A biogázok földgáz közszolgáltatásban történő alkalmazásának minőségi feltételrendszere Magyarországon

Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Mikoviny Sámuel Földtudományi Doktori Iskola A doktori iskola vezetője: Prof. Dr. Lakatos István egyetemi tanár, az MTA levelező tagja A doktori iskola alapítója: Dr. h.c.mult. Dr. Kovács Ferenc egyetemi tanár, az MTA rendes tagja

A biogázok földgáz közszolgáltatásban történő alkalmazásának minőségi feltételrendszere Magyarországon Doktori (PhD) értekezés Szerző: Szunyog István okleveles gázmérnök

Kutatóhely: Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Kőolaj- és Földgáz Intézet Tudományos vezető: Dr. Csete Jenő, PhD, tanszékvezető egyetemi docens

2009. június

A BIOGÁZOK FÖLDGÁZ KÖZSZOLGÁLTATÁSBAN TÖRTÉNŐ ALKALMAZÁSÁNAK MINŐSÉGI FELTÉTELRENDSZERE MAGYARORSZÁGON

Tartalomjegyzék Bevezetés

1

1.

Előzmények, a téma lehatárolása

2

1.1. 1.2. 1.3.

A témaválasztás indoklása Az értekezés célkitűzése Műszaki és tudományos előzmények

2 3 3

2.

Biogáz potenciál

7

2.1. 2.2.

Biogáz energiamérleg az Európai Unióban A hazai földgázrendszerbe betáplálható biogáz mennyisége

7 9

2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.2.4. 2.2.5.

A számítási eljárás A növénytermesztési melléktermékekből kinyerhető biogáz Az állattenyésztési melléktermékekből kinyerhető biogáz A kommunális hulladékokból kinyerhető biogáz Az eredmények értékelése

10 11 12 13 15

3.

Biogáz és földgáz minőség

17

3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5.

A biogázok definiálása Biogáz alapanyagok Gázminőségi tartomány Földgázminőségű biometán előállítása A magyarországi hálózati betáplálási vizsgálatokhoz használandó jellegzetes biogáz és földgáz összetételek A gázminőség jellemzése

17 17 17 19

3.6.

19 22

3.6.1. További számítási összefüggések

28

4.

Betáplálásra vonatkozó műszaki-szabályozási feltételrendszer

37

4.1.

Nem-konvencionális gázok földgázhálózati betáplálására vonatkozó minőségi előírások

37

4.1.1. A gázminőséggel szemben támasztott követelmények

4.2.

38

A földgázra vonatkozó gázminőségi paraméterek európai követelményrendszere A magyar földgázminőségi követelmények összevetése a biogázokra jellemző értékekkel

43

5.

A biogáz minőségéből adódó kockázati tényezők

46

5.1. 5.2. 5.3.

A földgázokra jellemző összetevők A biogázokra jellemző összetevők A biogázok mellék- és kísérő összetevőiből adódó betáplálási peremfeltételek

46 48 51

4.3.

5.3.1. Szennyezőanyag-tartalom 5.3.2. Egyéb jellemzők

Tartalomjegyzék

40

51 53

I


6.

Betáplálási peremfeltételek Magyarországon

55

6.1.

A biogázok földgázhálózati betáplálásának mennyiségi korlátai

55

6.1.1. Az egyes biogáz típusok betáplálásának minőségi korlátai az MSZ 1648: 2000 szabványnak megfeleltetve (cseregáz) 6.1.2. Betáplálás teljes értékű cseregázként az előtisztított biogáz minőségének kereskedelmi propánnal történő javítása esetén (cseregáz) 6.1.3. A minta biogáz típusok kereskedelmi propánnal történő keverése utáni betáplálásának korlátai a minta földgáz típusokat szolgáltató hálózatokba (cseregáz) 6.1.4. A minta biogáz típusok minőségjavítás nélküli betáplálásának mennyiségi korlátai Magyarországon (adalékgáz)

55 58 66 68

6.2.

A földgázokra kidolgozott, és leggyakrabban alkalmazott cserélhetőségi eljárások alkalmazhatóságának vizsgálata biogázok esetében

72

6.2.1. 6.2.2. 6.2.3. 6.2.4. 6.2.5. 6.2.6.

A Wobbe-szám módszer SRG módszer (Sommers-Ruhrgas) Az A.G.A. index módszer Szénhidrogén-egyenérték módszer (British Gas) Francia módszer Weaver-index módszer

74 79 79 80 82 82

7.

Új tudományos eredmények

89

8.

Az eredmények gyakorlati hasznosítása

93

9.

Összefoglalás

94

Summary

95

10.

Befejezés

96

11.

A szerző témában közreadott publikációi időrendben

97

Irodalomjegyzék

Tartalomjegyzék

98

II


Bevezetés Mottó: „Gondolkodj globálisan, mérlegelj lokálisan, cselekedj ésszerűen... (ismeretlen szerző) A földgáz, mint energiahordozó minden európai ország primer energia mérlegében megjelenik. A felhasználási igény fokozatosan növekedik, miközben a rendelkezésre álló források -az újonnan felfedezett földgázmezők számának növekedése mellett iscsökkennek. A földgáz importfüggőség kérdése Magyarországon a legsúlyosabb Európában, mivel primer energia mérlegünkben ez az energiahordozó 40,4 %-ot (!) képviselt 2007-ben a Magyar Energia Hivatal legfrissebb adatai szerint. Ennek az éves szinten 452 PJ gáz alapú energiának csupán 19,5 %-a volt hazai termelés. A teljes importált mennyiség orosz forrásokból érkezik, tehát az ellátás nem diverzifikált. A kérdést tovább súlyosbítja a 2006, illetve 2009 januárjában felszínre került orosz-ukrán „gázárvita”, mely éppen a leghidegebb téli napokban okozott komoly import mennyiség kiesést az ország gázellátásában. A probléma megoldására többféle lehetőség áll rendelkezésre, melyeket a nyugat-európai országokban már több éve alkalmaznak. Ilyen lehetőség a már említett forrás-diverzifikálás (lásd. „Nabucco” és „Déli Áramlat” projektek), stratégiai gáztározók kialakítása, a földgázfogyasztás növekedési ütemének visszaszorítása kormányzati intézkedésekkel (pl. panelprogram), és természetesen, ahol lehetséges, a földgáz bizonyos hányadának kiváltása megújuló energiahordozókkal. Az utóbbi módszer elsősorban ott alkalmazható gazdaságosan, ahol a legkisebb átalakításokkal lehet a már meglévő rendszereket megújuló forrásból származó energia továbbítására és hasznosítására igénybe venni. Kézenfekvő lehet tehát a biogázok földgázhálózaton keresztül történő szállítása. A biogázok ilyen módon történő hasznosításának Magyarországon még nem, de Európában is csak néhány helyen van működő példája. A 2003/55/EC direktíva, valamint a hazai jogrendbe illesztését végző 2003. évi XLII. törvény a földgázellátásról biztosította ugyan a biogáz és biomasszából származó gázfajták megkülönböztetéstől mentes földgázhálózati betáplálásának lehetőségét, azonban a tényleges, magyarországi viszonyokhoz illeszkedő betáplálási minőségi követelményekre máig sincs kidolgozott hazai előírás. A téma aktualitását mutatja, hogy minden földgázzal vagy energetikával foglalkozó szakmai konferencián megjelenik a biogáz, gyakran önálló szekcióba szervezve. Mindezek mellett látni kell azt is, hogy a biogáz hazai viszonylatban, önmagában nem képes orvosolni a földgáz importfüggőség kérdését, viszont a környezetvédelmi törekvéseket is előtérbe helyezve alkalmas lehet a hazai megújuló energia potenciál egy szeletének kiaknázására. Jelen munkámban megkíséreltem összegyűjteni és elemezni azokat a műszaki kérdéseket, melyek előmozdíthatják a megtermelt biogázok ily módon való hasznosítását Magyarországon. Bízom benne, hogy az itt vázolt új eredményekkel sikerül hozzájárulnom a hazai biogáz- és földgázipar együttműködéséhez, valamint a betáplálás műszaki-szabályozási algoritmusának minél előbbi kidolgozásához. a szerző

Bevezetés

1


1. Előzmények, a téma lehatárolása 1.1. A témaválasztás indoklása Az emberiség számára létfontosságú kérdés bolygónk energiakészleteinek hasznosítása, és egyben kötelességünk is a lehető legnagyobb mértékben való takarékoskodás velük. Mindezt a növekvő népesség, és elsősorban a fejlődő országok egyre növekvő energiaintenzitási mutatói csak akkor teszik lehetővé, ha a hagyományosnak titulát fosszilis energiahordozók egyre nagyobb hányadát tudjuk megújuló energiaforrásokkal kiváltani. Ezt a közös érdeket az Európai Unió már a ’90-es években felismerte, és fokozatosan egyre nagyobb prioritást is ad nekik, lásd. például a „3x20” néven elterjedt „Megújuló energia útitervét”. Magyarország vonatkozásában ezek a célkitűzések bár nem tűnnek jelentősnek (2020-ig 13 %-ra kell növelni a megújuló energiák részarányát a teljes energiafogyasztási mérlegünkben), mégis komoly erőfeszítéseket kell az országnak tennie, hogy elérje ezt a 186 PJ éves szintű energiát. A hazai megújuló energiaforrások között a nap-, és a szélenergia, valamint a biomassza képviseli a legnagyobb potenciális lehetőségeket. (MTA felmérés) A szilárd és folyékony biomasszából reálisan előállítható biogáz mennyiségét a legpesszimistább szakértői becslések sem teszik 25-50 PJ/év érték alá. Ennek ismeretében Magyarország 2007-2020 közötti időszakra vonatkozó megújuló energia politikai koncepciója méltán szán nagy szerepet a mezőgazdaságból származó biomassza, biogázok és bioüzemanyagok tudatos felhasználásának. Látva a biogázban rejlő potenciális lehetőségeket, kézenfekvőnek tűnik annak minél szélesebb körű hasznosítása. Jelenleg a biogázokból hő és villamos áram előállítása történik -betudhatóan a jogi-szabályozási környezetnek (kötelező „zöldáram” átvétel)-, mely mellett az európai piacokon már megjelentek a biogázok földgáz minőségre való tisztításához szükséges technológiák. Mindez azt jelenti, hogy egy kedvezően változó jogszabályi környezetben hamarosan hazánkban is megjelenhet a biogázok földgázhálózati betáplálásának igénye. A biogáz, mint megújuló energiaforrás, összetételéből és fizikai tulajdonságaiból adódóan nagyon hasonló a csővezetékben szállított fosszilis tüzelőanyaghoz, a földgázhoz. A hasonlóságot kihasználva így gyakorlatilag a földgázzal megegyező minőségű megújuló energiaforrás táplálható be a meglévő hálózatba, és hasznosítható a földgázra beszabályozott készülékekben. A téma aktualitását többek között az jelentette számomra, hogy 2006-tól részese lehettem annak a 30 hónap futamidejű, 8 ország 15 intézményét felvonultató európai uniós kutatási projektnek, amely a megújuló forrásból származó éghető gázok elterjedését, illetve földgázhálózati betáplálásuk előtt álló, elsősorban adminisztratív akadályok feltárását és feloldását tűzte ki célul. (Redubar, EIE 06/221/SI2.442663) Ebben a kutatásban lehetőségem volt Európa egyes országainak biogáz helyzetét megismerni és összevetni a magyarországi helyzettel. Kutatási feladataim között szerepelt a potenciálisan rendelkezésre álló biomassza mennyiségre alapozott biogáz potenciál becslésére alkalmas számítási eljárás kifejlesztése, valamint a kutatásban résztvevő európai országok (Csehország, Görögország, Hollandia, Lengyelország, Litvánia, Magyarország, Németország, Olaszország) földgázrendszereinek vizsgálata a biogáz betáplálhatóság minőségi oldaláról.

Előzmények

2


Ezzel párhuzamosan számos más tanszéki kutatási-fejlesztési munkában is részt vettem. 2004-2005 között folyt az a tanszéki kutatás, mely a földgáz és megújuló energiák közötti kapcsolatokat hivatott feltárni és értékelni. Ebben a jelentésben a biomasszák energetikai hasznosítását kellett feldolgoznom, megjelölve azokat a lehetséges pontokat, ahol ezek a források kapcsolódhatnak egy földgáz elosztói engedélyes technológiai-fejlesztési igényéhez. Szintén 2004-ben kezdődött a Kőolaj és Földgáz Intézetben az a 3 éves kutatás, mely a biogázok, csatornagázok, szeméttelepi gázok és bányagáz források hasznosítási lehetőségeit vizsgálta a feriberg-i DBI Gastechnologisches Institut gGmbH vezetésével. 2007-2008 között készült az a kutatási jelentés, mely kifejezetten a biogázok földgázhálózati betáplálásával foglalkozott. Ebben a kutatásban feladatul kaptam a biogázok minőségi paramétereinek jellemzését, földgázokkal való összevetését. Foglalkoztam továbbá a földgázokra vonatkozó európai és hazai gázminőségi előírásokkal, elemeztem az Európai Unió egyes tagállamaiban a földgázhálózati betáplálásra vonatkozó műszaki követelményeket és tapasztalatokat, valamint megvizsgáltam és javaslatokat dolgoztam ki a magyar földgázrendszerbe történő biogáz betáplálás egyes műszaki kritériumaira. Elsősorban a fenti kutatások során felmerült műszaki kérdéseket látva, illetve azok közeljövőben várható súlyát érzékelve, egyértelművé vált számomra, hogy az addig elért eredményeket tovább bontva újra meg kell vizsgálnom a le nem zárt kérdéseket, valamint célszerűen választott gázkeverék modellekkel alá kell támasztanom, vagy éppen korrigálnom eddigi kutatási eredményeimet Magyarország vonatkozásában.

1.2. Az értekezés célkitűzése Az értekezés fő célkitűzése egy olyan gázminőségi követelményrendszer felállítása, mely alkalmas a különböző forrásból származó megújuló gázok földgázhálózati betáplálhatóságának megítélésére Magyarországon. A minőségi követelményeken túl, bizonyos nem biometán minőségre előkészített gázok esetében a maximálisan betáplálható mennyiségek is meghatározásra kerülnek az adott hálózatrészen szolgáltatott földgáz minőségének függvényében. A kidolgozandó követelményrendszer további eleme az így előállított és szolgáltatásra kerülő gázminőségek végfelhasználói berendezésekre gyakorolt hatásának átfogó elemzése. Az értekezés további célja vizsgálat alá vonni a nemzetközi gyakorlatban alkalmazott, földgázra kidolgozott cserélhetőségi eljárásokat, abból a szempontból, hogy alkalmazhatók-e a földgázok és biogázok tüzeléstechnikai paramétereinek egyidejű modellezésére. A téma komplexitása érdekében az értekezés további célkitűzéseként szerepel a magyarországi elméleti biogáz potenciál, a rendelkezésre álló források összegzésén alapuló meghatározása, valamint a biogázok összetételéből adódó, a földgáztól eltérő komponensek a földgázrendszer egyes elemeire gyakorolt hatásának elemzése.

1.3. Műszaki és tudományos előzmények Magának a biogáznak (mocsárgáznak) a felfedezése már 1677-ben megtörtént (Shirley), melyről 1776-ban Volta állapította meg, hogy éghető gáz, metántartalmát 1804-ben Dalton mutatta ki. Az első működő biogáz berendezést 1857-ben Bombay-ban állították üzembe. A biogáz szerves anyagokból való előállításának technológiáját Pasteur is kikísérletezte, mely eredményeképpen 1888-ban már saját fejlesztésű éghető gázát mutatta be a Francia Tudományos Társaság ülésén. Innen kezdve a biogázok elterjedése igen gyorsan haladt, 1896-ban Angliában már közvilágításra használták, 1937-ben pedig 7 német nagyváros szemétszállító autói használtak biogáz motorhajtóanyagot. A mai

Előzmények

3


értelemben vett fermentációs eljárások csak a második világháború után terjedtek el széles körben. (Bai, 2007; Barótfi, 1994) Magyarországon az 1950-es években kezdődött el a biogázok állati trágyából, anaerob módon történő erjesztése. A biogáz termelés jellemző célja akkoriban a külterületi, villanyárammal és városi gázzal el nem látott állattenyésztési telepek energiaellátása volt (Szécsény, Dunavarsány, Tiszaföldvár, Dömsöd, Füzesgyarmat) (Barótfi, 1994) Ezen üzemek egyike sem működik. Jelenleg 7 db biogáz üzem van az országban (Hódmezővásárhely, Kaposvár, KecskemétTalfája, Kenderes, Klárafalva, Nyírbátor, Pálhalma), 5 db jelenleg is építés alatt áll (Bonyhád, Csenger, Fadd, Kaba, Sarkad), és legalább még további 20 biogáz üzem projektterve létezik a Magyar Biogáz Egyesület adatai szerint. A biogázzal kapcsolatos hazai szakirodalom nem túl bő. Két könyv jelent meg az elmúlt 10 évben csupán, mely kifejezetten a biogázok keletkezésével, illetve hasznosításával foglalkozik (Bai, 2007; Schulz-Eder, 2005). Ezek a szakirodalmak elsősorban a biogázok keletkezésével, annak technológiai hátterével és a biogáz üzemek gazdasági összefüggéseivel foglalkoznak. Bár több szakkönyv is foglalkozik a kérdéskörrel (Cerbe, 2007; Göőz, 2007; Bai, 2002; Barótfy, 1994; Quallich, 1983; Kaltwasser, 1983), azonban ezek vagy csak bizonyos részterületeket elemeznek, vagy a kiadás évéből adódóan többé-kevésbé elavultak. Rendelkezésre állt viszont a világháló igen széles körű szakirodalmi adatbázisa, amelynek segítségével több, teljes terjedelemben hozzáférhető kutatási jelentés, és szakirodalmi publikáció eredményeit tekintettem át magyar, angol és német nyelvű portálokon. (Thrän et al.: Möglichkeiten einer europäischen Biogaseinspeisungsstrategie, 2007; Kilinski et al.: Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz, 2006; Theißig et al.: Biogas Einspeisung und Systemintegration in Bestehende Gasnetze, 2006; Hornbachner et al.: Biogas-Netzeinspeisung, 2005; Ramesohl et al.: Analyse und Bewertung der Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse, 2005; Biocomm 2002-2005) A világhálón keresztüli irodalmi kutatásaimat főként szakmai alapokon szerveződő portálok segítségével végeztem (EurObserv’ER, IEA-Biogas, Biogas Netzeinspeisung, Marcogaz, British Petrol, European Commission, stb.) Az elmúlt években a gáziparból szerveződött nemzetközi szervezetek is felismerték a biogázok és a földgázrendszer kapcsolatának fontosságát és jövőbeli szerepét. Ennek hatására a Brüsszeli székhelyű Marcogaz, az európai földgáz társaságok műszaki szervezete 2006-ban megalkotta a WG-Biogas-06-18 jelzésű ajánlását „Injection of Gases from Non-Conventional Sources into Gas Networks” címmel (26 oldal), melyben összefoglalták a betáplálás szempontjából figyelembe vehető nem-konvencionális gázminőségeket, azok veszélyeit, valamint összegyűjtötték azon európai országok ide vonatkozó határérték követelményeit, melyekben valamilyen szintű szabályozás már adott a betáplálás feltételeire. Hasonló elvek alapján 2007-ben a holland Kiwa N.V. is elkészítette GT-070127 sz. jelentését (21 oldal), melyben már működő betáplálásokról szerzett tapasztalatokat is megosztott a szakmával. A biogázok földgázhálózati betáplálásának hátterére visszatérve, igen szűkös hazai szakirodalmat találunk. Az egyetlen időszerű szakkönyv (Bai, 2007), melyben szó esik ilyen lehetőségről, az osztrák Pucking-ben megvalósult mintaprojektet mutatja be, elsősorban a biogáz minőségi kérdéseire koncentrálva. Az 1994-ben megjelent Energiafelhasználói Kézikönyv Biogáz fejezete (795-865. o.) is tartalmaz már utalást a biogázok kisebb településeken való hasznosíthatóságára, illetve földgázhálózatba történő betáplálhatóságára. Az egyik bekezdés „A biogáz földgáz minőségűre való átalakítása” címet viseli. A szerző (Barótfi) már akkor, a ’90-es években lehetőséget látott a megtermelt biogázok ily módon történő hasznosításában, olyan esetekben, ha „…a jelenlegi palackos gázra való igényt biogázzal lehet kielégíteni. Továbbá ott, ahol az

Előzmények

4


országos földgáz-vezetékrendszer vezetékeitől 10-10 km-es sávon kívül esik a település…Sajnos ez ma még országunk területének több, mint 80 %-a.” Mára ez az arány, a földgázhálózat elmúlt évtizedekben bekövetkezett rohamos léptékű fejlődése eredményeképpen csupán 8 %! A szerző a „bioföldgáz” minőségi követelményeinek a már akkoriban is létező MSZ 1648: 1990 Közszolgáltatású, vezetékes földgáz c. szabvány előírásait nevezi meg. Ezek a követelmények többé-kevésbé megegyeznek a jelenleg is érvényben lévő MSZ 1648: 2000-es szabvány előírásaival, mely a hazai földgázipar egyik legfontosabb, a minőségre vonatkozó, minden gázipari fél által elismert alapdokumentuma. Mivel tanulságos, ide kívánkozik a szerző „bioföldgáz” forgalmazására vonatkozó megállapítása: „A területileg illetés gázközszolgáltató vállalatoknak meg kell határozniuk a bioföldgáz átvételének módját, idejét és műszaki feltételeit.” „Az energiaárakat megállapító hatóságoknak meg kell határozniuk az átvételre kerülő bioföldgáz térítési árát, … , ami a biogáz-berendezés üzemköltségét csökkenti.” Ezek a megállapítások még közel 15 év elteltével is megoldatlan kérdések maradtak! A földgázhálózati betáplálásra vonatkozó európai szakirodalmak, melyek elsősorban kutatási jelentések, illetve azok alapján összeállított szakkiadványok, főként német nyelvűek. (Hornbacher, 2005; Ramesohl, 2005; Theißig, 2006) A biogáz betáplálás minőségi követelményeként mindegyik a német DVGW G 262 sz. munkalap ide vonatkozó követelményeit tekinti alapkritériumnak. Ez az előírás csoportokba szedi a biogáz típusokat, és példákkal mutatja be az egy-egy csoportra jellemző összetételeket, tüzeléstechnikai paramétereket. Az ’A’ jelű függeléke a földgázhálózathoz való csatlakozás elvi sémáját is megjeleníti a teljes értékű cseregázként, valamint az adalékgázként való betáplálás esetére is. Tulajdonképpen ez az előírás, illetve az elődje (ATV-Merkblatt M 363 – 2002) teremtette meg azokat az elvi műszaki csatlakozási feltételeket, melyek alapján a biogáz földgázhálózati injektálása minden fél számára kezelhetővé vált Németországban. A bekezdés elején említett kutatási jelentések jellemzően Németország egyes területein vizsgálták a hálózati betáplálás lehetőségeit H, E és L gázminőséget szolgáltató területeken, a betáplálható mennyiségeket a tüzeléstechnikai paraméterek határfeltételként meghatározva. Nagy hangsúly helyeződött a betáplálás kiépítésének, valamint a folyamatos üzemelés gazdasági feltételeinek kalkulációjára. Az egyes alapanyagtípusok, az azokból kinyerhető biogáz mennyiségek, valamint a nyers biogázok földgázminőségűre történő tisztításnak technológiái is teret kaptak a beszámolókban. Bizonyos anyagok a biogázt már környezetvédelmi szempontok szerint is elemezték, főként a légkör emisszióját tekintették kulcsparaméternek. A legrészletesebb tanulmány (Kilinski, 2006) részletesen foglalkozik a biogáz termeléssel, előkészítéssel, és -betáplálással. A németországi ide vonatkozó DVGW technikai előírások (G 260: Gasbeschaffenheit, G 262: Nutzung von Gasen aus regenerativen Quellen in der öffentlichen Gasversorgung, G 488: Anlagen für die Gasbeschaffenheitsmessung - Planung, Errichtung, Betrieb, G 261: Prüfung der Gasbeschaffenheit, G 685: Gasabrechnung - munkalapok), valamint az országban szolgáltatott gázminőségek figyelembe vételével elemzésre került a teljes értékű cseregázként és az adalékgázként való betáplálás lehetősége is. A betáplálható mennyiségek meghatározása érdekében az egyes német területek biogáz potenciáljai is meghatározásra kerültek. Részletes pénzügyi számítások és elemzések mutatják az egyes termelési eljárások költségigényét. A biogázok közszolgáltatásban történő alkalmazásának komoly határt szab a gáz végfogyasztó készülékekben történő eltüzelésekor végbemenő tüzeléstechnikai viselkedése. Ennek vizsgálatára alkalmazhatók az un. „cserélhetőségi eljárások”. A gázok cserélhetőségének kérdése igazából már az 1950-es években is jelentősséggel bírt Európában és Amerikában egyaránt. A cserélhetőségi eljárások tudományos és gyakorlati összefüggéseinek keresését az indokolta, hogy eleinte a szenek kigázosításából, majd elgázosításából, később a földgáz- és olajbontók termékeiből kellett a városi gázt

Előzmények

5


előállítani. Ma már az egész világon túlnyomórészt földgázt használnak, azonban ezek eltérő gázminőséggel rendelkeznek, tehát a cserélhetőség továbbra is megválaszolandó kérdés maradt, nem is beszélve az egyéb éghető gázok földgázhálózati szolgáltatásáról. Cserélhetőségi eljárásokkal több kutató, illetve intézet is foglalkozott a ’20-as évektől kezdődően. Csak néhány közülük: Wobbe, 1926; 1946; Weaver, 1951; Delbourg, 1953; Holmquist, 1957; Schustre, 1957; Van der Linden, 1970; Sommers, 1973; Dutton, 1978. Az éghető gázok cserélhetőségének kérdése már a ’70-es években megjelent a hazai gáziparban. Az 1984-ben megjelent Gáztechnikai kézikönyv (Vida, 1984) már tartalmazza a Meszléry Celesztin által írt, „A gázok cserélhetősége” c. általános elveket tartalmazó fejezetét. A legfrissebb ide vonatkozó hazai szakirodalom két német nyelvű szerző magyarra fordított gázipari szakkönyve. A 2005-ben megjelent kiadvány (Joos, 2005) a háztartási és kisfogyasztói gázfelhasználással foglalkozik, melynek 8-as fejezete 22 oldalon elemzi a gázok kicserélhetőségére vonatkozó legfontosabb nemzetközi gyakorlatban alkalmazott eljárásokat: Weaver-számok, Delbourg-diagram, Van der Linden-diagram, bővített Wobbe-szám, valamint a Sommers módszerére alapozott, és a német Ruhrgas által továbbfejlesztett SRG módszert. A másik könyv (Cerbe, 2007) „A gáztechnika alapjai” címet viseli. Ennek egyes fejezetei már potenciális gázipari termékként kezelik a megújuló gázokat (csatornagáz, depóniagáz, biogáz) a földgázok és cseppfolyósított gázok mellett. A cserélhetőség fogalma az előző irodalomban is megjelölt Delbourg, Weaver és SRG módszerek segítségével került benne bemutatásra.

