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 som slår en är att köpa en elbil. För att tillverka batterierna behövs dock sällsynta jordartsmetaller som dysprosium eller neodym. Andra grundämnen som litium eller kobolt måste också användas för att producera batterierna. Dessa grundämnen är i allmänhet en bristvara och har dessutom problematiska leverantörer, som Kina för sällsynta jordartsmetaller eller Kongo för kobolt (Dicks, 2020).

Så vad gör vi 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 slutprodukten förklaras i den här artikeln.

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

Steg nr 1: Odling/produktion av biometan

Biometanens ursprung

Här uppstår frågan: Hur produceras det miljövänliga bränslet från gödsel (slam/gödsel) och förnybara råvaror?

Först och främst samlas restprodukter, förnybara råvaror, flytgödsel och avfallsmaterial från gårdar och producenter in av insamlare, vanligtvis återförsäljare eller leverantörer, och transporteras sedan till biogasanläggningen. Detta steg illustreras i figur 1.

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

Processer i biogasanläggningen

Fermenteringen av dessa ämnen sker i denna anläggning. Under metanbildningen 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). Förutom vattenånga ingår även 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.

Processtegen i biogasanläggningen kan grovt förklaras 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. Bland dessa produkter finns aminosyror, fettsyror och sockerarter.
Acidogenes: Omedelbart därefter tar syrabildande, fakultativt anaeroba bakterier i försurningsfasen över den fortsatta nedbrytningen, främst till väte, koldioxid, fettsyror och alkoholer. När det gäller olje- och fettrika underarter produceras även H2S och NH3 i denna fas.
Acetogenes: Produkterna från acidogenesen bryts ned ytterligare i acetogenesen av ättiksyraproducerande 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 igen i figur 2.

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

Martin Kaltschmitt, H. H. (2016). energi från biomassa. springer.

Steg nr 2: Vidareförädling till biogas och efterföljande inmatning i naturgasnätet

Processteg från biogas till inmatning

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

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

Olika processer används för bearbetning, t.ex. aminskrubbning, tryckväxlingsadsorption eller tryckvattenskrubbning (DWW):

Tvättning med amin

Vid amintvätt som kemisk absorptionsprocess sker reningen på liknande sätt som vid tryckvattenrening. Här flödar biogasen under något förhöjt tryck genom en amin-vattenlösning i motström, varvid CO2 reagerar med skrubbningslösningen och passerar in i den. Aminlösningen får en högre belastning än vatten, vilket minskar mängden rengöringsmedel som behöver cirkuleras. Frånluften innehåller endast små mängder metan, varför det vanligtvis inte krävs någon rening av magra gaser. En fin avsvavling rekommenderas för att bibehålla tvättkapaciteten på lång sikt. Amintvätt är mycket energikrävande, eftersom det krävs stora mängder processvärme för att regenerera aminlösningen (Braune, Naumann, Postel & Postel, 2015).

Tvättning med vatten under tryck

DWW-processen utnyttjar metanets och koldioxidens olika löslighet i vatten vid varierande tryck. Den tidigare komprimerade biogasen flödar genom absorptionskolonnen från botten till toppen. Denna är vanligtvis utformad som en trickle bed-reaktor där vatten strömmar genom gasen i motström. På så sätt kan basiska och sura komponenter i biogasen, framför allt koldioxid och svavelväte, lösas upp och eventuellt damm och mikroorganismer avskiljas. Den renade gasen lämnar kolonnen med en renhet på 90 till 99 volymprocent metan. Förutom CO2 innehåller frånluften cirka 1 volymprocent metan, som måste avskiljas genom behandling av mager gas. Elbehovet är högt jämfört med andra CO2-separationsprocesser på grund av cirkulationen av skrubbervattnet och den nödvändiga biogaskomprimeringen. Det krävs ingen föregående torkning av gasen (Braune, Naumann, Postel & Postel, 2015).

Tryckväxlande adsorption

Vid tryckväxlingsadsorption (PSA) 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. Regenerering av absorbenten 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 inmatning av biometan

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

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

Teoretiskt sett kan alla biogasanläggningar mata in den biometan som produceras från biogasen 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 gasmängderna, är inmatning i allmänhet bara meningsfullt för anläggningar som ligger nära naturgasnätet. I DVGW- och DIN-riktlinjerna definieras motsvarande nyckeltal för inmatning av biometan i naturgasnätet och användning som bränsle. Innan biometan kan matas in i naturgasnätet måste den därför ha uppnått den naturgaskvalitet som krävs på respektive plats. Dessa kvaliteter varierar från region till region, särskilt när det gäller det erforderliga värmevärdet och trycket (Braune, Naumann, Postel & Postel, 2015); (agriportance GmbH. (Juni 2022). Workshop_THG_Balancing_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_Balansering_V.0.1.12.

Vad exakt kan biometan användas till?

Som beskrevs inledningsvis kan biometan användas för transporter. Även om fordonsvärlden blir mer elektrisk: 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 bensinstationsnätet kan byggas ut (figur 4). Liksom råolja och kol är naturgas en brännbar organisk råvara. Den består till ca 85% av metan. Det finns komprimerad naturgas (CNG) och flytande naturgas (LNG). Den senare kondenseras vid minus 164 grader Celsius och används endast i kommersiella fordon. Gasformig CNG är vanligast i personbilar. Biogas används också i allt större utsträckning på bensinstationer. Den lagras i fordonet i tankar med ett driftstryck på 200 bar. Det finns cirka 820 bensinstationer i Tyskland där CNG finns tillgängligt. Biogas är en särskilt miljövänlig variant. Genom att öka metanhalten kan man få upp den på samma kvalitetsnivå som naturgas. Sådan biometan är lämplig som bränsle för naturgasfordon utan begränsning. Biometan erbjuds redan som ett rent bränsle eller blandat med naturgas på många tankstationer för naturgas i Tyskland (ADAC, Erdgas/CNG - ein Antrieb mit Zukunft?, 2022).