Symulacja wielostopniowej separacji membranowej CH4/CO2 w uzdatnianiu biogazu do biometanu przeznaczonego do zatłaczania do sieci gazu ziemnego

• Autorzy: Szymon Kuczyński

Identyfikatory

DOI

10.15199/62.2025.9.10

Warianty tytułu

EN

Simulation of multi-stage membrane CH4/CO2 separation for upgrading biogas to grid injectable biomethane

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Przeprowadzono symulację procesu uzdatniania biogazu do biometanu, na potrzeby jego zatłoczenia do sieci gazu ziemnego, z wykorzystaniem membran poliimidowych. W szczególności uwzględniono wpływ zastosowania kaskad membranowych jedno-, dwu- i trójstopniowych na efektywność procesu (odzysk metanu, wartość opałowa i liczba Wobbego). Surowy biogaz (61,0% mol CH₄, 38,8% mol CO₂) został wstępnie oczyszczony i sprężony, a w przypadku układów wielostopniowych strumienie permeatu były ponownie sprężane i mieszane. Zastosowanie trójstopniowego systemu membranowego przy ciśnieniu 30 bar pozwoliło na osiągnięcie wysokiego odzysku metanu (ok. 99,57% mol), niskich strat CH₄ (ok. 8,9%) i osiągnięcie liczby Wobbego na poziomie 50,2 MJ/m³, ale wiązało się z wysokim zużyciem energii (ok. 78,8 kW lub 0,71 kWhel/m³). Cienkowarstwowe membrany kompozytowe umożliwiły uzdatnienie wstępnie oczyszczonego biogazu do biometanu o parametrach pozwalających na jego zatłoczenie do sieci gazu ziemnego.

EN

Upgrading biogas from anaerobic digestion to bio-MeH before its injection to gas grid by polyimide membrane sep. was simulated. In particular, the effect of single-, 2-, and 3-stage membrane cascades on the process efficiency (MeH recovery, heating value and Wobbe index) was taken into consideration. Feed biogas (61.0% mol MeH, 38.8% mol CO₂) was pretreated and compressed, then permeate streams were recompressed and remixed in multistage cases. Use of the 3-stage membrane system at 30 bar resulted in high MeH recovery (about 99.57% mol), low MeH losses (about 8.9%) and the Wobbe index 50.2 MJ/m³, but required high energy consumption (about 78.8 kW or 0.71 kWhel/m³). Thin-film composite membranes allowed to upgrade raw biogas without additional pretreatment.

Słowa kluczowe

PL

biogaz; biometan; separacja membranowa; uzdatnianie gazu; sieć gazu ziemnego; usuwanie CO2; energia odnawialna; przepuszczalność; odnawialny gaz ziemny; BRE Promax

EN

biogas; biomethane; membrane separation; gas upgrading; natural gas grid; CO2 removal; renewable energy; gas permeability; renewable natural gas; RNG; BRE Promax

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przemysł Chemiczny
• Rocznik: 2025
• Tom: T. 104, nr 9
• Strony: 918--933
• Opis fizyczny: Bibliogr. 62 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Szymon Kuczyński

• Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, al. Adama Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

