Brandfarlig gas

6.1 Introduktion

Vetenskapen om brandfarlig gas som erhålls från ruttna vegetabiliska material har funnits ända sedan den tid då de gamla perserna levde. Senare, när civilisationen gick in i modern tid, monterades i Europa centraliserade avloppssystem och volymen fast material i avloppsvattnet reducerades genom anaerob nedbrytning. Samtidigt inriktade sig vetenskapen på att hitta nya alternativa bränslen som stod i proportion till befolkningstillväxten för att tillgodose samhällets växande energibehov. Avfallsproduktionen är alltid proportionell mot befolkningen, och vissa avfallsfraktioner är svåra att återvinna. Dessa fraktioner bör undersökas ytterligare för energiändamål (Statistical Review of World Energy, juni 2016). Avfallsmaterial kan vara av många typer, främst biologiskt nedbrytbara som biomassa, matavfall osv. och icke-biologiskt nedbrytbara som plast, spilloljor och metallavfall. Många länder som Storbritannien (UK) och Tyskland har använt sig av denna idé för att producera brännbar gas för att tända gatulampor i början av 1900-talet genom att behandla avloppsvatten . Det första reningsverket byggdes i Bombay (numera Mumbai) i Indien 1859. På 1930-talet utvecklades metoden att grilla avfall för att generera brännbar gas, återigen i Bombay . I början av 1960-talet utvecklade KVIC (Khadi and Villages Industries Commission) biogasanläggningar som användes av indiska bybor. Kort därefter blev framgången med konstruktionen, som använde en flytande trumma, grunden för ett pågående program från den indiska regeringen för att förse indiska bybor med matlagningsbränsle.

I början av 1630-talet konstaterade den belgiske kemisten Jan Baptista Van Helmont att brännbara gaser kunde erhållas från nedbrytning av organiskt material. År 1776 visade sig mängden brännbar gas som producerades vara direkt proportionell mot mängden ruttnande organiskt material genom greve Alessandro Voltas experiment. År 1808 undersökte Sir Humphrey Davy om metangas producerades vid anaerob nedbrytning av boskapsavfall . År 1875 använde Wouter Sluys, en nederländsk jordbrukare, för första gången metan för belysning. I England 1895, då biogas utvinns från en ”omsorgsfullt utformad” reningsanläggning och används som bränsle för gatulampor i Exeter. Den första biogasanläggningen i Indien byggdes 1897 i Bombay .

Kina installerade 5 miljoner anläggningar baserade på en septisk tankkonstruktion genom att ta ett liknande initiativ i början av 1960-talet fram till 1980-talet. De kupolformade konstruktionerna ersattes av den ursprungliga rektangulära tanken. Indien utvecklade liknande konstruktioner och utgjorde grunden för ett aktivt program i Nepal med deltagande av olika grupper, ett program som nu kallas BSP (Biogas Sector Partnership). Kina, Indien och Nepal har utvecklat detta program stadigt. Programmet har på senare tid fått ökat intresse i Europa och Storbritannien. På grund av de höga oljepriserna började vissa grupper i Storbritannien med energiproduktion på gårdarna genom biogas som ett alternativ; detta motiverades av det indiska programmet i början av 1980-talet . När de skyhöga oljepriserna tvingade människor att söka efter alternativ. Det fallande oljepriset, och därmed elpriset, som återförde de installationer som inte var särskilt lönsamma för biogas till gården, gjorde det möjligt för de 200 installationer som byggdes vid den tiden att överleva .

Anaerob rötning är en av de mest tillämpade teknikerna, men den är fortfarande inte helt förstådd på grund av den komplicerade rötningsprocessen, som huvudsakligen beror på mikroorganismernas prestanda. Dessutom beror dessa mikroorganismers prestanda till stor del på den miljö där de befinner sig. Många matematiska modeller har utvecklats för att studera processens beteende och den pågående optimeringen av nya modeller. Dessa matematiska modeller kan inte direkt tillämpas i industrin på grund av den ”biologiska faktorn”, som försvårar en process som inte är lätt att förverkliga och som gör den anaeroba rötningen mycket olinjär . På samma sätt slängs mer än 130 miljoner ton mat per år i världen, vilket leder till att det uppstår en enorm mängd köksavfall . Köksavfallet har ett högt innehåll av organiska näringsämnen och bryts snabbt ned på grund av den mikrobiella aktiviteten. Detta orsakar dålig lukt och sjukdomar som gör köksavfallshanteringen till ett allvarligt problem över hela världen. Eftersom köksavfallet till största delen består av organiska ämnen är det en idealisk råvara för biogasproduktion, och därför har potentialen hos livsmedels- och köksavfall som substrat för biogasproduktion studerats i stor omfattning. De flesta forsknings- och utvecklingsinsatser världen över är inriktade på metoder för att framställa så kallade andra generationens biobränslen som anses ha utmärkta miljöprestanda samt hög flexibilitet i fråga om biomassans råmaterial .

