Mikrobiális algák és makroalgák biogáz termelése: A természetes gáz előállítása új technológiákkal

A mikrobiális algák és makroalgák biogáz termelése az egyik legígéretesebb alternatív energiaforrás. A biogáz előállítása e biomasszákból lehetővé teszi az energiaszükségletek kielégítését, miközben csökkenti a környezetre gyakorolt hatást. Az algák különböző fajtái, mint a Chlorella és a Spirulina, jelentős figyelmet kaptak a bioenergia termelésének területén, mivel különféle környezeti és kémiai stressz hatására képesek optimálisan fejlődni, miközben gazdagok különböző biológiai komponensekben, mint a szénhidrátok, lipidek és fehérjék.

A különböző algafajták növekedése és biokémiai összetétele változhat az alkalmazott hőmérséklet, pH, szén-dioxid és egyéb tényezők hatására. A Chaetoceros és a Tetraselmis suecica típusú algák például különösen jól reagálnak az ilyen környezeti változásokra, miközben egyes algák, mint a Dunaliella bardawil, képesek magas minőségű biológiai anyagokat termelni, melyek fontos szerepet játszanak a biogáz előállításban.

Az anaerob emésztés, azaz az algák fermentációja oxigén jelenléte nélkül, kulcsfontosságú szerepet játszik ebben a folyamatban. A kétfázisú fermentációs rendszer egyre nagyobb figyelmet kap, amely javítja a biogáz és a biohidrogén előállítását a mikroalgákból. Ez a folyamat a magas hatékonyságú biogáz termelést lehetővé teszi, miközben elősegíti az alga biomassza fenntartható hasznosítását. A különféle algafajták, mint a Laminaria digitata vagy a Taihu blue algae, alkalmasak arra, hogy a hulladékanyagokkal együtt anaerob környezetben dolgozzanak, fokozva ezzel a biogáz termelés hatékonyságát.

A biogáz mellett egyre nagyobb figyelmet kap a szuperkritikus víz gázosítás (SCWG) alkalmazása, amely magas hőmérséklet és nyomás alatt képes a mikroalgák biomasszáját szintetikus gázokká alakítani. Az SCWG alkalmazása különösen ígéretes, mivel lehetővé teszi a különböző algák – mint például a Nannochloropsis oculata – gyors és hatékony feldolgozását, miközben minimalizálja a környezeti hatásokat. A kutatások folyamatosan vizsgálják a különféle katalizátorok hatását, amelyek elősegíthetik a gázosítási reakciókat, javítva ezzel a gazdaságosságot.

Ezen kívül az algák biogáz előállításra történő alkalmazása segíthet abban is, hogy a víz alatti környezetet, például a tó- és tengeri ökoszisztémákat, fenntartható módon hasznosítsák. Az algák biotechnológiai és környezeti szerepe így nemcsak az energiatermelés szempontjából válik egyre fontosabbá, hanem segíthet a víz- és talajminőség javításában is.

Az algák biogáz termelésére való alkalmazása tehát nemcsak a bioenergia szektor fejlődését szolgálja, hanem hozzájárulhat a fenntartható energetikai rendszerek kialakításához, segítve az átmenetet a fosszilis energiaforrásoktól a megújuló, környezetbarát alternatívák felé.

A földgáz szerepe a globális energiatermelésben és az új technológiák hatása

A földgáz globális fogyasztása az elmúlt évtizedekben folyamatosan növekedett, és 2018-ban az Egyesült Államokban például 10%-os emelkedést tapasztaltak, amely a leggyorsabb növekedés volt az előző 30 évben. Az emelkedés fő oka a villamos energia termelésének növekedése volt, különösen az új gázüzemű erőművek telepítése révén, amelyek összesen 15 GW új kapacitást adtak a rendszerhez. Emellett az építkezések fokozódása és a szénről földgázra történő átállás a fűtés és energiaiparban szintén hozzájárultak a gázfogyasztás növekedéséhez.