• https://orcid.org/0000-0001-8261-4417

Bibliografia

• [1] M. U. Khan, J. T. E. Lee, M. A. Bashir, P. D. Dissanayake, Y. S. Ok, Y. W. Tong, M. A. Shariati, S. Wu, B. K. Ahring, Renew. Sustain. Energy Rev. 2021, 149, 111343.
• [2] N. Abdalla, S. Bürck, H. Fehrenbach, S. Köppen, T. J. Staigl, Heidelberg: Institut für Energie-und Umweltforschung Heidelberg GmbH 2022.
• [3] IEA, 2025, Outlook for Biogas and Biomethane A global geospatial assessment.
• [4] G. Rosłonek, Gaz Woda Techn. Sanit. 2021, 5, 2.
• [5] P. Gkotsis, P. Kougias, M. Mitrakas, A. Zouboulis, Int. J. Hydrogen Energy 2023, 48, nr10, 3965.
• [6] J. Holewa, E. Kukulska-Zając, M. Pęgielska, Nafta-Gaz 2012, 8, 523.
• [7] M. Łaciak, Bezpieczeństwo eksploatacji urządzeń, instalacji i sieci gazowych, Tarbonus, Kraków 2025.
• [8] A. Wróblewska, Nafta-Gaz 2022, 78, nr 11, 815.
• [9] D. Schröer, L. Herlicka, A. Heinold, U. Latacz-Lohmann, F. Meisel, J. Cleaner Prodn. 2024, 452, 142049.
• [10] L. Marsico, A. Brunetti, E. Catizzone, M. Migliori, G. Barbieri, Renew. Energy 2025, 254, 123693.
• [11] W. Grządzielski, Rynek Energii 2021, 1, 152.
• [12] S. Kuczyński, K. Liszka, M. Łaciak, A. Olijnyk, A. Szurlej, Energies 2019, 12, nr 23, 4511.
• [13] A. Saferna, P. Saferna, S. Kuczyński, M. Łaciak, A. Szurlej, T. Włodek, Energies 2021, 14, nr 17, 5568.
• [14] M. Wiśniecka, J. Holewa-Rataj, E. Kukulska-Zając, Instal 2016, 11, 38.
• [15] R. Adamiak, Rynek Biogazu Biometanu 2025, 5, nr 115, 24.
• [16] A. Kośla, S. Brzęczkowski, D. Wilczyńska, Rynek Biogazu Biometanu 2025, 5, nr 115, 28.
• [17] A. Barczyński, Wiad. Naft. Gazown. 2021, 24.
• [18] Rozporządzenie Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 28 marca 2024 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu gazowego, Dz.U. 2024, poz. 517.
• [19] S.C. Eichmann, J. Kiefer, J. Benz, T. Kempf, A. Leipertz, T. Seeger, Measur. Sci. Technol. 2014, 25, nr 7, 075503.
• [20] S. Kuczyński, K. Kogut, Wiad. Naft. Gazown. 2023, 26, 14.
• [21] M. Łaciak, W. Panek, Przem. Chem. 2025, 104, nr 5, 560.
• [22] S. Kuczyński, M. Łaciak, C. Spyra, A. Szurlej, P. Wnęk, Przem. Chem. 2023, 102, nr 6, 595.
• [23] S. Kuczyński, S. Nagy, C. Spyra, A. Szurlej, P. Wnęk, Przem. Chem. 2019, 98, nr 12, 2000.
• [24] M. Prussi, A. Julea, L. Lonza, C. Thiel, Energy Strategy Rev. 2021, 33, 100612.
• [25] P. Filanowski, Gaz Woda Techn. Sanit. 2022, 10, 12.
• [26] M. Buffi, O. Hurtig, N. Scarlat, Publications Office of the European Union 2024, Luxembourg, JRC139485.
• [27] A. Korda-Burza, M. Figiel, J. Holewa-Rataj, Nafta-Gaz 2022, 10, 746.
• [28] G. Ferrari, Z. Shi, F. Marinello, A. Pezzuolo, J. Cleaner Prodn .2024, 478, 143936.
• [29] S. Bakkaloglu, A. Hawkes, Energy Environ. Sci. 2024, 17, nr 4, 1482.
• [30] F. Cignini, A. Genovese, F. Ortenzi, S. Valentini, A. Caprioli, E3S Web Conf. 2020, 197, 08019.
• [31] S. Bakkaloglu, J. Cooper, A. Hawkes, One Earth 2022, 5, nr 6, 724.
• [32] B. Aghel, S. Behaein, S. Wongwises, M.S. Shadloo, Biomass Bioenergy 2022, 160, 106422.
• [33] Urząd Regulacji Energetyki, https://www.ure.gov.pl/pl/oze/potencjal-krajowy-oze/8108,Instalacje-odnawialnych-zrodel-energii-stan-na-31-marca-2025-r.html, dostęp 25 sierpnia 2025 r.
