Bioplyn biomethan vodík biovodík

Transkript

1 Bioplyn biomethan vodík biovodík bioplyn biomethan vodík (biovodík) CH4 + CO2 CH4 ( CO2) H2 biomethan CH4 + (CO2 + H2) CH4

2 Vodík představuje surovinu s obrovským potenciálem pro celou řadu aplikací, hlavně jako důležitá surovina pro chemický průmysl Na celém světě se ho spotřebuje každý rok 500 bilionů m 3 přibližně 95 % je však vyrobeno petrochemickými metodami Vstupem je uhlíkaté palivo (ropa, uhlí) a tepelná energie a výstupem čistý vodík a CO2. Tuto metodu však rozhodně nelze považovat za produkci ekologicky čisté energie, jednak jako surovinu používáme neobnovitelnou surovinu, jednak je produkován skleníkový plyn. Biologická produkce vodíku biovodíku není provozně konkurenceschopná

3 Vysoce perspektivní možností výroby vodíku je elektrolýza vody. Elektrolýza, jejímž vstupním materiálem je pouze voda, představuje přijatelnou alternativu, ale s drahým provozem Zde může jít o opravdu čistou produkci energie, je však třeba věnovat pozornost původu použité elektrické energie. Při zachování ekologického přístupu je možné použít pouze atomové, větrné, vodní a další alternativní elektrárny. Problémem zůstává fakt, že při masovém rozvoji vodíkových technologií (např. v automobilismu) by bylo potřeba obrovské zvýšení produkce elektřiny, které by pravděpodobně bylo možné pokrýt pouze smasovým využitím atomové energie.

4 Princip výroby vodíku pomocí elektrolýzy spočívá v rozkladu molekul vody působením elektrického proudu ve vodném roztoku vhodné soli, kyseliny či zásady. Proud je do vody přiveden pomocí dvou elektrod s různým napětím, na kterých se vylučují vzniklé prvky: na kladné elektrodě kyslík, resp. jeho sloučeniny, na záporné elektrodě vodík. 2H 2 O 2H 2 + O 2 O 2 H 2 O = PEM H +

5 Problémy dalších zdrojů alternativní energie Nárazově vyráběná elektřina z alternativních zdrojů je produkována systémy, jejichž okamžitou účinnost není možno příliš ovlivňovat, jako jsou solární a větrné elektrárny.

6 Rozdíly mezi produkcí a spotřebou elektřiny jsou výrazné a značně zatěžují distribuční soustavu a snižují ekonomické výnosy výroba spotřeba Energinet.dk Elektrická energie se nedá skladovat, proto se hledají možnosti využití nárazově vyráběné energie převyšující její spotřebu.

7 Přebytečnou elektrickou energii je však možno využít nejen vpřečerpávacích elektrárnách, ale konzervovat ji např. ve formě H 2 vyrobeného elektrolýzou vody (power to gas system, P2G) Prototyp zařízení je instalovaný v elektrárně společnosti RWE vněmeckém Niederaußemu. Dokáže vyrobit od dvou do šesti kilogramů vodíku za hodinu. foto: Siemens

8 Elektrolytická výrobna vodíku dokáže zužitkovávat nárazové produkční špičky a efektivně eliminovat neduhy spojené s nadprodukcí elektřiny z obnovitelných zdrojů. Pro Siemens, který je jedním z největších výrobců větrných elektráren na světě, je tato technologie dalším krokem k efektivní akumulaci elektrické energie. Největší elektrolytická výrobna vodíku na světě Energiepark Mainz, k výrobě zeleného vodíku používá přebytečnou elektřinu z okolních větrných elektráren. Výrobna dokáže během pouhých několika sekund od zaznamenání zvýšené produkce elektřiny pojmout výkon až 6 MW, což z ní činí největší zařízení svého druhu na světě. Předpokládaná produkce vodíku je 200 tun ročně.

9 Aby bylo možné využít tento proces pro stabilizování rozvodné sítě, je nutné, aby elektrolýza začala probíhat co nejrychleji od vzniku přepětí. Mezi elektrody je umístěna tzv. protonově výměnná membrána (PEM), která je propustná výhradně pro protony, tedy ionty vodíku. Jedna z hlavních výhod membrány typu PEM spočívá v její schopnosti vést relativně velké množství elektrického proudu na jednotku plochy. Elektrolýza tak může být nastartována během pouhých několika milisekund od zaznamenání zvýšené produkce elektřiny Po rozpadu vody u kladné elektrody je kladně nabitý vodíkový iont odveden skrz membránu k záporné elektrodě, kde vznikají dvouatomové molekuly plynného vodíku H 2, který je veden do zásobníku

10 Plnoprovozní elektrolyzér na přebytečnou elektrickou energii Elektrolyzér založený na výměně protonů s reakční dobou v řádech milisekund vhodný pro nestabilní toky elektrické energie.