Kína, mint a világ egyik legnagyobb energiát fogyasztó országai közé tartozik, szintén jelentős növekedést mutatott a gázfogyasztásában (18%-os növekedés). A földgáz iránti kereslet növekedése itt részben annak köszönhető, hogy az ország a szénről földgázra váltott az energia- és fűtési szektorban, mivel a gázkibocsátás csökkentése érdekében egyre inkább a tisztább energiaforrások felé terelte a gazdasági fejlődését. Az Egyesült Államok és Kína mellett Dél-Korea és India is tapasztalták a gázfogyasztás növekedését, míg Japánban a gázfelhasználás csökkent, mivel az atomreaktorokat újra üzembe helyezték, így a gáz alapú energiaigény visszaesett. Oroszországban is fokozatosan nőtt a gázfelhasználás, ami részben a gazdasági fejlődéshez és az ipari energiaigényekhez kapcsolódik.

A földgáz globális kereslete várhatóan 2020-ra 153 Tcf-ra (trillion köbméter) emelkedik, 2025-re pedig 176 Tcf-ra. A jelenlegi gázkészletek körülbelül 6923 Tcf-ra becsülhetők, míg az éves gázfogyasztás 132,29 billió köbméter, azaz napi 48 köbméter/fő. A földgáz használata 1995 óta folyamatosan nőtt, 2020-ra elérve a 30,5 Tcf-ot. A gázfogyasztás a különböző országokban eltérő ütemben és mértékben alakult. A világ legnagyobb gázfogyasztó országait egy táblázatban összegzik, ahol az Egyesült Államok az első, Oroszország és Kína a második és harmadik helyet foglalja el.

A földgáz kitermelése többféle módszerrel történik, és ezek között az egyik legelterjedtebb a vertikális és horizontális fúrás, illetve a hidraulikus repesztés. A vertikális fúrás során azokat a területeket célozzák meg, ahol a földgáz közvetlenül a felszín közelében található. A fúrás egyenesen lefelé történik, ahol a gáztartalékok elérhetők a permeábilis kőzetrétegekben. Az ilyen típusú kitermelés előnye, hogy gyorsan és egyszerűen elérhetők a gázlelőhelyek, különösen sekélyebb rétegek esetében.

A horizontális fúrás technológia az Egyesült Államokban vált széles körben elterjedté az 1980-as évek közepén, és azóta világszerte alkalmazzák. Ennek lényege, hogy a fúrófej egy meghatározott mélység elérése után vízszintesen elhajlik, lehetővé téve a nagyobb területek gyorsabb feltárását és a gáztartalékok hatékonyabb elérését. A horizontális fúrás alkalmazása az Egyesült Államokban 2021-ben a teljes fúrások 81%-át tette ki, míg a vertikális fúrások csak 19%-ot képviseltek.

A hidraulikus repesztés, vagy fracking, egy másik kulcsfontosságú módszer, amelyet különösen a nehezen hozzáférhető, sűrű vagy szoros kőzetrétegekben alkalmaznak. Ezzel a módszerrel a gáz vagy olaj a kőzetekből szabadul fel, amelyek a hagyományos módszerekkel nem voltak gazdaságosan kitermelhetők. A repesztési folyamat során nagy nyomású folyadékot pumpálnak a mélybe, hogy megrepesztse a kőzetet és lehetővé tegye a gáz áramlását a fúrásba. Ez a módszer sokáig vitatott volt a környezeti hatásai miatt, de napjainkban elengedhetetlen a földgáz kitermelésében, különösen az Egyesült Államokban.

