Gyúlékony gáz

6.1 Bevezetés

A rothadó növényi anyagokból nyert gyúlékony gáz ismerete már az ókori perzsák óta ismert. Később, amikor a civilizáció belépett a modern korba, Európában központosított csatornarendszereket szereltek fel, és a szennyvízben lévő szilárd anyagok mennyiségét anaerob emésztéssel csökkentették. Ezzel egyidejűleg a tudományos közösség arra összpontosított, hogy a népesség növekedésével arányosan új alternatív tüzelőanyagokat találjon a társadalom növekvő energiaigényének kielégítésére. A hulladéktermelés mindig arányos a lakosság számával, és egyes hulladékfrakciókat nehéz újrahasznosítani. Ezeket a frakciókat tovább kell vizsgálni energetikai célokra (Statistical Review of World Energy, 2016. június). A hulladékanyagok sokfélék lehetnek, főként biológiailag lebomló, mint például biomassza, élelmiszerhulladékok stb. és nem biológiailag lebomló, mint például műanyagok, fáradt olajok és fémhulladékok. Számos ország, például az Egyesült Királyság (UK) és Németország az 1900-as évek elején a szennyvíz kezelésével gyúlékony gázt állított elő az utcai lámpák világításához . Az első szennyvíztisztító telep az indiai Bombayben (jelenleg Mumbai néven ismert) épült 1859-ben. Az 1930-as években, szintén Bombayben, kidolgozták azt a gyakorlatot, hogy a szennyvízhulladékot éghető gáz előállítására használják . Az 1960-as évek elején a KVIC (Khadi and Villages Industries Commission) biogázüzemeket fejlesztett ki, amelyeket az indiai falusiak használtak. Nem sokkal később az úszó dobot használó konstrukció sikere megalapozta az indiai kormány folyamatban lévő, az indiai falusiak főzési tüzelőanyaggal való ellátását célzó programját .

Az 1630-as évek elején Jan Baptista Van Helmont belga kémikus megállapította, hogy a szerves anyagok bomlásából éghető gázokat lehet nyerni. Az 1776-os évben Alessandro Volta gróf kísérletében megállapították, hogy a keletkező gyúlékony gáz mennyisége egyenesen arányos a bomló szerves anyag mennyiségével. 1808-ban Sir Humphrey Davy azt vizsgálta, hogy a szarvasmarha-hulladék anaerob emésztése során keletkeznek-e metángázok . 1875-ben Wouter Sluys, egy holland gazdálkodó használta először a metánt megvilágítási célokra. Angliában 1895-ben, amikor egy “gondosan megtervezett” szennyvíztisztító létesítményből biogázt nyertek ki, és Exeterben utcai lámpák működtetésére használták. Indiában az első biogázüzem 1897-ben épült Bombayben .

Kína az 1960-as évek elejétől az 1980-as évekig hasonló kezdeményezéssel 5 millió, szeptikus tartályos kialakításon alapuló üzemet telepített. A kupola alakú kialakításokat felváltotta az eredeti téglalap alakú tartály. India hasonló terveket fejlesztett ki, és különböző csoportok részvételével egy aktív program alapját képezte Nepálban, egy olyan programét, amelyet ma BSP-nek (Biogas Sector Partnership) neveznek. Kína, India és Nepál folyamatosan fejlesztette ezt a programot. Ez a program az utóbbi időben egyre nagyobb érdeklődést vált ki Európában és az Egyesült Királyságban. Az olajárak megugrása miatt az Egyesült Királyságban egyes csoportok alternatívaként biogázzal történő energiatermelésbe kezdtek a gazdaságokban; ezt az 1980-as évek elején indított indiai program motiválta. Amikor az emelkedő olajárak arra késztették az embereket, hogy alternatívákat keressenek. Az olajár és így a villamos energia árának esése, amely a nem túl jövedelmező biogáz üzemeket visszavitte a gazdaságba, lehetővé tette az akkoriban épített 200 létesítmény túlélését .

Az anaerob emésztés az egyik legszélesebb körben alkalmazott technológia, de még mindig nem teljesen ismert a bonyolult emésztési folyamat miatt, amely elsősorban a mikroorganizmusok teljesítményétől függ. Ezen mikroorganizmusok teljesítménye nagymértékben függ attól a környezettől is, amelyben tartózkodnak. Számos matematikai modellt fejlesztettek ki a folyamat viselkedésének tanulmányozására és az új modellek folyamatos optimalizálására. Ezek a matematikai modellek nem alkalmazhatók közvetlenül az iparban a “biológiai tényező” miatt, amely akadályozza a nem könnyen megvalósítható folyamatot, és az anaerob emésztést erősen nemlineárissá teszi . Hasonlóképpen, egy évben világszerte több mint 130 millió tonna élelmiszert pazarolnak el, ami óriási mennyiségű konyhai hulladék keletkezéséhez vezet . A konyhai hulladéknak magas a szerves tápanyagtartalma, és a mikrobiális hatásnak köszönhetően gyorsan lebomlik. Ez rossz szagokat és betegségeket okoz, ami a konyhai hulladékkezelést világszerte komoly problémává teszi. Mivel a konyhai hulladék többnyire szerves anyagokat tartalmaz, ideális alapanyag a biogáztermeléshez, ezért széles körben tanulmányozták az élelmiszer- és konyhai hulladékban, mint a biogáztermelés szubsztrátjában rejlő lehetőségeket. A legtöbb kutatási és fejlesztési erőfeszítés világszerte az úgynevezett második generációs bioüzemanyagok előállítására irányuló módszerekre összpontosít, amelyek kiváló környezeti teljesítményt és nagyfokú biomassza alapanyag rugalmasságot mutatnak .