Előzmények

6


2. Biogáz potenciál 2.1. Biogáz energiamérleg az Európai Unióban

Biogáz termelés [PJ/év]

Annak érdekében, hogy teljes kép alakuljon ki Magyarország jelenlegi biogáz termelési állapotáról, el kell helyezni azt az Európai Unió biogáz energiamérlegében. A 2.1. ábra az Unió egyes tagállamaiban 2007-ben termelt biogázok mennyiségét mutatja PJ mértékegységben (EurObserv’ER: Biogas Barometer, July 2008). 100 90 80 70 60 50 40 10,7 PJ

30 0,85 PJ

20 10

Depónaigáz

Csatornagáz

EU átl.

CY

LT

EST

SK

LU

SL

PT

HU

SE

IR

FIN

GR

PL

CZ

BE

DK

AT

NL

FR

ES

IT

UK

DE

0

Mezőgazdasági és egyéb biogázok

2.1. ábra Biogáz termelés az EU tagországaiban 2007-ben A 27 tagú Európai Unió 2007-ben összességében 247,1 PJ energiának megfelelő biogázt termelt meg. A 2004. évi 179,1 PJ megtermelt biogáz alapú energiát 100 %-nak tekintve 2005-ben 110,1 %, 2006-ban 125,0 % és 2007-ben 138,0 %-nak adódik a termelés. Ebből két ország emelkedik ki csupán, Németország és az Egyesült Királyság. Kettejük biogáz termelése az uniós termelés 78,7 %-át adja! Míg az angolok elsősorban a szeméttelepen keletkezett depóniagázokat hasznosítják, addig a németek jelentős mennyiségben hasznosítanak egyéb, például mezőgazdasági eredetű biogázokat is. Az EU összes biogáz termelése folyamatosan növekedett az elmúlt években. Lényeges növekedés elsősorban a mezőgazdasági biogázok csoportjában volt tapasztalható. Mennyiségük 3,9szeresére növekedett 2004 óta. A depóniagázok mennyisége jellemzően kis mértékű növekedést produkál évente, a csatornagázok mennyisége pedig, közel állandó értéket mutat. 2007-ben a teljes termelt mennyiség 49,3 %-a származott a hulladéklerakó

Biogáz potenciál

7


telepekről, 35,7 %-a a mezőgazdasági és egyéb biogázokból, és 15,0 %-a a szennyvíztisztító telepekről. (EurObserv’ER: Biogas Barometer, July 2008). Számszerűleg kifejezve, az uniós átlagnak 2004-ben csupán 1,6 %-át, 2005-ben 3,2 %-át, 2006-ban 4,1 %-át és 2007-ben 7,9 %-át sikerült elérnie országunknak. Ahhoz, hogy legalább az EU átlagot (10,7 PJ) elérjük, legkevesebb 535 millió m3 20 MJ/m3 energiatartalmú biogázt kellene Magyarországnak megtermelnie évente.

1 400 1 200 1 000

498,23 GJ

800 600 400 83,74 GJ

Fajlagos biogáz termelés [GJ/1000 fő]

Reálisabb kép adódik azonban, ha a megtermelt biogáz mennyiségek fajlagos egységekre bontva, például az adott ország 1000 főre jutó egységében kerülnek megjelenítésre. Magyarország az ezer főre jutó biogáz termelési mutatószámban is jelenleg az utolsó helyek egyikén áll Európában (2.2. ábra). Ahhoz, hogy elérjük az ezer főre jutó biogáz termelésben csupán az EU átlagot, legalább 6-szorosára kellene növelnünk a jelenlegi biogáz termelő kapacitásokat. A fajlagos tekintetében az EU átlag feletti országok: Németország, Egyesült Királyság, Luxemburg, Dánia és Ausztria.

200

EU átl.

CY

LT

PT

SK

PL

HU

SE

GR

EST

FR

SL

IT

FIN

ES

BE

IR

CZ

NL

AT

DK

LU

UK

DE

0

2.2. ábra Ezer főre jutó biogáz termelés 2007-ben A teljes megtermelt biogáz mennyiség (247,1 PJ) 29,0 %-a villamos energia, 6,05 %-a pedig hő formájában került felhasználásra. A hőtermelés és a villamos áram termelés egymáshoz viszonyított aránya 1:4,8-hoz. A legnagyobb arányban biogáz alapú elektromos áram termelés Németországban (34,27 PJ) és az Egyesült Királyságban (19,08 PJ) valósult meg. Németországban a teljes mennyiség CHP egységek segítségével került megtermelésre, míg Angliában a teljes termelt mennyiségnek csupán 9,5 %-a származott kombinált hő- és áramtermelő egységekből 2007-ben. Az Uniót tekintve ez az arány 58,4 %. Az Európai Unió számos országa már fejlettnek mondható biogáz szektorral rendelkezik. Az elmúlt évtized egyik legnagyobb fejlődését Németország tudhatja magáénak, ahol az elmúlt 10 év alatt meghatszorozódott a biogáz üzemek száma. 2006-tól azonban a növekedési ütem megtorpant, vélhetően a biogáz alapanyagok és az élelmiszerek rohamosan emelkedő árainak köszönhetően. A biogáz telepek számának növekedésében

Biogáz potenciál

8


jelentős szerepe volt a német kormány intézkedéseinek, mely egy igen kedvező jogszabályi környezettel (a megújuló energiaforrásokra vonatkozó német törvény 2004. évi módosítása) segítette a biogáz termelést és a létesítmények beruházási költségeit. A termelés oldaláról létrejött egy garantált, kiszámítható és tervezhető zöldáram átvételi ár, mely a hazai szabályozással szemben jóval differenciáltabb megoldást jelent a biogázból termelt áram átvételi árára. Az átvételi ár nem csak a betáplált villamos energiának a függvénye, hanem az üzem nagysága, az alapanyagok típusa, és az áramtermelés technológiája is szerepet játszik benne. További jelentős fordulat következett be 2008 év elején, amikor is a német szövetségi kormány elfogadta a biometán földgázrendszerbe történő betáplálásának elősegítéséről szóló törvény-tervezetet. Az ebben szereplő cél 2030-ig a földgázfelhasználás 10 %-ának biometánnal történő helyettesítése. A biogázok ilyen formában történő hasznosítása megoldást jelenthet a jellemzően kombinált áram- és hőtermelésre berendezkedett üzemek számára, melyek a megtermelt hő jelentős hányadát nem vagy nem mindig tudják felhasználni, jelentősen csökkentve ezzel a rendszer hatásfokát. Kis üzemek esetén viszont a tisztítási technológia és az üzemeltetési költség aránytalanabb lenne, mint ha CHP egységekkel áramtermelés történne. Az energetikai és gazdasági vonatkozások mellett nem szabad azonban elfeledkezni arról sem, hogy ezek a megújuló gázok nem csupán energetikai, hanem környezetvédelmi értékeket is képviselnek. Bármilyen formája legyen is a biogáz hasznosításának (áram, hő, éghető gáz) csak akkor lehet versenyképes a többi energiahordozóval szemben a piacon, ha megbízható áruvá sikerült tenni. (EurObserv’ER, 2008; Szunyog, 2007)

2.2. A hazai földgázrendszerbe betáplálható biogáz mennyisége Az Európai Bizottság, felismerve az energiapolitika megnövekedett kihívásait, 2007 év elején nyilvánosságra hozta a Bizottság hosszú távú elképzeléseit tartalmazó „Megújuló energia útiterv” című közleményét. Többek között ennek hatására is 2008. január 23-án napvilágot látott a háromszor 20 % néven ismert intézkedéscsomag, mely 2020-ra ilyen mértékben kívánja csökkenteni az Európai Unió energiafelhasználását, az üvegházhatású gázok kibocsátását, és ilyen mértékben kívánja növelni a megújuló energiahordozók részarányát. Az elérendő célértékeket ennek függvényében tagországonként határozták meg. Magyarország vonatkozásában a megújuló energiafajták felhasználását 13 %-ra kell növelni a teljes energiafogyasztásunk mérlegében 2020-ra (ez 186,3 PJ/év a 2148/2008. (X.31.) Korm. határozat értelmében), a 2007-es 56 PJ értékről. (Bohoczky, 2008) A megújuló energiaforrások becslésére számos tanulmány készült az elmúlt években. Az egyik legalaposabb felmérést a Magyar Tudományos Akadémia Megújuló Energetikai Technológiák Albizottsága végezte 2005-2006 között. A felmérés a magyarországi teljes, elméleti megújuló energia potenciált határozta meg, mely 2600-2700 PJ/év nagyságúra tehető a számítások értelmében. Ehhez az elméleti potenciálhoz képest lényegesen alacsonyabb a reálisan kihasználható potenciál, a mindenkori alapanyag, technológia és gazdasági szempontokból következően. A ténylegesen hasznosítható mennyiségnek elég széles intervallumát határozzák meg az egyes szakértői becslések, mivel az egyes potenciálszámítások más-más feltételezéssel veszik figyelembe a hazai energiafelhasználás alakulását, az alapanyagok összetételét és mennyiségét, és az elkövetkező évtizedek technológiáinak gazdaságosságát. A teljes elméleti megújuló potenciálból 203-328 PJ/év becsülhető a biomassza mennyiségére (szilárd biomassza, biogáz, bioüzemanyagok). (Bohoczky, 2008; Németh, 2008) Más szerzők hasonló számértéket valószínűsítenek a technikai biomassza potenciálra. A magyarországi teljes biogáz potenciálra hasonlóan sok számérték és becslés készült az elmúlt évtizedben. Ebben a szemléletben egyrészt meg kell különböztetni az elméleti értékre vonatkozó, a hasznosítható, és a ténylegesen hasznosított potenciálokat. Ezek az

Biogáz potenciál

9


értékek nagyságrendben különböznek egymástól. Addig, míg a tényleges technológiai hasznosítható mennyiség 40-77 PJ körüli érték (Bai, Bartha, Marosvölgyi, Barótfi), amiből jelenleg 0,85 PJ-t hasznosítunk a Biogas Barometer 2007-re vonatkozó adatai szerint, addig az országban rendelkezésre álló növény és állattenyésztési melléktermékek és szervesanyag tartalmú hulladékok akár 150-200 PJ energiatartalmú, fermentációra alapozott biogáz megtermelésére is lehetőséget adnak évente. (Szunyog, 2008) Ahhoz, hogy a hazai földgázrendszer szempontjából értékelni lehessen a betáplálható biogáz mennyiség részarányát, elsősorban az elméleti, tehát a legkedvezőbb esetben rendelkezésre álló mennyiségeket kell meghatározni. A kidolgozott számítási eljárás elsősorban olyan input adatokra épül, melyek nyilvános úton, pl. statisztikákból hozzáférhetőek (pl. KSH, 2009.06.).

2.2.1. A számítási eljárás Az eljárás bemutatásának elején hangsúlyozni kell, hogy a kapott eredmények arra az esetre értendőek, amikor az országban található összes, biogáz előállítására alkalmas, biomassza alapanyag figyelembe vételre kerül, és feltételezett, hogy annak teljes mennyiségéből fermentációs úton biogáz előállítása történik! Az elméleti biogáz mennyiség előállításához csak a mezőgazdaságban és állattenyésztésben tovább már nem hasznosított melléktermékek, illetve a kommunális folyékony és szilárd hulladékokból kinyerhető mennyiségek lettek figyelembe véve. A kifejezetten energetikai célú növénytermesztéssel előállítható biogáz mennyiség, valamint az iparban (elsősorban élelmiszeriparban) keletkező szervesanyag tartalommal rendelkező hulladék mennyisége jelen számítási algoritmusban nem került figyelembe vételre. A kiszámított, rendelkezésre álló potenciáltól, a ténylegesen hasznosítható, illetve hasznosított potenciál nagyságrendekkel kisebbnek adódik! A számított érték az elméleti maximumot reprezentálja! Az egyes biogáz előállítási technológiák sorában nem került feltüntetésre a termikus kigázosítási eljárásokon alapuló bio-szintézisgázok mennyisége sem. A számítási eljárás újszerűségének tekintendő, hogy bemenő adatait olyan nyilvános statisztikákban feltüntetett adatok képviselik (növénytermesztési főtermékek mennyisége, állatállomány, lakosság száma, stb.), melyek mindenki számára gyorsan és ingyenesen hozzáférhetőek. Ezekből 20 db került megadásra. Bizonyos mennyiségeknél már 2008as, másoknál még csak 2007-es adatok voltak elérhetők a Központi Statisztikai Hivatal nyilvánosan hozzáférhető adatbázisában 2009 júniusában. Az egyes alapanyag típusokból előállítható biogáz mennyiségek a szakirodalmakban (Bai, 2007; Schulz-Eder, 2005; Barótfi, 1994) előforduló fajlagos biogáz kihozatali mutatószámokra épülnek. Mivel ezek a mutatószámok minden esetben egy értéksávot fednek le (a keletkező biogáz minősége erősen függ az alapanyag minőségétől, és a fermentációs eljárás típusától), ezért egy minimum és egy maximum teoretikus potenciálérték került meghatározásra minden lehetséges alapanyag tekintetében. Ezen bizonytalansági okokból következőleg a minimum és a maximum érték közötti sáv jelentősen ingadozik az egyes alapanyag típusoknál. A végső érték ezek számtani átlagából származtatott. A számítási eljárás egyes elemei követik a biogázok szakirodalomban fellelhető csoportosítását az alapanyag fajták függvényében. A három fő, biogáz előállítására alkalmas biomassza alapanyag a következő csoportokba sorolt: növénytermesztési fő és melléktermékek, állattenyésztési melléktermékek, kommunális hulladékok. A számítás alapját az egyes biomassza forrásokból kinyerhető elméleti nyers biogáz potenciálok képezik. Minden esetben egy, a szakirodalmakra alapozott minimum és maximum fajlagos, és ebből következő biogáz mennyiségek lettek meghatározva. Az egyes alapanyag típusokból ez alapján meghatározásra került az adott biomassza

Biogáz potenciál

10


csoportból éves szinten elméletileg kinyerhető nyers biogáz mennyisége. Ezekhez az értékekhez került hozzárendelésre a DVGW G 262 számú német előírás egyes biogáz típusok metántartalmára vonatkozó ajánlása, mely alapján meghatározásra került az adott nyers biogáz mennyiség energiatartalma PJ mértékegységben. Ez a metántartalom a DVGW műszaki előírás szerint mezőgazdasági típusú üzemeknél 50-85 %, szennyvíztisztító telepeknél 65-70 % és a települési szilárd hulladékok esetében 40-60 %. Az energiatartalom minden esetben kizárólag a nyers biogázban található metán felső hőértéke alapján került kiszámításra (37,706 MJ/m3 1013,25 mbar nyomáson és 15 0C hőmérsékleten; (N.V., 1988)). A számítás során meghatározott minimum potenciál az adott biomassza alapanyagból termelhető biogáz szakirodalmakban található minimum fajlagos értékének és a DVGW előírás adott csoportra vonatkozó minimum metán hányadának figyelembe vételével történt. Így ez az érték jelenti az adott alapanyag típusból a legkevésbé hatékony eljárással kinyerhető, de elméleti szinten rendelkezésre álló mennyiségeket. Másképpen úgy fogalmazható meg, hogy ez a mennyiség bizonyosan kinyerhető lenne, ha minden biogáz termelésre alkalmas biomassza mennyiséget csak és kizárólag biogáz előállítására használnánk fel. Az elméleti maximum érték a fenti logika alapján került meghatározásra a maximum elméleti fajlagos értékek és a DVGW előírás maximum metánhányadai alapján. A kapott eredményekből láthatóvá vált, hogy ez a két érték eléggé távol is állhat egymástól a fennálló bizonytalansági tényezők miatt. Mégis, ezeket az értékeket figyelembe véve számszerűsíthetők azok az arányok és nagyságrendek, melyek a hazai elméleti biogáz potenciált jellemzik. Az egyes alapanyag típusok külön-külön egységként szerepelnek, bár a tényleges biogáz termelés általában a különböző csoportokból származó biomassza alapanyagok keverékében megy végbe a legnagyobb hatékonysággal. Ennek ellenére az elméleti potenciálok becsléséhez ez az elv megfelelőnek bizonyult, hiszen az értékük így is összeadódik. A továbbiakban részletesen ismertetésre kerülnek az egyes alapanyag csoportokból kinyerhető biogáz mennyiségek.

2.2.2. A növénytermesztési melléktermékekből kinyerhető biogáz A növénytermesztési termékekből képezhető biogáz mennyiség meghatározásakor a legnagyobb problémát a növénytermesztési főtermékek, és a tovább nem hasznosított melléktermékek arányának a megállapítása jelenti. A számítások során a növénytermesztési főtermékek egyáltalán nem lettek figyelembe véve, mint biogáz alapanyagok. A munkahipotézis szerint termelhető biogáz csak a melléktermékekből és a célirányosan biogáz előállítására termelt energianövényekből lehetséges. Ez utóbbi forrás szintén nem került figyelembe vételre. Növénytermesztési főtermékként a kalászosok, a kukorica, a cukorrépa, a napraforgó, a repce, és a burgonya vehető számításba Magyarországon. Azon gabonafélék és szántóföldi növények, melyek termésátlaga éves szinten nem éri el a 100 ezer tonnát, nem lettek figyelembe véve. A növényi főtermékek számszerű arányaiból került meghatározásra az a melléktermék mennyiség, mely biogáz előállítására is felhasználható. Például a gabonanövényeknél gyakorlatilag közel azonos mennyiségben keletkezik melléktermék, mint főtermék (Bai, 2007; Bai, 2002; Barótfi, 1994). Ha ismert tehát a főtermékek mennyisége, a melléktermék becsülhető. Ismerve az 1 tonna növényi alapanyagból előállítható biogáz mennyiséget (kb. 90-210 m3), a potenciál számítható. Az így képződő, 50-85 % metán tartalommal rendelkező biogáz Magyarországon átlagosan 104,0 PJ-nak megfelelő energiatartalmú biogáz előállítására lett volna alkalmas 2008-ban, speciális energianövények termesztése nélkül. (2.1. táblázat) A számítási lépések a táblázat számozott sorai és oszlopai által nyomon követhetőek. Az egyes cellák számítási algoritmusát a felettük, vagy mellettük található, zárójeles utasítások tartalmazzák. Ha ehhez hozzávesszük, hogy 100 ezer hektáron speciális energianövényekből éves szinten mintegy 800-1100 millió m3 biogáz (kb. 16-20 PJ) állítható elő, valamint a 100 ezer ha szántóföld nagyság mindössze csak egytizede az EU direktívák miatt az élelmiszer termelésből hazánkban kivonásra kerülő földterületnek

Biogáz potenciál

11


látható, hogy ezekből az energianövények felhasználásával a számított potenciálérték akár meg is duplázható. (Kovács K.-Kovács A., 2007) Növénytermesztési főtermékek 2008-ban

(1)

(1A) (1.1) (1.2) (1.3) (1.4) (1.5) (1.6) (1.7)

(1B) Kalászosok (búza, árpa, rozs, zab, triticale): Kukorica: Cukorrépa: Napraforgó: Repcemag: Burgonya: Összesen:

(1C) 7 934 8 963 532 1 492 656 646 20 223

(1D) ezer tonna/év ezer tonna/év ezer tonna/év ezer tonna/év ezer tonna/év ezer tonna/év ezer tonna/év

Forrás: KSH, 2009.06. Forrás: KSH, 2009.06. Forrás: KSH, 2009.06. Forrás: KSH, 2009.06. Forrás: KSH, 2009.06. Forrás: KSH, 2009.06.

(2A)

(2B)

(2C) ezer tonna növényi főtermék / év

1) 2) 1) 2) 1) 2) 1) 2)

Melléktermékek Kalászosok szalmája: Kukorica szár és csutka: Cukorrépa és burgonya szár+levél: Napraforgó szár: Napraforgó maghéj: Repce szár:

(2F) (2E) (2D) a m3 nyers biogáz 1 tonna melléktermék ezer tonna biogáz előállítására növényi anyagból mennyisége a (*szakirodalomból: Bai, 2007. 60.o.) alkalmas növényi szerves főtermékhez anyag / év min.* max.* képest 90 210 (főtermék=100%) (2C*2D)

(1C)

(2E*2F min.)

9 759 12 548 236 1 164 119 866

878 294 1 129 338 21 204 104 738 10 742 77 933

(2.7)

Összesen:

(2.8)

A nyers biogáz metán koncentációja (DVGW G 262):

2 222 249 min. 50 41 896 068

(2.1) (2.2) (2.3) (2.4) (2.5) (2.6)

7 934 8 963 1 178 1 492 1 492 656

123% 140% 20% 78% 8% 132%

(2.7)*(Felső hőérték CH4)*(2.8)

2)

1) 2)

Növénytermesztési melléktermékek 2008-ban

(2)

1)

1) 2)

(2.9)

A biogáz átlagos energiatartalma:

(2G)

mértékegyég

(2E*2F max.)

