Hořlavý plyn

6.1 Úvod

Vědomí o hořlavém plynu získaném ze shnilých rostlinných materiálů je známo již od dob, kdy žili staří Peršané. Později, když civilizace vstoupila do moderní doby, se v Evropě montovaly centralizované kanalizační systémy a objem pevných látek v odpadních vodách se snižoval anaerobním rozkladem. Ve stejné době se vědecká komunita zaměřila na hledání nových alternativních paliv úměrných růstu populace, aby uspokojila rostoucí energetickou poptávku společnosti. Produkce odpadu je vždy úměrná počtu obyvatel, přičemž některé frakce odpadu jsou obtížně recyklovatelné. Tyto frakce by měly být dále zkoumány pro energetické účely (Statistical Review of World Energy, červen 2016). Odpadní materiály mohou být různého druhu, především biologicky rozložitelné, jako je biomasa, potravinové odpady atd. a nerozložitelné, jako jsou plasty, odpadní oleje a kovové odpady. Mnoho zemí, například Velká Británie (UK) a Německo, využilo tuto myšlenku k výrobě hořlavého plynu pro osvětlení pouličních lamp na počátku 20. století úpravou odpadních vod . První čistírna odpadních vod byla postavena v indické Bombaji (dnes Bombaj) v roce 1859. Ve 30. letech 20. století byla vyvinuta praxe zpracování odpadu z granulací k výrobě hořlavého plynu, opět v Bombaji . Na počátku 60. let 20. století vyvinula společnost KVIC (Khadi and Villages Industries Commission) bioplynové stanice, které využívali indičtí vesničané. Brzy poté se úspěch konstrukce, která využívala plovoucí buben, zformoval do základů probíhajícího indického vládního programu pomoci, jehož cílem je poskytnout indickým vesničanům palivo na vaření .

Na počátku 30. let 16. století belgický chemik Jan Baptista Van Helmont zjistil, že z rozkládajících se organických látek lze získat hořlavé plyny. V roce 1776 bylo experimentem hraběte Alessandra Volty zjištěno, že množství vznikajícího hořlavého plynu je přímo úměrné množství rozkládající se organické hmoty. V roce 1808 sir Humphrey Davy zkoumal, zda při anaerobním rozkladu dobytčích odpadů vznikají metanové plyny . V roce 1875 nizozemský farmář Wouter Sluys poprvé použil metan k osvětlovacím účelům. V Anglii v roce 1895, kdy byl bioplyn získán z „pečlivě navržené“ čistírny odpadních vod a použit k pohonu pouličních lamp v Exeteru. První bioplynová stanice v Indii byla postavena v roce 1897 v Bombaji .

Čína instalovala 5 milionů zařízení založených na konstrukci septiků tím, že podnikla podobnou iniciativu na počátku 60. až 80. let 20. století. Kopulovité konstrukce byly nahrazeny původními obdélníkovými nádržemi. Indie vyvinula podobné návrhy a vytvořila základ aktivního programu v Nepálu za účasti různých skupin, programu, který se nyní nazývá BSP (Biogas Sector Partnership). Čína, Indie a Nepál tento program soustavně rozvíjejí. V poslední době se o tento program zvýšil zájem v Evropě a ve Spojeném království. Kvůli prudkému nárůstu cen ropy začaly některé skupiny ve Spojeném království vyrábět energii na farmách pomocí bioplynu jako alternativy; motivací k tomu byl indický program z počátku 80. let . Když prudce rostoucí ceny ropy přiměly lidi hledat alternativy. Pokles cen ropy, a tím i elektřiny, který vrátil zařízení nepříliš výnosných bioplynek na farmy, umožnil přežít 200 zařízením vybudovaným v té době .

Anaerobní digesce je jednou z nejrozšířenějších technologií, ale stále ještě není zcela pochopena kvůli složitému procesu digesce, který závisí především na výkonnosti mikroorganismů. Výkonnost těchto mikroorganismů také do značné míry závisí na prostředí, ve kterém se nacházejí. Ke studiu chování procesu bylo vyvinuto mnoho matematických modelů a probíhá optimalizace nových modelů. Tyto matematické modely nelze přímo implementovat v průmyslu kvůli „biologickému faktoru“, který brání procesu, který není snadné realizovat a činí anaerobní digesci vysoce nelineární . Podobně se za rok na celém světě vyhodí více než 130 milionů tun potravin, což vede ke vzniku obrovského množství kuchyňského odpadu . Kuchyňský odpad má vysoký obsah organických živin a díky mikrobiálnímu působení se rychle rozkládá. To způsobuje nepříjemný zápach a nemoci, které činí z nakládání s kuchyňským odpadem vážný problém na celém světě. Vzhledem k tomu, že kuchyňský odpad je většinou organické povahy, je ideální surovinou pro výrobu bioplynu, a proto byl potenciál potravinářského a kuchyňského odpadu jako substrátu pro výrobu bioplynu široce studován . Většina výzkumného a vývojového úsilí na celém světě se zaměřuje na metody výroby tzv. biopaliv druhé generace, u nichž bylo zjištěno, že mají vynikající ekologické vlastnosti a také vysokou flexibilitu vstupních surovin z biomasy .

