Brandfarlig gas

6.1 Introduktion

Bekendskabet til brandfarlig gas fremstillet af rådne vegetabilske materialer har været kendt lige siden dengang, hvor de gamle persere levede. Senere, da civilisationen gik ind i moderne tid, blev der i Europa monteret centraliserede afløbssystemer, og mængden af fast stof i spildevand blev reduceret ved anaerob nedbrydning. Samtidig fokuserede videnskaben på at finde nye alternative brændstoffer i forhold til befolkningstilvæksten for at opfylde samfundets stigende energibehov. Affaldsproduktionen er altid proportional med befolkningstallet, og nogle affaldsfraktioner er vanskelige at genanvende. Disse fraktioner bør undersøges nærmere med henblik på energiformål (Statistical Review of World Energy, juni 2016). Affaldsmaterialer kan være af mange typer, hovedsageligt biologisk nedbrydelige materialer såsom biomasse, fødevareaffald osv. og ikke-bionedbrydelige materialer såsom plast, olieaffald og metalaffald. Mange lande som f.eks. Det Forenede Kongerige (UK) og Tyskland har brugt denne idé til at producere brændbar gas til belysning af gadelamper i begyndelsen af 1900-tallet ved at behandle spildevand . Det første rensningsanlæg blev bygget i Bombay (i dag kendt som Mumbai), Indien, i 1859. I 1930’erne blev der udviklet en praksis med at grille affald for at generere brændbar gas, igen i Bombay . I begyndelsen af 1960’erne udviklede KVIC (Khadi and Villages Industries Commission) biogasanlæg, som blev brugt af de indiske landsbyboere. Kort efter dannede succesen med konstruktionen, der anvendte en flydende tromle, grundlaget for et igangværende program fra den indiske regerings side, der har til formål at forsyne indiske landsbyboere med brændsel til madlavning.

I begyndelsen af 1630’erne fastslog Jan Baptista Van Helmont, en belgisk kemiker, at der kunne opnås brændbare gasser fra nedbrydning af organisk materiale. I 1776 blev det ved grev Alessandro Voltas forsøg konstateret, at mængden af brændbar gas, der blev produceret, var direkte proportional med mængden af organisk stof i forrådnelse. I 1808 undersøgte Sir Humphrey Davy, om der blev dannet metangas under den anaerobe nedbrydning af kvægaffald . I 1875 brugte Wouter Sluys, en hollandsk landmand, for første gang metan til belysning. England i 1895, da biogas blev udvundet fra et “omhyggeligt udformet” rensningsanlæg og brugt til at forsyne gadelamper i Exeter med gas. Det første biogasanlæg i Indien blev opført i 1897 i Bombay .

China installerede 5 millioner anlæg baseret på et septiktankdesign ved at tage et lignende initiativ i begyndelsen af 1960’erne og frem til 1980’erne. De kuppelformede designs blev erstattet af den oprindelige rektangulære tank. Indien udviklede lignende designs og dannede grundlaget for et aktivt program i Nepal med deltagelse af forskellige grupper, et program, der nu kaldes BSP (Biogas Sector Partnership). Kina, Indien og Nepal har udviklet dette program støt og roligt. Dette program har for nylig fået øget interesse i Europa og Storbritannien. På grund af oliepristoppene begyndte visse grupper i Det Forenede Kongerige at producere energi på gårdene ved hjælp af biogas som et alternativ; dette blev motiveret af det indiske program i begyndelsen af 1980’erne . Da oliepriserne steg kraftigt, blev folk tvunget til at søge efter alternativer. Faldet i olieprisen og dermed i elprisen, som sendte de ikke særlig rentable biogasanlæg tilbage til bedriften, gjorde det muligt for de 200 anlæg, der blev bygget på det tidspunkt, at overleve .

Anaerob nedbrydning er en af de mest udbredte teknologier, men den er endnu ikke helt forstået på grund af den komplicerede nedbrydningsproces, som hovedsagelig afhænger af mikroorganismernes ydeevne. Desuden afhænger disse mikroorganismers ydeevne i høj grad af det miljø, som de befinder sig i. Der er blevet udviklet mange matematiske modeller til undersøgelse af processens adfærd og den løbende optimering af nye modeller. Disse matematiske modeller kan ikke gennemføres direkte i industrien på grund af den “biologiske faktor”, som hæmmer en proces, der ikke er let at realisere, og som gør den anaerobe nedbrydning meget ulineær . På samme måde spildes der på verdensplan mere end 130 millioner tons mad om året, hvilket fører til en enorm mængde køkkenaffald . Køkkenaffald har et højt indhold af organiske næringsstoffer og nedbrydes hurtigt på grund af mikrobiel aktivitet. Dette forårsager dårlige lugte og sygdomme, som gør håndtering af køkkenaffald til et alvorligt problem i hele verden. Da køkkenaffald for det meste er organisk i naturen, er det et ideelt råmateriale til biogasproduktion, og derfor er potentialet i fødevare- og køkkenaffald som substrat til biogasproduktion blevet undersøgt i vid udstrækning . De fleste forsknings- og udviklingsbestræbelser på verdensplan fokuserer på metoder til fremstilling af såkaldte andengenerationsbiobrændstoffer, der er identificeret som havende fremragende miljøpræstationer og en høj fleksibilitet i biomasseudgangsmaterialet .