2 049 352 2 635 122 49 476 244 390 25 066 181 843

3

ezer m 3 ezer m 3 ezer m ezer m3 ezer m3 3 ezer m 5 185 249 ezer m3/év max. 85 % 166 187 736 GJ/év

104,04

PJ/év

http://portal.ksh.hu/pls/ksh/docs/hun/xftp/gyor/nte/nte20812.pdf http://portal.ksh.hu/pls/ksh/docs/hun/xftp/gyor/kal/kal208.pdf

2.1. táblázat A magyarországi növénytermesztésből származó elméleti biogáz potenciál

2.2.3. Az állattenyésztési melléktermékekből kinyerhető biogáz Az állattartásból származó biogáz potenciáljának becslése a növénytermesztési termékeknél is alkalmazott számítási elvre épül. Az ország 2008. XII. havi állatállományából (KSH, 2009.06.) becsülhető az az éves trágyamennyiség, melyből biogáz termelés valószínűsíthető. Az állatállománynál a szarvasmarhák, a sertések, a juhok és kecskék, a lovak és a baromfifélék lettek figyelembe véve. Ismerve az adott fajta állatállományát, a szakirodalom alapján az egyes fajták átlagos napi trágyatermelését, valamint a trágya szervesanyag tartalmát, az összegzett biogáz előállítására alkalmas szerves szárazanyag tartalom meghatározható. Az egyes ürüléktípusok várható biogáz hozama a szakirodalomból került átvételre (pl. szarvasmarha 90-310 liter/kg sze.sza.). A képződő biogáz metántartalma a növénytermesztésnél is alkalmazott 50-85 % értékkel lett figyelembe véve. A DVGW G 262 előírás nem bontja külön a mezőgazdaságból és állattartásból származó biogázokat metánhányaduk tekintetében, hanem együttesen kezeli. A fermentáció során általában a két alapanyag típus megfelelő arányú keveréke jelenti a maximális kihozatalt, ezért külön-külön számítva is a végeredmény meg kell, hogy egyezzen a kofermentációs folyamatban keletkező biogáz mennyiségekkel. Az almostrágya lényegében kettébontásra került (nem a Zutavern képlettel került meghatározásra), az állati melléktermék része itt, a szalmamennyiség pedig a növénytermesztési melléktermékeknél került figyelembe vételre. A számítás alapján, Magyarországon átlagosan 29,1 PJ energiatartalomnak megfelelő állati trágya állt rendelkezésre 2008-ban. (2.2. táblázat)

Biogáz potenciál

12


(3)

Állattenyésztési melléktermékek 2008. XII. hó-ban (3A)

(3B)

(3C)

(3D)

ezer darab

(3F)

(3E)

fajlagos trágya- szervesanyag az ürülék mennyiség fajlagos és összegzett biogáz hozama termelés tartalom éves szinten (*szakirodalomból: Bai, 2007. 20.o.)

(*szakirodalom Bai, 2007. 19.o.)

kg/nap/állat (3.1) Szarvasmarha ebből tehén és hízómarha ebből növendékmarha (<1éves) (3.2) Sertés ebből anyakoca ebből hízósertés (>50kg) ebből malac és süldő (<50kg) (3.3) Juh és kecske Juh Kecske (3.4) Ló Ló (3.5) Barimfifélék ebből tojó és húscsirke ebből liba és kacsa ebből pulyka

701 511 190 3 376 314 1 557 1 505 1 302 1 236 66 58 58 31 165 22 614 5 024 3 527

%

min.

max.

(3C*3D*3E*3F)

(3C*3D*3E*3F)

46,00 32,00

15% 15%

16,50 7,00 3,00

12% 12% 12%

1,60 1,60

30% 30%

45,00

15%

0,06 0,08 1,00

16% 30% 30%

90 115 826 29 959 340 77 155 162 308 67 237 90 19 489 1 041 200 28 580 310 24 564 13 643 119 724

Összesen:

659 527

(3.6) (3.7)

A nyers biogáz metán koncentációja (DVGW G262):

(3.8)


(3.6)*(Felső hőérték CH4)*(3.7)

3)

310 398 956 103 193 550 124 810 262 557 108 766 310 67 130 3 585 300 42 869 620 49 128 27 286 239 448

(3G)

(3H)

mértékegység

megjegyzés

KSH, 2009.06.

3)

KSH, 2009.06.

4)

ezer m ezer m3 liter/kg

KSH, 2009.06. KSH, 2009.06.

5)

3

KSH, 2009.06. KSH, 2009.06.

6)

liter/kg ezer m3 3 ezer m liter/kg 3

ezer m ezer m3 ezer m3 liter/kg 3

ezer m liter/kg

7)

3

ezer m ezer m3 ezer m3 3 1 427 728 ezer m /év min. max. 50 85 12 434 055 45 758 833

29,10

6)

% GJ/év

PJ/év

http://portal.ksh.hu/pls/ksh/docs/hun/xtabla/allat/tablal0812_03.html http://portal.ksh.hu/pls/ksh/docs/hun/xtabla/allat/tablal0812_11.html 5) http://portal.ksh.hu/pls/ksh/docs/hun/xtabla/allat/tablal0812_22.html 6) http://portal.ksh.hu/pls/ksh/docs/hun/xftp/idoszaki/allat/allat0812.pdf 7) http://portal.ksh.hu/pls/ksh/docs/hun/xtabla/allat/tablal0812_17.html 4)

2.2. táblázat A magyarországi állattenyésztésből származó elméleti biogáz potenciál

2.2.4. A kommunális hulladékokból kinyerhető biogáz A kommunális hulladékoknál két alcsoport került kialakításra, a kommunális szennyvíz, valamint a települési szilárd hulladékok. A települési szennyvíziszapból származtatható biogáz mennyiség meghatározásakor abból a feltételezésből célszerű kiindulni, hogy az a szennyvízmennyiség vehető alapul a számításokhoz, mely a kommunális szennyvízrendszeren keresztül a szennyvíztisztító telepekre juthat. Magyarországon jelenleg 522 db tisztító telep működik, melyek összesített kapacitása kb. 9,7 millió lakosegyenérték-re becsülhető. (Kulinyiné, 2009) Természetszerűleg a kommunális szennyvíz nagy hányada nem kerül a szennyvíztelepekre, általában megfelelő mechanikai tisztítás után az élővizekbe jut. További problémát vet fel, hogy a szennyvíziszapot több mint 50 %-ban megfelelő kezelés után a települési hulladéklerakóban helyezik el, amiből szintén biogáz képződik. Ez a kérdés úgy hidalható át, hogy a szennyvíziszapot a szennyvíztelepekből nyerhető elméleti biogáz hozamok meghatározásánál kell figyelembe venni, és a szeméttelepi depóniagázok mennyiségénél már nem kerül be a számításba. Elméleti szinten a két potenciál a főösszesítés során összeadódik. A számítás során a teljes, potenciálisan kiaknázható elméleti szennyvízmennyiség került figyelembe vételre. A szennyvíztelepre két módon kerülhet az alapanyag, a közcsatornán keresztül és közúti szennyvízszállító autókkal. Ha ismerjük azon lakások/intézmények arányát, melyek vezetékes ivóvízzel ellátottak (komfortfokozat), ismerjük az ország lakosainak számát, a lakos-egyenértékre (le) jutó napi csatornaiszap mennyiségét (0,100,14 kg/nap·le) és a fajlagos biogáz kihozatalt (240-400 m3/tonna szerves szárazanyag), akkor a keletkező nyers biogáz mennyisége meghatározható. Az így képződő, 65-70% metán tartalmat képviselő lakossági eredetű szennyvízből átlagosan 3,6 PJ energiatartalomnak megfelelő biogáz lenne termelhető Magyarországon.

Biogáz potenciál

13


A kommunális hulladéklerakókban képződő biogáz mennyiség meghatározása mutatja a legsokrétűbb problémát. A biogáz ugyanis nem egyenletes ütemben szabadul fel a lerakott szerves anyagokból, hanem hosszú évek, sőt évtizedek alatt a lerakó életciklusának megfelelő intenzitással. Eközben a működő telepekre újabb és újabb depónia mennyiség kerül feltöltésre. A számítás így nem oldható meg egzakt módon. Egyszerűbb az eset, ha már egy lezárt, ismert korú, összetételű és térfogatú hulladéklerakóban kell meghatározni a várható keletkező biogáz mennyiségeket. További problémát jelent, hogy a hulladéklerakókban az eltelt évek alatt tömörödik az alapanyag, a sűrűsége akár az ötszörösére is növekedhet (egy újonnan lerakott telepnél a hulladék tömörsége 0,2 tonna/m3-re tehető, míg egy több évtizede működő lerakóban akár 1,5 tonna/m3 is lehet). Ebből egyértelműen következik, hogy az egységnyi térfogatból kinyerhető biogáz mennyisége sem határozható meg pontosan. A felsorolt indokok alapján a települési szilárd hulladékból csak az egy év alatt felhalmozódó, hosszú évek alatt kinyerhető potenciális biogáz mennyiség becsülhető meg egzakt módon. Mivel a lerakott hulladékban jelenleg is keletkezik biogáz, és a most lerakott hulladékból az elkövetkező években is keletkezni fog, ezért joggal alkalmazható az az egyszerűsítő feltételezés, hogy megközelítőleg annyi biogáz keletkezik évente, mint amennyi felhalmozódik. A feltételezést továbbá az is alátámasztja, hogy a lakossági szektorban az egy főre jutó hulladék mennyisége az elmúlt évtizedben és jelenleg sem tükröz igen jelentős növekedést (legfeljebb 2-3% évente), sőt a lakosság fogyása miatt inkább stagnáló ütememet mutat. A szelektív hulladékbegyűjtés elterjedésével a lerakó telepekre jutó hulladékok mennyisége valószínűleg csökkenni fog. Ezzel a módszerrel a kiaknázható biogáz mennyisége a lakos-egyenértékek alapján jó közelítéssel becsülhető. Az elméleti potenciál meghatározásához csupán az ország lakosainak számára, az egy lakosra által termelt szilárd hulladék mennyiségére, és az egységnyi tömegű hulladékból keletkező várható depóniagáz hozamokra van szükség. Egy tonna települési szilárd hulladékból 6-12 m3/év biogáz termelődése feltételezhető a szakirodalom alapján (Bai, 2007). Egy lakos 456 kg-nyi szilárd hulladékot termel évente az EUROSTAT adata szerint. A keletkező nyers biogáz a DVGW G 262 előírás szerinti 40-60 % metántartalmából következőleg átlagosan 0,8 PJ energiatartalomnak megfelelő szilárd hulladék áll rendelkezésre Magyarországon évente. (2.3. táblázat) Kommunális hulladékok 2008-ban

(4)

(4A)

(4B)

(4C)

(4D)

(4E)

(4.1) Kommunális szennyvíz (4.1.1) Az ország lakossága*: Vezetékes ivóvízzel ellátott háztartások (4.1.2) aránya*: (4.1.3) Lakosegyenérték (le): (4.1.4) (4.1.5) (4.1.6) (4.1.7)

Fajlagos szárazanyag mennyiség: Éves szárazanyaganyag mennyiség: Fajlagos biogáz kihozatal: A nyers biogáz mennyisége:

(4.1.8)

10 045 94,7 9 512 995 min. 0,10 347 224 240 83 334

ezer fő %

8)

KSH, 2009.06.

9)

(4.1.1)*(4.1.2)

max. 0,14 486 114 400 194 446

kg/nap·le tonna/év

(szakirodalomból: Bai, 2007. 127.o.) (4.1.3)*(4.1.4)*365

3

m /tonna szárazanyag 3 ezer m /év

A nyers biogáz metán koncentrációja (DVGW G 262): (4.1.7)*(Felső hőérték CH4)*(4.1.8)


(4.1.9)

KSH, 2009.06.

(szakirodalomból: Bai, 2007. 60.o.) (4.1.5)*(4.1.6)

min. 65 2 042 421

max. 70 5 132 236

3,59

% GJ/év

PJ/év

(4.2) Települési szilárd hulladék (éves szinten akkumulálódó biogáz mennyiség számítása) (4.2.1) (4.2.2) (4.2.3) (4.2.4) (4.2.5)

Az ország lakossága: A települési szilárd hulladék fajlagosa: A hulladék éves mennyisége: Fajlagos gázkihozatali mutató: A nyers biogáz mennyisége:

(4.2.6)

ezer fő KSH, 2009.06. 8) 2007-es adat! kg/fő/év EUROSTAT, 2009.06. 10) (4.2.1)*(4.2.2) millió tonna/év (szakirodalomból: Bai, 2007. 101.o.) 12 m3/év biogáz / tonna települési szemét 3 (4.2.3)*(4.2.4)*(4.2.5) 54 968 ezer m /év min. max. % 40 60 A nyers biogáz metán koncentrációja (DVGW G 262): 414 528 1 243 584 GJ/év (4.2.5)*(Felső hőérték CH4)*(4.2.6)

10 045 456 4,581 6 27 484


(4.2.7)

8)

0,83

PJ/év

http://portal.ksh.hu/pls/ksh/docs/hun/xstadat/xstadat_eves/tabl1_01ib.html http://portal.ksh.hu/pls/ksh/docs/hun/xstadat/xstadat_eves/tabl2_03_08i.html 10) http://epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/page/portal/waste/data/sectors/municipal 9)

2.3. táblázat A magyarországi kommunális hulladékokból származó elméleti biogáz potenciál

Biogáz potenciál

14


Abban az esetben, ha minden forrástípusnál a legrosszabb hatékonyságú biogáz termelés kerül feltételezésre 56,8 PJ, ha a legnagyobb hatékonyságú, akkor 218,3 PJ elméleti biogáz potenciált ad a számítás. Ez éves szinten átlagosan 137,6 PJ biogáz alapú, melléktermékekre alapozott potenciált jelent Magyarországon, melyből 2007-ben csupán 0,85 PJ-t hasznosítottunk! (Biogas Barometer, 2008) Ehhez az elméleti potenciálhoz adódik még hozzá az energianövényekből és a szerves ipari hulladékokból előállítható több száz PJ-ra tehető érték.

2.2.5. Az eredmények értékelése A Magyarországon érvényes, a fenti elvekre épülő számítással meghatározott, összesített elméleti biogáz potenciált a 2.4. táblázat szemlélteti a 2008-as év vonatkozásában. Látható, hogy a növénytermesztésből származó alapanyag jelenti a legnagyobb potenciális lehetőségeket, majd ezt követi az állattenyésztésből és a szennyvíziszapból kinyerhető biogáz mennyisége. 1. 2. 3. 4.

A biomassza forrás típusa Növénytermesztési melléktermékek Állattenyésztési melléktermékek Szennyvíziszap Kommunális szilárd hulladékok Fermentációra alapozott összesen: 25 MJ/m3 felső hőértékű fermentációból származó nyers biogázban kifejezve: 37,9 MJ/m3 felső hőértékű földgáz egyenértékben kifejezve (orosz import gáz):

átlagosan 104,04 29,10 3,59 0,83 137,56

PJ PJ PJ PJ PJ

5 502

millió m3/év

3 629

millió m3/év

2.4. táblázat Magyarország melléktermékekre alapozott elméleti biogáz potenciálja Még egyszer hangsúlyozni kell, hogy a táblázatban feltüntetett értékek a teljes magyar biomassza potenciál felhasználásával a legkisebb, illetve a legnagyobb hatékonysággal előállítható nyers biogáz mennyiségek átlagos értékeit szemléltetik. Az értékek átlagát véve ez kb. 140 PJ fermentációra alapozott biogáz energia potenciált jelent az országban éves szinten. Amennyiben az értékek nyers biogáz egyenértékben, illetve földgáz egyenértékben kerül kifejezésre akkor látható, hogy Magyarország elméleti biogáz (helyesebben biogáz előállításra is alkalmas biomassza) potenciálja átlagban 5,5 milliárd m3 (25 MJ/m3 energiatartalmú) nyers biogáz, illetve 3,6 milliárd m3 (37,9 MJ/m3) földgáz egyenértékével egyenlő. Az elmúlt 17 év magyarországi földgázfogyasztását a Magyar Energia Hivatal adatai alapján a 2.5. táblázat mutatja. Magyarország primerenergia igénye 2006-ban 1047 PJ, 2007-ben 1026 PJ volt a British Petrol statisztikája szerint. Ez azt jelenti, hogy ez az energiamennyiség (140 PJ átlagértéket figyelembe véve) a magyar primerenergia igényeknek 2006-ban 13,4 %-át, 2007-ben 13,6 %-át lett volna képes fedezni. A hazai éves földgázigényt alapul véve (481,1 PJ 2006-ban és 452,1 PJ 2007-ben) ez az érték 29,1-30,1 %-nak adódik!.

Biogáz potenciál

15


Földgázfelhasználás összesen ebből villamosenergia termelésre Növekedés az 1990-es bázisévhez képest Belföldi felhasználás Csúcsnapi fogyasztás

1990

1995

2000

2003

2004

2005

2006

2007

373,2

384,1

404,3

493,6

489,8

506,2

481,1

452,1

PJ

73,9

68,3

77,0

126,5

125,0

127,4

132,7

149,8

PJ

-

2,92%

8,33%

32,26%

31,24%

35,64%

28,91%

21,14%

11167

11517

11866

14557

14464

14983

13730

12917

Mm3

54923

64472

73658

84803

84234

91665

89006

76245

ezer 3 m /nap

Forrás: MEH, 2009.

2.5. táblázat Az elmúlt 17 év földgázfelhasználása A statisztikai adatokból látható, hogy Magyarország összes belföldi földgáz felhasználása a 2005. évi csúcs után mérséklődni látszik. Az elmúlt 15 év fogyasztási adatai, és a jelenlegi gazdasági recesszió mellett nem valószínűsíthető az ország földgázfogyasztásának jelentős növekedése 2020-ig. A fogyasztásban döntő szerepet játszik az időjárás is, azonban az eddigi legnagyobb csúcsnapi fogyasztást figyelembe véve (91,66 Mm3), a csökkenő földgázfogyasztási volumen mellett nem valószínű annak jelentős mértékű növekedése. Mindez azt jelenti, hogy éves szinten nem valószínűsíthető egy 500-520 PJ (15,0 – 15,4 milliárd m3) éves földgázfogyasztás, illetve a 92 - 95 millió m3 csúcsnapi fogyasztás túllépése az elkövetkező években. Összehasonlítva ezeket az adatokat az elméleti biogáz termelésre kapott értékekkel látható, hogy az országban rendelkezésre álló 140 PJ fermentációra alapozott elméleti biogáz potenciál, ami 3 629 millió m3 orosz import földgáz egyenértéknek felel meg éves szinten, teljes mennyiségének földgázhálózatba való betáplálása sem érné el a hazai éves földgázfogyasztás kb. 23-24 %-át. A 95 millió m3/napos csúcsnapi teljesítmény esetén ennek a biogáz mennyiségnek az 1/365-öd része, azaz 9,94 Mm3/nap mennyiség lenne a rendszerbe táplálható. Ez a teljes csúcsnapi fogyasztás 10,46 %-át tenné ki. A fenti arányok az elméleti felső határértékeket szemléltetik. Az eredmények értékelésekor nem szabad figyelmen kívül hagyni azt a tényt sem, hogy egyrészt a technikai potenciálok is csak igen kis mértékben vannak jelenleg kihasználva, másrészt a megtermelt biogázok nem csak földgázhálózati betáplálásra, hanem közvetlenül áram és hő termelésre is alkalmazhatók, ez által tovább csökken az amúgy sem jelentős, reálisnak tekinthető betáplálási mennyiség.

Biogáz potenciál

16


3. Biogáz és földgáz minőség 3.1. A biogázok definiálása A biomassza fogalmába minden olyan szilárd és folyékony halmazállapotú, szervesanyag tartalommal rendelkező növényi és állati eredetű anyag beletartozik, mely energiatermelésre alkalmassá tehető. Biogáz alatt értendő minden, szervesanyag tartalmú biomasszából keletkező, tisztítatlan és tisztított éghető gáz, mely döntő hányadában metánt tartalmaz. Hivatalos definíciója szerint, szénhidrát-, illetve cellulóz tartalmú, valamint fehérjéket és zsírokat tartalmazó szerves hulladékok anaerob szervezetek hatására végbemenő bomlásának (biodegradáció, rothadás, erjedés) gáznemű, rendszerint éghető terméke, amely -többek között ammónia, kén-hidrogén, szén-monoxid és szén-dioxid mellett- legnagyobbrészt metánból áll. (http://jagaber.hu) Az adott területen szolgáltatott földgáz minőségére tisztított, jelentős metán térfogathányaddal rendelkező biogázokat biometánnak nevezzük. Bizonyos szakirodalmak a biogáz fogalomkörébe rendelik a biomasszából származó un. bio-szintézisgázokat is, melyek összetétele jelentősen eltér az anaerob körülmények között keletkezőkétől. Kémiai úton, megfelelő technológiai eljárással azonban ezek is metánban gazdag gázelegyekké alakíthatók. A továbbiakban csak a fermentációs forrásokból származó biogázokkal foglalkozik az értekezés.

3.2. Biogáz alapanyagok Biogáz előállítására minden, a metántermelő baktériumcsoportok által könnyen bontható szerves anyag alkalmas. A mezőgazdasági biogáz üzemekben növényi alapanyagot (kukorica, gabonafélék, gyep, stb.), hígtárgyát és almostrágyát használnak fel elsősorban. Az üzemek alkalmasak élelmiszeriparból származó melléktermékek feldolgozására is, de a kommunális eredetű szerves hulladékok is kitűnő alapanyagnak bizonyulnak. Energiatermelésre hasznosítható biogáz képződik még a kommunális folyékonyhulladék feldolgozásánál (szennyvíziszap) és a kommunális hulladéklerakó telepeken is. Összefoglalva, biogáz termelésre alkalmas alapanyagok lehetnek: a mezőgazdaságból származóak: almos- és hígtrágya, kukorica és fűszilázs, zöld növényi hulladékok, répa és burgonya, gabonafélék és melléktermékeik, az ocsú, a szalma és a széna; az élelmiszeriparból származóak: konyhai maradékok, tejsavó, sütési zsiradékok, repce és napraforgó pogácsa, törköly, konzervipari hulladékok, vágóhídi hulladékok; egyéb szervesanyag tartalmú anyagok: depóniagáz, szennyvíziszap, állati tetemek, növényi szerves hulladékok.

3.3. Gázminőségi tartomány A termelt, illetve önmagától képződő kezeletlen biogázok minősége az alapanyagok típusától és szervesanyag tartalmától, valamint a fermentációs technológiától függően széles tartományban változhat. Energiatartalmukat a bennük található metán térfogathányada határozza meg. A széndioxid és nitrogén, mint inert gázok csökkentik a


17


kinyert biogáz fűtőértékét. A fő alkotóelemek mellett melléktermékként megtalálhatók még benne szerves és szervetlen összetevők (pl. víz, hidrogén-szulfid, nitrogén, ammónia, oxigén, szilárd szennyeződések, halogén-szénhidrogének, szerves szilikon összetevők, stb.). A különböző forrásból származó biogázok és a földgázok közötti minőségi különbséget igen szemléletesen mutatja be a német DVGW G 262 sz. munkalap diagramja (3.1. ábra). A diagramon szürke hátterű hatszög jelöli a 2. gázcsalád H, L és E minőségi csoportjaiba tartozó földgázok felső hőértékét és Wobbe-számait, a gáz relatív sűrűségének függvényében. Látható, hogy a csatorna- és biogázok, a depóniagázok és a bioszintézisgázok ezen a tartományon kívül helyezkednek el. A földgáz minőségi tartományához a szennyvíziszapból és az agráriumból származó biogázok állnak a legközelebb.

