Biometan jako palivo budoucnosti?

Vyplatí se je totiž stavět jen za určitých okolností, a jak uvádí Jan Štambaský, specialista na biotechnologie a člen představenstva Evropské bioplynové asociace, s klesající podporou výroby elektřiny v BPS a s rostoucím tlakem na jejich provozovatele roste v ČR zájem o problematiku výroby a využití biometanu.

znacka_reklamni_pozice znacka_konec_textu_zdarma

Biometan, neboli vyčištěný bioplyn, je bioplyn obsahující aspoň 95 % metanu. Má nejnižší emise skleníkových plynů a v porovnání s ostatními konvenčními biopalivy i nejnižší spotřebu energie v celém životním cyklu, zejména je-li produkován z odpadní biomasy.

Požadavky na bioplyn využívaný jako palivo v dopravě stanovuje v českém prostředí ČSN 65 6514 (656514) Motorová paliva - Bioplyn pro zážehové motory - Technické požadavky a metody zkoušeni.

"Alternativní zpracování bioplynu bylo v hledáčku zájmu investorů od prvopočátku rozvoje bioplynových stanic v ČR, ale teprve zakotvení podpůrného schématu do zákona č. 165/2012 Sb. dalo tomuto zájmu reálné obrysy," uvádí Jan Štambaský v článku pro časopis Zemědělec.

Surový bioplyn má různý obsah CH4, obvykle okolo 50 % objemu bioplynu. Jeho čištěním (tedy odstraněním stopových příměsí sirných a dusíkatých sloučenin) a upgradingem (odstraněním majoritních inertních plynů, především oxidu uhličitého) je možné získat čistý metan v kvalitě 95-99,9 %, podle zvolené technologie čištění. Biometan (plyn o kvalitě zemního plynu) lze použít jako palivo motorových vozidel bioCNG, nebo může být vtláčen do plynárenské sítě.

Čištění a úprava bioplynu znamenají snížení obsahu CO2, zvýšení obsahu CH4 a odstranění nežádoucích složek z bioplynu - především sulfanu a vody. Zatímco poměr mezi CH4 a CO2 zásadně určuje energetickou (a ekonomickou) hodnotu bioplynu, minoritní nežádoucí složky negativně působí na technologii energetického využití bioplynu: sulfan způsobuje emise SO2, má korozivní účinek na spalovací zařízení a ničí katalyzátory, čpavek způsobuje emise NOX a zvyšuje antidetonační vlastnosti paliva.

Vodní pára způsobuje korozi v zařízeních a potrubních systémech a zvyšuje nebezpečí zamrznutí systémů a trysek. Prach zanáší trysky spalovacích zařízení, oxid křemičitý, vzniklý spálením siloxanů obsažených v plynu, působí abrazivně na spalovací prostory motoru.

Podle údajů uvedených v materiálu Technologie čištění bioplynu (Technologická agentura ČR), který je dostupný na internetu, jsou základní požadavky na kvalitu čištění bioplynu následující:

- u CH4 je třeba zvýšit obsah z cca 55 % na min. 95 % obj.,

- u CO2 je třeba snížit obsah z cca 33 % na max. 2,5 % obj.,

- u H2S je třeba snížit obsah z více než 100 mg/m3 na max. 10 mg/m3,

- u H2O je třeba snížit obsah z cca 7 % na max. 32 mg/m3.

Výroba biometanu

"Je třeba rozlišovat mezi čištěním bioplynu, tedy odstraněním vody a stopových nečistot (amoniak, sulfan), a vlastním upgradingem (zušlechtěním), kdy je separován oxid uhličitý a metan," vysvětluje Štambaský.

Existuje několik technik pro upgrading bioplynu na biometan. Mezi nejpoužívanější technologie pro úpravu bioplynu patří vysokotlaká vodní vypírka, chemická absorpce, PSA, kryogenní separace a membránová separace. Každá technika má své výhody a nevýhody, které často závisejí na podmínkách v místě produkce bioplynu, kapacitě upravovaného bioplynu atd.

Membránová separace je šetrná k životnímu prostředí. Princip je založen na různé permeaci (průchodnosti) molekul membránou. Některé molekuly, jako CO2, procházejí membránou a dostávají se na permeátovou (odpadní část) stranu membrány. CH4 téměř neprochází membránou a zůstává na reterátové (produktová část) straně. Tím vzniká proud plynu bohatý na CH4.

V této technologii jsou jednotlivé složky plynné směsi v důsledku rozdílných rychlostí permeace oddělovány pomocí tenké membrány. Rychlost transportu složek plynu membránou závisí na použitém materiálu membrány, druhu plynu a rozdílu tlaků na plochách membrány. Výhodou této metody je především jednoduchost procesu, nízké energetické náklady, nízké nároky na údržbu, nezávislost na změně složení bioplynu. Vzhledem k tomu, že nejsou používány žádné kapaliny, není třeba je regenerovat či likvidovat.

