Βιοαέριο

Το βιοαέριο αναφέρεται συνήθως σε ένα μείγμα διαφορετικών αερίων που παράγονται από την αποσύνθεση οργανικής ύλης απουσία οξυγόνου. Το βιοαέριο μπορεί να παραχθεί από ακατέργαστες πρώτες ύλες όπως τα αγροτικά απόβλητα, κοπριά, αστικά απόβλητα, φυτική ύλη, βοθρολύματα, πράσινα απόβλητα ή απορρίμματα τροφών. Είναι ανανεώσιμη πηγή ενέργειας και σε πολλές περιπτώσεις χρησιμοποιεί ένα πολύ μικρό αποτύπωμα άνθρακα.
Το βιοαέριο μπορεί να παραχθεί από αναερόβια πέψη με αναερόβια βακτήρια, που χωνεύει υλικά μέσα σε ένα κλειστό σύστημα, ή ζύμωση βιοδιασπάσιμων υλικών.
Το βιοαέριο είναι κυρίως μεθάνιο (CH₄) και διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) και μπορεί να έχει μικρές ποσότητες από υδρόθειο (H₂S), υγρασία και σιλοξάνια. Τα αέρια μεθάνιο, υδρογόνο και μονοξείδιο του άνθρακα (CO) μπορούν να καούν ή να οξειδωθούν με οξυγόνο. Αυτή η ενεργειακή απελευθέρωση επιτρέπει στο βιοαέριο να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο· μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οποιονδήποτε σκοπό θέρμανσης, όπως το μαγείρεμα. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε μια μηχανή αερίου για να μετατρέψει την ενέργεια στο αέριο σε ηλεκτρισμό και θερμότητα.
Το βιοαέριο μπορεί να συμπιεστεί, με τον ίδιο τρόπο που συμπιέζεται το φυσικό αέριο σε συμπιεσμένο φυσικό αέριο και να χρησιμοποιηθεί για να παράσχει ενέργεια σε μηχανές οχημάτων. Στο Ενωμένο Βασίλειο, παραδείγματος χάρη, το βιοαέριο εκτιμάται να έχει τη δυνατότητα να αντικαταστήσει περίπου το 17% του καυσίμου οχημάτων. Πιστοποιείται ως ανανεώσιμο ενεργειακό υποκατάστατο σε κάποιες περιοχές του κόσμου. Το βιοαέριο μπορεί να καθαριστεί και να αναβαθμιστεί σε πρότυπα φυσικού αερίου, όταν γίνεται βιομεθάνιο.

Παραγωγή

Το βιοαέριο παράγεται ως αέριο χωματερής (LFG), παράγεται από βιοδιασπάσιμα απόβλητα στις χωματερές λόγω των χημικών αντιδράσεων και των μικροβίων, ή ως χωνεμένο αέριο με αναερόβιες πέψεις. Μια εγκατάσταση βιοαερίου είναι το όνομα που συνήθως δίνεται σε έναν αναερόβιο χωνευτήρα που επεξεργάζεται αγροτικά απόβλητα ή ενεργειακά φυτά. Μπορεί να παραχθεί χρησιμοποιώντας αναερόβιους χωνευτήρες (αεροστεγείς δεξαμενές με διαφορετικές ρυθμίσεις). Αυτές οι εγκαταστάσεις μπορούν να τροφοδοτηθούν με ενεργειακά φυτά όπως ενσίρωση καλαμποκιού ή βιοδιασπάσιμα απόβλητα, συμπεριλαμβανομένων λυματολάσπης και τροφικών αποβλήτων. Κατά τη διάρκεια της διεργασίας, οι μικροοργανισμοί μετασχηματίζουν τα απόβλητα της βιομάζας σε βιοαέριο (κυρίως μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα) και χωνευμένο υλικό. Το βιοαέριο είναι ανανεώσιμη ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θέρμανση, ηλεκτρισμό και πολλές άλλες λειτουργίες που χρησιμοποιούν παλινδρομικές μηχανές εσωτερικής καύσης, όπως αεριομηχανές των GE Jenbacher ή Caterpillar. Άλλες μηχανές εσωτερικής καύσης όπως αεριοστρόβιλοι είναι κατάλληλοι για τη μετατροπή του βιοαερίου και σε ηλεκτρισμό και σε θερμότητα. Το χωνευμένο υλικό είναι το υπόλειμμα της οργανικής ύλης που δεν μετασχηματίστηκε σε βιοαέριο. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αγροτικό λίπασμα.
Υπάρχουν δυο βασικές διεργασίες: μεσόφιλη και θερμόφιλη χώνευση που εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Σε πειραματική μελέτη στο Πανεπιστήμιο της Αλάσκας στο Φέρμπανκς, ένας χωνευτήρας 1000-λίτρων χρησιμοποιώντας ψυχρόφιλα που συλλέχτηκαν από "λάσπη μιας παγωμένης λίμνης στην Αλάσκα" παρήγαγε 200–300 λίτρα από μεθάνιο τη μέρα, περίπου 20%–30% της εξαγωγής από χωνευτήρια σε πιο θερμά κλίματα.

