W tym artykule odpowiemy na pytania co to jest biogaz, jak produkuje się biogaz, jakie są podobieństwa i różnice między biogazem a biometanem, jakie są zastosowania biogazu i biometanu i dlaczego tak ważne są te zielone gazy?
W stale ewoluującym krajobrazie energii odnawialnej, biogaz i biometan są pionierami, obiecującymi zrównoważone rozwiązania dla naszych potrzeb energetycznych. Niniejszy artykuł zagłębia się w zawiłe sfery tych ekologicznych gazów, odkrywając ich skład, zastosowania i implikacje dla środowiska.
Energia odnawialna stała się kamieniem węgielnym w naszych poszukiwaniach zrównoważonych źródeł energii (prawdopodobnie nie najlepsze porównanie). W miarę jak świat zmaga się z problemami środowiskowymi, w centrum uwagi znajdują się innowacyjne rozwiązania, takie jak biogaz i biometan. A więc w takim razie czym są te gazy i jakie się od siebie różnią?
Biogaz- co to jest?
Biogaz jest gazem wytwarzanym podczas beztlenowego (pozbawiony powietrza) procesu biologicznego rozkładu materii organicznej przy udziale mikroorganizmów i składa się z CH4 (metanu), CO2 (dwutlenku węgla) oraz niewielkiej ilości H2O (wody – jako pary), a czasami N2 (azotu), H2S (siarkowodoru), H2 (wodoru) i promilu bardziej egzotycznych gazów. W dosłownym tłumaczeniu biogaz oznacza „gaz wytwarzany przez życie” (przedrostek “bio” w łacinie oznacza właśnie “życie”).
Beztlenowy proces rozkładu materii organicznej, czyli czym jest fermentacja metanowa?
Słowo „beztlenowy” to istotne słowo w świecie zielonych gazów, które oznacza „procesy biologiczne przy braku wolnego tlenu”. Bakterie, które produkują biogaz, robią to tylko tam, gdzie jest mało lub nie ma tlenu, dlatego nazywane są beztlenowymi (lub mówiąc bardziej profesjonalnie, anaerobowymi, przedrostek “an” oznacza „bez” lub „nie”, aerobowe oznacza „powietrze/powietrzne”).
Z czego produkuje się biogaz?
Biogaz można wyprodukować praktycznie z każdej substancji organicznej (oprócz drewna, które zawiera ligninę, a do jej rozkładu potrzebny jest tlen), najczęściej są to odpady organiczne m.in.:
- Odpady rolnicze: Pozostałości po zbiorach rolnych, resztki roślin, słoma, zielonki
- Odpady organiczne z gospodarstw domowych: Odpady kuchenne, resztki jedzenia i inne materiały organiczne z gospodarstw domowych.
- Resztki organiczne z przemysłu spożywczego: Odpady z produkcji żywności, takie jak resztki warzyw, owoce czy skrobia.
- Odchody: Odchody zwierzęce takie jak obornik gnojowica, gnojówka.,
- Odpady z oczyszczalni ścieków: Osady ściekowe z procesów oczyszczania ścieków.
- Rośliny energetyczne: Rośliny, które mają w sobie wysoką zawartość energii w postaci cukrów i charakteryzują się szybkim wzrostem biomasy np. kukurydza, buraki cukrowej, miskantus, topinambur.
Zauważ że wszystkie z wymienionych substratów to materia organiczna, czyli substancje, które ulegają po pewnym czasie rozkładowi, czy to tlenowemu czy beztlenowemu. Więcej na temat biogazu i procesach jakie zachodzą możesz przeczytać w naszym obszernym artykule „Biogaz – wszystko co musisz wiedzieć„.
Gdzie produkuje się biogaz?
Jak już dotychczas wiemy, aby wyprodukować biogaz musimy zapewnić beztlenowe warunki dla naszych bakterii. W tym celu potrzebujemy szczelne zbiorniki, do których nie ma dostępu tlen z powietrza, a do których możemy wrzucać nasze organiczne substraty do produkcji biogazu. Takie zbiorniki nazywamy fermentorami, a ogólniej biogazowniami. To w fermentorach biogazowni zachodzi fermentacja metanowa, gdzie produkowany jest biogaz. Więcej na temat budowy i funkcjonowania biogazowni możesz przeczytać w tym artykule.
Z czego składa się biogaz?