11 Proč je vodík žádoucí zdroj energie a někdy je preferován před methanem: Jde především o fyzikálně chemické vlastnosti obou plynů. Tím nejdůležitějším je vysoká energetická hustota vodíku. Reakce obou plynů s kyslíkem a jejich energetický výtěžek: H 2 + ½ O 2 H 2 O CH O 2 CO H 2 O 286,0 kj/mol 890,8 kj/mol Vztažením na hmotnostní jednotky obdržíme spalná tepla 143 kj/g vodíku a 55,7 kj/g metanu Počítáme li výhřevnost, budou tyto hodnoty : 122,7 kj/g (vodík); 53,1 kj/g (metan) Tzn. energetický výtěžek ze spálení jednoho gramu vodíku je více než dvojnásobný oproti stejnému množství metanu.

12 Skladování vodíku představuje poměrně složitý problém, ve srovnání smetanem potřeba dosáhnout podstatně vyššího tlaku (rozdílná molární hmotnost). Vsoučasné době se používají ocelové nádrže pokryté kvalitní tepelnou izolací. Teplota zkapalněného vodíkuje 253 C. Vpřípadě pohonu letadel je proto nutná kompletní změna konstrukce letadla již není možné umístit nádrže do křídel. Jinou možností je skladování vodíku sorbovaného na povrchu uhlíkových mikrovláken. Doprava vodíku by měla být realizována pomocí kontejnerů případně tankových lodí. Na kratší vzdálenosti potom potrubími.

13 Proudové motory Pokud výrazně vzroste cena paliva pro proudové motory (kerosinu), bude důležité, jestli se podaří přechod z tohoto paliva na vodík. Právě vpřípadě spalovacích turbín by měla být adaptace na vodík poměrně jednoduchá. Spalovací motory Adaptace spalovacích motorů na vodík je podstatně složitější. Jde především o vysokou rychlost hoření vodíku, která si vyžaduje podstatně jiný systém chodu motoru.

14 Palivové články Vodík může být pomocí palivových článků zpětně využit k výrobě elektřiny, elektrolýza vody tak slouží jako další z možných způsobů pro uskladnění nadbytečné elektřiny při krátkodobých fluktuacích Toto zařízení je založeno na elektrochemickém slučování vodíku a kyslíku za vzniku vody. Při tomto procesu vzniká přímo elektrická energie a odpadní teplo. Výhodou palivových článků je především jejich vysoká elektrická účinnost (40 65 % podle typu článku), fakt, že neprodukují žádné toxické látky, nepřítomnost pohyblivých součástí (spolehlivost, tichý chod), široké rozmezí použitelných výkonů a bezpečná možnost přetížení. Nevýhodou jsou naproti tomu vysoké investiční náklady a vysoká cena paliva.

15 Palivové články jsou v současnosti technologicky velmi vyspělá a bezpečná zařízení. Jejich komerčnímu rozšíření brání prozatím jejich velmi vysoká cena použitých materiálů. U nízkoteplotních palivových článků je to především cena fluorovaných membrán a platiny, u vysokoteplotních potom cena materiálů schopných odolat vysokým teplotám a korozivnímu prostředí.

16 Jedno z využití je pohon vozidel : Vsoučasnosti již bylo uvedeno do provozu značné množství (zatím zkušebních) osobních automobilů poháněných palivovými články. Tyto vozy jsou schopné normálního provozu a jejich akční rádius (bez tankování) většinou přesahuje vzdálenost 400 km. Plně funkční zařízení pracují již delší dobu vkosmu. Ve Swindonu má Honda první evropskou výrobní a čerpací stanici na vodík, vyráběný pomocí solární energie. Vodík je uskladňován pod tlakem 900 barů, čerpací stanice však zvládne i tankování tlakem 350 a 750 barů.

17 Přímé energetické využití vodíku je sice ekologicky čisté, ale zatím drahé, jeho skladování je náročné a nemá zavedený transportní systém. Řešením je využití vodíku k redukci CO 2 na CH 4 a vtláčení methanu do sítě zemního plynu Konverze CO 2 může být realizována chemicky, (Sabatierova reakce ) ale za náročných technických podmínek: tlaku barů a teploty 573 Ka použití katalyzátorů Nová technologická alternativa je využití biologické aktivity anaerobního fermentoru. Je možné tento vodík použít pro redukci CO 2 zbioplynu nebo jiných zdrojů a pomocí hydrogenotrofních methanogenů zvyšovat podíl CH 4 až na požadovaných 90 nebo více %.

18 Vodík je využíván hydrogenotrofními methanogeny na redukci CO 2 podle rovnice 4 H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O ΔG = 130,7 KJ/mol Ve směsných kulturách anaerobních fermentorů jsou hydrogenotrofní methanogeny v určité míře zastoupeny vždy a jejich aktivita i množství přivedením vodíku narůstá.

