מתקנים להפקת ביוגז בישראל

אנרגיה מזבל

שני המתקנים להפקת ביוגז שמתוארים בכתבה זו, הוקמו בתמיכת משרד האנרגיה. האחד - מתקן להפקת ביוגז מזבל פרות (נפ"ח - ניצול פסולת חקלאית) בקיבוץ זיקים והשני - מתקן ביוטן המנצל שפכים תעשייתיים במפעל פאקא בבת-ים.

מתקנים לניצול זבל פרות הוקמו גם בקיבוץ יגור ובקיבוץ כפר גלעדי. מניתוח הממצאים עולה, שהיתרונות ה"עקיפים" (חיסכון בטיפול בשפכים והתועלת האקולוגית) ותוצרי הלוואי (ייצור מצע גידול - "כבוץ") מצדיקים הקמת מתקנים דומים.

טכנולוגיית הנפ"ח בשיפורים מסוימים לניצול זבל פרות להפקת ביוגז מיושמת בעולם על-ידי חברה אמריקנית וחברה איטלקית בפעילות מסחרית. הלקחים החיוביים מהפעלת מתקן הביוטן במפעל פאקא הביאו לפרויקט נוסף מאותו סוג שהוקם במפעל גת בגבעת חיים.

מתקנים לניצול פסולת בעלי חיים מוכרים זה זמן רב במספר ארצות. הם נמצאים בשימוש רחב בהודו ובסין, בעיקר במשק החקלאי והמשפחתי. הפסולת האורגנית בכלל וזבל בהמות בפרט עוברים תהליכי התפרקות טבעיים, הנגרמים על-ידי מיקרו-אורגניזמים שונים.

חלקם הם צורכי החמצן שבאוויר (אארוביים), חלקם מסוגלים לפעול רק ללא חמצן (אנארוביים) וחלקם חיים גם באוויר וגם בלעדיו.

תהליך ייצור המתאן הוא תהליך אנארובי. בתהליך זה מפרקת מערכת מורכבת של חיידקים, באופן הדרגתי, חומרים אורגניים מורכבים, כמו תאית, לחומרים מורכבים פחות, כחומצות אורגניות, עד לקבלת תוצר שאינו מתפרק עוד ושיכול לשמש גז לבעירה, הוא הביוגז.

ביוגז הוא תערובת של מתאן עם פחמן דו-חמצני ומעט גזים אחרים. התהליך המתואר, שבו גדלים חיידקים אנארוביים דורש, פרט לתנאים של חוסר חמצן, גם תנאים מתאימים אחרים כגון: טמפרטורה, ערבול וחומצות מתאימות. התהליך מתקיים בטבע, בביצות והגז הנפלט נקרא גז הביצות.

יעילותם של החיידקים גבוהה בשני תחומי טמפרטורה:
התחום המזופילי, סביב 37 מעלות צלזיוס והתחום התרמופילי, סביב 55 מ"צ. התהליך התרמופילי הוא תהליך מהיר יותר, אולם דורש אנרגיה רבה יותר, לחימום החומר האורגני הנכנס למערכת.

בבדיקות מעבדה נקבע, שהשיטה התרמופילית עדיפה בשל היתרונות הבאים:

• אפשרות להפיק גז מכמות נתונה של חומר אורגני בזמן קצר יותר.
• נוחות להזרמת החומר האורגני עקב הקטנת צמיגות עם עליית הטמפרטורה.
• הרס חיידקים גורמי מחלות ושינוי בריח המאפשר הזנה "חוזרת" לבעלי חיים של חלק ממוצרי התהליך.
• החומר הנשאר אחרי התסיסה משמש מצע גידול ונקרא "כבוץ".

* * *

בשנות ה-70, במסגרת פרויקט לאומי לניצול פסולת חקלאית, נבדקו במספר מכוני מחקר, מעבדות שדה וקיבוצים, שיירים אורגנים שמקורם בבקר, בעופות ובצאן וכן פסולת צמחית (קש, גבעולי כותנה, פסולת ירוקה מצמחים). כמו כן נבדקה פסולת מתעשייה חקלאית כגון שיירים מתעשיית המזון, שיירים מבתי מטבחיים, מבתי אריזה לפרי וכו'.

משרד האנרגיה תמך בהקמת מתקן חלוץ לביוטן נייד שהופעל במספר מפעלי מזון בשנת 1984 והיה הבסיס להקמת מתקן הביוטן הראשון במפעל פאקא שמתואר להלן.

תהליך הייצור של ביוגז בתהליך נפ"ח ניתן בשרטוט 1 שלהלן.


איסוף הזבל תלוי בשיטת המשק של בעלי החיים. למשק הקיבוצי יש יתרון ברור בשל הריכוזיות הן של בעלי חיים והן של גידולי צמחים ועצים. במושבים, למשל, תידרש השקעה לא קטנה בשינוע זבלים מרפתות ולולים קטנים למערכת מרכזית אחת. הפתרון לכך הוא במפעלים אזוריים כדוגמת המפעל בשער הנגב המנצל פסולת חקלאית (גבעולי כותנה בעיקר) להסקת דוד קיטור.

