Introduktion til værdikæden for produktion af biometan

Biometan som et alternativ til e-mobilitet

Hvordan ville det være at komme fra A til B på en afslappet måde uden at skade klimaet? Den første tanke er at anskaffe sig en elbil. Men det kræver sjældne jordarter som dysprosium eller neodymium at fremstille batterierne. Andre grundstoffer som litium eller kobolt skal også bruges til at fremstille batterierne. Som regel er der mangel på disse grundstoffer, og de har også problematiske leverandører, såsom Kina, når det gælder sjældne jordarter, eller Congo, når det gælder kobolt. (Dicks, 2020)

Og hvad så nu?

Findes der et alternativ, som både er miljøvenligt og sparer tid, når der skal tankes?

Svaret er et rungende JA! Brændstoffet hedder biometan. Hvad biometan helt præcist er, hvordan det produceres, og hvilke trin der er nødvendige for at nå frem til det færdige produkt, er forklaret i denne artikel.

Dicks, H. (9. december 2020). Biometan - et attraktivt brændstof til mobilitetsomstillingen.

Trin nr. 1: Dyrkning/produktion af biomethan på gård

Oprindelse af biomethan

Det rejser spørgsmålet: Hvordan omdanner vi husdyrgødning og fornyelige råmaterialer til miljøvenligt brændstof?

Først og fremmest indsamles restprodukter, NaWaRo'er, gylle/gødning og affaldsmaterialer fra landbrugsbedrifter og producerende landbrugsbedrifter af indsamlere, som for det meste er forhandlere eller leverandører, og derefter transporteres de til biogasanlægget. Dette trin er vist i figur 1.

Figur 1: 1. trin i værdikæden (agriportance GmbH, 2022)

Processer i biogasanlægget

Fermentering af disse stoffer finder sted i dette anlæg. Under metandannelsen nedbryder mikroorganismer organisk materiale i et iltfrit (anaerobt) miljø og frigiver biogas. Dette er en vanddampmættet gasblanding, som hovedsageligt består af metan (CH4) og kuldioxid (CO2). Andre komponenter ud over vanddamp er sporgasser som nitrogen, oxygen, hydrogen, hydrogensulfid og ammoniak. I biogas- og spildevandsgasanlæg anvendes disse anaerobe fermenteringsprocesser teknisk, og der produceres biogas, der kan bruges til energi, med den højest mulige effektivitet.

Grob kan forklare biogasanlæggets procestrin i fire trin:

Hydrolyse: I det første trin af metandannelsen nedbryder især aerobe bakterier komplekse organiske stoffer som proteiner, kulhydrater eller fedtstoffer til individuelle molekyler ved hjælp af enzymer. Disse produkter omfatter aminosyrer, fedtsyrer eller sukkerarter.
Acidogenese: Umiddelbart efter overtager syredannende, fakultativt anaerobe bakterier den videre nedbrydning i forsuringsfasen, primært til brint, kuldioxid, fedtsyrer og alkoholer. I tilfælde af olie- og fedtholdige substrater produceres der også H2S og NH3 i denne fase.
Acetogenese: Produkterne fra acidogenese nedbrydes yderligere i acetogenese af eddikesyredannende bakterier. Der produceres eddikesyre, CO2 og H2.
Metanogenese: Metan, CO2 og vand dannes ud fra eddikesyre, CO2 og H2 ved hjælp af hydrogenotrofe og metanogene arkæer. (Martin Kaltschmitt, 2016)

Disse processer er vist igen i figur 2.

Figur 2: Anaerob nedbrydning af organisk materiale til biogas (G fermentorer, AB acetogene bakterier, HAB homoacetogene bakterier, SAO syntropiske acetatoxidanter, AM acetoklastiske methanogener, HM hydrogenotrofe methanogener) (Martin Kaltschmitt, 2016).

Martin Kaltschmitt, H. H. (2016). Energi fra biomasse. Springer.

Trin 2: Videreforarbejdning til biogas og efterfølgende injektion i naturgasnettet

Proces trin biogas til feed-in

For at kunne producere biometan fra biogas skal gasblandingen renses. Det sker i biogasopgraderingsanlæggene. Dette trin i værdikæden er vist i figur 3.

Figur 3: Trin 2 i biomethan-værdikæden (agriportance GmbH. (juni 2022). Workshop_THG_Balancing_V.0.1.12.)

Der anvendes forskellige processer til behandling, f.eks. aminskrubning, tryksvingadsorption eller tryksat vandskrubning (DWW):

Aminvask

I tilfælde af aminskrubning som en kemisk absorptionsproces svarer rensningen til den ved trykvandskrubning. Her strømmer biogassen gennem en amin-vandopløsning i modstrøm under let forhøjet tryk, hvorved CO2 reagerer med vaskeopløsningen og passerer ind i den. Aminopløsningen opnår en højere belastning end vand, hvilket reducerer mængden af vaskemiddel, der skal cirkuleres. Udstødningsluften indeholder kun små mængder metan, så det er normalt ikke nødvendigt at rense den magre gas. Fin afsvovling anbefales for at opretholde vaskekapaciteten på lang sigt. Aminskrubning er meget energikrævende, da der kræves store mængder procesvarme til regenerering af aminopløsningen. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Højtryksrensning

