Syttyvä kaasu

6.1 Johdanto

Tietoisuus mädäntyneistä kasvimateriaaleista saatavasta syttyvästä kaasusta on ymmärretty jo muinaisten persialaisten ajoista lähtien. Myöhemmin, kun sivilisaatio siirtyi nykyaikaan, Euroopassa asennettiin keskitettyjä viemäröintijärjestelmiä ja jäteveden kiintoaineen määrää vähennettiin anaerobisella mädätyksellä. Samaan aikaan tiedeyhteisö keskittyi löytämään uusia vaihtoehtoisia polttoaineita suhteessa väestönkasvuun yhteiskunnan kasvavan energiantarpeen tyydyttämiseksi. Jätteiden syntyminen on aina verrannollinen väestön määrään, ja joidenkin jätejakeiden kierrättäminen on vaikeaa. Näitä jakeita olisi tutkittava tarkemmin energiatarkoituksiin (Statistical Review of World Energy, kesäkuu 2016). Jätemateriaaleja voi olla monenlaisia, pääasiassa biohajoavia, kuten biomassaa, elintarvikejätteitä jne. ja biohajoamattomia, kuten muoveja, jäteöljyjä ja metallijätteitä. Monet maat, kuten Yhdistynyt kuningaskunta (UK) ja Saksa, ovat käyttäneet tätä ideaa tuottaakseen syttyvää kaasua katulamppujen valaistukseen 1900-luvun alussa käsittelemällä jätevesiä . Ensimmäinen jätevedenpuhdistamo rakennettiin Intian Bombayhin (nykyisin Mumbai) vuonna 1859. Bombayssa kehitettiin 1930-luvulla käytäntö, jonka mukaan jätevedenpuhdistamojätteestä tuotetaan syttyvää kaasua. 1960-luvun alussa KVIC (Khadi and Villages Industries Commission) kehitti biokaasulaitoksia, joita intialaiset kyläläiset käyttivät. Pian sen jälkeen kelluvaa rumpua käyttävän mallin menestys muodosti perustan Intian hallituksen meneillään olevalle avustusohjelmalle, jonka tarkoituksena on tarjota intialaisille kyläläisille ruoanlaittopolttoainetta.

Belgialainen kemisti Jan Baptista Van Helmont totesi 1630-luvun alkupuolella, että orgaanisen aineksen hajoamisesta voidaan saada palavia kaasuja. Vuonna 1776 kreivi Alessandro Voltan kokeessa todettiin tuotetun palavan kaasun määrän olevan suoraan verrannollinen hajoavan orgaanisen aineen määrään. Vuonna 1808 Sir Humphrey Davy tutki, syntyykö karjanjätteen anaerobisessa mädätyksessä metaanikaasuja. Vuonna 1875 hollantilainen maanviljelijä Wouter Sluys käytti ensimmäisen kerran metaania valaistustarkoituksiin. Englannissa vuonna 1895, kun biokaasua otettiin talteen ”huolellisesti suunnitellusta” jätevedenpuhdistamosta ja käytettiin Exeterin katulamppujen polttoaineena. Intian ensimmäinen biokaasulaitos rakennettiin vuonna 1897 Bombayhin.

Kiina asensi 5 miljoonaa biokaasulaitosta, jotka perustuivat saostussäiliörakenteeseen ryhtymällä vastaavaan aloitteeseen 1960-luvun alusta 1980-luvulle. Kupolimuotoiset mallit korvattiin alkuperäisellä suorakulmaisella säiliöllä. Intia kehitti samankaltaisia malleja, ja ne muodostivat perustan Nepalin aktiiviselle ohjelmalle, johon eri ryhmät osallistuivat ja jota nyt kutsutaan BSP:ksi (Biogas Sector Partnership). Kiina, Intia ja Nepal ovat kehittäneet tätä ohjelmaa jatkuvasti. Tämä ohjelma on viime aikoina lisännyt kiinnostusta Euroopassa ja Yhdistyneessä kuningaskunnassa. Öljyn hintapiikkien vuoksi tietyt ryhmät Yhdistyneessä kuningaskunnassa aloittivat maatilojen energiantuotannon biokaasun avulla vaihtoehtona; tämä sai alkunsa Intian ohjelmasta 1980-luvun alussa. Kun öljyn hinnannousu ajoi ihmiset etsimään vaihtoehtoja. Öljyn hinnan ja siten myös sähkön hinnan lasku, joka palautti biokaasulaitokset, jotka eivät olleet kovin kannattavia, takaisin maatilalle, mahdollisti tuolloin rakennettujen 200 laitoksen selviytymisen.

