2. A BIOGÁZ ELŐÁLLÍTÁSA ÉS FELHASZNÁLÁSA Kőrösi Viktor
A biogázról általában A biogáz szerves anyagok oxigénmentes (anaerob) térben, mikroorganizmusok közreműködésével történő erjedése (fermentációja) során keletkező, levegőnél kisebb sűrűségű gáz. A biogáz összetételére jellemző, hogy az alapanyagok minőségétől függően 50–70% metánt, 30–50% szén-dioxidot, 1-2%-ban egyéb gázokat: kénhidrogént, nitrogént, szén-monoxidot tartalmazhat. Számunkra legfontosabb, energetikailag hasznosítható összetevője a metán. A metán aránya szennyvíziszapok és vágóhídi hulladékok esetében a legmagasabb, mintegy 65-70%, a mezőgazdasági melléktermékek esetében 60-65%, legalacsonyabb a települési hulladékok esetében. Fontosabb események a biogázhasznosítás történetében A biogáz felfedezése a 17. századra tehető, amikor SHIRLEY felfedezte a mocsárgázt (lápos mocsaras területeken, anaerob környezetben képződő, metántartalmú gáz). 1776-ban VOLTA égetésvizsgálatokat végzett, megállapította, hogy a keletkezett biogáz mennyiségét a bomlásban lévő nyersanyag tartalma határozza meg. A metángázt elsőként DALTON mutatta ki 1804-ben a biogázból, rájött, hogy összetétele nagyon hasonló a bányákban sújtólégrobbanást okozó gázéhoz. Pasteur megállapította, hogy a metán mikrobák anyagcseréje során képződik. A 1884-ban GAYON, PASTEUR tanítvá52
nya 35 °C-os hőmérsékleten saját maga állított elő állati biogázt trágyából, 100 l/m3 mennyiségben. Az első biogázüzem 1896-ban kezdte meg működését egy indiai leprakórházban, Bombayben. Az első európai biogázüzem az angliai Exeterben épült 1897-ben, a megtermelt energiát az utcák világítására használták. 1937-re Németországban már hét nagyvárosban működött biogázüzem, a keletkező gázt üzemanyagként a szemétszállításban hasznosították. Jelentősebb technológiai fejlődés és szélesebb körű elterjedés a második világháború után figyelhető meg. Indiában és Kínában a családi gazdaságok energiaszükségletének biztosítására 1974-re 230 000, 1978-ra 5 000 000 mini biogáz-berendezés létesült. Dániában és Angliában kisebb méretű berendezések, Németországban, Franciaországban közepes méretű, különböző mezőgazdasági melléktermékeket hasznosító üzemek indultak rohamos fejlődésnek. A biogázhasznosítás jelentősége A biogáz-előállítási technológiák kiválóan alkalmasak az emberi tevékenység által keletkező biomasszahulladékok nyersanyagként történő hasznosítására, energiatermeléssel összekapcsolt környezetbarát ártalmatlanítására. A biogáztermelés alkalmas mezőgazdasági melléktermékek, valamint energianövények hasznosítására (2.1. táblázat), ezáltal olyan területek gazdaságos művelését is ösztönzi, amelyek alacsonyabb termőképességgel rendelkeznek. A mezőgazdasági termékfeleslegek tárolása és szállítása hatalmas költségeket ró az államháztartásra. A probléma megoldásában segíthet a biogázgyártás, hiszen a rosszabb termőképességű területeken élelmiszeripari alapanyagok helyett energianövényeket lehet termeszteni, illetve a kialakuló feleslegek biogázüzemekben feldolgozhatók. A nyersanyagok termelése – hosszú távú szerződésekkel – biztos meg53
élhetést jelent az agrárvállalkozók számára, hozzájárulva a leszakadó térségek fejlődéséhez és a munkanélküliség csökkentéséhez. Környezetünkben ugyanazok a biológiai folyamatok játszódnak le, mint a biogázüzemekben, azzal a különbséggel, hogy a természetben a szerves anyagok bomlása során keletkező metán nem kerül elégetésre. A metán agresszív üvegházhatású gáz, a légkörbe jutva a szén-dioxidhoz képest huszonháromszor erősebben fejti ki káros hatását. Az emberi tevékenység során, a hulladéklerakókon, szennyvíztelepeken, állattartó telepeken spontán mennek végbe a természetes metángázképződési folyamatok. A biogázüzemben szabályozott körülmények között termelt metán elégetésekor széndioxid, víz és jelentős mennyiségű energia keletkezik. A biogáz elégetése Európában jellemzően blokkfűtőműben történik. Ez ún. kogenerációs hasznosítást jelent, melynek során a gázmotorral elektromos áramot és hőenergiát, termelnek. A megtermelt gáz napi viszonylatban tartalékolható, és így alkalmas a hálózat napi csúcsterheléseinek kiszolgálására. A szélenergia hasznosításával szemben ez nagy előny, mivel a szél sebességéből, irányából adódó termelési anomáliák kiküszöbölésére a gyakorlatban még nem terjedt el gazdaságos technológiai megoldás. Hazai helyzetkép Magyarország az egy főre eső biogáztermelés tekintetében Európában az utolsó helyen áll. Hazánkban jelenleg mintegy huszonhat biogázüzem működik, ezek legnagyobb részben szennyvízüzemek és hulladékdepóniák nyersanyagát hasznosítják. Mezőgazdasági és élelmiszeripari nyersanyagokra alapozott biogázüzem négy van az országban. A legrégebbi a nyírbátori üzem, amely jelentős mennyiségű trágya, növényi fő- és melléktermék mellett állati hulladékot is feldolgoz. A pálhalmai üzem, amelyet 2007-ben adtak át, nagyobb54
részt szarvasmarha-, sertéstrágyát, kukorica-szilázst és kisebb mennyiségben vágóhídi hulladékot dolgoz fel. A kaposvári üzem cukorrépaszeletet dolgoz fel két db 13 500 m3-es fermentorában, amellyel energiaszükségletének 40-50%-át képes kiváltani, ezért ez az üzem Európában egyedülálló. Mezőgazdasági biogáztelep (4 üzem): Kaposvár, Kenderes, Nyírbátor, Pálhalma Depóniagáz-előállítás (10 üzem): Békéscsaba, Debrecen, Győr, Hódmezővásárhely, Jánossomorja, Kaposvár, Nyíregyháza-Oros, Szeged, Székesfehérvár, Szombathely Szennyvíztelepi biogáznyerés (12 üzem): Budaörs, Budapest, Debrecen, Dunakeszi, Gödöllő, Kazincbarcika, Kecskemét, Kiskunfélegyháza, Nyíregyháza, Székesfehérvár, Veszprém, Vác Biogázüzemek Magyarországon összesen: 26 üzem A 2006-os értékekhez képest némileg javult a helyzet az új üzemek átadásával, de Magyarország az európai uniós átlaghoz viszonyítva még így is jelentős lemaradásokkal küzd a biogázhasznosítás terén, ahogy ezt a 2.1. ábra is szemlélteti.