Αέριο χωματερών

Το αέριο χωματερών παράγεται από υγρά οργανικά απόβλητα που αποσυντίθενται κάτω από αναερόβιες συνθήκες σε μια χωματερή.
Τα απόβλητα επικαλύπτονται και συμπιέζονται μηχανικά από το βάρος των υλικών που αποτίθενται από πάνω. Αυτά τα υλικά αποτρέπουν την έκθεση σε οξυγόνο, επιτρέποντας στα αναερόβια μικρόβια να αναπτυχθούν. Έτσι, σχηματίζεται το αέριο και απελευθερώνεται αργά στην ατμόσφαιρα, αν δεν έχει ληφθεί μέριμνα για τη δέσμευση του αερίου. Το εκλυόμενο αέριο χωματερών με ανεξέλεγκτο τρόπο μπορεί να αποβεί επικίνδυνο, επειδή μπορεί να γίνει εκρηκτικό, όταν διαφεύγει από τη χωματερή και αναμειχθεί με οξυγόνο. Το κατώτερο εκρηκτικό όριο είναι 5% σε μεθάνιο και το ανώτερο 15% σε μεθάνιο.
Το μεθάνιο στο βιοαέριο είναι 20 φορές πιο δυνατό αέριο θερμοκηπίου από ότι το διοξείδιο του άνθρακα. Συνεπώς, το ανεξέλεγκτο αέριο χωματερών που διαφεύγει στην ατμόσφαιρα, μπορεί να συμβάλει σημαντικά στο φαινόμενο της υπερθέρμανσης του πλανήτη. Επιπλέον, οι πτητικές οργανικές ενώσεις (VOCs) στα αέρια των χωματερών συνεισφέρουν στο σχηματισμό της αιθαλομίχλης.

Τεχνικά

Το βιοχημικά απαιτούμενο οξυγόνο (BOD) είναι ένα μέτρο της απαιτούμενης ποσότητας οξυγόνου από αερόβιους μικροοργανισμούς για να αποσυνθέσουν την οργανική ύλη σε ένα δείγμα νερού. Η γνώση της πυκνότητας της ενέργειας του χρησιμοποιούμενου υλικού στον βιοχωνευτήρα καθώς και το BOD για τα υγρά απόβλητα επιτρέπει τον υπολογισμό της ημερήσιας εξόδου ενέργειας από έναν βιοχωνευτήρα.
Ένας άλλος όρος που συνδέεται με τους βιοχωνευτήρες είναι η ρυπαρότητα των αποβλήτων, που εκφράζει πόση οργανική ύλη υπάρχει ανά μονάδα πηγαίου βιοαερίου. Συνηθισμένες μονάδες για αυτή τη μέτρηση είναι σε mg BOD/λίτρο. Ως παράδειγμα, η ρυπαρότητα των αποβλήτων μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ 800–1200 mg BOD/λίτρο στον Παναμά.
Από 1 kg βιοαποβλήτων κουζίνας, μπορεί να ληφθεί 0,45 m³ βιοαερίου. Η τιμή συλλογής βιοαποβλήτων από κατοικίες είναι περίπου €70 ανά τόνο

