Anaerobní digesce a technologie Power to X: Cesta k dekarbonizaci

V současné době se země po celém světě zavazují k dosažení nulových emisí CO₂, a navíc již do poloviny tohoto století. Snahy o dekarbonizaci se soustřeďují především na elektrifikaci, která je považována za klíčovou cestu k dosažení uhlíkové neutrality. Existují však sektory, které jsou elektrifikovatelné jen obtížně, jako například dálková přeprava, letectví a chemický průmysl, a vyžadují inovativní přístupy. Jednou z možností, jak snížit uhlíkovou stopu i v těchto odvětvích je integrace anaerobní digesce s technologiemi Power to X (P2X).

Anaerobní fermentace při výrobě bioplynu hraje důležitou roli nejen v produkci energie, ale také ve snižování emisí a produkci organického hnojiva digestátu, která snižuje potřebu minerálních hnojiv na bázi fosilních paliv. 

Pokud je bioplyn upravován na biometan, vzniká kromě biometanu téměř čistý proud oxidu uhličitého (CO₂). Vzniká tak možnost CO₂ dále využít, což odpovídá moderním bioenergetickým technologiím zachycování, sekvestrování uhlíku (Bioenergy with carbon capture and storage – BECCS) a/nebo využití uhlíku (Bioenergy with carbon capture and usage – BECCU). 

Power to X je soubor technologií, které využívají přebytečnou obnovitelnou elektrickou energii k výrobě různých produktů, které jsou nosiči energie. Mezi hlavní produkty patří:

• Power to Hydrogen (P₂H₂): Výroba vodíku elektrolýzou vody, který lze dále využít v průmyslu nebo jako palivo.

• Power to Methane (P₂M): Produkce metanu reakcí vodíku s oxidem uhličitým (CO₂), který je vedlejším produktem anaerobní digesce.

• Power to Methanol (P₂MeOH): Výroba metanolu, který může nahradit fosilní paliva v chemickém průmyslu.

• Power to Ammonia (P₂NH₃): Výroba amoniaku, který je důležitý pro výrobu hnojiv.

Anaerobní digesce a Power to X

Integrace anaerobní digesce s technologiemi Power to X umožňuje efektivní využití vedlejších produktů, jako je právě CO₂, který je nezbytný pro výrobu metanu v procesu Power to Methane či metanolu v procesu Power to Methanol. Navíc CO₂ oddělený od biometanu získaného úpravou bioplynu je koncentrovaný, levný, biogenní a obnovitelný zdroj. Plán RePowerEU předpokládá desetinásobné navýšení produkce biometanu do roku 2030, což představuje významný potenciál pro získávání obnovitelného CO₂ s koncentrací přes 98 %. Tato kombinace nabídne maximální využití obnovitelné energie a snížení emisí skleníkových plynů. 

Biometan může také nahradit zemní plyn při výrobě obnovitelného vodíku prostřednictvím parní reformace, při které je vodní pára o teplotě 750–950 °C přiváděna k biometanu. Směs biometanu a páry následně reaguje za vzniku vodíku, oxidu uhelnatého a menšího podílu oxidu uhličitého. Vyrobený obnovitelný vodík se může uplatnit v Haber-Boschově procesu potřebném pro výrobu amoniaku (viz níže popis technologie Power to Ammonia).

Power to Hydrogen 

Významnou roli v budoucí dekarbonizaci bude hrát vodík, který lze vyrábět elektrolýzou vody za použití obnovitelné elektřiny. Při tomto procesu se rozkládá voda na vodík a kyslík pomocí stejnosměrného elektrického proudu. Elektrolýzu vody na vodík a kyslík lze vyjádřit pomocí následující reakční rovnice:

2 H₂O → 2 H₂ + O₂ 

Elektrolyzér se skládá ze dvou elektrod (anoda a katoda), elektrolytů a semipermeabilní (polopropustné) membrány, která brání zpětné reakci plynného vodíku a kyslíku. Vodík se tvoří na katodě a kyslík na anodě. Reakce je endotermická a vyžaduje dodávky energie ve formě elektřiny. V současné době se využívají tři typy technologií: Alkalické elektrolýzní články (AEC), články s protonovou výměnou (PEM) a elektrolýzní články s pevnými oxidy (SOEC).

Vodík má vysoký obsah energie na jednotku hmotnosti, ale nízkou objemovou hustotu, což komplikuje jeho skladování a přepravu. Proto se v druhém kroku často přechází na výrobu metanu (power to methane), který je snáze využitelným energetickým nosičem. Nicméně, vodík produkovaný elektrolýzou, může být použit také k úpravě bioplynu na biometan, který lze využít jako palivo i pro nákladní automobily.