2.1. ábra Az egy főre jutó biogáztermelés Magyarországhoz viszonyítva [7] 55
Nemzetközi kitekintés Jelenleg a világon több mint 12 millió biogázüzem működik, ezek nagy része Indiában és Kínában található, kis teljesítményű, rendkívül olcsó, kézi működtetésű, egyszerű technológiával készült berendezés, a kisebb farmok, háztartások energiaellátására. India és Kína déli területein terjedtek el leginkább, ahol a forró csapadékos nyár és az enyhe tél lehetővé teszi az üzemek fűtés nélküli működtetését. Európában és az USA-ban a nagyobb méretű, automatizált, nagy hatékonyságú biogáztelepek terjedtek el, először a nagyobb városokban a szennyvíz és hulladékdepóniák gáztartalmának kiaknázására, majd az állattartó telepek közelében a trágya és a növényi melléktermékek hasznosítására.
A biogázüzemben feldolgozható alapanyagok A biogázüzemben feldolgozható anyagok köre rendkívül széles, szinte minden szerves hulladék, melléktermék felhasználható, kivéve a vegyiparból származó anyagokat. Az üzem működésére veszélyes lehet az antibiotikumok és a nehézfémek jelenléte, amelyek toxikusak a biogáztermelő baktériumok számára. A tervezhető üzemi működés (gázhozam, kihasználtság) érdekében törekedni kell a receptúra állandóságára. A baktériumok nem képesek alkalmazkodni a nyersanyagok öszszetételének hirtelen változásához, csökken a gáztermelés, illetve az üzem hatékonysága. Az alapanyag kiválasztásánál fontos, hogy nagy mennyiségben, azonos minőségben, hosszú távon és lehetőleg olcsón álljon rendelkezésre. A nyersanyagok beszerzési árának és az önköltségnek a számításánál nem szabad figyelmen kívül hagyni a szállítás költségeit sem. Dániában a központi biogáztelepekre maximum 8-10 km-es távolságból szállítják a nyersanyagokat. A koncentrált, nagyobb biogázhozamú hulladékok, például a különböző állati 56
hulladékok nagyobb szállítási költségeket is elviselnek, mint a lakossági zöldhulladékok vagy a hígtrágya. 2.1. táblázat Biogáztermelésre alkalmas nyersanyagforrások csoportosítása
Mezőgazdasági
trágyák (almos, híg); Állattevágóhídi melléktermék; nyésztési elhullott állatok silókukorica; cukorcirok; cukorrépa; lucerna; csicsóka; Növénymelléktermékek: szalmák, kukoricacsutka, termeszkukoricaszár; tési energianövények: Szarvasi 1 energiafű, szudáni fű konzervipari hulladékok; élelmiszeripari hulladékok (répaszelet, Feldolgozómelasz); ipari szeszipari hulladékok (sörtörköly, komlótörköly, burgonya-, gabonamoslék) Lakóközössé- kommunális zöldhulladék; gekből eredő szennyvíziszap; éttermi hulladék
Nemzetgazdasági szinten a biogázüzemek legfontosabb feladata azoknak a nyersanyagoknak a feldolgozása, amelyek mint hulladékok keletkeznek, szennyezik a környezetünket, és problémát jelent az elhelyezésük. A mezőgazdasági vállalkozások által létesített különböző trágyaféleségekre vagy silókukoricára alapozott technológiák a leggyakoribbak. Az egyes nyersanyagokból kinyerhető biogáz és energia mennyiségét az adott nyersanyag szerves szárazanyag-tartalmának 1 kg-jából képződő biogázmenynyiség, és annak metántartalma határozza meg. Az alapanyagokra vonatkozó pontos értékeket a 2.2. táblázat szemlélteti. 57
Települési hulladék
16 20
Folyékony hulladék
21
20
23,4
Szilárd hulladék, biológiailag lebomló (étel-, udvari, kerti hulladék)
Önkormányzati zöldhulladékok
Élelmiszeripar Borkészítési és szeszfőzdei melléktermékek
Cukoripari melléktermékek
88
93
19
85
64
94,7
30
75 78
11
Baromfi
83,5
83
93
600
550
415
560
450
576,5
440
500
400
390
900
BiogázSzerves kihozatal száraz (m3/t sz. anyag (%) sza.)