• [34] Krajowy Ośrodek Wsparcia Rolnictwa, www.gov.pl/web/kowr/dane-dotyczace-dzialalnosci-wytworcow-biogazu-rolniczego, dostęp 25 sierpnia 2025 r.
• [35] J. Holewa-Rataj, Z. Kukulska-Zając, Nafta Gaz 2022, 12, 872.
• [36] W. Żelisko, Tyg. Gosp. PIE 2025, 20.
• [37] S. Alberici, W. Grimme, G. Toop, Production potentials in the member states and outlook to 2050, 2022.
• [38] Krajowy Plan w dziedzinie Energii i Klimatu do 2030 r., Załącznik nr 3, (październik 2024 r.) https://www.gov.pl/attachment/f711ea22-e3e5-4492-b8e6-c80a1d5c64ee, dostęp 25 sierpnia 2025 r.
• [39] A. Barczyński, P. Barczyński, Wiad. Naft. Gazown. 2024, 27, 15.
• [40] K. J. Chmielowski, Wiad. Naft. Gazown. 2023, 26, 6.
• [41] Z. Rogala, M. Stanclik, D. Łuszkiewicz, Z. Malecha, M. Chorowski, Rynek Energii 2023, 1, nr 164, 40.
• [42] J. Dach, Raport biogaz i biometan w Polsce 2024, 22.
• [43] M. Nocoń, Gaz Woda Techn. Sanit. 2023, 2, 9.
• [44] P. Marconi, L. Rosa, Renew. Sustain. Energy Rev. 2023, 187, 113697.
• [45] M. Podgórska, P. Narloch, Rynek Energii 2022, 2, 21.
• [46] C. Koutsiantzi, K. Koukovinos, A. Liatsou, P. Gkotsis, A. Zouboulis, M. Mitrakas, E. S. Kikkinides, Environ. Res. 2024, 245, 118080.
• [47] A. Roozitalab, F. Hamidavi, A. Kargari, Gas Sci. Eng. 2023, 114, 204969.
• [48] N. Yusuf, F. Almomani, Energy 2023, 265, 126163.
• [49] J. Piskowska-Wasiak, Nafta-Gaz 2014, 2, nr 70, 94.
• [50] A. I. Adnan, M. Y. Ong, S. Nomanbhay, K. W. Chew, P. L. Show, Bioengineering 2019, 6, nr 4, 92.
• [51] A. Kamiński, Gaz Woda Techn. Sanit. 2024, 5, 23.
• [52] S. Nagy, A. Barczyński, J. Blicharski, W. Duliński, M. Łaciak, J. Marszałek, J. Ślizowski, Vademecum gazownika, t. 1, SITPNiG, Kraków 2014.
• [53] M. del Rosario Rodero, R. Muñoz, A. González-Sánchez, H. A. Ruiz, G. Quijano, J. Environ. Chem. Eng. 2024, 12, nr 5, 114106.
• [54] M. M. Mala, A. Tallam, S. P. Nandala, S. Chenna, N. V. Choudary, S. Sridhar, J. Cleaner Prodn. 2025, 522, 146322.
• [55] N. Jusoh, T. N. A. T. Hassan, N. H. Suhaimi, M. Mubashir, Sep. Purif. Technol. 2025, 373, 133466.
• [56] M. Scholz, T. Melin, M. Wessling, Renew. Sustain. Energy Rev. 2013,17, 199.
• [57] G. Aguilloso, K. Arpia, M. Khan, Z. A. Sapico, E. C. R. Lopez, Eng. Proc. 2024, 67, 57.
• [58] W. Tomczak, M. Gryta, M. Daniluk, S. Żak, Membranes 2024, 14, nr 4, 80.
• [59] N. Fajrina, N. Yusof, A.F. Ismail, F. Aziz, M. R. Bilad, M. Alkahtani, J. Environ. Chem. Eng. 2023, 11, nr 3, 110235.
• [60] A. Francisco López, T. Lago Rodríguez, S. Faraji Abdolmaleki, M. Galera Martínez, P. M. Bello Bugallo, Appl. Sci. 2024, 14, 2342.
• [61] M. Gustafsson, R. Meneghetti, F. Souza Marques, H. Trim, R. Dong, T. Al Saedi, S. Rasi, J. Thual, P. Kornatz, D. Wall, C. Berntsen, S. Saxegaard, K.A. Lyng, H. J. Nägele, S. Heaven, A. Bywater, IEA Bioenergy: Task 37, 2024, nr 2.
• [62] Technical Standard ST-IGG-3501:2019 by the Polish Chamber of Gas Industry, Quality and Technical Requirements for Biomethane Injected into the Distribution Network. Part 1: Quality Requirements.

Uwagi

1. Praca wykonana w ramach projektu IDUB D2 9649 (2024-2025).

2. This work was done as part of a project IDUB D2 9649 (2024-2025).