Skład tego zielonego gazu różni się w zależności od wykorzystywanych substratów i technologii wytwarzania biogazu. Średni skład biogazu przedstawia poniższy wykres kołowy.
Zawartość metanu w biogazie waha się od 45% do 75% objętości, a większość pozostałych gazów stanowi CO2. To zróżnicowanie prowadzi do różnic w zawartości energii w biogazie, z niższą wartością opałową w zakresie od 16 megadżuli na metr sześcienny do 28 MJ/m3. Zielony gaz znajduje zastosowanie w wytwarzaniu energii elektrycznej i ciepła, w krajach trzeciego świata przede wszystkim jako źródło energii do gotowania.
Chociaż siarkowodór stanowi zazwyczaj mniej niż 1% objętości biogazu, jest to gaz, który może negatywnie wpłynąć na trwałość instalacji biogazowej. Jego silne właściwości kwasowe i utleniające sprawiają, że jest głównym czynnikiem powodującym korozję silników i innych metalowych elementów biogazowni. Szczególnie wyraźnie jest to widoczne w przypadku niewydolnych systemów usuwania siarkowodoru, które prowadzą do korozji metalu na całym terenie biogazowni. H2S jest również niebezpieczny dla środowiska, tworzy SO2 i SO3 oraz kwaśne deszcze (H2SO4). To on powoduje przykry zapach, kojarzony z zgniłymi jajami.
Oczyszczanie biogazu.
Zanim biogaz zostanie spalony w silniku do wytworzenia energii elektrycznej musi on zostać oczyszczony z gazów, które mogą zaszkodzić pracy silnika, takie jak siarkowodór (H2S). Oczyszczanie siarkowodoru z biogazu jest istotnym krokiem, aby poprawić jakość gazu i uniknąć szkodliwego wpływu tego związku chemicznego na środowisko oraz infrastrukturę. Istnieje kilka powszechnie stosowanych metod oczyszczania siarkowodoru z biogazu:
- Adsorpcja na węglach aktywnych:
- Opis: Proces polega na przepuszczaniu biogazu przez warstwę węgla aktywnego, który adsorbuje siarkowodór.
- Zalety: Skuteczne usuwanie siarkowodoru (zwykle do 98%), łatwa regeneracja węgla aktywnego, prosta technologia.
- Wady: Wymaga regularnej regeneracji węgla, może być kosztowne.
- Oksydacja chemiczna:
- Opis: Reakcja chemiczna, w której siarkowodór jest utleniany do elementarnego siarki lub siarczanów przy użyciu substancji utleniającej, na przykład tlenku żelaza czy manganu.
- Zalety: Skuteczne usuwanie siarkowodoru, możliwość odzyskania siarki.
- Wady: Wymaga substancji utleniającej, bardzo kosztowne.
- Proces absorpcji w roztworze zasadowym:
- Opis: Biogaz jest przepuszczany przez roztwór zasadowy, który absorbuje siarkowodór.
- Zalety: Skuteczne usuwanie siarkowodoru, stosunkowo niskie koszty.
- Wady: Wymaga utrzymania odpowiedniego pH roztworu, generuje odpady w postaci zasadowego ścieku.
- Proces oksydacyjnej desulfuryzacji z użyciem bakterii:
- Opis: Specjalne bakterie oksydacyjne mogą przekształcać siarkowodór w siarczany bez potrzeby stosowania substancji chemicznych. Tą samą technologię wykorzystuje się na kominach zakładów produkcyjnych, w postaci specjalnych filtrów z złożami dla rozwoju pożytecznych bakterii.
- Zalety: Proces biologiczny, niskie koszty operacyjne.
- Wady: Wrażliwość bakterii na zmienne warunki operacyjne, co może skutkować różnym stopniem oczyszczenia biogazu z H2S.
Wybór metody oczyszczania zależy od wielu czynników, takich jak ilość siarkowodoru w biogazie, skala instalacji, koszty operacyjne i lokalne przepisy regulacyjne. Często stosuje się kombinację różnych technologii w celu uzyskania optymalnych wyników. Najczęstszymi technologiami oczyszczania biogazu z siarkowodoru to adsorpcja na węglach aktywnych w miksie z desulfuryzacją bakteryjną.
Biogaz – Wykorzystanie
Najczęstszą drogą wykorzystania biogazu jest jego bezpośrednie spalenie w silnikach kogeneracyjnych na terenie biogazowni. Dzięki temu wytwarzana jest nie tylko energia elektryczna, ale również ciepło. Spaleniu ulega tylko metan zawarty w biogazie, ponieważ jest to jedyny gaz o wartości opałowej powstały z fermentacji metanowej. Pozostałe gazy, głównie CO2 zostaje wyemitowany do atmosfery.