62
8
12
90
Sertés
Szarvasmarha
Trágya
Növény- Melléktermékek termesztés Főtermék (kukorica-, szilázs)
Állattenyésztés
Hulladékok (tetemek, belsőségek)
Száraz anyag (%)
2.2. táblázat Biogáztermelésre alkalmas nyersanyagforrások beltartalmi értékei
Nyersanyagok származás szerint
Mezőgazdaság
58 70
60
54
68
65
52
55
65
60
55
68
Metán aránya a biogázban
A ténylegesen kinyerhető metántartalmat és egyúttal a termelhető elektromos és hőenergia mennyiségét a 2.3. táblázatban megnevezett összetevők aránya határozza meg. 2.3. táblázat Anyagcsoportok biogázhozama és metántartalma [13] Anyagcsoport Biogázhozam [m3/szárazanyag kg] Metán aránya a biogázban [%] Metánhozam [m3/szárazanyag kg]
Szénhidrátok
Proteinek
Zsírok
0,79
0,7
1,25
50
71
68
0,395
0,497
0,85
A metán termelődéséért a proteinek, a szénhidrátok és a zsírok felelősek. A termelődő biogáz abszolút mennyisége és a benne található metántartalom együttesen határozzák meg a nyersanyag metánhozamát. A legmagasabb metántartalmú biogázt a fehérjékből tudjuk előállítani, azonban 1 kg szárazanyagra vetítve a zsírok esetében majdnem 80%-kal magasabb a kinyerhető biogáz mennyisége, így a kicsit alacsonyabb metánkoncentráció ellenére is összességében 70%-kal több metánt termelhetünk a magasabb zsírtartalmú alapanyagokból (2.3. táblázat). Az összetett szénhidrátban gazdag nyersanyagok (pl. a marhatrágya) kevesebb és rosszabb minőségű, alacsonyabb metántartalmú biogázt adnak. A magasabb fehérje- és zsírtartalmú anyagokból (pl. vágóhídi hulladékok, ételhulladékok, szennyvíziszap) viszont nagyobb mennyiségű és jobb minőségű biogázt nyerhetünk.
59
A biogázgyártás technológiái Ebben a fejezetben bemutatjuk a biogáztermelés biológiai alapjait, az üzemek felépítését, a bennük lezajló legfontosabb folyamatokat és a biogáz-előállítás lehetséges technológiai megoldásait. A fermentáció folyamata A fermentáció folyamata – amint azt a 2.2. ábra is mutatja – négy szakaszra bontható: 1. Az első szakaszban (hidrolízis) a fakultatív anaerob baktériumok a nagy molekulájú szerves anyagokat kisebb vegyületekre hasítják: egyszerű cukrok, aminosavak, zsírsavak, glicerinek keletkeznek, valamint víz. 2. A második szakaszban (savképződés) anaerob körülmények között, savképző (acetogén) baktériumok segítségével további lebontási folyamatok zajlanak, amelyek során szerves savak, alkoholok, aminosavak keletkeznek, valamint szén-dioxid és hidrogén.
2.2. ábra A biogáz keletkezésének biológiai háttere
60
3. 4.
A harmadik szakaszban – az előző folyamat végtermékeiből – az ecetsav-baktériumok közreműködésével acetát, szén-dioxid és hidrogéngáz keletkezik. A befejező részfolyamat (β-oxidáció) során a metánképző, azaz metanogén mikroorganizmusok metánt, szén-dioxidot és vizet állítanak elő.
A biogázüzemek általános technológiai elemei • Az előtároló nagyobb mennyiségű biomassza tárolására alkalmas, itt történik a komponenseknek a receptúra szerinti összekeverése. • Az etető a biomassza napi tárolására alkalmas, szakaszos üzemben 1-2 óránként automatikusan juttatja a nyersanyagot a fermentorba, általában naponta egyszer szükséges feltölteni. • A nyersanyag kierjedése a fermentorban történik, a biomassza a csigás etetőn keresztül jut ide, és a technológiától és az alapanyag minőségétől függően 20-30 napot tartózkodik itt. • A kombinált tárolóban történik az utóerjedés és a biogáz tárolása, a tartály tetejére szerelt fóliagázsisakban. • Az utótároló a kierjedt biotrágya tárolására szolgál. • A gázmotorban égetik el a megtermelt és kéntelenített biogázt villamos- és hőenergia-termelés céljából.
2.3. ábra A biogázüzem általános felépítése 61
A 2.3. ábra egy általános üzem felépítését mutatja, amelytől a rendszer összetevői a különböző alapanyagok és technológiák függvényében eltérhetnek. A biogáztermelés során megjelenő anyag- és energiaáramok A 2.1. táblázatban bemutatott bemenő (input) nyersanyagokból – leegyszerűsítve – biogáz és különböző melléktermékek keletkeznek a 2.4. ábra szerint. A nyersanyagok típusától függően a képződő biogáz átlagosan 50–70% metánt és 30–50% szén-dioxidot tartalmaz. A pontos értékeket a 2.2. táblázat szemlélteti.
2.4. ábra Anyag- és energiaáramok a biogázüzemben
A biogáz legelterjedtebb hasznosítása a gázmotoros elégetés, ennek során közel 60-70% hő- és 30-40% elektromos energia keletkezik (2.4. ábra). 62
2.4. táblázat A biogáz és a földgáz energiaértékének összehasonlítása
Metántartalom (%) Elektromos energia Hőenergia
(kWh/m3)
(kWh/m3)
Biogáz
Földgáz
60
96
2
3,2
3,8
6,08
A biogáz energiatartalma a benne található metántartalomtól függ, a földgáz metántartalma 96%, a biogáz energiaértéke ehhez képest arányosan számítható a százalékos metántartalomnak megfelelően (2.4. táblázat). 1 m3 metán elégetésekor 9,28 kWh energia szabadul fel, 60%-os metántartalmú biogáz esetén ennek 60%-a, azaz: 0,6*9,28 kWh = 5,8 kWh. A biogáz előállítására alkalmas technológiák csoportosítása A jelenleg alkalmazott technológiákat csoportosíthatjuk a nyersanyag szárazanyag-tartalma, az erjesztés során alkalmazott hőmérséklet és az építés módja szerint. Szárazanyag-tartalom szerint A nedves eljárás alapvetően szennyvizek, hígtrágyák kezelésére alkalmas, a nyersanyag folyadéktartalma gyakran meghaladja a 90%-ot. A keverékhez adhatók egyéb mezőgazdasági (pl. almos trágya) és élelmiszeripari melléktermékek is, de a szárazanyag-tartalom maximális értéke nem haladhatja meg a 15%-ot (2.5. táblázat). A technológia jellemzője a folyamatos adagolás és a jó szabályozhatóság, hátránya viszont, hogy a visszamaradó biotrágya folyékony halmazállapotú, alacsony sűrűségű, így kijuttatása a nagy térfogat miatt költségigényes. 63