 

Power to Methane 

Přeměna elektřiny na vodík a následně na metan může na první pohled působit neefektivně, avšak i tato technologie má zásadní opodstatnění v širší energetické sféře. Síť zemního plynu má větší kapacitu než elektrická síť v EU a USA, a mnoho průmyslových odvětví je optimalizováno pro využití zemního plynu jako energetického nosiče. Přechod těchto odvětví na elektřinu by vyžadoval rozsáhlé investice do infrastruktury, zejména v průmyslových sektorech, kde je plynné palivo v současné době nezbytné, jako je výroba skla, potravinářství či chemický průmysl. Kromě toho metan (CH₄) je také důležitou surovinou pro výrobu amoniaku, metanolu a dalších chemických látek. S ohledem na dekarbonizaci je nahrazení fosilního metanu obnovitelným metanem nebo vodíkem velmi žádoucí. Přeměna vodíku na metan má tedy dvě hlavní výhody: využití stávající infrastruktury zemního plynu a vyšší objemovou hustotu energie metanu (10 kWh/m³ oproti 3 kWh/m³ u vodíku).

Proces přeměny vodíku na metan lze vyjádřit pomocí následující reakční rovnice:

4H₂ + CO₂ → CH₄ (plyn) + 2 H₂O (plyn)

Jak je z rovnice zřejmé, Power to Methane vyžaduje zdroj CO₂. Použití CO₂ pocházejícího z fosilních paliv by nebylo udržitelné, neboť by podporovalo další využívání fosilních zdrojů, které je z dlouhodobého hlediska nežádoucí. Ideálním zdrojem je proto biogenní CO₂ z čištění bioplynu.

Power to Methanol

Metanol je druhou nejvyráběnější chemickou látkou na světě s produkcí 110 milionů tun ročně. Používá se při výrobě kyseliny octové, formaldehydu, akrylových plastů, tkanin, lepidel, barev a farmaceutických látek. V budoucnu se očekává, že se stane hlavním palivem pro lodní dopravu, což povede k dalšímu nárůstu jeho výroby.

Tradiční výroba metanolu ze zemního plynu je v současnosti problematická kvůli jeho nedostatku a vysokým cenám způsobeným geopolitickými faktory. V dekarbonizovaném světě bude nezbytné, aby výroba metanolu byla udržitelná a s co nejnižší uhlíkovou stopou, což zvýší poptávku po obnovitelném vodíku a biogenním CO₂.

Bioplyn a biometan mohou sloužit jako zdroje pro výrobu metanolu, protože mají podobné chemické složení jako metanol. Bioplyn obsahující 75 % CH4 a 25 % CO₂ lze teoreticky přeměnit na metanol. Nicméně, toto složení má daleko k běžnému složení bioplynu, tím se tento proces komplikuje. 

3CH₄ + CO₂ + 2H₂O → 4CH₃OH

Pro zajištění optimální reakce s běžným složením bioplynu 55–60 % CH₄ a 45–40 % CO₂ (v případě zemědělských bioplynových stanic) je proto často nutné rozštěpit bioplyn na oxid uhelnatý (CO) a H₂ pomocí elektricky poháněného katalytického konvertoru a následně sloučit CO s obnovitelným vodíkem. Syntéza metanolu je exotermickou reakcí probíhající při teplotách 200 až 300 °C a tlaku 3,5 až 10 MPa.

CO + 2H₂ → CH₃OH

Power to Ammonia

Celosvětová produkce amoniaku (NH₃) dosahuje přibližně 160 milionů tun ročně a je odpovědná za uvolňování 450 milionů tun CO₂, což představuje asi 1 % globálních emisí CO₂. Amoniak je nejvíce vyráběnou chemikálií na světě a je klíčovým zdrojem pro výrobu dusíkatých hnojiv nebo výbušnin. Současná výroba amoniaku využívá fosilní paliva, zejména vodík ze zemního plynu (CH₄), což přispívá k používání fosilních paliv v zemědělství pro zvýšení výnosů pěstovaných plodin. Pro dekarbonizaci zemědělství je nezbytné přejít na nízkouhlíková hnojiva a vyrábět zelený amoniak.

I když by hnojiva mohla být vyráběna pouze nízkouhlíkovými metodami, problémem zůstávají emise oxidu dusného (N₂O) z půdy, které vznikají při hnojení a mají potenciál globálního oteplování 265krát vyšší než CO₂. S rostoucí populací a omezenou plochou orné půdy bude nutné dále zvyšovat výnosy na jednotku plochy. Čpavek se rovněž používá v textilním průmyslu, výrobě plastů, výbušninách a farmaceutickém průmyslu.

Reakce Haber-Boschova procesu pro výrobu amoniaku, probíhá při teplotě asi 500 °C a tlaku 20 MPa (s použitím železného katalyzátoru) a je mírně exotermická:

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

Pro výrobu zeleného amoniaku musí být vodík získán z obnovitelných zdrojů. Biometan může nahradit zemní plyn, ale vzhledem k vysoké poptávce po hnojivech by mohl být vodík pravděpodobněji získáván z elektrolyzérů poháněných obnovitelnou elektřinou. Tato otázka je další výzvou v oblasti dekarbonizace: zda upřednostnit využití vodíku pro výrobu metanu, metanolu, nebo čpavku.

