METANISERING OG BIOGAS GRØN STRØM NÅR VINDEN IKKE BLÆSER

Transkript

1 Gastekniske dage, maj, 2018 Billund METANISERING OG BIOGAS GRØN STRØM NÅR VINDEN IKKE BLÆSER Michael Vedel Wegener Kofoed

2 BIOGAS OG METANISERING Opgra de ring af biogas ve d me ta nise ring Ke m isk vs. b iolog isk me ta nise ring Ba rrie rie r for b iolog isk me ta nise ring Re sulta te r for indledende storska la -forsøg med b iome ta nise ring APPLAUSE

3 BIOGAS EN TEKNOLOGI TIL AFFALDSHÅNDTERING Formålet med biogas er: Affa ldshå ndte ring Energiproduktion I da g hå ndte re s forske llige a ffa ldsprodukte r, fx Afvandet spildevandsslam, Grønne bioma sse r som e nggræ s og ha lm Husdyrgødning Dybstrøe lse fra sta lde Organisk husholdningsaffald Weiland, 2010

4 BIOGAS EN TEKNOLOGI TIL AFFALDSHÅNDTERING Fra biogas produceres Et næ ringsholdigt restprodukt reduceret volume n Biog a s en blanding af CO 2 (25-60%) og CH 4 (40-75%) Biog a s a fb ræ nd e s loka lt i e n g a smotor e le ktricite t og va rme Kun 11% af den producerede biogas opgraderes til na turga s na turga sne tte t Naturgasnettet muliggør lagring, flytning og anden anvendelse af det producerede gas Weiland, 2010

5 METANISERING Gas kan opgraderes ved flere forskellige metoder Komme rcie lt tilg æ ng e lig e me tod e r fje rne r norma lt CO 2 fra b ioga sse n Koncentrationen af CO 2 i biogassen kan også nedsæ ttes ved Metanisering Ve d me ta nise ring omsæ tte s CO 2 i b iog a sse n til CH 4 ve d tilsæ tning a f H 2 CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O

6 METANISERING POWER-TO-GAS TEKNOLOGI Me ta nise ring er en power-to-ga s te knolog i d e r tilla d e r Reduceret frigivelse af CO 2 Opgradering af biogas na turga s Lagring af elektricitet fra fx vindmøller ved at omdanne den til metan

7 METANISERING HVORNÅR Strømprise r svinger nogle gange med negative strømpriser Me ta nise ring ka n væ re fa vora be l nå r strømprise n e r la v Dannet naturgas kan 1. g e nd a nne s til e le ktricite t (g rid -b a la ncing ) e lle r va rme 2. Bruges til a ndre formå l, fx tra nsportb ræ ndstof Kilde: Nordpool Med svingende el-p rise r e r me ta nise ring dog ikke nød ve nd ig vis fa vora b e l he le tid e n.

8 STRØM FRA VEDVARENDE ENERGIKILDER Fremtidig øget afhæ ngighed kan øge svingninger i pris Kilde: Nordpool

9 METANISERING UDVIKLING AF KOST-EFFEKTIV TEKNOLOGI, DER KAN BENYTTES I PERIODER MED BILLIG STRØM < 100% CH 4 + > 0 % CO 2 50% CH % CO 2 H 2

10

11 METANISERING Methanisering vha. brint og CO 2 ske r via Sabatier proce sse n : CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O Processen kan katalyseres enten Ke misk ka ta lyse ring Biolog isk me ta nise ring (Biome ta nise ring )

12 KEMISK VS. BIOLOGISK KATALYSE Kemisk katalyse Mod e n te knolog i, d e r ka n ska le re s til ind ustrie l ska la Produce re r ga s me d høj %CH 4 Kræ ve r høje te mpe ra ture r ( C) Ka ta lysa tore r kræ ve r tid til op va rmning fle ksib ilite t Følsomhed overfor urenheder i gassen fx svovlforb ind e lse r Driftssikker teknologi Biologisk katalyse Be g ræ nse t a fp røvning i fuld ska la Kører ved lavere temperatur (37-55 C) Ba kte rie r kla re r skift i H 2 tilsæ tning Er ikke følsomme ove rfor fx svovlforb ind e lse r Kan potentielt udnytte eksisterende re a ktore r Fleksibel teknologi med potentielt lavere CAPEX

13 BIOMETANISERING H 2 - EN NATURLIG DEL AF ET BIOGAS-SYSTEM Brint (H 2 ) p rod uce re s na turlig t i e t biogas-syste m H 2 e r e t produkt fra ne dbrydning a f de orga niske stoffe r H 2 omdannes sammen med CO 2 til CH 4 via metanogenesen H 2 e r norma lt kun til ste d e i MEGET la ve konce ntra tione r, d a d e e lle rs ville hæ mme nogle af fermenteringsprocesserne Source: Holmes & Smith, 2016

14 BIOMETANISERING Sammenlignet med den kemiske methanisering så har den b iolog iske me ta nise ring potentielt lavere CAPEX og OPEX MEN kræ ve r yde rlige re forskning-udvikling for udvikling a f en moden teknologi Reaktor performance Hvord a n p å virke r H2-tilsæ tning re a ktore ns pe rforma nce og omsæ tning? Masse-overførsel Hvord a n tilsæ tte r vi tilstræ kke lig e mæ ngde r a f H2 til re a ktore n Hæmmer vi de fermenteringsprocesserne ved tilsætning af store mængder H 2? H 2 har meget lav opløselighed i vand!! Kilde: Benjaminson, 2013