DWW-processen udnytter den forskellige opløselighed af metan og kuldioxid i vand ved varierende tryk. Den tidligere komprimerede biogas strømmer gennem absorptionskolonnen fra bund til top. Denne er normalt udformet som en trickle bed-reaktor, hvor vandet passerer gennem gassen i modstrøm. På denne måde kan basiske og sure komponenter i biogassen, især kuldioxid og hydrogensulfid, opløses, og eventuelt støv og mikroorganismer kan udskilles. Den rensede gas forlader kolonnen med en renhed på 90 til 99 vol.% metan. Ud over CO2 indeholder udstødningsluften ca. 1 vol.% metan, som skal udskilles via en mager gasbehandling. Sammenlignet med andre processer til CO2-separation er elforbruget højt på grund af cirkulationen af skrubbevandet og den nødvendige biogaskompression. En forudgående tørring af gassen er ikke nødvendig. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Tryk-sving-adsorption

Ved tryksvingadsorption (DWA) adskilles gasblandinger ved adsorption på aktivt kul, molekylære sigter eller kulstofmolekylære sigter. Før DWA er det nødvendigt med tørring, finafsvovling og komprimering af biogassen. Den afkølede, dehydrerede gas strømmer derefter gennem adsorbenten (molekylær sigte eller aktivt kul), som CO2'en adsorberes på. Den metanrige produktgas ekspanderes derefter og ledes til en anden kolonne, hvor adsorptionen gentages med indføring af omgivende luft. Regenerering af adsorbenten sker ved at sænke trykket ved hjælp af en vakuumpumpe. Den ekstraherede CO2-rige gas indeholder stadig metan og skal derfor føres til en efterbehandling af mager gas. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Krav til indsprøjtning af biometan

Men den biometan, der nu er blevet renset ved hjælp af processerne, skal opfylde forskellige krav, før den kan sendes ind i naturgasnettet:

Energiindhold: Kravene til energiindhold er defineret via Wobbe-indekset, som bruges til at karakterisere kvaliteten af brændgasser ved kontrolleret forbrænding. Det skal være mellem 11-13 kWh/m3 for L-gas og mellem 13,6-15,7 kWh/m3 for H-gas.
Indhold af hydrogensulfid: Indholdet af hydrogensulfid (H2S) skal reduceres til 5 mg/m3.
Relativ densitet: Gasdensiteten skal være mellem 0,55-0,75 kg/m3.

Teoretisk set kan alle biogasanlæg levere deres biometan produceret af biogas til naturgasnettet. I praksis skal opførelsen af indfødningsanlægget og rørledningerne til gasnettet kontrolleres af den respektive netoperatør. Da omkostningerne til opførelse af feed-in-anlæg og rørledninger skal bæres af de solgte gasmængder, giver feed-in normalt kun mening for dem, der er placeret tæt på naturgasnettet. For indfødning af biometan i naturgasnettet og dets anvendelse som brændstof definerer retningslinjer i henhold til DVGW samt DIN tilsvarende nøgletal. Før biometan kan fødes ind i naturgasnettet, skal det derfor bringes op på den naturgaskvalitet, der kræves på det pågældende sted. Disse kvaliteter varierer fra region til region, især med hensyn til den krævede brændværdi og tryk. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015); (agriportance GmbH. (juni 2022). Workshop_THG_Bilanzierung_V.0.1.12.)

Den biometan, der nu er blevet renset og opfylder kravene, kan nu bruges af forbrugeren.

Braune, K., Naumann, K., Postel, J., & Postel, C. (2015). Teknisk og metodisk grundlag for drivhusgasbalancering af biometan. DBFZ.

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

Hvad kan biometan helt præcist bruges til?

Som beskrevet i begyndelsen kan biometan bruges til transport. Selv hvis bilverdenen bliver mere elektrisk: Naturgas eller CNG er og bliver et mere miljøvenligt alternativ til benzin og diesel. Udvalget af bilmodeller er dog begrænset (nye biler med CNG/naturgasudstyr "fra fabrikken": Audi, Fiat, Seat, Skoda, VW), og netværket af tankstationer kan udvides (figur 4). Ligesom råolie og kul er naturgas et brændbart organisk råmateriale. Det består af ca. 85% metan. Der findes komprimeret naturgas (CNG) og flydende naturgas (LNG). Sidstnævnte er flydende ved minus 164 grader Celsius og bruges kun i erhvervskøretøjer. Det mest almindelige brændstof til personbiler er gasformig CNG. Biogas bruges også i stigende grad på tankstationer. Den opbevares i køretøjet i tanke med et driftstryk på 200 bar. I Tyskland er der ca. 820 tankstationer, hvor CNG er tilgængelig. Biogas er en særlig miljøvenlig variant. Ved at øge metanindholdet kan den bringes op på et kvalitetsniveau med naturgas. En sådan biometan er uden begrænsninger egnet som brændstof til naturgaskøretøjer. På mange naturgastankstationer i Tyskland tilbydes biometan allerede som brændstof i ren form eller blandet med naturgas. (ADAC, Natural gas/CNG - a drive with a future?, 2022)