Kiedy substancje organiczne takie jak żywność i obornik rozkładają się w środowisku beztlenowym powstaje gaz składający się od 40 do 70% z metanu. Gdy gaz ten jest spalany przechodzi on proces czystego spalania podobnie do gazu naturalnego. Ten gaz znany jest pod nazwą biogazu i stanowi źródło energii odnawialnej. Biogaz może być wytwarzany w sposób naturalny na składowiskach odpadów lub wewnątrz komory fermentacyjnej. To drugie rozwiązanie staje się coraz popularniejsze w produkcji biogazu dla celów komercyjnych.
Ten raport skupia się na produkcji biogazu w komorze fermentacyjnej. Kraje takie jak Szwecja, Niemcy, Dania i Austria posiadają znaczną liczbę biogazowni i należą do pionierów oraz wiodących producentów biogazu dla celów komercyjnych na świecie.
Sam proces produkcji biogazu jest dość prostym procesem, który nie wymaga zaawansowanej technologii. Procesy składające się na produkcję biogazu są procesami biologicznymi i chemicznymi. Rysunek na następnej stronie pokazuje proces produkcji biogazu w komorze fermentacyjnej.
Pokazuje on iż substraty/surowiec/substancji organicznych, które będą użyte jako materiał do produkcji biogazu będą wpompowane do środka komory fermentacyjnej poprzez rury. Substraty będą przechowywane w środku komory fermentacyjnej przez kilka dni celem ich przetrawienia i rozkładu a gaz powstały w ten sposób jest przechwytywany i transportowany rurami do górnej części komory fermentacyjnej a następnie przechowywany w środku zbiornika biogazu do dalszego wykorzystania. Wyprodukowany w ten sposób biogaz zawiera od 40 do 70% metanu oraz od 30 do 60 % dwutlenku węgla. Biogaz jest paliwem o czystym spalaniu i w związku z powyższym stanowi dobre źródło energii odnawialnej. Na zakończenie procesu przetworzone substraty zostaną wypompowane z komory fermentacyjnej. Przetworzone substraty są bogate w składniki odżywcze i mogą zostać użyte jako nawóz rolniczy. Podczas procesu fermentacji składniki odżywcze, które są bogate w składniki organiczne takie jak azot, są mineralizowane i mogą łatwo łączyć się z glebą, przez co w rezultacie są łatwiej absorbowane przez rośliny.
Fermentacja : procesy biologiczne i chemiczne
Fermentacja jest procesem rozkładu materii organicznej, który zachodzi w środowisku beztlenowym. Aby wytworzyć biogaz, materia organiczna musi być przetworzona przez metanogeny, typ bakterii produkujących metan. Fermentacja, która ma miejsce w komorze fermentacyjnej składa się z 3 etapów , za które odpowiadają bakterie.
Podczas procesu hydrolizy, białka, tłuszcze i węglowodany są rozbijane na kwasy takie jak aminokwasy, długie łańcuchy kwasów tłuszczowych i cukier. Po rozbiciu na kwasy w procesie zakwaszania, bakterie
produkujące kwasy zamieniają je w kwas octowy (CH3COOH), wodór (H2), i dwutlenek węgla (CO2). Tlen i węgiel są potrzebne do produkcji kwasu octowego, w związku z czym bakterie używają tlenu i węgla rozpuszczonego w mieszaninie substratów i związanego tlenu celem produkcji kwasu octowego. Ten proces tworzy beztlenowe środowisko, które jest ważne do tworzenia metanu w następnym kroku. Podczas ostatniego procesu, tworzenie metanu, bakterie tworzące metan konsumują i przetwarzają kwas octowy, wodór i dwutlenek węgla w rezultacie czego produkują metan i dwutlenek węgla.
Ważne parametry dla procesu fermentacji
Aby zapewnić właściwe środowisko bakteriom wykonującym proces trawienia wewnątrz komory fermentacyjnej, kilka parametrów musi być stale kontrolowanych i utrzymywanych podczas całego procesu produkcji biogazu.
Stosunek Węgla do Azotu
Odpowiedni stosunek zawartości węgla do azotu w substratach/materiale organicznym, który ma zostać przetworzony wynosi od 20 do 30. Jeśli stosunek węgla do azotu jest zbyt wysoki, azot zostanie skonsumowany i usunięty przez bakterie, które nie będą w stanie wejść w reakcję z pozostałym węglem. Jeśli stosunek węgla do azotu jest zbyt niski, azot może stworzyć toksyczne środowisko dla bakterii.
Temperatura
Występują 3 różne procesy fermentacji oparte na temperaturze komory fermentacyjnej i substratów podczas procesu: (1) psychrofilny (poniżej 20˚C), (2)mezofilny (200-40˚C), i termofilny (ponad 40˚C).
