ביוגז

ביוגז הוא גז המופק מחומר אורגני בתהליך של עיכול תאי בתנאים אנאירוביים, בתהליך נעשה על ידי מספר אוכלוסיות אורגניזמים שונות. ביוגז יכול לשמש להנעת גנרטורים לייצור חשמל או ליצירת חום בעת שריפתו. ביוגז נחשב כמקור אנרגיה מתחדשת, אשר מיושם בעולם כולו, אם בדרכים מסורתיות כגון שימושו לבישול במדינות עניות או בשימוש בטכנולוגיות חדישות להפקה מקסימלית של ביוגז מחומר אורגני, כגון ריאקטורים מבוקרים ומדודים.

תהליך העיכול האנאירובי הוא תהליך טבעי המתרחש מעצמו בתנאים המתאימים, לדוגמת מטמנות ואתרי פסולת. בתהליך זה המרכיבים האורגנים מתפרקים על ידי מיקרואורגניזמים בסביבה אנאירובית, תוך יצירת תוצרי לוואי שונים, ביניהם תערובת ביוגז. תערובת זו מכילה בעיקר פחמן דו-חמצני ומתאן (CH₄) – גז פחמימני דליק, אשר מתפרק בשריפה לפחמן דו-חמצני ומים. בנוסף, גזי המתאן והפחמן הדו-חמצני תורמים לאפקט החממה בעת פליטתם לאטמוספירה.

פוטנציאל חמצון - חיזור

מאחר שעל התהליך להישמר בתנאים אנארובים, הכניסה של סוכני חמצון כל שהם, לדוגמת: חמצן, ניטראט, ניטריט או סולפט, יפגעו בתהליך ויגרמו לעיכובו. לכן יש להימנע מחשיפת המערכת לאוויר או למצעים לא מאוזנים מבחינת פוטנציאל חימזור בכל שלבי התהליך.

יחס פחמן - חנקן ועיכוב על ידי אמוניה

יחס פחמן-חנקן גבוה מ-30 יכול לגרום להאטה בגידול אוכלוסיית מיקרואורגניזמים עקב מחסור בחלבון, חומרים לבניית בתא ואנרגיה החשובים למטבוליזם של המיקרואורגניזמם. יחס גבוה זה יכול להוביל להאטה בפירוק הסובסטרט. לעומת זאת, יחס נמוך בין פחמן לחנקן (בסביבות 3), יכול להסתיים בעיכול מוצלח, אך גם עלול לגרום לשחרור רב של אמוניה אשר יכולה לגרום לעיכוב בתהליך (בדרך כלל קורה עם פסולות של בעלי חיים העתירה בחנקן). גורם נוסף שיכול להוביל ליחס נמוך ולעודף חנקן, הוא סחרור לא מבוקר של תשטיפי התהליך בין הריאקטורים, אשר עלול לגורם להצטברות אמוניה.

מתכות כבדות

מתכות כבדות יכולת לשמש כחומרי קורט החיוניים להתפתחות המיקרואורגניזמים אך גם לעכב. ישנו טווח אופטימלי לחלק מהמתכות הכבדות, אך גם חלקם אינן נחוצות כלל.

טיפול מקדים

תהליך העיכול מצריך שלושה שלבים עיקריים: טיפול מקדים, העיכול עצמו וטיפול סופי.
באופן עקרוני, כל חומר אורגני ניתן לעיכול. ניתן להשתמש בפסולות חקלאיות ותעשייתיות שונות כאשר בהגדרתן לתהליך העיכול יכיל: (1) פסולת מוצקה מוגדרת כ-10-20% מסה מוצקה (2) ופסולת נוזליות המוגדרת כ-2-8% מסה מוצקה. על מנת לקצר את התהליך, ניתן להכין את המצע (ביומסה) אותו רוצים לעכל על ידי מספר אפשרויות - יש להגדירן בהתאם סוג המצע. בשלב הראשון יש להפריד גורמים העלולים להפריע בתהליך העיכול כגון: חומרים אנרטים (אדמה, זכוכית, אבנים וכדומה), חומרים ביולוגים לא רצויים (חתיכות עץ או עורות ונוצות), שאר חומרים סינתטים ומתכות (ברזלים, סוללות ופלסטיק לדוגמה). לאחר ההפרדה הפיזית ניתן להפעיל תהליכים אשר יעזרו להנגיש את החומר האורגני למיקרואורגניזמים, זאת ניתן לעשות על ידי תהליכים פיזיים, כימיים, תרמיים וביולוגיים. על מנת ששלב ההכנה יהיה כדאי אין הוא יכול להיות יקר אנרגטית יותר מאשר תרומתו.

