Reforming parowy biogazu i biometanu do wodoru: bilans, CO₂ i dojrzałość

Reforming parowy metanu (SMR, steam methane reforming) to najczęściej stosowana na świecie metoda produkcji wodoru z gazu ziemnego. Można go zastosować także do biometanu lub oczyszczonego biogazu: metan reaguje z parą wodną w temperaturze rzędu 700–900°C na katalizatorze niklowym, dając mieszaninę wodoru i tlenku węgla (gaz syntezowy), z której po konwersji CO i oczyszczeniu uzyskuje się wodór. Jeśli surowcem jest zrównoważony biometan, CO₂ powstający w procesie ma pochodzenie biogeniczne, a wodór może mieć znacznie niższy ślad węglowy niż wodór z gazu kopalnego. Technologia reformingu jest dojrzała, natomiast jej zastosowanie do małoskalowych źródeł biogazu pozostaje w fazie demonstracji.

Reakcje

1. Reforming: CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (endotermiczna, ΔH ≈ +206 kJ/mol; wymaga ciepła).
2. Konwersja CO (water-gas shift): CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (lekko egzotermiczna).
3. Sumarycznie: CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂.

Stechiometria: z 16 g CH₄ powstaje 8 g H₂, czyli z 1 kg metanu – maksymalnie ok. 0,5 kg wodoru i 2,75 kg CO₂ (z reakcji sumarycznej). Dodatkowe CO₂ pochodzi ze spalania paliwa dostarczającego ciepło do reakcji endotermicznej.

Ciąg technologiczny

• Oczyszczanie surowca: usunięcie siarki (zatruwa katalizator), halogenków, siloksanów.
• Reaktor reformingu z katalizatorem Ni, piec z palnikami.
• Reaktor konwersji CO (jedno- lub dwustopniowy).
• Oczyszczanie wodoru: najczęściej PSA do czystości >99,9%.
• Zagospodarowanie gazu odpadowego (tail gas) – często zawracany do palników.
• Opcjonalnie wychwyt CO₂ z gazu syntezowego lub z spalin.

Bilans energii i masy (przykład)

Założenia: sprawność energetyczna (energia H₂ w LHV / energia metanu w LHV) 70% (wartość typowa dla instalacji przemysłowych w większej skali, w małych często niższa), LHV wodoru 33,3 kWh/kg, LHV metanu 13,9 kWh/kg. Zapotrzebowanie metanu na 1 kg H₂: 33,3 / (0,70 × 13,9) ≈ 3,4 kg CH₄ (ok. 4,8 m³). Dla instalacji produkującej 100 kg H₂/h potrzeba więc ok. 340 kg CH₄/h (ok. 480 m³/h). Taka ilość odpowiada biometanowni o średniej wielkości. Emisje CO₂ z procesu to ok. 3,4 × 2,75 ≈ 9,4 kg CO₂/kg H₂ (z całości węgla w metanie), co odpowiada rzędowi wielkości emisji wodoru z gazu ziemnego (ok. 9–10 kg CO₂/kg H₂ według literatury). W przypadku biometanu CO₂ ma pochodzenie biogeniczne.

Biogaz bezpośrednio

Zamiast uszlachetniać biogaz do biometanu, można go reformować bezpośrednio: CO₂ w biogazie jest obecne od początku i bierze udział w tzw. reformingu suchym lub mieszanym. Prowadzi to do uproszczenia (brak uszlachetniania), ale wymaga rozwiązań odpornych na zanieczyszczenia i zmienny skład. Takie instalacje są w fazie badań i pilotaży.

Ślad węglowy

W zależności od źródła metanu i obecności wychwytu CO₂ ślad węglowy wodoru może wynosić od wartości zbliżonych do gazu kopalnego (gdy surowiec jest kopalny, bez wychwytu) po bardzo niskie lub ujemne (biometan z gnojowicy z wychwytem CO₂). W prawie UE wodór z biomasy podlega zasadom dla paliw z biomasy (kryteria zrównoważonego rozwoju), nie zaś zasadom dla paliw odnawialnych pochodzenia niebiologicznego. Nie wolno mylić „zielonego wodoru” (elektrolityczny z OZE) z wodorem z biometanu.

Ekonomika i skala

Reforming jest bardziej opłacalny w dużej skali, gdzie koszty stałe rozkładają się na duże ilości wodoru. W małych instalacjach rolniczych koszt jednostkowy wzrasta, a dodatkowo trzeba dołożyć oczyszczanie, sprężanie i dystrybucję wodoru. Z tego powodu realne zastosowania w najbliższych latach to zakłady z istniejącym zapotrzebowaniem na wodór i dostępem do większych ilości biometanu.

Zalety i wady

Zalety: dojrzała technologia, wysoka sprawność, możliwość integracji z wychwytem CO₂, wykorzystanie istniejącej infrastruktury gazowej.

Wady: zużycie biometanu, który ma też inne zastosowania; emisje CO₂ bez wychwytu; konieczność oczyszczania surowca; złożoność przy małej skali.

Czego unikać w ocenie projektów

Przy analizie ofert reformingu warto sprawdzić, czy deklarowana sprawność dotyczy całego układu (z oczyszczaniem, sprężaniem i zagospodarowaniem gazu odpadowego), jaki jest zakres obciążenia i czas rozruchu oraz jak zagospodarowywany jest CO₂. Częstym uproszczeniem jest pominięcie energii na sprężanie wodoru do ciśnień transportowych (kilkaset bar), która może dodać kilka–kilkanaście procent energii zawartej w wodorze. Podobnie trzeba doliczyć zużycie wody procesowej i prądu pomocniczego.

Podsumowanie

Reforming biometanu jest najbliższą rynkowo drogą do wodoru z biomasy, ale trzeba pamiętać, że zużywa cenny nośnik energii. Uzasadnia go przede wszystkim lokalne zapotrzebowanie na wodór i możliwość zagospodarowania CO₂.