Anaerobinen mädätys on yksi laajimmin käytetyistä tekniikoista, mutta sitä ei vieläkään ymmärretä täysin, koska mädätysprosessi on monimutkainen ja riippuu pääasiassa mikro-organismien suorituskyvystä. Lisäksi näiden mikro-organismien suorituskyky riippuu suurelta osin ympäristöstä, jossa ne elävät. Prosessin käyttäytymisen tutkimiseksi on kehitetty monia matemaattisia malleja, ja uusia malleja optimoidaan jatkuvasti. Näitä matemaattisia malleja ei voida suoraan toteuttaa teollisuudessa ”biologisen tekijän” vuoksi, joka haittaa prosessia, jota ei ole helppo toteuttaa ja tekee anaerobisesta mädätyksestä erittäin epälineaarisen . Vastaavasti maailmassa tuhlataan vuodessa yli 130 miljoonaa tonnia ruokaa, mikä johtaa valtavaan määrään keittiöjätettä . Keittiöjätteessä on runsaasti orgaanisia ravinteita, ja se hajoaa nopeasti mikrobitoiminnan ansiosta. Tämä aiheuttaa pahoja hajuja ja sairauksia, jotka tekevät keittiöjätehuollosta vakavan ongelman kaikkialla maailmassa. Koska keittiöjäte on luonteeltaan enimmäkseen orgaanista, se on ihanteellinen raaka-aine biokaasun tuotantoon, ja siksi elintarvike- ja keittiöjätteen mahdollisuuksia biokaasun tuotannon substraattina on tutkittu laajasti. Suurin osa maailmanlaajuisista tutkimus- ja kehitystoimista keskittyy menetelmiin, joilla tuotetaan niin sanottuja toisen sukupolven biopolttoaineita, joilla on erinomaiset ympäristöominaisuudet ja suuri biomassan raaka-aineen joustavuus.

Synteesikaasun tuottaminen biojätteestä on tärkeä vaihe useimpien toisen sukupolven biopolttoaineiden valmistuksessa. Useat Taloudellisen yhteistyön ja kehityksen järjestön (OECD) maat ovat perustaneet omaa biopolttoaineteollisuuttaan paikallista käyttöä varten . Maailmanlaajuinen synteesikaasun vuosituotanto pääasiassa fossiilisista energialähteistä, kuten maakaasusta, öljystä ja kivihiilestä, on noin 6 EJ, mikä vastaa noin 2 prosenttia primäärienergian kokonaiskulutuksesta . Bioetanolin suurimmat tuottajat ja kuluttajat (noin 95 prosenttia maailmanlaajuisesta kokonaismäärästä) ovat Brasilia ja Yhdysvallat, ja biodieselin tärkeimmät tuottajat ja kuluttajat ovat Saksa, Itävalta ja Ranska. Suositeltavia raaka-aineita ovat puu- ja heinämäiset materiaalit sekä maatalous-, yhdyskunta- ja teollisuusjätteet . Synteettiset liikennepolttoaineet, kuten biometanoli, bioetanoli, dimetyylieetteri (DME), synteettinen maakaasu, FT-polttoaine (Fischer-Tropsch) ja vety, joita Sasol (Etelä-Afrikka) ja Mobil (Yhdysvallat) tuottavat ja kaupallistavat, ovat joitakin esimerkkejä, jotka voidaan muuntaa synteesikaasuksi höyryreformointiprosessilla. Biokaasusta saatua synkaasua voitaisiin käyttää korkeampaan alkoholin tuotantoon.

