Úprava bioplynu a možnosti využitia biometánu ako paliva budúcnosti

Bioplyn je hlavným produktom anaeróbnej fermentácie biologicky rozložiteľných materiálov a získava sa v špecializovaných reaktoroch bioplynových staníc. Možno ho využiť na produkciu tepla, elektrickej energie, automobilového paliva alebo na získavanie vodíka (H2). Efektívne využívanie si však bude pravdepodobne vyžadovať vyššiu mieru jeho transportu, ktorá sa nezaobíde bez príslušnej úpravy bioplynu.

Množstvo bioplynových staníc zameraných na produkciu elektrickej energie pracuje bez optimálneho využitia odpadového tepla, ktoré predstavuje 60 až 70 % použitej energie, čím nevyužívajú dostupný potenciál. Nie každá bioplynová stanica je umiestnená v blízkosti priemyselných, obchodných či obytných zón s potenciálnymi odberateľmi tepla. V mnohých prípadoch neexistuje spôsob, ako obrátiť produkciu odpadového tepla na zisk.

Z praxe teda vyplýva, že elektrifikácia bioplynu priamo na mieste výroby môže byť neefektívna. Rozumnejším riešením je produkcia elektrickej energie na takom mieste, ktoré umožňuje čo najväčšie využitie odpadového tepla. Keďže bioplyn pozostáva z 50 až 70 % z metánu, ktorý je tiež hlavnou zložkou zemného plynu, distribúcia zemného plynu predstavuje jednoznačného kandidáta aj na transport bioplynu. Bioplyn však musí byť v prvom rade upravený, aby sa priblížil k parametrom zemného plynu. Takýto bioplyn – upravený na kvalitu zemného plynu – sa nazýva biometán.

Zloženie bioplynu Dve najdôležitejšie zložky bioplynu sú metán (CH4) s obsahom od 50 do 70 % a oxid uhličitý (CO2) s obsahom od 20 do 40 %. Bioplyn však obsahuje aj menšie množstvá vody (H2O), sulfánu (H2S) a amoniaku (NH4).

Možnosti využitia biometánu
Obmedzenia využívania upraveného plynu (bio­metánu) v podstate neexistujú. Fundamentálnu požiadavku na nosiče energie budúcnosti bude predstavovať centralizované využitie z decentralizovaných zdrojov, čo biometán spĺňa. Je ideálnym palivom na vykurovanie budov, varenie jedál, ohrev pri industriálnych procesoch a na produkciu elektrickej energie.

V oblasti dopravy reprezentuje biometán v kombinácii so zemným plynom palivo budúcnosti. Energetický obsah jedného kubického metra upraveného bioplynu je porovnateľný s jedným litrom benzínu. Čerpanie bioplynu do dopravného prostriedku prebieha pri tlaku 200 barov. Často sa používajú hybridné dopravné prostriedky, ktoré využívajú bioplyn a benzín. Spaľovaním bioplynu sa do ovzdušia emitujú nízke emisie oxidov síry (SOx) a dusíka (NOx), tuhých častíc (PM) a nespálených uhľovodíkov (organické zlúčeniny zložené z uhlíka a vodíka). Človek, ktorý ročne najazdí 15 000 km, by využívaním bioplynu namiesto benzínu ušetril až 3 600 kg CO₂. Pri taxíkoch môže ročná úspora dosahovať úroveň až 26 000 kg CO₂. Bioplyn možno využívať aj v železničnej doprave. Príkladom môže byť Švédsko, kde takýto vlak uviedli do prevádzky už v roku 2006. Transformáciou Dieselových motorov na bioplynové motory dochádza k niekoľkonásobnému zníženiu emisií škodlivých látok. Prechod k spaľovaniu metánu na neelektrifikovaných tratiach je v súčasnosti ideálnym riešením z ekonomického a zároveň aj environmentálneho hľadiska.

Využitie biometánu Biometán má rovnaké možnosti využitia ako zemný plyn. Avšak jeho vyššia hodnota, premietnutá do konečnej ceny, spočíva v CO2 neutrálnej produkcii, environmentálne šetrnej likvidácii biologicky rozložiteľných odpadov, podpore poľnohospodárstva a výrobe kvalitného biologického hnojiva. Vďaka tomu zastáva najmä v západných krajinách silné postavenie na trhu.

