清洁沼气，实现成功的能源转型

来源：Paul Scherrer Institut（PSI）

PSI研究人员已经在卢塞恩附近的沼气厂建立了营地。他们正在研究草地和巨大的发酵罐之间如何从沼气中去除杂质，以使这种能源更加有用。

一辆奶罐车驶入卢塞恩以北十公里处的瑞士农民电力因维尔（SFPI）的厂房。驾驶员下车，将软管夹在车辆上，然后开始将乳制品废物泵入储罐。整个过程中，一台前端装载机正在仓库中运送新鲜的猪粪。那里还堆积着小麦糠和成袋的过期奶粉。所有这些都是因维尔（Inwil）沼气厂重要员工的饲料：发酵罐中的微生物，其体积超过一千立方米。这些细菌消化有机原料，并用它生产沼气等。这种宝贵的能源主要由甲烷构成，甲烷是天然气的主要成分。

在瑞士，生物垃圾的累积量每年超过130万吨。在该国的一百多家沼气厂中，沼气的年产量超过400吉瓦时。仅瑞士农民电力Inwil就能产生30吉瓦时。产生的生物甲烷气通过不起眼的10厘米厚的管道直接供入天然气网络。作为比较：2018年，瑞士的天然气销售量约为37,000吉瓦时。

供入燃气网络的生物甲烷必须遵守严格的质量标准：例如，在瑞士，生物甲烷必须包含至少96％的甲烷，不超过2％的氢气和百万分之五的硫化氢。为了使沼气适合进入网络，该公司先用活性炭净化沼气。然后除去构成沼气30％至50％的二氧化碳。这通过所谓的胺洗涤完成：沼气通过的化学洗涤溶液会结合CO2，从而将其与其余部分分离。

硫必须被去除

PSI研究人员希望将来可以将原始沼气更有效地用于能源转换。但是，沼气还包含许多其他杂质，这些杂质可能对将来的应用很重要。因此，目的是精确地分析原始沼气的成分，并尽可能经济有效地去除哪怕是很小数量的污染物。

工程师兼PSI小组负责人Serge Biollaz说：“有机硫化合物使我们非常头疼。”当细菌分解含有硫原子的蛋白质时，就会形成这些化合物以及硫化氢。到目前为止，这些和其他污染物还阻止了沼气在燃料电池中的使用。燃料电池从氢或甲烷等能量丰富的气体中发电。但是硫化合物对他们来说是纯毒药。这就是为什么燃料电池目前无法使用沼气（Inwil生产的沼气）运行的原因。

Biollaz说：“我们想在现场就如何获得足够清洁的沼气以解决各种最终用途的问题。在这种情况下，它对于燃料电池应该足够纯净。” ESI平台的一部分，最多可容纳百万分之二的硫化合物，这只是SFPI馈入天然气网络的生物甲烷中允许排放的十分之一。系统集成已运至Inwil，该PSI实验平台使研究人员能够研究可再生能源替代方案的所有复杂相互作用。

在SFPI站点上建立了一个装有Cosyma研究系统的容器，另一个容器旁边装有气体分析测量设备。 “这从一开始就是ESI概念的一部分，” Biollaz解释说。 “正是出于这个原因，各个模块被精确地存储在容器中，以便可以灵活地在现场使用，就像2017年在苏黎世的Werdhölzli发酵和污水处理厂那样。”

沼气厂如何受益

与苏黎世ETH旗下的初创企业UniSieve一起，Inwil的PSI研究人员也在测试一种新的分离方法来去除沼气中的二氧化碳：UniSieve的一种新型膜有望根据二氧化碳和甲烷不同的分子大小（比如筛子）将其分离。如果这在实践中也能奏效，它将进一步降低生产生物甲烷气的成本。

发酵罐中的细菌有许多不同的发酵基质。因此，沼气的成分变化很大也就不足为奇了。”SFPI的董事总经理Philip Gassner解释说：根据日常条件和细菌的喂养方式，沼气可能首先含有过多的二氧化碳，然后又含有过多的硫化氢。

“如果生物甲烷的质量不能满足供应要求，阀门就会自动关闭，我们就不能再向天然气网络输送了，”Gassner说但是生物还在继续，”那么SFPI别无选择，只能燃烧宝贵的生物甲烷。这是因为决不能让甲烷进入大气：它对气候的破坏比燃烧时产生的二氧化碳还要严重。”我们希望在PSI研究人员的帮助下，更好地了解我们的沼气在形成和加工过程中发生了什么。”这最终将使该国所有的沼气厂受益。

从实验室到现实生活

Serge Biollaz进入SFPI地面上两个ESI容器中的第一个。在这里，沼气流经两个反应器，一个接一个。在第一个反应器中，硫化氢和萜烯一起被除去，萜烯是天然的碳氢化合物。包括二甲基硫化物在内的有机硫化合物，据Biollaz说，“会引起很多问题，很难去除”，应该在第二个反应器中消除。二甲基硫化物是地球上非常普遍的化合物，因为它也是由海洋中的浮游植物形成的。这种硫化合物也是燃料电池的纯毒药。

沼气甚至应该足够干净，可以用来做燃料电池。

Serge Biollaz，PSI生物能源与催化实验室工程师

在PSI的实验室里，研究人员多年来一直与工业伙伴合作，详细寻找潜在合适的吸附剂，这些吸附剂在去除杂质和捕捉尽可能广泛的污染物方面特别有效。”我们不想在每个站点从头开始，”Biollaz解释道。在Inwil工作的，也应该在瑞士的其他沼气厂和不同的沼气成分中起作用。研究人员目前正在测试一种沸石，一种多孔硅铝材料，可以吸收并保持有机硫化合物。

在实验室和ESI平台上，没有真正的沼气可供研究人员使用。相反，他们将瓶装气体混合在一起，形成一种尽可能接近真实气体的混合物。”当然，这与实际运行的沼气厂所能提供的有所不同。“因维尔的情况很特殊，因为这种植物能转化很多不同的基质，”朱利安·因德莱科弗说，他是比奥拉兹小组的一名成员，他也在因威尔进行实地测量。根据他们在这里获得的见解，研究人员希望优化沼气的净化，使其清洁到足以制造燃料电池的程度。

文本：Brigitte Osterath

原文网址：https://www.psi.ch/en/media/our-research/clean-biogas-for-a-successful-energy-transition

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