Biogāze ir gāze, kas rodas, bezskābekļa (anaerobā fermentācijā) vai fermentējot organiskās vielas. Organiskās vielas var būt kūtsmēsli, notekūdeņi, sadzīves atkritumi, komposts, pārtikas atkritumi vai citas bioloģiski noārdāmas izejvielas. Biogāze galvenokārt ir metāns un oglekļa dioksīds. Atkarībā no ražošanas vietas biogāzi sauc arī par:

Biogāzi var izmantot kā transportlīdzekļu degvielu vai elektroenerģijas ražošanai. To var arī tieši sadedzināt ēdiena gatavošanai, apkurei, apgaismojumam, tehnoloģiskajam siltumam un absorbcijas saldēšanai.

Kā rodas biogāze — ražošanas process

Biogāzes ražošana notiek anaerobās sagremošanas procesos organiskā materiāla klātbūtnē. Galvenās stadijas ir:

  • Hidrolīze: sarežģītie organiskie savienojumi (olbaltumvielas, ogļhidrāti, tauki) tiek sadalīti vienkāršākos savienojumos;
  • Sāļu (acidogeneze): mikroorganismi pārvērš sadalītos produktus organiskajās skābēs, alkoholos un gāzēs;
  • Acetogeneze: skābes un alkoholi tiek pārveidoti par acetātu, H2 un CO2;
  • Methanogeneze: īpašas metanogēnas baktērijas rada metānu (CH4) un CO2 — šī ir galvenā biogāzes ražošanas fāze.

Fermentācijas procesā svarīgi parametri ir temperatūra (mesofīlā 30–40 °C vai termofīlā ~50–55 °C), pH, residence time (laiks reaktorā) un barības/nitrātu attiecība. Reaktoru veidi var būt piemēram, segtas dīķa sistēmas, continuous stirred tank reactors (CSTR), plug-flow reaktori vai anaerobie sūknētās kolonnas (UASB) — izvēle atkarīga no izejvielas un mēroga.

Biogāzes sastāvs un kvalitāte

Svaiga (neattīrīta) biogāze parasti satur aptuveni 50–70 % metāna un 30–50 % CO2, kā arī nelielas daļas H2S, N2, O2, ūdens tvaiku un citas nepatīkamas vielas (piem., siloksāni sadzīves atkritumu gāzē). Šo piemaisījumu klātbūtne ietekmē gāzes enerģētisko vērtību un iekārtu kalpošanas laiku (piem., sēra savienojumi izraisa koroziju).

Gāzes attīrīšana un pārveide — no biogāzes līdz biometānam

Lai biogāzi izmantotu kā vietējā tīkla gāzi vai kā transporta degvielu, to bieži attīra un uzlabo kvalitāti (upgrade). Attīrīšana ietver:

  • H2S noņemšanu (ķīmiski vai bioloģiski) — svarīgi motoriem un iekārtām;
  • CO2 noņemšanu vai samazināšanu, lai palielinātu metāna koncentrāciju (metode: ūdens vai ķīmiskā skrubēšana, membrānas, PSA, kriogēna kondensācija utt.);
  • ūdens kondensāta noņemšanu un attiecīgu žāvēšanu;
  • piesārņojumu (piem., siloksānu) filtrācija, īpaši ja gāzi dedzina iekšdedzes motoros.

Pēc modernām attīrīšanas tehnoloģijām iegūtais biometāns satur >95 % CH4 un ir ekvivalentīgs dabasgāzei, ļaujot to injicēt gāzes tīklā vai izmantot kā CNG/LNG transportā.

Pielietojumi

  • Elektroenerģija un siltums: kombinētās siltumenerģijas stacijas (CHP) ražo elektrību un piegādā siltumu apkurei vai rūpniecībai;
  • Transporta degviela: attīrīts biometāns kā dabasgāzes aizvietotājs autotransportā (CNG) vai šķidrā formā (LBG);
  • Gāzes tīkls: biomethāns var tikt ieplūdināts vietējā gāzes tīklā;
  • Kurināmais un sadzīves vajadzībām: ēdiena gatavošana, apkure, apgaismojums laukos (mazos mērogos);
  • Industriālie procesos: tehnoloģiskais siltums, absorbcijas dzesēšana, ražošanas izejvielu aizstājēji.

Blakusprodukts — digestāts

Pēc fermentācijas paliek šķidrums un cieta frakcija, ko sauc par digestātu. Tas ir bagāts ar barības vielām (slāpeklis, fosfors, kālijs) un bieži tiek izmantots kā organisks mēslojums vai augsnes uzlabotājs. Arī digestāts var samazināt patogēnu daudzumu, ja process ietver pietiekamu termisko apstrādi.

Vides un ekonomiskie ieguvumi

  • Samazina siltumnīcefekta gāzu emisijas: kontrolēta org. vielu fermentācija novērš tiešas metāna emisijas no atkritumu kaudzēm vai kūtsmēsliem;
  • Atjaunojamais enerģijas avots: aizvieto fosilo kurināmo un samazina atkarību no importētām energoresursiem;
  • Resursu atjaunošana: uzturvielas tiek atgrieztas lauksaimniecībai, samazinot minerālmēslu patēriņu;
  • Atkritumu pārstrāde: samazina bioloģiski noārdāmo atkritumu apjomu un to negatīvo ietekmi.

Izaicinājumi un drošība

Biogāzes izmantošana prasa risināt vairākas tehniskas un regulatīvas problēmas:

  • Investīciju izmaksas: iekārtu iegāde un gāzes attīrīšana var būt dārga, īpaši mazajos objektos;
  • Barības izejvielu pieejamība un kvalitāte: mainīgs izejmateriālu sastāvs var ietekmēt ražību;
  • Piesārņojošas vielas: H2S, siloksāni un smagas metālus saturoši komponenti prasa īpašu attīrīšanu;
  • Drošība: metāns ir uzliesmojošs — nepieciešama pareiza gāzes novadīšana, uzraudzība, ventilācija un drošības iekārtas;
  • Regulatīvās prasības: sertifikācija biomethānam, emisiju kontrole un atbilstība lauksaimniecības noteikumiem digestāta izmantošanai.

Praktiski pielietojuma piemēri

Mazās saimniecībās bieži izmanto vienkāršus biodīzeļus vai pārseguma reaktorus, kas nodrošina siltumu un elektroenerģiju saimniecības vajadzībām. Pilsētu līmenī notekūdeņu attīrīšanas stacijas un atkritumu pārstrādes centri var ražot būtisku enerģijas apjomu, injicējot attīrītu biometānu pilsētas gāzes tīklā vai izmantojot to CHP stacijās. Atkritumu poligonos uzstādītās sistēmas savāc poligona gāzi un samazina emisijas, vienlaikus ražojot elektroenerģiju.

Kopsavilkums

Biogāze ir daudzpusīgs un ilgtspējīgs enerģijas resurss, kas tiek iegūts no organiskā materiāla anaerobās fermentācijas. Ar pareizu projektēšanu un attīrīšanu tā spēj nodrošināt siltumu, elektroenerģiju un transporta degvielu, vienlaikus samazinot emisijas un pārstrādājot barības vielas atpakaļ lauksaimniecībā. Tomēr veiksmīgai izmantošanai nepieciešama atbilstoša tehniskā apstrāde, investīcijas un drošības nodrošināšana.