עיכול אנאירובי תעשייתי

בעקרון, לא ניתן לדעת מראש איזה סוג של מעכל (digester) יהיה האידיאלי ביותר עבור החומר האורגני אותו בוחרים לעכל. יש ללמוד את אופי הפסולת באופן קפדני על מנת לתכנן את סוג מערכת העיכול שתיבנה. לעיתים, יש להתחשב גם באקלים האזור בו נעשה העיכול והיתכנות השפעותיו על טמפרטורת המעכל, לכן מומלץ לערוך ניסויים מקדימים (ניסויי מעבדה ופיילוט), לפני הקמת המתקן.
עיכול יבש הוא למעשה קומפוסט אנארובי. בתהליך זה הביומסה מושרית בטיפול המקדים עד להכלה של 80% מים ו-20% חומר יבש. לתהליך כזה יש מספר יתרונות, כאשר העיקרי מתוכם הוא הפחתת נפח הריאקטור (המיכל בו מתרחש תהליך העיכול) עקב נפח מים יחסית קטן במערכת. בעיכול יבש, הסובסטרט מרוכז פי 4 יותר מעיכול רטוב ושווה באופן יחסי לגודל ריאקטור הקטן פי 4. בנוסף, לעיכול יבש בריכוז סובסטרט גבוה יכול להיות יתרון באדישות לריכוזים גבוהים של חומרים מעכבים (לדוגמת אמוניה), עכב יכולת באפר של הסובסטרט. חסרון המרכזי בתהליך עיכול יבש הוא בהובלת המצע, מאחר שלא ניתן להזרימו.
עיכול רטוב מאפשר מגוון רחב יותר של תהליכים לעומת עיכול יבש. תהליך זה מתקיים לרוב בריכוזים של עד 5% חומר מוצק מרחף. ישנם מספר טכנולוגיות של ריאקטורים המאפשרים לעיכול רטוב. באופן כללי ניתן לחלק את התהליכים לתהליך מנתי ותהליך מתמשך, כאשר האחרון יכול גם הוא להתחלק לתהליך חד-שלבי או דו-שלבי. ברוב תהליכי העיכול הרטוב, מיקרואורגניזמים מרחפים ומעורבבים עם הסובסטרט בתוך הריאקטור ובלתי ניתן להפרידם לאחר התהליך.