Predaj biometánu Predaj biometánu prebieha dvomi spôsobmi, a to fyzickým odovzdaním spotrebiteľovi alebo virtuálnym predajom, kde si spotrebiteľ síce zakúpi biometán, reálne sa mu však dodá zemný plyn. Zavedenie virtuálneho predaja otvára odľahlejším bioplynovým staniciam prístup na trh s biometánom. Situácia na ňom si však vyžaduje zavedenie výkupných cien, aké poznáme pri predaji elektrickej energie vyprodukovanej z obnoviteľných zdrojov. Súčasná nerovnosť na trhu tak nateraz zvýhodňuje kogeneráciu pred úpravou bioplynu.

Úprava bioplynu
Úprava bioplynu pozostáva z:

• kondenzácie nežiaducej vody,
• odsírenia,
• odlúčenia oxidu uhličitého.

Výsledný produkt musí spĺňať prísne parametre vlhkosti, tlaku a výhrevnosti. Pri vysúšaní surového plynu dochádza ku kondenzácii vodnej pary, na čo sa najčastejšie využíva prirodzené alebo nútené ochladzovanie. Poloha sušenia vo výrobnom reťazci závisí od konkrétnej metódy úpravy, avšak jej prítomnosť je nevyhnutná na ochranu prístrojov a vedení pred koróziou a na dosiahnutie požadovaných parametrov výsledného produktu.

Odsírenie bioplynu
Pri bioplyne s nízkym obsahom sulfánu, ktorý je typickým produktom anaeróbnej fermentácie energetických plodín, postačuje hrubý stupeň odsírenia. Najčastejší spôsob predstavuje biologické odsírenie pomocou mikroorganizmov (Thiobacilli) s pridávaním malého množstva kyslíka (O₂). Vďaka mikroorganizmom dochádza k premene sulfánu na kyselinu sírovú (H₂SO₄) a elementárnu síru (S), ktoré zotrvávajú v aktívnej oblasti. Popri sulfáne potrebujú baktérie aj uhlík (C), anorganické soli (N, P, K) a stopové prvky (Fe, Co, Ni), ktoré sa nachádzajú vo fermentore. Množstvo pridávaného kyslíka sa prepočítava cez stechiometriu prebiehajúcich reakcií:

H₂S + 1/2 O₂ → S + H₂O
H₂S + 2 O₂ → H₂SO₄

Účinnosť biologického odsírenia dosahuje úroveň až 99 %, jej nevýhodou je však pridávanie približne 6 % vzduchu, čo znižuje výhrevnosť bioplynu. Pri fermentácii substrátov s bohatým obsahom proteínov alebo substrátov z čistiarní odpadových vôd je vyšší obsah sulfánu badateľný, čo si potom vyžaduje dodatočné jemné odsírenie. Na jemné odsírenie je najvhodnejšie použiť aktívne uhlie (pórovité uhlíky s veľkým aktívnym povrchom a vysokou schopnosťou absorbovať široké spektrum látok).

Odlúčenie oxidu uhličitého
Surový bioplyn možno upravovať prepieraním (fyzikálna a chemická absorpcia), suchou metódou na báze adsorpcie a odlučovaním pomocou membrán. V tabuľke je zobrazený prehľad metód úprav bioplynu, ich princíp a odlučovací efekt.

Adsorpcia pri zmenách tlaku (PSA – Pressure Swing Adsorption)
Adsorpciou pri zmenách tlaku dochádza k separácii oxidu uhličitého, kyslíka, dusíka a vody za pomoci adsorpcie a desorpcie na aktívnom uhlí alebo zeolitoch (porózne minerály komerčne využívané ako adsorbenty) pri rozličných tlakoch. Proces pozostáva zo štyroch stupňov: adsorpcie, znižovania tlaku, desorpcie a nárastu tlaku. Bioplyn sa na začiatku sústavy stláča, prechádza cez uvedené fázy a po ukončení procesu sa vysúša a odorizuje.

Metóda je výhodná v tom, že sa ňou nevytvárajú odpadové vody. Zároveň sa s ňou v rámci Európy získali už široké skúsenosti. Nevýhodou tejto metódy je relatívne vysoká spotreba elektrickej energie a potreba čistenia adsorbentov.

Premývanie vodou (Water wash)
Oxid uhličitý možno odlúčiť z bioplynu aj premývaním vodou pri zvýšenom tlaku. Stlačený a ochladený bioplyn sa vháňa proti prúdu vody, kde dochádza k absorpcii oxidu uhličitého a sulfánu vodou. Plyn s bohatou koncentráciou metánu sa následne suší a odorizuje. Voda opúšťajúca absorbér sa dekompresuje, pričom sa uvoľňuje plyn s obsahom metánu, ktorý sa preto vháňa do recirkulačného systému. Využívanú vodu možno regenerovať zabezpečením styku so vzduchom, pričom dochádza k desorpcii oxidu uhličitého.

