До теперішнього часу в світі є лише кілька реалізованих проектів введених в експлуатацію установок отримання метану з деревини. Перші результати дозволяють сподіватися на серйозний прорив у цьому напрямку.

Метан CH4 — газ без кольору і запаху, який майже в два рази легший за повітря. Він утворюється в природі в результаті розкладання без доступу повітря решток рослинних і тваринних організмів. Тому він присутній, наприклад, в заболочених водоймах і кам’яновугільних шахтах. У значних кількостях метан міститься в природному газі, який широко використовується зараз в якості палива в побуті і на виробництві.

Одна з технологій, що швидко розвиваються сьогодні в сфері виробництва енергії з відновлюваних джерел — це виробництво біометана анаеробної ферментації з подальшою подачею його в мережі, по яких споживачам доставляється природний газ. Всупереч високим витратам на виробництво біометана за такою технологією (8-10 євроцентів на 1 кВт/год), кількість установок для його виробництва безперервно зростає. У 2009 році на території ФРН перебували в експлуатації вже 23 класичні (працювали на гною) біогазові установки з подачею газу в діючі газопроводи природного газу, ще 36 знаходились в стадії будівництва або планування. Причиною зростання цього показника є Закон про відновлювану енергію (Erneuerbare Energien Gesetz — EEG), прийнятий у ФРН в 2004 році, доповнений в 2009 році і він дозволяє продавцям газу пропонувати своїм клієнтам газ, отриманий з регенеративних джерел, і отримувати державні субсидії на виробництво електроенергії з відновлюваних джерел енергії (ВДЕ).

Біометан за класичною і застосовуваною зараз скрізь схемою отримують з рослинних субстратів (наприклад, кукурудзи), гнойової рідини свинокомплексів, гною великої рогатої худоби, курячого посліду тощо. Такий метан з біомаси може бути отриманий шляхом її анаеробного перегнивання (ферментації). При анаеробному перегниванні органічні речовини (природні відходи) розкладаються при відсутності кисню. Цей процес протікає в три стадії за участю двох різних груп бактерій. На першій стадії складні органічні сполуки (жирні кислоти, протеїни, вуглеводи) в результаті ферментаційного гідролізу перетворюються в більш прості сполуки. На другій стадії прості сполуки піддаються впливу групи анаеробних (або кислотоутворюючих) бактерій, що призводить до утворення головним чином летких жирних кислот. На третій стадії органічні кислоти під дією строго анаеробних (або метаноутворюючих) бактерій перетворюються на діоксид вуглецю і метан. Після цієї стадії отримується збагачений метаном газ (біогаз), теплота згоряння якого 5340-6230 кКал/м³.

«Ерзацгаз» з твердої біомаси, такої як деревина, має істотну перевагу перед біогазом, отриманим з гною, посліду: в наявності у тих, хто займається виробництвом такого газу, значні обсяги відходів лісопиляння, лісозаготівель і деревообробки. Крім того, на європейському ринку ціни на відходи лісопиляння і деревообробки на відміну від цін на сільськогосподарські продукти, які застосовуються для отримання біогазу, коливаються значно менше. Не можна забувати і про те, що використання сільгосппродукції (зерна, кукурудзи, ріпаку тощо) для отримання біогазу веде в кінцевому підсумку до підвищення цін на продуктових ринках. Крім того, тепло утворюване в результаті хімічної реакції має більш високу температуру в порівнянні з температурою тепла, що утворюється від реакцій ферментації в класичних біогазових установках. Звідси випливає, що теплову енергію, що вивільняється при процесах метанування деревини, можна з більшою ефективністю використовувати в регіональному теплопостачанні. Важливо й те, що, на відміну від класичних біогазових установок, при роботі установок для отримання метану з деревини відсутні неприємні запахи. Крім того, ці установки займають набагато менше місця, ніж класичні, і можуть розташовуватися в межах міських агломерацій.

Технології

Результатом поширеного сьогодні виробництва біометану з сільськогосподарських субстратів способом бродіння (анаеробної ферментації) є біометан, який переважно складається з метану і двоокису вуглецю. Потім біометан повинен проходити спеціальну підготовку і доведення до якості природного газу шляхом відділення CO2. Втрати тепла при ферментації лімітують ступінь ефективності всього ланцюга процесу. ККД становить 50-60%.