Οφέλη

Στη Βόρεια Αμερική, η χρήση βιοαερίου μπορεί να παράξει αρκετή ενέργεια για να καλύψει μέχρι το 3% της ηλεκτρικής κατανάλωσης της ηπείρου. Επιπλέον, το βιοαέριο μπορεί να βοηθήσει δυνητικά στη μείωση της κλιματικής αλλαγής του πλανήτη. Υψηλά επίπεδα μεθανίου παράγονται όταν αποθηκεύεται κοπριά κάτω από αναερόβιες συνθήκες. Κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης και όταν η κοπριά έχει εφαρμοστεί στο έδαφος,  παράγεται επίσης υποξείδιο του αζώτου ως παραπροϊόν της διεργασίας απονίτρωσης. Το υποξείδιο του αζώτου (N₂O) είναι 320 φορές πιο δραστικό από το διοξείδιο του άνθρακα και το μεθάνιο 21 φορές πιο δραστικό από το διοξείδιο του άνθρακα.
Μετατρέποντας την κοπριά της αγελάδας σε μεθάνιο βιοαερίου μέσα από αναερόβια χώνευση, τα εκατομμύρια των βοοειδών στις ΗΠΑ μπορούν να παράξουν 100 δισεκατομμύρια κιλοβατώρες ηλεκτρισμού, αρκετή για να δώσει ενέργεια σε εκατομμύρια κατοικίες. Στην πραγματικότητα, μια αγελάδα μπορεί να παράξει αρκετή κοπριά σε μια μέρα ώστε να παράξει 3 κιλοβατώρες ηλεκτρισμού· μόνο 2,4 κιλοβατώρες απαιτούνται για την τροφοδοσία μιας απλής λάμπας των 100 βατ για μια ημέρα. Επιπλέον, μετατρέποντας την κοπριά των βοοδειών σε βιοαέριο αντί να αποσυντεθεί, τα αέρια της υπερθέρμανσης του πλανήτη μπορούν να μειωθούν κατά 99 εκατομμύρια μετρικούς τόνους ή 4%.

Εφαρμογές

Το βιοαέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παραγωγή ηλεκτρισμού σε εργασίες λυμάτων, σε μια αεριομηχανή συμπαραγωγής (CHP), όπου η αποβαλλόμενη θερμότητα από την μηχανή χρησιμοποιείται άνετα για: θέρμανση του χωνευτήρα, μαγείρεμα, θέρμανση χώρου, θέρμανση νερού και διεργασίες θέρμανσης. Αν συμπιεστεί το βιοαέριο, μπορεί να αντικαταστήσει το συμπιεσμένο φυσικό αέριο για χρήση σε οχήματα, όπου μπορεί να τροφοδοτήσει μηχανές εσωτερικής καύσης ή κυψέλες καυσίμου και αντικαθιστά πολύ πιο αποτελεσματικά το διοξείδιο του άνθρακα από την κανονική χρήση σε επιτόπιες εγκαταστάσεις CHP.

Αναβάθμιση βιοαερίου

Το παραγόμενο ακατέργαστο βιοαέριο από τη χώνευση είναι προσεγγιστικά 60% μεθάνιο και 29% CO₂ με ίχνη από H₂S· δεν είναι αρκετά υψηλής ποιότητας για να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο αέριο για μηχανήματα. Η διαβρωτική φύση του H₂S από μόνη της είναι αρκετή για να καταστρέψει το εσωτερικό μιας εγκατάστασης.
Το μεθάνιο στο βιοαέριο μπορεί να συμπυκνωθεί μέσα από μια αναβάθμιση του βιοαερίου στα ίδια πρότυπα όπως το ορυκτό φυσικό αέριο, που πρέπει να περάσει μέσα από μια διαδικασία καθαρισμού για να γίνει βιομεθάνιο. Αν το τοπικό δίκτυο αερίου το επιτρέπει, ο παραγωγός του βιοαερίου μπορεί να χρησιμοποιήσει τα δίκτυα διανομής του. Το αέριο πρέπει να είναι πολύ καθαρό για να φτάσει την ποιότητα του αγωγού και πρέπει να έχει τη σωστή σύσταση για να γίνει αποδεκτό από το δίκτυο διανομής. Θα πρέπει να αφαιρεθούν τα διοξείδιο του άνθρακα, νερό, υδρόθειο και σωματίδια.
Υπάρχουν τέσσερις κύριες μέθοδοι αναβάθμισης: πλύσιμο με νερό, προσρόφηση με εναλλαγή πίεσης, προσρόφηση σελέξολ (selexol adsorption) και επεξεργασία με αμίνες. Πέρα από αυτές τις μεθόδους, η χρήση τεχνολογίας διαχωρισμού μεμβράνης για την αναβάθμιση του βιοαερίου αυξάνεται και υπάρχουν ήδη αρκετές εγκαταστάσεις που λειτουργούν στην Ευρώπη και τις ΗΠΑ.
Η επικρατούσα μέθοδος είναι το πλύσιμο με νερό, όπου αέριο υψηλής πίεσης ρέει σε μια στήλη όπου το διοξείδιο του άνθρακα και άλλα ίχνη στοιχείων καθαρίζονται με άφθονο νερό που τρέχει αντίρροπα προς το αέριο. Αυτή η διάταξη μπορεί να δώσει 98% μεθάνιο με εγγύηση των κατασκευαστών για μέγιστη απώλεια μεθανίου μέχρι 2% στο σύστημα. Καταναλώνεται χοντρικά μεταξύ 3% και 6% της συνολικής εξερχόμενης ενέργειας σε αέριο για να εκτελεστεί η αναβάθμιση του βιοαερίου.