"Všechny technologie jsou komerčně dostupné, provozně ověřené a s dostatečným počtem referencí, ale žádná dosud jednoznačně nepřevládla. Jejich využití v konkrétních aplikacích je však ovlivněno řadou faktorů. Při výběru bude hrát roli zdroj bioplynu (zemědělská BPS, skládkový plyn...), zpracovávané množství bioplynu, požadavky na kvalitu, požadavky na předávací tlak, použití produktu (vtláčení do plynárenské sítě nebo automobilové palivo) a stavební dispozice lokality," upozorňuje specialista Štambaský.

Blýskání na lepší časy

V ČR se výzkumu technologií na čištění bioplynu věnuje několik organizací, mimo jiné také Ústav chemických procesů Akademie věd ČR. Ve spolupráci se společností Česká hlava, Energoklastrem VTP Vysočina, společností ČEZ a firmou Jinpo Plus se podařilo vyvinout unikátní mobilní zařízení na čistění bioplynu.

Principem čisticí metody je membránová separace složek bioplynu. Voda jako separační médium je v principu jedinou spotřebovanou chemickou látkou. Energeticky náročné operace a užití drahých materiálů odpadají, používají se běžně dostupné membrány z procesů čištění vody.

Princip separace byl v laboratorním měřítku ověřen právě v Ústavu chemických procesů Akademie věd. První stanice je nyní v provozu v jihlavském vědeckotechnickém parku VTP Vysočina a čeká se na bezpečnostní prověrku.

"Průmyslový partner nás oslovil s jasným zadáním, že chce ze surového bioplynu získat biometan. Zpracoval jsem projekt na iontové kapaliny, ale řešení se ukázalo jako příliš drahé. Napadlo mě místo iontové kapaliny použít vodu, což se ukázalo jako dobrý nápad.

Princip metody je obdobný reverzní osmóze. Surový bioplyn vznikající při rozkladu organické hmoty vháníme na hydrofilní kompozitní podložku, kde se vytvoří tenká mikronová vrstvička vody. Vodní pára, která je již v surovém bioplynu obsažená, za určitých podmínek - změny tlaku a teploty - zkondenzuje na hydrofilní podložce.

Látky, které jsou ve vodě rozpustnější, včetně vodní páry, projdou skrz membránu, metan, který se ve vodě téměř nerozpouští, zůstane nad membránou. Nad membránou je tlak pět barů, dole vakuum," popisuje vznik úspěšného řešení Pavel Izák, vědecký pracovník a vedoucí týmu z Ústavu chemických procesů AV ČR.

"Pro proces čištění jsme použili komerční reverzně osmotické membrány, které jsou cenově dostupné, neboť se vyrábějí ve velkém pro odsolovací jednotky u Středozemního moře. Vytipoval jsem osm druhů reverzně osmotických membrán, z nichž fungovala pouze jedna. Měli jsme tak trochu štěstí," pokračuje.

Čtvrt roku pak s doktorandkou Magdou Kárászovou a vědeckým pracovníkem Jiřím Vejražkou hledali správné podmínky, kdy se stejné množství zkondenzované vody z druhé strany membrány rovněž odpaří. Metoda má totiž kritický okamžik související s kondenzací a odpařením vody. Při nesprávných podmínkách se membrána buď zahltí vodou, nebo se vysuší.

Při přechodu z laboratoře do poloprovozu se ukázalo, že je problém s rozměry plochých membrán u většího objemu vstupního bioplynu. "V laboratoři to šlo, ale v praxi by membrány zabraly několik fotbalových hřišť. Nakonec jsme použili průmyslově vyráběné spirálně vinuté moduly hydrofilních odsolovacích membrán, kde je velká plocha membrány v malém objemu," vysvětlil P. Izák.

Jak prozradil, ze šesti metrů krychlových bioplynu je zhruba polovina CNG, zbytek je odpad. Plynný odpad projde opětovným procesem čištění, včetně zbytkového metanu, aby skutečné ztráty metanu byly pod jedním objemovým procentem. Odpadní kapalný kondenzát, což je vlastně voda nasycená oxidem uhličitým, sulfanem a dalšími nežádoucími složkami, se chemicky zlikviduje.

Produkt je zcela ekvivalentní stlačenému zemnímu plynu CNG, používaném pro pohon vozidel, musí tedy splňovat požadavky na čistotu dle ISO 154 03-1. Jediný problém je kondenzát (představuje dvě až tři procenta z objemu zpracovávané látky), který se musí likvidovat.

