Optimerat upptag av koldioxid från biogas med kalciumrik aska

The objective is to study how the absorption of carbon dioxide from biogas with ash from incineration of woodfuels is affected by different gas flows, water content and change in height of the ash bed. Furthermore, the gas quality will be analysed regarding trace gases, which can originate from reactions in the ash and be harmful for engines. Moreover, strategies for evacuation of gas in the ash bed after use will be studied in order to reduce methane emissions. The aim is to improve the decision support for design of energy and cost efficient systems for upgrading of biogas with ash to vehicle fuel quality at farm-scale biogas plants. Upgrading of biogas can increase the value of the gas, but the costs have to be reduced at low gas flows. Ash from woodfuels has a high content of calcium and properties suitable for absorption of carbon dioxide.

Syftet är att med laboratorieförsök undersöka hur en askbädds förmåga att binda koldioxid från biogas påverkas av olika gasflöden och fuktkvoter på askan samt hur processen påverkas då askbäddens dimensioner varieras. Vidare syftar projektet till att undersöka gaskvaliten på gasen från askbädden med avseende på föroreningar som kan ha sitt ursprung från reaktioner i askan samt hur en snabb och effektiv evakuering av använda askbäddar ska genomföras för att minska metanemissionerna. Målet är att förbättra beslutsunderlaget avseende utformning av ett energi- och kostnadseffektivt system för uppgradering av biogas med aska till fordonsgaskvalité i gårdsskala. Uppgradering till fordonskvalitet kan ge ett ökat värde på gasen, men kostnaderna är i dagsläget för höga vid låga gasflöden. Aska från trädbränslen innehåller mycket kalcium och har egenskaper som lämpar sig för fastläggning av koldioxid.

Aska från förbränning av trädbränslen kan användas för att ta upp koldioxid och svavelväte från biogas och därmed uppgradera den till fordonsgas (97 % CH4, < 10 ppm H2S). I projektet har faktorer som påverkar upptag av koldioxid i askbäddar undersökts för att möjliggöra en ny kostnadseffektiv uppgraderingsteknik. Resultaten visade att ett lågt gasflöde genom bädden förbättrar upptaget och att den optimala fuktkvoten är 0,2-0,3 %. En höjd på 1,4 m i askbädden gav ett mycket lågt mottryck, vilket innebär att trycket i en rötkammare räcker för att få gasen genom askbädden. Vidare uppnår den uppgraderade gasen en kvalitet som uppfyller svensk standard för fordonsgas och metanemissionerna kan hållas vid endast 0,2 % genom en effektiv evakuering när bädden byts ut. Baserat på resultaten bedöms konceptet vara moget för demonstrationsskala och att frågeställningar kring hantering, logistik och slutlig avsättning av aska bör studeras vidare.

Vid gårdsbiogasanläggningar är det vanligast att producera kraftvärme, dvs el och värme, från biogas. Uppgradering av biogas till drivmedelskvalitet, vilket innebär att koldioxid avlägsnas, skulle öka värdet på gasen och möjliggöra att lantbrukare kan bli helt eller delvis självförsörjande på drivmedel, eller att den uppgraderade biogasen kan säljas till drivmedelsmarknaden. För närvarande är dock kostnaderna för uppgradering vid låga gasflöden förhållandevis höga och nya kostnadseffektiva tekniska lösningar behöver utvecklas.
I ett tidigare projekt har vi undersökt hur man kan rena bort koldioxid med hjälp av askor från förbränning av trädbränslen för att nå fordonskvalitet (97 % metanhalt). Det är viktigt att askan har ett högt innehåll av kalcium i form av bränd kalk (kalciumoxid) som tillsammans med vatten bildar släckt kalk (kalciumhydroxid). Den släckta kalken kan sedan reagera med koldioxid som finns i biogas för att bilda kalksten (kalciumkarbonat). I detta projekt har vi undersökt olika faktorer som påverkar hur effektivt kalciumrika askbäddar kan fastlägga koldioxid. De askor vi använde kom dels från förbränning av sågverksflis och dels från förbränning av pellets.
Vi kom fram till att storleken på gasflödet genom askbädden har betydelse för hur bra koldioxid fastläggs. Ett relativt lågt gasflöde gav en bättre fastläggning och mer koldioxid togs upp innan koldioxid kunde påvisas i utgående gas. Vidare visade det sig att mängden vatten, som blandas in i askan påverkar koldoxidupptaget. Det bästa förhållandet var att ha en vattenkvot på 20-30 %.
Förutom att nå en metanhalt över 97 % är det viktigt att den uppgraderade gasen inte innehåller gaser som kan orsaka problem i motorer, tex gaser som innehåller svavel eller kisel. Vi kunde visa att askbädden kan plocka bort allt svavelväte även om halten in var mycket hög (3 000 ppm). Vidare kunde inte andra svavelämnen eller kiselrika s.k. siloxaner påvisas. Sammanfattningsvis visar resultaten att uppgradering med askbädd bör kunna uppfylla de krav på gaskvalié som ställs enligt svensk standard.
När askbädden ska bytas ut består gasinnehållet i askbehållaren huvudsakligen av metan. Denna gasblandning behöver evakueras och tas omhand för att förhindra att metan läker ut till atmosfären då askbehållaren öppnas när förbrukad aska ska tömmas ut. Vi testade att trycka ut gasen genom att tillföra kvävgas i botten och det visade sig att ca 90 % av metangasen i behållaren kom ut efter att kvävgas motsvarande askbäddens volym (ca 20 L) tryckts igenom. Denna gas har en metanhalt på ca 40 % och skulle kunna förbrännas i fackla eller gaspanna, vilket innebär att metanförlusten till atmosfären endast är 0,2 % av uppgraderad gas.
De flesta försöken gjordes med en askbädd på 20 L där en gasblandning med 50 % koldioxid användes. Höjden på askbädden var då 18 cm, men om man ska tillämpa en askbädd i full skala kommer askbädden att vara högre. Därför undersökte vi även en askbädd med höjden 1,4 m och kunde konstatera att mottrycket inte ökade anmärkningsvärt. Det innebär att övertrycket i en rötkammare (20-30 mbar) räcker för att få gasen genom bädden.
I det tidigare genomförda projektet gjorde vi en preliminär kostnadsberäkning för en gårdsanläggning på 1 GWh/år (18 m3 biogas/h), vilket indikerade att uppgraderingskostnaden med en askbädd kan halveras jämfört med konventionell teknik. Med de resultat som framkommit i det här redovisade projektet har vi kunnat klarlägga hur olika faktorer påverkar effektivitet för fastläggning av koldioxid i askbäddar och den uppgraderade gasens kvalitet. Det finns ingenting som pekar på att förutsättningarna för tidigare kostnadsbedömning skulle försämras av dessa resultat. Därför tycker vi att tekniken är moget för ett demonstrationsprojekt och att aspekter på askhantering, logistik och slutlig avsättning av askan också bör studeras vidare.