DÍLČÍ ZPRÁVA Aktivita -Feasibility study for gas membrane separation focused on biogas upgrading(dv003)

DÍLČÍ ZPRÁVA Aktivita -Feasibility study for gas membrane separation focused on biogas upgrading(dv003) Název projektu: Ev. č. projektu: Smart Regions - Buildings and Settlements Information Modelling, Technology and Infrastructure for Sustainable Development TE02000077 Za období: 01/2014 12/2014 Stráž pod Ralskem, 12. prosinec 2014 Ing. Pavel Brož, Ing. Marek Bobák, Ph.D. MemBrain s.r.o., Pod Vinicí 87, 471 27 Stráž pod Ralskem, Česká republika www.membrain.cz, e-mail: info.membrain@membrain.cz

Obsah 1 ÚVOD... 2 ZADÁNÍ.. 3 2.1. Specifikace primárních produktů.. 3 2.2. Specifikace primárních surovin.4 2.3 Informace o lokalitě... 4 2.3.1 Pilotní regiony Bio Plynových Stanic 4 2.3.2 Technické údaje BPS Pustějov... 4 2.4 Specifikace ostatních médií a produktů.5 3 EXISTUJÍCÍ ŘEŠENÍ... 5 3.1 Současné komerční technologie... 5 3.1.1 Adsorpce PSA 5 3.1.2 Absorpce 7 3.1.3 Chemisorpce..7 3.1.4 Nízkotlaká absorpce..8 3.1.5 Membránová separace...8 3.1.6 Nízkoteplotní rektifikace 8 3.2 Konkrétní finanční analýza konkurenční technologie..10 3.2.1 DMT... 10 3.2.2 Haase 10 3.3 Technologie ve stadiu R&D..10 3.4 Akademická řešení... 10 3.5 Patentová rešerše... 11 4 NÁVRH JEDNOTLIVÝCH VARIANT MEMBRÁNOVÉ SEPARACE... 12 4.1 Varianta procesu 1... 12 4.1.1 Process flow diagram... 13 4.1.2 Materiálové a energetické bilance... 14 4.2 Varianta procesu 2..15 4.2.1 PFD 15 4.2.2 Materiálová bilance 15 4.3. Varianta procesu 3.15 4.3.1 PFD 15 4.3.2. Materiálová bilance 16 5 IDENTIFIKACE NEJVĚTŠÍCH RIZIK APLIKACE... 16 6 POSOUZENÍ VARIANT PROCESU... 16 6.1 Technické porovnání... 17 6.2 Ekonomické porovnání... 17 7 ZÁVĚR... 17 8 PŘÍLOHY 18 8.1 Reference.18 2

1 ÚVOD Cílem je studie proveditelnosti hodnotící několik možných způsobů aplikace membránového čištění bioplynu. Cílovým produktem je biometan splňující příslušné technické standardy pro použití jako palivo ve spalovacích motorech vozidel. Studie uvádí koncept technologického řešení s hodnocením technických a ekonomických parametrů včetně splnění požadavků na kvalitu produktů. 2 ZADÁNÍ Aby byla studie proveditelnosti dostatečně vypovídající, zvolili jsme konkrétní případ bioplynové stanice v Pustějově. Cílem je tedy navrhnout konkrétní řešení technologie pro výrobu maximálního možného množství biometanu z bioplynu, který je na BPS k dispozici. 2.1 Specifikace primárních produktů Biometan bioplyn upravený na kvalitu a čistotu potrubního zemního plynu = 95% CH4 BioCNG Biometan stlačený na tlak = 230 bar, produkt pro případ BPS Pustějov Tab.č.1. Požadavky na kvalitu biometanu v ČR Parametr Hodnota Obsah metanu Min.95 mol.% Obsah vody Max -10 C Obsah kyslíku Max. 0,5 mol% Obsah kysličníku uhličitého Max. 5 mol% Obsah dusíku Max. 2 mol% Obsah vodíku Max. 0,2 mol% Celkový obsah síry (bez odorantů) Max.30 mg/m 3 Obsah merkaptanové síry (bez odorantů) Max.5 mg/m 3 Obsah sulfanu (bez odorantů) Max.7 mg/m 3 Obsah amoniaku 0 Halogenové sloučeniny Max.1,5 mg(cl+f) /m 3 Organické sloučeniny křemíku Max.6 mg(si) /m 3 Mlha, prach, kondenzáty 0 Tab.č.2. Porovnání parametrů biometanu v ČR a okolních zemích 3

