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, taimse biomassi allikatest, toiduainetööstuse jäätmetest ja muudest 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 soojusenergiat. 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 paljudes riikides saavad biogaasi tootjad taastuvenergiatoetusi. 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 lagunemine toimub mikroorganismide elutegevuse tulemusena neljas etapis. 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 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 eri 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. 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 sarnaneb koostiselt biogaasiga, kuid sisaldab vähesel määral ka muid, 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. Biogaasi koostis varieerub sõltuvalt selle tootmisprotsessist. Prügilagaasis ulatub metaani osakaal ligikaudu 50 protsendini. Nüüdisaegsete jäätmekäitlustehnoloogiatega on võimalik toota 50–75% metaanisisaldusega biogaasi, mille puhastamisel on võimalik saavutada maagaasiga võrdväärne metaanisisaldus. Liigne divesiniksulfiidi sisaldus biogaasis on probleem energia tootmisel, sest see tekitab gaasimootorite korrosiooni. Toodetud biogaas sisaldab lisandina veeauru, mille mahuprotsent sõltub kääritusreaktsiooni temperatuurist. Õhuniiskuse ja soojuspaisumise tõttu tekkiva gaasikoguse vea parandamiseks kasutatakse matemaatilist algoritmi, mille tulemusel saadakse kuiva biogaasi standardiseeritud produktsioon. 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 soojuse 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. 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 soojuse ja elektrienergia tootmiseks. Tartu Aardlapalu prügilas tehakse ettevalmistusi prügilagaasi kasutamiseks mootorikütusena Tartu linna surugaasibussides, valmimisel on Tartu Veevärgi biogaasireaktor ja mitu väiksemat biogaasijaama. 2013. aastal pandi tööle ka Vinni ja Oisu biogaasijaam, kus kasutatakse toormena veise- ja sealäga ning sõnnikut. Kundas asuv AS-i Estonian Cell biogaasireaktor 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. 2020. aastal moodustas biogaas 4,5% EL27 (Euroopa Liidu 27 liikmesriiki) riigisisesest gaasi kogutarbimisest ja 10,5% EL27 bioenergia tarbimisest. EBA (Euroopa Biogaasi Assotsiatsiooni) arvutuste kohaselt suudab biogaas 2030. aastaks asendada 10% EL27 gaasinõudlusest ja 2050. aastaks kuni 30–40%. Need arvud näitavad, et õigete poliitiliste otsuste korral võib biogaas olla usaldusväärne lahendus vähese süsinikdioksiidiheitega energiale üleminekuks. Umbes 63% Euroopa tehastest toodab biogaasi põllumajanduslike kõrvalsaaduste baasil. Põllumajanduses jäägid on olulised lähteained biogaasi toomisel. Enamikus riikides tugineb biogaas ühele põhilisele toorainele. Tooraine liik sõltub vastava riigi kohalikest tingimustest. Kõige enam toodetakse biogaasi Euroopas. Kaks kolmandikku Euroopa biogaasijaamadest asub Saksamaal, mistõttu on Saksamaa tootmismahu poolest Euroopas esikohal. Biogaasi tootmismahu suurenemisele Saksamaal andis tõuke taimne biomass, mida varem sel otstarbel ei kasutatud, kuid viimasel ajal liigutakse üha enam selles suunas, et võtta kasutusele rohkem põllundustootmise jääke, kariloomade elutegevuse jääke (sõnnik, läga) ja prügilagaase. Teised riigid, näiteks Taani, Prantsusmaa, Itaalia ja Holland, tegelevad biogaasi tootmise edendamisega. Euroopa Komisjoni plaan „REPowerEU“ on muuta Euroopa Liit sõltumatuks Venemaa fossiilkütustest. Üks REPowerEU eesmärke on toota 2030. aastaks 35 miljardit m3 biogaasi aastas. Euroopa Liidus rakendub biolagunevate jäätmete sortimiskohustus 2024. aastal, mis soodustab biogaasi tootmist. 28. septembril 2022 asutati Biometaani Tööstuspartnerluse Liit, mis edendab Euroopa Komisjoni, tööstusharu esindajate, teadlaste ja tooraine tootjate vahelist koostööd. Anaeroobne lagunemine Prügilagaas Biometaan Säästva arengu sõnaseletusi. "Biogaas" Säästva Eesti Instituut, SEI Tallinn (vaadatud 5.10.2012) "Biogaasi tootmine ja kasutamine. Käsiraamat"[alaline kõdulink] Eesti Põllumeeste Keskliit, Tartu 2009 "Biogaasi toorained"[alaline kõdulink] Eesti Biogaasi Assotsiatsioon (vaadatud 5.10.2012) "Mis on biogaas"[alaline kõdulink] Eesti Biogaasiportaal (vaadatud 5.10.2012) "Solubilization of organic sludge by thermophilic aerobic bacteria as a pretreatment for anaerobic digestion" Hasegawa S, Shiota N, Katsura K, Akashi A (2002). Water Sci Technol 41: 163–169 "Technologie Portrait. Biogas" Tretter H, Berichte aus Energie- und Umweltforschung, Wien 2002 "Biogaasi tootmine" Eesti Biogaasi Assotsiatsioon (vaadatud 5.10.2012) "Prügilagaas energiaallikana Soomes" Väisänen P (1997). Keskkonnatehnika 2/1997 "Prügilagaasi koostootmine" Wihuri Cat (vaadatud 5.10.2012) "Methods for kinetic analysis of methane fermentation in high solids biomass digesters". Richards B, Cummings R, White T, Jewell W (1991). Biomass and Bioenergy 1 (2): 65–73 "Biogas Handbook" Seadi T A, Rutz D, Prassl H, Köttner M, Finsterwalder T, Volk S, Janssen R, University of Southern Denmark Esbjerg 2008 Calderón, Cristina (2022). "Bioenergy Europe Statistical Report 2022". Bioenergy Europe. Originaali arhiivikoopia seisuga 22. märts 2023. Vaadatud 22. märtsil 2023. "An introduction to biogas and biomethane – Outlook for biogas and biomethane: Prospects for organic growth – Analysis". IEA (Briti inglise). Vaadatud 22. märtsil 2023. "Biomethane". energy.ec.europa.eu (inglise). Vaadatud 22. märtsil 2023. Eesti Biogaasiportaal Eesti Biogaasi Assotsiatsioon Baltic Biogas OÜ Mõnus Minek OÜ