טיפול סופי בתוצרים

ייצור ביוגז תלוי לחלוטין ביעילות העיכול האנאירובי בריאקטור וביכולת הפקת הגז של המיקרואורגניזמים שבו. יכולת אופטימלית של מיקרואורגניזמים נעה בין 80%-90% ייצור ביוגז מתוך יכולת פוטנציאלית. ערכי קצב ייצור ביוגז לעיכול מזופילי נעים בין 0.9-1.3 מ"ק גז למ"ק ריאקטור ליום (m³m⁻³d⁻¹). ערכים נמוכים מאלו יעידו על גודל ריאקטור גדול מדי, כאשר ערכים גבוהים מאלו הם נדירים ואף בלתי אפשריים. עבור עיכול תרמופילי או דו-שלבי, קצב ייצור ביוגז יהיה 1.3, 2.1  [m³m⁻³d⁻¹], בהתאמה. ריאקטור מסוג (Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB, צורך פחות נפח ויכול להגיע לקצב ייצור ביוגז של עד 10 [m³m⁻³d⁻¹], ריאקטור זה מיועד למצעים מימיים ביותר כגון שפכים ממתקני טיפול שפכים, ייחודיות ריאקטור זה הוא בהפרדה מתמדת של שלוש פאזות: מוצקים בתחתית, נוזל במרכז וגז בראש הריאקטור, המאפשרים טיפול רציף ללא הפסקה.
לרוב, תכולת המתאן בביוגז הנוצר בתהליך נע בין 40%-70% תכולה לפי נפח כאשר השארית בעיקרה פחמן דו-חמצני. בגז הנוצר ישנם רכיבים נוספים המופיעים בכמויות קטנות (פחות מאחוז), כגון: אדי מים, מיקרו-חלקיקים של המצע וגזי עוקבה. על כן, טיפול בביוגז הכרחי על מנת לשמר את הציוד המשמש לאחסון, הובלה וחלוקה. חלקיקי מוצקים יכולים להיות מסוננים בעזרת פילטר (Candle filters), שאריות בוצה או קצף יכולים להיות מופרדים על ידי שימוש בציקלון. להסרת גזי העוכבה, כאשר מימן גופריתי (H₂S) הוא הגז הבעייתי ביותר עכב השפעתו הקורזיבית על ציוד, נעשים תהליכים כמו קרצוף, ספיחה וספיגה. להתמודד עם אדי מים, לעיתים נחוץ ייבוש כאשר תחולת הרטיבות גבוהה מ-80%.
לאחר הניקוי, הביוגז משמש להפקת אנגיה. כאשר השימוש בנפוץ הוא בקוגנרציה של חום וחשמל בעת ובעונה אחת. באופן זה ניתן להפיק מקסימום חשמל ומספיק חום עודף על מנת לחמם את המעכל (ריאקטור). החום הדרוש לחימום המערכת נקראת אנרגיה פרזיטית ויש לקחת אותה בחשבון עוד בשלב התכנון. חימום הראשוני של הסובסטרט הוא הצרכן העיקרי, כאשר הפיצוי על הפסדי חום בתהליך משני ודורש פחות חום, 90% ו-10%, בהתאמה. 
אנרגיה חשמלית גם היא נחוצה בתהליך העיכול, לצורך שאיבה, בחישה, ותהליכים של בקרה ותיקון. ניתן לומר כי אין להשתמש ביותר מ-10% על 15% מהחשמל המיוצר לשימוש פנימי-תפעולי. ככלל אצבע, על שלב הטיפול הסופי בתוצרים אסור לצרוך יותר אנרגיה מאשר הוא עוזר להפיק. משמע, ניקוי יתר עלול להפוך ללא כלכלי.
הקמת מתקן לעיכול אנארובי להפקת ביוגז, מצריך תסקיר השפעה על הסביבה, על המסמך לקחת בחשבון גם את פליטות הגזים מהמתקן, כאשר הגורם העיקרי הוא שטף הגז והריחות הנפלטים מהמתקן. על הגזים הנפלטים להיות מנותרים ולעמוד בערכי פליטה המותרים בחוק. במידה ואמוניה וגופרית דו-חמצנית מוסרים בתהליך, המתקן יעמוד בדרישות ללא בעיה. ריחות לא נעימים יכולים לנבוע מאכסון, שינוע או העברות בתוך המתקן של פסולת אורגנית. על כן, יש לבצע פעולות אלו באזור מקורה, עם איסוף האוויר וסינונו.
נושא הבוצה והשפכים הנותרים בתהליך יכולים לשמש כדשן וקומפוסט לחקלאות. כאשר אלו עברו פירוק מלא ונחשבים איכותיים ללא פתוגנים. במידה והמצע מכיל מתכות כבדות או מלחים יש לשקול שימושים אחרים מדשן חרף פגיעה בבריאות הקרקע.

