Introduktion til værdikæden for produktion af biometan

Biometan som alternativ til e-mobilitet

Hvordan ville det være at komme fra A til B uden at skade klimaet? Den første tanke, der melder sig, er at købe en elbil. Men der er brug for sjældne jordarter som dysprosium eller neodymium til at fremstille batterierne. Andre grundstoffer som litium eller kobolt skal også bruges til at producere batterierne. Disse elementer er generelt en mangelvare og har også problematiske leverandører, såsom Kina for sjældne jordarter eller Congo for kobolt ( Dicks, 2020).

Så hvad gør vi 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 slutprodukt, forklares i denne artikel.

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

Trin 1: Dyrkning/produktion af biometan

Oprindelse af biometan

Her opstår spørgsmålet: Hvordan produceres det miljøvenlige brændstof af gødning (gylle/gødning) og fornybare råmaterialer?

Først og fremmest indsamles restprodukter, fornybare råmaterialer, gylle og affaldsmaterialer fra gårde og producenter af indsamlere, som regel forhandlere eller leverandører, og transporteres derefter til biogasanlægget. Dette trin er illustreret 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. Det er en vanddampmættet gasblanding, som hovedsageligt består af metan (CH4) og kuldioxid (CO2). Ud over vanddamp er der andre komponenter som sporgasser som nitrogen, oxygen, hydrogen, hydrogensulfid og ammoniak. I biogas- og spildevandsgasanlæg anvendes disse anaerobe gæringsprocesser teknisk, og der produceres biogas, som kan bruges til energi, med den højest mulige effektivitet.

Biogasanlæggets procestrin kan groft forklares 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 og sukkerarter.
Acidogenese: Umiddelbart efter overtager syredannende, fakultativt anaerobe bakterier i forsuringsfasen den videre nedbrydning, primært til brint, kuldioxid, fedtsyrer og alkoholer. I tilfælde af olie- og fedtrige underarter produceres der også H2S og NH3 i denne fase.
Acetogenese: Produkterne fra acidogenesen nedbrydes yderligere i acetogenesen af eddikesyreproducerende bakterier. Der dannes 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-syntetiske acetatoxidatorer, AM-acetoklastiske methanogener, HM-hydrogenotrofe methanogener) (Martin Kaltschmitt, 2016).

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

Trin nr. 2: Videreforarbejdning til biogas og efterfølgende indfødning i naturgasnettet

Procestrin fra biogas til indfødning

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

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

Der anvendes forskellige processer til forarbejdning, f.eks. aminskrubning, tryksvingningsadsorption eller vandskrubning under tryk (DWW):

Aminvaskning

Ved aminvaskning som en kemisk absorptionsproces svarer rensningen til vandvaskning under tryk. Her strømmer biogassen under let forøget tryk gennem en amin-vand-opløsning i modstrøm, hvorved CO2 reagerer med skrubbeopløsningen og passerer ind i den. Aminopløsningen opnår en højere belastning end vand, hvilket reducerer mængden af rengøringsmiddel, der skal cirkuleres. Udblæsningsluften indeholder kun små mængder metan, og derfor er der normalt ikke behov for rensning af magre gasser. Fin afsvovling anbefales for at opretholde vaskekapaciteten på lang sigt. Aminskrubning er meget energikrævende, da der kræves store mængder procesvarme til at regenerere aminopløsningen (Braune, Naumann, Postel & Postel, 2015).

Vask med vand under tryk

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. Den er normalt udformet som en trickle bed-reaktor, hvor vandet strømmer gennem gassen i modstrøm. Det gør det muligt at opløse basiske og sure komponenter i biogassen, især kuldioxid og svovlbrinte, og at udskille støv og mikroorganismer. Den rensede gas forlader kolonnen med en renhed på 90 til 99 volumenprocent metan. Ud over CO2 indeholder udstødningsluften ca. 1 volumenprocent metan, som skal udskilles via behandling af mager gas. Elbehovet er højt sammenlignet med andre CO2-separationsprocesser på grund af cirkulationen af skrubbevandet og den nødvendige biogaskomprimering. Der er ikke behov for forudgående tørring af gassen (Braune, Naumann, Postel & Postel, 2015).

Tryksvingningsadsorption

Ved tryksvingningsadsorption (PSA) adskilles gasblandinger ved adsorption på aktivt kul, molekylsigter eller kulstofmolekylsigter. Tørring, finafsvovling og komprimering af biogassen er påkrævet før DWA. Den afkølede, dehydrerede gas strømmer derefter gennem adsorbenten (molekylær sigte eller aktivt kul), hvor CO2'en adsorberes. Den metanrige produktgas ekspanderes derefter og ledes til en anden kolonne, hvor adsorptionsprocessen gentages med tilførsel af omgivelsesluft. Regenerering af absorbenten sker ved at sænke trykket ved hjælp af en vakuumpumpe. Den udvundne CO2-rige gas indeholder stadig metan og skal derfor ledes til en efterbehandling af mager gas (Braune, Naumann, Postel & Postel, 2015).

Krav til indfødning af biomethan

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

Energiindhold: Kravene til energiindhold er defineret af Wobbe-indekset, som bruges til at karakterisere kvaliteten af brændselsgasser 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.
Svovlbrinteindhold: Andelen af svovlbrinte (H2S) skal reduceres til 5 mg/m3.
Relativ densitet: Gasdensiteten skal være mellem 0,55-0,75 kg/m3.

Teoretisk set kan ethvert biogasanlæg føre den biometan, der produceres fra biogassen, ind i naturgasnettet. I praksis skal opførelsen af indfødningsanlægget og rørledningerne til gasnettet kontrolleres af den respektive netoperatør. Da omkostningerne til opførelsen af indfødningsanlæg og rørledninger skal bæres af de solgte gasmængder, giver indfødning generelt kun mening for anlæg, der er placeret tæt på naturgasnettet. DVGW- og DIN-retningslinjerne definerer tilsvarende nøgletal for indfødning af biometan i naturgasnettet og brug af det som brændstof. 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_Balancing_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 GHG-balancering af biometan . DBFZ.

agriportance GmbH. (Juni 2022). Workshop_THG_Balancering_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 tankstationsnettet kan udvides (figur 4). Ligesom råolie og kul er naturgas et brændbart organisk råmateriale. Den 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. Gasformig CNG bruges mest i personbiler. Biogas bruges også i stigende grad på tankstationer. Den opbevares i køretøjet i tanke med et driftstryk på 200 bar. Der er omkring 820 tankstationer i Tyskland, hvor CNG er tilgængelig. Biogas er en særlig miljøvenlig variant. Ved at øge metanindholdet kan den bringes op på samme kvalitetsniveau som naturgas. Sådan biometan er velegnet som brændstof til naturgaskøretøjer uden begrænsninger. Biometan tilbydes allerede som rent brændstof eller blandet med naturgas på mange naturgastankstationer i Tyskland (ADAC, Erdgas/CNG - ein Antrieb mit Zukunft?, 2022).