Gaz inflamabil

6.1 Introducere

Cunoașterea gazului inflamabil obținut din materiale vegetale putrede a fost înțeleasă încă de pe vremea când trăiau vechii persani. Mai târziu, când civilizația a intrat în epoca modernă, în Europa s-au montat sisteme centralizate de canalizare și s-a redus volumul de materii solide din apele uzate prin digestie anaerobă. În același timp, comunitatea științifică se concentra pe găsirea de noi combustibili alternativi proporționali cu creșterea populației pentru a satisface cererea tot mai mare de energie a societății. Producția de deșeuri este întotdeauna proporțională cu populația, unele fracțiuni de deșeuri fiind dificil de reciclat. Aceste fracții ar trebui să fie cercetate în continuare în scopuri energetice (Statistical Review of World Energy, iunie 2016). Materialele reziduale pot fi de mai multe tipuri, în principal biodegradabile, cum ar fi biomasa, deșeurile alimentare etc., și non-biodegradabile, cum ar fi materialele plastice, uleiurile uzate și deșeurile metalice. Multe țări, cum ar fi Regatul Unit (UK) și Germania, au folosit această idee pentru a produce gaz inflamabil pentru iluminatul stradal la începutul anilor 1900 prin tratarea apelor uzate . Prima stație de epurare a fost construită în Bombay (cunoscut în prezent sub numele de Mumbai), India, în 1859. În anii 1930, a fost dezvoltată, tot în Bombay, practica de granizare a deșeurilor pentru a genera gaz inflamabil . La începutul anilor 1960, KVIC (Khadi and Villages Industries Commission) a dezvoltat instalații de biogaz care au fost folosite de sătenii indieni. La scurt timp după aceea, succesul proiectului, care folosea un tambur plutitor, a conturat bazele unui program de sensibilizare a guvernului indian în curs de desfășurare pentru a le oferi sătenilor indieni combustibil pentru gătit .

La începutul anilor 1630, Jan Baptista Van Helmont, un chimist belgian, a stabilit că gazele combustibile pot fi obținute din materia organică în descompunere. În anul 1776, în urma experimentului contelui Alessandro Volta, s-a constatat că cantitatea de gaz inflamabil produsă este direct proporțională cu cantitatea de materie organică în descompunere. În 1808, Sir Humphrey Davy a cercetat dacă se produceau gaze metanice în timpul digestiei anaerobe a deșeurilor de bovine . În 1875, Wouter Sluys, un fermier olandez, a folosit pentru prima dată metanul în scopul iluminării. Anglia, în 1895, când biogazul a fost recuperat dintr-o instalație de tratare a apelor uzate „atent proiectată” și a fost utilizat pentru a alimenta lămpile stradale din Exeter. Prima instalație de biogaz din India a fost construită în 1897 în Bombay .

China a instalat 5 milioane de instalații bazate pe un design de fose septice, luând o inițiativă similară la începutul anilor 1960 până în anii 1980. Proiectele în formă de cupolă au fost înlocuite cu rezervorul dreptunghiular original. India a dezvoltat modele similare și a stat la baza unui program activ în Nepal, cu participarea diferitelor grupuri, un program care se numește acum BSP (Biogas Sector Partnership). China, India și Nepal au dezvoltat acest program în mod constant. Acest program a sporit interesul mai recent în Europa și în Regatul Unit. Din cauza creșterii prețurilor la petrol, anumite grupuri din Regatul Unit au început să genereze energie la fermă prin biogaz ca alternativă; acest lucru a fost motivat de programul indian de la începutul anilor 1980 . Când prețurile în creștere ale petrolului au împins oamenii să caute alternative. Scăderea prețului petrolului și, prin urmare, a energiei electrice, care a readus la fermă instalațiile de biogaz nu foarte profitabile, a permis supraviețuirea celor 200 de instalații construite la acea vreme .

Digestia anaerobă este una dintre cele mai larg aplicate tehnologii, dar nu este încă pe deplin înțeleasă din cauza procesului complicat de digestie, care depinde în principal de performanța microorganismelor. De asemenea, performanța acestor microorganisme depinde în mare măsură de mediul în care acestea locuiesc. Au fost dezvoltate multe modele matematice pentru a studia comportamentul procesului și optimizarea continuă a unor noi modele. Aceste modele matematice nu pot fi implementate direct în industrie din cauza „factorului biologic”, care îngreunează un proces care nu este ușor de realizat și care face ca digestia anaerobă să fie foarte neliniară . În mod similar, într-un an, peste 130 de milioane de tone de alimente sunt irosite la nivel mondial, ceea ce duce la generarea unei cantități enorme de deșeuri de bucătărie . Deșeurile de bucătărie au un conținut ridicat de nutrienți organici și se descompun rapid datorită acțiunii microbiene. Acest lucru provoacă mirosuri neplăcute și boli care fac din gestionarea deșeurilor de bucătărie o problemă serioasă în întreaga lume. Deoarece deșeurile de bucătărie sunt în mare parte organice în natură, acestea reprezintă o materie primă ideală pentru producția de biogaz și, prin urmare, potențialul deșeurilor alimentare și de bucătărie ca substrat pentru producția de biogaz a fost studiat pe scară largă. Majoritatea eforturilor de cercetare și dezvoltare la nivel mondial se concentrează asupra metodelor de producere a așa-numiților biocombustibili de a doua generație, care sunt identificați ca având performanțe excelente în ceea ce privește mediul înconjurător, precum și o flexibilitate ridicată a biomasei ca materie primă.

