Przegląd technologii oczyszczania biogazu do jakości gazu ziemnego Krzysztof BIERNAT, Izabela SAMSON-BRĘK Przemysłowy Instytut Motoryzacji, Warszawa Prosimy cytować jako: CHEMIK 2011, 65, 5, 435-444 Wstęp Biogaz powstający w procesie fermentacji metanowej zawiera średnio 50 60% metanu. Pozostałe składniki, takie jak: ditlenek węgla, siarkowodór, woda w postaci pary wodnej, oraz niewielkie ilości azotu i tlenu, stanowią balast obniżający wartość opałową biogazu. Wartość opałowa biogazu surowego jest znacznie niższa od gazu ziemnego albo sprężonego gazu ziemnego, stosowanego jako paliwo silnikowe CNG. Biogaz najczęściej wykorzystywany jest do przetwarzania na energię elektryczną i/lub ciepło. Oczyszczanie biogazu dla tego typu zastosowań sprowadza się głównie do usunięcia siarkowodoru oraz wody, negatywnie wpływających na funkcjonowanie i żywotność urządzeń energetycznych, powodując ich korozję. Ze względu na efektywność procesów przetwarzania energii, korzystniejsze są procesy polegające na oczyszczaniu biogazu do jakości gazu ziemnego i wykorzystywanie go bezpośrednio jako nośnika energii paliwa do silników spalinowych. Ze względu na rozbudowaną w Polsce sieć gazu ziemnego, możliwe jest transportowanie oczyszczonego biogazu, a dokładniej biometanu do odpowiednio zlokalizowanych stacji tankowania lub też do zakładów przemysłowych. Aktualnie w Polsce znajduje się 31 stacji tankowania sprężonego gazu ziemnego. Jednocześnie istnieją możliwości techniczne budowy znacznie większej liczby takich stacji, w zależności od potencjalnego rynku odbiorców. Procesy wykorzystywania biometanu jako bezpośredniego nośnika energii w silnikach spalinowych i procesach technologicznych nabierają coraz większego znaczenia. Realizowane są w tym zakresie projekty europejskie, takie jak: Baltic Biogas Buses, Biogas Highway, Biogas Fuel Eureka, w których Polska jest jednym z głównych wykonawców. Uważa się bowiem, że wykorzystywanie biogazu jako paliwa do napędu silników spalinowych napędzających generatory prądotwórcze jest znacznie mniej efektywne energetycznie i niekorzystne środowiskowo, niż bezpośrednie zasilanie tym paliwem silników trakcyjnych, ponieważ na każdym etapie przetwarzania energii występują straty entropowe, niezależnie od trudności związanych z przyłączaniem lokalnych elektrowni do sieci elektroenergetycznych. Dlatego prowadzone są prace mające na celu efektywne oczyszczenie biogazu surowego do biometanu, czyli uzyskania jakości odpowiadającej jakości gazu ziemnego. Ze względu na skład chemiczny biogazu naturalnego, technologie oczyszczania biogazu surowego polegają głównie na usunięciu z niego ditlenku węgla, siarkowodoru, siloxanów oraz wody. Oczywistym jest, że skład chemiczny biogazu zależy nie tylko od technologii procesów metanizacji, ale przede wszystkim od rodzaju surowców i warunków procesowych. Dobór optymalnego surowca i warunków procesu jest przedmiotem wielu realizowanych prac badawczo-rozwojowych, w których jednym z celów jest opracowanie bardziej dokładnych kalkulatorów biogazowych, pomagających określić nie tylko kompozycję surowcową i parametry procesu, ale także efektywność ekonomiczną. Przykładem rozbudowanego kalkulatora może być Falköpping Kalkulator opracowany w ramach projektu Biogas Max. 1. Standardy techniczne dla biogazu wtłaczanego do sieci gazowej Biogaz wtłaczany do sieci gazowej musi spełnać odpowiednie wymagania jakościowe. Dostosowanie biogazu ma miejsce na drodze procedury uzdatniania w instalacji standaryzującej. Parametry jakościowe, jakie musi spełniać gaz ziemny w Polsce, zostały określone w dwóch normach: PN-C-04752:2002 Gaz ziemny. Jakość gazu w sieci przesyłowej PN-C-04753:2002 Gaz ziemny. Jakość gazu dostarczonego odbiorcom z sieci rozdzielczej. Obecnie nie ma ujednoliconych, europejskich standardów technicznych, które regulowałby warunki