Drugim sposobem wykorzystania biogazu jest jego uszlachetnienie do biometanu. Na czym polega proces uszlachetniania (uzdatniania) biogazu do biometanu? Proces uszlachetniania biogazu do biometanu, nazywany również procesem „upgrading” lub „uzdatniania”, polega na usunięciu dwutlenek węgla (CO2) i pozostałych śladowych zanieczyszczeń, a finalnie na zwiększeniu zawartości metanu (CH4) do poziomu charakterystycznego dla biometanu (>98%).
Biometan – co to jest?
Biometan to oczyszczona forma biogazu, składająca się w >98% z metanu. Proces oczyszczania polega na usunięciu zanieczyszczeń, takich jak dwutlenek węgla, siarkowodór i wilgoć, aby spełnić określone normy jakości. Dzięki oczyszczaniu biogazu do biometanu, biometan ma wartość energetyczną oraz skład chemiczny podobny do kopalnego gazu ziemnego.
Na rynku dostępnych jest wiele różnych technologii uszlachetniania biogazu do biometanu. Wszystkie mają ten sam cel: oddzielenie metanu od dwutlenku węgla i innych składników chemicznych oraz produkcja biometanu. Przykładowe technologie oczyszczania biogazu obejmują płuczkę aminową, absorpcję zmiennociśnieniową, płuczkę wodną, płuczkę organiczno-fizyczną, destylację kriogeniczną i separację membranową.
Metody i technologie uzdatniania biogazu do biometanu.
Każda technologia ma inne właściwości, wskaźniki wydajności i może być stosowana do różnych rodzajów biogazu. Najczęściej stosowaną metodą jest separacja membranowa Metody płuczki wodnej i separacji membranowej przyczyniają się do prawie 70% globalnej produkcji biometanu, dlatego w niniejszym artykule przyjrzymy się tym dwóm technologiom.
Metoda separacji membranowej biogazu do biometanu
Produkcja biometanu z biogazu poprzez separację membranową to wieloetapowy proces, który obejmuje oddzielanie różnych składników biogazu w celu otrzymania czystego metanu – biometanu. Oto etapy produkcji biometanu z wykorzystaniem separacji membranowej:
Wstępne oczyszczanie. Przed separacją membranową biogaz poddawany jest obróbce wstępnej w celu usunięcia większych zanieczyszczeń, wilgoci i cząstek stałych. Usunięcie tych zanieczyszczeń pomaga zapobiec zanieczyszczeniu i uszkodzeniu membrany.
Sprężanie. Wstępnie oczyszczony biogaz jest następnie sprężany w celu zwiększenia jego ciśnienia. Ten etap ma kluczowe znaczenie dla skutecznej separacji membranowej.
Separacja membranowa:
Biogaz jest przepuszczany przez jednostkę separacji membranowej, która zawiera specjalistyczne membrany o selektywnej przepuszczalności. Membrany posiadają maleńkie rurki, przez które małe cząstki takie jak metan mogą przejść, a duże cząstki takie jak CO2 czy inne zanieczyszczenia nie mogą przejść. Membrany przepuszczają określone gazy, głównie metan, blokując jednocześnie inne składniki, takie jak dwutlenek węgla i zanieczyszczenia.
Strumienie permeatu i retentatu: Gdy biogaz przechodzi przez membranę, generowane są dwa strumienie:
Permeat: Strumień ten zawiera oczyszczony metan, który przeszedł przez membranę.
Retentat: Strumień ten zawiera pozostałe gazy, głównie dwutlenek węgla i inne zanieczyszczenia, które nie mogły przejść przez membranę.
Dwa produkty separacji membranowej
Strumień permeatu, składający się z >98% metanu, jest zbierany do dalszego wykorzystania np. wtłoczenia do sieci gazowej lub do skroplenia. Gaz ten jest biometanem. Przydrostek „bio” służy rozróżnieniu jego od zwykłego metanu kopalnego, ponieważ oba te gazy mają taki sam skład chemiczny, różni ich tylko źródło pochodzenia.
