Introduktion till värdekedjan för produktion av biometan

Biometan som ett alternativ till e-mobilitet

Hur skulle det vara att ta sig från A till B på ett avslappnat sätt utan att skada klimatet? Den första tanken är att skaffa en elbil. Men för att tillverka batterier behövs sällsynta jordartsmetaller som dysprosium eller neodym. Andra grundämnen som litium eller kobolt måste också användas för att tillverka batterierna. Dessa grundämnen är i regel bristvaror och har dessutom problematiska leverantörer, t.ex. Kina för sällsynta jordartsmetaller eller Kongo för kobolt. (Dicks, 2020)

Så vad händer nu?

Finns det ett alternativ som både är miljövänligt och sparar tid vid tankning?

Svaret är ett rungande JA! Bränslet kallas biometan. Vad exakt biometan är, hur det produceras och vilka steg som krävs för att komma till den färdiga produkten förklaras i den här artikeln.

Dicks, H. (9 december 2020). Biometan - attraktivt bränsle för omställningen av mobiliteten.

Steg nr.1: Odling/produktion av biometan på gård

Ursprung för biometan

Detta väcker frågan: Hur förvandlar vi gödsel och förnybara råvaror till miljövänligt bränsle?

Först och främst samlas restprodukter, NaWaRo, slam/gödsel och avfallsmaterial från jordbruksföretag och producentföretag in av insamlare, som oftast är handlare eller leverantörer, och transporteras sedan till biogasanläggningen. Detta steg visas i figur 1.

Figur 1: 1:a steget i värdekedjan (agriportance GmbH, 2022)

Processer i biogasanläggningen

Fermentering av dessa ämnen sker i denna anläggning. Vid metanbildning bryter mikroorganismer ner organiskt material i en syrefri (anaerob) miljö och frigör biogas. Detta är en vattenångmättad gasblandning, som i huvudsak består av metan (CH4) och koldioxid (CO2). Andra komponenter förutom vattenånga är spårgaser som kväve, syre, väte, svavelväte och ammoniak. I biogas- och avloppsgasanläggningar tillämpas dessa anaeroba jäsningsprocesser tekniskt och biogas som kan användas för energi produceras med högsta möjliga effektivitet.

Grob kan förklara biogasanläggningens processteg i fyra steg:

Hydrolys: I det första steget av metanbildningen bryter framför allt aeroba bakterier ner komplexa organiska ämnen som proteiner, kolhydrater eller fetter till enskilda molekyler med hjälp av enzymer. Dessa produkter inkluderar aminosyror, fettsyror eller sockerarter.
Acidogenes: Direkt efteråt tar syrabildande, fakultativt anaeroba bakterier över den fortsatta nedbrytningen i försurningsfasen, främst till väte, koldioxid, fettsyror och alkoholer. När det gäller olje- och fettrika substrat produceras även H2S och NH3 i denna fas.
Acetogenes: Produkterna från acidogenesen bryts ned ytterligare i acetogenesen av ättiksyrabildande bakterier. Ättiksyra, CO2 och H2 bildas.
Metanogenes: Metan, CO2 och vatten bildas från ättiksyra, CO2 och H2 med hjälp av hydrogenotrofa och metanogena arkéer. (Martin Kaltschmitt, 2016)

Dessa processer visas återigen i figur 2.

Figur 2: Anaerob nedbrytning av organiskt material till biogas (G fermentorer, AB acetogena bakterier, HAB homoacetogena bakterier, SAO syntetropiska acetatoxiderare, AM acetoklastiska metanogener, HM hydrogenotrofa metanogener) (Martin Kaltschmitt, 2016).

Martin Kaltschmitt, H. H. (2016). Energi från biomassa. Springer.

Steg nr.2 : Ytterligare bearbetning till biogas och efterföljande injektion i naturgasnätet

Processteg biogas till inmatning

För att kunna producera biometan från biogas måste gasblandningen renas. Detta sker i uppgraderingsanläggningarna för biogas. Detta steg i värdekedjan visas i figur 3.

Figur 3: Steg 2 i värdekedjan för biometan (agriportance GmbH. (juni 2022). Workshop_THG_Balancing_V.0.1.12.)

Olika processer används för behandling, t.ex. aminskrubbering, adsorption med trycksvängning eller tryckvattenskrubbering (DWW):

Tvättning med amin

När det gäller aminskrubbning som en kemisk absorptionsprocess liknar reningen den som sker vid tryckvattenskrubbning. Här strömmar biogasen genom en amin-vattenlösning i motström under något ökat tryck, varvid CO2 reagerar med tvättlösningen och passerar in i den. Aminlösningen uppnår en högre belastning än vatten, vilket minskar mängden tvättmedel som måste cirkuleras. Frånluften innehåller endast små mängder metan, så vanligtvis krävs ingen rening av magra gaser. Finavsvavling rekommenderas för att bibehålla tvättkapaciteten på lång sikt. Aminskrubbning är mycket energikrävande, eftersom stora mängder processvärme krävs för regenerering av aminlösningen. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Högtryckstvätt

