regeneraci aminového roztoku je zapotřebí velké množství procesního tepla. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Tlakové mytí

Proces DWW využívá rozdílné rozpustnosti metanu a oxidu uhličitého ve vodě při různých tlacích. Předtím stlačený bioplyn proudí absorpční kolonou zdola nahoru. Ta je obvykle konstruována jako reaktor s tryskovým ložem, v němž voda prochází plynem v protiproudu. Tímto způsobem lze rozpustit základní a kyselé složky bioplynu, zejména oxid uhličitý a sirovodík, a oddělit případný prach a mikroorganismy. Vyčištěný plyn opouští kolonu s čistotou 90 až 99 obj.% metanu. Kromě CO2 obsahuje odpadní vzduch přibližně 1 obj.% metanu, který musí být oddělen pomocí úpravy chudého plynu. V porovnání s jinými procesy separace CO2 je potřeba elektrické energie vysoká kvůli cirkulaci prací vody a nezbytné kompresi bioplynu. Předběžné sušení plynu není nutné. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Tlaková adsorpce

Při adsorpci s tlakovým výkyvem (DWA) se směsi plynů oddělují adsorpcí na aktivním uhlí, molekulových sítech nebo uhlíkových molekulových sítech. Před DWA je nutné sušení, jemné odsíření a komprese bioplynu. Ochlazený, dehydratovaný plyn pak proudí přes adsorbent (molekulové síto nebo aktivní uhlí), na kterém se adsorbuje CO2. Produktový plyn bohatý na metan je poté expandován a veden do druhé kolony, kde se adsorpce opakuje s přívodem okolního vzduchu. Regenerace adsorbentu se provádí snížením tlaku pomocí vývěvy. Extrahovaný plyn bohatý na CO2 stále obsahuje metan, a proto se musí přivádět do dočišťování chudého plynu. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Požadavky na vstřikování biometanu

Nicméně biometan, který byl nyní vyčištěn těmito procesy, musí splňovat různé požadavky, než může být dodáván do sítě zemního plynu:

Energetický obsah: Požadavky na energetický obsah jsou definovány prostřednictvím Wobbeho indexu, který se používá k charakterizaci kvality palivových plynů při řízeném spalování. Ten se musí pohybovat v rozmezí 11-13 kWh/m3 pro plyn L a 13,6-15,7 kWh/m3 pro plyn H.
Obsah sirovodíku: Obsah sirovodíku (H2S) musí být snížen na 5 mg/m3.
Relativní hustota: Hustota plynu musí být v rozmezí 0,55-0,75 kg/m3.

Teoreticky může každá bioplynová stanice dodávat biometan vyrobený z bioplynu do sítě zemního plynu. V praxi musí být výstavba zařízení na výrobu bioplynu a potrubí do plynovodní sítě prověřena příslušným provozovatelem sítě. Vzhledem k tomu, že náklady na výstavbu feed-in zařízení a plynovodů musí být hrazeny z prodaného množství plynu, má feed-in obvykle smysl pouze pro ty, které se nacházejí v blízkosti sítě zemního plynu. Pro vstup biometanu do sítě zemního plynu a jeho využití jako paliva definují směrnice podle DVGW i DIN odpovídající klíčové hodnoty. Proto musí být biometan před uvedením do sítě zemního plynu přiveden na požadovanou kvalitu zemního plynu v dané lokalitě. Tato kvalita se v jednotlivých regionech liší, zejména pokud jde o požadovanou výhřevnost a tlak. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015); (agriportance GmbH. (červen 2022). Workshop_THG_Bilanzierung_V.0.1.12.)

Biometan, který byl nyní vyčištěn a splňuje požadavky, může spotřebitel využít.

Braune, K., Naumann, K., Postel, J., & Postel, C. (2015). Technické a metodické základy bilancování skleníkových plynů z biometanu . DBFZ.

agriportance GmbH. (červen 2022). Workshop_THG_Bilanzierung_V.0.1.12.

K čemu přesně lze biometan využít?

Jak bylo popsáno na začátku, biometan lze využít v dopravě. A to i v případě, že se automobilový svět stane více elektrickým: Zemní plyn nebo CNG je a zůstává ekologičtější alternativou k benzínu a naftě. Výběr modelů vozidel je však omezený (nové vozy s výbavou CNG/zemní plyn "ex works": Audi, Fiat, Seat, Škoda, VW) a síť plnicích stanic je rozšiřitelná (obr. 4). Stejně jako ropa a uhlí je zemní plyn hořlavou organickou surovinou. Skládá se z přibližně 85% metanu. K dispozici je stlačený zemní plyn (CNG) a zkapalněný zemní plyn (LNG). Ten je zkapalněný při teplotě minus 164 °C a používá se pouze v užitkových vozidlech. Nejběžnějším palivem pro osobní automobily je plynný CNG. Na čerpacích stanicích se stále častěji používá také bioplyn. Ve vozidle se skladuje v nádržích s provozním tlakem 200 barů. V Německu je přibližně 820 plnicích stanic, kde je CNG k dispozici. Bioplyn je obzvláště šetrnou variantou k životnímu prostředí. Zvýšením obsahu metanu jej lze dostat na kvalitativní úroveň zemního plynu. Takový biometan je bez omezení vhodný jako palivo pro vozidla na zemní plyn. Na mnoha čerpacích stanicích zemního plynu v Německu je již biometan nabízen jako palivo čistý nebo ve směsi se zemním plynem. (ADAC, Zemní plyn/CNG - pohon s budoucností?, 2022)