Kun tarkastellaan biokaasun kehitystä koko maailmassa, Intia ja Kiina eivät jää muita maita jälkeen, vaikka sysäys tulee Länsi-Euroopasta. Intia tunnetaan kaikkialla maailmassa siitä, että se rakensi ensimmäisen anaerobisen mädättämön vuonna 1897, jolloin ihmisjätteestä tuotettiin kaasua katujen valaistukseen Matungan lepra-asunnossa Mumbaissa. Intensiivistä tutkimusta tehtiin vuosina 1950, jolloin kehitettiin useita laitosmalleja. Merkittävimmän niistä, joka tunnetaan nimellä ”Grama Laxmi III”, kehitti Joshbai Patel (gandhilainen työntekijä Gujaratista). Siitä tuli myöhemmän Khadi and Village Industry Commissionin (KVIC) kelluvan kupolin mallin prototyyppi. Biokaasua koskeva kiinnostus heräsi uudelleen tauon jälkeen vuoden 1960 alussa, kun KVIC perusti ja kehitti vakiomallisia biokaasulaitoksia. Näin päätettiin luoda miljoona perhekokoluokan laitosta ja monia muita hallituksen yhteisön laitoksia kuudennen suunnitelman aikana viideksi vuodeksi. Se on jatkunut tähän asti ilman katkoksia ja on saavuttanut 4 miljoonaa laitosta (MNRE 2011). Kansallisessa biokaasu- ja lannanhallintaohjelmassa suunniteltiin 150 000 ”perhetyyppisen” biokaasulaitoksen perustamista vuosien 2009 ja 2010 aikana.

Biomassa on yksi Intian uusiutuvan energian ohjelmiin eniten keskittyvistä aloista viljelykasveista syntyvien jäämien suuren määrän ja energiantarpeen vuoksi. Tapaustutkimuksessa tarkastellaan noin 26 viljelykasvia yhteensä 39:stä jäämäkasvista. Kaiken kaikkiaan Intia tuottaa vuosittain 686 miljoonaa tonnia kasvien jäännösbiomassaa, josta 234 miljoonaa tonnia (34 prosenttia bruttomäärästä) arvioidaan ylijäämäksi bioenergian tuotantoon. Maaseutualueilla käytetään enimmäkseen viljelykasveja ja eläinjätteitä energiantuotantoon ja ruoanlaittoon tarvittavan energian tuottamiseen. Nämä kaksi ovat ensisijaisia lähteitä, jotka aiheuttavat suuren määrän kotitalouksien ja asuinalueiden keittiöjätettä. Tilastojen mukaan suuremmat kotitaloudet, joissa asuu enemmän ihmisiä, tuottavat yleensä enemmän jätettä kuin pienemmät kotitaloudet. Yksihenkisten kotitalouksien on kuitenkin raportoitu tuhlaavan eniten ruokaa henkeä kohti laskettuna. Samoin iäkkäät ihmiset tuhlaavat yhtä paljon vältettävissä olevaa ruokaa kuin nuoremmat (1,2 kiloa henkeä kohti viikossa), mikä on ristiriidassa yhteiskunnassamme vallitsevan viisauden kanssa. Joka vuosi syntyy paljon keittiöjätettä, joka on hävitettävä ympäristömme säästämiseksi. Anaerobinen mädätys on keittiöjätteen organisoitu biologinen mädätysprosessi, joka mahdollistaa biokaasun tehokkaan talteenoton ja hyödyntämisen energiantuotantoon. Tämä biokaasu on noin 60 prosenttia metaania ja 40 prosenttia hiilidioksidia. Maaseutualueiden ihmiset ottavat käyttöön biokaasutekniikoita kotitalouksiensa ruoanlaitto- ja valaistustarpeiden tyydyttämiseksi, mikä koskee Khadi and Village Industries-, Janata- ja Deenbandhu-biokaasulaitoksia . Nämä biomassat ovat erinomainen lähde biometaanin ja erilaisten nestemäisten polttoaineiden, kuten biodieselin ja liikenneöljyjen, tuotantoon. Anaerobinen mädätys on yksi tärkeimmistä prosesseista biomassan muuntamiseksi biokaasuksi. Biokaasu muunnetaan synkaasuksi osittaisella hapetuksella tai höyryreformoinnilla. Synkaasu muunnetaan edelleen nestemäisiksi polttoaineiksi käyttämällä erilaisia menetelmiä, kuten Fischer-Tropsch-prosessia, ja metanoinnilla synkaasu muunnetaan metanoliksi, etanoliksi ja erilaisiksi biopolttoaineiksi .