wprowadzania biogazu do sieci gazowej. W Komisji Europejskiej trwają prace nad opracowaniem normy określającej parametry jakościowe dla biometanu. Również w Polsce, na stronach Ministerstwa Gospodarki, znajduje się projekt rozporządzenia w sprawie potwierdzenia danych dotyczących ilości wytwarzanego biogazu rolniczego wprowadzanego do sieci dystrybucyjnej gazowej. W art. 3 ustęp 1 wymienionego rozporządzenia określone zostały parametry jakościowe biogazu umożliwiające wprowadzanie go do sieci dystrybucyjnej. Podobne rozporządzenia funkcjonują już w innych krajach Unii Europejskiej. I tak, w Niemczech parametry jakościowe dla biogazu (biometanu) opierają się na wymaganiach określonych dla gazu ziemnego. Ustawodawca pozwala na wtłaczanie do sieci dwóch rodzajów biogazu: typu H (High), czyli gazu posiadającego wysoką wartość opałową i typu L (Low) posiadającego niską wartość opałową. W tablicy 1 przedstawiono niemieckie wymagania jakościowe dla biogazu podawanego do sieci gazowej. Tablica 1 Niemieckie wymagania jakościowe dla biogazu wtłaczanego do sieci gazowej Parametr Jednostka Wartość Liczba Wobbego MJ/nm 3 46,1-56,5 dla gazu 1 H 37,8-46,8 dla gazu 2 L Względna gęstość - 0,55-0,75 Pył - Technicznie wolny Punkt rosy 0 C <t 3 CO 2 % obj. <6 O 2 % obj. <3 (w suchej sieci dystrybucyjnej) S mg/nm 3 <30 1 odnosi się do >97,5% metanu 2 odnosi się do 87-98,5% metanu 3 t temperatura ziemi 2. Osuszanie biogazu Jednym z podstawowych etapów wytwarzania biometanu z biogazu jest jego osuszanie. Względna wilgotność biogazu surowego w komorze fermentacyjnej wynosi 100%, co oznacza, że jest on nasycony parą wodną. Osuszenia wymaga przede wszystkim biogaz powstający na drodze fermentacji mokrej oraz po procesach uzdatniania z użyciem wody. Proces osuszania najczęściej odbywa się w trakcie jego schładzania i jest możliwy na całej linii technologicznej. Część pary wodnej wydziela się w postaci kondensatu gromadzonego w wykraplaczach. nr 5/2011 tom 65 435
Podczas procesu odwadniania, wraz z wodą mogą również być usuwane inne, niepożądane składniki biogazu, głównie rozpuszczalne w wodzie gazy i aerozole. 3. Adsorpcja zmiennociśnieniowa, PSA (Pressure Swing Adsorption) Adsorpcja zmiennociśnieniowa jest jedną z najbardziej rozpowszechnionych technik produkcji biometanu. W tej technologii ditlenek węgla jest usuwany z biogazu poprzez adsorpcję na powierzchni węgla aktywnego, bądź na sitach molekularnych z zeolitu pod zwiększonym ciśnieniem. Na węglu aktywnym może również dochodzić do adsorpcji siarkowodoru i pary wodnej, co mogłoby jednak skutkować dezaktywacją złoża, dlatego też zaleca się wstępne oczyszczenie biogazu z tych związków przed podaniem go do kolumny adsorpcyjnej. Dla zachowania ciągłości procesu, instalacja uzdatniania wyposażona jest zazwyczaj w cztery, sześć lub dziewięć kolumn pracujących równolegle. W przypadku desorpcji z wykorzystaniem gazu obojętnego, zanieczyszczenia przechodzą z adsorbentu do gazu i są następnie spalane. Schemat funkcjonowania instalacji PSA przedstawiono na rysunku 1. W instalacjach wytwarzających biometan, zlokalizowanych w Austrii, Niemczech czy Szwecji (fot. 1), funkcjonujących w oparciu o technikę PSA, uzyskuje się gaz o zawartości metanu w granicach 96-97% (v/v). 4. Absorpcja Absorpcja jako proces dyfuzyjnego przenoszenia cząstek gazu do cieczy, wywołany różnicą gradientu stężeń, w obu fazach dzieli się na trzy podstawowe etapy: 1. Przenoszenie gazu do powierzchni cieczy 2. Rozpuszczenie gazu w warstwie granicznej 3. Przenoszenie gazu zaabsorbowanego w głąb cieczy. Procesy absorpcyjne, prowadzone w skruberach, służą głównie do usuwania ditlenku węgla, ale przy ich udziale usuwany jest również siarkowodor. W tej technologii wykorzystywane jest zjawisko większej rozpuszczalności CO 2 w wodzie, niż metanu. W związku z tym, ciecz opuszczająca kolumnę