2.5. táblázat Biogáz-technológiák csoportosítása a nyersanyag szárazanyag-tartalma szerint Technológia típusa
Szárazanyag-tartalom
Nedves eljárás
<15 %
Félszáraz eljárás
15-25 %
Száraz eljárás
>25 %
A félszáraz technológiával 15–25% közötti szárazanyag-tartalmú biomasszát tudunk feldolgozni. Alkalmas lakossági zöldhulladékok, almos trágyák és egyéb mezőgazdasági melléktermékek felhasználására. A száraz technológia 25% feletti szárazanyagtartalmú nyersanyagot dolgoz fel, amely lehet kommunális hulladék szerves része, növénytermesztési fő- és melléktermékek (energianövények is) vagy különböző almos trágyák. Az utóbbi két technológia jellemzője a szakaszos eljárás és a magas szárazanyag-tartalmú, értékes biotrágya. A magasabb szárazanyag előnye, hogy kisebb fermentációs térfogattal, könnyebben kezelhető, kisebb mennyiségű biotrágyával kell számolni. Az említett pozitív hatást csökkenti a gáztermelés szakaszossága, a hosszabb betárolási, erjedési, kitárolási idő (a folyamatok beindulása lassabban megy végbe), emiatt a folyamatos eljárás az elterjedtebb. A technológia megválasztását alapvetően meghatározza a rendelkezésre álló nyersanyag minősége. Alkalmazott hőmérséklet szerint A hőmérséklet a reakciók sebességére gyakorolt hatásán keresztül határozza meg a választható technológiai berendezések körét. A biogáz keletkezése 0–90 °C között megy végbe. A hőmérséklet emelkedésével folyamatosan nő a kémiai reakciók sebessége, így csökken 64
a teljes fermentációs folyamat időigénye, ezzel arányosan csökken a folyamatokhoz szükséges fermentor térfogata, ami csökkenti a beruházás költségeit. A hőmérséklet emelkedésével azonban a rendszer sokkal érzékenyebbé válik az esetleges hőingadozásra, ennek következtében nagyon fontos a technológia rendkívül precíz betartása. A magasabb üzemi hőmérsékleten működő technológiák esetében szükségessé válik a fermentorok fűtése is a külső hőmérséklet csökkenésével, ami jelentős pótlólagos költséget jelent az üzem működésében. A különböző metántermelő baktériumtörzsek életfeltételeinek megfelelően háromféle, számukra optimális hőmérséklet-tartományt és ennek megfelelően három technológiát különböztethetünk meg (2.6. táblázat). 2.6. táblázat Biogáz-technológiák csoportosítása az erjesztés során alkalmazott hőmérséklet szerint Technológia típusa Pszikrofil Mezofil Termofil
Erjesztési hőmérséklet [°C] <20 30–40 50–60
Tartózkodási idő [nap] 60–90 40–50 20–25
A pszikrofil technológia Ázsiában terjedt el a kisebb farmok, háztartások energiaellátására. Jellemzője a hosszú fermentációs idő – az alacsony, 0–20 °C közötti hőmérséklet-tartomány miatt –, valamint a kis kapacitás, az extenzív és nagyon olcsó működés. A mezofil technológia a legelterjedtebb eljárás Európában, közepes és nagyméretű üzemekben használják állattartó-telepi trágya, városi szennyvizek, egyéb hulladékok kezelésére; a fermentáció 25–35 °C között zajlik le. A pálhalmai biogázüzem ilyen technológiával működik. A szervesanyag-lebontás hatásfoka javul a pszikrofil technológiához képest, de így sem haladja meg az 50%-ot. 65
A termofil technológia kevésbé gyakori, az előzőeknél drágább, de hatékonyabb eljárás. Jellemzője, hogy az erjesztés két reaktorban valósul meg, 40–60 °C közötti hőmérséklet-tartományban. Termofil típusú üzemekben a biológiai reakciók jóval gyorsabban zajlanak le a pszikrofil és mezofil technológiához képest, ezért a fermentációs idő akár 20 napra rövidülhet. A baktériumok azonban egyre érzékenyebbé válnak a hőmérséklet ingadozására, a megszokott üzemi középhőmérséklettől való eltérés a fermentorban rövid távon nem haladhatja meg az 1-1,5 °C-ot. Nagyobb változtatásra csak hosszú távon van lehetőség, a hirtelen ingadozások a teljesítmény csökkenéséhez, a drasztikus különbség pedig a baktériumok pusztulásához vezethet. A nyírbátori üzem ilyen technológiával épült. A termofil rendszerek esetében lényegesen javul a szervesanyag-lebomlás hatékonysága, elérheti akár a 70-75%-ot is. Az építés módja szerint A fermentor kialakítása alapján megkülönböztethetünk függőleges, vízszintes és csőerjesztőket: • A függőleges alkalmazásúak a legelterjedtebbek, jellemzőjük, hogy felszín alá is telepíthetőek – ez a fermentor hőfogyasztásának csökkentése miatt fontos a mérsékelt övi területeken –, a technológia kiforrott, számos fajtája ismert. • A vízszintes technológia alkalmazása kedvezőtlen talajviszonyok esetén alkalmazható. • A csőerjesztők jellemzően kisebb méretű mobil egységek, a kis gazdaságokban termelődő biomassza feldolgozására alkalmasak, ahol egyetlen tartályban történik az erjesztés valamint a gáztárolás is.