Dostępne składniki odżywcze
Bakterie potrzebują więcej składników odżywczych poza węglem, tlenem i wodorem celem wzrostu. Składniki odżywcze takie jak azot, siarka, fosfor, potas, wapń, magnez, żelazo i cynk są niezbędne.
Toksyczność / czystość substratów
Niektóre jony minerałów, zwłaszcza pochodzące z metali ciężkich mogą mieć toksyczny efekt i zabić bakterie w środku komory fermentacyjnej. W związku z powyższym niezbędnym jest by substraty wykorzystywane w komorze fermentacyjnej nie były zanieczyszczone takimi materiałami.
Poziom kwasowości
Bakterie metanogenne nie mogą żyć w środowisku mocno kwaśnym. Neutralne lub lekko kwaśne środowiska są najlepsze dla bakterii metanogennych do życia i wzrostu. W związku z czym poziom pH do produkcji biogazu powinien zawierać się pomiędzy 7 a 8.5.
Roztwór i zawartość stała
Substraty, które mają być przetworzone muszą być w formie obornika, w związku z czym ich rozcieńczenie za pomocą wody jest konieczne. Zawartość stała w tym roztworze stanowi około 15 – 30% stałej zawartości.
Czas retencji
Czas retencji to czas podczas którego substraty pozostają w środku komory fermentacyjnej celem uzyskania oczekiwanej wydajności biogazu.
Mieszanie /poruszanie
Mieszanie obornika w środku komory fermentacyjnej jest ważne dla utrzymania jednorodnego poziomu obornika oraz celem zapewnienia równej mieszanki obornika w stosunku do istniejących bakterii w środku komory fermentacyjnej.
Rodzaje substratów
Generalnie wszystkie materiały organiczne mogą być wykorzystane jako substraty do produkcji biogazu, jednakże posiadają one różną wartość energetyczną . Np. obornik ma wyższą wartość energetyczną niż trawa. Również z perspektywy inżynierii niektóre materiały są prostsze w użyciu niż inne np. korzenie roślin mogą zawierać kamienie, które mogą uszkadzać rury w dłuższym okresie czasu.
Jednym z najpowszechniejszych substratów do produkcji biogazu są osady ściekowe. Osady te zawierają wiele materiałów organicznych takich jak odchody ludzkie i mocz, które mają wyższą wartość energetyczną. Obornik zwierzęcy i odpady rolnicze takie jak kukurydza są również dobrymi substratami do produkcji biogazu.
Najnowszym zastosowaniem do produkcji biogazu są gminne odpady organiczne (odpady żywnościowe). To rozwiązanie może rozwiązać zarówno rozwiązać kwestię gospodarki odpadami na terenie gminy w zakresie odpadów stałych jak i problemy z dostawą energii do gminy.
Innym ważnym krokiem, którym należy podjąć w stosunku do substratów jest ich wstępne oczyszczenie. Jak już wcześniej wyjaśniono aby przetrawić substraty muszą być one podane w postaci szlamu i rozcieńczone wodą. Materiał stały nie może być wykorzystany w produkcji biogazu wewnątrz komory fermentacyjnej z powodu kilku problemów technicznych. W związku z czym te stałe materiały organiczne muszą być wstępnie oczyszczone i zamienione w szlam zanim będą mogły być wykorzystane do produkcji biogazu.
Wykorzystanie biogazu
Biogaz może być używany do kilku celów. Najpowszechniejsze użycie biogazu związane jest z jego bezpośrednim spalaniem celem produkcji ciepła i elektryczności oraz jego uszlachetnienia do biometanu lub biopaliwa. Bezpośrednie spalanie celem produkcji ciepła jest najprostszym sposobem wykorzystania biogazu a ciepło powstałe w jego wyniku może być wykorzystane do celów kuchennych (kuchenka na biogaz) lub ogrzewania pomieszczeń. Spalanie biogazu może być podłączone do kotła wytwarzającego ciepłą wodę lub parę do ciepła systemowego.
Połączone elektrociepłownie stają się standardowym sposobem wykorzystania biogazu. Elektrociepłownie zasilane biogazem mogą mieć sprawność na poziomie 90% i zamieniać biogaz na 35% energii elektrycznej i 65% ciepła. Zielone certyfikaty dla wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych również niosą ze sobą dodatkowe korzyści z wykorzystania biogazu dla celów produkcji energii elektrycznej. Stosując te instrumenty producent otrzymuje zachęty w postaci nagród finansowych.
Biogaz może być uszlachetniony do biometanu, który następnie może być wprowadzany do sieci gazowej i może on być również używany jako biopaliwo dla pojazdów. Po uszlachetnieniu, biometan lub biopaliwo zawierają do 97% metanu. Z wysokim stopniem czystości biometan może być wprowadzany do sieci gazowej i dostarczany do użytkownika końcowego. Może być również wykorzystany jako paliwo do pojazdów takich jak autobusy miejskie. Wykorzystywanie biogazu w autobusach miejskich jest bardzo rozpowszechnione w Szwecji.