będzie zawierała większe stężenie ditlenku węgla, zaś gaz więcej metanu. W instalacjach uszlachetniania surowego biogazu techniką absorpcji kolumna, w której odbywa się proces, jest wypełniona materiałem uszczelniającym, wykonanym głównie z tworzywa sztucznego (w celu zwiększenia powierzchni kontaktowej i zapewnienia optymalnego czasu kontaktu gazu i fazy ciekłej). Rys. 1. Schemat funkcjonowania instalacji PSA Materiał adsorpcyjny, po wykorzystaniu jego pojemności adsorpcyjnej, może podlegać regeneracji i być ponownie wykorzystany. Regeneracja prowadzona jest poprzez ogrzewanie adsorbentu lub przez przepuszczanie go przez strumień gazu obojętnego. Metodą stosowaną najczęściej jest jednak ogrzewanie do temperatury wrzenia adsorbenta. W przypadku, gdy istnieje prawdopodobieństwo rozkładu substancji, metodzie tej może towarzyszyć również obniżanie ciśnienia w układzie. Podczas regeneracji ciśnienie jest obniżane stopniowo. Gaz, który jest zdesorbowany może zostać zawrócony ponownie do zbiornika, w którym znajduje się surowy biogaz, ponieważ zawiera jeszcze pewne (możliwe do odzyskania) ilości metanu, który został zaadsorbowany wraz z ditlenkiem węgla. Gaz po procesie desorpcji, jeżeli nie zawiera już metanu, jest uwalniany do atmosfery. Fot. 1. Instalacja do uzdatniania biometanu funkcjonująca w oparciu o technologię PSA, Helsingborg, Szwecja 5. Wykorzystanie płuczek wodnych Ditlenek węgla, jak już wspomniano, ma większą rozpuszczalność w wodzie niż metan. Gaz ten rozpuszczać się będzie zatem w większym stopniu niż metan, szczególnie w niższych temperaturach. W kolumnie płuczki ditlenek węgla jest rozpuszczany w wodzie, stężenie metanu zaś w fazie gazowej wzrasta. Gaz opuszczający płuczkę posiada znacznie wyższe stężenie metanu. Woda opuszczająca kolumnę absorpcyjną trafia do zbiornika magazynującego. Gaz, który zwiera jeszcze pewne, możliwe do odzyskania, ilości metanu jest zawracany ponownie do wlotu gazu surowego. Jeśli woda ma być poddana procesowi recyklingu, to jest ona przenoszona do kolumny desorpcyjnej wypełnionej uszczelnieniem wykonanym z tworzywa sztucznego. Woda schładzana jest do temperatury, w której możliwe będzie osiągnięcie znacznej różnicy rozpuszczalności pomiędzy ditlenkiem węgla a metanem, zanim zostanie ona poddana procesowi recyklingu i zwrócona do kolumny absorpcyjnej. Płuczka wodna jest najczęściej stosowaną techniką oczyszczania biogazu, zaś instalacje wykorzystujące tę metodę są powszechnie dostępne na rynku. W związku z tym, istnieje również wielu dostawców tej technologii i niezbędnego wyposażenia. I tak np. firma Biorega AB opracowała płuczkę wodną, która jest przeznaczona dla małych instalacji z niewielkim przepływem gazu surowego. W systemie zaproponowanym przez Biorega, ditlenek węgla jest desorbowany za pośrednictwem pompy próżniowej podłączonej do kolumny desorpcyjnej. W 2004 r. powstała instalacja pilotażowa o zdolności przetwarzania 12 Nm 3 surowego biogazu na godzinę. Druga instalacja demonstracyjna o pojemności 15-18 Nm 3 /h jest obecnie w trakcie budowy. Alternatywny skruber wodny został opracowany przez fińską firmę Metener. W tym procesie biogaz jest jednocześnie oczyszczany i poddawany działaniu ciśnienia wynoszącego ok. 150 barów w trybie wsadowym. Instalacja składa się z dwóch kolumn pracujących równolegle w kilku etapach (podczas, gdy jedna kolumna jest napełniona, druga jest opróżniana). Surowy biogaz jest kompresowany i wtłaczany do kolumny. Kolumna jest następnie wypełniana wodą za pomocą wysokociśnieniowej pompy wodnej. Ditlenek węgla i związki siarki ulegają rozpuszczeniu w wodzie. Po procesie czyszczenia pod ciśnieniem gaz opuszcza kolumnę, woda zaś jest regenerowana w przeznaczonym do tego celu zbiorniku. 436 nr 5/2011 tom 65