Jelmagyarázat: [szürke tartomány]: a 2. gázcsalád tartománya a DVGW G 260 munkalap alapján ○ Földgázok □ Depóniagázok + Csatorna- és biogázok X Bio-szintézisgázok

3.1. ábra A 2. gázcsalád tartománya a DVGW G 262 munkalap alapján


18


3.4. Földgázminőségű biometán előállítása A különböző célú biogáz felhasználási igények sorában a földgázhálózati betáplálás és a gépjármű üzemanyagként való felhasználás igényli a legnagyobb mértékű előkészítésitisztításai szintet. A földgázminőségre való tisztítási eljárás több, egymásba kapcsolódó kémiai eljárás összessége. A tisztításra többféle technológia alkalmazható, annak függvényében, hogy mi a cél a leválasztott CO2-al illetve, hogy a biometán helyi, lokális, vagy országos földgázrendszerbe kerül-e betáplálásra. A fermentatív forrásból származó kezeletlen biogázok előkészítési lépései a 3.2. ábrán láthatók. A földgázhálózatba a biometán két formában táplálható be, teljes értékű cseregázként (a minősége gyakorlatilag meg kell egyezzen a hálózatban szolgáltatott földgáz minőségével), vagy adalékgázként (a minősége elmarad a hálózatban szolgáltatott földgázétól, így csak korlátozott mennyiségben táplálható be). A földgáz minőségű cseregázok előkészítésére alapvetően két módszer használatos a gyakorlatban, a nyomásváltásos adszorpció elvén és a nyomás alatti vizes mosás elvén működő technológiák.

Nyersgáz

Durva kéntelenítés

Kondenzáltatás

Durva kéntelenítés

Finom kéntelenítés

Gázhűtés

Finom kéntelenítés

Kondenzáltatás

Vizes mosás

Kondenzáltatás

Gázhűtés

Opció: kéntelenítés

Gázszárítás

Nyomásváltásos adszorpció

Gázszárítás

Adott esetben: égéshő beállítás LPG-vel vagy levegővel

Adott esetben: égéshő beállítás LPG-vel vagy levegővel

Földgáz H illetve földgáz L

Adalékgáz

Forrás: Ramesohl, 2006.

3.2. ábra A biometán előkészítés lépései

3.5. A magyarországi hálózati betáplálási vizsgálatokhoz használandó jellegzetes biogáz és földgáz összetételek Az alábbi 3.1. táblázatban az áttekinthetőség érdekében egymás mellett került feltüntetésre 4 eltérő földgázminőség (ebből kettő Magyarországra jellemző), valamint 2 anaerob folyamatból származó biogáz összetétel. Csak az átfogó tájékoztatás érdekében jelenik meg 2 bio-szintézisgáz összetétel. A táblázat forrásalapját a Marcogaz WG-


19


Biogas-06-18 számú jelentése képezi, mely az összehasonlíthatóság érdekében általam kiegészítésre került az említett jellemző földgázminőségekkel. Megvizsgálva a táblázatban szereplő tüzeléstechnikai jellemzőket megállapítható, hogy az anaerob folyamatból származó gázok tüzeléstechnikai paraméterei (Wobbe-szám, hőérték, relatív sűrűség) egészen jól megközelítik az L, vagy éppen a magyar S földgázminőség határértékeit. Mindez azt jelenti, hogy ezek a megújuló gázforrások kisebb fokú előkészítés után is teljesíthetik az adott hálózatrészen szolgáltatott gázminőség előírásait. A fermentációs folyamatból származó gázok relatív sűrűsége jellemzően magasabb a földgázokénál, számottevő inert-tartalmuk miatt. A gázmotorokban való eltüzeléskor további fontos jellemző a keverékek metánszáma, azaz a motor kopogásra való hajlamának jellemzése. A biogázok metánszáma jóval 100 feletti, mivel az inert összetevők növelik ezt az értékét. A bio-szintézisgázok tüzeléstechnikai paraméterei lényegesen elmaradnak a földgázokétól, fűtőértékük csak 15-40 %-a a földgáznak. A keletkezési összetételükben csak speciálisan erre a célra tervezett, illetve beszabályozott biogáz-égőkben és gázmotorokban tüzelhetők el.

Mértékegység

Összetétel Metán (CH4)

1)

orosz H 97,9

Földgáz északi2) 3) tengeri holland H L 88,8 81,3 (86,8-88,8)

1,2

C2+ szénhidrogének

8,3

magyar S 69,4 (69-80)

3,5

4)

Biogáz anaerob szemétfolyamatból telepi 65,0

45,0

eltüzelés 2) O2-vel 15,6

(50-80)

(30-60)

(0-18)

2)

(8,3-8,5)

0,1

1,8

1,0

(1,9-2,3)

0,8

Nitrogén (N2)

1,1

14,2

(0,9-1,1)

< 0,01

Oxigén (O2) Összesen: Hidrogén-szulfid (H2S)

-

Összes klór (Cl )

(0-5,8)

(0-2)

22,0

20,0

(0-2)

(4-46)

(10-25)

3

Sziloxánok Kátrány

3

g/m Tüzeléstechnikai jellemzők 3 MJ/m Felső hőérték (HS) 3 kWh/m 3 MJ/m Alsó hőérték (HI) 3 kWh/m 3 Wobbe-szám MJ/m 3 felső hőértékből kWh/m Relatív sűrűség (d) 3 Sűrűség (ρ) kg/m Metán-szám (MZ) -

(9-25)

16,7

34,8

37,5

12,2

7,0

(15-50)

(15-40)

(2-35)

(7-16)

50,0

5,2

0,2

15,0

0,0

(3-6)

(0-5)

(0-50)

(0-7)

(0-1)

(0-10)

< 0,01

1,0

100,0

100,0

100,0

100,0

100,0

100,0

100,0

-

1,5

-

-

< 600

< 100

-

-

(100-10000)

(0-1000)

-

-

-

-

-

-

-

-

Összes fluor (F )

20,0

(13-70)

100,0

mg/m

44,4

(14-17)

(0-5)

Ammónia (NH3)

(1-10)

1,5

mol%

Szén-dioxid (CO2)

eltüzelés 2) levegővel 3,0

5,8

(0-2)

Szén-monoxid (CO)

2)

8,6

Hidrogén (H2)

Bio-szintézisgáz

-

-

-

100,0

5,0

(0-100)

(0-5)

(0-100)

(0-5)

-

0,5 (0-100)

(0-800)

-

-

-

-

0-50 -

0-50 -

0-5

0,01-100

37,8 10,5 34,0 9,5 50,3 14,0 0,56 0,73 93

39,1 10,9 35,2 9,8 49,7 13,8 0,62 0,80 76

33,0 9,2 29,8 8,3 41,3 11,5 0,64 0,83 90

31,9 8,9 28,8 8,0 36,1 10,0 0,78 1,01 n.a.

24,6 6,8 22,1 6,1 26,0 7,2 0,89 1,16 135

17,2 4,8 15,5 4,3 17,4 4,8 0,98 1,27 144

17,7 4,9 16,4 4,5 20,1 5,6 0,78 1,00 64

5,9 1,7 5,5 1,5 6,6 1,8 0,81 1,05 77

Forrásalap: Marcogaz, 2006., Szunyog, 2008. 1) Jellemző orosz importgáz minőség (Beregdaróc 2H) 2) Marcogaz WG-Biogas-06-18 jelentésben bemutatott gázösszetétel (Északi-tenger H) 3) DVGW G 260 munkalap előírásában szereplő jellemző gázösszetétel (Hollandia L) 4) Jellemző hazai termelésű regionális szolgáltatású gáz (Babócsa 2S)

3.1. táblázat Különböző forrásból származó földgázok és biogázok jellemzői


20


A biogázok magyar földgázhálózati betáplálásának érdemi vizsgálatához először rögzíteni kell, milyen minőségek fordulhatnak elő a hazai gyakorlatban. Magyarország a földgázforrások szempontjából viszonylag egyszerű helyzetben van, hiszen alapvetően két forrásra támaszkodik. A Beregdaróc, illetve Győr felől érkező orosz import gáz magas metántartalommal (> 96 %), és viszonylag állandó összetétellel érkezik az országba. A hazai termelésből származó földgáz (Hajdúszoboszló, Kardoskút, Szank, Algyő) ettől „gyengébb minőségű”, és bizonyos dél-alföldi, illetve baranyai területeken már nem is sorolható a H földgázminőségi csoportba. Ezeken a területeken S minőségű földgáz szolgáltatása történik kis, regionális hálózatokban. A Magyarországon szolgáltatott földgázok minőségére a 3.3. ábra ad iránymutatást.

Forrás: Viktor, 2005.

3.3. ábra Szolgáltatott földgázminőségek Magyarországon Amint az ábra mutatja Magyarországra öt, különböző földgázminőséget szolgáltató terület jellemző. Ezek közül négy a 2H jelű gázminőségi tartományba sorolt, mely az ország területének kb. 95 %-át jelenti. Az alcsoportok a szolgáltatott gáz fűtőértékének függvényében jelölhetők ki. Vannak olyan területek, melyek alapvetően az orosz import földgázzal (33,8-34,2 MJ/m3), vannak olyanok, melyek hazai termelésű földgázzal (32,535,5 MJ/m3) és vannak olyanok is melyek a két földgázminőség keverékével ellátottak (33,5-34,5 MJ/m3). A jelentősebb mértékben (10-20 %) szén-dioxidot is tartalmazó földgáz (28,0-29,4 MJ/m3) csak három területen, Csongrád-, Békés- és Somogy megyék egyes területein kerül szolgáltatásra. Ebből kifolyólag a betáplálhatósági számításokhoz 5 db, az adott ellátási területekre jellemző földgázösszetétel került megállapításra, mellyel egyértelműen jellemezni lehet a hazai földgázminőségekre vonatkozó szélső-, illetve átlagértékeket. A 2005. évi földgázminőségi adatok, melyet az FGSZ Zrt. bocsátott a rendelkezésemre jelen PhD értekezés elkészítéséhez, ma is megfelelő biztonsággal


21


jellemzik az egyes hazai gázminőségeket. Az egyes minta földgázok összetételét a 2005. évi idősor átlagértékeiből képeztem. A fermentációs folyamatokból származó biogázok összetételére nem lehet ennyire konkrét, jellemző értékeket megadni. Így abból a feltételezésből indultam ki, hogy milyen forrásból származó biogázok vehetők egyáltalán számításba Magyarországon jelenleg és az elkövetkező évtizedben. Jelen értekezés „A magyarországi elméleti biogáz potenciál meghatározása” c. fejezet eredményeinek figyelembe vételével a mezőgazdaságból és állattartásból származó, valamint a kommunális folyékony- és szilárd hulladékból származó biogázok kerültek vizsgálatra. A mező- és erdőgazdaságokból származó szilárd biomasszákból előállított, és a fermentációs folyamatból származó biogáz összetételektől jelentősen eltérő bio-szintézisgázok nem kerültek figyelembe vételre. Mivel a biogázok összetétele és mennyisége nem csak a biogáz típusától, hanem az alapanyag minőségétől is erősen függ, az 5 db biogáz mintaösszetétel kiválasztásakor arra törekedtem, hogy a mintagázok metántartalma jól lefedje a gyakorlatban is jelentkező összetételeket (a háztartási szemét gázának kb. 40 % metán tartalmától az állati veszélyes hulladékok gázának kb. 85 % metán tartalmáig). Az egyes biogáz csoportokra jellemző mintagáz összetételek a DVGW G 262 német előírás B.1 jelű táblázata alapján lettek felvéve. A maximális betáplálási mennyiségek meghatározásának szempontjából csak a mintagázok fő összetevői kerültek számításra. A gázkísérő anyagokra vonatkozó határértékek külön elvek alapján kerültek vizsgálatra egy önálló fejezetben. A fenti elv értelmében egyértelműen jellemezhetők azok, a magyar földgázhálózati betáplálás szempontjából figyelembe veendő biogáz szélsőértékek, illetve átlagos összetételek, amelyek segítségével a betáplálás peremfeltételei vizsgálhatóak. A kalkulációknál alkalmazott földgáz- és biogáz összetételekre, valamint a minőség beállításhoz alkalmazható propángáz (Ely Energy, 2003) és levegő (MSZ ISO 6976) összetételére a következő 3.2. táblázat ad útmutatást.

3.6. A gázminőség jellemzése A földgázrendszerbe betáplálandó biogáz típusok és mennyiségek közötti egyértelműségi kapcsolatok vizsgálata előtt számításba kell venni azokat a matematikai-fizikai összefüggéseket, melyekkel jellemezhetőek az éghető gázok összetételüktől függetlenül. Az egyes fizikai paraméterek számítását az MSZ ISO 6976: 1997 Földgáz. A hőérték, a sűrűség, a relatív sűrűség és a Wobbe-szám számítása a gázösszetételből c. harmonizált szabvány tartalmazza. Az egyes összetevő komponensek mérési eljárását külön szabványok tartalmazzák. A földgázok legfontosabb fizikai jellemzői a következőképpen számíthatók a szabvány értelmében:

Hőérték „Az a hőmennyiség, amely meghatározott mennyiségű gáznak levegőben való tökéletes elégése során felszabadul feltéve, hogy a p1 nyomás (amelyen a reakció végbemegy) állandó, és az összes égésterméket ugyanarra a t1 hőmérsékletre hűtik, azaz a reagáló anyagok megadott hőmérsékletére”; ha az összes égéstermék gázhalmazállapotú, akkor az alsó hőértékről, ha az összes égéstermék gázhalmazállapotú kivéve az égés során keletkezett vízgőzt, amely t1 hőmérsékleten kondenzálódva folyadék-halmazállapotú, akkor a felső hőértékről van szó. Jele: Hf (felső hőérték) és Ha (alsó hőérték) Mértékegysége: MJ/m3, kWh/m3 (1 kWh=3,6 MJ)


22


házt. szemét

0,010%

C5H12

i-Pentán

n-Pentán

Oxigén

Wobbe-szám felső hőértékből Relatív sűrűség (d)

Felső hőérték (HS)

Alsó hőérték (HI)

Tüzeléstechnikai jellemzők

Vízgőz Argon (nemesgázok)

14,63 4,06 16,25 4,51 16,53 4,59 0,97

20,43 5,68 22,70 6,30 23,44 6,51 0,94

100,00% 22,13 6,15 24,58 6,83 26,08 7,24 0,89

100,00% 25,19 7,00 27,98 7,77 31,23 8,67 0,80

100,00%

1,00%

28,92 8,03 32,13 8,92 38,55 10,71 0,69

100,00% 34,21 9,50 37,97 10,55 50,41 14,00 0,57

100,000%

0,804%

0,054%

33,42 9,28 37,07 10,30 46,68 12,97 0,63

100,000%

1,304%

4,588%

0,020%

0,023%

0,033%

0,087%

0,058%

0,309%

3,900%

mol% 89,679%

2H

Hajdúszoboszló

F2

33,59 9,33 37,23 10,34 46,52 12,92 0,64

100,000%

4,533%

2,905%

0,072%

0,076%

0,088%

0,341%

0,242%

1,096%

2,938%

mol% 87,708%

2H

Szank

Földgázok F3

34,03 9,45 37,72 10,48 47,17 13,10 0,64

100,000%

1,692%

4,203%

0,018%

0,006%

0,009%

0,038%

0,035%

0,385%

6,428%

mol% 87,186%

2H

Algyő (reg.)

F4

29,68 8,24 32,88 9,13 37,73 10,48 0,76

100,000%

3,196%

15,775%

0,197%

0,123%

0,142%

0,326%

0,292%

0,943%

1,996%

mol% 77,011%

2S

Kardoskút (reg.)

F5

3.2. táblázat A magyarországi biogáz betáplálás kalkulációjához felhasznált mintagáz összetételek

3

100,00%

MJ/m 3 kWh/m 3 MJ/m 3 kWh/m 3 MJ/m 3 kWh/m -

3,00%

O2

H2O Ar Összesen:

1,00%

23,00%

N2

Nitrogén

1,00%

31,00%

CO2

Hidrogén-szulfid

Szén-dioxid 1,00%

0,008% 0,009%

C 6+ CO H2 H 2S

Hexán + Szén-monoxid Hidrogén

C5H12

14,00%

0,053%

C4H10

n-Bután

25,00%

0,050%

C4H10

i-Bután

34,00%

0,284%

39,00%

0,814%

C3H8

mol% 97,913%

2H

Beregdaróc

F1

C2H6

mol% 85,00%

állati tetem

DVGW G 262

B5

Propán

mol% 74,00%

komm.szennyvíz

DVGW G 262

B4

Etán

mol% 65,00%

trágyalé

DVGW G 262

Biogázok B3

CH4

mol% 60,00%

DVGW G 262 komm.szennyvíz

DVGW G 262

mol% 43,00%

B2

Metán

Összetétel

Éghető összetevők

Nem éghető összetevők

B1

20,94600%

78,10200%

0,03300%

0,00002% 0,00005%

mol% 0,00015%

MSZ ISO 6976

Levegő L1

88,54 24,59 96,24 26,73 77,05 21,40 1,56

0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,00

0,91878% 100,000% 100,00000%

0,500%

2,000%

97,000%

0,500%

mol%

LPG

Ely Energy

PB gázok P1


23


A térfogategységre vonatkoztatott hőérték számítása reális gázoknál: n

Hf,a = ∑ x i ⋅ Hi0 ⋅ i=1

p 1 ⋅ R ⋅ T z kev (t,p)

ahol xi- az i-edik komponens moltörtje (-) Hi0- az i-edik komponensnek az ideális állapotra vonatkozó moláris hőértéke (kJ/kmol) p- a gázkeverék nyomása (Pa) R- a moláris (univerzális) gázállandó (8,314510 kJ/(kmol·K)) T=t+273,15 K- a keverék hőmérséklete (K) zkev(t,p)- a gázkeverék adott nyomáson és hőmérsékleten vett eltérési tényezője (-)

Sűrűség „Egy gázminta tömegének és térfogatának a hányadosa, meghatározott nyomáson és hőmérsékleten.” Jele: ρ Mértékegysége: kg/m3 A sűrűség számítása reális gázoknál:

1  p  n ρ=  ⋅ ∑ x i ⋅ Mi ⋅ z kev (t,p)  R ⋅ T  i=1 ahol p- a gázkeverék nyomása (Pa) R- a moláris gázállandó (8,134510 kJ/(kmol·K)) T=t+273,15 K- a keverék hőmérséklete (K) xi- az i-edik komponens moltörtje (-) Mi- az i-edik komponens moltömege (kg/kmol) zkev(t,p)- a gázkeverék adott nyomáson és hőmérsékleten vett eltérési tényezője (-)

Relatív sűrűség „A gáz és a vele azonos nyomású és hőmérsékletű standard összetételű száraz levegő sűrűségének hányadosa. Az ideális relatív sűrűség kifejezést akkor használjuk, ha mind a gázt, mind a levegőt olyan közegnek tekintjük, amely követi az ideális gáztörvényt. A reális relatív sűrűség kifejezést akkor használjuk, ha mind a gázt, mind a levegőt reális közegnek tekintjük.” Jele: d Mértékegysége: Az ideális és reális gáz sűrűségének számítása:

Mi ideális gáz esetén Mlev i=1 z (t,p) reális gáz esetén d(p, t) = d0 ⋅ lev z kev (t,p) n

d0 = ∑ x i ⋅

ahol d0- az ideális gáz relatív sűrűsége xi- az i-edik komponens moltörtje (-) Mi- az i-edik komponens moltömege (kg/kmol) Mlev- a standard összetételű száraz levegő moltömege (kg/kmol) zkev(t,p)- a standard összetételű száraz levegő kompressziós tényezője zlev(273,15 K; 101 325 Pa)=0,99941 zlev(288,15 K; 101 325 Pa)=0,99958 zlev(293,15 K; 101 325 Pa)=0,99963 zkev(t,p)- a gáz kompressziós tényezője adott nyomáson és hőmérsékleten


24


Wobbe index „Adott referenciaállapotra megadott, térfogategységre vonatkoztatott égéshő és a vele azonos mérési referenciaállapotban meghatározott relatív sűrűség négyzetgyökének hányadosa.” Jele: Wf (felső Wobbe-szám) és Wa (alsó Wobbe-szám) Mértékegysége: MJ/m3, kWh/m3 A reális gáz Wobbe-számának számítása:

Wf,a =

Hf,a (t,p) d(t,p)

ahol Hf,a- a gázkeverék hőértéke adott hőmérsékleten és nyomáson (MJ/m3) d- a gázkeverék relatív sűrűsége ugyanazon vonatkoztatási feltételek mellett (-)

Kompressziós tényező „Meghatározott nyomású és hőmérsékletű gáztömeg tényleges (valós) térfogata osztva a fizikai gáztörvényből azonos körülményekre számított térfogatával.” Jele: z(p,T) Mértékegysége: A reális gázra jellemző kompressziós tényező számítása:

n  z(t,p) = 1− ∑ x i ⋅ b i   i=1 

2

ahol az összegzés elvégzendő a keverék összes n db komponensére xi- az i-edik komponens moltörtje (-)

b i - az un. összegzési tényező (az ISO 6976 szabvány 2. táblázatából) A minta földgázok (F1-F5) és minta biogázok (B1-B5) keveredési vizsgálataihoz egy Excel táblázatot fejlesztettem ki, mely a 11 db éghető és az 5 db nem éghető komponensre redukált gázösszetétel alapján határozza meg az adott földgáz és biogáz különböző arányú keverésével létrejövő elegy gázminőségi paramétereit. A legmagasabb rendű szénhidrogén összetevő a hexán+ (C6+), melyet még a szén-monoxid, a hidrogén és a hidrogén-szulfid gyarapít, mint éghető komponens. A nem éghető komponensek öt típusát tartalmazza még a számítás úgymint, a szén-dioxid, nitrogén, oxigén, vízgőz és az argon. Ezek a célszerűen összeválogatott fő- és mellékösszetevők egyértelműen meghatározzák a keverék gáz anyagjellemzőit, fizikai és tüzeléstechnikai tulajdonságait. A biogázokban és földgázokban ezeken túlmutatóan előforduló nyomösszetevők az így kapott gázjellemzők értékeit csak elhanyagolható mértékben változtatják, ezért azokkal a keveredési számításoknál nem szükséges foglalkozni. A számítások során, az egyes komponensek gáztechnikai normál hőmérsékleten (15 °C) és fizikai normál nyomáson (101 325 Pa) vett anyag- és tüzeléstechnikai jellemzőit a 3.3. és 3.4. táblázatok tartalmazzák. Akkor, ha az adott jellemző nem gáztechnikai, hanem fizikai normálhőmérsékleten (0°C) lett figyelembe véve, minden esetben jelölésre került. A táblázat minden egyes oszlopában jelölésre került a feltüntetett értékek irodalmi forrása, mivel nem állt rendelkezésre olyan szakirodalom, ahol minden jellemző egy helyen megadásra került volna. A számítások során bizonyos állandók 288,15 K hőmérsékletre és 101 325 Pa nyomásra vonatkoztatott értékei a következők: az univerzális gázállandó: R=8,314510 J/(mol·K) a száraz levegő moláris tömege: Mlev=28,9626 kg/kmol a száraz levegő eltérési (kompressziós) tényezője: Zlev=0,99958 a száraz levegő sűrűsége: ρlev=1,225410 kg/m3 (MSZ ISO 6976)


25


Mi

30,070

44,097

58,123

58,123

72,150

72,150

86,177

C 3H8

C4H10

C4H10

C5H12

C5H12

C6H14

C7H16

Propán

i-Bután

n-Bután

i-Pentán

n-Pentán

n-Hexán

n-Heptán C6+

34,082

H2 S

CO2

Hidrogén-szulfid

Szén-dioxid

39,948 28,963

Ar

22,3937 22,4004

1,7839 1,2930

0,8329

1,4291

1,2503

1,9774

1,5361

1,2503 0,0899

4,8880

4,2038

3,4542

3,4266

2,7009

2,6889

2,0108

1,3553

150,65 132,450

647,14

154,58

126,20

304,20

373,60

132,85 33,20

539,20

506,40

469,69

460,39

425,14

408,13

369,82

305,83

190,58

4 866 3 771

22 064

5 043

3 390

7 386

9 005

3 494 1 297

2 740

3 303

3 364

3 381

3 784

3 648

4 250

4 880

4 604

kPa

pc

Kritikus nyomás [1]

