Jednym z paliw mogących znaleźć zastosowanie w transporcie jest biometan. Jest to poddany oczyszczeniu i uzdatnieniu do jakości gazu ziemnego – biogaz, który może być produkowany między innymi z odpadów z sektora rolno-spożywczego. Przykłady innych państw Unii Europejskiej (m.in. Włoch, Niemiec i Szwecji) pokazują, że wykorzystanie pojazdów NGV jest jednym z rozwiązań na poprawę jakości powietrza w miastach.
W ostatnich latach obserwuje się systematyczny wzrost zainteresowania odnawialnymi źródłami energii w Polsce. Wynika to przede wszystkim z nieustannego wzrostu zapotrzebowania na energię oraz wzrostu cen energii elektrycznej produkowanej w konwencjonalnych systemach energetycznych. Ponadto wejście w życie Dyrektywy 2009/28/EC w sprawie promocji produkcji energii ze źródeł odnawialnych miało na celu ograniczenie emisji gazów cieplarnianych i zużycie paliw konwencjonalnych w krajach UE. W ramach tych działań do roku 2020 Polska zobowiązała się do zwiększenia udziału odnawialnych źródeł energii w finalnym bilansie energii do 15 proc., wzrostu efektywności energetycznej o 20 proc. oraz redukcji emisji gazów cieplarnianych do atmosfery o 20 proc. w stosunku do roku 1990.
Wymagania, które określone zostały w Dyrektywie 2009/28/EC, dotyczyły również paliw stosowanych w transporcie. Dotyczy to głównie biokomponentów, które są dodawane do paliw i biopaliw ciekłych. Udział energii odnawialnej w transporcie do roku 2020 ustalony został na poziomie 10 proc. Zgodnie z danymi Eurostat, w 2015 roku w naszym kraju udział energii odnawialnej w transporcie wyniósł 6,4 proc. Jednym z najbardziej perspektywicznych biopaliw, mogących znaleźć zastosowanie jako paliwo napędowe, jest biometan. Uzyskiwany jest on w wyniku procesu oczyszczenia i uzdatnienia biogazu do parametrów gazu ziemnego (o zawartości CH4 ok. 98 proc.).
Produkcja biogazu i biometanu w Europie
Obecnie w Europie funkcjonuje ok. 14 tys. instalacji biogazowych. Najwięcej z nich jest w Niemczech (ok. 9 tys.), ponad 1 tys. znajduje się we Włoszech, a ok. 600 w Szwecji i Francji. Ponadto, według danych Europejskiego Stowarzyszenia Biogazu, w całej Europie na koniec 2014 roku funkcjonowało 367 instalacji produkujących biometan (rys. 1).
www.european-biogas.eu]
Z przeprowadzonych przez naukowców Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu obliczeń wynika, że potencjał produkcji biogazu w naszym kraju wynosi ok. 13,5 mld m3 rocznie (bez uwzględnienia upraw celowych i odpadów komunalnych). Objętość ta możliwa jest do uzyskania przy wykorzystaniu biomasy odpadowej: obornika i gnojowicy, słomy zbóż i rzepaku oraz słomy kukurydzianej. Dodatkowo wsad do biogazowni mogą stanowić także odpady z przetwórstwa żywności, cukrowni, ubojni, mleczarni i gorzelni, których ilości są trudne do oszacowania.
Barierą w produkcji biometanu są wysokie koszty oczyszczania biogazu, które stanowią znaczny udział w całkowitych kosztach całej inwestycji. Ponadto koszt jednostkowy instalacji oczyszczania jest tym większy, im mniejsza jest instalacja. Przykładowo koszty stacji uzdatniania dla rocznej produkcji biogazu na poziomie 4 mln Nm3 (odpowiadającej mocy zainstalowanej eklektycznej 1 MW) wynoszą ok. 0,8-1,5 mln euro w zależności od rodzaju zastosowanej technologii i jej producenta. Przy tak wysokich nakładach inwestycyjnych należałoby rozważyć podłączenie kilku biogazowni do jednej instalacji oczyszczania.
Obecnie na rynku motoryzacyjnym dostępna jest szeroka oferta pojazdów zasilanych gazem ziemnym, tzw. pojazdów NGV (ang. Natural Gas Vehicle). Dotyczy ona nie tylko samochodów osobowych, ale również samochodów dostawczych (do 3,5 t) oraz autobusów. W ofercie znajdują się między innymi, produkowane w Polsce, autobusy firmy Solaris. Co ważniejsze, biometan (tak samo jak gaz ziemny) może zostać skroplony, co pozwala znacząco zwiększyć zasięg pojazdu na tzw. jednym tankowaniu. Biometan w formie ciekłej stosowany jest jako paliwo napędowe w ciężarówkach, statkach i autobusach.
Do najbardziej rozwiniętych rynków europejskich, pod względem zastosowania biometanu do zasilania pojazdów, należą Włochy, Niemcy i Szwecja. W pierwszym z wymienionych państw liczba pojazdów NGV wynosi blisko 900 tys., natomiast w Niemczech i Szwecji ok. 100 tys. Co więcej, wymienione państwa przeważają pod względem liczby stacji tankowania, która w 2016 roku wyniosła odpowiednio 1186 (we Włoszech), 885 (w Niemczech) oraz 173 (w Szwecji). W Polsce zarówno liczba pojazdów NGV, jak i stacji nie wygląda imponująco. Według danych NGVA Europe aktualnie użytkowanych jest ok. 500 pojazdów, a dostępna liczba stacji wynosi tylko 28. Wynika to przede wszystkim z braku spójnej wizji rozwoju sektora paliw metanowych na cele transportowe. Należy jednak zwrócić szczególną uwagę na zainteresowanie wykorzystaniem gazu ziemnego w komunikacji miejskiej. Aktualnie w ponad 20 miastach jeżdżą autobusy zasilane CNG. Najwięcej jest ich w Tychach, gdzie flota obejmuje 75 autobusów miejskich.