מתקני תסיסה מחייבים השקעה גדולה שכדאיותה הכלכלית מוצדקת רק אם היקף הייצור הוא ניכר. בהקמת מתקנים מסוג זה ניתן להבחין בשתי גישות עיקריות:

• פתרון תעשייתי המבוסס על הקמת מתקני תסיסה גדולים, קלים לשימוש ובעלי הוצאות אחזקה נמוכות. מתקנים כאלה, שעימם נמנים גם המתקנים שהוקמו בארץ, יכולים להצדיק את עצמם רק כשמספר בעלי החיים המספקים חומר גלם למתקן גדול מאוד, יחסית.
• מתקני תסיסה קטנים, הבנויים במשק חקלאי משפחתי והמפיקים ביוגז מיחידת ייצור של 30 ראשי בקר בממוצע.

התכונות הפיזיות של הביוגז מקשות על אחסונו. דרגות החום (82 מ"צ) והלחץ הדרושים להפיכתו לחומר נוזלי קשים להשגה בסביבה הכפרית. אחסונו מחייב מכלים גדולים ויקרים. לכן, יש טעם כלכלי רק בשימוש מיידי.

בעת התסיסה מתפרקים 30-45% מהחומר האורגני, תוך שינויים רבים בחומרים האורגניים וכמעט ללא שינויים בחומרים האנאורגנים. לכן, יכולים תוצרי לוואי אלה לשמש להזנת דגים אך בעיקר כדשן וכמצע הגידול "כבוץ". בתחום זה הפקת הכבוץ, כפי שנעשית בארץ, מאפשרת לנצל את בעיית תוצרי הלוואי תוך כדי ייצור של מוצרי לוואי בעלי ערך כלכלי.

הביוגז המופק בתהליך נפ"ח מורכב מ-62% מתאן ו-38% פחמן דו-חמצני. הרכב התערובת יכול להשתנות בהתאם לפסולת החקלאית המוזנת למערכת ובהתאם לתנאי התסיסה. להפרסת הגזים זה מזה יש יתרון משמעותי. העלאת ריכוז המתאן חשובה במנועי שריפה פנימית שכן יעילותם עולה עקב כך.

לפי דו"ח של הארגון הבינלאומי לשיתוף פעולה כלכלי ולפיתוח (OECD), וכן לפי תוצאות הדו"ח שאנו דנים בו - אין כדאיות כלכלית לייצור ביוגז בלבד, בגלל ההשקעה הגבוהה והקשיים בשימוש במשק החקלאי עצמו.

לכן, המתכננים ובעלי המתקנים בארץ העבירו את הדגש מהפקת המתאן להפקת מוצר הלוואי - כבוץ.

הכבוץ הינו סוג של מצע גידול "מנותק". בשנים האחרונות גובר השימוש במצעים מנותקים בעיקר בשל בעיות של טיב הקרקע. הכבוץ שייך לקבוצת מצעי הגידול האורגניים ומקורו בזבל פרות העובר תסיסה אנארובית. החומר שיוצא מהמעכל מופרד על גבי נפה רוטטת תוך שטיפה במים והפיכתו לנוזל ולמוצק סיבי שצריך לעבור תהליך קומפוסטציה. הכבוץ הינו מצע מאוורר מאוד, בעל תאחיזת מים בינונית, צפיפות גושית נמוכה, מוליכות הידראולית גבוהה וכושר לשחרר מינרלים. הכבוץ נמצא בשימוש מסחרי במשתלות אחדות בארץ, בגידול פטריות ובגידולים נוספים, לאחר טיפול קומפוסטציה.

כל המתקנים מבוססים על 2 מכלי תסיסה בנפח 100 מ"ק כ"א. תפוקת ביוגז הינה, בממוצע, 14 מ"ק ביוגז ל-1 מ"ק בוצה גולמית. על-פי ניתוח נתונים (יחסי תשומה/תפוקה) שנערך בסקר "הקמת מתקן נפ"ח" על-ידי ר. הלברטל וניתוח של ד"ר ד. דבוסקין מ"מחשב" מתקבל:

• עלות הפקת כבוץ ואנרגיה (ליחידת תפוקת כבוץ) במתקן נפ"ח מסתכמת ב-81.7$ למ"ק, מזה 25.5$ למ"ק הוצאות שוטפות ו-56.2$ למ"ק הוצאות קבועות (הוצאות הון).
• ההכנסות מסתכמות (למ"ק כבוץ):

  	מכירת כבוץ	45.0$ למ"ק בשער המפעל
  	הפקת אנרגיה	7.5$ למ"ק
  	סה"כ	52.5$ למ"ק

מכאן שקיים גרעון של 29.3$ למ"ק ובהנחה שמחיר הכבוץ לא משתנה, הרי רק אם מחיר הדלק יעלה פי 4 יכוסו עלויות הייצור בגין הפקת הכבוץ והגז. לכן, פסקה הקמתם של מתקני נפ"ח באמצע שנות ה-80, בהעדר תמריץ כלכלי. מתקנים דוגמת מתקן הביוטן בפאקא מראים על כדאיות גדולה יותר בעיקר בשל תועלות הלוואי האקולוגיות והחיסכון בחשמל, ובשל הימנעות משימוש במתקן הטיהור האזורי, במקרה של פאקא, או שימוש בעודף הביוגז לחיסכון בדלק במתקן שהוקם בעין כרם על-ידי מקורות.

