Vid avloppsreningsverk finns vissa möjligheter att producera vätgas. Det kan ske genom elektrolys av avloppsvatten, mikrobiella bränsleceller, omvandling av rötgas (metaninnehållet) och förgasning av slam. I en rötkammare kan under speciella betingelser även inmatad vätgas överföras till metan. Alla metoderna har för- och nackdelar, som måste lösas innan drift i full skala kan bli allmänt förekommande.
Av: Hans Holmström
Enligt en EU-plan ska inom unionen inget mer nettobidrag av växthusgaser ske efter år 2050. Det betyder bland annat att efter detta år ska inte någon el-produktion ske genom förbränning av kol. Istället ska förnybara energikällor användas för detta syfte.
Produktion av vätgas kan vara en metod att utjämna energibehovet över tid. Den tyska regeringen antog år 2020 en nationell ”vätgasstrategi”, där endast så kallad grön vätgas från varaktiga och förnybara energikällor får ingå.
Avloppsreningsverk kan få en viktig roll för vätgasproduktion av följande orsaker:
- Reningsverk finns utspridda över hela landet och är vanligen lokaliserade till platser som inte ligger i direkt anslutning till bostäder.
- Tekniskt kunnig personal inom gasområdet finns redan på plats.
- Säkerheten är normalt hög vid anläggningarna.
- Det kan finnas möjligheter att på plats utnyttja biprodukter från vätgasproduktion, t ex syrgas från elektrolys.
- Energi finns redan på plats, t ex för elektrolys.
- Tillgång finns till flöden som innehåller kol och väte.
- Det kan finnas samordningsvinster med lokala energiproducenter.
I Tyskland finns över 9000 kommunala avloppsreningsverk med en sammanlagd kapacitet på ca 152 x 106 personekvivalenter (pe). Av dessa kan ca 2 000 anläggningar vara intressanta för vätgasproduktion.
Metoder för tillverkning av vätgas vid avloppsreningsverk
Elektrolys
Vid elektrolys av vatten bildas syre och vätgas. Mellan två elektroder läggs en elektrisk spänning så att en ström flyter genom den elektriskt ledande vätskan (här avloppsvatten). Det finns två typer av elektrolysanordningar för storskalig produktion av vät- och syrgas: Alkalielektrolys och PEM-elektrolys (proton exchange membrane). Reaktionerna vid anod och katod är olika för de två metoderna. En modul med alkalielektrolys eller PEM-elektrolys kan matas med elektriska effekter på upp till 130 MW respektive 6 MW.
El-matningen bör ske med grön el och inte med grå el (från naturgas). Grön el kommer från sol, vind, slamförbränning och rötgasdrivna el-generatorer. Till grön el räknas tydligen i Tyskland också överskottsel från den lokale energileverantören.
Producerad vätgas från ett avloppsreningsverk kan användas för många syften:
- Mellanlagras för senare behov.
- Matas in i befintligt gasnät.
- Producera el via bränsleceller, gasturbiner eller gasgeneratorer.
- Användas som drivmedel för olika typer av fordon.
- Omvandlas till andra produkter (se nedan).
Syret från elektrolysen kan användas som syrekälla i ett biologiskt reningssteg eller för att tillverka ozon för nedbrytning av mikroföroreningar. Av 1 kW el till en elektrolys bildas ca 0,1 kg O2/h. Ett avloppsreningsverk med ett högsta syrebehov på 45 kg/h (ca 10 000 pe) behöver ca 450 kW till elektrolysen för att täcka den biologiska reningens syrebehov med aktivt slam. Användning av ren syrgas i ett befintligt biosteg kräver dock omfattande ombyggnationer. Lokal produktion av ozon rekommenderas istället som en bättre användning av syret från elektrolysen. Ozon kan även tillverkas på plats direkt från luft. Med ren syrgas som syrekälla erhålls dock både högre ozonhalt i avloppsvattnet och bättre energiutbyte.