Strumień retentatu, który zawiera znaczną ilość dwutlenku węgla oraz pozostałości metanu, może zostać poddany dodatkowej obróbce lub zawrócony do procesu fermentacji beztlenowej. Zwykle retentant po drugim cyklu przejścia przez membrany zostaje wypuszczony w atmosferę, a jego skład stanowi w >98% dwutlenek węgla. Producenci biometanu coraz częściej zwracają się ku zagospodarowaniu CO2, poprzez jego skroplenie i sprzedanie, co stanowi dodatkowy dochód dla instalacji.
Płuczka wodna – oczyszczanie biogazu do biometanu
Oczyszczanie wstępne: Tak jak w przypadku separacji membranowej, w technologii płuczki wodnej biogaz również poddawany jest obróbce wstępnej w celu usunięcia dużych zanieczyszczeń, wilgoci lub cząstek stałych. Ten etap pomaga chronić sprzęt przed zanieczyszczeniem i zapewnia wydajną pracę.
Sprężanie
Wstępnie oczyszczony biogaz jest sprężany w celu zwiększenia jego ciśnienia, dzięki czemu nadaje się do procesu płuczki wodnej.
Wieża płuczki wodnej:
Sprężony biogaz jest następnie wprowadzany do wieży płuczącej, która jest pionową kolumną lub zbiornikiem.
W wieży woda krąży przeciwprądowo do przepływu biogazu. Gdy biogaz wznosi się przez wieżę, wchodzi w kontakt z opadającą wodą. Dwutlenek węgla, wraz z innymi zanieczyszczeniami, rozpuszcza się w wodzie ze względu na swoją rozpuszczalność. Dwutlenek węgla jest selektywnie absorbowany przez wodę, tworząc kwas węglowy (H2CO3). Pozostały metan, jako mniej rozpuszczalny, pozostaje w fazie gazowej i kontynuuje wznoszenie.
Bogaty roztwór płuczący:
Woda, która zaabsorbowała dwutlenek węgla, nazywana jest teraz tzw. bogatym roztworem płuczącym. Bogaty roztwór płuczący jest zbierany na dnie wieży, gdzie jest przesyłany do jednostki regeneracyjnej, gdzie dwutlenek węgla jest oddzielany od wody. Zregenerowana woda jest następnie zawracana do wieży płuczącej w celu kontynuowania procesu.
Otrzymujemy biometan.
Bogaty w metan biogaz, wolny od znacznej ilości dwutlenku węgla, opuszcza górną część wieży. Tak oczyszczony biogaz jest teraz biometanem.
Kontrola jakości.
Wytworzony biometan poddawany jest kontroli jakości w celu zapewnienia, że spełnia on wymagane normy do wykorzystania jako odnawialny gaz ziemny. Może to obejmować analizę stężenia metanu, sprawdzenie obecności zanieczyszczeń i zapewnienie zgodności ze specyfikacjami regulacyjnymi.
Produkt końcowy – biometan
Wartość opałowa biometanu wynosi około 36 MJ/m3. Jest on bardzo podobny do gazu ziemnego, co pozwala na jego bezproblemową integrację z istniejącą infrastrukturą przesyłową i dystrybucyjną oraz urządzeniami użytkowników końcowych. Co więcej, jest on w pełni kompatybilny z pojazdami napędzanymi gazem ziemnym.
Oczyszczony biometan może być wtłaczany bezpośrednio do sieci gazu ziemnego, płynnie mieszając się z konwencjonalnym gazem ziemnym. Alternatywnie, jeśli biometan ma być wykorzystywany jako paliwo do pojazdów, może zostać poddany dodatkowej kompresji przed dostarczeniem do stacji paliw. Nazywamy go wtedy bio-LNG, lub bio-CNG, w zależności od docelowego ciśnienia skroplenia.
Podsumowując różnicę między biogazem a biometanem.
Biogaz to mieszanka gazów wytworzonych w procesie fermentacji beztlenowej. Z kolei biometan to uszlachetniona forma biogazu, oczyszczona z zanieczyszczeń, uzyskiwana przez proces odsiarczania, odwadniania z pary wodnej i separacji dwutlenku węgla z metanem. Oba te źródła energii odgrywają znaczącą rolę w redukcji emisji gazów cieplarnianych i promowaniu zrównoważonego rozwoju. Biometan jest wykorzystywany jako ekologiczne paliwo w transporcie, przemyśle oraz do produkcji energii elektrycznej i cieplnej. Dzięki tym rozwiązaniom odnawialnym, możliwe jest osiągnięcie celów związanych z dekarbonizacją i transformacją energetyczną.