הכמויות הן לשנת הפעלה שלמה.

ניצול פסולת חקלאית להפקת אנרגיה מהווה בעיה בשל פיזור הזבלים והפסולת על שטחים נרחבים ובשל אחוז המים הגבוה בפסולת שמקשה על תהליכי שריפה. במשק קיבוצי ניתן להתגבר על כך בגלל הריכוז של בעלי חיים וגידולים. בקיבוץ זיקים שבדרום השפלה הוקם מתקן נפ"ח מפסולת פרות, להפקת ביוגז וכבוץ.

בקיבוץ יש רפת המונה 500 חולבות ו-450 עגלות ושטחי גידולים שונים בהיקף של 10.000 דונם.

סך כל צריכת האנרגיה בקיבוץ בשנות ה-80 הוערכה ב-1,272 מיליון קק"ל לשנה.

המתקן הוקם סמוך לרפת הגדולה ותוכנן על-ידי חברת בצ"ת והינו השני בסדרה של שלושה מתקנים זהים שהוקמו בארץ (ביגור, ובכפר גלעדי).

התהליך הינו תסיסה אנאירובית, כלומר התססת חומר אורגני על-ידי קבוצות חיידקים המתפקדים אך ורק בהעדר אוויר. הפסולת נמצאת במיכל סגור כנגד חדירת אוויר ונוצר ביוגז שהוא תערובת של מתאן (CH₄) ודו תחמוצת הפחמן (CO₂). התהליך המתבצע בחום של 60-50 מ"צ משמיד חלק ניכר מהחיידקים המזיקים (תהליך תרמופילי).

לאורך הרפת יש שלוש תעלות בטון. הזבל שנאסף בתעלות אלה עובר בעזרת מגרד לתעלה רוחבית נוספת שמובילה למתקן עצמו. בתעלה הרוחבית הותקן שינוע מכני אשר מעביר את הזבל אל תוך המגרסה המרסקת גושים. כדי להקטין את צמיגות הזבל ולהקל על עבודת המגרסה מוסיפים לה כמות מסוימת של מים. אחרי תהליך הגריסה זבל הומוגני עם 18%-16% מוצקים נכנס לבריכת אגירה ומקבל ערבול נוסף על-ידי 2 מערבלים. משאבה בוכנתית שואבת את התמיסה האחידה של הזבל מבריכת האגירה אל תוך 2 מכלי התסיסה. בדרך למיכלי התסיסה בנפח של 100 מ"ק, כ"א, הזבל עובר את מחליף החום ומתחמם בו עד 70-60 מ"צ על-ידי קיטור המוזרק לתוך הזבל. במיכלי התסיסה (ריאקטורים) מתבצע תהליך ייצור של גז המתאן. בתהליך זה הזבל האורגני שנכנס למיכלי התסיסה מתפרק באופן הדרגתי על-ידי מערכת מורכבת של חיידקים עד לקבלת הביוגז. תכונות הביוגז, כפי שנמדדו בקיבוץ זיקים, הינן:

• כ-60% מתאן (CH₄);
• כ-38% דו תחמוצת הפחמן (CO₂);
• 1200-20 PPM מימן גפרתי (H₂S); ושאריות של NH₃, H₂;
• הערך הקלורי כ-5,500 קק"ל/מ"ק;
• משקל סגולי כ-1,300 גר'/מ"ק.

הביוגז הנוצר אחרי היציאה ממיכל התסיסה עובר דרך מלכודת מים אל תחנת הדחיסה וממנה למיכל אחסון גז דחוס בנפח של כ-36 מ"ק. מהמיכל עובר הגז לדוד קיטור בשטח חימום של כ-35 מ"ר.

לחץ העבודה בדוד 8 אטמוספירות. הדוד מצויד במבער דו-תכליתי שמסוגל לעבוד על סולר ועל גז לסירוגין. בדרך-כלל מופעל הדוד בביוגז בשעות אחה"צ, כאשר צריכת הקיטור יורדת.