Jak wykazały testy, technologia Metner jest najbardziej efektywna dla przepływu biogazu w granicach 30-100 Nm 3 /h. Płuczki wodne o pojemności 75-800 m 3 /h zostały zainstalowane w wielu instalacjach w Szwecji. Jednym z nich jest instalacja zlokalizowana w Sztokholmie (fot. 2). żelaza jest procesem o wysokiej efektywności usuwania H 2 S, przy jednoczesnym niskim zużyciu środków chemicznych, między innymi dzięki możliwości regeneracji czynnika absorpcyjnego. Ogólny zapis reakcji przebiegającej podczas procesu przebiega wg reakcji 1: Cały system składa się z kolumny absorbera, separatora cząstek lub filtra oraz kolumny, w której następuje regeneracja czynnika absorpcyjnego. W kolumnie absorpcyjnej siarkowodór jest absorbowany oraz przekształcany do postaci siarki. Natomiast w separatorze cząstek, powstałe cząsteczki siarki są oddzielane od strumienia produktu końcowego. Ostatnim etapem omawianego procesu jest regeneracja absorbentu w kolumnie regeneracyjnej. Schemat przebiegu procesu został przedstawiony na rysunku 2. Fot. 2. Instalacja oczyszczania biogazu wykorzystująca technologię płuczki wodnej, Sztokholm, Szwecja (Źródło: http://www.biogas.org.nz) 6. Wykorzystywanie płuczek organicznych Płuczki organiczne działają na podobnej zasadzie, jak płuczki wodne, z tym że ditlenek węgla jest absorbowany w rozpuszczalniku organicznym, takim jak glikol polietylenowy, o większej niż woda rozpuszczalności CO 2. Roztwór glikolu polietylenowego jest regenerowany poprzez ogrzewanie i/lub stopniowe zmniejszanie ciśnienia. Wraz z ditlenkiem węgla mogą zostać usunięte również takie substancje, jak siarkowodór, woda, tlen i azot. Jednak zazwyczaj są one usuwane przed rozpoczęciem procesu oczyszczania. Płuczki organiczne są zdecydowanie rzadziej stosowane, niż płuczki wodne. Instalacje, w których znalazła zastosowanie ta technika, znajdują się głównie w Niemczech (Schwandorf). 7. Wykorzystywanie płuczek chemicznych Płuczki chemiczne, inaczej aminowe, działają na zasadzie reakcji chemicznej ditlenku węgla z monoetanoloaminą (MEA) lub dimetyloetanoloaminą (DMEA). Reakcja jest bardzo selektywna, dzięki czemu straty metanu są nieznaczne (<0,1%). Część cieczy jest tracona podczas przebiegu procesu w wyniku parowania i musi zostać uzupełniona. Ciecz, w której jest wiązany chemicznie ditlenek węgla, jest regenerowana poprzez ogrzewanie. Jeśli w surowym gazie obecny jest siarkowodór, zostanie on zaabsorbowany w roztworze znajdującym się w płuczce aminowej, co powoduje, iż potrzebne będą wyższe temperatury do regeneracji roztworu. Wskazane zatem jest usunięcie siarkowodoru przed rozpoczęciem procesu absorpcji w płuczce aminowej. Przykładowe instalacje zawierające płuczki chemiczne znajdują się miedzy innymi w Szwecji (Goteborg), Niemczech (Jameln), czy w Szwajcarii (Obermeilen). Rys. 2. Schemat absorpcji chemicznej siarkowodoru Usuwanie H 2 S jest również możliwe za pomocą płuczki chemicznej. Proces chemicznej absorpcji siarkowodoru przy użyciu związków 8. Techniki membranowe Techniki membranowe pozwalają na separację zanieczyszczeń, głównie ditlenku węgla oraz siarkowodoru. Są to procesy wciąż nowe, ale rozwijające się bardzo dynamicznie. Zaawansowanie prac badawczych w dziedzinie technologii membranowych oraz ich wyniki wskazują na techniczne oraz ekonomiczne uzasadnianie ich zastosowania jako jednej z najlepszych metod oczyszczania biogazu z zanieczyszczeń. Membrana stanowi filtr, przez który może przechodzić bez przeszkód przynajmniej jeden ze składników rozdzielanej mieszaniny, podczas gdy inne są przez nią zatrzymywane ze względu na ich wielkość lub powinowactwo. Jest to związane z różną przepuszczalnością membrany. Transport zachodzi przez membranę dzięki zastosowaniu odpowiedniej siły napędowej, czyli różnicy potencjałów chemicznych po obu stronach membrany. Ten potencjał może być wywołany między innymi różnicą ciśnienia, stężenia, temperatury lub potencjału elektrycznego