Úvod do hodnotového řetězce výroby biometanu

Biometan jako alternativa k e-mobilitě

Jaké by to bylo dostat se z bodu A do bodu B, aniž by to škodilo klimatu? První myšlenka, která vás napadne, je koupit si elektromobil. K výrobě baterií jsou však zapotřebí vzácné zeminy, jako je dysprosium nebo neodym. K výrobě baterií se musí použít i další prvky, jako je lithium nebo kobalt. Těchto prvků je obecně nedostatek a mají také problematické dodavatele, jako je Čína v případě vzácných zemin nebo Kongo v případě kobaltu (Dicks, 2020).

Co tedy nyní?

Existuje alternativa, která je šetrná k životnímu prostředí a zároveň šetří čas při doplňování paliva?

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 na mobilitu.

Krok č. 1 : Kultivace/výroba biometanu

Původ biometanu

Zde vyvstává otázka: Jak se vyrábí ekologické palivo ze zemědělských hnojiv (kejdy/hnoje) a obnovitelných surovin?

Nejprve jsou zbytky, obnovitelné suroviny, kejda/hnůj a odpadní materiály ze zemědělských podniků a od producentů shromažďovány sběrnami, obvykle obchodníky nebo dodavateli, a poté dopravovány do bioplynové stanice. Tento krok je znázorněn na obrázku 1.

Obrázek 1: 1. krok hodnotového řetězce (agriportance GmbH, 2022)

Procesy v bioplynové stanici

V tomto zařízení probíhá fermentace 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). Kromě vodní páry jsou dalšími složkami stopové plyny jako 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.

Procesní kroky bioplynové stanice lze zhruba vysvětlit ve čtyřech krocích:

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 a cukry.
Acidogeneze: Bezprostředně poté přebírají další rozklad, především na vodík, oxid uhličitý, mastné kyseliny a alkoholy, kyselinotvorné fakultativně anaerobní bakterie ve fázi acidifikace. V případě poddruhů bohatých na oleje a tuky se v této fázi vytváří také H2S a NH3.
Acetogeneze: Produkty acidogeneze jsou dále rozkládány v acetogenezi bakteriemi produkujícími kyselinu octovou. Vzniká kyselina octová, CO2 a H2.
Metanogeneze: Z kyseliny octové, CO2 a H2 se za pomoci hydrogenotrofních a metanogenních archeí tvoří metan, CO2 a voda (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 syntrofní acetát oxidátory, AM acetoklastické metanogeny, HM hydrogenotrofní metanogeny) (Martin Kaltschmitt, 2016).

Martin Kaltschmitt, H. H. (2016). energy from biomass. springer.

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

Kroky procesu od bioplynu k feed-in

Aby bylo možné z bioplynu vyrobit biometan, musí být plynná směs vyčištěna. 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_Bilanzierung_V.0.1.12.)

Ke zpracování se používají různé procesy, například aminové čištění, adsorpce tlakovým swingem nebo čištění tlakovou vodou (DWW):

Aminové praní

Při aminovém praní jako chemickém absorpčním procesu je čištění podobné čištění tlakovou vodou. Bioplyn zde proudí pod mírně zvýšeným tlakem roztokem aminové vody v protiproudu, přičemž CO2 reaguje s pracím roztokem a přechází do něj. Aminový roztok dosahuje vyššího zatížení než voda, což snižuje množství čisticího prostředku, které je třeba cirkulovat. Odsávaný vzduch obsahuje pouze malé množství metanu, a proto není obvykle nutné čištění chudých plynů. Jemné odsíření se doporučuje za účelem dlouhodobého zachování kapacity mycího výkonu. Aminové čištění je energeticky velmi náročné, protože k regeneraci aminového roztoku je zapotřebí velké množství procesního tepla (Braune, Naumann, Postel a Postel, 2015).

Praní tlakovou vodou

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 protéká plynem v protiproudu. To umožňuje rozpouštění základních a kyselých složek bioplynu, zejména oxidu uhličitého a sirovodíku, a oddělování případného prachu a mikroorganismů. Vyčištěný plyn opouští kolonu s čistotou 90 až 99 % objemových metanu. Kromě CO2 obsahuje odpadní vzduch přibližně 1 % objemové metanu, který je třeba oddělit pomocí úpravy chudého plynu. Potřeba elektrické energie je v porovnání s jinými procesy separace CO2 vysoká kvůli cirkulaci prací vody a potřebné kompresi bioplynu. Předchozí sušení plynu není nutné (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015).

Tlaková swingová adsorpce

Při adsorpci tlakovým swingem (PSA) 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 se poté rozšíří a odvede do druhé kolony, v níž se proces adsorpce opakuje s přívodem okolního vzduchu. Regenerace absorbentu se provádí snížením tlaku pomocí vývěvy. Extrahovaný plyn bohatý na CO2 stále obsahuje metan, a proto musí být přiváděn k dočištění chudého plynu (Braune, Naumann, Postel a Postel, 2015).

Požadavky na dodávku biometanu

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

Energetický obsah: Požadavky na energetický obsah jsou definovány Wobbeho indexem, který se používá k charakterizaci kvality palivových plynů prostřednictvím řízeného spalování. Ten se musí pohybovat v rozmezí 11-13 kWh/m3 pro L-plyn a 13,6-15,7 kWh/m3 pro H-plyn.
Obsah sirovodíku: Podíl 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 konstrukce zařízení na dodávku bioplynu a potrubí do plynové 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 obecně smysl pouze u zařízení, která se nacházejí v blízkosti sítě zemního plynu. Směrnice DVGW a DIN definují odpovídající klíčové hodnoty pro dodávání biometanu do sítě zemního plynu a jeho využití jako paliva. 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_Balancing_V.0.1.12.).

Biometan, který byl nyní vyčištěn a splňuje požadavky, může být nyní použit spotřebitelem.

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

Agriportance GmbH. (Červen 2022). Workshop_THG_Balancing_V.0.1.12 .

K čemu přesně lze biometan využít?

Jak bylo popsáno na začátku, biometan lze využít pro dopravu. A to i v případě, že se automobilový svět stane více elektrickým: Zemní plyn nebo CNG je a bude 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 čerpacích stanic se může rozšířit (obrázek 4). Stejně jako ropa a uhlí je zemní plyn hořlavou organickou surovinou. Skládá se přibližně z 85 % z 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. Plynný CNG se nejčastěji používá v osobních automobilech. Na čerpacích stanicích se stále častěji používá také bioplyn. Ve vozidle je skladován v nádržích s provozním tlakem 200 barů. V Německu je přibližně 820 čerpacích stanic, kde je CNG k dispozici. Bioplyn je obzvláště šetrnou variantou k životnímu prostředí. Zvýšením obsahu metanu lze dosáhnout stejné úrovně kvality jako u zemního plynu. Takový biometan je vhodný jako palivo pro vozidla na zemní plyn bez omezení. Biometan je již nabízen jako čisté palivo nebo ve směsi se zemním plynem na mnoha čerpacích stanicích zemního plynu v Německu (ADAC, Erdgas/CNG - ein Antrieb mit Zukunft?, 2022).