15 BIOMETANISERING ERFARINGER FRA LABORATORIET Pulse -tilsæ tning a f b rint Biome ta nise ring p rimæ rt i la b ora torie ska la Vise r a t b iome ta nise ring e r mulig t H 2 op ta g e s hurtig t a f mikroorg a nisme rne i sla mme t Tilp a sning til H 2 -tilsæ tning > øge t a nta l metanogener e fte r hve r H 2 -tilsæ tning Selv efter flere dages pause genoptager organismerne hurtigt omsæ tningen af H 2 Nogen ophobning af fede syrer ses proce s-inhib e ring? Masse-overførsel af H 2, ses på nuværende tidspunkt som den største barriere for teknologien Kild e : Agne sse ns et al, 2017

16 MASSEOVERFØRSEL!! HVORDAN TILFØRER VI NOK H2 TIL MIKROORGANISMERNE!? Mikroorganismerne kan kun omsæ tte opløst H 2 Effe ktiv ove rførse l a f H 2(g) H 2(l) er essentiel for effektiv b iome ta nise ring Øge t ma sse -ove rførse l øg e t mikrob ie l H 2 omsæ tningsra te

17 MASSEOVERFØRSEL AF H 2 Store mæ ngde r H 2 ska l tilsæ tte s for fuld stæ nd ig op g ra d e ring a f b iog a s CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O Forskellige tilgange kan benyttes for at optimere gasoverførslen ved b iome ta nise ring fx Reaktor design Inje ktionste knolog i Tryksæ tning a f re a ktore n De lvis re cirkule ring a f g a sse r (og b ioma sse )

18 Venturi injektor til tilsætning af H 2 Indledende forsøg med fuld -ska la H 2 -inje ktion H 2 inje ktionste knolog i baseret på e t La n d ia Ga smix syste m. Ford e le : Ka n le t re tro-fitte s til eksisterende reaktor Kan monteres udenpå reaktoren Ingen fouling og tilstop ning Be nytte t til a t la ve små b ob le r til b e luftning og flotation

19 BIOMETHANISERING Forske llig e re a ktor-konfigura tione r for b iome ta nise ring ex situ: Tilførse l a f H 2 + CO 2 ind i e n separat reaktor: in situ: Tilførse l a f H 2 d ire kte ind i hovedreaktoren: Hybrid: Trinvis opgra de ring først i hove dre a ktor og herefter videre opgradering i sekundæ r re a ktor Kild e : Ang e lid a ki et al, 2018

20 Venturi injektor til tilsætning af H 2 Tilsæ tning a f H 2 i fuld ska la Mål Eva lue ring a f p ote ntia le t for ve nturi-typ e inje ktor til in situ tilsætning af H 2 til en fuld-skala biogasreaktor Analyse af boblestørrelse i laboratorie-skala Motivation for fuld-skala Masseoverførsel er svært at skalere Lab vs. Fuld-skala Væskevolumen: 0,5 L vs L Væskehøjde: 8 cm vs 1250 cm

21 FULD-SKALA TILSÆTNING AF H 2 Syv tilsæ tning se ksp e rime nte r m 3 the rmofil gyllebaseret biogsreaktor Normal biogasproduktion: m 3 / h (40-60% CO 2 ) Tilsa tte volume ne r H 2 : m 3 H 2 (52 C, 1 a tm) Inje ktionsra te r: m 3 /h Må ling a f H 2 inje ktionsra te r Bioga sproduktionsra te r Sammensæ tning af udløbsgas

22 RESULTATER Kun 10-26% a f de n tilsa tte H 2 b le v omsa t Højere g a sflow = højere omsæ tningsrate, men dårligere effektivitet CFD mod e lle ring : Væ ske :g a s flow e sse ntie lt 150 m3/h

23 BOBLESTØRRRELSE CFD modellering: boblestørrelse er essentielt 2,5 mm 10 mm 40 mm

24 OPSAMLING The ve nturi inje ktor - simp e l te knolog i til in situ biometanisering Stor-skala forsøg og modellering be hov for me re optime ring ift. bå de drift og udformning a f inje ktor Optime re t ga s:væ ske flow Nyt design af ve nturi-injektorsystemet Be hov for fle re inje ktionspunkte r? Muligheder for kombinering med ex situ syste me r (und e r udvikling ) Ud fordringer me d ma sse -ove rførse l og op time ring a f mikrob iolog ie n udforske s vid e re i nyt samarbejde med Apple

25 APPLAUSE STABLE GREEN POWER SUPPLY THROUGH DYNAMIC COUPLING OF BIOENERGY TO RENEWABLE ELECTRICITY

26 APPLAUSE STABLE GREEN POWER SUPPLY THROUGH DYNAMIC COUPLING OF BIOENERGY TO RENEWABLE ELECTRICITY Forskning og udvikling i te knolog i og vid e n til Øg e t b iog a sp rod uktion fra forske llig e bioma sse r Me ta nise ring Nye te knolog ie r til re nsning a f g a s Afp røvning a f forske llig e b ræ nd se lsce lle r Opbygning af fuld -ska la forsknings-re a ktor me d mulig he d for kob ling a f Mindre re a ktore r Inje ktionssyste me r Se nsorsyste me r

27 TAK TIL La rs Ditle v Mørk Ottose n Laura Mia Agne sse ns Mads Borgbjerg Jensen Michael Vedel Wegener Kofoed mvk@eng.au.dk

28