Czym można „zazielenić” gaz ziemny?

Zdjęcie autora: Nova Energia

Nova Energia

Koło Naukowe działające na AGH w Krakowie

Niezaprzeczalnie gaz ziemny jeszcze długo pozostanie jednym z głównych paliw zasilających elektrownie. Jednak w obliczu narastających zmian klimatycznych poszukujemy metod ograniczania jego emisyjności. Rozwiązaniem może okazać się uzdatnianie gazu ziemnego, a do tego może nam posłużyć biogaz (biometan), a także wodór.

Dlaczego nie możemy zrezygnować z gazu ziemnego?

Pomimo wzmożonych prac nad technologiami OZE, wciąż wymagają one dopracowania, a także rozwiązania pewnych kwestii związanych na przykład z nieregularnością w pozyskiwaniu wytworzonej przez nie energii. Wobec tego niemożliwe wydaje się pełne odejście od elektrowni zasilanych paliwami kopalnymi, które zapewnią dostęp do energii w razie braku jej generacji ze źródeł odnawialnych.

Gaz ziemny jest najlepszą opcją spośród paliw kopalnych. Cechuje się wysoką wartością opałową, a z jednej tony gazu ziemnego możemy pozyskać nawet 48 GJ energii w porównaniu do 25 GJ energii z tony węgla kamiennego. Gaz ziemny jest też mniej szkodliwy dla środowiska, szczególnie w przypadku emisji CO2, którego uwalnia do atmosfery blisko 2 razy mniej niż węgiel.

W ramach „współpracy” jednostek wytwarzających energię z paliw kopalnych oraz tych wytwarzających ją ze źródeł odnawialnych ważne jest, by można było szybko dostosować pracę elektrowni do zmieniających się warunków pogodowych. Czasami zła prognoza nasłonecznienia bądź działań wiatru może wpłynąć na nieoczekiwany wzrost produkcji energii z OZE, które następnie muszą zostać „wypięte” z systemu tak, aby nie zagroziły przeciążeniem sieci energetycznej. Elektrownie zasilane węglem kamiennym wymagają planowania tego z dużym wyprzedzeniem – nawet do 8 godzin, co często wiąże się z błędami w kalkulacjach i niepotrzebnymi stratami w energii. Elektrownie gazowe charakteryzują się większą elastycznością pracy, a czas rozruchu takich jednostek może wynosić zaledwie 1 godzinę, w wyniku czego zmniejsza się szansa na niepoprawne prognozy produkcji energii z OZE i brak związanych z tym strat.

Biogaz i biometan

Najbardziej perspektywiczną opcją „zazielenienia” gazu ziemnego wydaje się być biometan. Biometan powstaje z uzdatnionego biogazu, z którego w wyniku kolejnych procesów usuwane są wszelkie zanieczyszczenia takie jak np. CO2, H2S oraz niepożądana i powodująca korozję wilgoć. Podobny proces przed możliwością użycia jako paliwo musi przejść gaz ziemny. Powstały biometan ma właściwości bardzo zbliżone do metanu. Oczywiście kluczową różnicą jest fakt, że biometan jest zaliczany do paliw odnawialnych, powstaje bowiem z bioodpadów, które poprzez swój rozpad w naturalny sposób uwalniają CO2 do atmosfery. Użycie biometanu do produkcji energii nie zwiększa więc ogólnej ilości CO2 w środowisku, pozostaje ona stała w ramach tak zwanego zamkniętego cyklu węglowego. Ostatecznie biometan może być używany w instalacjach gazowych, bez konieczności wprowadzania w niej żadnych modyfikacji.

Fundamentem rozwoju biometanu jest naturalnie biogaz. Gaz ten powstaje w wyniku rozpadu materii organicznej i jest już powszechnie wykorzystywany w energetyce. Europa jest światowym liderem produkcji energii elektrycznej z biogazu. Na starym kontynencie powstaje blisko 17 mld m3 tego paliwa, które zasila głównie instalacje produkujące energię i ciepło. Łączna moc zainstalowana biogazowni w Europie przekracza już 11,5 GW, co stanowi 75% światowej mocy. Dodatkowo zgodnie z REPowerEU jeszcze do 2030 roku liczby te mają wzrosnąć ponad dwukrotnie! Europa planuje też uzdatniać produkowany biogaz do postaci biometanu, tak by móc go używać jako paliwa w zwykłych instalacjach gazowych.