występującą po obu stronach membrany. Zależy również ściśle od rodzaju membrany (membrany porowate lub dyfuzyjne). W technikach membranowych transport cząsteczek zostaje więc wywołany różnicą potencjałów chemicznych po obu stronach membrany, a separacja zachodzi dzięki różnicy w szybkości transportu różnych substancji, składników roztworów lub mieszanin. Membrana jest fazą ciągłą o budowie symetrycznej albo asymetrycznej. W membranie asymetrycznej stanowi ona drobno porowatą warstwę pokrywającą makroporowate podłoże albo mikroporowatą, względnie zwartą (nieporowatą) warstwę nałożoną na oddzielnie formowane porowate podłoże (w tzw. membranach kompozytowych). Membrany najczęściej występują w formie tzw. włókna kapilarnego. Włókna te posiadają bardzo małą średnicę, przez co wymuszenie przepływu roztworu przez omawianą membranę wymaga zastosowania dużych ciśnień. Wysokie ciśnienia wymuszają natomiast znaczną wytrzymałość mechaniczną membrany, gdyż bardzo łatwo może dojść do zablokowania kanałów kapilarnych. Efektem jest znaczne zwiększenie kosztów prowadzenia procesu. Membrana mokra służąca do oczyszczania biogazu jest zbudowana z materiałów, które przepuszczają tylko ditlenek węgla, wodę i amoniak (azan). Związki takie, jak siarkowodór czy tlen, przenikają przez membranę tylko w pewnym stopniu, natomiast przenikalność azotu i metanu jest nieznaczna. Proces oczyszczania przebiegający z udziałem membran często zachodzi dwuetapowo. Przed przeniknięciem gazu przez membranę, przechodzi on najpierw przez filtr, który zatrzymuje wodę, kropelki oleju i aerozoli, które wywierają negatywny wpływ na funkcjonowanie membrany i mogą spowodować jej uszkodzenie. Separacja membranowa jest jedną z podstawowych metod oczyszczania gazu wysypiskowego. Pierwsze instalacje powstały pod koniec 1970 r. w USA, a następnie w Holandii. nr 5/2011 tom 65 437
9. Nowe rozwiązania w technologiach oczyszczania biogazu 9.1. Separacja kriogeniczna Oprócz ciągłego doskonalenia funkcjonujących już technologii oczyszczania biogazu, opracowywane są również nowe technologie. Jedną z takich technologii jest kriogeniczne oczyszczanie biogazu. Proces przebiega w warunkach bardzo niskich temperatur (do -100 o C) oraz wysokich ciśnień (ok. 40 bar). Surowy biogaz jest schładzany do temperatury, w której zawarty w nim ditlenek węgla ulega skropleniu lub sublimacji i może być wydzielony z biogazu w postaci cieczy lub ciała stałego, podczas gdy metan pozostaje nadal w fazie gazowej. Zasada działania procesu kriogenicznej separacji została przedstawiona na rysunku 3. Rys. 3. Schemat procesu separacji kriogenicznej Chłodzenie przebiega zwykle kilkuetapowo, w celu dokładnego usunięcia różnych niepożądanych substancji zawartych w biogazie, między innymi pary wodnej i siloksanów, oraz w celu optymalizacji odzysku energii. Strumień surowego biogazu przechodzi przez pierwszy wymiennik ciepła, który chłodzi gaz do temperatury -70 o C. Kolejnym etapem procesu jest przepuszczanie schłodzonego już biogazu przez ciąg sprężarek i wymienników ciepła, które dodatkowo chłodzą gaz oraz powodują jego sprężenie do ok. 40 barów przed wejściem gazu do kolumny destylacyjnej. Ostatnim etapem procesu separacji kriogenicznej jest oddzielenie CH 4 od innych zanieczyszczeń, głównie H 2 S i CO 2. Główną zaletą kriogenicznej separacji, jest możliwość uzyskania biogazu o dużej zawartości metanu wynoszącej nawet 99%. Główną wadą jest natomiast to, że do przeprowadzenia procesu oczyszczania niezbędne jest użycie wielu urządzeń technologicznych, głównie sprężarek, turbin i wymienników ciepła. Tak znaczne zapotrzebowanie na sprzęt czyni separację kriogeniczną niezwykle kosztowną. W systemie GPP, pochodzącym z Gastreatment Services BV, biogaz jest najpierw sprężony do ciśnienia 17-26 bar, a następnie chłodzony do -25 C. Na tym etapie jest usuwana z biogazu