Biogaas

Biogaas ehk käärimisgaas on suure metaanisisaldusega gaas, mis tekib, kui mikroorganismid taimse ja loomse päritoluga heitmeid anaeroobselt lagundavad. See koosneb peamiselt metaanist CH₄ (45–70%) ja süsinikdioksiidist CO₂ (30–55%), vähesel määral sisaldub biogaasis lämmastikku N₂, divesiniksulfiidi H₂S ja teisi gaase.
Biogaasi toodetakse biolagunevatest materjalidest: loomasõnnikust, reoveesettest, erinevatest taimse biomassi allikatest, toiduainetööstuse jäätmetest ja teistest biojäätmetest. Levinud on mitme tooraine kooskääritamine suurema produktsiooni saavutamiseks. Lisaks on biogaasi võimalik koguda prügilatest prügilagaasina.
Biogaasi põhikomponent metaan on energiakandja, mille põlemisel energia vabaneb. Seetõttu on biogaasist võimalik soojuse ja elektri koostootmisseadme abil toota nii elektri- kui soojaenergiat. Tehniliselt puhastatud biogaasi ehk biometaani saab kasutada mootorikütusena ning suunata üldisesse maagaasivõrku, kui selle kvaliteet vastab loodusliku maagaasi standarditele.
Kuna biogaasi saadakse taastuvate looduslike materjalide bioloogilisel lagundamisel, siis on see taastuvenergiaallikas ning biogaasi tootmisele rakenduvad paljudes riikides taastuvenergia toetused.

Tootmine

Biogaas tekib orgaanilisest ainest anaeroobsel lagundamisel. See protsess toimub biogaasi reaktorites, aga ka looduslikult soode ja järvede põhjas, mäletsejate maksas ning prügilates, kus hapniku juurdepääs lagundatavale ainele on takistatud. Orgaanilisest materjalist tekib anaeroobsel lagundamisel biogaas ja kääritusjääk. Erinevalt aeroobsest kompostimisest vabaneb protsessis väga vähe soojust, sest energia seotakse tekkiva metaani koosseisu.

Anaeroobne lagundamine

Anaeroobne lagunemine toimub neljaetapiliselt mikroorganismide elutegevuse tulemusena. Esimene etapp on terve reaktsiooni kiirust limiteeriv hüdrolüüs, mille käigus lõhutakse keerukad orgaanilised ühendid väiksemateks molekulideks: suhkruteks, rasvhapeteks, aminohapeteks. Hüdrolüüsi teostavad obligatoorsed anaeroobid või fakultatiivsed anaeroobid eksoensüümide toel. Teises etapis ehk atsidogeneesis toodavad fermentatiivsed bakterid hüdrolüüsi produktidest lenduvaid orgaanilisi happeid (äädikhapet, propioonhapet, võihapet), eralduvad süsihappegaas CO₂ ja vesinik H₂, vähesel määral tekib alkohole ja piimhapet. Kolmandas atsetogeneetilises etapis toodavad bakterid moodustunud hapetest ja alkoholidest äädikhappe, süsihappegaasi ja vesiniku. Metaan CH₄ tekib viimases ehk metanogeneesi etapis metanogeenide elutegevuse tulemusel peamiselt vesinikust ja süsinikdioksiidist, aga ka teistest vaheproduktidest. Seega on orgaanilise aine anaeroobseks lagundamiseks vaja nelja mikroorganismide gruppi, mis teostavad reaktsiooni erinevaid etappe.

Biogaasijaam

Biogaasijaam koosneb jäätmete vastuvõtu seadmetest, substraadi eelsäilitusmahutitest ja segamismahutitest, biogaasireaktorist, kääritusjäägihoidlast, gaasihoidlast ja gaasi kasutamise seadmetest. Pärast jäätmete vastuvõttu ja segamist suunatakse substraat biogaasireaktorisse, kus toimub anaeroobse lagundamise protsess. Tekkiv biogaas juhitakse gaasihoidlasse ja sealt gaasi kasutamise seadmesse, milleks on enamasti koostootmisjaam soojuse ja elektri valmistamiseks. Reaktoris tekkiv kääritusjääk ladestatakse hoidlasse ning seda saab kasutada põllumajandusliku väetisena.
Biogaasi tootmistehnoloogiad reaktoris jaotatakse mitmeks tüübiks. Substraadi kuivainesisalduse alusel eristatakse kuiv- ja märgkääritamist, protsessi temperatuuri alusel jagatakse reaktorid psühro-, meso- ja termofiilseteks. Sõltuvalt anaeroobse lagundamise etappide lahutatusest reaktori eri osades esinevad üheetapiline ehk astmeline, kaheetapiline ja kolmeetapiline tootmistehnoloogia. Vastavalt substraadi lisamise korrale eristatakse katkevat, osaliselt katkevat ja katkematut ehk pidevat täitmisviisi.
Anaeroobse lagundamise protsessis on olulised mitmed keskkonnatingimused, mille sobivusest sõltuvad reaktsiooni toimumine ja biogaasi teke. Hapniku kontsentratsioon reaktoris peaks olema võimalikult väike, et tagada mikroobidele anaeroobsed elutingimused. Protsess toimub erinevatel temperatuuridel: psührofiilse tehnoloogia korral on temperatuur reaktoris ligikaudu 25 °C, mesofiilses reaktoris 32–42 °C, termofiilses reaktoris 50–57 °C. Kõige levinumad on mesofiilsed reaktorid, kus on tagatud suur gaasiproduktsioon ja tootmisprotsessi stabiilsus suhteliselt väikese reaktori kütmisvajaduse juures. Lisaks tuleb jälgida pH väärtust reaktoris, piisava koguse substraadi olemasolu ja võimalike inhibiitorite (ammooniumioon NH₄⁺, divesiniksulfiid, raskmetallid jt) kontsentratsiooni.

