En kort syntesgas-historie: fra bygas til Fischer-Tropsch

Syntesgas (forkortelse af "synthesis gas" eller "synthetic gas") har en historie, der går årtier forud for oliealderen. I anden halvdel af 1800-tallet var europæiske og nordamerikanske byer oplyst og opvarmet af "bygas" (town gas), fremstillet ved forkulning af kul. Denne blanding af H₂, CO og CH₄ blev distribueret gennem jernrørsledningsnet og forsynede gadelamper, husholdningsovne og de første gasmotorer. Berlin, Paris, London, Milano: alle havde deres gasfabrikker med cylindriske gasometre med bevægelige kuppeltoppe, der dominerede datidens industrielle horisonter.

I det 20. århundrede bragte Fischer-Tropsch-processen, udviklet i Tyskland i 1920'erne, syntesen af syntesgas (produceret ved forgasning af kul) til et ekstraordinært industrielt niveau: syntetiske brændstoffer til fly og militærkøretøjer under Anden Verdenskrig. I dag studeres den samme kemiske reaktion intenst som vektor for produktion af vedvarende syntetiske brændstoffer (e-fuels) fra grønt brint og opfanget CO₂.

I BioGS-1.0 er syntesgas den mellemliggende energibærer, der omdanner fast biomasse til elektrisk energi og varme. Den syntetiseres ikke for at producere brændstoffer, men bruges direkte som brændstof til Stirlingmotorens eksterne brænder.

Syntesgas vs. biogas: to gasser, to processer, to anvendelser

Begreberne "syntesgas" og "biogas" forveksles ofte, men beskriver grundlæggende forskellige produkter og processer:

  • Biogas: fremstilles ved anaerob forgæring af organisk biomasse (husdyrgødning, bioaffald, slam). Det er en blanding af CH₄ (50-70%) og CO₂ (30-50%), med spor af H₂S. Processen er biologisk, ved lav temperatur (35-55°C), og tager uger. Biogas indeholder lidt energi pr. Nm³ sammenlignet med naturgas.
  • Syntesgas: fremstilles ved termokemisk forgasning af tør biomasse. Det er en blanding af CO, H₂, CH₄ og N₂ med en nedre brændværdi på 4-6 MJ/Nm³. Processen er termokemisk, ved høj temperatur (700-900°C), og tager få sekunder. Det indeholder ikke CO₂ i nævneværdige mængder (det omdannes til CO i reduktionszonen).

Syntesgas brænder med en varm og stabil flamme, der er velegnet til at forsyne industrielle brændere og gasmotorer. Biogas kræver generelt opgradering (fjernelse af CO₂) for at nå kvaliteten af biometan, der kan indsprøjtes i nettet.

Sammensætningen af syntesgas produceret af BioGS-1.0

Sammensætningen af syntesgas i udløbet fra BioGS-1.0-forgasseren, målt ved kontinuerlig infrarød spektroskopi, varierer inden for et typisk interval (tørbase, efter filtrering):

  • CO (kulilte): 15-19% vol. - primær energibærer, produceret i reduktionsreaktionerne
  • H₂ (brint): 13-16% vol. - høj brændværdi (285 kJ/mol), produceret ved water-gas-reaktionen og nedbrydning af hemicellulose
  • CH₄ (metan): 4-6% vol. - til stede selv efter reduktionszonen, bidrager til den samlede brændværdi
  • CO₂ (kuldioxid): 14-17% vol. - biprodukt af delvis oxidationsreaktioner, fortynder syntesgassen uden at bidrage til brændværdien
  • N₂ (kvælstof): balance - stammer fra procesluft; det er det primære fortyndingsmiddel i syntesgas fra luftforgasning (mod forgasning i rent ilt, som producerer syntesgas med højere brændværdi, men kræver langt dyrere anlæg)

Den nedre brændværdi (LHV) af den tørre producerede syntesgas er typisk 4,5-5,5 MJ/Nm³, mod 36 MJ/Nm³ for naturgas.

Tjæreproblemet og neddraft-løsningen

Det primære tekniske problem ved forgasning af biomasse til mikrokraftvarme-anvendelser er ikke sammensætningen af syntesgassen med hensyn til CO, H₂ og CH₄; det virkelige problem er tjæren: en kompleks blanding af kondenserbare polycykliske aromatiske kulbrinter (naftalen, antracen, benzen, phenanthren og snesevis af andre forbindelser), der dannes under pyrolysen af biomasse og ledsager syntesgassen som dampe ved høj temperatur.

Tjæren er ikke blot et "gasforureningsstof": det er en energibærer, der, hvis den ikke håndteres korrekt, kondenserer på systemets kolde overflader og danner tjæreagtige aflejringer, der tilstopper rørledninger, tilsmudser metalvægge og blokerer bevægelige dele. Tjæreproblemet er historisk set den primære årsag til svigt i forgasningssystemer i lille skala, som kan fungere i laboratoriet, men ikke overlever driftsbetingelserne i et anlæg i reelle omgivelser.

Løsningen i BioGS-1.0 er mangedelt:

  • Neddraft-geometri: syntesgassen passerer oxidationszonen (700-1000°C), hvor tjæren krakkes termisk. Effektiviteten af termisk tjærekrakning i neddraft-geometri reducerer tjærekoncentrationen markant, fra 50-150 g/Nm³ (opdraft) til 0,5-5 g/Nm³.
  • Høj opholdstid for gassen i reaktoren: syntesgassen forbliver under højtemperaturforhold (700-1000 °C) i en forlænget periode (nogle sekunder). Dette giver større effektivitet af termisk tjærekrakning samt fuldstændig udvikling af reduktionsreaktionerne (Boudouard: C + CO₂ → 2CO og water-gas: C + H₂O → CO + H₂).
  • Ekstern forbrænding: selv med god krakning kan små mængder tjære og partikelstof forblive i syntesgassen. Ved at anvende Stirlingmotoren foregår forbrændingen af syntesgas kontinuerligt og eksternt til selve motoren, og et teknologisk begrænsning omdannes til et nyttigt energibidrag. Brænderen kan dermed optimeres til at håndtere gas med lav brændværdi (LHV), sikre optimal luft-brændstofblanding og opretholde en stabil, kontinuerlig og velforankret flamme.

Syntesgas som fremtidens energibærer

I den bredere kontekst af energiomstillingen indtager syntesgas fra biomasse en unik strategisk position: det er den eneste vedvarende gasformige energibærer, der kan produceres lokalt uden brintlagerinfrastruktur og uden afhængighed af distributionsnet. Det kan produceres fra landbrugs- og skovbringsrester, der ellers ville nedbrydes eller afbrændes på marken med ukontrollerede emissioner.

Den aktuelle forskning på større effektskalaer (1-10 MWe) udforsker anvendelsen af syntesgas fra biomasse til syntese af methanol, ammoniak og syntetiske brændstoffer (power-to-X) via Fischer-Tropsch-processen. På disse skalaer bliver syntesgas et nøgleelement i den vedvarende kemiske industri.

BioGS-1.0 indpasser sig i dette scenarie som byggeklodsen i mikro-skala, distribueret, lokal, nulinfrastruktur, der muliggør nyttiggørelse af diffuse resterende biomasser i hele landet.