מטמנות

המטמנות בישראל, חייבות על פי חוק למנוע פעפוע של גז המתאן לחלל האוויר ולמנוע תשטיפים שיחלחלו למי התהום. תופעת היווצרות גז זה נגרמת מאחר שהפסולת הנטמנת כלואה בתנאים אנאירוביים. כאשר, תרומתה של מולקולת מתאן אחת לאפקט החממה, היא בין 28–36 מאשר מולקולה של פחמן דו-חמצני לאורך מאה שנה.
טיפול אפשרי בגז המתאן הנוצר, הוא על ידי הפקת חשמל או קיטור, היכול להחליף את הצורך בשריפת גז המתאן בלפיד. הוצאת הגז נעשית על ידי קדיחת בארות לעומק המטמנה, כאשר הגזים היוצאים מתפלגים פי ההרכב הבא: 60%-40% מתאן, 40%-60% פחמן דו-חמצני, 1% גזים נוספים. שיא תפוקת הגז בבאר היא לאחר שנתיים מהקידוח ולאחר מכן התפוקה יורדת בקצב של 5% לשנה. הפקת חשמל מגז המתאן נעשית באתר ההטמנה על ידי גנרטור, כאשר, תחמוצת הגופרית, סילוקסן (Siloxane) ואדי מים שהמצויים גם הם בגז, יוצרים עלויות יקרות להפעלת גנרטורים חשמליים אלו. מחיר ההסדרה למטמנה הוא: 40 אגורות לקוט"ש. מחיר מכירת גז מתאן לקיטור לתעשייה עומד על לפי שווי מחיר מזוט/גז טבעי בשוק. מטמנות המפיקות חשמל בישראל הן: דודאים, גני הדס, עברון ואפעה.
נוסחת אצבע ביחס מתאן לקוט"ש : 500 קוב/שעה של ביוגז בריכוז של 65% מתאן יניבו 1000 קוט"ש.

פסולת עירונית

בשנת 2016 יוצרו במדינת ישראל 5.3 מיליון טון של פסולת עירונית. אחוז המחזור בשנה זו היה 21% כאשר שאר הפסולת הועברה להטמנה. למרות שישנה עליה הדרגתית באחוזי המחזור, שיעור זה נחשב נמוך מאוד ביחס לרוב מדינות המערב וזאת למרות קיומו של היטל הטמנה בישראל, שנועד לשמש ככלי סביבתי ורגולטיבי לצמצום ההטמנה. כמות הפסולת בישראל גדלה מדי שנה בשיעור של כ-3%-5%.
כאשר שנה לפני כן, בשנת 2017 המדינה יוזמה הקמת מתקן במתחם השפד"ן אשר יכלול מתקני מיון פסולת, יצירת גז מתאן מפסולת אורגנית ויצור קומפוסט לדישון חקלאי. במתקן צפויים להיות מטופלים כ-1,000 טון פסולת עירונית מדי יום, המורכבים מזרם פסולת פריקה ביולוגית שמקורה בתחנות מעבר ומיון וכן מפסולת מופרדת במקור, וכן זרם פסולת מעורבת. במתקן יופק חשמל מביוגז בהיקף משוער של עד 12 מגה וואט. לאחר סיום התהליך האנאירובי והפקת החשמל תעבור הבוצה הביולוגית לשלב משלים – הפקת קומפוסט בתהליך אירובי. חשוב לציין כי מתקן זה עדיין אינו פעיל.

גידול ביומסה

המשרד להגנת הסביבה מתנגד, נכון להיום, להפקת אנרגיה מגידולי ביומסה ייעודיים, הן משום שלרוב מדובר בגידולים שבאים על חשבון גידולים חקלאיים המיועדים למזון והן משום שגידול אקטיבי של ביומסה לאנרגיה דורש השקעה גדולה יחסית במים, בדשנים, בקרקע ובאנרגיה.

פסולת חקלאית

מבחינת ענף החקלאות, זבל בעלי חיים לצורך הפקת אנרגיה נמצא בעדיפות משנית לזו של שימושים חוזרים בענף עצמו. בנוסף, שימוש בזבל בע"ח להפקת ביוגז בעיכול אנאירובי רטוב, מותיר את התוצר הסופי (לאחר הפקת הביוגז) עני יחסית ופחות מבוקש על ידי חקלאים לזיבול שדות. הכמות השנתית של זבל בעלי חיים בישראל נאמדת בכ-5.6 מיליון טונות. עיקר זבל בעלי החיים מגיע מענף הבקר לחלב (כ-2.4 מיליון טונות) ומענף הלול (כ-0.9 מיליון טונות). מתוך כלל זבל בעלי החיים, מוערכת הכמות הפוטנציאלית להפניה למתקני טיפול במעל ל-2 מיליון טונות זבל. מחצית מכמות זו עשויה לעבור למתקני הפקת אנרגיה כדוגמת ביוגז.
בישראל קיימים שלושה מתקנים אזוריים (מיצר ברמת הגולן, עמק חפר ובאר טוביה) המשמשים להפקת ביוגז מזבל רפתות. מתקנים אלו מנצלים כשליש מכלל זבל רפת החלב. מחיר ההסדרה בהפקת ביוגז מזבל בע"ח הוא 0.65₪. אחת הבעיות הקשות בהקמת מתקני אזוריים אלו היא ההתנגדות של התושבים אשר חוששים ממפגעי תברואה וריח ואינם רוצים לראות מתקנים אלו קמים לצדם. בנוסף, מתקן ביוגז המופק מזבל פרות נאלץ לטפל בעודפי הנוזלים שנוצרים בתהליך ונקראים מי נטל. מים אלו מכילים מלחים וצורן ומחייבים את סילוקם לאתרים מיוחדים.