I DWW-processen utnyttjas metanets och koldioxidens olika löslighet i vatten vid varierande tryck. Den tidigare komprimerade biogasen strömmar genom absorptionskolonnen från botten till toppen. Denna är vanligtvis utformad som en trickle bed-reaktor där vatten passerar genom gasen i motström. På så sätt kan basiska och sura komponenter i biogasen, särskilt koldioxid och svavelväte, lösas upp och damm och mikroorganismer avskiljas. Den renade gasen lämnar kolonnen med en renhet på 90 till 99 vol.% metan. Förutom CO2 innehåller frånluften ca 1 vol.% metan, som måste avskiljas via en behandling av mager gas. Jämfört med andra processer för CO2-avskiljning är elbehovet högt på grund av cirkulationen av skrubbervattnet och den nödvändiga biogaskomprimeringen. Preliminär torkning av gasen är inte nödvändig. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Adsorption med trycksvängning

Vid trycksvängningsadsorption (DWA) separeras gasblandningar genom adsorption på aktivt kol, molekylsiktar eller kolmolekylsiktar. Före DWA krävs torkning, finavsvavling och komprimering av biogasen. Den kylda, dehydratiserade gasen strömmar sedan genom adsorbenten (molekylsikt eller aktivt kol), på vilken CO2 adsorberas. Den metanrika produktgasen expanderas sedan och leds till en andra kolonn där adsorptionen upprepas med tillförsel av omgivande luft. Regenereringen av adsorbenten sker genom att trycket sänks med hjälp av en vakuumpump. Den extraherade CO2-rika gasen innehåller fortfarande metan och måste därför ledas till en efterbehandling av mager gas. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Krav för injektion av biometan

Det biometan som nu har renats genom processerna måste dock uppfylla olika krav innan det kan matas in i naturgasnätet:

Energiinnehåll: Kraven på energiinnehåll definieras via Wobbe-index, som används för att karakterisera kvaliteten på bränslegaser genom kontrollerad förbränning. Detta måste vara mellan 11-13 kWh/m3 för L-gas och mellan 13,6-15,7 kWh/m3 för H-gas.
Svavelvätehalt: Halten av svavelväte (H2S) måste minskas till 5 mg/m3.
Relativ densitet: Gasdensiteten måste vara mellan 0,55-0,75 kg/m3

Teoretiskt sett kan varje biogasanläggning mata in sin biometan som produceras från biogas i naturgasnätet. I praktiken måste byggandet av inmatningsanläggningen och rörledningarna till gasnätet kontrolleras av respektive nätoperatör. Eftersom kostnaderna för byggandet av inmatningsanläggningar och rörledningar måste bäras av de sålda gasvolymerna, är inmatningen vanligtvis bara meningsfull för dem som ligger nära naturgasnätet. För inmatning av biometan i naturgasnätet och dess användning som bränsle definierar riktlinjer enligt DVGW samt DIN motsvarande nyckeltal. Innan biometan kan matas in i naturgasnätet måste det därför bringas till den naturgaskvalitet som krävs på respektive plats. Dessa kvaliteter varierar från region till region, särskilt med avseende på erforderligt värmevärde och tryck. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015); (agriportance GmbH. (juni 2022). Workshop_THG_Bilanzierung_V.0.1.12.)

Den biometan som nu har renats och uppfyller kraven kan nu användas av konsumenten.

Braune, K., Naumann, K., Postel, J., & Postel, C. (2015). Tekniska och metodologiska grunder för GHG-balansering av biometan . DBFZ.

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

Vad exakt kan biometan användas till?

Som beskrevs inledningsvis kan biometan användas för transporter. Även om fordonsvärlden blir mer eldriven: Naturgas eller CNG är och förblir ett mer miljövänligt alternativ till bensin och diesel. Valet av fordonsmodeller är dock begränsat (nya bilar med CNG/naturgasutrustning "från fabrik": Audi, Fiat, Seat, Skoda, VW) och nätverket av tankstationer kan byggas ut (bild 4). Naturgas är liksom råolja och kol ett brännbart organiskt råmaterial. Den består av ca 85% metan. Komprimerad naturgas (CNG) och flytande naturgas (LNG) finns tillgängliga. Den senare kondenseras vid minus 164 grader Celsius och används endast i kommersiella fordon. Det vanligaste bränslet för personbilar är gasformig CNG. Biogas används också i allt större utsträckning på tankstationer. Den lagras i fordonet i tankar med ett arbetstryck på 200 bar. I Tyskland finns det cirka 820 tankstationer där CNG finns tillgängligt. Biogas är en särskilt miljövänlig variant. Genom att öka metanhalten kan man få upp den till samma kvalitetsnivå som naturgas. Sådan biometan är lämplig utan begränsningar som bränsle för naturgasfordon. På många tankstationer för naturgas i Tyskland erbjuds redan biometan som rent bränsle eller blandat med naturgas. (ADAC, Natural gas/CNG - a drive with a future?, 2022)