SNG – sztuczny gaz ziemny

W Polsce zużywamy całkiem sporo gazu ziemnego. Oprócz tego, że wykorzystujemy go w przemyśle (np. do produkcji nawozów azotowych), sporo idzie go też na ogrzewanie i do gotowania. Ale gaz ziemny przede wszystkim importujemy (mniej więcej 2/3 naszego popytu pokrywamy trudnym, rosyjskim importem). Dobrze jest się więc rozglądać za bezpiecznym źródłem gazu ziemnego. Zwłaszcza, jeśli mamy zamiar używać sprężonego gazu ziemnego (CNG) do zasilania samochodów. No i oczywiście najlepiej, by to źródło gazu ziemnego było odnawialne. W końcu idziemy w kierunku zrównoważonego rozwoju, prawda?

No ale skąd wziąć więcej gazu ziemnego? Czy można go wyprodukować z czegoś innego?

Gaz ziemny to w zdecydowanej większości metan. Gaz ziemny wysokometanowy (dostępny w handlu pod nazwą GZ-50) składa się w około 98% z metanu i ma wartość opałową rzędu 35 MJ/m³_n. Gaz ziemny zaazotowany (GZ-35) ma około 70% metanu (reszta to głównie azot) i wartość opałową ok. 25 MJ/m³_n. A metan można już otrzymać na kilka, niespecjalnie trudnych, sposobów. Tak powstaje SNG – Substitute Natural Gas, czyli sztuczny (zastępczy) gaz ziemny.

Po pierwsze, metan powstaje w procesie fermentacji beztlenowej. Niestety nie w czystej postaci… Mieszanka ok. 65% metanu i 35% dwutlenku węgla znana jest jako biogaz. Bo właśnie o tym paliwie mowa. Biogaz z biogazowni wykorzystywany jest najczęściej w niewielkim oddaleniu od miejsca jego produkcji. Przykładowo, przydomowa biogazownia może służyć jako źródło paliwa i energii dla ogrzewania i gotowania w tym domu, koło którego została zbudowana. Ale tak na dobrą sprawę nic nie stoi na przeszkodzie, by biogaz oczyścić, sprężyć i wtłoczyć go gazociągu. Gdyby jeszcze usunąć z niego dwutlenek węgla, mógłby stanowić doskonałe zastępstwo gazu ziemnego wysokometanowego. Jeśli nie, nadaje się co najwyżej jako gaz ziemny zaazotowany. A ten wykorzystywany jest głównie w przemyśle i energetyce (stanowi na przykład podstawowe paliwo układów gazowo-parowych w elektrociepłowniach Zielona Góra [1] i Gorzów [2]). Gdyby biogaz został wpuszczony w sieć gazową i skierowany do odbiorców indywidualnych, zaraz zaczęliby marudzić, że dostają gorszy gaz. 😉

Po drugie, metan powstaje samoczynnie w składowiskach odpadów (wysypiskach śmieci), również w procesie beztlenowej fermentacji biomasy. Jako gaz wysypiskowy (składowiskowy) stanowi spory wkład do efektu cieplarnianego (metan, według IPCC (międzyrządowego panelu ds. zmian klimatu przy ONZ), ma około dwudziestopięciokrotnie większy GWP (potencjał tworzenia efektu cieplarnianego) w perspektywie 100 lat od jego pojawienia się w atmosferze [3] niż najbardziej znany gaz cieplarniany – dwutlenek węgla). Dlatego realizuje się projekty odgazowywania składowisk odpadów. Przykładowo, na składowisku odpadów komunalnych w Koninie gaz wysypiskowy jest odprowadzany ze składowiska a następnie spalany, co zostało zakwalifikowane jako jeden z projektów JI (wspólnych wdrożeń) w ramach protokołu z Kioto [4]. Z takiego spalania można produkować energię, ale znów — można też gaz wysypiskowy oczyścić i wepchnąć do sieci gazowej. Póki co zazwyczaj jest on spalany w pochodniach — jego spalenie do pary wodnej i dwutlenku węgla zmniejsza jego wpływ na zmiany klimatu. Bo taki sposób jego utylizacji jest najłatwiejszy. Gdyby odgazowanie składowisk nie było celem samym w sobie, tylko metodą na produkcję sztucznego gazu ziemnego, sprawa wyglądałaby pewnie inaczej.

Po trzecie, metan powstaje również w czynnych kopalniach węgla kamiennego. Jak wiemy, w Polsce kopalni węgla kamiennego jest mnóstwo, choć w zeszłym roku po raz pierwszy od daaawna staliśmy się importerem netto węgla (więcej go sprowadziliśmy niż sprzedaliśmy za granicę). I dlatego jest też mnóstwo miejsc, w których metan ten można z kopalni pozyskać. I tu już nawet nie chodzi o kwestie związane ze zmianami klimatu. Odmetanowanie kopalń jest niezbędne dla bezpieczeństwa górników. Bo metan ma brzydki zwyczaj wybuchać zabijając pracujących pod ziemią ludzi! A skoro tak, to czemu go nie wykorzystać do czegoś dobrego? Niestety, gaz z odmetanowania kopalń najczęściej jest zużywany w obrębie samych kopalń, w zakładowych elektrociepłowniach. Przykładowo, w czterech elektrociepłowniach należących do Spółki Energetycznej „Jastrzębie” S.A. (Zofiówka, Moszczenica, Suszec i Pniówek) metan jest współspalany z węglem (w dwóch pierwszych) lub zasila duże stacjonarne silniki spalinowe [5]. W procesie utylizacji tego odpadu produkowane jest ciepło, energia elektryczna, chłód (do chłodzenia chodników) i sprężone powietrze. Teoretycznie można więc gaz z odmetanowania kopalń wykorzystać jako krajowe źródło sztucznego gazu ziemnego. W praktyce będzie on jednak raczej wykorzystywany w miejscu powstawania, co samo z siebie też jest działaniem proekologicznym, bo pozwala oszczędzać węgiel kamienny, który musiałby być wykorzystywany zamiast niego.