Europejscy biogazowi liderzy

Kraje takie jak: Dania, Niemcy i Francja są europejskimi potentatami w produkcji i użyciu biometanu. Tylko te trzy państwa generują z biometanu 28,5 TWh energii rocznie. W tym momencie warto wspomnieć o tym, że Polska znajduje się w top 5 krajów z największym potencjałem do produkcji biometanu w Europie. Szacuje się, że nasz kraj mógłby produkować nawet do 6 mld m3 biometanu rocznie (szacunki wahają się od 3 do 6 mld m3). Niestety głównym czynnikiem hamującym rozwój polskiego biometanu są braki w infrastrukturze biogazowej, bez której wytwarzanie biometanu nie jest możliwe. Stan polskiego biogazu najlepiej obrazuje porównanie między liczbą biogazowni w Polsce – 388 i w Niemczech – blisko 10 000!

Wodór – „czysty” gaz

Wodór określany jest często mianem paliwa przyszłości, które ma zagwarantować bezemisyjny transport i energetykę. Współspalanie wodoru wraz z gazem ziemnym w ramach istniejących już obecnie instalacji wydaje się odpowiednim krokiem na drodze rozwoju wodoru, a także zapewni bardzo pożądane zmniejszenie emisji. 

Kluczowe są tu jednak kwestie bezpieczeństwa, gdyż jak wiemy wodór charakteryzuje się zupełnie innymi właściwościami niż gaz ziemny. Musimy mieć pewność, że istniejące instalacje nie zostaną uszkodzone w wyniku eksploatacji domieszkowanego wodorem gazu. W wielu miejscach na świecie trwają obecnie prace badawczo-rozwojowe współspalania wodoru z gazem. W ramach projektu „HyDeploy” eksperyment na swojej sieci gazowej przeprowadzał brytyjski uniwersytet Keele, który stosował domieszkowany gaz do ogrzewania budynków i gotowania na swoim kampusie. W wyniku doświadczenia udowodniono, że mieszanka z 20% udziałem wodoru, może być bezpiecznie stosowana i nie wpływa negatywnie na infrastrukturę gazową. 

Niestety technologia wodorowa wciąż nie jest jeszcze gotowa na powszechne użycie. 96% obecnie produkowanego wodoru pochodzi z procesów reformingu i nie jest ekologiczna. Wynika to z faktu, że wodór znacznie lepiej sprawdza się jako magazyn energii niż paliwo. Aby produkować ekologiczny wodór musi to nastąpić w wyniku procesu elektrolizy, który do wytworzenia wodoru potrzebuje energii elektrycznej pochodzącej z OZE. Dopóki większość wodoru jest produkowana z paliw kopalnych nie odnosimy żadnych korzyści z współspalania wodoru z gazem.

Podsumowanie

Współspalanie gazu ziemnego zarówno z biometanem, jak i z wodorem to dobry krok na drodze ku neutralności klimatycznej. Szczególnie perspektywiczny wydaje się biometan, który nie dość, że nie wymaga dodatkowych środków bezpieczeństwa, to może być produkowany z powszechnego w Europie biogazu. Wodór wciąż wymaga dalszego rozwoju, szczególnie w kontekście zwiększenia jego produkcji ze źródeł OZE, które zagwarantują, że jego stosowanie będzie neutralne dla środowiska.

Źródła:
- Raport: Biogaz i biometan w Polsce 2022, 2023, 2024
- CHEMIK 2011 - Przegląd technologii oczyszczania biogazu do jakości gazu ziemnego
- KOBiZE, PSE, Clean Energy Wire, Fortune Business Insights

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Nova Energia, AGH.
Miłosz Ciurkot