Короткий ввод: биогаз обычно содержит $\sim 50\%-65\%$ метана, $\sim 35\%-50\%$ CO${}_2$ и следовые примеси (H${}_2$S, влагa, силиоксаны). Выбор технологии делается исходя из качества исходного газа, масштаба, требуемого конечного продукта и экономических/экологических ограничений.
1) Улавливание и очистка (предусловие для большинства конверсионных процессов)
- Влаго- и десульфуризация: адсорбенты (активированный уголь, железооксиды), биологические десульфуризаторы. Плюс: недорого для сильных загрязнений; минус: расход реагентов/обслуживание.
- Сепарация CO${}_2$ и выделение биометана:
- Аминовая абсорбция (химскруббинг): зрелая технология; высокая селективность; энергоёмкое регенерационное тепло.
- Водяная промывка: простота, эффективна при высоком давлении; ограничена по удалению CO${}_2$.
- PSA (pressure swing adsorption): модульность, отсутствие больших тепловых потоков; чувствителен к примесям.
- Мембраны (полимерные/селективные): низкие CAPEX и простота интеграции, но требуется компрессия и/или многокаскадная схема для высокого качества.
- Криогенные методы: дают очень чистый продукт и позволяют отделить N${}_2$; энергозатратно — оправдано при больших потоках.
Ключевые параметры: выход биометана $>96\%$ по объёму для сетевой закачки; энергозатраты на очистку обычно составляют долю от выходной энергии газа.
2) Химическое превращение метана — основные подходы и статус зрелости
- Прямое окисление в метанол (heterogeneous/biocatalytic):
- Идея: одноместное окисление CH${}_4$ до CH${}_3$OH при мягких условиях.
- Плюсы: метанол — жидкий, транспортируемый химпродукт/топливо.
- Минусы: низкая селективность, переокисление до CO${}_2$; технологии в пилот/разработке.
- Каталитический «прямой» путь к этилен/ароматам (OCM, NOCM):
- OCM (oxidative coupling of methane) даёт C${}_2$ продукты, но селективность и конверсия ограничены; коммерция отсутствует.
- Реформинг (паровой/сухой) → синтез-газ → метанол/FT-продукты:
- Реформинг: CH${}_4$ + H${}_2$O $\to$ CO + 3H${}_2$ (steam) или CH${}_4$+CO${}_2$$\to$2CO+2H${}_2$ (dry).
- Плюсы: технологически зрелый; позволяет получить широкий спектр продуктов через синтез-газ.
- Минусы: требует энергии и/или H${}_2$; CO${}_2$ и тепловые потоки.
- Пиролиз/термолиз метана → водород + твёрдый углерод:
- CH${}_4$ $\to$ C (solid) + 2H${}_2$.
- Плюсы: получение «низкоуглеродного» H${}_2$ и стабильного углеродного продукта; отсутствие CO${}_2$ при замкнутом цикле.
- Минусы: высокие температуры, управление твёрдым углеродом.
- Биотехнологические превращения (метанотрофы):
- Клеточные продукты: белок (SCP), полимеры (PHA), метаболиты; ферментация с аэробными метанотрофами.
- Плюсы: мягкие условия, производство биопродуктов высокой добавленной стоимости.
- Минусы: необходимость контроля O${}_2$/CH${}_4$ для пожаров и взрывобезопасности; скорость массовой передачи газа ограничивает масштаб.
- Электрохимические/фотокаталитические пути:
- Активно исследуются (преобразование в MeOH, спирты, H${}_2$ при низкой температуре); до коммерции далеко.
3) Экономические факторы (что влияет на выбор)
- Масштаб: мелкие установки выгодны для мембран/PSA и биотехнологий; крупные — для крио/реформинга + FT.
- CAPEX vs OPEX: аминовые/крио требуют высокий CAPEX/тепловой OPEX; мембраны/PSA — ниже CAPEX для модульных решений.
- Стоимость энергии и H${}_2$: процессы, требующие H${}_2$ (реформинг + синтез) зависят от цены H${}_2$ (особенно «зелёного» H${}_2$).
- Цена конечного продукта: биометан (RNG) оценивается по цене природного газа; метанол, H${}_2$, SCP имеют разную маржу — чем выше добавленная стоимость, тем легче оправдать дорогие процессы.
- Регулирование и субсидии: тарифы на возобновляемый газ, кредиты за сниженные выбросы, RINs/схемы ETS повышают экономику биометан/низкоуглеродных продуктов.
- Логистика и рынок: легко реализуемый продукт (газ в сеть, метанол по трубопроводам/танкерам) снижает коммерческие риски.
- Надёжность и простота эксплуатации: для аграрных биогазов предпочтительны простые, малотехнически требовательные решения.
4) Экологические факторы
- Сокращение выбросов парниковых газов: улавливание и использование CH${}_4$ критично — парниковый эффект метана: GWP${}_{20}$ $\approx 84$, GWP${}_{100}$ $\approx 28$ (IPCC). Мелкие утечки серьёзно снижают климатический выигрыш.
- Энергоэффективность и углеродный баланс: сравнивают общий CO${}_2$-эквивалент «от колыбели до колеса» для каждого пути; процессы с высокими энергозатратами или сжиганием CO${}_2$ могут уменьшать чистый эффект.
- Локальные загрязнения: аминовые системы генерируют деградационные продукты; сжигание/реформинг может давать NO${}_x$; H${}_2$S требует надёжного удаления из-за коррозии и токсичности.
- Ресурсоёмкость: водопотребление, использование редких материалов (катализаторов), утилизация твёрдого углерода.
- Кругова устойчивость: пиролиз даёт твердый углерод, который можно использовать/закопать; биоконверсии создают биоразлагаемые продукты.
5) Практические рекомендации при выборе технологии
- Для сетевого газа/закачки: мембраны/PSA/амины в зависимости от потока и стоимости энергии; целевой выход биометана $>96\%$.
- Для производства химпродуктов с высокой добавленной стоимостью (метанол, SCP): при малых-мезо масштабах — биотехнологии (метанотрофы); при крупных — реформинг + синтез (требует дешёвого/зелёного H${}_2$).
- Для низкоуглеродного водорода: пиролиз метана — перспективно при доступе к дешёвой/возобновлённой энергии и рынку для твёрдого углерода.
- Для новых прямых преобразований (метанол, этилен): следить за технологическими прорывами — на сегодня пилот/разработка.
Короткие числовые ориентиры:
- Энергетическая плотность метана: ${\text{LHV}}_{C{H}_4}\approx 50\text{MJ/kg}\approx 35.8{\text{MJ/m}}^3$ (при н.у.).
- Типичный состав биогаза: CH${}_4$ $\sim 50\%-65\%$, CO${}_2$ $\sim 35\%-50\%$.
- GWP: GWP${}_{20}$ для CH${}_4$ $\approx 84$, GWP${}_{100}$ $\approx 28$.
Вывод: выбор технологии определяется компромиссом между зрелостью процесса, его энергетической и экономической эффективностью, масштабом и требуемым продуктом, а также рисками утечек CH${}_4$ и местными экологическими ограничениями. Для большинства операторов сейчас оптимальны комбинированные решения: надежная очистка + производство биометана или интеграция с рынком H${}_2$/химпроизводством при наличии дешевого «зеленого» водорода.