Биометан и CO₂ из влажного биогаза: новая мембранная технология

Разработана инновационная мембранная технология, позволяющая напрямую и энергоэффективно перерабатывать биогаз, даже в небольших установках. Проект Bio4Value, объединяющий Институт прикладной химии полимеров им. Фраунгофера (IAP), KS Kunststoffbau GmbH и Лейбницкий институт сельскохозяйственной инженерии и биоэкономики (ATB), открывает новые возможности для использования метана и CO₂ в качестве сырья.

Биогаз обладает широким спектром применения: от топлива и производства тепла до сырья для удобрений и химической промышленности. Однако до сих пор получение биометана из него было технически сложным и малорентабельным для малых предприятий. Традиционные методы требуют трудоемкой предварительной сушки и очистки газа.

Новая мембранная технология, предложенная в рамках проекта Bio4Value, обещает значительное упрощение процесса, исключая необходимость предварительной сушки биогаза. Ключевым элементом являются новые плоские мембраны, разработанные в Fraunhofer IAP. Они эффективно разделяют метан и CO₂ непосредственно из влажного потока биогаза. Это устраняет потребность в дополнительной энергии для охлаждения и подогрева сырого биогаза перед мембранным разделением. Длительные испытания также подтвердили устойчивость разработанных мембран к сероводороду, присутствующему в сыром биогазе.

Целенаправленное разделение CO₂ и метана непосредственно на месте их образования является важным шагом для предотвращения выбросов и эффективного использования полученных газов. «Выделяемый CO₂ может служить ценным сырьем для промышленных процессов, таких как электросинтез, производство топлива или химическое производство. Он также может использоваться как источник углерода в теплицах или для производства газированной воды», — поясняет доктор Штеффен Трёгер-Мюллер из Fraunhofer IAP, координирующий проект.

Метан, в свою очередь, в основном используется в качестве биотоплива (био-КПГ, сжатый природный газ из биогаза) для сельскохозяйственной техники или для подачи в сеть природного газа. Однако он также может использоваться в качестве сырья для химических синтезов, например, для производства аммиака или метанола.

Одной из главных задач при разработке подходящих мембранных материалов стала их промышленная применимость. Для достижения необходимого селективного разделения метана и CO₂ при относительно низких давлениях с использованием неочищенного сырого биогаза потребовалась разработка новых материалов, поскольку коммерчески доступные полимеры не отвечали этим требованиям.

Fraunhofer IAP синтезировал подходящие полимеры и изготовил из них плоские мембраны. Многолетний опыт исследователей в области разработки мембран и процессов сыграл ключевую роль. «Наши новые плоские мембраны соответствуют всем требованиям и отличаются особой механической стабильностью и чрезвычайно тонкими, оптимизированными по потоку разделительными слоями», — отмечает Трёгер-Мюллер.

Для обеспечения возможности эксплуатации технологии в автономном режиме на небольших биогазовых установках в сельской местности, KS Kunststoffbau GmbH работает над созданием компактных модульных решений. «Наша цель — разработать готовый к рынку модуль, который можно использовать локально и который будет прост в эксплуатации даже для пользователей без специальных технических знаний. Новые плоские мембраны делают это возможным», — объясняет Маркус Хут из KS Kunststoffbau GmbH.

ATB отвечает за интеграцию процесса в существующие биогазовые установки и оценку новой технологии с точки зрения ее материального использования. «Мы исследуем, как мембранный модуль может быть интегрирован в реальные процессы производства биогаза — здесь мы видим большой потенциал», — говорит доктор Кристиан Херрманн из ATB.

ATB также анализирует технико-экономические аспекты процесса и проводит оценку жизненного цикла. «Благодаря экономии энергии, обеспечиваемой новой мембраной, мы видим отличную возможность для децентрализованного использования мембранной технологии на малых биогазовых установках», — добавляет Херрманн.

В настоящее время технология утилизации биогаза находится на стадии валидации в лабораторных условиях. «Наша цель — дальнейшее развитие технологии для ее демонстрации в реальных условиях в последующих проектах и масштабирования промышленными партнерами. Компании из секторов биогаза, энергетики или химической промышленности приглашаются к участию в дальнейшей разработке», — заключает Трёгер-Мюллер.