woda, siarkowodór, ditlenek siarki, halogeny i siloksany. Gaz jest następnie przepuszczany przez filtr koalescencyjny oraz przez katalizator, który usuwa wszelkie, pozostałe zanieczyszczenia. Ditlenek węgla jest usuwany w dwóch kolejnych etapach. W pierwszym etapie gaz schładzany jest do temperatury -50-59 o C. W takich warunkach usuwane jest ok. 30-40% ditlenku węgla. Podczas drugiego etapu pozostała ilość ditlenku węgla jest usuwana w postaci ciała stałego. Ponieważ gaz ten na tym etapie jest ciałem stałym do właściwego przebiegu procesu potrzebna jest dodatkowa kolumna, która jest wykorzystywana podczas rozmrażania i usuwania ditlenku węgla z pierwszej kolumny. Firma Gastreatment Services BV jest obecnie w trakcie rozwijania nowej technologii, tzw. GPP plus, która, oprócz oczyszczania biogazu, będzie jednocześnie wytwarzała płynny metan jako produkt końcowy. System ten jest na etapie badań, ale pierwsze pilotażowe instalacje pojawiły się w Holandii już w 2009 r. Poprzez zmniejszenie temperatury potrzebnej do wytworzenia ciekłego metanu, możliwa jest również separacja azotu, co stanowi dużą zaletę, szczególnie podczas oczyszczania gazu wysypiskowego. 9.2. Wzbogacanie metanu in situ Podczas oczyszczania biogazu z jednoczesnym wzbogacaniem metanu metodą in situ (rys. 4), osad z komór fermentacyjnych jest, w pierwszym etapie, przekazywany do kolumny desorpcji, a następnie z powrotem do komory fermentacyjnej. W kolumnie desorpcji ditlenek węgla jest desorbowany poprzez przepuszczanie dawki powietrza przez osad. Ciągły proces usuwania CO 2 z osadu prowadzi do zwiększenia stężenia metanu w biogazie opuszczającym komorę fermentacyjną. Symulacje procesu wykazały, że możliwe jest osiągnięcie biogazu z 95% zawartością metanu, przy jego stracie podczas oczyszczania, wynoszącej mniej niż 2%. Z analizy ekonomicznej wynika, że koszty przepływu surowego gazu w ilości poniżej 100 Nm 3 /h, mogą wynosić jedną trzecią kosztów konwencjonalnych technik oczyszczania. Pierwsze instalacje, łączące proces oczyszczania biogazu z jednoczesnym wzbogacaniem metanu metodą in situ, funkcjonują już od 2006 r. W doświadczeniach, w których testowane były instalacje wykorzystujące wspomnianą metodę, najwyższa uzyskana zawartość metanu wynosiła 87%, przy 2% udziale azotu, zaś straty metanu zawartego w gazach odlotowych wyniosły 8%. Technologia in situ jest stosunkowo prosta i nie wymaga zastosowania dużej ilości dodatkowego sprzętu w postaci np. zbiorników ciśnieniowych. Dlatego też, dzięki jej zastosowaniu istnieje możliwość redukcji kosztów instalacji, w porównaniu z innymi omawianymi wcześniej technologiami. Jednak zastosowanie procesu ogranicza się obecnie do małych instalacji, w których nie jest wymagana duża zawartość metanu w biogazie (>95%). Rys. 4. Schemat przebiegu wzbogacaniu metanu metodą in situ (Courtesy of Ake Nordberg, SLU, Sweden). Źródło: Petersson A., Wellinger A., Biogas upgrading technologies developments and innovations, IEA Bioenergy, Szwecja, 2009 Wnioski Biogaz jest wykorzystywany obecnie jako nośnik energii, głównie do wytwarzania energii elektrycznej, i jakby przy okazji tego procesu, do generowania ciepła. Ciepło procesowe najczęściej jest wykorzystywane do zasilania instalacji i pomieszczeń obsługowych. W wielu składowiskach odpadów stwierdza się tylko częściowe wykorzystywania energii biogazu do własnych potrzeb, przy jednoczesnym, bezużytecznym spalaniu biogazu w pochodniach. Niezależnie od trudności natury technicznej, wynikającej ze złożoności podłączenia do sieci elektroenergetycznych lokalnych źródeł energii, wiadomo, że każdy proces przetwarzania energii jest procesem stratnym, także poprzez, sumujący się na każdym etapie przetwarzania, składnik entropowy. Zasilanie biogazem silnika spalinowego, napędzającego generator, przepływ prądu i ponowne zasilanie tym prądem