החומר שנשאר לאחר תהליך התסיסה ("הבוצה") עשיר בוויטמינים, בחומצות אורגניות ובמינרלים ולכן ניתן לשימוש כמצע לגידולים, להזנת דגים ובעלי חיים ולדישון. במתקן שבקיבוץ זיקים יוצאת הבוצה עם כ-12%-10 מוצקים. החומר הזה מגיע למתקן ההפרדה שבה נכנסת ה"בוצה" לנפה רוטטת ואחרי שטיפה במים נפרדת ה"בוצה" ל-2 פזות. הפזה הנוזלית מגיעה דרך צינור לשדה כחומר דישון והפזה המוצקה הנקראת "כבוץ" נאספת בערימות למכירה. הכבוץ משמש, בשל תכונותיו, במשתלות לצמחי נוי.

לדוד הקיטור המשמש לצורכי המכבסה ומים חמים הנתונים הבאים:

• לחץ עבודה: 8 אטמ';
• שטח חימום: 35 מ"ר;
• סוג דלק: סולר/ביוגז (לסירוגין);
• בדוד מורכב מבער דו-תכליתי אשר מסוגל לעבוד עם שני סוגי דלק: סולר וגז. כאשר העומס על הדוד הוא מרבי הדוד עובר לשריפת סולר.

פירוט נתוני הצריכה של המתקן (מנועים):

	שינוע זבל	- 3 HP
	בלנדר	- 50 HP
	מערבל	- 5.5 HP
	משאבת זבל	- 10 HP
	מפוח סחרור גז	- 5.5 HP
	מדחס גז	- 15 HP
	מדחס אוויר	- 7 HP
	משאבת טבילה	- 5.5 HP
	משאבת בוצה	- 5.5 HP
	תוף הפרדה 2 מנועים	- 5.5 HP
	שטיפה ידנית	- 5.5 HP
	שולחן הפרדה קטן	- 5.5 HP
	סה"כ	- 129.5 HP

כל המנועים החשמליים הנם בעלי 3 פזות.

מתכנן מתקן הנפ"ח היה ב.צ.ת. - המח' הטכנית של הקיבוץ הארצי, המכון למחקר ופיתוח - איגוד התעשייה הקיבוצית. המתקן אושר ב-9/81 והופעל ב-9/82. ההשקעה במערכת היתה 336,500$ מזה לתכנון 48,000$. משך החיים המשוער - 10 שנים. בפועל: 360,000$. המתקן נתמך על-ידי משרדי האנרגיה והחקלאות. החיסכון הוערך ב-133 שעט"נ לשנה ובכסף, במחירי 81/82: 37,225$/שנה. מכירת בוצה הוערכה ב-115,000$/שנה.
הוצאות שנתיות הוערכו (כולל השקעה ותכנון) ב-77,022$.
בסה"כ חיסכון שנתי צפוי הוערך בדלק כ-14 מיליארד קק"ל,
+ מזון בע"ח כ-150 טונות גרעינים, או כבוץ (מחליף כבול) - 260 טונות,
+ דשן (כמחליף זרחן, חנקן ואשלגן) כ-15 טונות כ"א.
ההשקעה הכוללת את מתקני האיסוף והובלת הזבל והוצאות נלוות הגיעה, לאחר הכפלת קיבולת המתקן, ל-635,000$.

על-פי מעקב שהתבצע בשנים 1984-1983 התקבלו התוצאות הבאות:
כמות הגז שהופקה היתה 85,122 מ"ק בלחץ 10 PSI שהם שווי ערך קלורי של 468,171,000 קק"ל.
הגז מורכב מ-60% מתאן ו-40% CO2 בערך קלורי של 5,500 קק"ל/ק"ג.
משקל הגז 100 טונות = 85,122 x 1.3/1000 מ"ק.
החיסכון בשווה ערך לסולר הוא 54 טונות (10,200 קק"ל לק"ג/ 100 * 5,500 טונות) ששוויים הכספי לפי 320$ לטונה: 17,280$.
כמות הכבוץ שהופק ונמכר כ-760 מ"ק, לפי 43$ למ"ק, סה"כ 32,680$.
צריכת החשמל העצמית היתה כ-30,000 קוט"ש, ששוויים 2,300$.
עלות קיטור עצמית לייצור 1,200$. כמות הזבל שנצרך לנ"ל היה 3,309 מ"ק, כלומר מכל 1 מ"ק זבל נותר 0.2 מ"ק של כבוץ, וזה תואם נתונים מקובלים בספרות.
ניתוח החזר ההשקעה לפי מחירי הדלק למשק מתקופת ההקמה מוצג בגרפים.

לפי הנתונים שהוצגו מתקבל:

	תקבולים:	כבוץ:	32,680$
		ביוגז:	17,280$
		סה"כ -	49,960$
	עלויות תפעול:		3,500
	חיסכון נטו		46,460$ (בלי להביא בחשבון כ"א, תחזוקה וכו').