A földgáz feldolgozása a kitermelés után kezdődik. Az első lépés az úgynevezett "wellhead" feldolgozás, ahol a nyers földgáz összegyűjtése és tisztítása történik. A kitermelt földgáz összetétele az adott lelőhely geológiájától függően változik, és gyakran tartalmaz kisebb szénhidrogén-molekulákat is, amelyek folyékony halmazállapotba kerülnek, ha az atmoszférikus nyomás alatt vannak. Ezeket a folyékony szénhidrogéneket kondenzátumoknak vagy természetes gáz folyadékoknak (NGL) nevezik.

A gázfeldolgozás során különféle tisztítási lépéseket kell elvégezni: eltávolítják a vízet, a ként, a szén-dioxidot, a héliumot és egyéb szennyező anyagokat. A feldolgozás célja, hogy a nyers földgázt minőségileg alkalmassá tegyék a vezetékrendszerekbe való szállításra. Ehhez gyakran hőcserélők és szűrőberendezések alkalmazására van szükség, amelyek eltávolítják a vízgőzt és egyéb szennyező anyagokat, amelyek jégkristályokat alkothatnak és eltömíthetik a csöveket. A csővezetékek rendszerint a természetes gáz feldolgozó telephelyekhez csatlakoznak, ahol a további tisztítást és feldolgozást végzik.

A földgáz kitermelése és feldolgozása tehát számos lépésből áll, és a világ legnagyobb gázfogyasztó országai, mint az Egyesült Államok, Oroszország, és Kína, mindegyike különféle módszereket és technológiai innovációkat alkalmaz a gazdaságos és hatékony földgáz kitermelés és feldolgozás érdekében. Az új technológiai vívmányok, mint a horizontális fúrás és a hidraulikus repesztés, továbbra is alapvetően meghatározzák a földgázpiac működését és a globális gázellátás jövőjét.

Hogyan alakítja a földgáz a különböző iparágakat és a mindennapi életet?

A fémiparban a vas és annak ötvözetei, mint például a kohászat és az acélgyártás, alapvetően földgázt igényelnek a hőkezelési eljárásokhoz. A földgáz alkalmazása nemcsak az ötvözetek előállításában kulcsfontosságú, hanem a kerámiák, üvegek és más művészeti termékek előállításánál is, mivel a gázt használják a kemencékben történő gyors szárításhoz és főzéshez. A gyors szárítás lehetővé teszi a termelési idő jelentős csökkentését, így gazdaságosabbá téve a gyártást.

A mezőgazdaság sem marad el, hiszen a műtrágyák előállítása a legnagyobb mértékben földgázra épít. A földgáz az alapvető kémiai reakciókat biztosítja, amelyek lehetővé teszik a gazdák számára a termények, például gyümölcsök és zöldségek termesztését, amelyek aztán a helyi szupermarketek polcaira kerülnek.

A hidrogén ipari előállítása is földgázra épít, amelyet különböző iparágakban használnak fel. Ezen kívül a földgáz alapvető szerepet játszik az autóiparban is, hiszen a járművek üzemanyagaként szolgálhat. A sűrített földgáz (CNG) és a cseppfolyósított földgáz (LNG) a két legismertebb típus, melyek környezetbarát alternatívát kínálnak a hagyományos benzin és dízel helyett. Az autók üzemeltetése mellett a CNG és az LNG segítségével a közlekedési szektor is jelentős mértékben hozzájárul a károsanyag-kibocsátás csökkentéséhez.

A háztartások és a kereskedelmi szektor számára a földgáz biztosítja a legpraktikusabb energiaforrást. Az otthoni főzés, fűtés és melegvíz-ellátás számára a földgáz nemcsak tiszta, hanem gazdaságos is. A jövőbeli előrejelzések szerint a lakossági gázfelhasználás 2020-ra 30%-kal emelkedik. Az éttermek, szállodák, iskolák és egyéb kereskedelmi egységek számára a földgáz szintén alapvető szerepet játszik. A gázüzemű főzőkészülékek az éttermekben és szállodákban lehetővé teszik a gyors és pontos hőmérséklet-szabályozást, ami elengedhetetlen a nagy mennyiségű étel gyors elkészítéséhez. A földgáz ezen kívül tisztább, mint más üzemanyagok, így csökkenti a szén-dioxid-kibocsátást, és hozzájárul az egészségesebb környezethez.

