Europos Sąjungoje transporto priemonės išmeta apie 21 proc. visų šiltnamio efektą sukeliančių dujų. Vienas iš būdų mažinti atmosferos taršą - naudoti atsinaujinančius energijos išteklius vietoje iškastinių. Europos Sąjunga siekia, kad 2020 metais biokuras sudarytų 10 proc. viso sunaudojamo kuro.

Biokuras - iš biomasės pagaminti degūs, dujiniai, skystieji ir kietieji produktai, naudojami energijai gaminti.

Biodujos yra vienos iš galimų atsinaujinančios energijos išteklių, kurį galima sėkmingai naudoti transporto sektoriuje. Joms gaminti naudojamos skystos, lengvai suyrančios organinės medžiagos.

Biodujos susidaro anaerobinėje (bedeguonėje) aplinkoje, kai tam tikros bakterijų grupės suskaido organines medžiagas (angliavandenius, baltymus ir riebalus) į dujas, sudarytas iš metano (CH₄), anglies dioksido (CO₂) ir nedidelio kiekio kitų dujinių komponentų mišinio. Biodujos gali būti išgaunamos sąvartynuose arba gaminamos iš organinių medžiagų biodujų reaktoriuose. Pirmuoju atveju dujos išsiurbiamos iš senų sąvartynų yrančios organinės medžiagos sluoksnių per specialiai įrengtus gręžinius. Antruoju - biodujos išsiskiria skaidantis organinėms medžiagoms dirbtinai sukurtoje aplinkoje - bioreaktoriuose.

Anaerobiniame procese dalyvauja daug bakterijų ir kitų organizmų rūšių. Veikiant anaerobinėms bakterijoms, organinių medžiagų virsmas biodujomis vyksta trimis etapais: hidrolizės, fermentacijos ir metanogenezės.

Hidrolizės metu bakterijos (Bactericides, Clostridia) suardo kompleksinius junginius iki nesudėtingų organinių medžiagų - cukrų (mono-, disacharidų), rūgščių (amino ir riebiųjų), peptidų. Antrajame etape acetogeninės bakterijos skaido medžiagas, susidariusias hidrolizės metu (acto rūgštis, acetatai, anglies dioksidas, vandenilis ir lakiosios riebalų rūgštys). Trečioje - metanogenezės stadijoje metaną gaminančios bakterijos (metanogeninės) gali naudoti vandenilį, anglies dioksidą ir acetatus kaip substratą metanui gauti metabolizmo procese. Acto rūgštį, vandenilį ir anglies dioksidą Methanosarcina spp. ir Methanothrix spp. bakterijos paverčia metanu ir anglies dioksidu, o bakterijos Methanobacterium, Methanococcus utilizuoja deguonį ir skruzdžių rūgšties druskas. Apie 70 proc. metano pagaminama iš acetatų, o 30 proc. iš vandenilio ir anglies dioksido.

Biodujų gamybos žaliavos

Biodujų gamybos žaliavų potencialas yra pakankamai didelis (galima naudoti įvairias biologiškai skaidžias atliekas ir šalutinius produktus), tačiau jis neišnaudojamas. Biodujų gamybos žaliavas galima suskirstyti į keletą grupių:

* žemės ūkio atliekos (gyvulinės ir augalinės kilmės);

* miesto infrastruktūros atliekos (nuotekų valymo dumblas, buitinės organinės atliekos);

* pramonės atliekos;

* žalioji biomasė.

Anaerobinio perdirbimo metu dujos gali būti išgaunamos iš trijų organinių medžiagų grupių: riebalų, iš kurių metano dujų išeiga yra didžiausia, baltymų ir angliavandenių.

Pagrindinė potenciali biodujų gamybos žaliava Lietuvos žemės ūkyje - gyvulių mėšlas (labiausiai tinka galvijų ir kiaulių). Geriausios perspektyvos statyti biodujų jėgaines yra šalia stambių ūkių, kurie naudoja pažangias bekraikes gyvulių ir paukščių laikymo technologijas bei turi didelius šiluminės energijos poreikius.

Kitas žemės ūkyje susidarantis biodujų gamybos žaliavos šaltinis yra augalininkystės atliekos, pavyzdžiui, šiaudai. Nors šiaudai yra sunkiai skaidoma organinė medžiaga, kurios didžiąją dalį sudaro lignoceliuliozė, ši pigi biomasė, nekonkuruojanti su maisto produktų gamybos rinka, galėtų tapti puikia alternatyva kukurūzų silosui, kuris dažnai naudojamas gaminant biodujas. Palyginti su kukurūzų silosu, iš to paties kiekio kviečių šiaudų galima išgauti 67 proc. daugiau energijos. Biodujų gamybai gali būti naudojamos ir grūdų valymo bei daržininkystės atliekos, sumaišius jas su kitomis organinėmis medžiagomis.