Produktion av syntesgas från bioavfall är ett viktigt steg i framställningen av de flesta andra generationens biobränslen. Flera länder inom Organisationen för ekonomiskt samarbete och utveckling (OECD) har inrättat egna biobränsleindustrier för lokal användning . Den årliga globala produktionen av syntesgas, huvudsakligen från fossila energikällor som naturgas, olja och kol, uppgår till cirka 6 EJ, vilket motsvarar cirka 2 % av den totala primärenergiförbrukningen . De största producenterna och konsumenterna av bioetanol (cirka 95 % av den totala mängden i världen) är Brasilien och Förenta staterna, och när det gäller biodiesel är de främsta producenterna och konsumenterna Tyskland, Österrike och Frankrike. De föredragna råvarorna omfattar material som är både vedartade och gräsartade samt jordbruksavfall, kommunalt avfall och industriavfall . Syntetiska transportbränslen som biometanol, bioetanol, di-metyleter (DME), syntetisk naturgas, FT-bränsle (Fischer-Tropsch) och vätgas, som produceras och saluförs av Sasol (Sydafrika) och Mobil (Förenta staterna), är några exempel på bränslen som kan omvandlas till syntesgas med hjälp av en ångreformeringsprocess. Den syntesgas som utvinns ur biogas kan användas för högre alkoholproduktion.

När biogasutvecklingen i världen granskas står Indien och Kina inte efter de andra länderna, även om drivkraften kommer från Västeuropa. Indien är känt över hela världen för att ha byggt den första anaeroba rötkammaren någonsin 1897, då mänskligt avfall användes för att generera gas för att belysa gatorna i Matunga Leper Asylum i Mumbai . Intensiv forskning under åren 1950, då flera konstruktioner av anläggningar utvecklades. Den mest anmärkningsvärda av dem, känd som ”Grama Laxmi III”, utvecklades av Joshbai Patel (en gandhianarbetare från Gujarat). Den blev prototypen för den senare modellen för den flytande kupolen från Khadi and Village Industry Commission (KVIC). Efter en paus återuppväcktes intresset för biogas i början av 1960-talet när KVIC inrättade och utvecklade standardiserade biogasanläggningar. Det beslutades således att skapa en miljon anläggningar av familjestorlek och många andra gemenskapsanläggningar av regeringen, under den sjätte planen för fem år. Det har hållit sig fram till nu utan avbrott och har nått upp till 4 miljoner anläggningar (MNRE 2011). Det nationella programmet för biogas och gödselhantering hade planerat att inrätta 150 000 biogasanläggningar av ”familjetyp” under 2009 och 2010 .

Biomassa är ett av de mest fokuserade områdena i Indien för program för förnybar energi på grund av den stora mängden restprodukter som genereras från grödor samt energibehovet. Omkring 26 grödor av totalt 39 restgrödor beaktas i fallstudien . Totalt sett producerar Indien 686 miljoner ton brutto biomassa från skörderester på årsbasis, varav 234 miljoner ton (34 % av brutto) beräknas vara överskott för bioenergiproduktion. På landsbygden används främst grödor och animaliskt avfall för energiproduktion och för att tillgodose behovet av energi för matlagning. Dessa två är de främsta källorna som bidrar till en stor mängd köksavfall från hushåll och bostadsområden. Statistiken visar att större hushåll som rymmer fler personer tenderar att producera mer avfall än sina mindre motsvarigheter. Enpersonshushåll har dock rapporterats vara de hushåll som slänger mest mat per capita. På samma sätt slänger äldre människor lika mycket mat som kan undvikas som yngre människor (1,2 kg per person och vecka), ett faktum som motsäger den vedertagna visdomen i vårt samhälle. Varje år uppstår mycket köksavfall som måste bortskaffas för att rädda vår miljö. Anaerob nedbrytning är en organiserad biologisk nedbrytningsprocess av köksavfallet som gör det möjligt att effektivt fånga upp och utnyttja biogas för energiproduktion. Biogasen består till cirka 60 % av metan och 40 % av koldioxid. Människor på landsbygden som vill införa biogasteknik för att tillgodose sina behov av matlagning och belysning i hushållet, omfattar Khadi and Village Industries, Janata och Deenbandhu biogasanläggningar . Dessa biomassor är en utmärkt källa för biometanisering och produktion av olika flytande bränslen, t.ex. biodiesel och transportoljor. Anaerob nedbrytning är en av de viktigaste processerna för att omvandla biomassa till biogas . Biogas omvandlas till syntesgas genom partiell oxidation eller ångreformering. Syngasen omvandlas vidare till flytande bränslen med hjälp av olika metoder, t.ex. Fischer-Tropsch-processen, och med metanisering omvandlas syngasen till metanol, etanol och olika biobränslen.