Глобальний енергетичний ландшафт зазнає стрімких змін, оскільки країни прагнуть зменшити свою залежність від викопних палив та пом’якшити наслідки зміни клімату. Зобов’язання Європейського Союзу досягти нульового рівня викидів до 2050 року стимулювало інтерес до відновлюваних газів. Серед різних технологій відновлюваної енергетики газифікація виявилася перспективним рішенням, що пропонує універсальний підхід до перетворення органічних матеріалів на чисту енергію.
Європейська біогазова асоціація (EBA) у грудні 2024 року оприлюднила звіт Gasification: diversification of biomass processing and waste utilisation, який деталізує технологію газифікації біомаси та відходів у Європі.
Зважаючи на обсяг звіту, ми розділимо його огляд на дві частини. Публікуємо першу, згодом на сайті зʼявиться наступна, де буде детальніше про синтез-газ, заводи з газифікації в Європі та економічні аспекти газифікації біомаси та відходів.
Головне зі звіту
Згідно з доповіддю EBA в Європі наразі працює близько 141 установки з газифікації біомаси та відходів. Ще 54 проєкти перебувають у стадії розробки. Німеччина лідирує з 61 установкою, у той час як Франція, Фінляндія та Італія також нарощують свої потужності.
Джерело: EBA. Переклад: UABIO.
75% сировини, що використовується для газифікації, походить із лісових та сільськогосподарських залишків. На частку відходів припадає близько 7%, тоді як решта установок використовують змішані джерела сировини.
Потенціал газифікації в Європі є значним: за оцінками, до 2040 року виробничі потужності становитимуть 37 млрд кубометрів, це 33% від загального потенціалу виробництва біометану (111 млрд куб. м). Відповідно газифікація є критично важливим компонентом у диверсифікації та розширенні виробництва біометану в регіоні.
Так, Європа може уникнути 536 млн тонн викидів CO2 щорічно, забезпечити відновлюваною енергією 100 мільйонів європейських домогосподарств впродовж року або заправляти 2 мільйони вантажівок СПГ щорічно.
Газифікація в майбутній енергосистемі
Газифікація — це термохімічний процес, який перетворює органічні матеріали, такі як сільськогосподарські відходи, побічні продукти лісового господарства, деревні відходи та органічну фракцію твердих побутових відходів або тверде відновлюване паливо (ТПВ) на синтез-газ (суміш водню, монооксиду вуглецю та інших вуглеводнів).
Таке гнучке рішення спрямоване на вирішення кількох проблем одночасно. Агенції з дослідження ринку повідомляють, що до 2032 року обсяг світового ринку газифікації біомаси сягне 204,03 млрд євро, а середньорічний темп приросту (CAGR) становитиме 7,6% протягом прогнозованого періоду 2023-2032 років. Ця технологія готова до значного зростання і впровадження в різних секторах. Однак для комерційного успіху необхідне подальше скорочення капітальних та операційних витрат.
Широкому впровадженню газифікації в енергетичному майбутньому перешкоджає низка обмежень. Основною проблемою є конкуренція за землекористування та сезонне коливання у постачанні сировини. Відповідно до моделювання Guidehouse потенціал теплової газифікації оцінюється у 37 млрд куб. м у 2040 році, з яких 33 млрд куб. м припадає на ЄС-27.
Політика підтримки ВДЕ, фінансові стимули для проєктів з використання біомаси та нормативно-правова база, спрямована на скорочення викидів парникових газів, є життєво важливими для стимулювання інвестицій у цю технологію. Зі зростанням обізнаності громадськості щодо переваг газифікації — таких як можливість виробляти екологічно чисту енергію за одночасного управління відходами — з’являється потенціал для збільшення політичної підтримки.
Технології газифікації біомаси
Термічна газифікація зазвичай належить до термохімічного процесу, який перетворює органічний матеріал на газову суміш і тверду фракцію побічного продукту. Це досягається шляхом реакції за високих температур (понад 700 °C), без горіння, із контрольованою кількістю окислювача. Якщо для підтримки процесу потрібне тепло, він вважається ендотермічним. Залежно від способу постачання тепла, його також можна класифікувати як автотермічний (використовує тепло від самого процесу) та алотермічний (використовує зовнішнє тепло).
Джерело: EBA. Переклад: UABIO.
Процес газифікації відбувається в реакторі, відомому як газифікатор. Існує п’ять основних типів реакторів газифікації, які зазвичай використовуються на сучасному ринку: з нерухомим шаром, з киплячим шаром, з подвійним киплячим шаром, з уловленим потоком і плазмові реактори. Вони пропонують гнучкий діапазон потужностей від кВт до ГВт і можуть працювати з різними типами сировини.
Попередня обробка сировини
Ефективна попередня обробка може розширити спектр доступної сировини, включно з такими матеріалами як тверді побутові відходи, сільськогосподарські та лісові залишки. У такий спосіб, вдасться вирішити питання управління відходами і одночасно виробляти відновлювану енергію.
Метою цього етапу є гомогенізація сировини та видалення вологи до рівня нижче 35% мас. (з ідеальним діапазоном 10-15%), що покращить якість продукту, ефективність перетворення та енергетичну щільність.
Основні методи попередньої обробки:
- механічні (наприклад, подрібнення, гранулювання);
- біологічні (наприклад, анаеробне зброджування, ферментативний гідроліз);
- хімічні (наприклад, водне та/або кислотне вилуговування);
- термічні (наприклад, торрефікація та гідротермальна карбонізація (HTC).
Розвиток технологій газифікації
Останніми роками в галузі теплової газифікації спостерігається значний прогрес. Сучасні технології газифікації характеризуються підвищеною ефективністю, універсальністю та екологічними показниками. Розглянемо технології, що були в центрі уваги академічних та промислових досліджень протягом останніх п’яти років:
Когазифікація — це процес, який поєднує структурно різну сировину для кращого використання ресурсів, утилізації відходів, зменшення забруднення та рециркуляції вуглецю.
Гідротермальна газифікація — це загальновживаний термін для позначення надкритичної газифікації води (SWG). Процес відбувається в умовах високих температур і тиску (>374 °C, >22 МПа).
Плазмова газифікація — це технологія, за якої в зоні введення палива використовується плазмовий пальник. Температура, що утворюється, настільки висока (до 4 500 °C), що складні вуглеводні повністю розкладаються на прості гази і неорганічний склоподібний шлам (що складається з розплавленого скла, силіконів і важких металів).
Газифікація за допомогою мікрохвиль (MAG) допомагає подолати проблему, притаманну нагріванню біомаси, а саме — поганий розподіл тепла.
Реактори з похилими обертовими печами перейшли від виробництва цементу до утилізації відходів і зараз стають перспективною технологією в секторі термічної газифікації.
Хімічна петльова газифікація (CLG) базується на системі з двома реакторами (паливний реактор і повітряний реактор), які з’єднані між собою за допомогою металооксидних середовищ, що переносять кисень.
Інтегрований газифікаційний комбінований цикл (IGCC) поєднує газифікацію з комбінованою енергетичною системою для підвищення ефективності виробництва електроенергії.
Багатоступенева газифікація — це процес, який включає кілька етапів для оптимізації перетворення біомаси на синтез-газ.
У другій частині огляду розберемо детальніше розділ про синтез-газ, заводи з газифікації в Європі та розглянемо економічні аспекти газифікації біомаси та відходів.