A biohulladékból származó szingáz előállítása létfontosságú lépés a legtöbb második generációs bioüzemanyag előállításában. A Gazdasági Együttműködési és Fejlesztési Szervezet (OECD) számos országa létrehozta saját bioüzemanyag-iparát helyi felhasználásra . A főként fosszilis energiaforrásokból, például földgázból, kőolajból és szénből előállított szingáz éves világszintű termelése körülbelül 6 EJ, ami a teljes primerenergia-fogyasztás mintegy 2%-ának felel meg . A bioetanol legnagyobb termelői és fogyasztói (a világ összes bioetanoljának mintegy 95%-a) Brazília és az Egyesült Államok; hasonlóképpen a biodízel esetében Németország, Ausztria és Franciaország az elsődleges gyártók és fogyasztók. Az előnyben részesített alapanyagok közé tartoznak a fás és füves jellegű anyagok, valamint a mezőgazdasági, kommunális és ipari hulladékok . A szintetikus közlekedési üzemanyagok, mint a biometanol, a bioetanol, a di-metil-éter (DME), a szintetikus földgáz, az FT (Fischer-Tropsch) üzemanyag és a hidrogén, amelyeket a Sasol (Dél-Afrika) és a Mobil (Egyesült Államok) állít elő és forgalmaz, néhány példa, amelyek gőzreformálással szingázzá alakíthatók. A biogázból nyert szinogázt nagyobb mennyiségű alkohol előállítására lehetne felhasználni.

Ha a biogáz fejlesztését világszerte áttekintjük, India és Kína nem marad el a többi országtól, még akkor sem, ha a lökés Nyugat-Európából érkezik. India világszerte ismert arról, hogy 1897-ben megépítette az első anaerob emésztőberendezést, amikor az emberi hulladékot a mumbai Matunga Lepramenhelyen utcai világításhoz használt gáz előállítására használták. Az 1950-es években intenzív kutatások folytak, amikor is többféle kialakítású üzemet fejlesztettek ki. A legfigyelemreméltóbbat, a “Grama Laxmi III” néven ismertet Joshbai Patel (egy gandhiánus munkás Gudzsarátból) fejlesztette ki. Ez lett a későbbi Khadi and Village Industry Commission (KVIC) úszókupolás modelljének prototípusa. A biogáz iránti érdeklődés egy szünet után az 1960-as évek elején újult meg, amikor a KVIC szabványos biogázüzemeket hozott létre és fejlesztett ki. Így határozták el, hogy a hatodik terv során öt évre egymillió családi méretű létesítményt és sok más közösségi létesítményt hoz létre a kormány. Ez mind a mai napig töretlenül fenntartotta magát, és elérte a 4 millió üzemet (MNRE 2011). A nemzeti biogáz- és trágyagazdálkodási program 2009 és 2010 során 150 000 “családi típusú” biogázüzem létrehozását tervezte .

A biomassza az egyik leginkább fókuszált terület Indiában a megújuló energiaprogramok számára a terményekből keletkező maradékanyagok nagy mennyisége és az energiaigény miatt. Az esettanulmányban összesen 39 maradéknövényből mintegy 26 növényt veszünk figyelembe . Összességében India éves szinten 686 tonna bruttó növényi maradvány biomasszát termel, amelyből 234 tonna (a bruttó 34%-a) a becslések szerint bioenergia-termelésre alkalmas többlet. A vidéki területeken a növényeket és az állati hulladékokat leginkább energiatermelésre, valamint a főzési energiaszükséglet kielégítésére használják fel. Ez a két elsődleges forrás járul hozzá a háztartásokból és lakóövezetekből származó konyhai hulladék nagy mennyiségéhez. A statisztikák szerint a nagyobb háztartások, amelyekben több ember él, általában több hulladékot termelnek, mint kisebb társaik. A jelentések szerint azonban az egyszemélyes háztartásokban pazarolják a legtöbb élelmiszert egy főre vetítve. Hasonlóképpen, az idősebbek ugyanannyi elkerülhető élelmiszert pazarolnak el, mint a fiatalabbak (1,2 kg/fő/hét), ami ellentmond a társadalmunkban elfogadott bölcsességnek. Évente rengeteg konyhai hulladék keletkezik, amelyet környezetünk megóvása érdekében meg kell semmisíteni. Az anaerob lebontás a konyhai hulladék szervezett biológiai bomlási folyamata, amely lehetővé teszi a biogáz hatékony befogását és energetikai célú hasznosítását. Ez a biogáz körülbelül 60%-ban metánból és 40%-ban CO2-ből áll. A vidéki területeken élő emberek biogáz-technológiákat alkalmaznak a háztartási főzési és világítási igényeik kielégítésére, ami magában foglalja a Khadi and Village Industries, Janata és Deenbandhu biogázüzemeket . Ezek a biomasszák kiváló forrást jelentenek a biometanizáláshoz és különböző folyékony üzemanyagok, például biodízel és közlekedési olajok előállításához. Az anaerob emésztés az egyik fő folyamat a biomassza biogázzá történő átalakítására. A biogázt részleges oxidációval vagy gőzreformálással alakítják szingázzá. A szingázt különböző módszerekkel, például a Fischer-Tropsch-eljárással folyékony üzemanyaggá alakítják, metanizálással pedig a szingázt metanollá, etanollá és különböző bioüzemanyagokká alakítják át.