Po czwarte, metan można produkować z gazu syntezowego. Gaz syntezowy jest mieszaniną wodoru i tlenku węgla o określonych proporcjach a powstaje między innymi w procesie zgazowania węgla parą wodną. Można go też wyprodukować z biomasy, też za pośrednictwem zgazowania. Gaz syntezowy albo gaz drzewny poddawane są bowiem syntezie Fischera-Tropscha, której efektem może być właśnie metan. Jeśli tylko zachowane są odpowiednie proporcje wodoru do tlenku węgla, z syntezy wyjdzie właśnie metan.

Metan i biogaz a gaz ziemny w rurociągu

Jakość gazu ziemnego w Polsce określona jest w dwóch normach: PN-C-04752:2002 (Gaz ziemny — jakość gazu w sieci przesyłowej) i PN-C-04752:2002 (Gaz ziemny — jakość gazu dostarczanego odbiorcom z sieci rozdzielczej). Normy te określają między innymi:

• zawartość siarkowodoru,
• zawartość tlenu,
• temperaturę punktu rosy w warunkach letnich i zimowych dla zadanego ciśnienia,
• zakres zmian liczby Wobbego (odnosi ona kaloryczność gazu do relatywnej jego gęstości porównanej do gęstości powietrza), wartości opałowej i ciepła spalania,
• zawartość cięższych węglowodorów (takich, które mogą się skroplić przy temperaturze -5C).

Ich zadaniem jest zapewnienie z jednej strony bezpiecznego przesyłu gazu (m.in. zapewnia drożność rurociągów i sprawność zaworów do regulacji przepływu) a z drugiej bezpiecznego wykorzystania po stronie końcowego użytkownika.

Aby sztuczny gaz ziemny mógł być skutecznie wykorzystywany zamiast gazu ze złóż, trzeba spełnić jeszcze kilka warunków, niewymienionych w normach. Przede wszystkim chodzi o to, by jego spalanie było równie łatwe jak spalanie gazu ziemnego, przy stabilnym płomieniu (bez jego odrywania się czy cofania), określonym zapotrzebowaniu na tlen (ważne ze względu na konstrukcję palników mieszających gaz z powietrzem) i określonej skłonności do produkowania sadzy i tlenku węgla.

Tak więc nie ma co mówić o tym, by biogaz miał pojawiać się w naszych gazociągach. Po prostu nie ma takiej możliwości. Nawet po oczyszczeniu nie będzie spełniać wspomnianych wyżej wymagań jakościowych ani kryterium zastępowalności. Możliwe są w zasadzie dwa warianty wykorzystywania SNG:

• oczyszczenie biogazu / gazu wysypiskowego / gazu z odmetanowania kopalń, i domieszanie go do gazu ziemnego w rurociągach w niewielkich ilościach nie powodujących przekroczenia norm,
• oczyszczenie biogazu / gazu wysypiskowego / gazu z odmetanowania kopalń, i usunięcie z niego składników niepalnych (dwutlenku węgla lub azotu) a następnie wprowadzenie do rurociągów jako samodzielne paliwo.

Przykładowa instalacja do produkcji biogazu o rocznej produkcji rzędu 10 mln m3n gazu, wybudowana w Holandii, zwróciła się w ciągu około 5 lat [6].

Myślę jednak, że program biogazowni w każdej gminie nie spowoduje znacznego zmniejszenia zapotrzebowania na importowany gaz. Raczej po prostu będziemy spalać ten biogaz tam, gdzie wcześniej wykorzystywane były inne paliwa. Sens podłączenia biogazowni do sieci dystrybucyjnej gazu mógłby być tylko w miejscach, w których ta sieć znajduje się niedaleko od planowanego miejsca zabudowy biogazowni.

Źródła:
[1] Urządzenia wytwórcze [online] – dokument ze strony internetowej Elektrociepłowni „Zielona Góra” S.A.;
[2] Urządzenia wytwórcze [online] – dokument ze strony PGE Elektrociepłowni Gorzów S.A.;
[3] Forster, P., V. Ramaswamy, P. Artaxo, T. Berntsen, R. Betts, D.W. Fahey, J. Haywood, J. Lean, D.C. Lowe, G. Myhre, J. Nganga, R. Prinn, G. Raga, M. Schulz and R. Van Dorland, 2007: Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing. W: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M.Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA
[4] Mechanizm wspólnych wdrożeń (JI) [online] – dokument ze strony internetowej KASHUE;
[5] Ochrona środowiska [online] – dokument ze strony internetowej Spółki Energetycznej „Jastrzębie” S.A.;
[6] Barczyński, A., 2009: Możliwości wykorzystania biogazu w systemie dystrybucyjnym. W: Czysta Energia, 2/2009.