Výhoda výroby amoniaku spočívá v tom, že tento proces není omezen dostupností biogenního CO₂ a může využívat dusík z atmosféry. Demonstrační zařízení na výrobu zeleného amoniaku, na kterém spolupracují Siemens Energy, Oxfordská univerzita a Cardiffská univerzita, využívají Haber-Boschův proces s vodíkem získávaným z obnovitelné elektřiny (obrázek 2).

Integrace bioplynové stanice se systémy Power to X

Je několik konfigurací, kterými lze použít technologii Power to Methane na bioplynových stanicích (BPS). Prvním z nich je přidáním vodíku z procesu Power to Hydrogen přímo do fermentoru BPS.

Na obrázku 3, schéma A, je do stávajícího anaerobního fermentoru přidán vodík z elektrolyzéru, což představuje proces in-situ biologické metanizace. Nicméně, je obtížné touto metodou dosáhnout biometanového standardu (s obsahem metanu přes 97 %). Po této fázi tedy následuje tradiční krok úpravy bioplynu na biometan.

Na obrázku 3, schéma B, bioplyn a vodík reagují v procesu ex-situ biologické metanizace. Tato konfigurace teoreticky nahrazuje tradiční procesy čištění bioplynu, což je výhodné, protože umožňuje vyhnout se vysokým investičním a provozním nákladům spojeným s další úpravou bioplynu na biometan. Problémem však může být, že přítomnost metanu v bioplynu negativně ovlivní účinnost procesu jeho vlivem na parciální tlak ostatních plynů.

Na obrázku 3, schéma C, je bioplyn upraven na biometan a koncentrovaný CO₂ reaguje s vodíkem za vzniku syntetického metanu. Tento proces je velmi účinný, avšak vyžaduje investice do tradiční úpravy bioplynu, což zvyšuje celkové náklady na celý proces.

Příklady z praxe: Audi e-gas Power to Methane, Werlte, Německo

Zařízení je v provozu od června 2013 a využívá CO₂ z procesu anaerobní digesce. Nachází se vedle fermentoru potravinového odpadu, který vyrábí biometan a zajišťuje tak nepřetržitý přísun biogenního CO₂. Tři alkalické elektrolýzní články (AEC) o výkonu 2 MW zde pomocí elektrolýzy rozdělují vodu na vodík a kyslík, za využití přebytečné elektřiny z větrných elektráren v Severním moři. Vodík se pak využívá v katalytickém metanizačním procesu, kde reaguje s biogenním CO₂ za vzniku syntetického metanu (e-plynu), který je identický se zemním plynem a lze jej používat ve vozidlech na CNG. Zařízení ročně vyprodukuje přibližně 1 000 tun metanu, což odpovídá 14 TWh energie, a palivo je určeno především pro vozidla na zemní plyn. Tato produkce by mohla pokrýt potřeby 1 000 automobilů na CNG při ročním nájezdu 20 000 km. 

 

Příklady z praxe: Allendorf, Německo

Toto zařízení je jedním z prvních, které kombinuje Power to Methane a biologickou metanizaci v jednom systému. Využívá elektrolyzér s protonovou výměnnou membránou (PEM) a biologickou metanizační jednotku. Metanizační jednotka je kontinuálně míchaným tankovým reaktorem o objemu 5 m³, schopným pracovat při tlaku 5 až 15 barů a teplotě 50 až 80 °C.

Zařízení je navrženo pro zpracování 30 m³ surového bioplynu za hodinu, obsahujícího 53 % metanu (16 m³/h) a 47 % CO₂ (14 m³/h). Elektrolyzér o výkonu 300 kW s účinností 60 % vyprodukuje 180 kWh vodíku (60 m³ H₂/h), což je čtyřnásobek množství CO2 ze zařízení na výrobu bioplynu. Díky přeměně CO₂ v bioplynu na metan se výkon metanizačního zařízení zvyšuje o 88 %, přičemž výsledná kvalita plynu obsahuje více než 98 % metanu a méně než 1,5 % vodíku. Zařízení ročně dodá do plynové sítě přibližně 40 000 m³ metanu.

Článek byl publikován v časopisu Biom 2/2024 Zkušenosti s biometanem.

Tweet

Odpadové hospodářství: Pozitivní trendy a výzvy do budoucna

Novinky z Prodevalu: zkapalňování CO2, Valopur DFM a nová výrobní linka na jihu Francie

Ohlédnutí se za sektorem pevné biomasy

Bystřická kotelna na biomasu

Regulace teploty plynových motorů