זמן החזר השקעה (בהנחה של 8% ריבית כפי שנלקח בזמן אישור הפרויקט) ובלקיחה בחשבון רק של עלות המתקן הראשונית:

פירושו של דבר, שהמתקן הוא על גבול הכדאיות הכלכלית ולכן, לאחר גמר המעקב נבנו 2 משטחי בטון לאחסון זבל פרות ומערכות נלוות וכתוצאה מכך עלתה עלות המתקן ל-635,000$ ותפוקת המתקן הוכפלה לערך 600 מ"ק גז/יום והחיסכון בגין ייצור גז וכבוץ הוערך ב-110,500$ כשהעלויות התפעוליות עלו ל-6,900$. מכאן, חיסכון נטו של 103,600$ וזמן החזר ההשקעה (בהנחת 8% ריבית) לפיכך:

(ראה גרף ניתוח זמן החזר ההשקעה).

• ללא תמיכה המתקן אינו כדאי, או שהוא על גבול הכדאיות.
• מתקן כנ"ל חייב להיות משולב בייצור כבוץ ואם ניתן גם שימוש בדשן נוזלי על מנת שיחזיר את ההשקעה בתקופת חייו.
• הריבית המוכרת כיום להשקעה במשק היא 9% ובתנאי זה זמן החזר ההשקעה יהיה עדיין ארוך יחסית: כ-9.3 שנים.
• למתקן יש גם תועלת שולית אקולוגית בגין אי פליטת מזהמים, כגון גפרית דו-חמצנית, המצויים בדלק נוזלי.

מפעל פאקא בבת-ים, מקבוצת טבע, עוסק בזיקוק אלכוהול ובייצור שמרים. שפכי הייצור של המפעל מאופיינים בריכוז גבוה של חומר אורגני בשווה ערך לאוכלוסייה של למעלה מ-100,000 תושבים. על-פי סקר שנערך במפעל בשנות ה-80 צריכת האנרגיה ועלותה במפעל לשנה היתה כדלהלן:

1. מזוט - כ-2,000 טונות לפי 200$ לטונה = 400,000$/שנה
2. חשמל - כ-5,250,000 קוט"ש לפי 0.07$ / קוט"ש = 367,000$/שנה

סה"כ עלות אנרגיה - 767,500$ / שנה
הוערך בזמנו, שניתן לחסוך לפחות 50% מהאנרגיה (כ-1,200 טונות מזוט ו-2,000,000 קוט"ש), או במונחים כספיים כ-380,000$, על-ידי מספר פעולות חיסכון:

• הקמת מתקן ביוטן שיספק ביוגז שייווצר בתהליך אנארובי משפכי המפעל למבער הדו תכליתי של אחד הדוודים.
• הקמת טורבינה שתקבל קיטור מדוד קיים או דוד חדש שייצר קיטור בלחץ גבוה. הטורבינה תשמש להנעת מפוח תסיסה או לייצור חשמל לצריכת המפעל והקיטור שייפלט מהטורבינה ישמש את מערכות הזיקוק במפעל.
• התקנת מחמם מוקדם לאוויר השריפה של הדוודים על-ידי ניצול גזי השריפה של הדוד שיועברו למערכת ייצור CO₂. הדו"ח דן רק במתקן הביוטן שנבנה במפעל במשך 1990.

כדי לחסוך באנרגיה ולהקטין את העומס האורגני המוטל על מערכת השפכים הציבורית החליט המפעל להקים מתקן אנארובי לקדם טיפול בשפכי הייצור.
המתקן שנבחר הוא מסוג "ביוטן" ומבוסס על תהליך שפותח בהולנד בסוף שנות ה-70 ומיושם כיום במקומות רבים בעולם.
בתהליך התסיסה מתפרקים למעלה מ-90% ממרכיבי החומר האורגני המומס בשפכים וכמעט כל החומר שהתפרק (97%) הופך לביוגז.
הקולחים מהמתקן מוזרמים למערכת הביוב העירונית ומשם להשלמת הטיפול במפעל השפכים של גוש דן. הביוגז המופק מהתהליך מוזרם לדוד הקיטור של המפעל ומשמש כתחליף למזוט.
משרד האנרגיה הכיר במתקן הביוטן כמתקן הדגמה ואושר לו מענק בגובה 30% מההשקעה, לאחר שמתקן הדגמה קטן נייד הוכיח את יעילותו במספר מתקנים.
המתקן בפאקא תוכנן לייצר כ-120 מ"ק ביוגז בשעה ועל-ידי כך לחסוך כ-700-600 טונות מזוט בשנה.
קיים גם חיסכון עקיף על-ידי כך, שכמות החשמל הנמנעת לטיפול בשפכי פאקא במפעל השפכים של גוש דן היא כ-1,600,000 קוט"ש בשנה. כמו כן נמנעת הובלת השפכים המרוכזים במכליות כפי שהיה נהוג לפני הקמת המתקן.
המתקן הוקם על-ידי חברת טכנולוגיות לשימור הסביבה, מינואר 1990 ועד יולי 1990. החל ב-1.11.90 קולט המתקן את מלוא כמות השפכים של פאקא ומספק ביוגז לדוד הקיטור. המתקן הוקם במימון החברה והיא מפעילה, מתחזקת אותו ומוכרת שירותי אספקת ביוגז וטיפול בשפכים. מתקן הביוטן מיושם כיום על-ידי חברת GIST BROCHADES מהעיר דלפט שבהולנד.