19 Biologická transformace CO2 na CH4

20 Biologické zušlechtění bioplynu na biomethan pomocí vodíku může být realizováno dvěma základními způsoby: jednak zaváděním vodíku přímo do anaerobního fermentoru nebo zároveň s bioplynem do externího bioreaktoru s obohacenou kulturou hydrogenotrofních methanogenů Tento postup umožní využít existující technologickou i energetickou infrastrukturu bioplynových stanic a ČOV s anaerobní stabilizací kalu a jeho implementace může být velice rychlá.

21 zušlechtění bioplynu na biomethan ve fermentoru zušlechtění bioplynu na biomethan v externím bioreaktoru Možnosti biologického zušlechtění bioplynu na biomethan s přídavkem vodíku

22 Hlavní limitací procesu chemoautotrofního odstraňování CO 2 zbioplynu je rychlost přestupu hmoty zplynu do kapalné fáze a nízká rozpustnost H 2. Další limitací při přímém zavádění vodíku do fermentoru je inhibiční vliv zvýšeného parciálního tlaku vodíku na průběh metabolismu kyseliny máselné a propionové syntrofními acetogeny. Během procesu se může vzhledem ke spotřebě CO 2 významně zvýšit ph až nad 8, což opět zpomaluje některé mikrobiální procesy.

23 Tyto problémy řeší externí bioreaktory, kde jsou podmínky příznivé pro převažující hydrogenotrofní methanogeny. Sem může být přiváděn spolu svodíkem bioplyn nebo oxid uhličitý z jiných zdrojů (fermentační výroby, zachycení ze spalin) Snižování uhlíkové stopy, sekvestrace oxidu uhličitého

24 Konverze CO 2 zbioplynu na CH 4 přivedením elektronů Anaerobní rozklad organických látek je jejich postupná oxidace za současného odebírání elektronů, přenos elektronů se uskutečňuje řetězcem redox reakcí, které jsou zprostředkovány redox enzymy biokatalyzátory. Elektroaktivní bakterie mohou provádět přímou bioelektrokatalýzu, kdy elektronový akceptor je přímo elektroda, převádí elektrony z aktivního místa enzymu na elektrodu bez jakýchkoli mediátorů. V bioelektrochemickém systému (BES) mikroby v anodovém prostoru oxidují substráty a převádějí uvolněné elektrony na anodu, ty jsou vedeny na katodu, kde jsou využívány jinými mikroby na redukci CO 2 na CH 4, proces je nazýván elektromethanogeneze.

25 Kombinace anaerobní technologie a zplynování a pyrolýzy Anaerobní fermentace a zplyňování s pyrolýzou jsou dva základní technologické sektory, které převádějí energii organických odpadů a různých typů biomasy do lépe využitelné plynné formy. Oba tyto způsoby jsou si podobné tím, že ne všechny složky produkovaných plynů jsou nositeli energie a že hlavní znečišťující složkou je CO 2. Syngas má však trochu jiné složení než bioplyn a nositeli energie jsou tam hlavně H 2 a CO s CO 2 jako doprovodnou složkou Oba plyny mají omezení, co se týká lokálního úplného využití energetického potenciálu a jsou vyvíjeny chemické metody převodu na methan.

26 Biologická konverze syngasu na biomethan s využitím technologie anaerobní fermentace má všechny výhody, které biotechnologie přináší. Biologická konverze nevyžaduje vysoké tlaky a teploty, ani drahá zařízení chemického průmyslu. Syngas je přiváděn do anaerobního fermentoru, kde jeho složky, přinášející redukční ekvivalenty (H 2, CO), jsou využity při biologické konverzi CO 2 ze syngasu i CO 2 z bioplynu na další CH 4. Biokonverzi syngasu je možno provádět přímo v anaerobním fermentoru nebo v externích bioreaktorech, jejichž využití převažuje. Takto obohacený bioplyn již může být dále upravován na biomethan se všemi výhodami využití distribuční soustavy zemního plynu

27 Kombinace anaerobní technologie a termických procesů od odpadů kbiomethanu Některé odpady jako kaly, kejdy nebo hnoje jsou pouze částečně využité při anaerobní fermentaci a nevyužitý podíl organických látek bývá %. V komunálních odpadech je značný podíl organického materiálu v anaerobních fermentorech špatně rozložitelných.

28 Pyrolýza produkuje vedle syngasu také bioolej a biochar Jejich proporce závisí na podmínkách pyrolýzy

29 Bioolej lze spalovat, pro biologické zpracování není vhodný Biochar přidaný do fermentoru zvyšuje koncentraci CH4 ve fermentoru

30

31 Schéma technologie Power-to-Gas realizované v ČOV AvedØre v Dánsku.

32

33

34 Objekt BioCat

35 Objekt BioCat ČOV AvedØre (v Dánsku blízko Kodaně) s realizovaným projektem BioCat s plnoprovozní technologií Electrochae biologické zušlechtění bioplynu na biomethan.

36 Příprava inokula pro provozní bioreaktor

37 Příprava inokula pro provozní bioreaktor

38 28. ledna srpna 2016