Wprowadzenie do łańcucha wartości produkcji biometanu

Biometan jako alternatywa dla e-mobilności

Jak by to było dostać się z punktu A do punktu B w zrelaksowany sposób bez szkody dla klimatu? Pierwsza myśl sugeruje zakup samochodu elektrycznego. Jednak do produkcji baterii potrzebne są pierwiastki ziem rzadkich, takie jak dysproz czy neodym. Inne pierwiastki, takie jak lit lub kobalt, również muszą być użyte do produkcji baterii. Z reguły pierwiastki te są deficytowe i mają problematycznych dostawców, takich jak Chiny w przypadku metali ziem rzadkich lub Kongo w przypadku kobaltu. (Dicks, 2020)

Co teraz?

Czy istnieje alternatywa, która jest zarówno przyjazna dla środowiska, jak i oszczędza czas podczas tankowania?

Odpowiedź brzmi: TAK! Paliwo to nazywane jest biometanem. Czym dokładnie jest biometan, jak jest produkowany i jakie kroki są niezbędne do uzyskania gotowego produktu, wyjaśniamy w tym artykule.

Dicks, H. (9 grudnia 2020 r.). Biometan - atrakcyjne paliwo dla transformacji mobilności.

Krok nr 1: Uprawa/produkcja biometanu na farmie

Pochodzenie biometanu

Nasuwa się pytanie: jak przekształcić obornik i surowce odnawialne w paliwo przyjazne dla środowiska?

Po pierwsze, pozostałości, NaWaRo, gnojowica / obornik i odpady z gospodarstw rolnych i gospodarstw producenckich są zbierane przez podmioty zbierające, które są głównie handlowcami lub dostawcami, a następnie transportowane do biogazowni. Etap ten przedstawiono na rysunku 1.

Rysunek 1: Pierwszy krok w łańcuchu wartości (agriportance GmbH, 2022)

Procesy w biogazowni

W zakładzie tym zachodzi fermentacja tych substancji. Podczas tworzenia metanu mikroorganizmy rozkładają materię organiczną w środowisku beztlenowym (anaerobowym), uwalniając biogaz. Jest to nasycona parą wodną mieszanina gazów, która zasadniczo składa się z metanu (CH4) i dwutlenku węgla (CO2). Innymi składnikami oprócz pary wodnej są gazy śladowe, takie jak azot, tlen, wodór, siarkowodór i amoniak. W biogazowniach i gazowniach ścieków te procesy fermentacji beztlenowej są technicznie stosowane, a biogaz, który można wykorzystać do produkcji energii, jest wytwarzany z najwyższą możliwą wydajnością.

Grob może wyjaśnić etapy procesu biogazowni w czterech krokach:

Hydroliza: W pierwszym etapie tworzenia metanu bakterie tlenowe rozkładają złożone substancje organiczne, takie jak białka, węglowodany lub tłuszcze, na pojedyncze cząsteczki za pomocą enzymów. Produkty te obejmują aminokwasy, kwasy tłuszczowe lub cukry.
Acidogeneza: Bezpośrednio po tym, kwasotwórcze, fakultatywnie beztlenowe bakterie przejmują dalszą degradację w fazie zakwaszania, głównie do wodoru, dwutlenku węgla, kwasów tłuszczowych i alkoholi. W przypadku substratów bogatych w oleje i tłuszcze, w tej fazie wytwarzane są również H2S i NH3.
Acetogeneza: Produkty kwasogenezy są dalej rozkładane w acetogenezie przez bakterie tworzące kwas octowy. Powstaje kwas octowy, CO2 i H2.
Metanogeneza: Metan, CO2 i woda powstają z kwasu octowego, CO2 i H2 przy pomocy hydrogenotroficznych i metanogennych archeonów. (Martin Kaltschmitt, 2016)

Procesy te zostały ponownie przedstawione na rysunku 2.

Rysunek 2: Beztlenowa degradacja materiału organicznego do biogazu (fermentory G, bakterie acetogenne AB, bakterie homoacetogenne HAB, syntropowe utleniacze octanu SAO, metanogeny acetoklastyczne AM, metanogeny hydrogenotroficzne HM) (Martin Kaltschmitt, 2016).