66
A biogázüzemben képződő fő- és melléktermékek felhasználási lehetőségei A biogáz felhasználási lehetőségei A megtermelődött biogáz számos célra hasznosítható, és ez a cél határozza meg az előállításához alkalmazott technológiát, illetve a felhasználáshoz szükséges gázkezelés (tisztítás) típusát. A legegyszerűbb lehetőség a gázkazánokban történő elégetés, amikor csak tiszta hőenergiát állítunk elő. Ez a legmagasabb energiahatékonyságú felhasználás, itt a legalacsonyabbak az átalakítási és egyéb veszteségek, továbbá nem elhanyagolható, hogy ebben az esetben kell számolni a legkevesebb pótlólagos beruházási költséggel. A legelterjedtebb megoldás a biogáz blokkfűtőerőműben történő elégetése, elektromos és hőenergia előállítására (kogeneráció). A keletkező elektromos áramot általában az országos hálózatra táplálják, a hőenergia hasznosítására azonban valamilyen lokális felhasználási lehetőséget kell keresni, mivel szállíthatósága korlátozott. A trigeneráció – ma még újdonságnak számít – működését tekintve a kogenerációs rendszerek kiegészítése, szintén elektromos és hőenergia előállítására alkalmas. A különbség a hőenergia hasznosításában van. A téli fűtési felhasználás mellett a keletkező energiát nyáron egy speciális rendszer (abszorpciós hűtő) segítségével légkondicionált vagy egyéb jelentős hűtési igényű intézmények hűtésére is alkalmazhatjuk, tovább javítva a biogázüzem kihasználtságát. Kisebb méretű gazdaságok esetében alkalmazható a mikrogázturbina, azonban villamos hatásfoka alacsony, a fajlagos beruházási költség magas, a maximális elektromos teljesítménye mindössze 100 kW. A gáz tisztításával a metán feltáplálható a földgázhálózatra, de a tisztítás és a hálózatra táplálás is meg67
lehetősen költséges, jelenleg még a magyarországinál jóval kedvezőbb gazdasági helyzetben lévő országokban (pl. Németország) sem terjedt el. A földgáz és a többi fosszilis energiahordozó árának folyamatos növekedésével alkalmazása a jövőben gazdaságossá válhat. A biogáz alkalmas autóbuszok, mezőgazdasági járművek vagy akár vonatok motorhajtóanyagaként történő hasznosításra is. Ebben az esetben azonban a gázt nagyon szigorúan meg kell tisztítani a motorok működésére káros kéntől és szén-dioxidtól, ezt követően a megtisztított biogáz a cseppfolyósítás után a benzinkutakon tankolható. A biogáz felhasználására lehetőség nyílik mérsékelt tisztítás (központi tisztító) után lokális gázrendszerekben is, de csak az országos földgázhálózatról való leválással. A biotrágya és felhasználási lehetőségei A fermentáció folyamán az eredeti szervesanyagtartalom az alkalmazott technológiától függően 40-50%ban lebomlik, amelyből metán és szén-dioxid keletkezik, a fennmaradó rész pedig a kierjedt szubsztrátban marad, amely értékes biotrágyaként hasznosítható. A biotrágya kedvezőbb beltartalmi értékekkel rendelkezik, mint a szerves trágya, és a bevitt nyersanyag mennyiségével majdnem megegyező mennyiségben keletkezik. A nyersanyaggal az üzembe bevitt nitrogén, foszfor, kálium megmarad a biotrágyában. A nyersanyagok technológiai folyamatok során történő feltáródása és a kialakult baktériumkultúra kedvezően befolyásolja a tápanyagok felvehetőségét. Az üzembe bevitt anyagok a fermentáció során elvesztik szagukat, a kórokozó mikroorganizmusok jelentős része elpusztul, a gyommagvak elvesztik csírázóképességüket. A biotrágya alkalmazásával csökken a műtrágya és ezáltal a fosszilis energiahordozók felhasználása. 68
•
•
A biotrágya lehet: Nedves állapotú, folyékony: 5-8%-os szárazanyagtartalmú, amely alkalmas öntözőrendszerrel való kijuttatásra vagy talajba injektálásra. A híg biotrágyát gyakran fázisbontással tovább kezelik, a folyadékfázist öntözésre használják, a szilárd fázist komposztálják. Félszáraz állapotú: 25-35%-os szárazanyag-tartalmú, amely rendkívül jó beltartalmi értékekkel rendelkezik, komposztálásra vagy közvetlenül trágyázásra használják. Állaga miatt alkalmas tengelyen történő szállításra, így a szántóföldre juttatása trágyaszóró gépkocsikkal megoldható.
A szén-dioxid felhasználási lehetőségei A biogáz 30-50%-ban tartalmaz szén-dioxidot és 5070%-ban metánt. A metán elégetése során is széndioxid és víz keletkezik (lásd 2.4. ábra). A szén-dioxid hasznosításával javíthatóak a biogázüzem megtérülésének feltételei. Felhasználási lehetőségek: • hűtőházban a zöldségek tárolhatóságának fokozására, • fóliasátrakban, üvegházakban zöldségnövények szén-dioxid-trágyázására, 5-8-szoros mennyiségig jelentősen és gazdaságosan fokozza a fotoszintézis sebességét. A hulladékhő és felhasználási lehetőségei A biogáz gázmotorban történő elégetése során az elektromos energia mellett jelentős mennyiségű hőenergia keletkezik (2.4. táblázat), melynek hasznosítása alapvetően meghatározza az üzem nyereségességét. A biogáz elégetése során az üzemben keletkező összes energia 30-35%-a villamos energia, 60-65%-a hőenergia. A hőenergia 25-40%-a felhasználásra kerül 69
a fermentor fűtésére, 15-25% a motor sugárzási vesztesége, 15% a füstgázzal távozó veszteség és 3040% a hasznosítható rész. A hulladékhő hasznosításánál törekedni kell a szállítási távolságok és az ebből fakadó költségek minimalizálására. A legjobb megoldás, ha a biogázüzem mellett épül egy hasonló kapacitású üzem, amely képes felvenni a keletkező hőt, miközben a biogázüzem átveszi a másik üzemben termelődő melléktermékeket mint nyersanyagokat (bioetanol- és biogázüzem közötti üzemkapcsolat). A hulladékhő felhasználásának csak a fantáziánk szabhat határokat: • üvegházak, fóliasátrak, istállók, fejőházak, egyéb mezőgazdasági épületek fűtése és hűtése, • terményszárítás, • fa szárítása, • távfűtőművekbe táplálás.