Metody oczyszczania i uzdatniania biogazu
W przypadku wyboru technologii oczyszczenia i wzbogacania biogazu najważniejszą kwestią jest sposób transportu uzyskanego biometanu z miejsca jego produkcji do punktu tankowania pojazdów. Ważne jest również ustalenie docelowego poziomu zawartości CH4 w paliwie gazowym. Obecnie wyróżnia się kilka technologii oczyszczania i uzdatniania biogazu, a do najpopularniejszych zalicza się metody absorpcji zmiennociśnieniowej PSA, płuczki wodnej, technologie separacji membranowej oraz metody kriogeniczne. Należy jednak pamiętać, że pierwsze dwie z wymienionych technologii charakteryzują się niższą sprawnością oczyszczania gazu w porównaniu do pozostałych. Ich główną zaletą są niższe koszty eksploatacyjne.
W technologii adsorpcji zmiennociśnieniowej (PSA) wykorzystuje się właściwości poszczególnych gazów do ich rozdzielenia. Wyprodukowany biogaz jest sprężany, a następnie kierowany do kolumny adsorpcyjnej. W kolumnie tej wychwytywany jest dwutlenek węgla, natomiast oczyszczony biometan kierowany jest dalej.
Innym systemem wykorzystywanym do zwiększenia zawartości metanu w biogazie jest technologia płuczki wodnej. Polega ona na wykorzystaniu większej rozpuszczalności dwutlenku węgla w wodzie (w porównaniu do metanu) oraz wysokiego ciśnienia (ok. 6-10 bar). Następnie rozpuszczony w kolumnie absorpcyjnej dwutlenek węgla jest uwalniany w wyniku dodania powietrza pod ciśnieniem atmosferycznym.
Do jednych z najskuteczniejszych i jednocześnie najdroższych metod uzdatniania biogazu należą technologie kriogeniczne. Pozwalają one na usunięciu z biogazu zanieczyszczeń głównych (tj. CO2 i N2) oraz zanieczyszczeń śladowych (np. siarkowodór lub amoniak). Technologie te opierają się na wykorzystaniu różnych temperatur skraplania poszczególnych gazów. Temperatury niepożądanych gazów, m.in. dwutlenku węgla i siarkowodoru, są wyższe niż metanu i wynoszą odpowiednio -60°C dla H2S i -78°C dla CO2.
Podsumowanie
Na podstawie doświadczeń innych państw europejskich (m.in. Niemiec i Włoch) można stwierdzić, że produkcja biometanu na cele transportowe jest naturalną konsekwencją rozwoju rynku biogazu. Wynika to przede wszystkim z możliwości i efektywności wykorzystania energii biogazu. Przy aktualnych uwarunkowaniach prawnych najbardziej prawdopodobnym rozwiązaniem, mogącym znaleźć zastosowanie w praktyce, jest wtłaczanie oczyszczonego biogazu rolniczego do sieci gazu ziemnego.
W przypadku wykorzystania tego paliwa w środkach transportu potrzeba wprowadzenia długoletniej i przede wszystkim przewidywalnej polityki, która promowałaby ten kierunek wykorzystania biogazu. Zastosowanie biometanu jako paliwa do pojazdów NGV może znacznie przyczynić się do poprawy jakości powietrza w miastach, w których coraz częściej spotykany jest problem smogu. Rozwój branży CNG będzie jednak w dużym stopniu uzależniony od wsparcia uzyskanego ze strony władz naszego kraju.
Aleksandra Jeżowska, Kamil Kozłowski
Instytut Inżynierii Biosystemów, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu
Literatura
Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE.
Eurostat Statistic Explained. Share of renewable energy sources in transport 2004-2015. http://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php/Renewable_energy_statistics
NGVA Europe 2017. Vehicles and NGV stations in Europe. http://www.gasinfocus.com/en/indicator/vehicles-and-ngv-stations-in-europe/
Pomykała R., Łyko P., Biogaz z odpadów (bio)paliwem dla transportu – bariery i perspektywy. Chemik, 67, 5, 2013.
Śliwka M., Pomykała R., Biometan jako odnawialne paliwo w transporcie. Logistyka, 4, 2015.
www.european-biogas.eu
Wybicie
Barierą w produkcji biometanu są wysokie koszty oczyszczania biogazu, które stanowią znaczny udział w całkowitych kosztach całej inwestycji. Ponadto koszt jednostkowy instalacji oczyszczania jest tym większy, im mniejsza jest instalacja
Do jednych z najskuteczniejszych i jednocześnie najdroższych metod uzdatniania biogazu należą technologie kriogeniczne. Pozwalają one na usunięciu z biogazu zanieczyszczeń głównych (tj. CO2 i N2) oraz zanieczyszczeń śladowych (np. siarkowodór lub amoniak)