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

Krok nr 2: Dalsze przetwarzanie na biogaz, a następnie wtrysk do sieci gazu ziemnego

Etapy procesu wprowadzania biogazu do sieci

Aby wyprodukować biometan z biogazu, mieszanina gazów musi zostać oczyszczona. Odbywa się to w zakładach uszlachetniania biogazu. Ten etap łańcucha wartości przedstawiono na rysunku 3.

Rysunek 3: Krok 2 w łańcuchu wartości biometanu (agriportance GmbH. (czerwiec 2022 r.). Workshop_THG_Balancing_V.0.1.12.)

Do oczyszczania stosowane są różne procesy, takie jak płuczka aminowa, adsorpcja zmiennociśnieniowa lub płuczka wodna pod ciśnieniem (DWW):

Mycie aminą

W przypadku oczyszczania aminowego jako procesu absorpcji chemicznej, oczyszczanie jest podobne do oczyszczania wodnego pod ciśnieniem. W tym przypadku biogaz przepływa przez roztwór aminy i wody w przeciwprądzie pod nieznacznie zwiększonym ciśnieniem, dzięki czemu CO2 reaguje z roztworem myjącym i przechodzi do niego. Roztwór aminy osiąga wyższe obciążenie niż woda, co zmniejsza ilość środka myjącego, który musi być cyrkulowany. Powietrze wylotowe zawiera tylko niewielkie ilości metanu, więc zwykle nie jest wymagane oczyszczanie gazów ubogich. Dokładne odsiarczanie jest zalecane w celu utrzymania wydajności mycia w dłuższej perspektywie. Oczyszczanie aminowe jest bardzo energochłonne, ponieważ do regeneracji roztworu aminy wymagane są duże ilości ciepła procesowego. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Mycie ciśnieniowe

Proces DWW wykorzystuje różną rozpuszczalność metanu i dwutlenku węgla w wodzie pod różnym ciśnieniem. Wcześniej sprężony biogaz przepływa przez kolumnę absorpcyjną od dołu do góry. Zwykle jest ona zaprojektowana jako reaktor ze złożem ściekowym, w którym woda przepływa przez gaz w przeciwprądzie. W ten sposób zasadowe i kwaśne składniki biogazu, zwłaszcza dwutlenek węgla i siarkowodór, mogą zostać rozpuszczone, a wszelkie pyły i mikroorganizmy mogą zostać oddzielone. Oczyszczony gaz opuszcza kolumnę z czystością od 90 do 99 vol.% metanu. Oprócz CO2, powietrze wylotowe zawiera około 1 vol.% metanu, który musi zostać oddzielony poprzez oczyszczanie gazów ubogich. W porównaniu z innymi procesami separacji CO2, zapotrzebowanie na energię elektryczną jest wysokie ze względu na cyrkulację wody płuczącej i niezbędne sprężanie biogazu. Wstępne osuszanie gazu nie jest konieczne. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Adsorpcja zmiennociśnieniowa

W adsorpcji zmiennociśnieniowej (DWA) mieszaniny gazów są rozdzielane poprzez adsorpcję na węglach aktywnych, sitach molekularnych lub węglowych sitach molekularnych. Przed DWA wymagane jest suszenie, dokładne odsiarczanie i sprężanie biogazu. Schłodzony, odwodniony gaz przepływa następnie przez adsorbent (sito molekularne lub węgiel aktywny), na którym adsorbuje się CO2. Bogaty w metan gaz produktowy jest następnie rozprężany i kierowany do drugiej kolumny, gdzie adsorpcja jest powtarzana z wprowadzeniem powietrza z otoczenia. Regeneracja adsorbentu odbywa się poprzez obniżenie ciśnienia za pomocą pompy próżniowej. Wyekstrahowany gaz bogaty w CO2 nadal zawiera metan i dlatego musi być podawany do oczyszczania gazów ubogich. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Wymagania dotyczące wtrysku biometanu