Dar viena potenciali žaliava biodujų gamybai - nuotekų valymo dumblas, žalieninės atliekos (žolės, šakos, lapai) bei buitinės organinės atliekos. Nuotekų valyklose susidarančio dumblo kiekiui turi įtakos valyklose naudojamos valymo technologijos bei dumblo nusausinimo laipsnis. Dumblo pūdomuosiuose reaktoriuose susidarančiose biodujose paprastai yra apie 65 proc. metano, o šių biodujų 1 m³ energetinė vertė sudaro 20,93 MJ, arba 5,82 kWh. Pirminiame nuotekų dumble yra apie 15-20 proc. sausųjų medžiagų ir dujų išeiga iš 1 kg sausųjų medžiagų svyruoja nuo 0,4 iki 0,6 m³, o perteklinis dumblas pasižymi didesniu sausųjų medžiagų kiekiu (20-25 proc.), dujų išeiga iš 1 kg sausųjų medžiagų yra 0,35-0,5 m³.

Žalieninės atliekos priskiriamos sodų ir parkų tvarkymo atliekoms. Maišant nukritusius lapus, žoles su kitais komponentais biodujoms gauti, pavyzdžiui, mėšlu, iš 1 kg sausosios organinės medžiagos galima gauti iki 0,6 m³ metano.

Buitinės organinės atliekos, atskirtos nuo kitų rūšių komunalinių atliekų ir perdirbtos biodujų reaktoriuose, gali būti naudojamos energijai gaminti. Anaerobiškai perdirbus 10 kg virtuvės atliekų, galima gauti 1,5 m³ biodujų ir šiuo jų kiekiu nuvažiuoti 10 km automobiliu.

Maisto pramonėje nemažai įmonių, kuriose susidarančios atliekos pagal fizinę būklę, pobūdį ir cheminę sudėtį yra skirtingos. Susidarantis atliekų kiekis kartais siekia 50 proc. ir daugiau perdirbamos žaliavos. Biodujų gamybai tinka cukraus, alaus, spirito gamybos, grūdų, vaisių, daržovių perdirbimo, žuvies, mėsos, pieno perdirbimo, įskaitant ir viešojo maitinimo, atliekos.

Bendrąja prasme maisto pramonės gamybos atliekas galima suskirstyti į dvi pagrindines grupes: gyvūninės ir negyvūninės kilmės. Įvertinus tai, kad mėsos perdirbimo pramonės ir skerdyklos atliekose yra apie 20-40 proc. sausųjų medžiagų, dujų išeiga iš 1 kg sausosios medžiagos galima nuo 0,4 iki 0,6 m³, didžiausia biodujų išeiga iš 1 kg sausosios medžiagos gaunama perdirbant riebalus. Juose sausosios medžiagos yra apie 35-70 proc., o dujų išeiga - 0,8-1,25 m³ kg^-1. Biodujų jėgainėse perdirbus 60 tūkst. tonų gyvūninės kilmės atliekų galima išgauti apie 12 mln. m³ biodujų, kurių energetinė vertė siekia 70 GWh.

Pramonines negyvūninės (augalinės) kilmės atliekas perdirbti anaerobiniu būdu išgaunant biodujas yra paprasčiau, negu gyvūninės kilmės - reglamentuojantys teisės aktai nėra tokie griežti kaip atliekoms, kurios dėl savo pavojingumo galėtų sukelti neigiamą poveikį aplinkai ir žmonėms. Be to, augalinės kilmės atliekos turi nemažą energetinį potencialą.

Europoje, ypač Vokietijoje, populiarios biojėgainės, gaminančios biodujas iš biomasės (tiek žaliosios, tiek konservuotos). Labai svarbu pasirinkti tinkamus augalus. Augalai biodujoms turi užauginti didelį sausųjų medžiagų derlių, esant palyginti mažoms sąnaudoms. Tokias sąlygas labiausiai atitinka daugiamečiai žoliniai augalai. Daugiametės žolės išaugina gausų derlių, kuris palankiais augimui metais gali siekti 10-12 t ha^-1 sausųjų medžiagų. Iš žolių, perdirbtų į biodujas, gautas energijos kiekis yra vidutiniškai du kartus didesnis negu anaerobinio proceso metu perdirbant kiaulių ar galvijų mėšlą.

Biodujoms gaminti tinka šilumamėgiai žoliniai augalai, tokie kaip drambliažolės, geltonžiedžiai legėstai, sidos arba netradiciniai augalai, pavyzdžiui, kiečiai, topinambai ir kt. Pasirenkant augalus biodujų gamybai, būtina atkreipti dėmesį į anaerobinio proceso ypatumus, į šį procesą limituojančius veiksnius, kurių vienas yra lignino kiekis žolių biomasėje. Biodujų gamybos proceso metu anaerobinės bakterijos ligniną įsisavina labai sunkiai, todėl būtina siekti, kad biomasėje jo būtų kuo mažiau ir neviršytų 15 proc. sausųjų medžiagų kiekio.

