En kort historia om syntesgas: från stadsgas till Fischer-Tropsch

Syntesgas (förkortning av "synthesis gas" eller "synthetic gas") har en historia som föregår oljeepoken med decennier. Under den andra hälften av 1800-talet belystes och värmdes europeiska och nordamerikanska städer av "stadsgas" (town gas), framställd från kolkarbonisering. Denna blandning av H₂, CO och CH₄ distribuerades via järnrörsnät och försåg gatlyktor, hushållsugnar och de första gasmotorerna med bränsle. Berlin, Paris, London, Milano: alla hade sina gasverk, med cylindriska gasometer med rörliga kupoler som dominerade dåtidens industrilandskap.

Under 1900-talet förde Fischer-Tropsch-processen, utvecklad i Tyskland på 1920-talet, syntesgassyntesen (producerat från kolförgasning) till en extraordinär industriell nivå: syntetiska bränslen för flygplan och militärfordon under andra världskriget. I dag studeras samma kemiska reaktion intensivt som vektor för produktion av förnybara syntetiska bränslen (e-fuels) från grönt väte och infångad CO₂.

I BioGS-1.0 är syntesgasen den mellanliggande energivektorn som omvandlar fast biomassa till elektrisk energi och värme. Den syntetiseras inte för att producera bränslen, utan används direkt som bränsle för Stirlingmotorns externa brännare.

Syntesgas vs biogas: två gaser, två processer, två användningsområden

Termerna "syntesgas" och "biogas" förväxlas ofta, men beskriver helt olika produkter och processer:

  • Biogas: produceras från anaerob rötning av organisk biomassa (flytgödsel, organiskt hushållsavfall, slam). Det är en blandning av CH₄ (50-70%) och CO₂ (30-50%), med spår av H₂S. Processen är biologisk, vid låg temperatur (35-55°C), och tar veckor. Biogas innehåller lite energi per Nm³ jämfört med naturgas.
  • Syntesgas: produceras från termokemisk förgasning av torr biomassa. Det är en blandning av CO, H₂, CH₄ och N₂, med lägre värmevärde 4-6 MJ/Nm³. Processen är termokemisk, vid hög temperatur (700-900°C), och tar bara sekunder. Den innehåller inte CO₂ i betydande mängder (den omvandlas till CO i reduktionszonen).

Syntesgasen brinner med en het och stabil flamma, lämplig för industriella brännare och gasmotorer. Biogasen, på grund av sin mer utspädda sammansättning, kräver i allmänhet uppgradering (CO₂-avlägsnande) för att nå biometankvalitet lämplig för nätet.

Sammansättningen av syntesgas producerad av BioGS-1.0

Sammansättningen av syntesgasen i utloppet från BioGS-1.0:s förgasare, mätt med kontinuerlig infraröd spektroskopi, varierar inom ett typiskt intervall (torrt, efter filtrering):

  • CO (kolmonoxid): 15-19% vol. - viktigaste energibärare, producerad i reduktionsreaktionerna
  • H₂ (väte): 13-16% vol. - högt värmevärde (285 kJ/mol), producerat från water-gas-reaktionen och sönderfallet av hemicellulosa
  • CH₄ (metan): 4-6% vol. - förekommer även efter reduktionszonen och bidrar till det totala värmevärdet
  • CO₂ (koldioxid): 14-17% vol. - produkt av partiella oxidationsreaktioner, spär ut syntesgasen utan att bidra till värmevärdet
  • N₂ (kväve): balans - härstammar från processluften; det är det viktigaste spädningsmedlet i syntesgas från luftförgasning (jämfört med syreförgasning, som producerar syntesgas med högre värmevärde men kräver mycket dyrare anläggningar)

Det lägre värmevärdet (LHV) för den producerade torra syntesgasen är typiskt 4,5-5,5 MJ/Nm³, jämfört med 36 MJ/Nm³ för naturgas.

Tjärproblemet och downdraft-lösningen

Det viktigaste tekniska problemet vid biomassaförgasning för mikrokraftvärme-tillämpningar är inte syntesgasens sammansättning i termer av CO, H₂ och CH₄; det verkliga problemet är tjäran: en komplex blandning av kondenserbara polycykliska aromatiska kolväten (naftalene, antracen, bensen, fenantren och dussintals andra föreningar) som bildas under biomassans pyrolys och följer syntesgasen som ångor vid hög temperatur.

Tjäran är inte bara en "gasförorening": det är en energigivare som, om den inte hanteras korrekt, kondenserar på systemets kalla ytor och bildar tjäravlagringar som blockerar rörledningar, smutsar ned metallväggar och blockerar rörliga delar. Tjärproblemet är historiskt sett den vanligaste orsaken till att förgasningssystem av liten skala misslyckas, system som fungerar i laboratoriet men inte klarar driftsförhållandena i en verklig installationsmiljö.

Lösningen som tillämpas i BioGS-1.0 är mångfacetterad:

  • Downdraft-geometri: syntesgasen passerar oxidationszonen (700-1000°C) där tjäran crackas termiskt. Effektiviteten hos termisk tjärkrackning i downdraft-geometri minskar tjärkoncentrationen avsevärt, från 50-150 g/Nm³ (updraft) till 0,5-5 g/Nm³.
  • Lång uppehållstid för gasen i reaktorn: syntesgasen förblir under höga temperaturförhållanden (700-1000 °C) under en längre tid (några sekunder). Detta möjliggör större effektivitet vid termisk tjärkrackning samt fullständig fortgång av reduktionsreaktionerna (Boudouard: C + CO₂ → 2CO och Water-gas: C + H₂O → CO + H₂).
  • Extern förbränning: även med god krackning kan små mängder tjäror och partiklar finnas kvar i syntesgasen. Genom att använda Stirlingmotorn sker förbränningen av syntesgasen kontinuerligt och externt till motorn, vilket omvandlar en teknologisk begränsning till ett nyttigt energibidrag. Brännaren kan på så vis optimeras för att hantera gas med lågt värmevärde (LHV), säkerställa optimal blandning av luft och bränsle och upprätthålla en stabil, kontinuerlig och välförankrad flamma.

Syntesgasen som framtidens energivektor

I det bredare sammanhanget av energiomställningen intar syntesgas från biomassa en unik strategisk position: det är den enda förnybara gasformiga energivektorn som kan produceras lokalt, utan infrastruktur för vätgaslagring och utan beroende av distributionsnät. Det kan produceras från jordbruksrester och skogsrester som annars skulle brytas ned eller brännas på fältet, med okontrollerade utsläpp.

Nuvarande forskning på större effektskala (1-10 MWe) undersöker användningen av syntesgas från biomassa för syntes av metanol, ammoniak och syntetiska bränslen (power-to-X) via Fischer-Tropsch-processen. Vid dessa skalor blir syntesgasen ett nyckelement i den förnybara kemiindustrin.

BioGS-1.0 passar in i detta scenario som byggstenen på mikronivå, distribuerad, lokal, nollinfrastruktur, som möjliggör nyttiggörande av utspridda restbiomassatyper på territoriet.