silnika elektrycznego lub innego odbiornika wnosi znacznie wyższe straty, niż zasilanie bezpośrednie silników oczyszczonym do biometanu biogazem jako paliwem. Niezależnie od tego, przyłączenie źródła biogazu doprowadzonego do czystości gazu ziemnego, czyli biometanu, do sieci gazowej nie stwarza żadnych problemów natury technicznej. Dlatego też wykorzystywanie biometanu jako bezpośredniego nośnika energii jest znacznie korzystniejsze i powinno być preferowane i szeroko promowane. Poza obecnym wykorzystywaniem biogazu do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, mogą być, i powinny występować, nasilające się następujące aplikacje tego nośnika energii, w postaci biometanu: jako paliwo do silników spalinowych z obiegiem wewnętrznym, trakcyjnych jako paliwo do silników spalinowych o obiegu zewnętrznym Stirlinga do zasilania mikroturbin gazowych 438 nr 5/2011 tom 65
do aplikacji w ogniwach paliwowych jako paliwo w układach poligeneracyjnych jako nośnik energii w zastosowaniach przemysłowych i komunalnych poprzez sieć gazową. Biometan jako biopaliwo II generacji jest uwzględniany w strategii rozwoju biopaliw przyszłościowych. Dlatego też prowadzone są prace badawcze, zmierzające do opracowania najbardziej skutecznych technologii oczyszczania biogazu do jakości odpowiadającej jakości gazu ziemnego. Na konferencji WIREC 2008 w Waszyngtonie Polska zgłosiła zamiar wybudowania do 2020 r. ok. 2 500 biogazowni rolniczych. Uwzględniając założenia Europejskiej Strategii Badawczej w Zakresie Biopaliw, oraz Mapę Drogową Biopaliw dla Transportu, konieczne wydaje się podjęcie prac nad opracowaniem optymalnych technologii oczyszczania biogazu do biometanu, i wdrażanie tych technologii w budowanych, lub planowanych do budowy biogazowni. Literatura 1. Ceynowa J.: Membrany selektywne i procesy membranowe. Wykłady Monograficzne i Specjalistyczne Membrany Teoria i Praktyka, zeszyt I, Wydział Chemii, Uniwersytet M. Kopernika, Toruń 2003. 2. Petersson A., Wellinger A., Joonson O.: Biogas upgrading to vehicle fuels standard and grid injection. IEA Bioenergy, Szwecja, 2006. 3. Petersson A., Wellinger A.: Biogas upgrading technologies developments and innovations. IEA Bioenergy, Szwecja, 2009. 4. Biernat K.: Współczesne uwarunkowania i technologie wytwarzania biogazu. CHEMIK 2008, 7-8, 349-355. 5. Biernat K., Dziołak P., Gis W., Żółtowski A. Biogas in Poland actual condition and perspective of development. Rostocker Bioenergieforum Zukunftstechnologien für Bioenergie. Zeszyty Naukowe: Institut für Umweltingenieurwesen, Band 27, Rostock, 2010. 6. Biernat K.: Rozwój technologii wytwarzania biopaliw. Czysta Energia 2010, 11, 33-36. 7. Biernat K.: Nowe technologie z wykorzystaniem biomasy do produkcji biogazu. Konferencja energetyczna, Sejm RP, Warszawa 14.05.2008 r. 8. Biernat K.: Innowacyjne źródła gazu w rolnictwie energetycznym. Konferencja Gaz dla Polski, 10 marca 2009, Warszawa. 9. Biernat K.: Bilans energetyczny biogazu w Polsce-metody wykorzystania nagromadzonej w surowcach energii, sporządzanie bilansu energetycznego, planowanie inwestycji pod kątem odbiorców energii, efektywne wykorzystanie zgromadzonego potencjału. Konferencja Projektowanie i finansowanie biogazowni na bazie polskiego rolnictwa i przetwórstwa rolno-spożywczego, Warszawa, 22 czerwca 2009. 10. Samson-Bręk I., Biernat K.: Możliwości wykorzystania biogazu rolniczego do produkcji paliwa silnikowego. Studia Ecologiae et Bioethicae nr 7/2009, Wyd. UKSW, Warszawa. 