Producția de gaz de sinteză din deșeuri biologice este o etapă vitală în producerea majorității biocombustibililor de a doua generație. Mai multe țări din Organizația pentru Cooperare și Dezvoltare Economică (OCDE) și-au înființat propriile industrii de biocombustibili pentru uz local . Producția anuală de gaz de sinteză la nivel mondial, în principal din surse de energie fosilă, cum ar fi gazele naturale, petrolul și cărbunele, este de aproximativ 6 EJ, ceea ce corespunde la aproximativ 2% din consumul total de energie primară . Principalii producători și consumatori de bioetanol (aproximativ 95% din totalul mondial) sunt Brazilia și Statele Unite; în mod similar, pentru biodiesel, principalii producători și consumatori sunt Germania, Austria și Franța. Materia primă preferată include materiale de natură lemnoasă și ierboasă, precum și deșeuri agricole, municipale și industriale . Combustibilii sintetici pentru transport, cum ar fi biometanolul, bioetanolul, di-metil-eterul (DME), gazul natural sintetic, combustibilul FT (Fischer-Tropsch) și hidrogenul, care sunt produse și comercializate de Sasol (Africa de Sud) și Mobil (Statele Unite), sunt câteva exemple care pot fi transformate în gaz de sinteză printr-un proces de reformare cu abur. Gazul de sinteză derivat din biogaz ar putea fi utilizat pentru o producție mai mare de alcool.

Când se trece în revistă dezvoltarea biogazului în întreaga lume, India și China nu sunt cu nimic mai prejos decât celelalte țări, chiar dacă impulsul vine din Europa de Vest. India este cunoscută în întreaga lume pentru că a construit primul digestor anaerob din istorie în 1897, când deșeurile umane au fost folosite pentru a genera gaz pentru iluminarea străzilor în Azilul de leproși Matunga din Mumbai . Cercetări intensive în anii 1950, când au fost dezvoltate mai multe modele de instalații. Cel mai remarcabil dintre acestea, cunoscut sub numele de „Grama Laxmi III”, a fost dezvoltat de Joshbai Patel (un lucrător gandhian din Gujarat). Acesta a devenit prototipul pentru modelul cu cupolă plutitoare al Khadi and Village Industry Commission (KVIC) de mai târziu. După o pauză, interesul pentru biogaz a fost reînnoit la începutul anilor 1960, când KVIC a înființat și dezvoltat instalații standard de biogaz. S-a decis astfel să se creeze un milion de instalații de dimensiuni familiale și multe alte instalații comunitare ale guvernului, în timpul celui de-al șaselea plan pentru cinci ani. Acesta s-a menținut până în prezent fără întreruperi și a ajuns la 4 milioane de instalații (MNRE 2011). Programul național de gestionare a biogazului și a gunoiului de grajd planificase înființarea a 150 000 de instalații de biogaz „de tip familial” în cursul anilor 2009 și 2010 .

Biomasa este unul dintre domeniile cele mai vizate în India pentru programele de energie regenerabilă, datorită cantității mari de reziduuri generate de culturi, precum și a cererii de energie. Aproximativ 26 de culturi dintr-un total de 39 de culturi de reziduuri sunt luate în considerare pentru studiul de caz . În total, India produce anual 686 MT de biomasă brută de reziduuri de culturi, din care 234 MT (34% din cantitatea brută) sunt estimate ca fiind excedentare pentru producerea de bioenergie. Zonele rurale utilizează în principal culturile și deșeurile de origine animală pentru producția de energie, precum și pentru a satisface nevoile de energie pentru gătit. Acestea două sunt sursele principale care contribuie la o cantitate mare de deșeuri de bucătărie din gospodării și zone rezidențiale. Statisticile spun că gospodăriile mai mari, care găzduiesc mai multe persoane, tind să producă mai multe deșeuri decât omologii lor mai mici. Cu toate acestea, gospodăriile formate dintr-o singură persoană au fost raportate ca fiind cele care risipesc cele mai multe alimente pe cap de locuitor. În mod similar, persoanele în vârstă risipesc la fel de multă mâncare care poate fi evitată ca și persoanele mai tinere (1,2 kg pe persoană pe săptămână), un fapt care contrazice înțelepciunea acceptată în societatea noastră. În fiecare an se generează o mulțime de deșeuri de bucătărie care trebuie eliminate pentru a ne salva mediul înconjurător. Digestia anaerobă este un proces biologic organizat de descompunere a deșeurilor de bucătărie care permite captarea și utilizarea eficientă a biogazului pentru producerea de energie. Acest biogaz este format din aproximativ 60% metan și 40% CO2. Oamenii din zonele rurale să adopte tehnologiile de biogaz pentru a-și satisface nevoile de gătit și iluminat în gospodărie, implică Khadi și Village Industries, Janata și Deenbandhu instalații de biogaz . Aceste biomase sunt o sursă excelentă pentru biometanizare și producerea de diverși combustibili lichizi, cum ar fi biodiesel și uleiuri de transport. Digestia anaerobă este unul dintre principalele procese de transformare a biomasei în biogaz . Biogazul este transformat în gaz de sinteză prin oxidare parțială sau reformare cu abur. Gazul de sinteză este transformat în continuare în combustibili lichizi prin diferite metode, cum ar fi procesul Fischer-Tropsch, iar prin metanare gazul de sinteză este transformat în metanol, etanol și diverși biocombustibili.

.