Exempel: Reningsverket i Mainz påbörjade 2021 planering och installation av en elektrolysanläggning på 1,25 MW i kombination med ett reningssteg för behandling av mikroföroreningar. Detta fjärde reningssteg består av ozonreaktorer i serie med kolfilter. El-försörjningen av elektrolysen ska ske med förnybar el och överskottsel från det lokala nätet. Bildad vätgas ska i början matas in i det befintliga gasnätet, men på sikt även kunna användas som drivmedel för fordon. Det finns i anläggningen två lagringstankar för vätgas på vardera 115 m³. Syrgasen ska först torkas och sedan lagras i en lika stor behållare (115 m³) innan ozonproduktion sker.
Mikrobiella elektrolysceller (MEC)
Vätgas kan bildas av mikrobiella elektrolysceller (MEC), som kan ses som en vidareutveckling av mikrobiella bränsleceller (MBC). I en MBC överför elektroaktiva bakterier under anaeroba förhållanden de i avloppsvattnet ingående kolväteföreningarna till koldioxid, elektroner och protoner. Elektronerna strömmar till en anod, som med en strömkrets är ansluten till en katod i bränslecellens aeroba del. Där reagerar vid anoden de redan bildade protonerna och elektronerna med luftsyre till vatten. Potentialskillnaden mellan anod och katod ger upphov till en elektrisk ström. Begränsande faktorer för en MBC är den relativt stora reaktorvolymen (> 100 l/p) och beläggningar på katoden, där syre reduceras.
I en mikrobiell elektrolyscell (MEC) läggs istället en spänning över anod och katod. Det medför att katoden reducerar protoner och vätgas bildas. Energibehovet blir härigenom ca 50 % lägre än för konventionell elektrolys. Orsaken är att en del av energin kommer från avloppsvattnet och att syrebehovet bortfaller. En MBC kan fungera som energikälla för en MEC. Det är ingen påtaglig skillnad mellan elektroderna i en MBC och en MEC. Ett stort antal forskningsprojekt om MBC och MEC i kombination med rening av avloppsvatten pågår i Tyskland. Inga större pilotanläggningar verkar dock ännu finnas.
Omvandling av rötgas till vätgas
Kommersiell storskalig produktion av vätgas sker genom tillförsel av vattenånga till kolväten vid en temperatur på 800 – 900 oC. En katalysator används vanligen för att påskynda processen. Slutprodukter blir koldioxid och vätgas.
Metaninnehållet i rötgas från rötning av slam kan på liknande sätt överföras till samma slutprodukter. Normalt används i detta fall nickel som katalysator vid en temperatur på ca 850 oC. Rötgasen bör först avsvavlas, tryckhöjas och filtreras genom aktivt kol innan omvandlingsprocessen påbörjas. Bildad vätgas kan separeras från koldioxiden genom så kallad tryckväxeladsorption (PSA).
Exempel: Under åren 2009 – 2011 överfördes rötgas till vätgas och koldioxid i en stor pilotanläggning i Bottrop. Den delström av rötgas som användes i pilotanläggningen uppgraderades först till naturgaskvalitet. Den producerade vätgasen användes för att driva en gasgenerator, som i sin tur alstrade el och värme.
Förgasning av slam
Rötat avloppsslam kan användas för att producera vätgas. I en reaktor förgasas då slam med vattenånga vid en temperatur på ca 850 oC. Vid processen bildas huvudsakligen gasformiga ämnen som kolmonoxid, koldioxid, vattenånga och metan samt aska och koks. De fasta ämnena avskiljs från gasfasen och bränns sedan i en ugn vid en temperatur på minst 950 oC. Huvuddelen av den bildade askan återförs som värmekälla till förgasningsenheten, medan återstoden tas ut som överskottsaska.