Výroba synplynu z bioodpadu je zásadním krokem při výrobě většiny biopaliv druhé generace. Několik zemí Organizace pro hospodářskou spolupráci a rozvoj (OECD) založilo vlastní průmysl biopaliv pro místní použití . Roční celosvětová výroba synplynu převážně z fosilních zdrojů energie, jako je zemní plyn, ropa a uhlí, činí přibližně 6 EJ, což odpovídá přibližně 2 % celkové spotřeby primární energie . Hlavními výrobci a spotřebiteli bioetanolu (přibližně 95 % celosvětového objemu) jsou Brazílie a Spojené státy; podobně v případě bionafty jsou hlavními výrobci a spotřebiteli Německo, Rakousko a Francie. Mezi preferované vstupní suroviny patří materiály dřevnaté i travnaté povahy a také zemědělské, komunální a průmyslové odpady . Syntetická paliva pro dopravu, jako je biomethanol, bioethanol, di-methyl-ether (DME), syntetický zemní plyn, FT (Fischer-Tropschovo) palivo a vodík, které vyrábějí a uvádějí na trh společnosti Sasol (Jihoafrická republika) a Mobil (Spojené státy), jsou některými příklady, které lze přeměnit na synplyn procesem parního reformingu. Synplyn získaný z bioplynu by mohl být využit k vyšší výrobě alkoholu.

Při přehledu vývoje bioplynu ve světě nestojí Indie a Čína o nic hůře než ostatní země, i když tah přichází ze západní Evropy. Indie je po celém světě známá tím, že v roce 1897 postavila vůbec první anaerobní fermentor, když se v útulku pro malomocné Matunga v Bombaji používal lidský odpad k výrobě plynu pro osvětlení ulic . Intenzivní výzkum v letech 1950, kdy bylo vyvinuto několik návrhů zařízení. Nejpozoruhodnější z nich, známý jako „Grama Laxmi III“, vyvinul Joshbai Patel (gándhíovský pracovník z Gudžarátu). Stal se prototypem pozdějšího modelu plovoucí kopule Khadi and Village Industry Commission (KVIC). Po útlumu se zájem o bioplyn obnovil počátkem roku 1960, kdy KVIC zřídila a vyvinula standardní bioplynové stanice. Bylo tak rozhodnuto vytvořit milion zařízení rodinné velikosti a mnoho dalších zařízení Společenství vlády, během šestého plánu na pět let. Bez přerušení se udržel až do současnosti a dosáhl 4 milionů zařízení (MNRE 2011). Národní program hospodaření s bioplynem a hnojem plánoval během let 2009 a 2010 zřídit 150 000 bioplynových stanic „rodinného typu“ .

Biomasa je v Indii jednou z oblastí, na kterou se programy obnovitelných zdrojů energie zaměřují nejvíce, a to vzhledem k velkému množství zbytků, které vznikají při pěstování plodin, a také vzhledem k poptávce po energii. Pro případovou studii je uvažováno přibližně 26 plodin z celkového počtu 39 zbytkových plodin . Celkově se v Indii ročně vyprodukuje 686 tun hrubé biomasy z rostlinných zbytků, z čehož se 234 tun (34 % hrubé biomasy) odhaduje jako přebytek pro výrobu bioenergie. Ve venkovských oblastech se plodiny a živočišné odpady většinou využívají k výrobě energie a také k uspokojení potřeby energie na vaření. Tyto dva hlavní zdroje přispívají k velkému množství kuchyňského odpadu z domácností a obytných oblastí. Statistiky říkají, že větší domácnosti, v nichž žije více lidí, mají tendenci produkovat více odpadu než jejich menší protějšky. Uvádí se však, že nejvíce potravin v přepočtu na obyvatele vyplýtvají domácnosti s jednou osobou. Stejně tak starší lidé plýtvají stejným množstvím potravin, kterému lze předejít, jako mladší lidé (1,2 kg na osobu a týden), což je skutečnost, která je v rozporu s moudrostí přijatou v naší společnosti. Každoročně vzniká velké množství kuchyňského odpadu, který je třeba zlikvidovat, abychom šetřili naše životní prostředí. Anaerobní rozklad je organizovaný biologický proces rozkladu kuchyňského odpadu, který umožňuje efektivní zachycení a využití bioplynu pro výrobu energie. Tento bioplyn tvoří přibližně 60 % metanu a 40 % CO2. Lidé ve venkovských oblastech, aby si osvojili bioplynové technologie k uspokojení svých potřeb vaření a osvětlení v domácnosti, zahrnuje Khadi a Village Industries, Janata a Deenbandhu bioplynové stanice. Tato biomasa je skvělým zdrojem pro biometanizaci a výrobu různých kapalných paliv, jako je bionafta a dopravní oleje. Anaerobní digesce je jedním z hlavních procesů přeměny biomasy na bioplyn . Bioplyn se přeměňuje na synplyn částečnou oxidací nebo parním reformingem. Synplyn se dále přeměňuje na kapalná paliva pomocí různých metod, jako je Fischerův-Tropschův proces, a metanizací se synplyn přeměňuje na metanol, etanol a různá biopaliva .

.