A biogáz-előállítás és -felhasználás bemutatása egy gyakorlati példán keresztül A biogázüzem létesítésének tervezésénél figyelembe kell vennünk néhány alapvető törvényszerűséget. A technológia körültekintő kiválasztását – a beruházási és működési költségek optimalizálása érdekében – alapvetően meghatározzák a térség adottságai, a rendelkezésre álló nyersanyagforrások, valamint a keletkező végtermékek hasznosítási célja. A különböző gyártók által forgalmazott technológiák között 30–50%-os eltéréssel is találkozhatunk. Fontos, hogy a tervezett üzemben az elektromos energia mellett keletkező hőenergia hasznosítását legalább részben meg tudjuk oldani, enélkül az üzem gazdaságos működésére nagyon kevés az esély, amelynek oka a zöldáram alacsony átvételi ára Magyarországon. A másik kulcstényező, amely a gazdaságosságot nagymértékben meghatározza, az üzemben felhaszná70
landó nyersanyag minősége és ára. A silókukorica vagy egyéb növénytermesztési termékek esetében az önköltség 40%-os eltérést is mutathat az öntözés, a talajminőség, a fajta vagy az alkalmazott agrotechnika függvényében. A különböző országrészekben az időjárás további bizonytalansági tényezőt jelent. Érdemes felvenni a kapcsolatot a térségben működő élelmiszeripari, feldolgozóipari üzemekkel, mert olcsón beszerezhető melléktermékeik jelentősen javíthatják a biogázüzem gazdasági mutatóit. Jelentős költségtényező továbbá a nyersanyagokra és a végtermékre rakódó szállítási költség, ezért különösen fontos a szállítási távolságok minimalizálása. Erre jó példát láthatunk a nyírbátori üzemben, ahol a kierjedt biotrágyát nem tengelyen, hanem öntözőrendszeren keresztül juttatják ki a szántóföldekre. Gyakorlati példa: egy lehetséges biogázüzem tervezése Mintának egy mezofil, nedves technológiájú, folyamatos adagolású, függőleges építésű üzemet választottunk. Számításainkban 90%-os kihasználtsággal, 7884 óra/éves működéssel kalkuláltunk. Átlagos biogázüzemi nyersanyagbázist rendeltünk hozzá, amely egy Magyarországon telepítendő üzem esetében is reális. Nyersanyagok: • 15 ezer tonna silókukorica, • 20 ezer tonna szarvasmarhatrágya, • 20 ezer tonna sertés-hígtrágya, • 5 ezer tonna egyéb: étel-, udvari, kerti hulladék (a környező településekről). A példában szereplő nyersanyagokból a 2.2. és 2.4. táblázatokban szereplő adatokat felhasználva számíthatjuk ki a leendő üzemünkben előállítható biogáz, metán, valamint villamos energia mennyiségét (2.7. táblázat).
71
2.7. táblázat A példában szereplő alapanyagokból termelhető biogáz és villamos energia mennyiségének meghatározása Megtermelt mennyiség Biogáz
Metán
Villamos energia
[1000 m3]
[1000 m3]
[1000 kWh]
15 E t silókukorica
2 457
1 277,6
4 216,08
20 E t szarvasmarhatrágya
776,8
427,24
1 409,89
20 E t sertés-hígtrágya
534
320,4
1 057,32
409,5
245,7
810,81
4 177,3
2 270,94
7 494,1
Alapanyag
5 E t egyéb étel-, udvari, kerti hulladék Összesen
Az üzem teljesítményének meghatározása A 2.7. táblázatban bemutatott nyersanyagokkal évente 2 270 940 m3 metán termelhető, melynek elégetésével köbméterenként 3,3 kWh villamos energiát tudunk előállítani, összesen 7 494 100 kWh-t egy év alatt. Üzemünk teljesítménye 90%-os működéssel számolva: 7 494100 kWh = 950,5 kW ≈ 0,9 MW óra 0,9 × 365 nap × 24 nap
Ez azt jelenti, hogy a rendelkezésre álló nyersanyagok egy közel 1 MW teljesítményű gázmotor ellátására elegendőek, 90%-os éves szintű működés esetében. 72
Jövedelmezőségi viszonyok vizsgálata Természetesen a biogázüzemek esetében is érvényesek a méretgazdaságosság alaptörvényei: minél nagyobb az üzem és minél jobb az eszközök kihasználtsága, annál nagyobb a valószínűsége a gazdaságos működésnek. 2.8. táblázat A biogázüzem költség- és jövedelemviszonyai Költségek és bevételek alakulása
(1000 Ft)
Beruházási költség
900 000,0
Fix költség
58 000,0
Változó költségek
57 000,0
Alapanyag
89 750,0
15 E t silókukorica*
72 000,0
20 E t szarvasmarha-trágya*
8 000,0
20 E t sertés-hígtrágya*
8 000,0
5 E t egyéb: étel-, udvari, kerti hulladék
1 750,0
Árbevétel – villamos energia
185 104,3
Árbevétel – hőenergia
19 000,0
Árbevétel – szállítás és ártalmatlanítás (étel-, udvari, kerti hulladék)
10 000,0
Költségek összesen
204 750,0
Árbevétel összesen
214 104,3
Jövedelem
9 354,3
*Számítás: a silókukorica önköltségi ára 4800 Ft/t, saját termelésű trágya szállítása, rakodása: 400 Ft/t.