Gasfasen innehåller flera oönskade ämnen, t ex tjära och kolmonoxid, som måste tas bort. För att erhålla ett bra utbyte av vätgas bör även kvarvarande metan omvandlas till koldioxid och vätgas på samma sätt som med rötgas som ursprungskälla (se ovan). Vattenånga kan kondenseras ut genom avkylning. Gasen består nu nästan enbart av koldioxid och vätgas. Med en PSA-enhet (se ovan) separeras slutligen vätgas från gasblandningen. Överbliven aska har en sammansättning som liknar aska från monoförbränning av slam. Askan kan deponeras eller eventuellt användas för återvinning av fosfor om fosforinnehållet är tillräckligt högt.
Exempel: Det finns tre referensanläggningar i Tyskland som förgasar torkat rötslam: Balingen, Mannheim och Koblenz. I dessa används dock luft istället för vattenånga som förgasningsmedel. Det förenklar processen, men späder ut vätgasen med luftens kväve. Det medför att slutprodukten inte blir så attraktiv. Det finns ännu inga stora anläggningar för slamförgasning i Tyskland som använder vattenånga.
Användning av vätgas från reningsverk
Vätgas kan enkelt användas som primär energikälla eller tillföras ett naturgasnät om ett sådant finns i närheten. I vissa fall kan det eventuellt vara intressant att kombinera vätgas och koldioxid till energirika föreningar som metan eller metanol. Koldioxid till detta kan på ett avloppsreningsverk erhållas från rötgas eller förbränningsavgaser.
Det finns även en metod att bilda metan från vätgas som tillförs en rötkammare med särskilt för uppgiften adapterade mekanismer vid en temperatur på 40 – 70 oC. För- och nackdelar uppges vara:
+ Låg reaktortemperatur.
+ Låga kostnader för rening av elektrolytiskt bildad vätgas och även för utgående gas från rötkammaren.
+ Processen är inte så känslig för spårämnen i gasen såsom svavel, syre och ammoniak.
+ Processen klarar varierande belastningar väl, eftersom den mikrobiella omvandlingen från vätgas till metan är snabb och flexibel.
– Större reaktorvolymer krävs än för katalytisk metanbildning.
– Metanutbytet är relativt lågt.
– Erfarenheter från storskalig drift är sparsamma.
– Vätgas löser sig dåligt i vatten och rötslam, vilket försämrar den mikrobiella omvandlingen.
Exempel 1: Vid reningsverket Schwandorf-Wackersdorf har vätgas tillförts direkt till en rötkammare. Det visade sig dock att en stor andel av vätgasen inte var tillgänglig för mikrobiell omvandling. Med en mindre separat efterrötkammare som hade en arbetstemperatur på 70 oC blev utbytet klart bättre. Bildad metangas tillfördes sedan det lokala gasnätet utan någon större reningsåtgärd.
Exempel 2: I Köpenhamn (Avedöre ARV) har vätgas överförts till metan i stor skala i en rötkammare. Metanproduktionen låg på ca 1200 m3/d.
Exempel 3: I Zurich (Dietikon ARV) sker samma process från början av år 2022. Vätgasen produceras genom elektrolys av avloppsvatten med en inmatad elektrisk effekt på 2,5 MW.
Lagring och transport av vätgas kräver stora volymer och är även förknippad med vissa risker. Ett sätt att minska dessa problem kan vara att omvandla vätgasen till metanol, som enklare kan hanteras med befintlig infrastruktur.
Exempel: I en pilotanläggning vid reningsverket Emschermundung skedde under åren 2015 – 2019 metanolproduktion med vätgas och koldioxid. Försöken visade att förväntade resultat baserade på litteraturuppgifter nästan kunde uppnås. Det bör därför vara möjligt att på sikt realisera denna metod i full skala om behov finns.
Källa: DWA arbetsgrupp EK-7.1 (2022): Wasserstoff trifft Abwasser, Korrespondenz Abwasser, nr 7/22, sid 597 – 605.
