Biogaz to paliwo atrakcyjne

Biogaz będący głównie mieszaniną metanu i dwutlenku węgla może być wykorzystywany w celach energetycznych, jako paliwo w pojazdach lub zatłaczany do sieci gazowej. Produkcja biogazu ma też pozytywne oddziałanie na środowisko: osad pofermentacyjny jest cennym nawozem, a dzięki kontrolowanej fermentacji beztlenowej redukowana jest ilość metanu (będącego gazem cieplarnianym) emitowanego do atmosfery.

Sposób wykorzystania biogazu narzuca sposób jego kondycjonowania, np. wtłaczanie do sieci wymaga wysokiej wartości energetycznej. Poniżej scharakteryzowano pokrótce przebieg tego procesu.

Skład substratów, technologia i sposób wychwytywania biogazu wpływają znacząco na jego parametry użytkowe, czyli głównie na zawartość metanu. W czasie fermentacji metanowej materia organiczna jest rozkładana przez mikroorganizmy i w wyniku tego procesu powstaje metan, dwutlenek węgla, osad pofermentacyjny oraz śladowe ilości innych substancji, które niekorzystnie wpływają na pracę instalacji i możliwości dalszego wykorzystania biogazu w formie surowej.

W celu zabezpieczenia urządzeń przed korozją i nadmiernym zużyciem mechanicznym usuwa się z biogazu: siarkowodór, tlen, azot, wodę i cząstki stałe.

Uszlachetnianie biogazu sprowadza się w uproszczeniu do oddzielenia od siebie metanu i dwutlenku węgla. Jednak dla wydajnego i sprawnego przebiegu procesu wzbogacania koniecznie jest przeprowadzenie następujących operacji:

● Usuwanie wody. Jednym z najprostszych sposobów jest wykraplanie kondensatu pary wodnej z gazu poprzez jego ochłodzenie, co realizuje się przez poprowadzenie rurociągu wyposażonego w zbiornik kondensatu w gruncie. Inną metodą usuwania wody jest adsorpcja z wykorzystaniem np. węgla aktywowanego, sit molekularnych lub soli higroskopijnych.

● Usuwania siarkowodoru. Siarkowodór powstaje na skutek rozkładu przez mikroorganizmy substancji organicznych, zawierających związki siarki. Odsiarczanie odbywa się metodami typu suchego lub typu mokrego. Najczęściej stosowane metody to: adsorpcja na węglu aktywowanym, adsorpcja chemiczna, obróbka biologiczna.

● Usuwanie tlenu i azotu. Jeżeli powietrze dostaje się do komory fermentacyjnej, w biogazie pojawia się azot. Do usuwania wykorzystywane są metody adsorpcyjne na węglu aktywowanym, sita molekularne i membrany.

● Usuwanie amoniaku. Amoniak powstaje podczas rozkładu białek, a jego ilość uzależniona jest od składu substratów i pH panującego w fermentatorze. Zwykle amoniak jest usuwany podczas osuszania gazu.

W chwili obecnej dostępnych jest na rynku kilka komercyjnych technologii oraz kilka będących w stadium pilotażowym. Poniżej przedstawiono technologie będące na najwyższym stopniu rozwoju.

Działanie tej technologii opiera się na oddzielaniu dwutlenku węgla od biogazu poprzez adsorpcję na powierzchni pod zwiększonym ciśnieniem. W trakcie przechodzenia przez złoże aktywne metan zostaje zatrzymany w częściach porowatych materiału adsorpcyjnego, którym jest zazwyczaj węgiel aktywowany lub zeolity, metan wychwytywany jest na górze kolumny. Gdy materiał adsorpcyjny w jednej kolumnie zostanie nasycony przez surowy biogaz, przepływ jest przełączany na następną kolumnę, a kolumna nasycona jest regenerowana poprzez obniżenie ciśnienia. Instalacja tzw. upgradowania składa się zwykle z czterech, sześciu lub dziewięciu kolumn pracujących równolegle. Technologia ta wykorzystywana jest głównie w instalacjach o wydajności ok. 250 Nm³/h.

W instalacji absorpcji przez kolumnę, w której znajduje się surowy biogaz, przepływa rozpuszczalnik. Kolumna wyposażona jest w elementy zwiększające powierzchnię kontaktu gazu i cieczy. Zasada działania opiera się na właściwości dwutlenku węgla, który jest łatwiej rozpuszczalny niż metan. A zatem ciecz pozostająca w kolumnie zawiera zwiększone stężenie dwutlenku węgla, natomiast gaz opuszczający kolumnę składa się głownie z metanu. Istnieją trzy główne metody:

● Płuczka wodna - rozpuszczalnikiem jest woda. Instalacje pracujące w oparciu o tę technologię przystosowane są do wydajności od 30-100 m³/h surowego biogazu. Uzyskiwany biometan ma stężenie metanu ok. 97 proc. objętości.

● Rozpuszczalniki organiczne - zasada analogiczna do płuczki wodnej z tą jednak różnicą, że dwutlenek węgla jest absorbowany w rozpuszczalniku organicznym, którym najczęściej jest glikol polietylenowy i w którym CO₂ dużo lepiej się rozpuszcza. Tym samym ilość przepływającej cieczy dla uzyskania tej samej wydajności, co w płuczce wodnej może być mniejsza, co przekłada się na mniejsze gabaryty lub większą wydajność instalacji.

● Rozpuszczalniki chemiczne - wykorzystuje się reakcje aminowe. CO₂ rozpuszcza się nie tylko w cieczy, ale również reaguje chemicznie z aminami zawartymi w cieczy. Reakcja chemiczna jest bardzo selektywna, utrata metanu wynosi ok <0,1 proc. Stosowane są dwa typy związków: mono aminy etanolu (MEA) oraz aminy etanolu di-metylowego (DMEA).

Membrany służące do uszlachetniania biogazu wykonane z połączonych ze sobą włókien przepuszczają dwutlenek węgla, wodę i amoniak, siarkowodór i tlen, a prawie całkowicie zatrzymują azot i metan. Obecnie stosowane rozwiązania działają przy ciśnieniu ok. 8 bar i pozwalają na przeróbkę ok. 180 Nm³/h.

Proces uszlachetniania podnosi koszt instalacji (20-35 proc. kosztu biogazowni) i jednostkowe koszty wytwarzania. Z tego też względu bardzo istotny jest wybór technologii o możliwie najniższym zużyciu energii, pozwalającej uzyskać jak najwyższą zawartości metanu. Koszty uszlachetniania biogazu porównywalne są z ceną rynkową gazu ziemnego i uzależnione są przede wszystkim od wielkości instalacji:

Jednakże instalacje uszlachetniania biogazu mogą się okazać bardzo atrakcyjnym rozwiązaniem w warunkach polskich. Program rozwoju biogazowni Innowacyjna Energetyka - Rolnictwo Energetyczne stawia przede wszystkim na instalacje na terenach wiejskich. Jednak na tych obszarach sieć elektroenergetyczna jest w znacznym stopniu wyeksploatowana i najsłabiej rozwinięta. Może to utrudniać sprzedaż i przesył energii elektrycznej wyprodukowanej w jednostkach kogeneracyjnych zasilanych biogazem. Ponadto poważnym problemem jest zagospodarowanie dużych ilości ciepła.

A zatem produkcja biometanu jako paliwa dla pojazdów lub przesył wzbogaconego biogazu siecią gazową do miejsc, gdzie gaz mógłby być bezpośrednio wykorzystany do produkcji energii elektrycznej/ ciepła, wydaje się być racjonalnym rozwiązaniem.

Tomasz Koryl

Primum Polska