A példában, szereplő üzemben 7 494 100 kWh villamos energia keletkezik, a zöldáramra jogszabályban előírt kötelező átvételi ár átlagosan 24,7 Ft/kWh, így az áram értékesítéséből realizálható árbevétel évente 185 104 270 Ft. 73
A 2.8. táblázat elemzéséből megállapítható, hogy pusztán az elektromos áram értékesítéséből származó árbevételek nem elegendőek a nyereséges működés feltételeinek biztosításához. Két lehetőségünk van a jövedelem növelésére: • bevételek növelése: a hőenergia, valamint az egyéb melléktermékek értékesítésével és hulladék-megsemmisítési szolgáltatások végzésével; • nyersanyagköltségek csökkentése: olcsó élelmiszeripari, mezőgazdasági hulladékok feldolgozásával, silókukorica és egyéb növénytermesztési nyersanyagok saját üzemben történő megtermelésével. Lehetőségek a gazdaságosság javítására •
•
•
• • •
74
Hulladékhő hasznosítása vagy értékesítése (trigeneráció: a villamos energia mellett termelődő hőenergia télen fűtési, nyáron hűtési célú értékesítése) az üzem kihasználtságának és bevételeinek növelésére. A biotrágya értékesítése is lehetőséget jelenthet bevételeink növelésére, az állattartó telepeken keletkező trágyáért mint nyersanyagért cserébe átadható a biotrágya egy része, így csökkentve az üzem alapanyagköltségeit. Átvételi díjas anyagok (állati hulladékok, szennyvíziszap, lakossági biomassza-hulladék) felhasználása. Ebben az esetben a hulladék beszállítója fizet a hulladék átvételéért. Térítésmentesen felhasználható nyersanyagok alkalmazása. A szén-dioxid értékesítése speciális üzemi kapcsolatokat és pótlólagos beruházásokat igényel, de alkalmazásával tovább növelhető az üzem bevétele. Több iparág egymást kiegészítő előnyének együttes kihasználására jó példa a bioetanol- és biogázüzem egymás mellé telepítése. A biogázüzem nyersanyagként felhasználja a bioetanol-üzem melléktermékét,
a szeszmoslékot, a bioetanol-üzem hőigénye pedig részben kielégíthető a biogázüzem hulladékhőjével. A biogáz elterjedését akadályozó tényezők •
•
• •
A legfontosabb akadály a biogáz elégetésével megtermelendő zöldáram magyarországi szabályozása. A probléma kettős, az egyik gond az alacsony ár – átlagosan 24,7 Ft, ami a németországi átvételi ár fele –, a másik, hogy az átvétel paramétereit meghatározó rendelet 2010. december 31-ig van érvényben. 2010 végéig, a szabályozási időtávból fennmaradó 2 év semmilyen üzem megtérülését nem teszi lehetővé. Nem lehet tudni, hogy 2010 után hogyan fognak változni az átvételi árak, és semmilyen garancia nincs a befektetők számára. Komoly problémát jelent a támogatás bizonytalansága és alacsony mértéke. A jelenlegi beruházási jellegű támogatás nem oldja meg az iparág problémáit, mivel nem alkalmas a gazdaságos működés feltételeinek megteremtésére. Mezőgazdasági vállalkozók esetében gyakran hiányzik a szükséges önerő. További gond az információ, a bizalom és a szakértelem hiánya.
Finanszírozási lehetőségek A biogázüzemek létesítése jelentős tőkét igényel, a kisebb üzemek 300–500, a közepesek 800–1000, a nagyüzemek 1500–3000 millió Ft körüli beruházási összeget igényelnek. Banki hitel A bankok egyre szívesebben fektetnek be megújuló energiákat hasznosító projektekbe, ehhez azonban nagyon komoly és jól alátámasztott üzleti tervre, a nyers75
anyagellátás biztosítására, a gazdálkodókkal kötött hosszú távú szerződésekre, valamint ingatlanfedezetre van szükség. Saját erő A banki hitel és a támogatás elnyeréséhez általában jelentős saját erőre is szükség van, ennek mértéke a teljes beruházáshoz képest 20–25 %, ez egy nagyobb beruházás esetén 200–400 millió forint is lehet. Vannak olyan bankok, amelyek hajlandóak a jól előkészített projektek teljes finanszírozására, de ez viszonylag ritka. A bemutatott példában (2.8. táblázat) szereplő üzem esetében ez az összeg 180–225 millió Ft. Beruházás jellegű állami támogatás • • •
• •
76
Európai Mezőgazdasági Vidékfejlesztési Alap (EMVA) Új Magyarország Vidékfejlesztési Program, 2007– 2013 (ÚMVP I. tengely) A mezőgazdasági üzemek korszerűsítése, 27/2007. (IV.17.) FVM rendelet Támogatási célterület: Az állattartó telepen képződő trágya kezelését, tárolását, részbeni feldolgozását és felhasználását szolgáló gépbeszerzés építészeti-technológiai és infrastruktúrát érintő beruházás megvalósítására. A támogatás mértéke: alapesetben 40%, nitrátérzékeny területeken 75%. A pályázat 2007. május 23-án lezárult, újbóli megnyitása várható. Környezet és Energia Operatív Program (KEOP) Biogáztermelés és -felhasználás, 23/2007. (VIII.29.) MeHVM rendelet Olyan vállalkozás pályázhat, melynek a mezőgazdaságból eredő árbevétele (TEÁOR szám: 01.11– 05.02) nem éri el a nettó árbevétel 50%-át. A támogatás mértéke: 10–50%.
Működés támogatása A zöldáram kötelező átvételén keresztül (jelenleg 24,7 Ft/kWh) a 2007. évi (LXXXVI.) törvény a villamos energiáról. Egyéb támogatás A biogázüzem nyersanyagbázisának fejlesztésére. Lágy szárú energiaültetvények támogatása: 71/2007. (VII. 27.) FVM rendelet Támogatás célja: „1. § A támogatás célja a mezőgazdasági területeken lágy szárú, évelő, újravetés, illetve újratelepítés nélkül legalább 5 évig energetikai alapanyag termelésre fenntartható energianövények telepítésével a) a nem élelmiszeripari növények termesztésére történő áttéréssel hozzájáruljon az élelmiszer termékpályák stabilizálásához; b) alternatív, a termőhelyi adottságokhoz igazodó kultúraválasztási lehetőségek biztosítása; c) hozzájáruljon a szélerózió, illetve belvíz elleni védekezéshez, a kedvezőtlen talajszerkezet javításához; d) az energetikai célú biomassza biztosításával hozzájáruljon a megújuló energiaforrások elterjesztésére vonatkozó célok teljesítéséhez; e) hozzájáruljon a vidéki lakosság életszínvonalának javításához.” Támogatás mértéke: a beruházás összes elszámolható kiadásának 40%-a; fiatal mezőgazdasági termelő esetében vagy kedvezőtlen adottságú területen történő telepítéskor a beruházás összes elszámolható kiadásának 50%-a.