Výhody převažují

Již postavené modelové mobilní zařízení na čištění bioplynu je schopno vyčistit 4 m3/hod. Stanice může být v provozu 24 hodin denně, provoz je řízen plně automaticky, bez lidské obsluhy. Stanice se vejde do největšího kontejneru, který se dá převézt po silnici (6 x2,9x2,9 m). Postaví se na vybetonovanou plochu a připojí se zdroj bioplynu, voda, elektřina na vstup a na výstup tlaková nádoba s CNG plus odpadní trubka.

"Podle našich propočtů by návratnost zařízení měla být tři roky, ale záleží na výkupních cenách CNG, které se mění," uvedl vedoucí týmu Izák. Se sériovou výrobou by se mohlo začít někdy v příštím roce.

Předtím má být zařízení aspoň půl roku v nepřetržitém provozu, aby se ověřila dlouhodobá spolehlivost nepřetržitého provozu všech komponent pilotního zařízení a předpoklady o životnosti membrán. Provoz je bezobslužný a plně automatizovaný. Předpokládá se, že potenciálními uživateli budou BPS, popřípadě čistírny odpadních vod.

Metodu se podařilo vyvinout v rámci projektu Ministerstva průmyslu a obchodu, který trval rok a půl. V rámci projektu byly podány a poté přijaty dva patenty. Jeden obecný na dělení plynů, které mají rozdílné rozpustnosti ve vodě, a druhý přímo na čištění bioplynu. Postupně byla sestavena dvě pilotní zařízení zpracovávající jednotky metrů krychlových bioplynu hodinově.

"Jednalo se o společnou aktivitu více subjektů, které již dříve spolupracovaly na projektech z oblasti vědy a výzkumu. S návrhem projektu přišla společnost Česká hlava, která některé předchozí vývojové práce podporovala, a nyní zastřešila další účastníky - Ústav chemických procesů AV ČR a IPRA CZ," říká Martin Schreier, mluvčí společnosti ČEZ pro obnovitelné zdroje. Podíl Skupiny ČEZ a Útvaru inovace spočíval především ve spolufinancování projektu a v poskytnutí zázemí a know-how.

"Metoda odbourává nevýhody běžných separačních metod - velkou měrnou spotřebu energií, případně produkci toxických látek. Unikátní je, že v jednom kroku se odstraní síra a její sloučeniny, aromatické uhlovodíky a CO2, ale i voda, která je chladicím médiem.

Vzhledem k nemožnosti vyvedení elektřiny z lokalit některých BPS dává nová metoda možnost vyrábět zde místo elektřiny biometan. Ten může být používán jako palivo pro domácnosti nebo jako CNG pro pohon automobilů. Další možné využití spočívá v obohacování plynů s nízkým obsahem metanu, které není dnes možné efektivně energeticky využít, například skládkové, nebo důlní plyny," dodává mluvčí ČEZ.

Jen malý krůček za světem

Z bioplynu vyrábí CNG řada firem, z nichž největší je nadnárodní evropská firma Evonik. Ta však používá tříkrokový systém. Těmito procesy se zabývá i společnost MemBrain ze Stráže pod Ralskem, která dodává membránová zařízení a věnuje se výzkumu a inovacím v této oblasti.

Lze uvést i projekt společnosti ECO trend, a Vysoké školy chemicko-technologické v Praze s názvem "Technologická jednotka pro omezenou lokální výrobu biometanu nahrazujícího fosilní paliva především v dopravě a zemědělství", který je řešen s finanční podporou Technologické agentury ČR a má trvat do roku 2016; je uveden na stránkách společnosti ECO trend.

Ve světě se problematice výroby biometanu rovněž věnuje velká pozornost. Vedoucími zeměmi v Evropě jsou Německo, Švédsko, Švýcarsko, Dánsko a Nizozemí, ve světě pak Kalifornie a nově i Kanada. V současné době je celosvětově provozováno zhruba 200 instalací výroby biometanu, a jejich počet bude růst.

Jak uvádí server České bioplynové asociace, dodavatel bioplynových stanic a technologie zušlechťování bioplynu, MT-Energie, realizuje ve Francii osm Gas-to-Grid projektů. První stanice byla uvedena do provozu za méně než měsíc a již vtláčí plyn do sítě. Podle MT-Energie bude všech osm stanic ročně zásobovat francouzskou síť zemního plynu 10,5 miliony m3 biometanu.

Bioplyn je produkován anaerobním rozkladem odpadů ze zemědělské výroby a krycích plodin a následně vyčištěn separačním procesem, který využívá membránové moduly Evonik. Technologii dodává MT-Energie ve spolupráci se svou dceřinou firmou MT-Biomethan.

Také Německo, Francie, Spojené království a Itálie podporují přínos technologie anaerobní digesce k surovinové samostatnosti. V Německu byla uvedena do provozu největší bioplynová stanice s vtláčením biometanu, která byla postavena pro producenta cukru SuedZucker se sídlem v Lipsku. Ve stanici se ročně vyrobí 12,2 milionů m3 bioplynu.

Zdroj: iHned.cz