Έγχυση βιοαερίου στο δίκτυο αερίου

Οι εγχύσεις σε δίκτυο αερίου περιλαμβάνουν και το βιοαέριο. Μέχρι την ανακάλυψη της  μικροσυμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού τα δύο τρίτα όλης της ενέργειας που παραγόταν από αναερόβια χώνευση χανότανε (ως θερμότητα), αλλά χρησιμοποιώντας το δίκτυο μεταφοράς του αερίου στους καταναλωτές, ο ηλεκτρισμός και η θερμότητα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για επιτόπια παραγωγή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση των απωλειών στη μεταφορά της ενέργειας. Οι τυπικές απώλειες ενέργειας στα συστήματα μεταφοράς στο φυσικό αέριο ποικίλουν από 1% έως 2%. Οι τρέχουσες απώλειες ενέργειας σε μεγάλα ηλεκτρικά συστήματα ποικίλουν από 5% έως 8%.

Το βιοαέριο στις μεταφορές

Το βιοαέριο αν συμπυκνωθεί και συμπιεστεί, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μεταφορές οχημάτων. Το συμπιεσμένο βιοαέριο χρησιμοποιείται πλατιά στη Σουηδία, στην Ελβετία και την Γερμανία. Ένα τρένο με βιοαέριο, με το όνομα Biogaståget Amanda (Το τρένο βιοαερίου Αμάντα), κυκλοφορεί στη Σουηδία από το 2005. Το βιοαέριο τροφοδοτεί αυτοκίνητα. Το 1974, μια βρετανική ταινία με τίτλο Sweet as a Nut έδινε λεπτομέρειες για τη διεργασία παραγωγής βιοαερίου από κοπριά γουρουνιών και έδειχνε πώς να τροφοδοτηθεί μια προσαρμοσμένη μηχανή καύσης. Το 2007, περίπου 12.000 οχήματα τροφοδοτούνταν με αναβαθμισμένο βιοαέριο παγκοσμίως, κυρίως στην Ευρώπη.

Μετρήσεις σε περιβάλλοντα βιοαερίου

Το βιοαέριο είναι μέρος της κατηγορίας των υγρών αερίων και αερίων συμπύκνωσης που περιλαμβάνει ομίχλη ή σταγονίδια στη ροή του αερίου. Η ομίχλη ή τα σταγονίδια είναι κυρίως ατμοί νερού που συμπυκνώνονται στις πλευρές των σωλήνων ή στοιβάδων κατά τη διάρκεια της ροής του αερίου. Τα περιβάλλοντα βιοαερίου περιλαμβάνουν χωνευτήρες απόνερων, χωματερών και τροφοδοσίας ζώων.
Υπερηχητικοί μετρητές ροής είναι ένα είδος από τις λίγες συσκευές που μπορούν να μετρήσουν σε ατμόσφαιρα βιοαερίου. Οι περισσότεροι μετρητές θερμικής ροής δεν μπορούν να δώσουν αξιόπιστα δεδομένα, επειδή η υγρασία προκαλεί σταθερές αναγνώσεις υψηλής ροής και συνεχείς απότομες ανόδους ροής, αν και υπάρχουν μετρητές ροής θερμικής μάζας με εισαγωγή μοναδικού σημείου ικανοί να παρακολουθήσουν με ακρίβεια τις ροές βιοαερίου με ελάχιστη πτώση πίεσης. Μπορούν να χειριστούν διακυμάνσεις υγρασίας που συμβαίνουν στο ρεύμα ροής, λόγω των ημερήσιων και εποχικών διακυμάνσεων της θερμοκρασίας και αξιολογούν την υγρασία στο ρεύμα ροής για να παράξουν μια τιμή ξηρού αερίου.