Jednak biometan, który został oczyszczony w wyniku tych procesów, musi spełnić różne wymagania, zanim będzie mógł zostać wprowadzony do sieci gazu ziemnego:

Zawartość energii: Wymagania dotyczące zawartości energii są definiowane za pomocą wskaźnika Wobbego, który jest wykorzystywany do scharakteryzowania jakości gazów opałowych poprzez kontrolowane spalanie. Musi on wynosić między 11-13 kWh/m3 dla gazu L i między 13,6-15,7 kWh/m3 dla gazu H.
Zawartość siarkowodoru: Zawartość siarkowodoru (H2S) musi być ograniczona do 5 mg/m3.
Gęstość względna: Gęstość gazu musi mieścić się w przedziale 0,55-0,75 kg/m3.

Teoretycznie każda biogazownia może dostarczać biometan wytwarzany z biogazu do sieci gazu ziemnego. W praktyce, budowa biogazowni i rurociągów do sieci gazowej musi zostać sprawdzona przez odpowiedniego operatora sieci. Ponieważ koszty budowy instalacji i gazociągów muszą być ponoszone przez sprzedawane ilości gazu, wprowadzanie biometanu ma zazwyczaj sens tylko dla tych, którzy znajdują się blisko sieci gazu ziemnego. W celu wprowadzenia biometanu do sieci gazu ziemnego i wykorzystania go jako paliwa, wytyczne zgodnie z DVGW oraz DIN określają odpowiednie kluczowe wartości. W związku z tym, zanim biometan zostanie wprowadzony do sieci gazu ziemnego, musi zostać doprowadzony do jakości gazu ziemnego wymaganej w danej lokalizacji. Jakość ta różni się w zależności od regionu, zwłaszcza w odniesieniu do wymaganej wartości opałowej i ciśnienia. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015); (agriportance GmbH. (czerwiec 2022 r.). Workshop_THG_Bilanzierung_V.0.1.12.)

Oczyszczony i spełniający wymagania biometan może być teraz wykorzystywany przez konsumentów.

Braune, K., Naumann, K., Postel, J., & Postel, C. (2015). Techniczne i metodologiczne podstawy bilansowania gazów cieplarnianych biometanu. DBFZ.

agriportance GmbH. (czerwiec 2022 r.). Workshop_THG_Bilanzierung_V.0.1.12.

Do czego dokładnie można wykorzystać biometan?

Jak opisano na początku, biometan może być wykorzystywany w transporcie. Nawet jeśli świat motoryzacji stanie się bardziej elektryczny: Gaz ziemny lub CNG jest i pozostanie bardziej przyjazną dla środowiska alternatywą dla benzyny i oleju napędowego. Jednak wybór modeli pojazdów jest ograniczony (nowe samochody z wyposażeniem CNG/gaz ziemny "ex works": Audi, Fiat, Seat, Skoda, VW), a sieć stacji paliw można rozbudowywać (rysunek 4). Podobnie jak ropa naftowa i węgiel, gaz ziemny jest palnym surowcem organicznym. Składa się z około 85% metanu. Dostępne są sprężony gaz ziemny (CNG) i skroplony gaz ziemny (LNG). Ten ostatni jest skraplany w temperaturze minus 164 stopni Celsjusza i jest używany tylko w pojazdach użytkowych. Najpopularniejszym paliwem dla samochodów osobowych jest gazowy CNG. Biogaz jest również coraz częściej wykorzystywany na stacjach benzynowych. Jest on przechowywany w pojazdach w zbiornikach o ciśnieniu roboczym 200 barów. W Niemczech dostępnych jest około 820 stacji tankowania CNG. Biogaz jest wariantem szczególnie przyjaznym dla środowiska. Zwiększając zawartość metanu, można uzyskać jakość porównywalną z gazem ziemnym. Taki biometan nadaje się bez ograniczeń jako paliwo dla pojazdów napędzanych gazem ziemnym. Na wielu stacjach tankowania gazu ziemnego w Niemczech biometan jest już oferowany jako paliwo w postaci czystej lub zmieszanej z gazem ziemnym. (ADAC, Gaz ziemny/CNG - napęd z przyszłością?, 2022)