Prügilagaasi kogumine

Prügilagaas tekib niiskete orgaaniliste jäätmete lagunemisel prügila anaeroobsetes tingimustes. Õhuhapniku ligipääs sügavamal asuvatele kihtidele on raskendatud, mistõttu saavad seal elada anaeroobsed mikroobid, kes toodavad elutegevuse käigus gaasi. Gaasi kogumissüsteemi puudumisel vabaneb tekkiv prügilagaas õhku, kuid uutes prügilates on sisse ehitatud vastav kogumistorustik. Prügilagaas on koostiselt sarnane biogaasiga, kuid sisaldab vähesel määral ka teisi, peamiselt kloori-, fluori- ja väävliühendeid, mis võivad olla kantserogeensed. Prügilagaasi lendumisel levib ebameeldiv lõhn, keskkonda vabanevad tervist kahjustavad ja plahvatusohtlikud ained, eralduvad süsinikdioksiid ja metaan, mis on kasvuhoonegaasid. Prügilagaasi kogumisel ja käitlemisel toodetakse sellest energiat ning hoitakse ära nimetatud negatiivsed nähtused.

Kasutamine

Biogaasi põletamisel vabaneb energia, mida iseloomustab biogaasi kütteväärtus 5–7 kWh/m³. Biogaasi kasutatakse elektri tootmiseks sisepõlemismootorites, mis on ühendatud elektrigeneraatoriga, võimalik on kasutada ka mikrogaasturbiine, kütuseelemente ja stirling- ehk välispõlemismootoreid. Alternatiiv on biogaasi kasutamine katlakütusena sooja tootmiseks või mõlema energialiigi koostootmine soojuse ja elektri koostootmisjaamas. Puhastatud biogaasi ehk biometaani saab kasutada transpordivahendite biokütusena või suunata seda maagaasivõrku üldiseks tarbimiseks.
Kääritusjääki on võimalik kasutada põllumajandusliku väetisena. Tooraine anaeroobsel lagundamisel väheneb oluliselt materjali süsinikusisaldus, kuid säilivad taimedele olulised mineraalsed lämmastik ja fosfor. Seega on kääritusjäägi väetavad omadused paremad kui biogaasi võimalikul toormaterjalil loomasõnnikul. Kääritusjäägi reaalne kasutamine põllumajanduses on reguleeritud piirkonna seadusandlusega, sest olulised on väetamise õige ajastus, sobiva laotamistehnoloogia valik ja väetise optimaalne kogus. Suurt tähelepanu juhitakse kääritusjäägi sanitaarsusele, sest tuleb tagada võimalike patogeenide eemaldamine enne kääritusjäägi põllule laotamist. Peamised patogeenide allikad biogaasi tootmisel on substraadina kasutatavad loomasõnnikud.

Biogaas Eestis

Eesti Biogaasi Assotsiatsiooni EBA hinnangul on Eesti reaalne majanduslik biogaasi potentsiaal koos prügilagaasiga ligikaudu 500 mln Nm³/a (2012. aasta seisuga), millest saaks toota 300 mln Nm³ 98% metaanisisaldusega biometaani aastas. 2010. aastal toodeti Eestis biogaasi 13,13 mln Nm³/a ehk 2,6% reaalsest kasutatavast biogaasi potentsiaalist.
Eestis toodavad biogaasi AS Tallinna Vesi Paljassaare reoveepuhasti, AS Narva Vesi reoveepuhasti, OÜ Saare Economics Jööri, Salutaguse Pärmitehase reoveepuhasti, Aravete Biogaas OÜ ja AS Kuressaare Veevärk. Lisaks kogutakse prügilagaasi Väätsa, Jõelähtme, Pääsküla ja Paikuse prügilas. Nimetatud asutused kasutavad biogaasi sooja ja elektrienergia tootmiseks. Tartu Aardlapalu prügilas tehakse ettevalmistusi prügilagaasi kasutamiseks mootorikütusena Tartu linna surugaasibussides, valmimisel on Tartu Veevärgi biogaasireaktor ja mitmed väiksemad biogaasijaamad. 2013 käivitusid ka Vinni ja Oisu biogaasi jaamad, mis kasutavad toormena veise- ja sealäga ning sõnnikut.
Kundas AS Estonian Cell biogaasi reaktor on Euroopa suurim. Sealne reovesi on suure orgaanilise aine sisalduse ja sobiva temperatuuriga (üle 38 kraadi) ning selles on vähe toksilisi ühendeid. Tekkiv gaas kasutatakse ära tehase oma kuivatites.