Νομοθεσία

Η Ευρωπαϊκή ένωση έχει από τις πιο αυστηρές νομοθεσίες όσον αφορά τη διαχείριση των αποβλήτων και τις χωματερές.
Οι ΗΠΑ νομοθέτησαν κατά του αερίου των χωματερών, επειδή περιέχει πτητικές οργανικές ενώσεις (VOC). Στις ΗΠΑ απαιτείται οι ιδιοκτήτες χωματερών να εκτιμούν την ποσότητα των εκπεμπόμενων οργανικών ενώσεων (NMOCs) πλην μεθανίου. Αν οι εκτιμώμενες εκπομπές NMOC υπερβαίνουν τους 50 τόνους τον χρόνο, οι ιδιοκτήτες των χωματερών απαιτείται να συλλέγουν το αέριο και να το επεξεργάζονται για να αφαιρέσουν τα υπάρχοντα NMOCs. Η επεξεργασία των αερίων των χωματερών γίνεται συνήθως με καύση. Λόγω της μεγάλης απόστασης των θέσεων των χωματερών, μερικές φορές δεν είναι οικονομικά δυνατή η παραγωγή ηλεκτρισμού από το αέριο.
Χώρες όπως η Γερμανία και το Ηνωμένο Βασίλειο έχουν νομοθεσία σε ισχύ που παρέχει στους αγρότες μακροπρόθεσμο εισόδημα και ενεργειακή ασφάλεια.

Προβλήματα βιοαερίου

Οι κίνδυνοι του βιοαερίου είναι βασικά παρόμοιοι με αυτούς του φυσικού αερίου, αλλά με τον πρόσθετο κίνδυνο από την τοξικότητα του κλάσματος του υδροθείου του. Το βιοαέριο μπορεί να γίνει εκρηκτικό, όταν αναμειχθεί ένα μέρος βιοαερίου με 8-20 μέρη αέρα. Όταν η δεξαμενή είναι ανοικτή για καθάρισμα ή εργασίες επισκευής πρέπει να αποφεύγονται γυμνές φλόγες, σπίθες και κάπνισμα. Αν απαιτείται φως πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένας φακός ή ανακλώμενο ηλιακό φως σε καθρέπτη. Οι διαρροές βιοαερίου μυρίζουν ως σάπια αυγά (υδρόθειο). Αν κάποιος εισέρχεται σε έναν χωνευτήρα βιοαερίου, πρέπει να έχει πάντα κάποιον μαζί του για την περίπτωση που θα σταματήσει να αναπνέει επαρκώς λόγω της χαμηλής λήψης οξυγόνου.
Είναι σημαντικό ένα σύστημα βιοαερίου να μην έχει ποτέ αρνητική πίεση επειδή αυτό μπορεί να προκαλέσει έκρηξη ή να σκοτώσει τα βακτήρια πέψης. Αρνητική πίεση αερίου μπορεί να συμβεί αν αφαιρεθεί ή διαρρεύσει υπερβολικό αέριο. Γι' αυτό, το βιοαέριο δεν πρέπει να χρησιμοποιείται σε πιέσεις κάτω από μια στήλη 2,5cm νερού, μετρημένη από πιεσόμετρο.
Συχνοί έλεγχοι διαρροής πρέπει να εκτελούνται σε ένα σύστημα βιοαερίου. Αν μυριστεί βιοαέριο οπουδήποτε, θα πρέπει να ανοιχθούν αμέσως παράθυρα και πόρτες. Αν υπάρξει φωτιά, το αέριο θα πρέπει να κλειστεί από τη βάνα του συστήματος βιοαερίου.