0,000 0,000

1,880

0,000

0,000

0,000

23,780

11,960 12,102

205,420

177,550

149,660

149,360

121,790

121,400

93,940

66,070

MJ/m 37,706

3

3

0,000 0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

21,910

11,960 10,223

190,390

164,400

138,380

138,090

112,400

112,010

86,420

60,430

MJ/m 33,948

Ha

15/15 C0 [1]

Hf

Fűtőérték

Égéshő 15/15 0C [1]

0,9992 0,9996

0,9450

0,9992

0,9997

0,9944

0,9900

0,9995 1,0006

0,8660

0,9130

0,9370

0,9480

0,9650

0,9680

0,9821

0,9915

0,9980

z

Kompreszsziós tényező [1]

0,0283

0,2345

0,0283

0,0173

0,0748

0,1000

0,0224 0,0048

0,3661

0,2950

0,2510

0,2280

0,1871

0,1789

0,1338

0,0922

0,0447

(bi)1/2

Összegzési tényező [1]

Fajhő

1,859 0,523 1,004

0,915

1,039

0,815

1,398 0,318 0,716

0,655

0,742

0,626

0,821

10,076

14,200 1,068

1,512 0,743

1,512

1,484

1,484

1,456

1,456

1,361

1,453

1,638

cv kJ/kgK

1,608 1,040

1,608

1,599

1,599

1,599

1,599

1,549

1,729

2,156

cp kJ/kgK

1013,25 mbar 0 0C [3]

1,330 1,688 1,401

1,397

1,400

1,302

1,301

1,409

1,063 1,400

1,063

1,077

1,077

1,098

1,098

1,138

1,190

1,316

κ

Izentrópikus kitevő [3]

3.3. táblázat A fő- és mellékösszetevők anyagjellemzői 15 °C hőmérsékleten és 1013,25 mbar nyomáson

Forrás: [1] MSZ ISO 6976, 1997 [2] N.V. Nederlandse Gasunie, 1980 [3] Cerbe, 2007 [4] Meszléry, 1978 [5] Joos, 2005

Argon (nemesgázok) Levegő (száraz)

21,6290

18,015

H 2O

Vízgőz

22,3914

31,999

Oxigén

O2

N2

Nitrogén

22,4049

22,2569

22,1875

22,4026 22,4362

20,5000

20,5000

20,8874

21,0556

21,5195

21,6159

21,9297

22,1875

K

Tc

kg/m 0,7175

3

ρi

Vi

m /kmol 22,3600

3

Kritikus hőmér-séklet [1]

Sűrűség []

Móltérfogat [2]

28,014

44,010

28,010 2,016

CO H2

Szén-monoxid Hidrogén

100,204

16,043

CH4

C 2H6

Etán

kg/kmol

Metán

Összetétel



Moláris tömeg [1]

-

-

-

-

0

75

10

10

10

10

10

33

43

100

MZ

12,550 21,950 17,811

19,980

17,260

14,488

12,688

8,700

6,091 17,350

6,245

6,563

6,563

7,243

7,305

7,920

9,105

10,740

η -6 *10 Pa·s

Dinamikai Metánszám viszkozitás [3] [4]


26

Biogáz és földgáz minőség 0,4400

0,0864

0,0915

0,0915

0,1030

267,0

40,0 40,0

40,0

40,0

40,0

37,0

37,0

40,0

40,0

35,0

cm/s

umax,n 3

1,5138

0,4990

12,0149 0,4997

10,3765

8,5760

8,5076

6,7634

6,7332

5,1053

3,5322

2,0028

3

m /m

Sztöchiometrikus oxigén szükségelt [2] 3

7,2292

2,3830

57,3777 2,3863

49,5535

40,9551

40,6285

32,2989

32,1547

24,3806

16,8682

9,5645

3

m /m

Sztöchiometrikus levegő szükséglet (száraz) [2] 3

0,0022

0,0007

7,6170 0,9942

6,5290

5,3400

5,2974

4,1468

4,1282

3,0521

2,0113

0,9982

3

m /m

Keletkező CO2 [2] 3

5,6460

1,8611

44,8125 1,8639

38,7017

31,9859

31,7305

25,2252

25,1127

19,0411

13,1739

7,4698

3

m /m

Keletkező N2 [2] 3

0,0672

0,0222

0,5334 0,0222

0,4607

0,3807

0,3777

0,3003

0,2989

0,2267

0,1568

0,0889

3

m /m

Keletkező Ar [2] 3

0,9748

0,9640

8,4408 0,0000

7,3857

6,2131

6,1635

5,0255

5,0031

3,9452

2,9245

1,9346

3

m /m

Keletkező H2O [2] 3

0,9890

0,0000

0,0000 0,0000

0,0000

0,0000

0,0000

0,0000

0,0000

0,0000

0,0000

0,0000

3

m /m

Keletkező SO2 [2]

3.4. táblázat A fő- és mellékösszetevők tüzeléstechnikai jellemzői 15 °C hőmérsékleten és 1013,25 mbar nyomáson

Forrás: [1] MSZ ISO 6976, 1997 [2] N.V. Nederlandse Gasunie, 1980 [3] Cerbe, 2007 [4] Meszléry, 1978 [5] Joos, 2005

0,0400

0,8000

0,0400

0,0099 0,1250

C7H16

n-Heptán C6+

H2S

0,0110

C6H14

n-Hexán

Hidrogén-szulfid

0,0842 0,8000

0,0138

C5H12

n-Pentán

CO H2

0,0138

C5H12

i-Pentán

Szén-monoxid Hidrogén

0,0168

C4H10

n-Bután

0,1030

0,0168

0,1138

0,0205

C3H8 C4H10

0,1534

0,1553

i-Bután

0,0282

Zf 3 3 m /m

Propán

0,0436

CH4 C2H6

Etán

Za 3 3 m /m

Metán

Összetétel


Alsó Felső gyulladási gyulladási koncentrác. koncentrác. levegőben levegőben Max. normál 1013,25 mbar 1013,25 mbar láng-terjedési 0 0 20 C 20 C sebesség [4] [4] [4]


27


3.6.1. További számítási összefüggések Az előző táblázatokban megadott fizikai paraméterek alapján a gáz jellemzői az alábbiakban megadott összefüggésekkel lettek meghatározva. Az egyes paraméterek indexei és jelölései csak abban az esetben kerültek feltüntetésre, ha még nem szerepeltek az eddigiekben. A reális gáz anyag- és tüzeléstechnikai jellemzői 15 °C hőmérsékleten és 1013,25 mbar nyomáson: n

Moláris tömeg:

Mkev = ∑ x i ⋅ Mi (kg/kmol) i=1

2

Gázsűrűség:

n  z kev = 1− ∑ x i ⋅ b i  (-)   i=1 n M z d = ∑ x i ⋅ i ⋅ lev (-) Mlev z kev i=1 ρ gáz = d ⋅ ρlev (kg/m3)

Alsó hőérték (fűtőérték):

Hkeva = ∑ x i ⋅ Hai ⋅

Kompressziós tényező: Relatív sűrűség:

Felső hőérték (égéshő):

n

1

i=1

z kev

n

1

i=1

z kev

Hkevf = ∑ x i ⋅ H fi ⋅

Alsó Wobbe-szám:

Wkeva =

Felső Wobbe-szám:

Wkevf =

Hkeva

(MJ/m3)

(MJ/m3)

d Hkevf

(MJ/m3)

(MJ/m3)

d

A gáz fajhője 1013,25 mbar nyomáson, 0 °C fizikai normál hőmérsékleten

x i ⋅ Mi ⋅ c pi (kJ/(kg·K)) i=1 ρ kev ⋅ Vi

n

állandó nyomáson:

n

c pkev = ∑ s i ⋅ c pi = ∑ i=1

x i ⋅ Mi ⋅ c vi (kJ/(kg·K)) i=1 ρ kev ⋅ Vi

n

illetve térfogaton:

n

c vkev = ∑ s i ⋅ c vi = ∑ i=1

A gáz fajhőviszonya:

κ=

c pkev

(-)

c vkev B = x CO2 + x N2 + x O2 + x H2O + x Ar (mol%)

A gáz inerttartalma: A gázkeverék dinamikai viszkozitása elsősorban az éghető gázok cserélhetőségi kérdésénél bír jelentős szereppel, ott, ahol kis gázfúvóka átmérők és kis hőterhelés érékek mellett lamináris áramlás alakulhat ki. Kisnyomású gázkeverékek dinamikai viszkozitásának számítására a Herning-Zipper féle összefüggés használható (Meszléry, 1978). 10 mol%-nál kevesebb hidrogéntartalom esetén az összefüggés hibája legfeljebb 2 %. Mivel a földgázok és a vizsgált biogázok ettől magasabb arányban nem tartalmazhatnak hidrogént, ezért a következő összefüggés alkalmazható a gázkeverék dinamikai viszkozitásának meghatározásához: n

ηkev =

∑ x ⋅η ⋅ i

i=1

n

∑x ⋅ i=1


i

i

Mi (Pa·s)

Mi

28


ahol xi- az i-edik alkotó moltörtje (-) ηi- az i-edik alkotó dinamikai viszkozitása (Pa·s) Mi- az i-edik alkotó moláris tömege (kg/kmol) A gáz metánszáma főként a gáz gázmotorokban való eltüzelése szempontjából kiemelt fontosságú, értéke mára már alapvető követelménynek számít a felhasználók szempontjából. Mivel a gázösszetétel alapján történő meghatározása nem oldható meg additív úton az egyes komponensek metánszámának és térfogatarányának az ismeretében, ezért a kérdéskör részletesebb vizsgálata szükséges. A metánszámot általában egy kísérleti motorban határozzák meg, amelynél a vizsgálandó gáz kopogásállóságát metánból és hidrogénből álló megfelelő arányú keverék kopogásállóságával hasonlítják össze. Azon keverék metán térfogati aránya adja a vizsgálandó keverék metánszámát melynek kopogásállósága megegyezik a vizsgált gázéval. A tiszta metán metánszáma MZCH4=100, a hidrogéné MZH2=0 (a kopogásnak kedvez). Magasabb rendű szénhidrogének hozzáadásával a metánszám csökken, az inert alkotórészek (pl. CO2) viszont emelik azt. Magasabb inertanyag hányadnál (pl. biogázok) 100 fölötti érték is előfordulhat. Ezzel szemben a gyakorlatban alkalmazott gázmotorok MZ=60-90 értéket igényelnek. Egy gázkeverék összetevőiből a metánszám számszerű meghatározására csak közelítő pontossággal és körülményes számítási eljárással van lehetőség, melyre a jelölt irodalom (Joos, 2005) ad útmutatást. Ennek értelmében a keveréket meghatározott két- vagy háromkomponensű csoportokra kell osztani úgy, hogy ezen keverékek metán-számai már ismertek legyenek és ezen csoportok metán számai legfeljebb öt egységgel különbözzenek egymástól. A komponens csoportok metánszámaiból a teljes keverék (inert gázok nélküli) metán száma lineáris keverési képlettel határozható meg:

MZ' =

1 n ⋅ ∑ x i ⋅ MZ i (-) 100 i=1

Mivel a gázkeverékek kopogásállóságát legtöbbször csak néhány komponens határozza meg, ezért bizonyos egyszerűsítések is alkalmazhatók a keverékcsoportokra való felosztáskor, például az iso- és normál-butántartalmak összeadhatók. Ennek megfelelően a lényeges alkotókra redukált minta további szabályok szerint 3-3 összetevős részkeverékekre bontandó. Az ezekre jellemző háromszög diagramokból a keverékekre jellemző metánszámok meghatározhatók. A két metánszámból a fenti lineáris keverési képlet alapján az inert gázok nélküli keverék metánszáma (MZ’) számítható. Magas CO2 és N2 tartalmú gázok esetén (tipikus biogázok) az inertgáz tartalom elhanyagolása mellett számított metánszámot (MZ’) egy, ezen komponensek kopogásállóság-növelő hatását figyelembe vevő korrekcióval kell ellátni (MZ’’), melyet egy háromkomponensű CH4 - CO2 N2 keverék metánszám (fiktív metánszám) diagramjából kapunk. Ekkor az éghető keverék metánszáma: MZ = MZ'+(MZ' '−100) (-) Példaként kiszámításra került a jelzett irodalom alapján az (F1) jelű (jelentős metán tartalmú) (3.5. táblázat), az (F4) jelű (jelentősebb etán tartalmú) és az (F5) jelű (magas inert tartalmú) földgáz összetétel. A metánszámokra a következők adódtak: MZF1=92,5; MZF4=88,2 és MZF5=92,4. Látható, hogy a magasabb rendű szénhidrogének jelentősen csökkentették az értéket (F4), viszont a magasabb szén-dioxid tartalmú gáz esetében a metánszám az (F1) gázzal közel azonosnak adódott. Ez abból következik, hogy bár a viszonylag sok inert tartalom (~19 mol%) megemelte a keverék metánszámát, de a ~4 mol%-nyi magasabb rendű szénhidrogén ezt ellensúlyozta. Biogázok esetében a metánszám számítása nem ilyen egyértelmű. A biogázok fő összetevőin, a metánon és a szén-dioxidon túlmutatóan éghető és inert, akár jelentősebb mennyiségben előforduló nyomösszetevő is lehet bennük. Éppen ebből adódóan a keverékek metánszáma csak vizsgálómotorban történő mérés során állapítható meg pontosan. Abban az esetben, ha a fenti számítási eljárást alkalmazzuk a minta biogáz összetételekre (B1-B5), az inert gázok nélküli metánszám minden esetben MZ’=100-nak adódik, hiszen csak a metánt, mint fő


29


éghető összetevőt vettük számításba. Ez megközelítőleg helyes eredményt ad abban az esetben, ha a gáz nem tartalmaz jelentősebb mennyiségben (> 1 mol%) egyéb éghető komponenst. A gáz inert tartalmából adódó fiktív metánszám (MZ’’) minden esetben 100 feletti érték. Tehát tulajdonképpen ez az érték adja a keverék tényleges metánszámát (MZ). Elvégezve a számítást a (B2) és a (B5) jelű minta biogáz összetételekre MZB2=140 és MZB5=114 adódott. A (B2) jelű 39 mol%, a (B5) jelű 14 mol% szén-dioxidot tartalmaz. Látható tehát a biogázok inert tartalma és a metánszámuk közötti nagyon szoros összefüggés. 1

Összetétel CH4



Metán

2

A redukált öszetétel F1 Redukálás átszámía jelentős Beregtása alkotódaróc 100 részekre 2H mol%-ra mol% mol% mol% 97,913% 97,91 98,76

Etán

C2 H6

0,814%

0,81

0,82

Propán

C3 H8

0,284%

0,28

0,29

i-Bután

C4H10

0,051%

0,13

0,13

n-Bután

C4H10

0,053%

i-Pentán

C5H12

0,010%

n-Pentán

C5H12

0,008%

Hexán+

C6 +

0,009%

Szén-monoxid Hidrogén Hidrogén-szulfid

CO H2 H2 S

Szén-dioxid

3

4

Két részkeverék képzése

A részkeverékek átszámítása 100 mol%-ra

I. mol% 50,00

I. mol% 98,19

II. mol% 48,76

Az inertgáz tartalom révén történő kopogásállóság növekedés II. kiszámítása mol% mol% 99,35 99,14

1,61

0,82 0,29 0,10

5

0,03

0,58 0,20

0,06

CO2

0,054%

0,0543

Nitrogén

N2

0,804%

0,8043

Oxigén

O2


H2 O Ar Összesen:

100,00%

99,14

100,00 yi

50,92

A részkeverék metánszámok megfelelők!

A keverék metánszáma: MZ=MZ'+(MZ''-100)

92,5

49,08

100,00

MZi=

90 CH4C2 H6 n-C4H10

100,00

100,00

95 MZ''= CH4C3 H8 n-C4H10

100 CH4CO2N2

3.5. táblázat Gázkeverék metán számának közelítő számítása A számítás bonyolultságára való tekintettel csak azokban az esetekben került meghatározásra a keverékek metánszáma, ahol ez a számítási eljárás, vagy a komplex értékelés miatt szükségessé vált. A szolgáltatott gázok szempontjából meg kell különböztetni a vízharmatpont és a szénhidrogén-harmatpont fogalmait. A földgázhálózatban lévő gáz maximális vízgőztartalmára az MSZ 1648 szabvány ad útmutatást. Távvezetéki hálózatban 0,17 g/m3, regionális hálózatban 1,0 g/m3 lehet a vízgőztartalom. Gyakorlatilag ezek a gázok a rendszer szempontjából száraz gáznak tekinthetők, a Magyarországon rendszeresített szállítási- és elosztás nyomásokon ilyen vízgőzmennyiség mellett vízkondenzáció nem következhet be. A hálózatba betáplált biogázok nedvességtartalmának ezt az értéket mindenképpen teljesítenie kell, hiszen a nélkül nem éri el a szabvány ide vonatkozó rendelkezését. A biogázok előkészítési technológiája minden felhasználási mód esetén megköveteli a vízgőztartalom jelentős mértékű redukálását. Ilyen szempontból a probléma további vizsgálata nem szükséges. Annál nagyobb problémát jelenthet viszont a rendszerben bekövetkező szénhidrogén kondenzáció. Egy adott gázösszetétel esetén az ahhoz az összetételhez tartozó harmatponti görbe adja meg a kondenzáció nyomás- és


30


100

0

Hőmérséklet ( C)

hőmérséklet közötti összefüggését. A problémát a magasabb szénatomszámú komponensek jelentik. A kérdés vizsgálatára az ad okot, hogy a biogázok felhasználása, illetve földgázhálózati betáplálása elvi lehetőséget kínál a kisebb metán térfogathányadra tisztított biogázok elsősorban kereskedelmi minőségű propánnal történő minőségjavítására. Ezt a minőségjavítási eljárást semmilyen jogszabályi vagy műszaki előírás nem korlátozza Magyarországon, ellentétben például Ausztriával és Svédországgal, ahol ez tiltott. A 3.4. ábra a kereskedelmi minőségű propán (P1), az (F1) és az (F5) összetételű minta földgáz és a (B3) összetételű minta biogáz harmatponti görbéit mutatja, 0…40 bar túlnyomás és -120…+120 °C hőmérsékleti tartományban. A felvázolt harmatponti görbék alá (illetve jobbra) eső terület a folyadék-, a felé (illetve balra) eső terület a gázfázis tartományát mutatja. A gázkeverékek termodinamikai jellemzőinek számítása a Peng-Robinson állapotegyenletre épülő SUPERTRAPP szoftverrel készült. Az MSZ 1648 szabvány M2.1 fejezete a szénhidrogén-harmatpont számítására szintén a Peng-Robinson-féle módszer használatát írja elő. (Tihanyi - Szunyog, 2004)

80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Túlnyomás (bar) P1

F1

F5

B3

3.4. ábra A vizsgált éghető gázok szénhidrogén-harmatponti görbéi Az ábrából egyértelműen látható, hogy a rendszerben szállított gáz harmatponti görbéjének igen fontos szerepe van a gázellátás biztonságának megítélésében. A vizsgált nyomástartományban a kereskedelmi propán (P1) elsősorban 10 bar alatti nyomásoknál jelenthet problémát. A szabvány szerinti 4 °C-os szénhidrogén-harmatponti hőmérsékleten a kereskedelmi propán 4,10 bar túlnyomás felett kondenzálódik. Mindez azt jelenti a gyakorlatban, hogy már a 4 bar-nál nagyobb üzemnyomású elosztóvezetékekben sem teljesül a harmatpont feltétel. A vizsgált földgázok közül a magas metán tartalmú (F1) minta esetében a szénhidrogén-harmatpont -60 °C körül adódik, mely a szállító és elosztó rendszerekben kizárható hőmérséklet. A magasabb inertanyag tartalmú földgázban (F5) a magasabb szénatomszámú szénhidrogének nagyobb mennyisége a szénhidrogén-harmatpontot pozitív irányba tolja el, de ez még mindig 0 °C alatt marad. Az MSZ 1648 szabvány értelmében 40 bar túlnyomáson +4°C lehet legfeljebb a harmatpont. A (B3) jelű jellemző biogáz minta összetétel harmatpont értékei bár intenzívebb ütemben növekednek mint a földgázoké, azonban a vizsgált


31


nyomástartományban még így is az (F5) jelű 2S csoportba tartozó földgáz értékei alá esnek. Problémát csak a biogázok kereskedelmi propánnal történő minőségjavítása jelenthet. A vizsgálatból egyértelműen következik, hogy a biogázok földgáz minőségűre történő előkészítése, vagy a földgázzal való keverésük, összetételükből adódóan, nem eredményez(het) szénhidrogén-kondenzációt, köszönhetően többek között annak is, hogy csak nyomokban tartalmazhatnak magasabb rendű szénhidrogén komponenseket. Az adott gázkeverékek égéselméleti-, tüzeléstechnikai szempontból történő értékelésére a sztöchiometrikus eltüzelés számításai adnak elméleti alapot. Az értékek jó közelítéssel jellemzik, és összehasonlíthatóvá teszik az egyes gázkeverékeket az eltüzelésükkor végbemenő folyamatok oldaláról, azonban a gyakorlatban, az adott feltételek mellett megvalósuló folyamatokat nem képesek modellezni. Azok modellezéséhez és értékeléséhez minden esetben az adott készülékből származó mérési eredmények szükségesek, hiszen a készülék (égő) kialakítása, beállítása, üzemi paraméterei, a környezeti feltételek mind-mind módosítják a tényleges értékeket. A biogázok és földgázok, valamint azok keverékeinek a gázkészülékekre gyakorolt hatásának vizsgálata, minden esetben a sztöchiometrikus arányokra vonatkozik. Az éghető komponens a vizsgált mintagáz összetételek esetében lehet n-Heptán+ -al bezárólagosan szénhidrogén, szén-monoxid, hidrogén és kén-hidrogén. Az elméleti oxigénszükségletből levonandó a tüzelőanyagban esetlegesen előforduló oxigén mennyisége. A tökéletes tüzelés megvalósításához, adott éghető gáz összetétel esetén a következő elméleti oxigénmennyiség szükséges: n

VO2elm = ∑ VO2elm,i − VO2ta (m3/m3) i=1

ahol VO2elm,i- az egyes éghető komponensek sztöchiometrikus eltüzeléséhez szükséges oxigénmennyiség (m3/m3) VO2ta- a tüzelőanyagban esetlegesen előforduló oxigén mennyisége (m3/m3) A tüzeléshez szükséges elméleti levegőmennyiség az elméleti oxigénszükségletből számítható:

Vlevelm =

1 x O2lev

VO2elm (m3/m3)

ahol xO2lev- a standard levegőben lévő oxigén moláris aránya (20,946 mol% MSZ ISO 6976). Az égési hőmérséklet az a hőmérséklet, amelyre a tüzelőanyag égése során keletkező füstgáz a hőfelszabadulás révén felmelegszik. Ha eltekintünk a környezeti hőveszteségektől, akkor az elméleti égési hőmérsékletről beszélünk. Mivel a füstgáz fajhője a hőmérséklet függvénye, ezért az eredmény csak iteratív módon határozható meg. (Farkas - Nagy, 1984)

Telm =

Ha + Q elömel − Q dissz (K) Vfstg ⋅ c pfstg

ahol Ha- az egységnyi mennyiségű gázkeverék fűtőértéke (kJ/m3) Qelőmel- az égési levegő és fűtőgáz előmelegítésével a rendszerbe vitt energia (kJ) Qdissz- disszociációs hő (kJ) Vfstg- az egységnyi térfogatú gáz tökéletes elégetésekor keletkező füstgázmennyiség (kg) cpfstg- a füstgáz állandó nyomáson vett fajhője (kJ/kg·K) Az adott gázkeverék lángterjedési sebessége nem additív tulajdonság, számítani csak homogén gázkeverékek esetén, és azt is csak közelítő pontossággal lehet. Homogénnek viszont csak az inert komponensektől mentes földgáz tekinthető. Ennek értelmében az Biogáz és földgáz minőség

