Анализ биогаза: чистота для энергетики

Ученые Института Пауля Шеррера (PSI) разработали новый метод анализа, способный выявлять мельчайшие примеси в биогазе. Эта разработка облегчит переход к чистой энергии, поскольку может использоваться даже небольшими биогазовыми установками без значительных затрат.

Рынок биогаза стремительно растет. В Швейцарии, например, объем биогаза, подаваемого в газовую сеть, за последние десять лет удвоился. Это, в свою очередь, увеличивает потребность в быстром и надежном измерении примесей в биогазе, ведь к этому зеленому газу предъявляются строгие требования качества.

Специалисты Центра энергетических и экологических наук PSI предложили решение этой проблемы. Разработанный ими аналитический метод позволяет одновременно определять две наиболее критичные примеси в биогазе: серные соединения и силоксаны. Результаты исследования опубликованы в журнале Progress in Energy.

По всей стране более 160 биогазовых установок производят этот ценный газовый микс из отходов, навоза и сточных вод. Кроме того, сотни очистных сооружений перерабатывают осадок сточных вод, превращая его в биогаз — подвид биогаза схожего состава.

Биогаз состоит из метана (50-75%) и углекислого газа (не менее 25%). Удаление CO2 позволяет получить биометан, пригодный для подачи в газовую сеть. Однако биогаз и, соответственно, биометан могут содержать множество примесей в концентрации всего несколько частей на миллион. "Несмотря на ничтожную концентрацию, эти примеси вызывают огромные проблемы", — отмечает Аюш Агарвал, первый автор исследования, проводивший анализ биогаза в рамках своей докторской диссертации в PSI.

Органические серные соединения являются известными загрязнителями, образующимися при разложении белков, содержащих серу. Силоксаны же — это кремнийорганические соединения, которые, например, добавляют в гели для душа для придания коже приятных ощушений. Эти силоксаны смываются в канализацию и в конечном итоге попадают в биогаз.

Чистый яд для топливных элементов

При сжигании биометана для получения энергии, например, в газовых котлах, силоксаны вступают в крайне нежелательную реакцию, образуя диоксид кремния — компонент песка и одно из самых стабильных соединений на Земле. "Это приводит к засорению горелки, из-за чего системе требуется больше энергии для нагрева того же объема воды", — объясняет Агарвал. Словно чайник с известковым налетом.

До настоящего времени силоксаны и органические серные соединения препятствовали использованию биометана в топливных элементах. Топливные элементы вырабатывают электричество из газов с высоким содержанием энергии, но серные соединения являются для них губительными. Поэтому топливные элементы пока не могут работать на биометане. Примеси также мешают процессу концентрирования биогаза до состояния биометана, который затем подается в газовую сеть. Иными словами, "даже малейшие следы силоксанов и органических серных соединений вредны".

Измерение для улучшения

В Швейцарии, как и во всей Европе, действуют строгие лимиты на содержание серных соединений и силоксанов в биогазе. Соблюдение этих лимитов — обязательное условие для подачи биометана в общественную газовую сеть и для эксплуатации биогазовых установок в качестве источника топлива.

Крупные биогазовые установки оснащены системами очистки, удаляющими нежелательные вещества из газа. Операторы используют аналитическое оборудование для измерения состава биогаза, что позволяет им оценивать эффективность своих систем очистки. Точная аналитика, таким образом, является необходимым условием для корректной работы всей биогазовой системы: "Можно улучшить что-либо только тогда, когда это можно измерить", — говорит Агарвал.

В рамках своей докторской диссертации Агарвал разработал надежный аналитический метод, способный одновременно обнаруживать силоксаны и органические серные соединения с точностью до пятнадцати частей на миллиард — это всего пятнадцать молекул примеси на миллиард молекул, поистине крошечное количество.

Ускорение энергетического перехода

Исследователи PSI также разработали практичное решение для небольших биогазовых установок, не имеющих собственных анализаторов. Образцы биогаза можно собирать с помощью мобильного устройства, растворяющего газы в жидкости. Даже следовые количества примесей остаются в жидкости по крайней мере 28 дней — этого достаточно, чтобы отправить образцы в аналитическую лабораторию для количественной оценки.

Универсальность аналитического метода обеспечивает его широкое применение по всей стране, стимулируя использование биогаза. "Это хороший пример того, как мы в PSI проводим прикладные исследования, предлагая конкретные решения актуальных проблем", — отмечает Кристиан Людвиг, также исследователь из Центра энергетических и экологических наук и соавтор исследования.

Принцип работы метода

Сначала газовый хроматограф разделяет компоненты биогаза. Затем каждый компонент регистрируется методом "индуктивно связанной плазменной масс-спектрометрии" (ICP-MS), при котором компоненты образца испаряются, распадаются на атомарные составляющие и превращаются в заряженные частицы. Наконец, масс-спектрометр регистрирует изотопы отдельных элементов и определяет их количество.

Суть метода в том, что прибор регистрирует только заранее выбранные, специфические элементы, игнорируя все остальные. Это позволяет обнаруживать серу и кремний даже в очень малых количествах, наряду с множеством других соединений, присутствующих в биогазе. "Насколько нам известно, это первый метод такого рода, позволяющий одновременно измерять серные и кремниевые соединения", — заключает Агарвал.