תעשייה

בישראל פוטנציאל ייצור חשמל באמצעות ביוגז מפסולת תעשייתית עומד על 12.5 מגה וואט. הפקת ביוגז בתעשייה הישראלית נעשית על ידי 17 מפעלים גדולים, כאשר ביניהם - מחלבות, משחטות, מפעלי מזון, מפעלי משקאות, מפעלי בירה וגם מפעל ניר. רובם המוחלט מייצר ביוגז לקיטור ולא חשמל. המפעלים, כמו המטמנות, חייבים על פי חוק לטפל בשפכי הייצור שלהם, לכן, לכל מפעל יש מתקן צמוד לטיפול ואגירת המתאן. אחוז המתאן במפעלי המזון בדרך כלל גבוהה יותר ממטמנות ועומד על כ־75%. המפעלים הגדולים משתמשים במזוט להפקת קיטור ולכן המזוט הוא שקובע את המחיר האלטרנטיבי של הביוגז, לדוגמה, פריגת מייצרת 25% מהאנרגיה שלה מביוגז.
השימוש בביוגז מחייב שימוש בדודי קיטור נפרדים מדודי המזוט, דבר המגדיל את ההשקעה ומצריך תחזוקה של מערכות אנרגיה כפולות. בשנים האחרונות המפעלים הגדולים, הבינוניים והקטנים עוברים לשימוש בגז טבעי לייצור קיטור במקום השימוש במזוט. מהלך זה משנה את המחיר האלטרנטיבי של הביוגז. כעת ישנה מחשבה לעבור לייצר חשמל מביוגז במקום לייצר קיטור. מחיר ההסדרה 60 אג' לקוט"ש, אינו מצדיק את המעבר של מפעלים קטנים ובינוניים להפקת חשמל מביוגז וזאת בגלל מורכבות טכנולוגית והרגולציה בהפקת החשמל וחיבורו לרשת.

שפכים

שפכים מימיים מכילים חומר אורגני ברמה נמוכה יחסית, היות שהחומר האורגני מהול בהרבה מים לצורך שינוע הפסולת אל מכוני טיהור השפכים. עם זאת, מדובר על כמות עצומה של שפכים - 500 מיליון מ"ק בשנה. האפשרות היחידה להפקת אנרגיה משמעותית ברמה לאומית משפכים היא להשתמש בבוצה מהשפכים להפקת אנרגיה (120 אלף טון בוצה חומר יבש/ 600 אלף טון בוצה רטובה) מבוצת שפכים עירוניים ניתן לייצר כ-0.2 מיליון טון דשן מוצק בשנה. היות שיש ביקוש חקלאי לבוצות המעובדות, ניתן יהיה להפנות את הבוצות לעיכול אנאירובי במתקני העיכול המוקמים כיום ברחבי הארץ ולהפיק מהם גם ביוגז וגם בוצה מעובדת לחקלאות.
בשנת 2014 החל בהקמת תחנת הכוח החדשה בטכנולוגיית קוגנרציה, שתייצר 11.2 מגה וואט של אנרגיה מתחדשת באמצעות ניצול הבוצה שתסופק ממתקן טיהור השפכים בשפד"ן. על ידי הליך ביולוגי שיביא להתססת בוצת השפד"ן בשמונה מעכלים אנאירוביים מהגדולים מסוגם בעולם, ייווצר גז טבעי (ביוגז) שיהפוך לחשמל נקי. החשמל שיופק מן הגז ישמש לתפעול מתקן השפד"ן החדש. יש לציין, כי המתקן עדיין אינו פעיל.