Vlambaar gas

6.1 Inleiding

Het besef van brandbaar gas dat uit rot plantaardig materiaal wordt verkregen, bestaat al sinds de tijd dat de oude Perzen leefden. Later, toen de beschaving haar intrede deed in de moderne tijd, werden in Europa gecentraliseerde afvoersystemen aangelegd en werd het volume vaste stof in het rioolwater verminderd door anaërobe vergisting. Tegelijkertijd richtte de wetenschappelijke gemeenschap zich op het vinden van nieuwe alternatieve brandstoffen die evenredig waren met de bevolkingsgroei om aan de groeiende vraag naar energie van de samenleving te voldoen. De afvalproductie is altijd evenredig met de bevolking, waarbij sommige afvalfracties moeilijk te recycleren zijn. Deze fracties moeten verder worden onderzocht voor energiedoeleinden (Statistical Review of World Energy, juni 2016). Afvalstoffen kunnen van velerlei aard zijn, voornamelijk biologisch afbreekbaar zoals biomassa, voedselafval, enz. en niet biologisch afbreekbaar zoals kunststoffen, afgewerkte olie en metaalafval. Veel landen, zoals het Verenigd Koninkrijk (VK) en Duitsland, hebben dit idee begin 1900 toegepast om brandbaar gas te produceren voor de verlichting van straatlantaarns door rioolwater te behandelen. De eerste rioolwaterzuiveringsinstallatie werd gebouwd in Bombay (het huidige Mumbai), India, in 1859. In de jaren 1930 werd de praktijk van het malen van afval om brandbaar gas te genereren ontwikkeld, opnieuw in Bombay . In het begin van de jaren 1960 ontwikkelde de KVIC (Khadi and Villages Industries Commission) biogasinstallaties die door Indiase dorpsbewoners werden gebruikt. Kort daarna vormde het succes van het ontwerp, dat gebruik maakte van een drijvende trommel, de basis van een lopend programma van de Indiase regering om Indiase dorpelingen te voorzien van brandstof om te koken.

In het begin van de jaren 1630 stelde Jan Baptista Van Helmont, een Belgische scheikundige, vast dat brandbare gassen konden worden verkregen uit ontbindend organisch materiaal. In het jaar 1776 bleek de hoeveelheid geproduceerd brandbaar gas recht evenredig te zijn met de hoeveelheid rottend organisch materiaal door het experiment van graaf Alessandro Volta. In 1808 onderzocht Sir Humphrey Davy of er methaangassen vrijkwamen bij de anaërobe vertering van veeafval. In 1875 gebruikte Wouter Sluys, een Nederlandse boer, voor het eerst methaan voor verlichtingsdoeleinden. Engeland in 1895, toen biogas werd gewonnen uit een “zorgvuldig ontworpen” rioolwaterzuiveringsinstallatie en werd gebruikt als brandstof voor straatlantaarns in Exeter. De eerste biogasinstallatie in India werd in 1897 gebouwd in Bombay.

China installeerde 5 miljoen installaties op basis van een septisch tankontwerp door een soortgelijk initiatief te nemen in het begin van de jaren 1960 tot in de jaren 1980. De koepelvormige ontwerpen werden vervangen door de oorspronkelijke rechthoekige tank. India ontwikkelde soortgelijke ontwerpen en vormde de basis van een actief programma in Nepal met de deelname van verschillende groepen, een programma dat nu BSP (Biogas Sector Partnership) wordt genoemd. China, India en Nepal hebben dit programma gestadig ontwikkeld. Meer recentelijk is de belangstelling voor dit programma in Europa en het VK toegenomen. Als gevolg van de olieprijspieken zijn bepaalde groepen in het VK begonnen met het opwekken van energie op boerderijen door middel van biogas als alternatief; dit werd gemotiveerd door het Indiase programma in het begin van de jaren tachtig. Toen de olieprijzen de pan uit rezen, gingen de mensen op zoek naar alternatieven. Door de daling van de olieprijs, en dus van de elektriciteitsprijs, waardoor de installaties van niet erg rendabele biogassen naar de boerderij terugkeerden, konden de 200 in die tijd gebouwde installaties overleven .

Anaërobe vergisting is een van de meest op grote schaal toegepaste technologieën, maar wordt nog steeds niet volledig begrepen vanwege het ingewikkelde vergistingsproces, dat hoofdzakelijk afhangt van de prestaties van de micro-organismen. De prestaties van deze micro-organismen hangen ook grotendeels af van de omgeving waarin zij zich bevinden. Er zijn vele wiskundige modellen ontwikkeld om het gedrag van het proces te bestuderen en er wordt voortdurend gewerkt aan de optimalisering van nieuwe modellen. Deze wiskundige modellen kunnen niet rechtstreeks in de industrie worden toegepast vanwege de “biologische factor”, die een belemmering vormt voor een proces dat niet gemakkelijk te realiseren is en anaërobe vergisting sterk niet-lineair maakt . Ook wordt per jaar wereldwijd meer dan 130 miljoen ton voedsel verspild, wat leidt tot de productie van een enorme hoeveelheid keukenafval . Keukenafval heeft een hoog gehalte aan organische voedingsstoffen en ontbindt snel door de microbiële werking. Dit veroorzaakt kwalijke geuren en ziekten, waardoor het beheer van keukenafval overal ter wereld een ernstig probleem wordt. Aangezien keukenafval overwegend organisch van aard is, is het een ideale grondstof voor de productie van biogas en daarom is het potentieel van voedsel- en keukenafval als substraat voor de productie van biogas uitgebreid bestudeerd. De meeste onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen wereldwijd zijn gericht op methoden voor de productie van zogenaamde biobrandstoffen van de tweede generatie, waarvan is vastgesteld dat ze uitstekende milieuprestaties en een grote flexibiliteit van de biomassabasis hebben.