שפכי המפעל מוזרמים למיכל הכנה שבו מתבצע ניטרולם ל-PH ניטרלי. השפכים מוזרמים משם לריאקטור האנארובי הפועל בתנאים מבוקרים. שפכי המפעל מורכבים מ-3 זרמים עיקריים:

• א. שפכים מרוכזים מייצור שמרים:
  ספיקה יומית - 150 מ"ק.
  ריכוז צח"כ (צריכת חמצן כימי) - 30,000 מג"ל.
  ריכוז צח"ב (צריכת חמצן ביולוגי) - 18,750 מג"ל. עומס יומי צח"כ - 4,500 ק"ג.
• ב. שפכים מרוכזים מייצור אלכוהול:
  ספיקה יומית - 120 מ"ק.
  ריכוז צח"כ - 80,000 מג"ל.
  ריכוז צח"ב - 50,000 מג"ל.
  עומס יומי צח"כ - 9,600 ק"ג.
  עומס יומי צח"ב - 6,000 ק"ג
• ג. שטיפות ונקיונות:
  ספיקה יומית - 150 מ"ק.
  ריכוז צח"כ - 5,000 מג"ל.
  ריכוז צח"ב - 3,125 מג"ל.
  עומס יומי צח"כ - 750 ק"ג.
  עומס יומי צח"ב - 470 ק"ג.

התנאים המבוקרים מאפשרים קצב מהיר של פירוק החומר האורגני המומס בשפכים. הפירוק נעשה באמצעות מסה בקטריאלית (ביומסה) צפופה המורכבת מאוכלוסייה מיוחדת של חיידקים, בתחתית הריאקטור. השפכים המרוכזים מייצור השמרים והאלכוהול מוזרמים למיכל האגירה.

התהליך מבוסס על שיטת UASB - "זרימה נגדית דרך מצע בוצה" ללא צורך במערבלים. השפכים מוזרמים לתחתית הריאקטור במספר נקודות ועוברים דרך מצע הבוצה האנארובית.

משאבת 5P מזרימה את השפכים למיכל ההכנה. זרם השטיפה והניקיונות המגיע לבור השפכים מוזרם באמצעות משאבה 6P למיכל ההכנה. ממיכל ההכנה שבו מותקן גם מערבל, מוזרמים השפכים אל תוך הריאקטור האנארובי. בריאקטור מתבצע הפירוק הביולוגי באמצעות מיקרואורגניזמים הנמצאים בחלקו התחתון. הקולחים הגולשים מהחלק העליון של הריאקטור מוזרמים לביוב העירוני ואילו הביוגז מועבר למיכל אגירה עם גג צף בנפח 30 מ"ק ואחר כך למבער דו דלקי שבדוד הקיטור שבמפעל. המבער מתוכנן לניצול כל כמות הביוגז המיוצרת. במצב שבו דרישת הקיטור גדולה מהכמות הניתנת לייצור על ידי הביוגז, מוזרם מזוט להשלמת החסר.

בסופי שבוע, כאשר אין דרישת קיטור, מוזרם עודף הביוגז ממיכל האגירה ללפיד לבעירה. בעת הפרדת החומר האורגני, משתחרר ביוגז ונוצרת בוצה. הפרדת הבוצה מהגז נעשית בחלק העליון של הריאקטור באמצעות משקעים (SETTLERS) ייעודיים שתוכננו במיוחד לצורך זה. המשקעים יוצרים הפרדה תלת פזית מושלמת של גז, נוזל ומוצק ומאפשרים ערבול טבעי של הבוצה ללא צורך לסחרור למיכל נוסף. בועות הגז נעות למעלה ונלכדות ב"כיסים" וכאשר נבנה לחץ גבוה יותר מהלחץ הנגדי (50 ס"מ מים), נאסף הגז מהריאקטור. נוצר פרופיל צפיפויות בוצה המשתנה עם הגובה והוא מאפשר שמירה על יעילות גבוהה של התהליך.

המתקן מורכב ממספר מרכיבים עיקריים:

• ריאקטור אנארובי בנפח 700 מ"ק מצויד במשקעים ייחודיים ומערכת פיזור שפכים.
• מיכל הכנה בנפח 300 מ"ק.
• מערכת פיקוד ובקרה מתופעלת על-ידי PLC באמצעות תוכנת WIZCON.
• מערך ניטרול PH.
• מערכת חשמל.
• ציוד תהליכי-משאבות, מערבל, משאבות מינון.
• מערכת לניצול הביוגז, כוללת מיכל ביוגז עם גג צף.
• מבער דלקי ולפיד לשריפת ביוגז עודף.
• מערך ניטרול ריח - ביופילטר.
• מעבדה כימית לבדיקות אנליטיות.
• מסה אנארובית.
• מחשב כולל צג גרפי ומערך איסוף ועיבוד נתונים.