При виробництві синтетичного природного газу (Substitute Natural Gas — SNG) з вуглецевовмісного твердого палива, такого як вугілля або біомаса (деревина), після теплової газифікації в першій стадії процесу отримують так званий синтетичний газ, з якого після очищення від всіляких домішок (в основному від двоокису вуглецю і сполук сірки і хлору) синтезується метан. Цей екзотермічний процес відбувається при температурі від 300 до 450°C і тиску 1-5 бар в присутності відповідного каталізатора. При цьому відбуваються такі реакції:

На противагу анаеробній ферментації при термічній газифікації біомаси досягається більш високий ККД, внаслідок того що напрацьоване тепло при виробництві SNG може завжди використовуватися на місці.

В принципі отримання метану з синтез-газу, а також з газових сумішей водню (H2) і окису вуглецю (СО) — дуже стара технологія. Французький хімік Поль Сабатьє винайшов спосіб отримання метану, названий його ім’ям: реакція Сабатьє або процес Сабатьє (фр. Sabatier-Reaktion). У 1912 році він отримав за це Нобелівську премію в галузі хімії. Цей процес являє собою реакцію водню з діоксидом вуглецю при підвищеній температурі і тиску в присутності нікелевого каталізатора для виробництва метану. У якості більш ефективного каталізатора може застосовуватися рутеній з оксидом алюмінію.

Процес описується наступною хімічною реакцією:

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O.

Так як обидві реакції сильно екзотермічні, без прийняття особливих заходів для охолодження реакторів або рециркуляції при нагріванні до 600 °C відбувалося б руйнування каталізатора. Крім того, при високій температурі зсувається термодинамічна рівновага H2 і CO, так що досить високого виходу метану можна досягти тільки при температурі нижче 300 °C.

Технологія газифікації була створена ще в 1800-ті роки для виробництва синтетичного газу, необхідного для освітлення міст, а також використовуваного в якості теплоносія для побутових і промислових задач (металургія, парові машини та ін.). Газифікації піддавалися як вугілля, так і біомаса рослин і продукти її переробки (деревне вугілля).

Використовувати базовий процес газифікації вугілля для виробництва синтетичних хімічних речовин і палива почали з 1920-х років в Інституті Кайзера Вільгельма при дослідженні вугілля в м.Мюльгейм-на-Рурі (Німеччина). У цьому інституті Францем Фішером і Гансом Тропшем був винайдений спосіб отримання синтез-газу (сингазу) для виробництва в Німеччині рідкого палива з вугілля. Процес Фішера-Тропша, або синтез Фішера-Тропша (СФТ) — це хімічна реакція, що протікає в присутності каталізатора (заліза, кобальту), при якій суміш монооксиду вуглецю (CO) і водню (H2), тобто синтез-газ, перетвориться в різні рідкі вуглеводні. Одержувані вуглеводні очищають для отримання цільового продукту — синтетичної нафти. Вуглекислий газ і монооксид вуглецю утворюються при частковому окисленні вугілля або (і) деревного палива.

Процес Фішера-Тропша описується таким хімічним рівнянням:

CO + 2H2 → —CH2— + H2O

2CO + H2 → —CH2— + CO2

Отриманий після газифікації вугілля або твердих вуглецевовмісних відходів синтез-газ може бути безпосередньо використаний як паливо, без подальшого перетворення за процесом Фішера-Тропша. Таким чином, досить легко здійснити перехід від газового палива до рідкого. Під час Другої світової війни в Німеччині синтез Фішера-Тропша був використаний на восьми заводах для виробництва синтетичного дизельного палива (близько 600 тис. тон на рік). Проект повністю фінансувався державою. Після закінчення Другої світової війни в Німеччині всі ці заводи були закриті і частково разом з технологією вивезені в рахунок репарацій в США, а звідти розійшлися по всьому світу. У той же час в Південно-Африканській Республіці компанія South African Synthetic Oil Ltd. (SASOL), використовуючи німецьку технологію, приступила до отримання синтетичного палива і по сьогоднішній день на своїх чотирьох заводах в ПАР і на одному заводі в Катарі виробляє більше 200 тис. барелів нафтового еквівалента рідких вуглеводнів на рік. ПАР довгий час була єдиною країною в світі, де велися розробки процесу СФТ. Але після кризи 1973 року світові нафтові і енергетичні компанії багатьох країн (особливо США і Німеччини) почали проявляти інтерес як до виробництва синтетичного рідкого палива, так і до отримання природного синтез-газу.

