Flammable Gas

6.1 Wstęp

Świadomość istnienia gazu palnego uzyskiwanego z gnijących materiałów roślinnych jest znana od czasów starożytnych Persów. Później, gdy cywilizacja wkroczyła w czasy nowożytne, w Europie zaczęto montować scentralizowane systemy odwadniania i zmniejszać objętość substancji stałych w ściekach poprzez fermentację beztlenową. W tym samym czasie środowisko naukowe koncentrowało się na poszukiwaniu nowych paliw alternatywnych proporcjonalnych do wzrostu liczby ludności, aby zaspokoić rosnące zapotrzebowanie społeczeństwa na energię. Wytwarzanie odpadów jest zawsze proporcjonalne do liczby ludności, przy czym niektóre frakcje odpadów są trudne do recyklingu. Te frakcje powinny być dalej badane dla celów energetycznych (Statistical Review of World Energy, czerwiec 2016). Materiały odpadowe mogą być wielu rodzajów, głównie biodegradowalne, takie jak biomasa, odpady spożywcze itp. oraz niebiodegradowalne, takie jak tworzywa sztuczne, oleje odpadowe, odpady metaliczne. Wiele krajów, takich jak Wielka Brytania (UK) i Niemcy, wykorzystało ten pomysł do produkcji gazu palnego do oświetlenia lamp ulicznych we wczesnych latach 1900 poprzez oczyszczanie ścieków. Pierwsza oczyszczalnia ścieków została zbudowana w Bombaju (obecnie Bombaj), w Indiach, w 1859 roku. W latach 30-tych XX wieku, również w Bombaju, opracowano praktykę wytwarzania gazu palnego z odpadów granulowanych. Na początku lat 60-tych, KVIC (Khadi and Villages Industries Commission) opracowała biogazownie, które były używane przez mieszkańców indyjskich wsi. Wkrótce potem sukces projektu, w którym wykorzystano pływający bęben, stał się podstawą trwającego programu rządu indyjskiego mającego na celu zapewnienie indyjskim wieśniakom paliwa do gotowania.

Na początku lat trzydziestych XVI wieku Jan Baptysta Van Helmont, belgijski chemik, ustalił, że gazy palne można uzyskać z rozkładającej się materii organicznej. W roku 1776, w eksperymencie hrabiego Alessandro Volty, ilość wytwarzanego gazu palnego okazała się wprost proporcjonalna do ilości rozkładającej się materii organicznej. W 1808 roku Sir Humphrey Davy badał, czy podczas beztlenowej fermentacji odpadów bydlęcych powstają gazy metanowe. W 1875 roku Wouter Sluys, holenderski rolnik, po raz pierwszy użył metanu do celów oświetleniowych. Anglia w 1895 roku, kiedy to biogaz został odzyskany ze „starannie zaprojektowanej” oczyszczalni ścieków i użyty do zasilania lamp ulicznych w Exeter. Pierwsza biogazownia w Indiach została zbudowana w 1897 roku w Bombaju .

Chiny zainstalowały 5 milionów instalacji opartych na konstrukcji szamba, podejmując podobną inicjatywę na początku lat 60-tych do 80-tych. Projekty w kształcie kopuły zostały zastąpione przez oryginalny prostokątny zbiornik. Indie opracowały podobne projekty i stworzyły podstawę aktywnego programu w Nepalu z udziałem różnych grup, programu, który jest obecnie nazywany BSP (Biogas Sector Partnership). Chiny, Indie i Nepal stale rozwijają ten program. Ostatnio program ten spotkał się z większym zainteresowaniem w Europie i Wielkiej Brytanii. Ze względu na gwałtowny wzrost cen ropy naftowej, niektóre grupy w Wielkiej Brytanii rozpoczęły wytwarzanie energii w gospodarstwach rolnych przy użyciu biogazu jako alternatywy; było to motywowane przez program indyjski z początku lat 80-tych. Gwałtownie rosnące ceny ropy naftowej zmusiły ludzi do poszukiwania alternatywnych rozwiązań. Spadek cen ropy naftowej, a tym samym energii elektrycznej, który spowodował powrót instalacji niezbyt opłacalnych biogazowni do gospodarstw, pozwolił przetrwać 200 wybudowanym wówczas instalacjom.

Sfermentacja beztlenowa jest jedną z najszerzej stosowanych technologii, ale nadal nie jest w pełni zrozumiała ze względu na skomplikowany proces fermentacji, który zależy głównie od działania mikroorganizmów. Ponadto, wydajność tych mikroorganizmów w dużej mierze zależy od środowiska, w którym przebywają. Wiele modeli matematycznych zostało opracowanych w celu zbadania zachowania procesu i ciągłej optymalizacji nowych modeli. Te modele matematyczne nie mogą być bezpośrednio zastosowane w przemyśle ze względu na „czynnik biologiczny”, który utrudnia proces, który nie jest łatwy do realizacji i sprawia, że fermentacja beztlenowa jest wysoce nieliniowa. Podobnie, w ciągu roku na całym świecie marnuje się ponad 130 milionów ton żywności, co prowadzi do powstawania ogromnej ilości odpadów kuchennych. Odpady kuchenne mają wysoką zawartość organicznych składników odżywczych i szybko rozkładają się w wyniku działania mikroorganizmów. Powoduje to nieprzyjemne zapachy i choroby, które sprawiają, że gospodarka odpadami kuchennymi jest poważnym problemem na całym świecie. Ponieważ odpady kuchenne mają w większości charakter organiczny, są idealnym surowcem do produkcji biogazu i dlatego potencjał odpadów spożywczych i kuchennych jako substratu do produkcji biogazu był szeroko badany. Większość wysiłków badawczych i rozwojowych na całym świecie koncentruje się na metodach produkcji tak zwanych biopaliw drugiej generacji, które są identyfikowane jako mające doskonałe wyniki w zakresie ochrony środowiska, jak również wysoką elastyczność biomasy jako substratu .