מערכת הפיקוד והבקרה שהותקנה בביוטן מתוכננת לעבוד באופן אוטומטי, לצבור את המידע הנאסף ולהפיק דיווחים על-פי דרישה. המערכת מורכבת מיחידות קצה המודדות את הערכים המבוקרים כגון ספיקה, לחץ, PH, ריכוז המתאן בביוגז וטמפרטורה. יחידות הקצה מעבירות את המידע בזמן אמת על-ידי אות חשמלי של 20-4 מיליאמפר לבקר מתוכנת מסוג SQUARED. בבקר מותקנת תוכנה לפיקוח על תהליכים כימיים מסוג WIZCON. באמצעות הבקר מסוגל המפעיל לשלוט על כל הפרמטרים העיקריים של התהליך.

התוכנה כוללת גם 4 חוגים של PID הממומשים בתוכנה ובאמצעותם יכול המפעיל לשנות את הערכים המבוקרים. כל המידע מופנה למחשב PC ומופיע גם בצורה גרפית ב-6 מסכים דינמיים המדמים את המערכת בזמן אמת.

התוכנה מפיקה גם דו"חות יומיים וחודשיים המפרטים את ביצועי המערכת ומאפשרת קבלת גרפים ודו"חות של הפרמטרים הנמדדים וכן לצרכי התחשבנות כספית עם המפעל.

הביוגז המופק מהתהליך מנוצל לייצור קיטור במפעל. מערך ניצול הביוגז כולל את המרכיבים הבאים:

• מיכל ביוגז עם גג צף בנפח 30 מ"ק.
• לפיד לשריפת ביוגז עודף.
• צנרת ביוגז.
• מלכודות טיפות.
• שסתומים פורקי לחץ.
• עוצרי להבה ומלכודות אש.
• מפוח ביוגז המותקן עם מבער דו דלקי.
• מיכשור בקרה ושסתומים מפוקדים.

הרכב הביוגז הנוצר בתהליך האנארובי הוא כלהלן:
ריכוז מתאן (CH₄) - 80%
ריכוז פחמן דו חמצני (CO₂) - 20%
ריכוז מימן גפרתי (H₂S) - 0.1-1%
טמפרטורה - סביבה
לחץ - 50 מיליבר.

הביוגז נאסף בחלקו העליון של הריאקטור, עובר דרך מפרידי טיפות ונכנס למיכל בנפח 35 מ"ק עם גג צף הקובע את הלחץ הנגדי שבו נמצאת המערכת - 50 ס"מ מים.

גובה "בועת" הגז נמדד באופן רציף. כאשר מגיע הגובה לערך הרצוי, נפתח שסתום לכיוון המבער המותקן בדוד הקיטור.

המבער מסוגל לשרוף בו זמנית גז ומזוט. הוא מכוון כך שיוכל לקלוט את מלוא כמות הגז המוזרמת אליו, והיתר מתקבל על-ידי המזוט. במצב שבו אין צריכת גז על-ידי המבער, מתמלא מיכל הביוגז, ובמידה שצריכת הביוגז אינה מתחדשת, מופעל לפיד בו נשרף הביוגז העודף.

החיסכון באנרגיה מתבטא בשני מישורים:

1. הפקת ביוגז עשיר בגז מתאן מתהליך תסיסה אנארובית של השפכים.
2. חיסכון באנרגיה בטיפול קונוונציונלי בתהליך אירובי. (זאת, ללא הכללת עלויות נחסכות בגין תובלה וטיפול בשפכים עשירים במרכיבים ביולוגיים לפני הפעלת המתקן).

חישוב של כמות הביוגז השנתית התבסס על כמות העומס האורגני ועל הביצועים לפי ניסוי במתקן חלוץ שנערך במפעל במשך כשנה.
א. ביצועים משוערים על-פי התוצאות של מתקן החלוץ:

• אחוז טיהור במונחי צריכת חמצן (COD): 80%
• קצב ייצור ביוגז לק"ג COD: 0.4375 מ"ק
• אחוז גז המתאן בביוגז: 80%
• ערך קלורי של המתאן (קק"ל/מ"ק) 8,500

ב. ביצועים משוערים של המתקן המתוכנן במפעל:

• סה"כ עומס אורגני שנתי - 5,830,000 ק"ג COD
• כמות ביוגז שנתית - 2,559,375 מ"ק
• כמות גז מתאן שנתית - 2,047,500 מ"ק
• ערך קלורי שנתי - 17,400,000,000 קק"ל

ג. חישוב החיסכון במונחי טונה/מזוט:

• ערך קלורי טונה/מזוט - 9,600,000 קק"ל
• חיסכון שנתי - 1,812 טונה
• חיסכון שנתי ב-$ (190$ לטונה מזוט בתכנון) 344,280$

במתקנים קונוונציונליים המבוססים על תהליכים אירוביים שונים מתבצע הטיהור באמצעות חמצון החומר האורגני על-ידי החדרת אוויר לשפכים. בתהליכים מסוג זה משתמשים במכוני טיהור אזוריים.