Europos Sąjungos šalyse biodujų gamybai įprasta naudoti kukurūzų biomasę. Šiuo metu yra labai nedaug augalų, kurie pagal sausųjų medžiagų derlių iš hektaro (kartu ir metano dujų gamybą) gali prilygti kukurūzams. Kukurūzų auginimo išlaidos yra mažesnės negu javų grūdams, todėl juos galima priskirti prie ekonomiškai geriausiai apsimokančių auginti kultūrų metano dujų gamybai. Biodujų gamybai skirtų kukurūzų auginimo technologija yra tokia pat, kaip ir skirtų silosui ar grūdams.

Biodujų paruošimas transporto sektoriui

Anaerobiniuose bioreaktoriuose pagamintų biodujų pagrindiniai komponentai yra metanas (CH₄) ir anglies dioksidas (CO₂). Žymiai mažesnę dalį sudaro sieros vandenilis (H₂S), amoniakas (NH₃), vandenilis (H₂), azotas (N₂), anglies monoksidas (CO) ir deguonis (O₂). Biodujų energetinė vertė tiesiogiai susijusi su metano koncentracija. Esant metano daugiau negu 60 proc., biodujos laikomos vertingu kuru.

Dažniausiai biodujos naudojamos kogeneracijai, gaminant šilumą ir elektrą. Pagaminta šiluma ir elektra naudojamos biodujų įmonių reikmėms, elektros perteklius gali būti parduodamas į elektros tinklus, šiluma naudojama aplinkinių pastatų šildymui.

Biodujos gali būti naudojamos transporto sektoriuje, tačiau būtina jas išvalyti nuo anglies dioksido, sieros vandenilio ir drėgmės. Nėra standartizuotų reikalavimų biodujų, naudojamų automobilių varikliuose, kokybei. Kai kuriose šalyse galioja standartai, apibrėžiantys biodujų kokybę. Nacionaliniai standartai patvirtinti Švedijoje, Šveicarijoje, Vokietijoje. Švedijoje reikalaujama, kad biodujose metano kiekis būtų ne mažesnis kaip 96 proc., ribojamas sieros vandenilio kiekis iki 23 mg m^-3, drėgmės - iki 32 mg m^-3. Vokietijoje naudojamose dujose metano kiekis turi būti didesnis nei 97,5 procento.

Biodujų panaudojimas transporto sektoriuje reikalauja ne tik jų išvalymo, bet jos turi būti suspaudžiamos į aukšto slėgio transporto priemonių talpas. Tam reikalinga papildoma įranga, skirta dujų suspaudimui ir aukšto slėgio talpų užpildymui.

Anglies dvideginiui, sieros vandeniliui ir drėgmei pašalinti taikomi įvairūs būdai, kurie pasirenkami ir naudojami, priklausomai nuo biodujų priemaišų sudėties ir koncentracijos, jų naudojimo būdo ir su tuo susijusių reikalavimų. Dažniausiai taikomi dujų sorbcija pagrįsti metodai. Vanduo efektyviai sorbuoja tiek anglies dioksidą, tiek sieros vandenilį, tačiau šiam procesui būtinas didelis slėgis. Cheminės absorbcijos procese dujos nuo CO₂ valomos absorbuojant aminais. Pramonėje naudojami tokie cheminiai absorbentai, kaip MEA (monoetanolaminas), DEA (dietanolaminas), MDEA (N-metildietanolaminas). Dujos gali būti valomos ir kietais sorbentais: naudojant kurią nors kvarco, aliuminio oksido formą, aktyvintą anglį ar silikatą, kurie žinomi kaip molekuliniai filtrai. Adsorbcija yra vykdoma aukštoje temperatūroje esant dideliam slėgiui. Jos metu gerai pašalinama drėgmė.

Sieros vandenilis dažniausiai iš biodujų šalinamas sausuoju oksidacijos arba skystosios fazės oksidacijos būdu. Labiausiai paplitę H₂S šalinimo agentai - geležies oksidas, hidroksidas ar natrio šarmas. Taip pat gali būti naudojama biologinė oksidacija.

Paprastai suspaustos iki 200 bar slėgio gamtinės dujos laikomos storasienėse plieninėse, aliumininėse ar anglies pluošto talpyklose, kurios išlaiko ne mažesnį kaip 500 bar slėgį ir tarnauja apie 20 metų. Toks suspaudimo laipsnis ir įranga tiktų autotransporte naudojant ir išvalytas biodujas. Automobilių užpildymui dujomis naudojama įranga yra pakankamai maža, užima 10-20 m² plotą. Tokia įranga naudojama užpildant automobilius gamtinėmis

V. Makarevičienė, E. Sendžikienė

Mano ūkis, 2013/06