Produkcja syngazu z bioodpadów jest istotnym krokiem w produkcji większości biopaliw drugiej generacji. Kilka krajów należących do Organizacji Współpracy Gospodarczej i Rozwoju (OECD) stworzyło własny przemysł biopaliwowy do użytku lokalnego. Roczna światowa produkcja syngazu, pochodzącego głównie z kopalnych źródeł energii, takich jak gaz ziemny, ropa naftowa i węgiel, wynosi około 6 EJ, co odpowiada około 2% całkowitego zużycia energii pierwotnej. Głównymi producentami i konsumentami bioetanolu (ok. 95% światowej produkcji) są Brazylia i Stany Zjednoczone, a biodiesla Niemcy, Austria i Francja. Preferowane surowce obejmują materiały zarówno drzewiaste, jak i trawiaste, a także odpady rolnicze, komunalne i przemysłowe. Syntetyczne paliwa transportowe, takie jak biometanol, bioetanol, eter dwumetylowy (DME), syntetyczny gaz ziemny, paliwo FT (Fischer-Tropsch) i wodór, produkowane i komercjalizowane przez firmy Sasol (RPA) i Mobil (USA), to przykłady paliw, które mogą być przekształcane w syngaz w procesie reformingu parowego. Syngaz uzyskany z biogazu może być wykorzystany do produkcji większej ilości alkoholu.

Gdy rozwój biogazu na całym świecie jest analizowany, Indie i Chiny nie ustępują innym krajom, nawet jeśli siła napędowa pochodzi z Europy Zachodniej. Indie są znane na całym świecie z budowy pierwszej w historii beztlenowej komory fermentacyjnej w 1897 roku, kiedy to ludzkie odpady zostały użyte do wytworzenia gazu do oświetlenia ulic w Matunga Leper Asylum w Bombaju. Intensywne badania w latach 1950, kiedy to opracowano kilka projektów zakładów. Najbardziej niezwykły z nich, znany jako „Grama Laxmi III” został opracowany przez Joshbai Patel (gandyjskiego pracownika z Gujarat). Stał się on prototypem dla późniejszego modelu pływającej kopuły Komisji Przemysłu Khadi i Wsi (KVIC). Po okresie zastoju zainteresowanie biogazem wzrosło ponownie na początku 1960 roku, kiedy to KVIC uruchomiła i rozwinęła standardowe biogazownie. W ten sposób podjęto decyzję o stworzeniu miliona instalacji wielkości rodziny i wielu innych instalacji wspólnotowych rządu w ramach szóstego planu na okres pięciu lat. Program ten utrzymuje się do dziś bez przerwy i osiągnął liczbę 4 milionów instalacji (MNRE 2011). Krajowy program zarządzania biogazem i obornikiem planował utworzenie 150 000 biogazowni „typu rodzinnego” w latach 2009 i 2010.

Biomasa jest jednym z najbardziej skoncentrowanych obszarów w Indiach dla programów energii odnawialnej ze względu na dużą ilość pozostałości generowanych z upraw, jak również zapotrzebowanie na energię. W studium przypadku wzięto pod uwagę 26 upraw z łącznej liczby 39 upraw pozostałości. Ogólnie rzecz biorąc, Indie produkują rocznie 686 MT brutto biomasy resztek pożniwnych, z czego 234 MT (34% brutto) są szacowane jako nadwyżka do produkcji bioenergii. Obszary wiejskie najczęściej wykorzystują uprawy i odpady zwierzęce do produkcji energii, jak również do zaspokojenia potrzeb energetycznych w kuchni. Te dwa podstawowe źródła przyczyniają się do powstawania dużej ilości odpadów kuchennych z gospodarstw domowych i obszarów mieszkalnych. Statystyki mówią, że większe gospodarstwa domowe, w których mieszka więcej osób, produkują więcej odpadów niż ich mniejsze odpowiedniki. Jednak jednoosobowe gospodarstwa domowe marnują najwięcej żywności w przeliczeniu na jednego mieszkańca. Podobnie, osoby starsze marnują tyle samo żywności, co osoby młodsze (1,2 kg na osobę tygodniowo), co jest sprzeczne z przyjętą w naszym społeczeństwie mądrością. Każdego roku powstaje wiele odpadów kuchennych, które muszą zostać usunięte, aby chronić nasze środowisko. Fermentacja beztlenowa jest zorganizowanym procesem biologicznego rozkładu odpadów kuchennych, który pozwala na efektywne wychwytywanie i wykorzystanie biogazu do produkcji energii. Biogaz ten składa się w około 60% z metanu i 40% z CO2. Ludzie na obszarach wiejskich stosują technologie biogazowe, aby zaspokoić swoje potrzeby w zakresie gotowania i oświetlenia w gospodarstwie domowym, w tym biogazownie Khadi i Village Industries, Janata i Deenbandhu. Biomasa ta jest doskonałym źródłem dla biometanizacji i produkcji różnych paliw płynnych, takich jak biodiesel i oleje transportowe. Fermentacja beztlenowa jest jednym z głównych procesów przekształcania biomasy w biogaz. Biogaz jest przekształcany w syngaz poprzez częściowe utlenianie lub reforming parowy. Syngaz jest dalej przekształcany w paliwa płynne przy użyciu różnych metod, takich jak proces Fischera-Tropscha, a przy metanizacji syngaz jest przekształcany w metanol, etanol i różne biopaliwa .