Розроблялася ціла низка проектів отримання природного синтез-газу, але тільки один з них успішно реалізований в промисловому масштабі. У 1984 році в США був запущений завод по метануванню бурого вугілля Great Plains Synfuels Plant (Dakotagas Company), який до сьогоднішнього дня виробляє синтетичний природний газ, що подається в мережу, по якій транспортується природний газ. Добова продуктивність заводу — 3,9 млн. м3 SNG.

Доречно згадати і досвід Радянського Союзу, де з кінця 1920-х до 1950-х років працювали газогенераторні установки, що використовували деревину (дрова і деревне вугілля) і торф з метою отримання газоподібного моторного палива. У 1929 році в СРСР була побудована перша крупна газогенераторна станція, що працювала на торфі, а в наступні роки — низка інших таких же станцій на великих підприємствах. Для транспортного палива в основному застосовувалася газогенерація деревини. Після початку освоєння Західного Сибіру і відкриття найбільших в світі родовищ блакитного палива газогенерацію в СРСР, на жаль, незаслужено забули.

Отримання метану з деревини

При газифікації біомаса з хімічною формулою CHnOm перетворюється спочатку в синтез-газ, що складається з водню і окису вуглецю. Зі стехіометричного загального рівняння реакції метанування біомаси з формулою сум

CH1,23O0,38 + 0,5025 H2O→ 0,55875 CH4 +0,44125 C2O

випливає, що воду або водяну пару треба підводити в метан-реактор, а двоокис вуглецю виводити з нього. Тут існує кілька варіантів: або СО2, як у промисловому синтезі, видаляється з синтез-газу прямо з метан-реактора, або, як і при підготовці біогазу (ферментації), після процесу метанування, вже з нерафінованого синтетичного природного газу. Перевага першого способу перед іншими полягає в тому, що на вхід циклу метанування надходить вже очищений газ. Переваги другого способу в тому, що метан-реактор може працювати з надлишком водяної пари, що істотно зменшує утворення вуглецю.

Роботи в цих напрямках ведуться в інституті Пауля Шеррера (Швейцарія), який, зокрема, брав участь у написанні Програми отримання метану з біомаси за новими технологіями (в каталітично активних вихрових шарах) в рамках проекту ЄС BioSNG. Ця технологія була застосована на практиці на ТЕЦ австрійського міста Гюссінг (Gussing). Установка для синтезу метану, яка здана в експлуатацію в 2009 році, має потужність 1 мВт і працює на щепі. В даний час обговорюється реалізація проекту з отримання метану з деревини потужністю 30 МВт в шведському Гетеборзі. Подібні роботи ведуться в Німеччині (Штутгарт, фірма ZSW), Нідерландах (Центр досліджень в енергетиці, ECN) і в інституті теплотехніки Технічного університету в місті Грац (Австрія) у співпраці з фірмою Agnion в місті Пфаффенхофен-на-Ільмі (ФРН).

Ефективність синтезу метану з біомаси

При отриманні метану в кожній фазі процесу, як і в будь-якому синтез-процесі, неминучі втрати. При протіканні екзотермічних реакцій відбувається відвід тепла, енергетичний вміст якого не може перебувати в готовому продукті синтезу більше, ніж хімічно зв’язана енергія при процесі синтезу. Для метанування це означає, що тільки приблизно 60% енергії використовуваної біомаси зберігається в готовій продукції — SNG.

