Stručná historie syntetického plynu: od městského plynu po Fischer-Tropsch

Syntetický plyn (zkratka z anglického „synthesis gas" nebo „synthetic gas") má historii, která předchází ropnou éru o desetiletí. Ve druhé polovině 19. století byla evropská a severoamerická města osvětlována a vytápěna „městským plynem" (town gas) získávaným karbonizací uhlí. Tato směs H₂, CO a CH₄ byla distribuována sítí železných potrubí, napájela pouliční lampy, domácí sporáky a první plynové motory. Berlín, Paříž, Londýn, Milán: všechna měla své plynárny s válcovými plynojemy s pohyblivou kupolí, které dominovaly průmyslovým panoramatům tehdejší doby.

Ve 20. století přivedl Fischer-Tropschův proces, vyvinutý v Německu ve 20. letech, syntézu syntetického plynu (produkovaného zplyňováním uhlí) na mimořádnou průmyslovou úroveň: syntetická paliva pro letadla a vojenská vozidla během druhé světové války. Dnes se stejná chemická reakce intenzivně studuje jako nosič pro výrobu syntetických obnovitelných paliv (e-fuels) ze zeleného vodíku a zachyceného CO₂.

V BioGS-1.0 je syntetický plyn středním energetickým nosičem, který přeměňuje pevnou biomasu na elektrickou energii a teplo. Není syntetizován pro výrobu paliv, ale využíván přímo jako palivo pro vnější hořák Stirlingova motoru.

Syntetický plyn vs. bioplyn: dva plyny, dva procesy, dvě využití

Pojmy „syntetický plyn" a „bioplyn" jsou často zaměňovány, ale popisují hluboce odlišné produkty a procesy:

  • Bioplyn: vzniká anaerobní digescí organické biomasy (živočišné odpady, bioodpad, kaly). Jde o směs CH₄ (50-70 %) a CO₂ (30-50 %) se stopami H₂S. Proces je biologický, při nízkých teplotách (35-55 °C), trvá týdny. Bioplyn obsahuje méně energie na Nm³ ve srovnání se zemním plynem.
  • Syntetický plyn: vzniká termochemickým zplyňováním suché biomasy. Jde o směs CO, H₂, CH₄ a N₂ s nižší výhřevností 4-6 MJ/Nm³. Proces je termochemický, při vysokých teplotách (700-900 °C), trvá sekundy. Neobsahuje CO₂ ve významném množství (je přeměněn na CO v redukční zóně).

Syntetický plyn hoří horkým a stabilním plamenem, vhodným pro napájení průmyslových hořáků a plynových motorů. Bioplyn díky svému ředějšímu složení obvykle vyžaduje úpravu (odstranění CO₂), aby dosáhl kvality biomethanu pro vtlačení do sítě.

Složení syntetického plynu produkovaného BioGS-1.0

Složení syntetického plynu na výstupu ze zplyňovače BioGS-1.0, měřené kontinuální infračervenou spektroskopií, se pohybuje v typickém rozsahu (v suchu, po filtraci):

  • CO (oxid uhelnatý): 15-19 % obj. - hlavní nosič energie, vzniká v redukčních reakcích
  • H₂ (vodík): 13-16 % obj. - vysoká výhřevnost (285 kJ/mol), vzniká reakcí water-gas a rozkladem hemicelulózy
  • CH₄ (metan): 4-6 % obj. - přítomný i po redukční zóně, přispívá k celkové výhřevnosti
  • CO₂ (oxid uhličitý): 14-17 % obj. - produkt reakcí částečné oxidace, ředí syntetický plyn bez příspěvku k výhřevnosti
  • N₂ (dusík): dorovnání - pochází z procesního vzduchu; je hlavním ředidlem syntetického plynu ze zplyňování vzduchem (vs. zplyňování čistým kyslíkem, které produkuje syntetický plyn s vyšší výhřevností, ale vyžaduje mnohem dražší zařízení)

Nižší výhřevnost (LHV) suchého syntetického plynu je typicky 4,5-5,5 MJ/Nm³ oproti 36 MJ/Nm³ zemního plynu.

Problém dehtu a řešení downdraft

Hlavní technický problém při zplyňování biomasy pro mikrokogenerační aplikace není složení syntetického plynu z hlediska CO, H₂ a CH₄, ale skutečný problém je dehet: komplexní směs kondenzovatelných polycyklických aromatických uhlovodíků (naftalen, antracen, benzen, fenanthren a desítky dalších sloučenin), které vznikají při pyrolýze biomasy a doprovázejí syntetický plyn jako páry při vysokých teplotách.

Dehet není jen „znečišťující látka plynu": je to energetický nosič, který, pokud není správně řízen, kondenzuje na studených površích systému a tvoří dehtové usazeniny ucpávající potrubí, znečišťující kovové povrchy a blokující pohyblivé části. Problém dehtu je historicky hlavní příčinou selhání malých zplyňovacích systémů, které fungují v laboratoři, ale nevydrží provozní podmínky reálného zařízení.

Řešení přijaté v BioGS-1.0 je vícenásobné:

  • Geometrie downdraft: syntetický plyn prochází oxidační zónou (700-1000 °C), kde je dehet tepelně crackován. Účinnost tepelného crackingu dehtu v downdraft geometrii výrazně snižuje koncentraci dehtu, z 50-150 g/Nm³ (updraft) na 0,5-5 g/Nm³.
  • Vysoká doba setrvání plynu v reaktoru: syntetický plyn zůstává při vysokoteplotních podmínkách (700-1000 °C) po delší dobu (několik sekund). To umožňuje vyšší účinnost tepelného crackingu dehtu a úplný průběh redukčních reakcí (Boudouard: C + CO₂ → 2CO a Water-gas: C + H₂O → CO + H₂).
  • Vnější spalování: i při dobrém crackingu mohou malé množství dehtu a particulate zůstat v syntetickém plynu. Použitím Stirlingova motoru probíhá spalování syntetického plynu kontinuálně a vně motoru, čímž se technologické omezení přeměňuje na užitečný energetický příspěvek. Hořák tak může být optimalizován pro zpracování plynu s nízkou výhřevností (LHV), zajistit optimální míšení vzduch-palivo a udržovat stabilní, kontinuální a dobře ukotvený plamen.

Syntetický plyn jako energetický nosič budoucnosti

V širším kontextu energetické tranzice zaujímá syntetický plyn z biomasy jedinečné strategické postavení: je jediným plynným obnovitelným energetickým nosičem vyrobitelným lokálně, bez infrastruktury pro skladování vodíku a bez závislosti na distribuční síti. Lze jej vyrábět ze zemědělských a lesních zbytků, které by se jinak rozkládaly nebo pálily v terénu s nekontrolovanými emisemi.

Současný výzkum ve větším výkonovém rozsahu (1-10 MWe) zkoumá využití syntetického plynu z biomasy pro syntézu metanolu, amoniaku a syntetických paliv (power-to-X) prostřednictvím Fischer-Tropschova procesu. V těchto měřítkách se syntetický plyn stává klíčovým prvkem obnovitelného chemického průmyslu.

BioGS-1.0 se do tohoto scénáře začleňuje jako mikro-článek, distribuovaný, místní, bez infrastruktury, který umožňuje zhodnotit zbytkové biomasy rozptýlené po území.