A mosodák és egyéb kereskedelmi szolgáltatók számára a földgázszolgáltatás biztosítja az energiatakarékos megoldást a ruhák gyors szárításához. Mivel a ruhaszárítók hasonlóan nagy energiaigényűek, mint a sütők, a földgáz használata itt is környezetbarát alternatívát biztosít.

A földgáz tehát nemcsak az ipari termelésben, hanem a mindennapi életben is nélkülözhetetlen szereplővé vált, amely a hatékonyságot, tisztaságot és gazdaságosságot biztosítja a legkülönbözőbb területeken. Az ipari alkalmazásoktól kezdve a háztartások és a kereskedelemig a földgáz kulcsfontosságú energiaforrás, amely elősegíti a fenntarthatóbb és gazdaságosabb működést.

Hogyan határozhatók meg a földgáz tulajdonságai és fázisviselkedése?

A hagyományos módszerek eddig jelentős részét képezték a globális gáztermelésnek. Az új kitermelési technológiák lehetővé tették, hogy számos nem hagyományos gázforrás gazdaságilag életképessé váljon, vagy a jövőben potenciális gazdasági lehetőséget mutasson. A nem hagyományos források képesek kiegészíteni a hagyományos gáztermelést a gázexportáló régiókban. Ezzel szemben a gázimportáló régiókban a nem hagyományos gáztermelés hatására csökkenhetnek a gázárak és a gázimport.

A földgáz fázisviselkedésének megértése elengedhetetlen az ipari alkalmazások szempontjából. A földgáz egy szénhidrogén-keverék, amely természetes módon fordul elő, és gyakran magasabb hőmérsékleten és nyomáson található meg, mint a környező környezet. Fontos, hogy pontosan ismerjük a gáz viselkedését különböző nyomás- és hőmérsékleti viszonyok között, mivel ez segíthet a rezervoárok modellezésében, a termelési előrejelzések készítésében és a gyűjtő- és szállítórendszerek tervezésében. A földgáz fázisviselkedésének elemzése elengedhetetlen ahhoz, hogy hatékonyan és optimálisan működtethessük a gázmérnöki rendszereket.

A földgáz fázisviselkedését a nyomás és hőmérséklet függvényében ábrázolják. A fázisdiagramon a gáz és folyadék kétfázisú területét a buborékpont görbéje választja el a folyadék-monofázisú területtől, míg a gáz- és folyadék kétfázisú területet a harmatpont vonal választja el a tiszta gázfázistól. A kritikus pontnál, ahol már nem különíthető el a gáz és a folyadék minősége, a buborékpont és a harmatpont vonalai találkoznak. A földgáz fázisviselkedését a gáz összetétele nagyban befolyásolja, különösen a nehezebb szénhidrogének, mint például a hexán koncentrációja. Ezen szénhidrogének figyelembevételével pontosabb fázisábrázolást készíthetünk, míg azok figyelmen kívül hagyása alábecsülheti a fázistérkép határait.

A földgáz fizikai és kémiai tulajdonságai is alapvetőek a gáz biztonságos és hatékony kezelésében. A földgáz színtelen, szagtalan és íztelen, viszont mivel a szállított gáz nem rendelkezik szaggal, a legtöbb előírás megköveteli egy szaganyag, például egy mercaptán hozzáadását, hogy a gázszivárgásokat könnyen észlelni lehessen. Ezen kívül a földgáz hőértéke kulcsfontosságú, hiszen elsősorban energiahordozóként alkalmazzák. A gáz hőértéke a gáznak a különböző komponenseitől függ, így a gázt általában British Thermal Units (Btu) mértékegységben mérik, hogy meghatározzák a tényleges energiatartalmat.