Але оскільки відведене тепло має високу температуру — від 200 до 400 °C, його можна використовувати на місці. З цієї причини невеликі установки синтезу метану стають особливо дохідними, так як можна вирішити питання використання відведеного тепла на 100%, наприклад для опалення приватних домогосподарств, фермерських господарств, застосування в сушильних комплексах тощо. Можна використовувати не тільки тепло процесів газифікації та метанування, а й тепло конденсації водяної пари в нерафінованому синтез-газі, в складі якого міститься до 50% водяної пари. Загальний ККД при такому повному використанні тепла і продажах отриманого SNG в газову мережу та газосховища наближається до 95%. Окупність подібних проектів становить усього кілька років.

Внаслідок того, що природний газ може використовуватися завжди із значно вищою ефективністю, ніж тверде паливо з біомаси, доцільніше використовувати метан, отриманий з деревини, ніж напряму спалювати тверде біопаливо. Причина: при використанні природного газу для генерації електроенергії на газо- або паротурбінній електростанції виходить до 60% електрики, а при спалюванні твердого палива з біомаси реалізувати проекти з виходом електроенергії понад 30% дуже складно. Також при децентралізованому виробництві електроенергії до 1 мВт/год когенераційні газові електростанції на синтез-газі ефективніше ТЕС, що використовують органічний циклічний процес (ORC-процес) і спалюють тверде біопаливо.

Робота таких теплоелектростанцій базується на послідовності циклів термодинамічного процесу циркуляції (ORС — organic rankine cycle) робочої рідини з високою молекулярною масою (термомасло, органічні речовини, що випаровуються). Циркуляційний насос закачує робочу рідину в теплообмінник високотемпературного органічного теплоносія, де відбувається її випаровування. Пари рідини приводять в дію турбіну, після чого потрапляють в наступний теплообмінник, де вони, охолоджуючись водою або повітрям, конденсуються. Конденсат потрапляє до збирача циркуляційного насоса, і термодинамічний цикл (ORC) повторюється. Ні теплоносій, ні охолоджуюча рідина не перебувають у безпосередньому контакті з турбіною або робочою рідиною. За допомогою процесу ORC теплоелектростанції досягають великої потужності, надійності роботи і економічності.

Навіть виробництво тільки однієї теплової енергії при застосуванні біометану конкурентоздатне порівняно зі звичайними способами отримання тепла. Якщо напрацьоване тепло в процесі метанування деревини використовується на місці (децентралізовано), а вироблений газ надходить в газосховище природного газу, виходить загальний коефіцієнт використання 93%, якого не досягають, наприклад, теплові електростанції, що використовують щепу або пелети (ККД самої станції нижче і додатково є втрати в теплових мережах).

Поряд з підготовленим синтез-газом, що відповідає за якістю до природного, на великих газових ТЕЦ можна використовувати і «неочищений» синтез-газ для спільного спалювання з природним газом, що істотно знизить собівартість виробленої енергії.

Газ з біомаси або викопний природний газ?

Синтетичний природний газ (SNG) — це очищений синтетичний газ, який за своїми характеристиками ідентичний до природного газу.

За розрахунками компанії Agnion, собівартість виробництва SNG із щепи в установках до 1 мВт становить 8-10 євроцентів/кВт•год.

В даний час енергетичні потреби світу становлять приблизно 11-12 млрд. тон умовного палива (у.п.) і задовольняються за рахунок нафти і газу на 58-60%. Ресурси щорічно відновлюваної рослинної біомаси енергетично в 25 разів перевищують обсяги видобутої нафти. Зараз спалювана рослинна біомаса становить приблизно 10% споживаних енергоресурсів (приблизно 1 млрд. тон у.п.), в майбутньому очікується істотне розширення використання біомаси у вигляді продуктів її переробки (рідкого, твердого палива тощо) і в першу чергу відходів, які накопичуються і розкладаються, забруднюючи навколишнє середовище.

Потреба в нафті і природному газі буде збільшуватися, і одночасно будуть удосконалюватися методи енергетичного використання рослинної біомаси (крім її прямого спалювання). Напевно в цьому прекрасному для біоенергетики майбутньому вищеописані технології будуть затребувані вже зовсім на іншому, індустріальному рівні. У всякому разі, хочеться в це вірити.