32


inert komponensektől mentes éghető gázok lángterjedési sebessége a Le Chatelier összefüggés értelmében (Farkas - Nagy, 1984; Günther, 1974): n

ult = Z kevátl ⋅

∑ i=1

x i ⋅ ulti Z átli n

∑x i=1

(cm/s)

i

ahol Zkevátl- a keverék alsó és felső gyulladási koncentráció határértékeinek átlaga (m3/m3) Zátli- az egyes komponensek alsó és felső gyulladási koncentrációinak átlagértékei (m3/m3) ulti- az i-edik komponens lángterjedési sebessége (cm/s) Ettől nagyobb pontosságú eredményeket szolgáltat inert gázokat is tartalmazó éghető gázok esetén a 10 megadott komponens mennyisége alapján számított regressziós egyenlet, melyet a Nagy G. - Farkas O-né. kutatási eredményeit is megjelenítő Tüzeléstan c. szakirodalom ajánl (1985) többek között Farkas K., Szemmelveisz T., Zabedakis M.G., Coward H.F, valamint Jones G.W. az inert komponensek hatására vonatkozó eredményeit is felhasználva. A regressziós egyenletekből számított lángterjedési sebesség: ult=-0,5984·10-4(CH4)+0,6081·10-1(C2H6)+0,5930·10-1(C3H8)+0,8840·10-2(C4H10)+ +0,1427·100(C5H12)+0,1894·10-1(C6H14)+0,3371·100(C7H16)+0,2887·101(C8H18)-0,3400·100(N2)-0,3404·100(CO2)+33,99 (cm/s) A fenti regressziós egyenlet 1-40 mol% inerttartalmú éghető gázok esetén ad nagy pontosságú értéket. Az adott korrekciós tényezőt a zárójelben lévő összetevő mol%-os arányával összeszorozva kaphatóak meg az egyes korrekciós faktorok. A fenti eljárás azon földgázok és biogázok esetén alkalmazható jelen kutatás esetében kellő pontossággal, melyek éghető komponensei között nem, vagy csak igen kis hányadban (< 1 mol%) található szén-monoxid, illetve hidrogén. Az az összetétel tartomány, melyben a gyulladás létrehozható, az éghető anyag koncentrációjával fejezhető ki. A gyulladási tartományt behatároló értékek az alsó és a felső gyulladási koncentrációhatárok, melyek homogén gázkeverékek esetében a Le Chatelier összefüggéssel a keverési szabály szerint nagy pontossággal számíthatóak:

B 1− B (m3/m3) Z kev = Z ékev B 1 + Z ékev 1− B 1 (m3/m3) Z ékev = n x éi ∑ i=1 Z i 1+

ahol Zékev- a keverék éghető részére számított alsó és felső gyulladási koncentrációhatárok (m3/m3) B- a keverék inerttartlama (mol%) xéi- az i-edik komponens térfogataránya (mol%) Zi- az i-edik komponens alsó (felső) gyulladási koncentrációhatára (m3/m3) Mivel tüzeléstechnikai értelemben csak az elhanyagolhatóan kis inerttartalmú földgázok tekinthetők homogén gázoknak, ezért pontosabb értéket ad biogázok (illetve nagy inerttartalmú földgázok) esetében az empirikus összefüggéssel számított alsó és felső


33


gyújtási koncentrációhatár (Nagy-Farkas, 1984). Ennek értelmében az alsó és felső gyújtási koncentrációhatárok: Zkeva=0,5193·10-6(CH4)-0,2984·10-1(C2H6)-0,5788·10-1(C3H8)-0,6893·10-1(C4H10)-0,1996·100(C5H12)-0,3296·100(C6H14)+0,2218·100(C7H16)-0,4222·100(C8H18)-0,1253·10-2(N2)+0,5850·10-2(CO2)+4,985 (m3/m3) Zkevf=0,7163·10-7(CH4)-0,3207·10-1(C2H6)-0,7982·10-1(C3H8)-0,8960·10-1(C4H10)-0,2269·100(C5H12)+0,2529·100(C6H14)-0,2082·100(C7H16)-0,6428·100(C8H18)-0,1484·10-2(N2)-0,6752·10-2(CO2)+15,00 (m3/m3) A fenti számítási eljárások csak olyan összetételek esetén alkalmazhatóak, ahol ezen komponensek együttes mennyisége nem éri el az 1 mol%-ot. A fajlagos füstgáztérfogat számítása az n=1, azaz levegőfelesleg nélküli sztöchiometrikus eltüzelés esetén a következőképpen alakul:

CO '2 = CO 2 + CO + 1CH4 + 2C 2H6 + 3C 3H8 + 4C 4H10 + 5C 5H12 + 6C 6H14 (m3 /m 3 ) H2 O ' = 2CH4 + 3C 2H6 + 4C 3H8 + 5C 4H10 + 6C 5H12 + 7C 6H14 + H2 + H2 S (m3 /m 3 ) O '2 = VO2elm ⋅ (n − 1) (m3 /m 3 ) N'2 = N2 +

VN2lev + VAr ⋅ n ⋅ VO2elm (m3 /m 3 ) VO2lev

SO '2 = 1H2 S (m3 /m 3 ) Ar ' = 1Ar (m3 /m 3 ) Az elméleti nedves és száraz füstgáztérfogat:

Vfsgnedv = CO '2 + H2 O ' + O '2 + N'2 + SO '2 + Ar ' (m 3 /m 3 ) Vfsgszár = Vfsgnedv − H2 O ' (m3 /m 3 ) ahol, a vesszővel ellátott komponensek a füstgázban lévőket jelölik, a vessző nélküliek, pedig a tüzelőanyagban és az égési levegőben lévőket. Mivel n=1, és tökéletes égést feltételezünk, ezért a füstgázban nem lehet jelen oxigén. Az égéstermék harmatpontja az a hőmérséklet, melynél elkezdődik a vízgőz kondenzációja légfelesleg nélküli (n=1) tüzelésnél. Az égéstermék harmatpontja az égéstermék elevezető rendszerek biztonságos működése szempontjából érdemel figyelmet. Az égéstermék harmatpontja az égéstermék vízgőz tartalmának segítségével számítható. Az égéstermék vízgőztartalmának parciális nyomása fizikai normálnyomáson a következőképpen számítható:

pH2O =

p n ⋅ (H2 O)' (mbar) 100

ahol pn- a normál légköri nyomás (1013,25 mbar) (H2O)’- az égéstermék vízgőztartalma (tf%), mely légfelesleg nélküli eltüzelés esetén adódik a legalacsonyabbnak. A vízgőz parciális nyomásának ismeretében a telítési állapothoz tartozó hőmérséklet és nyomásérték párok alapján az égéstermék harmatpontja visszakereshető. A számítások egyszerűsítése érdekében a táblázatosan megadott értékpárokra (Joos, 2005) különböző hatványkitevőjű egyenleteket illesztettem. A legpontosabb eredményeket a természetes logaritmus alapú egyenlet szolgáltatta: t fstg = 20,737 ⋅ Ln(1013,25 ⋅ x H2O ) − 49,16 ± 1,5 °C


34


80 Tényleges érték

0

Harmatponti hőmérséklet ( C)

A fenti egyenlet a +30…+80 °C közötti harmatponti tartományban legfeljebb 1,5 %-os hibával adja vissza a parciális telítési vízgőznyomás értékeit. A tényleges összetartozó értékeket a 3.5. ábrán kék folytonos vonal, a regressziós egyenlettel számított értékeket a piros szaggatott vonal mutatja.

70 Regressziós egyenlettel számított érték

60

50

40

30 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

A vízgőz parciális nyomása (mbar)

3.5. ábra A vízgőz harmatponti hőmérséklete parciális nyomásának függvényében normál légköri nyomáson Tiszta metán esetében az égéstermék harmatpontja 59,30 °C-nak adódik normál nyomáson. Egy 60 mol% metánt és 40 mol% szén-dioxidot tartalmazó keverék esetén a számítás 58,02 °C-t ad. Az égéstermék harmatpontja tulajdonképpen az égéstermék vízgőztartalmának függvénye, amely a kiindulási gázösszetétellel van szoros összefüggésben. Akkor lehet az égéstermékben a legmagasabb a vízgőz részaránya, ha tiszta metán kerül eltüzelésre (18,44 tf% H2O’). Mindez abból adódik, hogy a magasabb rendű szénhidrogének eltüzeléséhez (magasabb hőértékük miatt) szénatomszámuk arányának megfelelően több égési levegő szükséges. Ez a többlet levegőmennyiség kb. 3,76-szor több inert nitrogént tartalmaz, mint oxigént, tehát az égéstermék jelentősen hígul, azaz a harmatponti hőmérséklete csökken. Más kutatások értelmébe, a biogázok és földgázok különbözőségéből adódó fajlagos égéselméleti paraméterek megváltozása (alacsonyabb hőérték és égési levegő mennyiség) sincs különösebb hatással a füstgáz tömegáramokra. (Woperáné - Wagnerová - Sevcsik, 1999) Kijelenthető, hogy a magas inert tartalmú gázok, jelen esetben a biogázok eltüzelésekor n=1 levegőtényező mellett a képződő égéstermékek harmatpontja alacsonyabb lesz, mint tiszta metán eltüzelése esetén. A biogázokban előforduló inert komponensek (CO2, N2) tovább hígítják az égésterméket, ez által csökkentve a harmatponti hőmérsékletét. Légfelesleggel történő eltüzelés esetén az égési levegővel bevitt inert nitrogén mennyisége még tovább csökkenti a harmatponti hőmérsékletet. A biogázok eltüzelése a H és S minőségi csoportba tartozó földgázok eltüzelésére méretezett égéstermék elvezető rendszerekben nem okoz vízgőz kondenzációt. A gázminőségi paraméterek fenti módon származtatott értékeit a magyarországi biogáz betáplálás kalkulációjához használt, a 2-es fejezet végén definiált mintagáz összetételekre a 3.6. táblázat tartalmazza.


35

Biogáz és földgáz minőség 20,4333 21,1066 23,4431

140,0 -34,1

1,1845

14,6303

16,2498

14,8809

16,5282

1,2003

0,9030

1,3292

14,0719

57,00

~150,0

-42,2

Sűrűsége (ρ): Alsó hőértéke (Ha):

Felső hőértéke (Hf):

Alsó Wobbe-száma (W a):

Felső Wobbe-száma (W f):

Fajhő fizikai normálállapotban (cp):

Fajhő fizikai normálállapotban (cv):

Izentrópikus kitevője (κ):

Dinamikai viszkozitása (η):

Inerttartalom (B):

Metánszáma (MZ): Szénhidrogén harmatpontja 4MPa (thCH):

0,0533 6,6949

0,8319

3,4420

0,0000

0,0382

5,0513

4,2195

57,0

16,47

Füstgázösszetétel (H2O'):

Füstgázösszetétel (N2'):

Füstgázösszetétel (SO2'):

Füstgázösszetétel (Ar'): Nedves füstgáztérfogat (Vfstgnedv):

Száraz füstgáztérfogat (Vfstgszar):

Füstgáz harmatpont (tfstg):

Az égéstermék vízgőztartalma (pH2O'):

20,4

17,54

58,3

5,9120

7,1695

0,0578

0,0000

4,8654

1,2575

0,9888

22,1

2 391

14,7690

5,1827

6,2151

1,3018

0,0000

-38,7

134,0

35,00

12,5311

1,3118

1,0372

1,3606

26,0770

23,4780

24,5823

22,1323

1,0890

0,8886

0,9970

25,6715

trágyalé

DVGW G 262

Biogázok B3

17,86

58,6

6,5821

8,0137

0,0658

0,0000

5,5277

1,4316

0,9887

25,5

2 424

14,8312

5,1313

7,0278

1,4720

0,0100

-48,3

125,0

26,00

12,1800

1,3131

1,1432

1,5012

31,2285

28,1161

27,9783

25,1898

0,9836

0,8027

0,9973

23,1943

komm.szennyvíz

DVGW G 262

B4

18,13

59,0

7,4234

9,0678

0,0756

0,0000

6,3593

1,6444

0,9885

28,9

2 458

14,9040

5,0657

8,1275

1,7024

0,0000

-64,5

114,0

15,00

11,6122

1,3148

1,3140

1,7276

38,5472

34,7053

32,1261

28,9242

0,8512

0,6946

0,9976

20,0781

állati tetem

DVGW G 262

B5

18,35

59,2

8,6173

10,5535

0,0894

0,0000

7,5190

1,9363

1,0089

33,8

2 505

14,9345

4,9349

9,6144

2,0138

0,0000

-61,6

92,5

0,86

10,7714

1,3128

1,6184

2,1247

50,4066

45,4053

37,9727

34,2050

0,6954

0,5675

0,9979

16,4094

2H

Beregdaróc

F1

18,11

58,9

8,4745

10,3481

0,0873

0,0000

7,3478

1,8736

1,0394

32,3

2 493

14,7875

4,8595

9,3888

1,9666

0,0000

-45,5

91,1

5,89

11,0045

1,3053

1,4922

1,9477

46,6846

42,0944

37,0686

33,4239

0,7726

0,6305

0,9977

18,2253

2H

Hajdúszoboszló

F2

17,96

58,8

8,5476

10,4191

0,0878

0,0000

7,4243

1,8715

1,0355

31,8

2 479

14,6874

4,7883

9,4455

1,9785

0,0000

-21,2

84,9

7,44

11,1102

1,3017

1,4856

1,9337

46,5206

41,9765

37,2317

33,5950

0,7849

0,6405

0,9977

18,5162

2H

Szank

Földgázok F3

18,02

58,8

8,6284

10,5244

0,0888

0,0000

7,4810

1,8960

1,0586

32,4

2 499

14,7184

4,7894

9,5544

2,0013

0,0000

-49,8

88,2

5,89

10,9630

1,3013

1,4908

1,9400

47,1710

42,5591

37,7225

34,0344

0,7837

0,6395

0,9976

18,4852

2H

Algyő (reg.)

F4

17,67

58,4

7,6830

9,3324

0,0776

0,0000

6,5553

1,6494

1,0501

27,8

2 412

14,5929

4,9072

8,3502

1,7490

0,0000

-6,1

92,4

18,97

11,6870

1,2985

1,2653

1,6431

37,7252

34,0498

32,8850

29,6811

0,9311

0,7599

0,9973

21,9563

2S

Kardoskút (reg.)

F5

15,01

55,0

22,4662

26,4328

0,2282

0,0000

19,1641

3,9667

3,0739

39,8

2 881

11,3649

2,0415

24,5311

5,1383

0,0000

94,3

~33,0

0,00

7,9069

1,1369

1,3645

1,5513

77,0531

70,8903

96,2368

88,5397

1,9115

1,5599

0,9818

44,3775

LPG

Ely Energy

PB gázok P1

3.6. táblázat A magyarországi biogáz betáplálás kalkulációjához felhasznált mintagáz összetételek gázminőségi paramétereinek számított értékei

17,34

58,0

5,5341

0,0000

4,4919

1,1608

0,9889

15,6

0,7392

2 374

Füstgázösszetétel (CO2'):

2 343

Lánghőmérséklet (Telm):

5,2119 14,7352

Lángterjedési sebesség (ult):

5,1376

14,7566

3,9680

Elméleti levegő szükséglet (Vlevelm):

Felső gyulladási koncentrációhatár (Zf):

5,7370

0,8311

Alsó gyulladási koncentrációhatár (Za):

1,2017

0,0301

Elméleti oxigén szükséglet (VO2elm):

0,0000

40,00

12,7309

1,3111

0,9859

1,2926

22,6952

0,9372

Tüzelőanyagban lévő oxigén (VO2ta):

Tüzeléstechnikai jellemzők

1,1485

0,9666

Relatív sűrűsége (d):

0,9968

0,9978

27,0698

27,9447

házt. szemét

Moláris tömege (M):

DVGW G 262 komm.szennyvíz

DVGW G 262

Kompressziós tényező (z):

Gázminőségi paraméter Anyagjellemzők

B2

B1

Mértékegység

3

3

- ± 1,5 0C - tf%

- m /m - m3/m3 - m3/m3

3

- m3/m3 - m3/m3

- m3/m3 - m3/m3

- m /m - 0C - cm/s

3

- m3/m3 - m3/m3

- m3/m3 - m3/m3

- 0C

- ± 2 MZ

17,9087 *10-6 Pa·s 100,00 mol%

1,4007 -

0,7166 kJ/kg·K

- MJ/m 1,0037 kJ/kg·K

3

- MJ/m3 - MJ/m3

1,2254 kg/m3 - MJ/m3

1,0000 -

0,9996 -

28,9632 kg/kmol

MSZ ISO 6976

Levegő L1


36


4. Betáplálásra vonatkozó műszakiszabályozási feltételrendszer 4.1. Nem-konvencionális gázok földgázhálózati betáplálására vonatkozó minőségi előírások A nem-konvencionális, azaz a nem hagyományos értelemben vett gáz alapú energiahordozók mellett (földgázok) egyre nagyobb igény jelenik meg a megújuló energiaforrásokból származó éghető gázok (biogázok), a szén alapú gázok, valamint az elgázosításból származó (biomasszából vagy kémiai folyamatokból) hidrogénben gazdag gázok iránt. Ahhoz, hogy ezek a gázok a földgázhálózatot elérve, abba betáplálhatóak legyenek, a megfelelő jogi - szabályozási keretek kidolgozása mellett a gyakorlatban is alkalmazható, a betáplálást műszaki oldalról szabályozó, lehetőség szerint európai szintű szabványok/előírások szükségesek. Jelenleg ilyen európai érvényű, egységes műszaki szabályozás nem létezik. Léteznek viszont egyes európai országokban a betáplálásra vonatkozó szabályok. 2009 első felében hat európai országban van hatályban a földgázhálózatba táplálandó nem-konvencionális gázok minőségére vonatkozó követelmény. A betáplálás műszaki megvalósítására csak néhány ország (pl. Németország) ír elő ide vonatkozó irányelveket, melyek önmagukban csak keretfeltételeket és ajánlásokat tartalmaznak, konkrét előírásokat nem. Alapvető követelmény, hogy a biogáz földgáz hálózatba történő betáplálása esetén a keverék gáznak (ami lehet önállóan a biogáz, a biogáz és hálózati földgáz keveréke, vagy a biogáz és minőségjavító adalékgáz keveréke) el kell érnie a helyi hálózatban szolgáltatott gáz minőségi követelményeit. Ezt két módon lehet teljesíteni: a hálózatba betáplált biogáz már eleve eléri a gázminőségre vonatkozó helyi paramétereket, azaz a betáplálásra kerülő gáz biometán (cseregázok), vagy a hálózati földgáz és a betáplált biogáz keverékének kell a minőségi határértékeken belül maradnia (adalékgázok). A teljes értékű cseregáz betáplálása általánosságban elfogadott, az adalékgázként történő betáplálás viszont gyakran szembekerül a hálózat-üzemeltetők álláspontjával, így ezt kevésbé alkalmazzák (bár műszakilag nem okoz problémát). A 4.1. táblázat a cseregázként és az adalékgázként történő betáplálás erős és gyenge pontjait hasonlítja össze. (SGC, 2001) Tényező Megbízhatóság Flexibilitás Termelési költség Keverési költség Elfogadottság

Biogázok és a hálózati földgáz keverése cseregázként adalékgázként magas alacsony magas alacsony magas alacsony alacsony magas magas alacsony

Forrás: SGC, 2001.

4.1. táblázat A csergázként és az adalékgázként történő betáplálás összehasonlítása


37


Összefoglalva, a biogáz betáplálás műszaki követelményeit négy szempontból célszerű megközelíteni azt: Gázminőségi oldalról: a betáplált gáz csak a hálózati gázzal megegyező minőségű cseregáz (biometán), vagy korlátozott mennyiségben betáplálható adalékgáz lehet (cseregáz vagy adalékgáz). Biztonsági oldalról: a biogáz a földgázhoz hasonlóan robbanásveszélyes közeg, ezért a földgázzal egyenértékű biztonsági intézkedések megléte szükséges. A biogázok relatív sűrűsége nagymértékű inertanyag tartalmuk miatt akár meg is haladhatja a gáztechnikában igen szigorú feltételként szereplő 1,0-s értéket. Ebben az esetben nem a földgázokra, hanem a propán-bután gázokra vonatkozó biztonsági követelmények alkalmazandóak. Hálózati oldalról: figyelembe kell venni a hálózatkapacitást, a betáplálási pontok számát, a téli csúcsigényeket, a hálózat topológiáját, az üzemtől való távolságát, a vezeték nyomásfokozatát. Mennyiségi oldalról: figyelembe kell venni a napi és éves szinten vett fogyasztás gyakorisági értékeit, valamint a betáplálható biogáz mennyiségét. Egy adott ellátási területre bejuttatható biogáz mennyisége több hálózati paraméter ismeretében határozható meg, mint a nyomásértékek, vezetékátmérők, hálózati felépítés, minimális gázelvétel, stb. Jelen értekezés csak a gázminőségi, és az ebből származó biztonsági kérdések vizsgálatával foglalkozik.