77
A biogázüzemek létesítésére, működtetésére, a biogáz felhasználására vonatkozó jogszabályok jegyzéke • • • • • •
• • • •
• •
78
110/2002. (XII. 12.) OGY határozat az Országos Hulladékgazdálkodási Tervről 102/1996. (VII. 12.) korm. rend. a veszélyes hulladékokról 98/2001. (VI. 15.) korm. rend. a veszélyes hulladékkal kapcsolatos tevékenységek végzésének feltételeiről 213/2001. (XI. 14.) korm. rend. a települési hulladékkal kapcsolatos tevékenységek végzésének feltételeiről 2133/2005. (VII. 8.) kormányhatározat a biomaszsza energetikai hasznosítását elősegítő egyes intézkedésekről 23/2001. (XI. 13.) KöM rend. a 140 kWth és az ennél nagyobb, de 50 MWth-nál kisebb névleges bemenő hőteljesítményű tüzelőberendezések légszennyező anyagainak technológiai kibocsátási határértékeiről 2005. évi XV. törvény az üvegházhatású gázok kibocsátási egységeinek kereskedelméről 2005. évi LXIII. törvény a földgázellátásról szóló 2003. évi XLII. törvény módosításáról 42/2005 (III. 10.) korm. rend. a bioüzemanyagok és más megújuló üzemanyagok közlekedési célú felhasználásának egyes szabályairól 112/2005. (XII. 23.) GKM rend. az átvételi kötelezettség alá eső villamos energia átvételének szabályairól és árának megállapításáról szóló 56/2002. (XII.29) GKM rend. módosításáról 49/2001. (IV. 3.) korm. rend. a vizek mezőgazdasági eredetű nitrátszennyezéssel szembeni védelméről 71/2003. (VI. 27.) FVM rend. az állati hulladékok kezelésének és a hasznosításukkal készült termékek forgalomba hozatalának állategészségügyi szabályairól
•
• • • • • • •
• • • •
•
30/2006. (II.8.) korm. rend. a Nemzeti Települési Szennyvízelvezetési és -tisztítási Megvalósítási Programról szóló 25/2002. (II.27.) kormányrendelet módosításáról. 20/2001. (II.14.) korm. rend. a környezeti hatásvizsgálatról 314/2005. (XII.25.) korm. rend. a környezeti hatásvizsgálati és az egységes környezethasználati engedélyezési eljárásról 1994. évi LV. törvény a termőföldről 204/2001. (X.26.) korm. rend. a csatornabírságról 50/2001. (IV.3.) korm. rend. a szennyvizek és a szennyvíziszapok mezőgazdasági felhasználásának és kezelésének szabályairól 242/2000. (XII.23.) korm. rend. a települési hulladékkezelési közszolgáltatási díj megállapításának részletes szakmai szabályairól 2/2000. (I.18.) FVM – KöM együttes rend. a mezőgazdasági termékek és élelmiszerek ökológiai követelmények szerinti előállításának, forgalmazásának és jelölésének részletes szabályairól 20/2006. (IV.5.) KvVm rend. a hulladéklerakással, valamint a hulladéklerakóval kapcsolatos egyes szabályokról és feltételekről 2005. évi CLXXXV. törvény a villamos energiáról szóló 2001. évi CX. törvény módosításáról 180/2002. (VIII.23.) korm. rend. a villamos energiáról szóló 2001. évi CX. törvény egyes rendelkezéseinek végrehajtásáról 113/2005. (XII.23.) GKM rend. a villamosenergiaellátásban alkalmazott általános rendszerhasználati díjak megállapításáról szóló 57/2002. (XII.29.) GKM rendelet módosításáról 23/2007. (VIII. 29.) MeHVM rend. a Környezet és Energia Operatív Program prioritásaira rendelt források felhasználásának részletes szabályairól és egyes támogatási jogcímeiről 79
Irodalom [1]
[2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]
80
BAGI Z.: A fermentáció paramétereinek biotechnológiai alapjai. „A biogázgyártás gyakorlati és műszaki kérdései” szakmai napon elhangzott előadás, Budapest, 2007. 06. 19. BAI A.–LAKNER Z.–MAROSVÖLGYI B.–NÁBRÁDI A.: A biomassza felhasználása. Szaktudás Kiadó Ház Rt., Budapest, 2002. BARÓTFI I. (szerk.): Energiagazdálkodási kézikönyv – 9. A biomassza energetikai hasznosítása. Energia Központ Kht. és a Gazdasági Minisztérium, Budapest, 1998. BOHOCZKY F.: Megújuló energiák alkalmazási lehetőségei és perspektívái. Fűtéstechnika, megújuló energiaforrások 2001. Info-Prod Kiadó és Kereskedő Kft. Budapest. BAI A.: A biogáz. Száz Magyar Falu Könyvesháza Kht. Budapest, 2007. FOGARASSY CS.: Biogáz energianövényekből. IV. ENERGOexpo Nemzetközi Szakkiállítás és Konferencia, Debrecen, 2006. 09. 27. KOVÁCS A.: A biogáz a legemberibb energia. Első Magyar Biogáz Kft., 2006. PETIS M.: Biogázról a gyakorlatban. Mennyibe kerül? Megéri? Bioenergia, 2007/2. 21–25. p. PETIS M.: Biogáz hasznosítása. Energiapolitika 2000 Társulat, Energiapolitikai Hétfő Esték, Budapest, 2008. 02. 11. SZÍJ B.: Biogáz-berendezések fontossága az energiaellátásban. „A biomassza felhasználásának formái” konferencia. Budapest, 2005. 10. 25. TOMBOR A.: Megújuló energiaforrások a villamosenergiatermelésben. VII. Energiapolitikai Fórum, Budapest, 2006. 02. 14. GERHARD K.: GE Energy Jenbacher gas engines, Experiences with Biogases. A biogázgyártás gyakorlati és műszaki kérdései szakmai nap, Budapest, 2007. 06. 19. SCHULZ, H.–EDER, B.: Biogázgyártás. Cser Kiadó. Budapest, 2005. HÓDI J., Biogáztisztítás – Energetikai hasznosítás. IV. ENERGOexpo Nemzetközi Szakkiállítás és Konferencia, Debrecen, 2006. 09. 27.
[15] KOVÁCS K.: A biogázipar helyzete és perspektívái Magyarországon. „A biogázgyártás gyakorlati és műszaki kérdései” szakmai nap, Budapest, 2007. 06. 19. [16] SZÁRSZÓ T.: Pálhalmai biogáz üzem építése. Helyzetjelentés: 2007. I. negyedév. Bioenergia, 2007/2. 2. p. [17] VARGA K.: Európában is egyedülálló biogáz-üzemet adtak át. Kapos Extra, 2007. november 16. 1. p.
81