De productie van syngas uit bioafval is een essentiële stap bij het maken van de meeste biobrandstoffen van de tweede generatie. Verscheidene landen van de Organisatie voor Economische Samenwerking en Ontwikkeling (OESO) hebben hun eigen biobrandstofindustrie opgezet voor lokaal gebruik . De jaarlijkse wereldwijde productie van syngas, hoofdzakelijk uit fossiele energiebronnen zoals aardgas, olie en steenkool, bedraagt ongeveer 6 EJ, wat overeenkomt met ongeveer 2% van het totale primaire energieverbruik . De belangrijkste producenten en consumenten van bio-ethanol (ongeveer 95% van het wereldwijde totaal) zijn Brazilië en de Verenigde Staten; voor biodiesel zijn Duitsland, Oostenrijk en Frankrijk de belangrijkste. Als grondstof worden bij voorkeur houtachtige en grasachtige materialen gebruikt, alsmede landbouw-, stads- en industrieafval. Synthetische transportbrandstoffen zoals biomethanol, bio-ethanol, di-methylether (DME), synthetisch aardgas, FT (Fischer-Tropsch)-brandstof en waterstof, die worden geproduceerd en gecommercialiseerd door Sasol (Zuid-Afrika) en Mobil (Verenigde Staten), zijn voorbeelden van brandstoffen die in syngas kunnen worden omgezet door middel van een stoomreformeringsproces. Het uit biogas gewonnen syngas zou kunnen worden gebruikt voor een hogere alcoholproduktie.

Wanneer de ontwikkeling van biogas in de wereld wordt bekeken, doen India en China niet onder voor de andere landen, ook al komt de stuwkracht uit West-Europa. India is in de hele wereld bekend om de bouw van de allereerste anaërobe vergister in 1897, toen menselijk afval werd gebruikt om gas te genereren voor de verlichting van straten in het Matunga Leper Asylum in Mumbai . Intensief onderzoek in de jaren 1950, toen verschillende ontwerpen van installaties werden ontwikkeld. De meest opmerkelijke daarvan, bekend als “Grama Laxmi III” werd ontwikkeld door Joshbai Patel (een Gandhiaanse arbeider uit Gujarat). Het werd het prototype voor het later door de Khadi and Village Industry Commission (KVIC) ontwikkelde model met drijvende koepel. Na een pauze kwam er in het begin van de jaren 1960 opnieuw belangstelling voor biogas toen de KVIC standaard biogasinstallaties opzette en ontwikkelde. Zo werd besloten om tijdens het zesde plan gedurende vijf jaar een miljoen installaties van gezinsformaat en vele andere communautaire installaties van de overheid te creëren. Het heeft zichzelf tot nu toe zonder onderbreking volgehouden en heeft 4 miljoen installaties bereikt (MNRE 2011). Het nationale programma voor biogas- en mestbeheer had gepland om in 2009 en 2010 150.000 biogasinstallaties van het “gezinstype” op te zetten.

Biomassa is een van de meest gefocuste gebieden in India voor programma’s voor hernieuwbare energie, vanwege de grote hoeveelheid residuen die uit gewassen worden gegenereerd en de vraag naar energie. Ongeveer 26 gewassen van de in totaal 39 residu-gewassen zijn in de casestudy opgenomen. In totaal produceert India jaarlijks 686 ton bruto biomassa uit gewasresidu’s, waarvan naar schatting 234 ton (34% van het bruto) als overschot kan worden gebruikt voor de opwekking van bio-energie. Plattelandsgebieden gebruiken voornamelijk gewassen en dierlijk afval voor energieproductie en om te voorzien in de behoefte aan energie om te koken. Deze twee zijn de voornaamste bronnen die bijdragen tot een grote hoeveelheid keukenafval van huishoudens en woonwijken. Uit de statistieken blijkt dat grotere huishoudens die meer mensen huisvesten, meer afval produceren dan hun kleinere tegenhangers. Naar verluidt verspillen eenpersoonshuishoudens echter het meeste voedsel per hoofd van de bevolking. Ook verspillen ouderen evenveel vermijdbaar voedsel als jongeren (1,2 kg per persoon per week), een feit dat in strijd is met de algemeen aanvaarde wijsheid in onze samenleving. Elk jaar wordt veel keukenafval geproduceerd dat moet worden opgeruimd om ons milieu te redden. Anaërobe vergisting is een georganiseerd biologisch rottingsproces van het keukenafval dat het mogelijk maakt biogas efficiënt op te vangen en te gebruiken voor de opwekking van energie. Dit biogas bestaat voor ongeveer 60% uit methaan en voor 40% uit CO2. Mensen in plattelandsgebieden passen biogastechnologieën toe om aan hun huishoudelijke kook- en verlichtingsbehoeften te voldoen, zoals Khadi en Village Industries, Janata en Deenbandhu biogasinstallaties. Deze biomassa’s zijn een uitstekende bron voor biomethanisering en de productie van verschillende vloeibare brandstoffen zoals biodiesel en transportoliën. Anaërobe vergisting is een van de belangrijkste processen om de biomassa om te zetten in biogas. Biogas wordt omgezet in syngas door gedeeltelijke oxidatie of reforming met stoom. Het syngas wordt verder omgezet in vloeibare brandstoffen met behulp van verschillende methoden zoals het Fischer-Tropsch proces en met methanatie wordt het syngas omgezet in methanol, ethanol, en verschillende biobrandstoffen.