4.1.1. A gázminőséggel szemben támasztott követelmények A végfelhasználók szempontjából a megtermelt biogázok az alábbi előkészítési csoportokba sorolhatók: előkészítés nélküli ’nyers’ biogázok, közvetlen eltüzelésre alkalmassá tett biogázok, gázmotorokban vagy mikroturbinákban eltüzelésre alkalmassá tett biogázok, tüzelőanyag-cellákban történő felhasználásra előkészített biogázok, lokális helyi elosztóhálózatokban való továbbításra és felhasználásra alkalmassá tett biogázok, földgáz hálózatban földgázzal vagy minőségjavító gázzal (pl. propán) való keverés után szolgáltatásra alkalmassá tett biogázok, földgáz hálózatba keverés és mennyiségi korlátozás nélkül betáplálható biogázok (biometán), gépjármű üzemanyagként való felhasználásra alkalmassá tett biogázok (tkp. ez is biometán). A legtöbb, a hálózatba betáplálandó nem-konvencionális gáz minőségére vonatkozó előírás alapját a földgázok minőségére vonatkozó szabályozások adják, kiegészítve az olyan mellékösszetevőkre és kísérőanyagokra vonatkozó mennyiségi határokkal, melyek a földgázokban nem, vagy nem nagy gyakorisággal, de a biogázok különböző típusaiban előfordulhatnak. A földgázokra vonatkozó szabályozások főként nemzeti hatáskörben készülnek, illeszkedve az adott országban elérhető gázminőségekhez és az évtizedek során kialakult szolgáltatási gyakorlathoz. A földgáz Wobbe-számára, hőértékére, kéntartalmú összetevőire, valamint szénhidrogén- és vízharmatpontjára szinte minden esetben vonatkozik határérték előírás. A vizsgált hat európai országban érvényben lévő, nem-konvencionális gázok földgázhálózati betáplálására vonatkozó gázminőségi követelményeket a 4.2. táblázat szemlélteti. (Forrásalap: Marcogaz, 2006; Polman, 2007; Poinsignon, 2008)


38


Svájc Ausztria

Metán (CH4)

> 96 %

Szén-dioxid (CO2)

<3%

Franciaország

Németország

< 2,5 %

Szén-monoxid (CO)

<6%

<2% 3

Hollandia

Svédország

> 85 % <6%

3

< 10 mg/m

Kénhidrogén (H2S)

< 5 mg/m

3

Merkaptánok

< 6 mg/m

3

Oxigén (O2)

< 0,5 %

< 0,01 %

< 0,5 %

< 0,5 %

<4%

<6%

<5%

Vízgőz (H2O) CH harmatpont

< 30 mg/m

< 30 mg/m

3

< 5 mg/m (H2S+COS) < 6 mg/m

vízharmatpont 0 < -8 C/40 bar

< 5 mg/m

3

< 5 mg/m

3

0

3

3

< 10 mg/m

talaj hőmérsékleten*

< -2 C/ (1-70 bar)

0

< 45 mg/m

3

< 15 mg/m

vízharmatpont 0 < -5 C/MOP

0 C/OP

3

3

<3%

<4%

<6%

< 23 mg/m

3

< 30 mg/m

< 10 mg/m

3

< 5 mg/m

3

< 30 mg/m

3

< 5 mg/m

< 0,5 %

< 0,5 %

< 12 %

< 0,5 %

<5%

<5%

vízharmatpont 0 < -10 C/8 bar

vízharmatpont 0 < -60 C 3 és < 32 mg/m

< 60 mg/m

3

3

3

< 60 mg/m

3

0

-20...+20 C

3

13,64-15,70 kWh/m 12,8-15,7 kWh/m (H gáz) (H gáz) 3 3 12,07-12,34 kWh/m 12,6-13,5 kWh/m 3 3 12,01-13,00 kWh/m 10,5-13,0 kWh/m (L (L gáz) gáz) 3

47,9-56,5 MJ/m

> 50 %

< 1,0 %

0

Wobbe-szám

> 96 %

3

0…+40 C

13,3-15,7 kWh/m

> 97 %

talaj hőmérsékleten*

Betáplálási hőmérséklet

3

Korlátozott betáplálás

<1% 3

Összes kén (S)

Hidrogén (H2)

Korlátlan betáplálás

13,3-15,7 kWh/m

3

3

46,1-56,5 MJ/m (H gáz) 3 43,46-44,41 MJ/m 3 37,8-46,8 MJ/m (L gáz)

49,1-56,5 MJ/m (H gáz) 3 43,2-46,8 MJ/m (L gáz)

45,4-48,5 MJ/m

3

47,9-56,5 MJ/m

3

3

10,7-12,8 kWh/m

3

Felső hőérték

10,7-12,8 kWh/m (H gáz) 3 9,5-10,5 kWh/m (L gáz)

3

8,8-10,1 kWh/m

3

31,6-38,7 MJ/m

8,4-13,1 kWh/m

3

11,0-12,0 kWh/m

3

39,6-43,2 MJ/m

3

10,7-13,1 kWh/m

3

3

38,5-46,1 MJ/m

Relatív sűrűség

Szagosítás

3

38,5-46,1 MJ/m (H gáz) 3 34,2-37,8 MJ/m (L gáz)

0,55-0,65

0,555-0,700

fogyasztónál érzehető szaghatás

15-40 mg THT/m

30,2-47,2 MJ/m

38,5-47,2 MJ/m

3

0,55-0,70

3

fogyasztónál érzehető szaghatás

névleges érték 3 18 mg/m

15-25 mg THT/m

3

15-25 mg THT/m

3

< 1 µm

Szennyezők 3

< 1 mg Cl/m 3 < 10 mg F/m

Halogén összetvők Ammónia (NH3)

3

< 50 mg Cl/m 3 < 25 mg F/m < 3 mg/m

Hidrogén klorid (HCl)

1 ppm

Hidrogén cianid (HCN)

10 ppm

Higany (Hg)

< 1 µg/m

3

< 20 mg/m

3

3

Benzol, Toluol, Xilol (BTX)

500 ppm

Aromás szénhidrogének Sziloxánok

3

1% < 10 mg/m

3

Metánszám (MZ)

5 ppm > 80

Forrásalap: Marcogaz, 2006; Polman, 2007; Poinsignon, 2008 0 Megj.: AT ÖVGW G31 G33; FR n 2004-555 Gaz de France; DE DVGW G260 G262; NL Dutch Distr. Netw. Comp.; SE SS15543 Standard; CH SVGW G13. * talaj hőmérsékleten nem lehet vízgőz-, illetve szénhidrogén kondenzáció

4.2. táblázat Követelmények nem-konvencionális gázok földgázhálózati betáplálásához


39


A táblázat értékeit az egyes országok alábbi előírásai tartalmazzák: Ausztria: az Österreichische Vereinigung für das Gas- und Wasserfach 2001-ben megjelent G 31-es előírása (Erdgas in Österreich - Gasbeschaffenheit), valamint a 2006-ban megjelent G 33-as előírása (Regenerative Gase – Biogas); Franciaország: a Gaz de France 2004-ben megjelent műszaki előírása a megújuló gázok szállítói, elosztói és tárolói rendszerekben való megjelenéséről (Prescriptions techniques du distributeur Gaz de France prises en application du décret n° 2004-555 du 15 juin 2004 relatif aux prescriptions techniques applicables aux canalisations et raccordements des installations de transport, de distribution et de stockage de gaz); Németország: a Deutsche Vereinigung für das Gas- und Wasserfaches e.V. 2000-ben megjelent G 260-as jelű előírása (Gasbeschaffenheit), valamint a 2004-ben megjelent G 262-es műszaki szabályozása (Nutzung von Gasen aus regenerativen Quellen in der öffentlichen Gasversorgung); Hollandia: a holland DTe (Dutch Regulator) által 2006-ban előírt határértékek 8 bar és attól kisebb nyomású regionális hálózatok esetén (Quality Standards for Biogas); Svédország: az Swedish Standard SS155438 sz. szabványban közölt határértékek; Svájc: a Schweizerischer Verein des Gas- und Wasserfaches 2004-es G13d jelű műszaki szabályozása (Richtlinien für die Einspeisung von Biogas ins Erdgasverteilnetz). Megállapítható, hogy: a biogázok gázhálózatba történő betáplálása ma már nem csak elvi kérdés Európában, hanem bizonyos működési tapasztalatok is rendelkezésre állnak; azokban az országokban, ahol hosszabb múltja van a biogáz-termelésnek, ott a földgázhálózati betápláláshoz szükséges minimális műszaki irányelveket is kidolgozták már; egységes, európai szintű követelményrendszer jelenleg nem áll rendelkezésre a betáplálás műszaki feltételeiről; minden vizsgált ország a saját, általában a nemzeti földgázminőségi előírásokat alapul vevő előírásrendszert dolgozott ki; Európában hat országban vonatkozik minőségi előírás a földgázhálózatba táplálandó nem-konvencionális gázokra; a betáplált biogáz minősége mindenhol egyértelműen az adott hálózatrészen szolgáltatott földgáz minőségéhez kötött; a hat vizsgált ország betáplált biogázok minőségére vonatkozó előírásai a legfontosabb vonásokban jól körülhatárolhatók; a legfontosabb gázösszetevők határértékeinek tekintetében általában kicsi az eltérés az egyes szabályozások között, azonban néhány, jellemzően mellékösszetevő és gázkísérő anyag esetében jelentős különbségek is adódnak.

4.2. A földgázra vonatkozó gázminőségi paraméterek európai követelményrendszere A földgázhálózatban szállított gáz minőségének szűk határok között való tartása a rendszerüzemeltetők alapvető érdeke. A gáz minőségében bekövetkező zavaró változások a végfelhasználó berendezések biztonságos és energiahatékony működését tennék kérdésessé. A csővezetékbe bizonyos mennyiségi határ fölött bejutó, elsősorban korrozív anyagok pedig, a folyamatos és megbízható üzemeltetést kérdőjeleznék meg. A földgáztól eltérő minőségű éghető gázok földgázrendszerbe történő betáplálásának szabályozása során a követelményrendszer középpontjában továbbra is a földgáz, annak jellemző minőségi paraméterei kell álljanak. Ezt több dolog támasztja alá. Egyrészt az évtizedek alatt a kifejezetten a földgázminőséghez kifejlesztett elosztórendszer és a gázberendezések nem minden szempontból lennének képesek tolerálni a biogáz eltérő minőségéből adódó hatásokat, másrészt a biogáz alapon reálisan betáplálható energiamennyiség csak töredékét jelenti a földgázénak. Ebből a szempontból tehát


40


érthető a földgázipar idegenkedése és a betáplálható biogázokkal szemben támasztott igen magas követelményrendszere. A másik oldalról közelítve a kérdést viszont, Európa alapvető és megkívánt érdeke ezen megújuló forrásból származó gázok minél szélesebb körű hasznosítása. A felhasználóknak átadott gáz minősége Európa országaiban elég széles spektrumot mutat. A nyugat-európai országokban, a Magyarországi helyzettől eltérően több gázforrás biztosítja az országok ellátást. Ebből következik, hogy a gázminőségek nem csak országonként, hanem az országon belüli régiónként is változhatnak. A gázminőség részletes meghatározása többnyire nem törvényi szabályozásokban, hanem a nemzeti és nemzetközi szabványokban, előírásokban definiált. Az Európában leginkább használt szabványok és előírások az EN 437: 2003 szabványra épülnek. A szabvány azt az elvet követi, hogy egy földgázcsoporton belül a földgáz égési jellemzőinek csak olyan mértékű változása engedhető meg, amely a gázkészülékek működését nem befolyásolja, a készülék vagy az égő átalakítását nem teszi szükségessé. Az eredeti szolgáltatási csoportba tartozó földgáztól eltérő gázt csak a készülék megfelelő átállítása (alkatrészcsere, átszerelés) után szabad szolgáltatni. Az Európában használatos éghető gázok három gázcsaládba sorolhatók, mint a hidrogénben gazdag városi gázok, a metánban gazdag földgázok (ide sorolandók a biogázok is) és a propán/bután gázok. A második gázcsaládba tartozó gázok a Wobbe-számuk alapján három fő jellemző csoportba sorolhatók a 4.3. táblázat szerint. A H és E csoportba sorolt gázok magas térfogatszázalékban metánt tartalmaznak, az L minőség nitrogént, és a magyarországi nemzeti sajátosságú S minőség pedig, széndioxidot tartalmaz. Gázcsaládok és gázcsoportok Első család - a csoport Második család - H csoport - L csoport - E csoport - S csoport1) Harmadik család - B/P csoport - P csoport - B csoport 1)

Felső hőértékből számított Wobbe-szám 15 °C hőmérsékleten és 1013,25 mbar nyomáson MJ/m3 (kWh/m3) Legalább Legfeljebb 22,4 (6,22) 39,1 (10,86) 45,7 (12,69) 39,1 (10,86) 40,9 (11,36) 36,3 (10,08) 72,9 (20,25) 72,9 (20,25) 72,9 (20,25) 81,8 (22,72)

24,8 (6,89) 54,7 (15,19) 54,7 (15,19) 44,8 (12,44) 54,7 (15,19) 41,5 (11,52) 87,3 (24,25) 87,3 (24,25) 76,8 (21,33) 87,3 (24,25)

Magyar nemzeti sajátosság, az MSZ 1648 szabványban található

4.3. táblázat Az éghető gázok csoportosítása az EN 437: 2003 szabvány szerint Európában a szolgáltatott gázminőséggel szemben támasztott igényeket a nemzeti hatóságok határozzák meg. A Marcogaz 2006-ban elkészített egy ajánlást, melyben elemezésre került nyolc európai ország földgázra vonatkozó nemzeti követelményrendszere. Ez a táblázat került kiegészítésre Csehország, Görögország, Magyarország és Lengyelország adataival. (4.4. táblázat)


41

Egyéb jellemzők

X X X

15

15 X X

0 X X X

15 X X X

X X X X X

X X X X

X X X X X X

0 X X X X X X X

X X X X

X

X

X

X

Spanyolország

X X X X

Olaszország

X X X X X

X X X X

Görögország

X

Franciaország

Csehország

X X

0 X

Németország

X X

X X X

15

Magyarország

X X X X

0

15 X X X

Lengyelország

Szagosítás Merkaptánok COS Eltüzelési index Leszakadési index Koromképződés

0 X X

Egyesült Királyság

Kén

0 X X X

Dánia

Összes H 2S

Belgium

0

Referencia hőmérséklet, C Felső hőérték Wobbe-szám Sűrűség Metán-szám Szénhidrogén harmatpont Vízgőz harmatpont

Ausztria


0 X

X

X

CO Karbonil fémek Szennyződés (folyékony, szilárd) CO2 N2 O2 H2

X X X X X

Aromás összetevők NH3

X

X X X X X

X

X X

X X X

X X

X

X

X X

X

X

X

X

X

Forrásalap: Marcogaz, 2006; Saját kutatás

4.4. táblázat Gázminőségi rendelkezések az egyes országokban Látható, hogy a Wobbe-szám és a felső hőérték, valamint a sűrűség és a harmatponti értékek az országok jelentős részében a gázminőség egyértelmű jellemzői. A kéntartalmú összetevőkre vonatkozó határértékek (összes kén és kénhidrogén) minden esetben rögzítésre kerülnek. Az egyes országokban szolgáltatott gázminőségek függvényében előírás rendelkezhet a por, a szén-dioxid, a nitrogén, az oxigén, vagy éppen a hidrogén megengedhető értékéről. A legrészletesebb minőségi előírások Ausztriában, Németországban és Olaszországban vannak. A fenti kérdéskört megvizsgálva a következő megállapítások tehetők: A felhasználóknak átadott gáz minősége az Európai Unió tagországaiban viszonylag széles spektrumot mutat. Nincs egységes európai, minden országra kötelező érvényű szabályozás a gázhálózatokban szállított földgázok minőségének definiálásához. A hálózatokon keresztül szolgáltatott gázokkal szembeni minőségi követelményeket a nemzeti szabályozás tartalmazza, mely legtöbbször az általános európai elveket alapul véve, az ország egyedi földgázminőségeihez igazított. Az Európában legelterjedtebb EN 437 szabvány sem kifejezetten a hálózati gázminőséget határozza meg, hanem azokat a gáz típusokat a megengedhető szélső értékeikkel együtt, amelyeket az Európában forgalomba hozott gázkészülékekben biztonságosan el lehet tüzelni.


42


A szabvány meghatároz tehát bizonyos gázösszetételtől függő csoportokat, de nem használatos a gázhálózatokban szolgáltatott gázok minőségének definiálására. A szabványt számos európai országban alkalmazzák, és gyakran alapkövetelménynek tekintik a nemzeti előírások kidolgozásakor. Az egyes nemzeti előírások mindig a Wobbe-számot és/vagy a hőértéket tekintik a gázminőségi alapparaméternek. Második helyen a kéntartalom szerepel, mint legfontosabb jellemző. A kéntartalom mellett általában előírás vonatkozik az oxigén- és a vízgőztartalomra is. Az előírásokban gyakran meghatározásra kerülnek még bizonyos fizikai paraméterek, mint a gáz vízharmatpontja és szénhidrogén harmatpontja. Egyes gázminőségek esetén előírás vonatkozhat még az egyéb éghető komponensek maximális mennyiségére is (CO, H2).

4.3. A magyar földgázminőségi követelmények összevetése a biogázokra jellemző értékekkel A Magyarországra vonatkozó földgázminőségi követelményeket az MSZ 1648: 2000 sz. magyar nemzeti szabvány pontosan definiálja. Az országos távvezetékes és a regionális rendszerről szolgáltatott közszolgáltatású földgázokkal szemben támasztott műszaki követelményeket a 4.5. táblázat tartalmazza. Gázcsoport Jellemzők Wobbe-szám(1), MJ/m3 (kWh/m3) Névleges Wobbe-szám, MJ/m3 (kWh/m3) Felső hőérték, MJ/m3 (kWh/m3) Alsó hőérték, MJ/m3 (kWh/m3) A gázellátás Oxigén tartalom, %(V/V) maximum Vízgőz tartalom, g/m3 maximum Szénhidrogén harmatpont, oC, maximum 4 MPa-nál engedélyezési nyomásnál Nyomás a fogyasztóknál, (mbar) Kisnyomású rendszer névleges nyomás Növelt kisnyomású rendszer névleges nyomás Jellemzők

2H

2S Követelmények 45,66 – 54,76 36,29 – 41,58 (12,68 – 15,21) (10,08 – 11,55) 50,72 39,11 (14,09) (10,86) 31,00 – 45,28 (8,61 – 12,58) 27,94 – 40,81 (7,76 – 11,34) távvezetéki regionális 0,2 0,17 1,0 4 ---

Követelmények

Összes illó kéntartalom, mg/m3, legfeljebb Hidrogén-szulfid tartalom, mg/m3, legfeljebb Szilárdanyag-tartalom, mg/m3, legfeljebb Oxigéntartalom, tf%, legfeljebb

100

--4 18 – 33 25 75 – 100 85 A vizsgálati módszereket tartalmazó szabványok MSZ 989: 19852) MSZ ISO 6326-1: 1991 MSZ ISO 6326-2: 19912) MSZ ISO 6326-3: 1991

20

MSZ ISO 6326-2: 19912)

5

A szabvány 1. sz. melléklete

0,2

MSZ ISO 6974-1…5: 2001 MSZ ISO 6974-6: 2003

1) A felső hőértékből számítva 2) Visszavonva!

4.5. táblázat Az MSZ 1648: 2000 szerinti gázminőségi követelmények


43


A szerződő felek által ténylegesen alkalmazott felső- és alsó hőértékek ingadozási tartományát (a szabvány megengedett tartományán belül) a felek szerződésben rögzítik. Az ingadozási tartomány legfeljebb ± 5 % lehet. Bár 2002. január 1-e óta a szabványok alkalmazása nem kötelező, de mégis ezek alkalmazása jelenti a legbiztosabb műszaki megfelelést és a szerződéses kapcsolatok közötti legpontosabb egyezőséget. A fenti szabványt jelenleg minden magyarországi szállítói-, elosztói- és tárolói vállalkozás egyaránt kötelező jelleggel alkalmazza, így az ennek való megfelelés sem műszaki, sem jogi oldalról nem okozhat problémát a betáplálásnál és az elvételnél. Bizonyos fontos kritériumparaméterek, mint a kén, kénhidrogén, oxigén és por esetében az Európában szokásos értékek jelennek meg a hazai szabványban, de olyan összetevők, melyek a biogázokban előfordulhatnak (hidrogén, szén-dioxid, szén-monoxid, ammónia, halogénvegyületek, stb.) nem szerepelnek benne. Az ok ott kereshető, hogy a hazai földgázrendszer szempontjából ezek a paraméterek nem voltak ez idáig fontosak, hiszen a jellemző földgázminőségek (orosz import és hazai termelések) nem, vagy csak jelentéktelen mennyiségben tartalmaztak ilyen komponenseket. Vizsgálatra kerültek a DVGW G 262 előírás alapján, a 3-as fejezetben rögzített, a betáplálási vizsgálatokhoz alkalmazandó minta biogáz-összetételek, valamint a magyar rendszerre jellemző minta földgáz-összetételek milyen tüzeléstechnikai paraméterekkel rendelkeznek. A ’biogáz’ csoport mintaösszetételei a háztartási szemét (B1), a kommunális szennyvíz (B2 és B4), a mezőgazdaságból és állattartásból származó (B3), valamint a veszélyes hulladéknak minősülő állati tetemek fermentációjából származó (B5) még kezeletlen nyersgáz összetételeket szemléltetik. Az egyes mintagáz összetételek úgy lettek kiválasztva, hogy a lehetőség szerinti szélső értékeket mutassák be. A 4.1. ábra mutatja az egyes biogáz, valamint földgáz csoportok (F1-F5) és az MSZ 1648 szabvány alsó hőérték tartományának viszonyát. A legkevesebb gázelőkészítési folyamatot a mezőgazdasági- és a szennyvíztelepi biogázok követelik meg. Az ábrából látható, hogy a gázok hőértéke csak a metán térfogathányadától függ, azzal egyenes arányban van. Megszerkesztettem a diagramot a felső hőértékre vonatkoztatott Wobbeszám függvényében is (4.2. ábra). Látható, hogy az egyes biogáz minőségek már nem esnek egy egyenesre, hiszen a Wobbe-szám a relatív sűrűségnek is a függvénye, mely az összetételtől függően változik. A legkisebb fokú előkészítést a (B5) jelű, állati tetemekből nyert biogáz igényli, az eredetileg 85 % metán tartalma minőségjavítás nélkül is alkalmas lehet a 2S jelű földgáz szolgáltatási területeken való alkalmazásra. A legnagyobb fokú előkészítést a (B1) jelű depóniagáz igényli abban az esetben, ha 2H minőségre kell előkészíteni. Összetételéből látható, hogy metántartalma csak 43 %, 31 % szén-dioxidot, 23 % nitrogént és 3 % oxigént tartalmaz. A betáplálhatóság érdekében nem elegendő csupán a szén-dioxidot leválasztani, hanem a jóval drágább technológiai eljárást igénylő nitrogén nagy részét is le kell.


44

3

Fűtőérték [MJ/m ]


42 40 38 36 34

40,81 MJ/m3 F4 F2

MSZ 1648: 2000 szerinti alsó hőérték tartomány

32 30 28

F1

F3

F5 27,94 MJ/m3 B5

26 24

B3

B4

B2

22 20 18

B1

16 14 12 10 40

45

50

55

60

65

70

75

Metán tartalom mol%

80

85

90

95

100

3

Felső Wobbe-szám [MJ/m ]

4.1. ábra A keveredési mintaszámításokhoz használt biogázok (B1-B5) és földgázok (F1-F5) alsó hőértéke a magyar földgázszabvány függvényében

56 54 3 54,76 MJ/m 52 MSZ 1648: 2000 szerinti felső Wobbe-szám tartomány (2H) 50 F4 48 3 45,66 MJ/m 46 F3 F2 44 42 3 40 41,58 MJ/m MSZ 1648: 2000 szerinti felső Wobbe-szám tartomány (2S) 3 38 36,29 MJ/m 36 F5 B5 34 32 30 B3 B4 28 26 B2 24 22 20 B1 18 16 14 12 10 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

F1

95

100

Metán tartalom mol%

4.2. ábra A keveredési mintaszámításokhoz használt biogázok (B1-B5) és földgázok (F1-F5) felső Wobbe-száma a magyar földgázszabvány függvényében


45


5. A biogáz minőségéből adódó kockázati tényezők A biokémiai bomlásból származó biogázok fő- és mellékösszetevőire a 2-es fejezet adott útmutatást. A fő összetevők csoportjába sorolandó a metán (CH4), a szén-dioxid (CO2), a nitrogén (N2), a vízgőz (H2O), az igen kis mennyiségben előforduló hidrogén (H2), valamint a depóniagázokra jellemző oxigén (O2). A mellékösszetevők közül legnagyobb jelentősséggel az elemi kén (S), a kéndioxid (H2S), a merkaptánok, az ammónia (NH3), a Cl¯ és F¯ tartamú vegyületek és a sziloxánok bírnak. A biogázok különböző típusaira ezeken túlmutatóan egyéb kísérőanyagok is jellemzőek. Ebből a szempontból a még tisztítatlan szeméttelepi biogázok jelentik a legsokoldalúbb összetételbeli lehetőséget. Egy 2008-ban, a biogázok egészségügyi kockázatairól készült tanulmány összesen 233 db lehetséges fő-, mellék-, és kísérő összetevőt számolt össze a különböző forrásból származó (mezőgazdasági, ipari, szeméttelepi) biogázok esetében. (Poinsignon, 2008) A földgázok minőségét a földgázban található összetevők aránya határozza meg, mely alapján megkülönböztethetünk fő-, mellék- és nyomösszetevőket. A földgáz fő összetevőit a jelentősebb hányadban előforduló szénhidrogének (metán, etán, stb.), valamint a nitrogén és szén-dioxid, mint gyakori inert kísérő komponensek képezik. A mellék összetevők közé sorolható a hidrogén (városi gázoknál volt jellemző), az oxigén, a szénmonoxid és a hélium. A nyomösszetevők nagyon kis koncentrációban előforduló, általában a szállítás és felhasználás szempontjából nem kívánatos vegyületek lehetnek (pl. hidrogén-szulfid, merkaptán-kén, dialkil-diszulfid, karbonil-szulfid). Az olajkísérő gázok (un. nedves földgázok) cseppfolyós halmazállapotú, nagyobb relatív molekulatömegű szénhidrogéneket is tartalmaznak (paraffinok). A gázkutakból származó un. száraz földgázokban gyakorlatilag etánnál magasabb szénhidrogén nem található, jellemző viszont erre a forrásra az esetlegesen több tíz százalék szén-dioxid tartalom. Az MSZ ISO 6976 szabvány 58 db lehetséges földgáz komponenst határoz meg, melyből 48 db éghető. Ezek között számos olyan összetevő akad, melyek az egyes biogáz típusokban is előfordulnak (pl. benzol, etil-benzol, toluol, metanol, hidrogén-cianid, stb.). A következőkben a földgázok és a biogázok egyes összetevői kerülnek bemutatásra. Az egyes komponensek csak abban az esetben kerülnek bővebb kifejtésre, ha azok jelentős negatív hatást gyakorolnak a tüzeléstechnikai paraméterekre, illetve a környezetre, vagy a földgázok összetételére nem jellemzőek.