2.2 Specifikace primárních surovin Primární surovina je jedna bioplyn. Jako základ pro studii byla převzata data analyzovaná na VŠCHT Praha. Následující tabulka shrnuje vlastnosti produkovaného bioplynu: Název proudu Bioplyn Teplota C 26,0 Tlak BAR 1,05 Mol. Tok SCMH 270 Hm. Tok KG/HR 312,2942 Mol. Zlomek CH4 0,6186682 H2O 0,0227245 CO2 0,3463741 N2 0,0116125 O2 1,20E-04 H2S 5,01E-04 Rosný bod C 25,04514 2.3 Informace o lokalitě Bioplynová stanice Pustějov je v Severomoravském regionu, blízko Studénky. Jedná se o technologické zařízení pro zpracování materiálů a surovin zemědělské výroby, rostlinné hmoty, kukuřičné siláže, hovězí kejdy, cukrovarských řízků a obilovin. Produktem procesu anaerobní fermentace je bioplyn vhodný pro spalování v kogenerační jednotce. Výstupem z kogenerační jednotky je elektrická energie a teplo, jehož část se spotřebuje pro ohřev fermentoru a hygienizaci, zbytek se využije v areálu zemědělské farmy a k vytápění objektů v obci Pustějov. Elektřina je vyvedena a prodána rozvodnému závodu. Vyřešena je rovněž možnost využití kogenerace jako záložního zdroje energie pro areál farmy v případě výpadku veřejné sítě. 2.3.1 Pilotní regiony Bio Plynových Stanic Pilotními regiony řešenými v projektu TE2000077 v ČR jsou: Třeboň, Boskovice, Uničov, Hostětín, Teplice nad Bečvou, Brno Nový Lískovec 2.3.2 Technické údaje bioplynové stanice Pustějov Uvedení do provozu: květen 2007 Vstupní suroviny: hovězí a vepřová kejda, travní a kukuřičná siláž, cukrovarské řízky, obiloviny El. výkon (kw): 600 Tep. výkon (kw): 736 Produkce bioplynu (m 3 /den): 6 528 Parametry kogeneračních 4 x Tedom Cento 160 SP jednotek: Spotřeba BP (m 3 /hod): 261,2 Vyrobená elektřina (kwhel/den): 14 400 4

Vyrobená tepelná energie (kwhth/den): 17 664 2.4 Specifikace ostatních médií a odpadů Ostatní média: Permeát z 1. modulu s obsahem cca 20 obj.% CH4 určený ke spálení v kogeneraci Chladicí směs do chladičů plynu: 20%-ní glykol + voda Dusík na proplach technologie: čistota 99,99% Kompresorový olej pro mazání středotlakého a vysokotlakého kompresoru Kalibrační plyny analyzátorů Odpady: Vodní kondenzát odstraněný z bioplynu z minimálním obsahem oleje (jednotky mg/kg) Desulfurizační adsorbent: aktivní uhlí s obsahem adsorbované síry Vyjetý kompresorový olej 3 EXISTUJÍCÍ ŘEŠENÍ V současné době není v ČR průmyslová aplikace separace biometanu z bioplynu. 3.1 Současné komerční technologie Komerční technologie se rozdělují do několika skupin: - Adsorpce (PSA Pressure swing adsorption) - Absorpce (Tlaková vodní vypírka) - Chemická vypírka (Chemical scrubbing) - Nízkotlaká absorpce - Membránová separace - Nízkoteplotní rektifikace vymražování CO 2 (Cryogenic upgrading) 3.1.1. Adsorpce (PSA Pressure swing adsorption) 5

Výhody: vyzkoušená technologie, žádná odpadní voda Nevýhody: nutné odsíření, vysoká spotřeba el.energie, kyslík a dusík nejsou odstraněné Obr.č.1 Schéma adsorpčního procesu 6

3.1.2. Absorpce (Tlaková vodní vypírka) Výhody: vyzkoušená technologie, odsíření není nutné, CO2 i H2S jsou odstraněné Nevýhody: vysoká spotřeba vody a el. energie, kyslík a dusík nejsou odstraněné Obr.č.2 Tlaková vodní vypírka 3.1.3. Chemická vypírka 7

Obr.č.3 Schéma chemické vypírky 3.1.4. Nízkotlaká absorpce Výhody: Méně energeticky náročná metoda jak tlaková vodní vypírka Nevýhody: Kyslík a dusík nejsou odstraněné 3.1.5. Membránová separace 8

Výhody: Méně energeticky náročná, malý zastavěný prostor, bezobslužná technologie, odstranění kyslíku a CO2 Nevýhody: nutnost odstranit vodu, H2S, popř. NH3 aby nedošlo ke ztrátě selektivity membránových modulů, moduly se musí po cca 3-5 letech vyměnit 3.1.6. Nízkoteplotní rektifikace (vymrazování CO2) Výhody: velké zpracovávané objemy bioplynu Nevýhody: vysoká energetická náročnost 9

náklady [ ] Tab.č.3 Základní parametry jednotlivých technologií Tab.č.4 Porovnání technologií v investičních a provozních nákladech 1 000 000 Investiční a provozní náklady 800 000 600 000 400 000 200 000 0 Chemická absorpce HPWS PSA Kryogenní separace Membránová separace investiční náklady [ ] provozní náklady [ ] 10

3.2 Konkrétní finanční analýza konkurenční technologie 3.2.1. DMT V současnosti začala na českém trhu působit holandská společnost Dirkse Milieutechniek (DMT) nabízející dvě varianty Biogas upgrading, a to tlakovou vodní vypírku a membránovou separaci, čímž se stává naším hlavním konkurentem. Pokud jde o membránovou separaci, taktéž využívají modulů dutých vláken rozdělených do kategorií dle zpracovávaného množství surového bioplynu. V případě průtoku 50 Nm 3 /h stanovují náklady na 1 Nm 3 /h biomethanu na 0,43 a v případě 200 Nm 3 /h je cena 0,21. Z toho lze usoudit, že s rostoucím množstvím zpracovaného bioplynu se dostávají na nižší náklady na produkci 1 Nm 3 /h biomethanu. 3.2.2. Haase Německá společnost Haase nabízí technologii Biogas upgrading na principu fyzikální sorpce do organických rozpouštědel. Kompletní technologii na zpracování 250 Nm 3 /h surového bioplynu s produkcí 135 Nm 3 /h biomethanu o čistotě cca 97% v závislosti na složení vstupního bioplynu nabízí za 1 040 000 bez nákladů na transport. Dále je uvedená komplexní nákladová bilance. Nutno podotknout, že je velmi obtížně zjistitelné, co všechno obsahuje nákladová položka na např. na výrobu 1 Nm 3 /h biomethan obecně se každá společnost snaží uvést co nejnižší cenu, aby obstála na konkurenčním trhu, proto občas dochází k uvádění pouze teoretických nákladů a až posléze jsou stanoveny konkrétní podmínky za jakých se tyto náklady stávají reálnou hodnotou. 3.3 Technologie ve stádiu R&D Nejsou k dispozici žádné bližší informace. 3.4 Akademická řešení KARA, Jaroslav: Ověřeni funkčniho modelu zařizeni pro upravu bioplynu na kvalitu zemniho plynu. Biom.cz [online]. 2013-01-07 [cit. 2014-06-12]. ISSN: 1801-2655. http://biom.cz/czt-bioplyn/odborne-clanky/overeni-funkcniho-modelu-zarizeni-proupravubioplynu-na-kvalitu-zemniho-plynu Projekt FR-TI1/245 Čištěni bioplynu z čističek odpadnich vod pomoci iontovych zakotvenych membran http://www.isvav.cz/projectdetail.do?rowid=fr-ti1%2f245 Čištění bioplynu pomocí metody PSA https://dspace.vutbr.cz/bitstream/.../2014_dp_navratil_petr_107447.pdf.. 3.5 Patentová rešerše Nebyla vyžádána. 11

4 NÁVRH JEDNOTLIVÝCH VARIANT MEMBRÁNOVÉ SEPARACE Membránová separace biometanu z bioplynu má několik variant řešení, ve kterých se zohledňuje: - 1) Spalitelnost odpadního permeátového proudu vzhledem k max. konverzi procesu - 2) Max. konverze procesu bez ohledu na spalitelnost odpadního proudu - 3) Použití vhodných modulů bez zařazení jednotky předúpravy bioplynu (odstranění sulfanu) 4.1 Varianta procesu 1 Proces membránové separace je vedený s ohledem na obsah metanu v odpadním proudu 20-25 obj.% pro dobré dopálení v kogeneraci, kde se smíchá tento odpadní proud se surovým bioplynem. Zároveň se vyžaduje max. účinnost procesu na biometan. Tento případ se týká řešení BioCNG v Pustějově. 4.1.1 Process flow diagram 12

SPALINY GENEROVANÁ ENERGIE BIOPLYN BIOPLYN DO KOGENERACE ZPĚTNÁ KLAPKA SMĚS DO KOGENERACE MOTOR GENERÁTOR BIOPLYNOVÁ STANICE VČETNÉ STÁVAJÍCÍ PŘEDÚPRAVY NA SUŠENÍ 1 ODP. TEPLO DO VZDUCHU ZE SUŠ. 1 Z ODSÍŘENÍ ODP. TEPLO DO VZDUCHU Z KOMP. 1 VYUŽ. TEPLO Z KOMP. 1 ODP. TEPLO ZE SUŚ. 2 VYUŽ. TEPLO Z KJ PERMEÁT 1. STUPNĚ DO 1. STUPNĚ BATERIE MODULŮ 1. STUPNĚ ODPADNÍ TEPLO DO VZDUCHU CELKEM VYUŽITELNÉ TEPLO CELKEM SUŠIČKA 1 NA ODSÍŘENÍ ODSIŘOVACÍ DO KOMP. 1 KOMPRESOR 1 KOLONA NA SUŠENÍ 2 SUŠIČKA 2 RETENTÁT DO 2. STUPNĚ BATERIE MODULŮ 2. STUPNĚ BIOMETHAN Pod Vinicí 87 POHON SUŠIČKY 1 KONDENZÁT ZE SUŠIČKY 1 NASYCENÝ SORBENT TOPENÍ ODSÍŘENÍ ODKALENÍ KOMPRESORU 1 POHON KOMPRESORU 1 RECYKL KONDENZÁT ZE SUŠIČKY 2 POHON SUŠIČKY 2 KONDENZÁT PEVNÝ ODPAD EL. ENERGIE project manager place: investor: main engineer Marek Bobák project: EL. ENERGIE drawing: BioCNG pro Pustějov checked by 471 27, Stráž pod Ralskem Czech Republic scale version: 01.00 date: 21.09.2012 number MemBrain s.r.o., Pod Vinicí 87, 471 27 Stráž pod Ralskem, Česká republika www.membrain.cz, e-mail: info.membrain@membrain.cz

4.1.2 Materiálové a energetické bilance Název proudu Bioplyn Bioplyn do kogenerace Na sušení 1 Na odsíření Z odsíření Do kompresoru 1 Na sušení 2 Do 1. stupně Retentát do 2. stupně Permeát 1. stupně Recykl Biometan Teplota C 26 26 26 20 20 23,20412 50 45 45 45 45 45 Tlak BAR 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 12 12 12 12 12 12 Mol. Tok KMOL/HR 12,04625 4,8185 7,227751 7,147094 7,143567 8,608776 8,608776 8,530051 5,471485 3,058566 1,465209 4,006276 Mol. Tok SCMH 270 108 162 160,1922 160,1131 192,9538 192,9538 191,1893 122,6357 68,5535 32,84063 89,79512 Hm. Tok KG/HR 312,2942 124,9177 187,3765 185,9234 185,8032 224,4271 224,4271 223,0084 105,3542 117,6542 38,62391 66,73031 Obj. tok CUM/HR 480,4541 192,1817 288,2725 250,5745 250,4932 271,9513 36,14789 19,69504 11,88051 7,799087 3,181306 8,697251 Podíl plynné fáze 1 1 1 1 1 1 0,999651 1 1 1 1 1 Mol. Zlomek 0,42317 0,554290864 CH4 0,618668 0,618668 0,618668 0,62565 0,625959 0,6251306 0,625131 0,6309 0,875381 0,193547 0,621092 0,9683811 H2O 0,022725 0,022725 0,022725 0,011696 0,011702 0,00972 9,72E-03 5,87E-04 2,29E-05 1,60E-03 8,33E-05 7,81E-07 CO2 0,346374 0,346374 0,346374 0,350283 0,350456 0,3523237 0,352324 0,355573 0,107542 0,799278 0,361431 0,0146872 N2 0,011613 0,011613 0,011613 0,011744 0,011749 0,0126536 0,012654 0,01277 0,016923 5,34E-03 0,017062 0,0168717 O2 1,20E-04 1,20E-04 1,20E-04 1,21E-04 1,22E-04 1,52E-04 1,52E-04 1,53E-04 1,19E-04 2,13E-04 2,99E-04 5,38E-05 H2S 5,01E-04 5,01E-04 5,01E-04 5,06E-04 1,27E-05 1,60E-05 1,60E-05 1,62E-05 1,26E-05 2,26E-05 3,25E-05 5,34E-06 Název proudu Příkon elektrických zařízení celkem Energetická bilance Generovaná energie na KJ z vratného permeátu Zbytkové nevyužité teplo - zima Zbytkové nevyužité teplo - léto Směr Vstup Výstup Výstup Výstup Měrná spotřeba el. energie na jednotku produktu Výkon kw 73,93 44,3 141,63 316,11 kwh/nm3 0,823330831 Typ energie Elektřina Elektřina Teplo - voda Teplo - voda MemBrain s.r.o., Pod Vinicí 87, 471 27 Stráž pod Ralskem, Česká republika www.membrain.cz, e-mail: info.membrain@membrain.cz

4.2. Varianta procesu 2 V některých případech nemusí být požadavek na dopálení odpadního proudu v kogeneraci, ale pouze na fléře spojenou popř. s rekuperačním výměníkem. Obsah metanu v odpadním proudu je přibližně 3-18 obj.% Tento proces se může využít i tam, kde je dostatek surového bioplynu ke smíchání s chudým odpadním proudem biometanu k dopálení v kogeneraci. 4.2.1. Process Flow diagram 4.1.2 Materiálová bilance Tab.č.4 Koncentrace metanu a CO2 v jednotlivých proudech Pozice 1 Feed 2 Vstup 3 Odpadní 4 Vstup 5 Vstup 6 Recykl 7 Produkt 1. modul plyn 2.modul 2.modul Mol.% CH4 52 44,37 4,57 57,91 57,91 34,39 97,12 Mol.% CO2 44 53,19 93,2 39,57 39,57 62,67 1,07 Konverze CH4 -- -- -- -- -- -- 95,9 4.3. Varianta procesu 3 V případě, že je nižší obsah H2S v bioplynu, je možné použít membránové moduly tolerantní k vyššímu obsahu H2S bez použití předúpravy bioplynu k odstranění sulfanu. 4.3.1. Process Flow diagram MemBrain s.r.o., Pod Vinicí 87, 471 27 Stráž pod Ralskem, Česká republika www.membrain.cz, e-mail: info.membrain@membrain.cz

4.3.2. Materiálová bilance Tab.č.5 Koncentrace metanu a CO2 v jednotlivých proudech Pozice 1 Feed 2 Vstup 3 Odpadní 4 Vstup 5 Vstup 6 Recykl 7 Produkt 1. modul plyn 2.modul 2.modul Mol.% CH4 62,5 60,58 10,14 74,98 74,98 58,18 97,36 Mol.% CO2 35 36,99 85,8 23,06 23,06 39,49 1,17 H2S ppmv 417 573 934 470 470 768 72 Konverze CH4 -- -- -- -- -- -- 93,5 5 IDENTIFIKACE NEJVĚTŠÍCH RIZIK APLIKACE 5.1. Varianta procesu 1 Nejlépe rozpracovaná studie proveditelnosti se zaměřením na konkrétní aplikaci na BPS Pustějov. Poskytuje dobře spalitelný odpadní permeátový proud z 1. modulu a výstupní plyn s dostatečnou koncentrací biometanu srovnatelnou s kvalitou zemního plynu. 5.2. Varianta procesu 2 Vysoká konverze na metan má za následek koncentrovaný proud CO2 za prvním membránovým, stupněm, který bude obtížné zpracovat dopálením na kogeneraci při smíchání se surovým bioplynem, nebo dopálením na katalytickém hořáku. 5.3. Varianta procesu 3 Varianta snižuje investiční náklady tím, že vynechá jednotku na odstranění sulfanu. Při použití membránových modulů tolerantních k vysokému obsahu H2S se následně kladou vysoké nároky na materiálové provedení středotlakého a vysokotlakého kompresoru při dokonalém odstranění vlhkosti obsažené v surovém bioplynu. Zároveň je nutné konzultovat vysoký obsah sulfanu v odpadním plynu na kogeneraci s dodavatelem zařízení. 6 POSOUZENÍ VARIANT PROCESU Varianta 1 je optimální, ostatní Varianty 2,3 poskytly hlavně odpovědi na koncentrační profily základních složek v bioplynu v průběhu procesu a s tím dále spojená rizika jak procesní ve vedení technologie dopálení odpadního biometanu, tak v materiálovém provedení aparátů. 16

6.1 Technické porovnání Tab.č.6 Porovnání Varianty 1 s ostatními metodami čištění bioplynu Parametr Varianta 1 Membránová separace PSA Vodní vypírka Chemická vypírka Spotřeba el. energie 0,82 0,23 0,3-0,6 0,67 (kwh/m 3 ) Koncentrace CH4 96,8 97-99 98,5 99 v produktu (obj.%) Provozní tlak 0,12 0,4-0,7 0,4-0,7 atmosférický (MPa) Provozní teplota 20-40 25-90 5-25 10-100 ( C) Odstranění H2S ano ne možné ano Odstranění vodní páry ano ano ne ano Odstranění N2 částečné částečné ne ne Odstranění O2 ano částečné ne ne 6.2 Ekonomické porovnání Ekonomické srovnání Membránové separace (Varianta 1) s ostatními komerčními technologie nebylo možné, protože k těmto technologiím neexistují dostupné relevantní údaje. Provozní náklady Varianty 1, které se skládají z provozu sušičky, odsíření, kompresorů, membrán a ostatních zařízení jsou na úrovni 5,70 Kč/Nm 3. 7 ZÁVĚR Ve studii byly předloženy tři varianty řešení membránové separace bioplynu, ze kterých se vybrala Varianta 1 jako proces s nejmenšími riziky v oblasti použitých materiálů kompresorů, nebo v procesu dopálení odpadního permeátového proudu v kogenerační jednotce. Při srovnání s konkurenční membránovou separací firmy DMT, u které se uvádí provozní náklady 0,21 Euro/Nm 3, tj. 5,78 Kč/Nm 3 při zpracování 200 Nm 3 /hod surového bioplynu jsou provozní náklady naší membránové separace srovnatelné, tj. 5,70 Kč/ Nm 3 s tím, že zpracováváme pouze 160 Nm 3 /hod a při zpracování 200 Nm 3 /hod provozní náklady ještě poklesnou v porovnání s konkurencí. V porovnání s ostatními konkurenčními technologiemi je z diagramů patrné, že pouze technologie Vodní vypírky dosahuje nižších investičních a provozních nákladů. Na druhé straně tato technologie neodstraňuje dusík a kyslík, případně H2S z bioplynu. Menší nevýhodou membránová separace oproti adsorpčním a absorpčním procesům je, že se řadí mezi středně objemové procesy se vstupem cca 50 1500 Nm 3 /hod, zatímco adsorpční a absorpční procesy mohou zpracovávat i větší množství surového bioplynu. 17

8 PŘÍLOHY 8.1. Reference [1] Gas s.r.o. Biometan, str.32 [2] V3081 Zpráva Vítkovice k BioCNG [3] Zpráva proveditelnosti Biogas upgrading 1.0 18

MemBrain s.r.o., Pod Vinicí 87, 471 27 Stráž pod Ralskem, Česká republika www.membrain.cz, e-mail: info.membrain@membrain.cz

MemBrain s.r.o., Pod Vinicí 87, 471 27 Stráž pod Ralskem, Česká republika www.membrain.cz, e-mail: info.membrain@membrain.cz