Produktion af syntesegas fra bioaffald er et afgørende skridt i fremstillingen af de fleste andengenerationsbiobrændstoffer. Flere lande i Organisationen for Økonomisk Samarbejde og Udvikling (OECD) har etableret deres egne biobrændstofindustrier til lokal brug . Den årlige produktion af syntesegas på verdensplan, hovedsagelig fra fossile energikilder som naturgas, olie og kul, er på verdensplan ca. 6 EJ, hvilket svarer til ca. 2 % af det samlede primære energiforbrug . De største producenter og forbrugere af bioethanol (ca. 95 % af den samlede mængde på verdensplan) er Brasilien og USA, og for biodiesel er de største producenter og forbrugere Tyskland, Østrig og Frankrig. Det foretrukne råmateriale omfatter materialer, der er træagtige og græsagtige af natur, samt landbrugsaffald, kommunalt affald og industriaffald . De syntetiske transportbrændstoffer såsom biomethanol, bioethanol, di-methylether (DME), syntetisk naturgas, FT-brændstof (Fischer-Tropsch) og brint, som produceres og markedsføres af Sasol (Sydafrika) og Mobil (USA), er nogle eksempler på brændstoffer, der kan omdannes til syngas ved hjælp af en dampreformingsproces. Den syntesegas, der er afledt af biogas, kan anvendes til produktion af mere alkohol.

Når man ser på udviklingen af biogas i verden, står Indien og Kina ikke ringere end de andre lande, selv om drivkraften kommer fra Vesteuropa. Indien er kendt over hele verden for at have bygget den første anaerobe rådnetank nogensinde i 1897, da menneskeligt affald blev brugt til at generere gas til belysning af gaderne i Matunga Leper Asylum i Mumbai . Intensiv forskning i årene 1950, hvor der blev udviklet flere udformninger af anlæg. Det mest bemærkelsesværdige af dem, kendt som “Grama Laxmi III”, blev udviklet af Joshbai Patel (en Gandhian-arbejder fra Gujarat). Det blev prototypen for den senere Khadi and Village Industry Commission (KVIC) model med flydende kuppel. Efter en pause blev interessen for biogas genoplivet i begyndelsen af 1960, da KVIC etablerede og udviklede standardbiogasanlæg. Det blev således besluttet at oprette en million anlæg i familiestørrelse og mange andre af regeringens fællesskabsanlæg i løbet af den sjette plan for fem år. Det har holdt sig selv indtil nu uden brud og er nået op på 4 millioner anlæg (MNRE 2011). Det nationale program for biogas og gødningsforvaltning havde planlagt at oprette 150 000 biogasanlæg af “familietype” i løbet af 2009 og 2010 .

Biomasse er et af de mest fokuserede områder i Indien for programmer for vedvarende energi på grund af den store mængde restprodukter, der genereres fra afgrøder, samt energibehovet. Omkring 26 afgrøder ud af i alt 39 afgrøderester er taget i betragtning i casestudiet . Samlet set producerer Indien 686 MT brutto biomasse af afgrøderester på årsbasis, hvoraf 234 MT (34 % af brutto) skønnes at være overskydende til bioenergiproduktion. I landdistrikterne anvendes afgrøder og animalsk affald for det meste til energiproduktion og til at dække behovet for energi til madlavning. Disse to er de primære kilder, der bidrager til en stor mængde køkkenaffald fra husholdninger og boligområder. Statistikkerne viser, at større husstande, der rummer flere personer, har en tendens til at producere mere affald end deres mindre modstykker. Det er dog blevet rapporteret, at husstande med kun én person har det største madspild pr. indbygger. På samme måde spilder ældre mennesker lige så meget mad, som kan undgås, som yngre mennesker (1,2 kg pr. person pr. uge), hvilket er i modstrid med den gængse visdom i vores samfund. Der opstår hvert år en masse køkkenaffald, som skal bortskaffes for at redde vores miljø. Anaerob nedbrydning er en organiseret biologisk nedbrydningsproces af køkkenaffaldet, som gør det muligt effektivt at opsamle og udnytte biogas til energiproduktion. Denne biogas består af ca. 60 % metan og 40 % CO2. Folk i landdistrikterne, der skal indføre biogasteknologier for at opfylde deres behov for madlavning og belysning i husholdningen, involverer Khadi and Village Industries, Janata og Deenbandhu biogasanlæg . Disse biomasser er en stor kilde til biomethanisering og produktion af forskellige flydende brændstoffer som f.eks. biodiesel og transportolier. Anaerob nedbrydning er en af de vigtigste processer til at omdanne biomassen til biogas . Biogas omdannes til syngas ved delvis oxidation eller dampreforming. Syngassen omdannes yderligere til flydende brændstoffer ved hjælp af forskellige metoder som f.eks. Fischer-Tropsch-processen, og ved metanisering omdannes syngassen til methanol, ethanol og forskellige biobrændstoffer.