במידה ששפכי המפעל יוזרמו ללא טיפול למערכת הביוב העירונית, יש להשקיע אנרגיה חשמלית שבאמצעותה מוחדר האוויר לשפכים. מקובל להניח תצרוכת של 1 קוט"ש לכל ק"ג BOD שיש לסלק.

החישוב הבא מפרט את דרישות האנרגיה בלבד לתהליך טיהור של מי השפכים של המפעל:

• עומס אורגני שנתי ק"ג 5,830,000 - CDO
• יחס 1:1.5 - COD/BOD
• עומס אורגני שנתי ק"ג 3,886,666 - BDO
• צריכת חשמל שנתית קוט"ש - 3,886,666
• עלות אנרגיה לפי 0.07$ / קוט"ש - 272,066$

החישוב אינו כולל עלויות החזר הון, תפעול שוטף (פרט לאנרגיה). לכן, בפועל, מרכיב החיסכון גדול בהרבה.
עלות מתקן הביוטן על כל מרכיביו נאמדה בזמן התכנון ב-1,270,000$. עלויות התפעול נאמדו ב-58,700$ לשנה.
טבלה מס' 2-1 מסכמת את החיסכון שנצפה ל-7 שנות הפעלת מתקן בהנחת ריבית של 12%.
אנו רואים שהמתקן אמור היה להחזיר את ההשקעה בתום 4 שנים - פחות ממחצית אורך החיים של 10 שנים לפחות (ערכי תכנון).
בפועל, הגיעה ההשקעה לסך 1,400,000$ והמתקן קיבל תמיכה ממשרד האנרגיה.

חישוב החיסכון בחשמל נעשה על-ידי הכפלת העומס האורגני החודשי ביעילות המערכת, מוכפל ב-1.5 קוט"ש לק"ג COD, מוכפל במקדם המרה לשעט"נ (0.26/1000).

חישוב החיסכון בגז נעשה על-ידי הכפלת העומס האורגני החודשי ביעילות המערכת, מוכפל בקצב ייצור ביוגז לכל ק"ג COD (0.32), מוכפל בערך הקלורי של הגז - 8,500 קק"ל/ק"ג (בערכים של חיסכון במזוט).

החיסכון הכספי נקבע לפי מחיר נוכחי של 177$ לטונה מזוט נחסך ומחיר ממוצע של 0.065$ לקוט"ש.

תוצאות המעקב מסוכמות בטבלה 2.2. קצב ייצור וניצול הביוגז בפאקא גדל ומתקרב לערכי התכנון.

אם נוסיף להכנסות השנתיות כ-25% בגין שיפור הניצול הנוכחי ולאור העובדה, כי הוצאות התפעול הן כמחצית (25,000$) מהחזוי נקבל, שהמתקן אכן יעמוד במבחן הכדאיות הכלכלית שהוערכה בשלב ההחלטה. הגרף מתאר זמני החזר השקעה כתלות במחירי מזוט וריביות משתנות.

לפי החיסכון המתקבל מהמעקב, התוצאות מראות עליה מתמדת בקצב ייצור הביוגז עד כ-660 טונות לשנה ב-1992 תוך צפייה לכמות של כ-700 טונות בסוף 1993 לפי התכנון. ניתן לראות מהגרפים, שבריביות נמוכות מ-9% המתקן הוא על סף כדאיות כלכלית אף בקצב ייצור נוכחי, ואם ניקח את התועלת האקולוגית החשובה בחשבון ואת העלויות הנחסכות למפעל בגין הטיפול בשפכים טרם הפעלתו, ההשקעה כדאית.

מתקן דומה לניצול ביוגז לייצור חשמל הוקם גם במפעל גת בקיבוץ גבעת חיים על-ידי חברת טכנולוגיות לשימור הסביבה בעלות של 2,260,000$. המתקן הזה אמור לחסוך כ-95 טונות דלק ו-4,450,000 קוט"ש לשנה. ייחודו של המתקן בגת הינו בשימוש בביוגז להפעלת דיזל גנרטור בהספק 450 קוו"ט ושימוש בחום הפליטה של גזי המנוע לייצור קיטור בספיקה של 0.25 טונה/שעה בלחץ 8 אטמ'.

בדיקה טכנו/כלכלית של ייצור ביוגז וכבוץ במתקן נפ"ח, דו"ח משרד החקלאות - הסוכנות היהודית, אוגוסט 1986 (א. שסקין, י. פורת, ר. שטרנליכט).

הכותב הוא מהנדס מכונות במגמת אנרגיה ועסק בניתוח התפעול של מתקנים שהוקמו בתמיכת משרד האנרגיה והתשתית.