11. http://www.gasforeningen.se. 12. http://www.biogas.org.nz. 13. http://methane-digester.net. Dr inż. Krzysztof Biernat jest adiunktem w Przemysłowym Instytucie Motoryzacji, pełniąc funkcję Koordynatora Polskiej Platformy Technologicznej Biopaliw i Biokomponentów. Jest przedstawicielem Polski w Europejskiej Platformie Technologicznej Biopaliw jako członek Mirror Group oraz przedstawicielem Platformy i jednocześnie członkiem Amerykańskiej Rady Energii Odnawialnej ACORE. Był członkiem Rady Naukowej Instytutu Paliw i Energii Odnawialnej ostatniej kadencji. Jest także członkiem Advisory Board BIOPOL Project Assesment of BIOrefinery Concept and the Implication for Agricultur and Forestry POLicy, członkiem Working Group BITES Project, Biofuels Technologies European Showcase oraz ERA NET BIOENERGY. Jest Zastępcą Dyrektora Instytutu Ekologii i Bioetyki Uniwersytetu Kardynała Stefana Wyszyńskiego w Warszawie. Specjalizuje się w termodynamice chemicznej procesów zachodzących w środowisku oraz technologii wytwarzania, oceny jakości i użytkowania płynów eksploatacyjnych, w tym biopaliw. Posiada wiele wyróżnień, odznaczeń i orderów za działalność naukową i proinnowacyjną, zagranicznych i krajowych. Od dwudziestu lat jest członkiem Międzynarodowego Jury, Światowego Salonu Postępu Naukowego i Wynalazczości Brussel s Eureka. Jest ekspertem w Programach Operacyjnych, 7 Programie Ramowym, NCBiR, MNiSW oraz Organizacji Państw Amerykańskich (OAS), Międzynarodowej Agencji Energii (IEA), a także UNIDO. Jest autorem ponad 200 publikacji z zakresu właściwości i uwarunkowań eksploatacyjnych paliw, biopaliw i innych płynów eksploatacyjnych oraz ochrony środowiska oraz wypromował kilkadziesiąt prac magisterskich i inżynierskich z tego zakresu. Posiada uprawnienia rzeczoznawcy w zakresie gospodarki paliwowo-energetycznej oraz zweryfikowanego wykładowcy Polskiego Towarzystwa Ekonomicznego i Naczelnej Organizacji Technicznej. Jest członkiem towarzystw naukowych krajowych i zagranicznych, w tym American Chemical Society (ACS-członkiem z wyboru) oraz American Association for the Advacement of Science (AAAS-członkiem z wyboru) a także pełni funkcję Sekretarza Generalnego Polskiego Towarzystwa Sozologicznego. Mgr Izabela Samson-Bręk absolwentka kierunku ochrona środowiska na Uniwersytecie Kardynała Stefana Wyszyńskiego w Warszawie, a od 2008 r. doktorantka. W 2010 r. ukończyła Studia podyplomowe w zakresie Zarządzania ochroną środowiska, doradca ds. ochrony środowiska w Instytucie Edukacji Europejskiej. Posiada certyfikaty Auditora wewnętrznego Systemów Zarządzania Jakością i Zarządzania Środowiskowego wg normy PN-EN ISO 19011 oraz Pełnomocnika ds. Gospodarowania Odpadami. Od 2008 r. pracuje w Instytucie Paliw i Energii Odnawialnej (od 01.2011 r. Przemysłowy Instytut Motoryzacji) na stanowisku specjalisty w zespole odnawialnych zasobów energii. Ekspert Instytutu Paliw i Energii Odnawialnej prowadzenie zajęć w ramach projektu Bioenergia dla Regionu Manager Energetyki Odnawialnej w zakresie prognozowanie potrzeb energetycznych na poziomie gminy oraz przedsiębiorstwa. Trener PARP (szkolenia z zakresu zarządzania środowiskiem). Autorka oraz współautorka wielu publikacji dotyczących biopaliw II generacji oraz zarządzania środowiskowego. Jest współzałożycielką Polskiego Stowarzyszenia Naukowego Recyklingu. W najbliższym numerze miesięcznika CHEMIK nauka technika rynek, m.in.: Joanna CzarnockA, Agnieszka Jakubiak: Ocena zmian wybranych właściwości paliw w czasie ich magazynowania Krzysztof KOŁODZIEJCZYK, Marlena OWCZUK: Camelina sativa jako alternatywny surowiec do produkcji biopaliw stosowanych do zasilania silników wysokoprężnych Artur MALINOWSKI: Bezpośrednia konwersja biometanu zawierającego CO 2 i H 2 O do wodoru i węglowodorów Anna MATUSZEWSKA, Małgorzata ODZIEMKOWSKA: Badanie wpływu współrozpuszczalnika na wybrane właściwości mieszanek oleju napędowego z bioetanolem Marlena OWCZUK, Krzysztof KOŁODZIEJCZYK: Ocena możliwości wykorzystania słomy i wytłoków z lnicznika siewnego jako alternatywnego surowca energetycznego Barbara SMERKOWSKA - Biobutanol produkcja i zastosowanie w silnikach Diesla Już teraz zapraszamy do lektury i dyskusji nr 5/2011 tom 65 439