Metóda je výhodná v tom, že nepotrebuje odsírenie pred procesom. Zároveň sa s ňou v rámci Európy získali už široké skúsenosti. Nevýhodou tejto metódy je vysoká spotreba vody a elektrickej energie.

Metódy úprav bioplynu

Chemické postupy
Bioplyn možno upravovať aj s použitím chemických látok. Pri chemických postupoch dochádza k reakcii oxidu uhličitého s chemickou substanciou v absorbéri pri atmosférickom tlaku. Regenerácia prebieha za pomoci vodnej pary a je značne energeticky náročná. Sulfán sa odlučuje ešte pred procesom, aby nedošlo k znehodnoteniu účinnej chemickej látky. Po separácii sa bioplyn vysuší a odorizuje.

Výhodou využívania chemických látok sú minimálne straty metánu, lebo účinné látky pôsobia dostatočne selektívne. Existuje viacero komerčne využívaných chemikálií, pričom najpoužívanejším je etylamín (CH₃CH₂NH₂). Výhodou tejto metódy je teda dobrý čistiaci výkon. Nevýhodou sú jej vysoké prevádzkové náklady.

Odlučovanie pomocou membrán
Duté membrány zo zylonitu a silikónov (syntetické vlákna) alebo polysulfónov a polykarbonátov (termoplasty) slúžia na odlúčenie niektorých komponentov surového bioplynu. Princíp odlučovania za pomoci membrán spočíva v rôznej permeabilite zložiek bioplynu. Oxid uhličitý a sulfán prechádzajú membránou rýchlejšie ako metán. Pri využití membrány zo zylonitu je permeabilita oxidu uhličitého dvadsaťnásobne vyššia ako metánu. Pri sulfáne je to dokonca až šesťdesiatnásobok. Na urýchlenie odlučovania sa pracuje s tlakom v intervale od 25 do 40 bar.

Výhodou metódy sú najmä nízke prevádzkové náklady a široké možnosti ďalšieho výskumu. Najnovšie výskumy ukazujú, že pomocou dvojstupňového zapojenia membrán môže dôjsť k redukcii strát až na úroveň 1,5 až 3 %, čo zaraďuje membránovú metódu na kvalitatívnu úro­veň najpoužívanejších postupov úpravy bioplynu.

Riešenie strát metánu
Pri úprave bioplynu dochádza aj k odlúčeniu metánu, čo predstavuje negatívny ekonomický a environmentálny aspekt celého procesu. Straty metánu predstavujú okolo 2 % z celkového množstva. Staršie zariadenia upravujúce bioplyn dosahovali straty až 10 %. Problém so stratami metánu možno riešiť zlepšovaním využívanej technológie, zavádzaním chemických postupov úpravy bioplynu, ktoré sú selektívnejšie k oxidu uhličitému, alebo spaľovaním odlúčeného metánu.

Záver
Z využívania v praxi vyplýva, že úprava bioplynu spotrebováva množstvo elektrickej energie predstavujúce podiel 3 až 6 % energie upraveného plynu. So zväčšovaním kapacity zariadenia na úpravu bioplynu klesajú finančné náklady procesu na výrobnú jednotku. S úpravou bioplynu sa tiež spája odorizácia biometánu za pomoci merkaptánov alebo THT (tetrahydrotiofén –C₄H₈S) a jeho vtláčanie do lokálnej alebo vysokotlakovej siete.

Využitie bioplynu – respektíve biometánu – je výsostne aktuálne a potrebné. Po prekonaní počiatočných obáv z vysokých investičných nákladov sa nám jednoznačne odvďačí celou paletou pozitívnych vplyvov, z ktorých niektoré presahujú sektor energetiky. Je našou povinnosťou naďalej skúmať, zdokonaľovať a preferovať využívanie tohto paliva.

Ing. Vladimír Olej

Autor pôsobí v spoločnosti Eustream, a. s., so sídlom v Nitre a ako externý doktorand na STU v Bratislave.
Recenzoval: prof. Ing. Ján Gaduš, PhD.

Foto: Dano Veselský

Literatúra
1.    Schulz, H., Eder, B.: Bioplyn v praxi. Ostrava: 2004. 164 s.
2.    Persson, M.: Evaluation of Upgrading Techniques for Biogas. Lund: Lund University, Sweden, 2003. 85 s.
3.    www.svenskbiogas.se (SvenskBiogas: Biogas – For a Sustainable Society, Biogas – Clean Energy, Biogas Train, Environmentally Friendly and Cost Effective).
4.    www.theecologist.org (Ecologist – The World’s Leading Environmental Magazine: Less Waste, More Speed, 2007).

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik.