Paweł Dębski
Inżynier ekolog
Jak działają instalacje do ulepszania biogazu?
Biogaz i instalacje do jego oczyszczania oraz wzbogacania stają się kluczowym elementem transformacji energetycznej. Dla pełnego wykorzystania potencjału biogazu, konieczne jest przekształcenie go w biometan o jakości zbliżonej do gazu ziemnego. Służy temu instalacja do ulepszania biogazu – zaawansowany technologicznie układ, który usuwa zanieczyszczenia i podnosi zawartość metanu, tak aby gaz nadawał się do wtłoczenia do sieci gazowej, zasilania kogeneracji, sprężania do CBG (ang. Compressed Biogas, sprężony biogaz)lub skraplania do LBG (ang. Liquefied Biogas, skroplony biogaz). Sprężanie lub skraplanie biogazu ma na celu przede wszystkim zmniejszenie jego objętości, co ułatwia magazynowanie, transport oraz rozszerza możliwości jego wykorzystania.
Czym jest instalacja do ulepszania biogazu?
Instalacja do ulepszania biogazu jest zespołem urządzeń, którego celem jest oczyszczenie surowego biogazu z niepożądanych składników oraz jego wzbogacenie w metan. Surowy biogaz z biogazowni rolniczych, oczyszczalni ścieków czy składowisk odpadów zawiera zazwyczaj 50–65% metanu, 35–45% dwutlenku węgla oraz domieszki siarkowodoru, pary wodnej, tlenu, azotu, lotnych związków organicznych i siloksanów. Aby biogaz mógł zostać zaklasyfikowany jako biometan i spełnić normy jakości gazu sieciowego, musi zostać poddany procesowi ulepszania biogazu, w ramach którego usuwa się dwutlenek węgla (CO2) i zanieczyszczenia, zwiększając zawartość metanu (CH4) do 96–99%.
Dlaczego ulepszanie biogazu jest ważne?
Bez procesu ulepszania większość instalacji produkujących biogaz jest skazana na lokalne wykorzystanie gazu w kogeneracji CHP (ang. combined heat and power) lub spalanie w pochodni. Ogranicza to opłacalność inwestycji i potencjał redukcji emisji CO₂. Instalacja do ulepszania biogazu otwiera natomiast szereg możliwości:
- wtłaczanie biometanu do sieci gazowej i sprzedaż jako odnawialne paliwo gazowe,
- produkcję CBG/LBG dla transportu ciężkiego i morskiego,
- magazynowanie energii w istniejącej infrastrukturze gazowej,
- spieniężenie gwarancji pochodzenia biometanu oraz systemów wsparcia OZE,
- zastępowanie gazu ziemnego w przemyśle energochłonnym.
Dodatkowo, wysokosprawne uszlachetnianie pozwala ograniczyć emisje metanu do atmosfery, co ma ogromne znaczenie klimatyczne – CH₄ jest gazem cieplarnianym o potencjale ocieplenia wielokrotnie wyższym niż CO₂. Dlatego dobrze zaprojektowana instalacja do ulepszania biogazu staje się elementem strategii dekarbonizacji i gospodarki obiegu zamkniętego.
Jaki jest skład surowego biogazu?
Dla zrozumienia sposobu działania instalacji ulepszania biogazu, należy przeanalizować typowy skład biogazu. Produkowany w procesie fermentacji beztlenowej biogaz zawiera najczęściej:
- 50–65% metanu (CH₄), czyli nośnika energii,
- 35–45% dwutlenku węgla (CO₂), gazu balastowego,
- 0–0,5 %siarkowodoru (H₂S), silnie korozyjnego i toksycznego,
- do kilku procent pary wodnej (H₂O),
- śladowe ilości tlenu (O₂) i azotu (N₂),
- lotne związki organiczne (VOC), w tym siloksany.
Takie parametry są nieakceptowalne zarówno dla operatorów sieci gazowej, jak i dla odbiorców przemysłowych. Stąd konieczność zastosowania serii etapów oczyszczania, osuszania i separacji CO₂, które wspólnie tworzą kompletną instalację do produkcji biometanu. Standardy jakościowe dla biometanu obejmują m.in. limit H₂S na poziomie pojedynczych cząstek, bardzo niską wilgotność oraz brak kondensujących związków mogących uszkadzać infrastrukturę.
Co zawiera instalacja oczyszczania biogazu?
Typowa instalacja do ulepszania biogazu składa się z kilku zintegrowanych bloków technologicznych. Ich konfiguracja zależy od zastosowanej technologii separacji CO₂, ale ogólna logika jest podobna. Można wyróżnić następujące główne sekcje:
- układ wstępnego oczyszczania (odsiarczanie, filtracja mechaniczna, odolejanie),
- układ osuszania (separacja kondensatu, chłodnice, adsorbery wilgoci),
- właściwy moduł ulepszania (absorpcja wodna, adsorpcja PSA, membrany, absorpcja chemiczna, kriogenika),
- układ oczyszczania gazu odpadowego z metanu,
- moduł zatłaczania biometanu do sieci lub sprężania / skraplania,
- system automatyki, sterowania i monitoringu (SCADA, pomiary jakości gazu, bezpieczeństwo).
Każdy z tych bloków musi być zaprojektowany z myślą o efektywności energetycznej, niezawodności oraz zgodności z lokalnymi normami dotyczącymi biometanu i ochrony środowiska. Integracja instalacji ulepszania biogazu z istniejącą biogazownią wymaga także analizy bilansu cieplnego, zapotrzebowania na energię elektryczną i możliwości odzysku ciepła z procesów.
Jaki jest cel wstępnego oczyszczania biogazu?
Wstępne oczyszczanie jest kluczowe dla ochrony dalszych elementów instalacji oraz uzyskania odpowiedniej żywotności membran, sorbentów czy absorbentów. W ramach wstępnego oczyszczania realizuje się m.in.:
- usuwanie cząstek stałych (filtry mechaniczne, cyklony),
- redukcję H₂S w filtrach z węglem aktywnym lub za pomocą absorbentów żelazowych,
- wstępne chłodzenie i separację kondensatu wodnego,
- ewentualne usuwanie siloksanów i ciężkich VOC.
Dobór technologii zależy od przewidywanego składu biogazu i wymagań dalszych modułów. Na przykład membrany gazowe są wrażliwe na obecność siloksanów, które mogą powodować ich trwałe zanieczyszczenie, a wysoka zawartość H₂S przyspiesza korozję wymienników i sprężarek. Dlatego na etapie projektowania instalacji ulepszania biogazu kluczowa jest rzetelna analiza składu biogazu w różnych warunkach eksploatacyjnych fermentora.
Dlaczego konieczne jest osuszanie biogazu?
Para wodna obecna w biogazie może kondensować w chłodniejszych częściach instalacji, prowadząc do korozji, zaburzeń pracy zaworów i analizatorów oraz zatykania przewodów. Wysoka wilgotność pogarsza skuteczność różnych metod separacji CO₂.
Z tego względu instalacja do ulepszania biogazu zawiera zwykle:
- chłodnicę / wymiennik ciepła, w którym biogaz jest schładzany do temperatury punktu rosy,
- odwadniacz cyklonowy lub separator grawitacyjny kondensatu,
- dodatkowy etap adsorpcyjnego osuszania na złożach molekularnych (np. sita molekularne).
Stopień osuszenia jest dostosowywany do docelowej technologii ulepszania. W aplikacjach, gdzie biometan ma być wtłaczany do sieci gazu ziemnego, konieczne jest spełnienie bardzo restrykcyjnych wymogów w zakresie zawartości wody (punkt rosy gazu). Zbyt wysoka wilgotność mogłaby prowadzić do tworzenia hydratów, uszkodzeń armatury oraz przekroczenia norm jakościowych.
Jakie technologie są stosowane do ulepszania biogazu?
Na rynku funkcjonuje kilka dominujących technologii stosowanych w instalacjach do ulepszania biogazu. Wybór rozwiązania zależy od skali projektu, wymagań energetycznych, dostępnych nośników energii oraz preferencji inwestora. Do najpopularniejszych należą:
- absorpcja fizyczna CO₂ w wodzie,
- chemiczna absorpcja CO₂ w roztworach amin,
- adsorpcja zmiennociśnieniowa PSA,
- chemiczna absorpcja CO₂ w roztworach amin,
- separacja kriogeniczna.
Każda z tych metod opiera się na odmiennym mechanizmie fizycznym lub chemicznym, ale ich wspólnym celem jest maksymalizacja odzysku metanu przy jednoczesnym obniżeniu emisji do atmosfery i minimalizacji zużycia energii. W praktyce wybór technologii jest wynikiem szczegółowej analizy techniczno-ekonomicznej (CAPEX, OPEX) oraz dostępności serwisu i komponentów w danym kraju.
Źródła:
Podgórska M., Narloch P.: Przegląd metod oczyszczania biogazu do biometanu, 2022, Rynek Energii (6) str. 16-23,
Magazyn Biomasa 18.10.2024 r. https://magazynbiomasa.pl/technologie-uzdatniania-biogazu-do-biometanu,
Kurcek J., Czarnowa J,: Metody oczyszczania biogazu do jakości gazu ziemnego. Materiały pokonferencyjne V konferencji naukowe j- Księga Posterów, 12-13.10.2020, Instytut Polityki Energetycznej im. Ignacego Łukasiewicza,
Buraczewski G., Bartoszek B.: Biogaz. Wytwarzanie i wykorzystywanie. PWN Warszawa 1990,
Kamiński A.: Analiza porównawcza różnych technologii oczyszczania biogazu , 2024, Gaz, Woda i technika Sanitarna (5), str.23-29,
Piaskowska-Wasiak J.: Uzdatnianie biogazu do parametrów gazu wysokometanowego. Nafta-Gaz (2) str.94-105,
Mroczkowski P., Seiffert M.: Oczyszczanie i zatłaczanie biogazu na przykładzie Niemiec. Możliwości wdrożenia technologii w Polsce. 2020