5.1. A földgázokra jellemző összetevők Nyílt szénláncú (alifás) telített szénhidrogének Alkánok (paraffinok) Konstitúciós képletük: CnH2n+2 Nyílt szénláncú (alifás) telítetlen szénhidrogének Alkének (olefinek) Konstitúciós képletük: CnH2n Alkadiének (diének, diolefinek) Konstitúciós képletük: CnH2n-2 A biogáz minőségéből adódó kockázati tényezők

46


Aliknek (acetilénszármazékok) Konstitúciós képletük: CnH2n-2

Zárt szénláncú (gyűrűs) aliciklusos szénhidrogének Cikloalkánok (cikloparaffinok) Konstitúciós képletük: CnH2n Zárt szénláncú (gyűrűs) aromás szénhidrogének Az aromás szénhidrogének tulajdonképpen a benzol (C6H6) származékainak tekinthetők (alkil-benzolok), mint például a toluol (metil-benzol) (C6H5-CH3), vagy a xilolok (dimetil-benzol) (C6H4(CH3)2). Funkciós csoportot tartalmazó szerves vegyületek Az alkoholok csoportjába sorolható a földgázban esetlegesen előforduló metil-alkohol (metanol) CH3-OH, a metil-merkaptán. A merkaptánok (más névvel tiolok) a kőolajra, így a földgázokra is jellemzőek, savas jellegük miatt korrozív hatásúak, de kis mennyiségben jelenleg is a földgázok szagosítására használatosak. Mellékösszetevők és kísérőanyagok A mellékösszetevők és kísérőanyagok csoportját két részre célszerű bontani. Az éghető és a nem éghető vegyületekre. Éghetők: Hidrogén (H2), hidrogén-szulfid (H2S), ammónia (NH3), hidrogén-cianid (HCN), szén-monoxid (CO), karbonil-szulfid (COS), szén-diszulfid (C2S).

Nem éghetők: Víz (H2O), oxigén (O2), nitrogén (N2), szén-dioxid (CO2), kén-dioxid (SO2), dinitrogén-oxid (N2O), hélium (He), neon (Ne), argon (Ar), kripton (Kr), xenon (Xe).

Összegezve megállapítható, hogy a földgázok komponensei magától a földgáz forrásától függnek elsősorban (tiszta földgáz, vagy olajkísérő gáz). Az olajkísérő gázok összetétele jelentős számú mellék- és kísérő komponenssel jellemezhető. Ezek döntő része éghető összetevő, azonban előfordulnak köztük a földgázrendszerre már önmagában is, vagy egyéb komponenssel reakcióba lépve erőteljes hatást mutató oxidálószerek. A rendszerelemekben ez fizikai-kémiai korróziós hatásokban nyilvánul meg főképp. Legfontosabb a víz és az oxigén leválasztása a termékgázokból, mellyel bizonyos nem kívánt kémiai reakciók és az ebből eredő, rendszerkörnyezetre káros hatások kiküszöbölhetők. A következőkben vizsgáltra kerülnek azok a fontosabb fő-, mellék- és kísérő biogáz összetevők, melyek a földgázrendszerbe való betáplálás szempontjából veszélyt jelenthetnek. Mivel a földgáznak legalább 58 db (a szakmában használatos), a biogázoknak pedig láthatóan több mint 200 db kimutatható összetevője van, ezért fel kellett állítani egy vizsgálati hipotézist. Ennek értelmében csak azon összetevők kerültek vizsgálatra, melyek megtalálhatók ugyan a közszolgáltatású földgázban, de az ottani határértékektől jelentősen magasabb koncentrációt képviselnek, vagy a földgázokra nem jellemző az adott összetevő, de jelentős mennyiségben megtalálható az adott biogáz típusban, illetve a földgázokra nem jellemző az adott összetevő, nagyon kis mértékben tartalmazza az adott komponenst, de ez a komponens kis koncentrációban is jelentős veszélyt hordoz magában. Az egyes összetevők esetében a rendszerelemekre gyakorolt fizikai-kémiai hatások, valamint az életvédelmi szempontból kiemelt hatások együtt kerülnek tárgyalásra.


47


5.2. A biogázokra jellemző összetevők Fő összetevők: Metán (CH4) Szén-dioxid (CO2) Oxigén (O2) Nitrogén (N2) Hidrogén (H2) Vízgőz (H2O) A felsorolt összetevők mindegyike megtalálható a földgázban is, tehát a földgázminőségre vonatkozó előírásokat (jelenleg MSZ 1648) a biogázok ezen komponenseivel szemben is szigorúan alkalmazva (pl. megengedett vízgőztartalom, minimális hőérték) a rendszerbe probléma nélkül betáplálhatóak. Mellék összetevők: Hidrogén-szulfid (H2S) és elemi kén (S) A fermentációs folyamatból származó biogázokban gyakran és számottevő mennyiségben (akár 10.000 mg/m3 is lehet) előforduló kénhidrogén nem csak a fém berendezésekben és vezetékekben okozhat korróziót, hanem elégetés után SO2 emissziót is okoz. A kénhidrogén az égéstermék vízgőztartalmával reakcióba lépve kénessavat alkot, mely hatást tovább erősítik a szerves kénvegyületek (S) is, hiszen a kén elégetésekor szintén kén-dioxid keletkezik. Leválasztása minden esetben indokolt.

Ammónia (NH3) Az ammónia minden biogáz típusra jellemző. Amellett, hogy rontja a gyulladási paramétereket, erősen hozzájárul az NOx emisszió kialakulásához is. Az ammóniagáz az égéstermék vízgőztartalmában rendkívül jól oldódik (1 dm3 víz 700 dm3 ammóniát képes oldani 20 °C-on), melynek eredményeként ammóniumion (NH4+) és hidroxidion (OH-) keletkezik, lúgos kémhatást eredményezve. Jelenléte elsősorban a fém gázhálózati elemek korróziója miatt kerülendő. Az ammónia a gyakorlatban alkalmazott földgázokban általában nem fordul elő, azonban a biogázokban 100 mg/m3 értéket is elérheti (az anaerob fermentációra jellemző) a mennyisége.

Szén-monoxid (CO) A szén-monoxid éghető, rendkívül mérgező gáz. magasabb hőmérsékleten erős redukálószerként viselkedik, a fémek oxidjait elemi fémmé redukálja. Mennyisége a földgázokban elhanyagolható, azonban a városi gázok egyik fő éghető összetevője volt a hidrogén mellett. Minden biogáz típusban előfordulhat legfeljebb néhány tíz mg/m3 mennyiségben.

Dinitrogén-oxid (N2O) Nem mérgező gáz, melyet a szeméttelepi biogázok kis mennyiségben tartalmazhatnak. Az égést táplálja, mivel hő hatására nitrogén molekulára és oxigén atomra esik szét. Mennyiségéből és tulajdonságából adódóan nincs jelentőssége.

Kén-dioxid (SO2) Kén-dioxid csupán a szeméttelepi gázokban fordul elő néhányszor tíz mg/m3 mennyiségben. Az összes biogáz típusban előforduló kén-hidrogén égéséből ettől jóval nagyobb mennyiségben keletkezik. Ebből adódóan a kén-dioxid hatását csak az égéstermékek vizsgálatánál célszerű figyelembe venni, mivel vízzel kénessavat alkot.

Hidrogén-cianid (HCN) Az igen mérgező hidrogén-cianid csak a depóniagázokra jellemző. Mennyisége általában az 1 mg/m3-t sem közelíti. A vizes mosási technológiák nagyon hatékonyan


48


csökkentik a HCN koncentrációját, és mivel a biogázok földgázhálózati betáplálása előtti tisztítás elengedhetetlen technológiai lépés, ezért nem tekintendő kockázati tényezőnek. A fentieken túlmenően vannak olyan mellékösszetevői is a biogázoknak, melyek a földgázokra egyáltalán nem jellemzőek. Ilyen a hidrogén-klorid (HCl), és a nitrogén-oxidok (NOX) melyek egyértelműen csak a depóniagázokra jellemzőek nagyon kis mennyiségben. Klór és fluor tartalmú vegyületek minden biogáz forrásban kimutathatók néhány mg/m3 mennyiségben. Ezen elemek vegyületei (Cl- és F-) kiváló sóképző tulajdonságokkal rendelkeznek, és a biogázokban (elsősorban depóniagázokban) néhány 100 mg/m3 mennyiségben is megtalálhatók. Azon túl, hogy gázaik mérgező hatással bírnak, a hidrogénnel robbanásszerűen égnek, a fémekkel közvetlenül sószerű halogenidekké egyesülnek (pl. az alumínium szerkezetek felületén), az égéstermék vízgőztartalmával a klór hipoklórossavat, a fluor pedig hidrogén-fluoridot képez hidrogénperoxid (H2O2) képződés mellett. A hidrogén-peroxid gyors melegítés hatására robbanásszerűen bomlik, már vizes oldatának 30 %-os töménysége is robbanásveszélyt okoz. Ezek a vegyületek hosszú tartózkodási idő és magas lánghőmérséklet mellett veszélyes dioxin-formációkat hoznak létre, így nagy hangsúlyt kell helyezni megengedhető határértékeik megállapítására. A halogén vegyületekből az elégetés során keletkező dioxin és furán formációk a tüzelési rendszer helyes beállításával általában kiküszöbölhetők (alacsonyabb lánghőmérséklet, kisebb tartózkodási idő a láng zónájában, stb.), így az ebből adódó hatás is megszüntethető. Elsősorban a nagyobb térfogatszázalékban jelen lévő halogén vegyületek (> 1 mól%) okozhatnak súlyos problémákat. Összefoglalva megállapítható, hogy a biogázok mellék összetevőinek jelentős része a földgáz mellékösszetevőinek számát is gyarapítja. Ezek közül egyesek (pl. hidrogénszulfid) nagyságrenddel nagyobb mennyiségben is előfordulhatnak a biogázokban, mint földgázokban. Más összetevők, mint a szén-monoxid, vagy kén-dioxid szinte elhanyagolható mennyiségben vannak jelen mindkét gáztípusban. A mellékösszetevők közül minden biogáz típus esetében a kén-hidrogén mennyiségére, valamint az ammónia (depónaigázokra jellemző) mennyiségére kell figyelemmel lenni a földgázhálózati betáplálás szempontjából. Azon összetevők közül, melyek nem jellemzőek a földgázokra, a klór és fluor tartalmú elemek vegyületeire kell figyelemmel lenni. (Berecz, 1991; Szunyog, 2008) Kísérő összetevők: A biogázok előbbiekben jellemezett fő- és mellékösszetevőin túl több mint 200 db gázkísérő komponens is kimutatható a különböző biogáz forrásokból. Ezek mennyisége összességében a teljes összetétel 5 %-át nem éri el. Az egyes csoportok mellett feltüntetésre kerültek a már említett tanulmányban (Poinsignon, 2008) kimutatott, az adott csoportba tartozó elemek darabszámai is.

Alkoholok (8 db) Aldehidek (5 db) Ketonok (5 db) Alkének (olefinek) (10 db) Észterek (7 db) Kén tartalmú összetevők (19 db) Furánok (5 db) Halogén elemek (Cl) (35 db) Halogén elemek (Cl+F) (11 db) Halogén elemek (F) (16 db) Halogén elemek (Br) (2 db) Monociklusos aromás szénhidrogének (22 db)


49


Policiklusos aromás szénhidrogének (18 db) Fémek (25 db) Telített szénhidrogének (alkánok) (19 db) Zárt szénláncú (ciklusos) szénhidrogének (4 db)

A fenti csoportok közül az alkoholok csoportjába tartozó metanol egyaránt kimutatható a földgázokban és a biogázokban is csakúgy, mint az alkének (olefinek). A zárt szénláncú aromás szénhidrogének csoportjába tartozó benzol, toluol, etil-benzol és xilol a földgáz és a biogáz (főként szeméttelepi) összetételére is jellemző legfeljebb néhányszor 10 mg/m3 mennyiségben. A benzol, a toluol és a xilolok (röviden BTX) elsősorban a műanyag vezetékeket és berendezéseket károsíthatják, egyben gyúlékony, mérgező folyadékok is. A kőolajban is előforduló többgyűrűs aromás szénhidrogén a naftalin, mely néhány µg/m3 mennyiségben minden nyers biogáz típusra jellemző. A metántól magasabb szénatomszámú telített szénhidrogének (etán, propán, bután, stb.) néhány µg/m3 mennyiségben a szeméttelepi biogázokból is kimutathatóak, csakúgy mint a földgázokra jellemző zárt szénláncú (gyűrűs) szénhidrogének, a ciklopentán, vagy a ciklohexán. A policiklusos aromás szénhidrogének megtámadhatják a polietilén anyagú földgázvezetékeket, a gumit és a szintetikus anyagból készült rendszerelemeket, nagyobb szénatomszámú vegyületeik elégetésekor jelentős mennyiségű korom is képződik. Értékük általában 10-100 ppm között változhat a tisztítatlan biogázban. A tisztított biogázokban ez az érték csupán néhány ppm körüli, amely nem magasabb, mint egy földgázban. Előfordulhatnak még ilyen típusú összetevők a szennyvíziszap és a hígtrágya fermentációja során, de értékük csupán 10-20 ppm körüli, mely tisztítással néhány ppm értékre redukálható. Bizonyos összetevők csak a szeméttelepi gázokra jellemzőek, mint az aldehidek csoportjába tartozó acetaldehid, a ketonok csoportjába tartozó aceton, vagy az észterek csoportjába tartozó metil-acetát. A kén tartalmú kísérőanyagok, valamint a furánok szintén a depóniagázokra jellemzőek. A klór, a fluor és a bróm tartalmú halogén elemekből képződött vegyületek egyáltalán nem jellemzőek a földgázokra, de a szeméttelepi gázokban akár 100 mg/m3 nagyságrendben is megtalálhatóak. A fermentációból származó biogázokhoz csak a klórtartalmú halogénelemek egy szűk csoportja rendelhető, de ezek is csak néhány mg/m3 mennyiségben. Ilyen a klór tartalmú diklór-metán, vagy a diklór-etilén. Jellegzetességük a csak klór-, a csak fluor-, a csak bróm-, vagy a klór és fluor egyidejű halogénképzése. Halogénezett-szénhidrogének szeméttelepi biogázokban fordulhatnak elő. Veszélyüket a nem megfelelő feltételek mellett történő elégetésükkor keletkező dioxin formációk jelentik. A biogázokban előforduló értékekre a holland Kiwa Gas Technology végzett kutatást. (Polman, 2007) Ez kimutatta, hogy a még kezeletlen szeméttelepei biogázokban 1-10 mg/m3 klór- és 1-5 mg/m3 fluor tartalmú szénhidrogén fordul elő általában. A biogázok csoportjaiban több mint 20 féle fém mutatható ki néhányszor 10 mg/m3 mennyiségben. A legjelentősebb mennyiségben: As, Cu, Co, Cr, Mn, Ni, Pb, Hg, valamint a depóniagázokra jellemzően: Al, Ag, Fe, Zn található bennük. Értelemszerűen ezek a mennyiségek a szeméttelepi biogázokban egy-két nagyságrenddel magasabbnak adódnak, mint például egy mezőgazdasági biogázban. A nemfémes elemek közül ki kell emelni a sziloxán származékokat (nagy, de még elpárolgó, szerves szilícium tartalmú összetevők), melyek leggyakrabban a hulladéklerakó telepek gázaiban fordulnak elő. Veszélyt elsősorban a mozgó alkatrészekre (gázmotor munkahengere, gázturbina lapátjai) jelentenek, mivel a tüzelés alatt szilícium-dioxiddá (SiO2) alakulnak, mely a motorban keménysége folytán kopást eredményez.


50


A foszforhidrogén (PH3) jellemzően a marha- és sertés hígtrágya fermentációja során mutatható ki. Mivel a foszforhidrogén rendkívül mérgező vegyület, ezért nagyon szigorúan figyelembe kell venni. Ilyen irányú kutatások és mérések még nem állnak rendelkezésre Európában sem biogáz, sem földgáz vonatkozásában, ezért értelemszerűen a biogázokra vonatkozó európai előírásokban sem jelenhetett még meg. Jelen lehetnek a nyers biogázokban továbbá szerves mikroorganizmusok is, melyek azon túl, hogy biokorróziót okozhatnak a gázvezetékekben és a tüzelőberendezésekben, egészségügyi kockázatot is képviselnek. Védekezni ellenük a szubsztrátum higienizálásával, azaz a fermentorban való tartózkodási idő és/vagy hőmérséklet emelésével, vagy mechanikai finomszűrős leválasztással lehet. Nagyon kevés tapasztalat áll jelenleg a szakemberek rendelkezésére ebben a vonatkozásban, azonban az eddigi vizsgálatok azt mutatták, hogy a mikroorganizmusok mennyisége közel azonos a földgázban találhatókkal, viszont a típusaik eltérőek. Több mint 180 féle baktérium csoport fordulhat elő a biogázokban. (Polman, 2007) Összefoglalva megállapítható, hogy a biogázok kísérő-, más névvel nyomösszetevői sok esetben megegyeznek a földgázokéval. Több mint 200 db, elsősorban a szeméttelepi biogázok összetételéből adódó komponens vehető számításba a tisztítatlan biogázok esetében. Ezek együttes mennyisége általában nem haladja meg a gázmennyiség 5 %-át. Bizonyos összetevőkre, bár koncentrációjuk kicsi, megfelelő figyelmet kell fordítani a felhasználás során. A BTX vegyületek az elosztó rendszer vezetékeire károsak, a halogén elemek vegyületi elégetésükkor veszélyes dioxin formációkat hozhatnak létre, a sziloxán származékok mechanikai veszélyt jelentenek a mozgó alkatrészekre (gázmotorok, gázturbinák), a biokorrózió hatásairól pedig hiányoznak az átfogó kutatási eredmények.

5.3. A biogázok mellék- és kísérő összetevőiből adódó betáplálási peremfeltételek Jelenleg, a Magyarországon érvényben lévő MSZ 1648: 2000-es szabvány a közszolgáltatásban alkalmazott, vezetéken szállított földgázok megengedhető minőségének definiálásához a földgáz égési jellemzőit (Wobbe-szám, hőérték), maximális szennyezőanyag tartalmát (illó kéntartalom, hidrogén-szulfid, szilárdanyag tartalom, oxigéntartalom), valamint egyéb jellemzőit (vízgőztartalom, szénhidrogén harmatpont, szag, szolgáltatási nyomás) használja. Voltaképpen ezek a jellemzők nagyon pontosan definiálják, és összehasonlíthatóvá teszik a közszolgáltatásban alkalmazott földgázokat a lehetséges magyar földgázminőségi tartományokon belül (lásd. minta földgáz összetételek F1-F5).

5.3.1. Szennyezőanyag-tartalom A magyar szabvány megengedhető szennyezőanyag tartalomra vonatkozó határértékei csak azon komponensekre határoznak meg követelményt, melyek a hazai gyakorlatban szolgáltatott földgázokban jellemzően előfordulnak. Ez a biogázok betáplálhatóságának vizsgálata során további problémák felvetését és megoldását teszi szükségessé, hiszen a szabványban közölt négy szennyezővel szemben a biogázokban nagyságrenddel nagyobb számban találhatók mellékösszetevők és kísérő komponensek. Az oxigéntartalom vonatkozásában a magyar előírás 0,2 %-ot engedélyez legfeljebb. Ez az előírás a 4-es fejezetben vizsgált hat vizsgált ország gyakorlatával összevetve szigorúbb értéket mutat, azokban jellemzően 0,5 - 1,0 % a megengedhető érték. Az oxigén nedves környezetben különösen korrozív hatású, így a gáz nedvességtartalmát szintén kiemelt kérdéséként kell kezelni. A hazai szolgáltatási gyakorlatot figyelembe véve


51


javasolt az oxigén tartalom maximálisan megengedhető értékének felülvizsgálata a biogáz, illetve földgáz-biogáz keverékek hálózati betáplálása esetén. A hidrogén jelenléte tüzeléstechnikai szempontból nem kívánatos. A magyar szabvány erre vonatkozóan nem tartalmaz előírást, hiszen ez az összetevő nem jellemző a magyar földgáz minőségekre. A hivatkozott külföldi előírások 0,5 - 12,0 % közé teszik a megengedhető értékeket. 95,5 mol% metán tartalmú biogázt alapul véve (2H gázminőség eléréséhez szükséges részarány CH4 - CO2 keverék esetében), és abban további 4,5 mol% hidrogén mennyiséget feltételezve a tüzeléstechnikai paraméterek (Wobbe-szám, felső hőérték) az MSZ 1648 szabvány határértékén belül maradnak, csak a keverék relatív sűrűsége csökken 0,53-ra. 2S jelű szolgáltatási területen maximum 17,9 mol% hidrogén és 82,1 mol% metán betáplálását feltételezve (a maximális szén-dioxid tartalmat alapul véve) a keverék Wobbe-száma kilép a megengedett tartományból a hidrogén kisebb sűrűsége következtében. Egy metán, hidrogén és szén-dioxid keverékben ahhoz, hogy 82,1 mol% metán tartalmat alapul véve a Wobbe-szám ne lépje túl a maximálisan megengedett értéket (2S), legfeljebb 6,1 mol% hidrogén és 11,8 mol% szén-dioxid lehet a keverékben. Mindez azt jelenti, hogy hidrogén esetében 5 %-nál nagyobb megengedett mennyiség nem javasolt a betáplálandó biogázban. A kéntartalomra vonatkozóan a magyar előírás az összes illó kéntartalomra (100 mg /m3) és a hidrogén-szulfid tartalomra (20 mg/m3) határoz meg maximum értéket. Az összes illó kéntartalom vonatkozásában a hazai előírás a legengedékenyebb, mivel a vizsgált országokban ez az érték legfeljebb 45 mg/m3 (Hollandia). Kénhidrogén vonatkozásában 10 mg/m3 (Svédország), merkaptánok esetében 15 mg/m3 a legmagasabb megengedett érték (Németország). A biogázok szempontjából a 100 mg/m3 megengedett összes illó kéntartalom a legkedvezőbb határérték a vizsgált országok közül. Mivel a hazai szolgáltatási gyakorlatban eddig nem okozott problémát a kéntartalom, ezért ennek a határértéknek az alkalmazása javasolt biogázok esetében is, tekintetbe véve azt a tényt is, hogy a betáplálandó biogáz mennyiségek csupán töredékét jelentik a hálózatban szállított földgáz mennyiségének (kivételt képezhetnek a szigetüzemben működő biogáz rendszerek). Ammónia esetében Hollandiában 3 mg/m3, Svédországban 20 mg/m3 a megengedhető érték. Mivel a magyar földgázrendszerben a megengedett vízgőztartalom magasabb, mint a többi ország gyakorlatában, ezért javasolt az ammónia megengedhető értékének a lehető legalacsonyabb szinten tartása. A szén-monoxid depóniagázokra jellemző, nem kívánatos összetevő. Határértékére a franciák 2 %-ot, a hollandok (ilyen típusú gázok felhasználásában nagy tapasztalatot szerezve) 1 %-ot határoztak meg. Jelenléte a szolgáltatott gázokban elsősorban igen magas egészségügyi kockázata miatt nem javasolt. A hidrogén-klorid, a hidrogén-cianid, a higany, a benzol, toluol és a xilol, az aromás és halogénezett szénhidrogének és a sziloxánok elsősorban szeméttelepi biogázokra jellemzőek. A halogén összetevők mind a depónia, mind a fermentációs forrásból származó biogázokban megtalálhatóak. Az európai gyakorlatban csak Hollandia határozott meg ezek mindegyikére előírásokat, de ezen túlmutatóan a többi ország előírásai nem vagy nem túl részletesen foglalkoznak a kérdéssel. A depóniagázok magyarországi betáplálási igényének megjelenésekor javasolt ezen összetevők magyar földgázrendszerre gyakorolt hatásainak átfogó elemzése analitikai kémiai eszközökkel, mely jelen értekezésnek nem képezi részét. A szilárdanyag tartalomra vonatkozóan 5 mg/m3 a hazai megengedett határérték, melyet érdemes lenne a biogázok betáplálása esetén is alkalmazni, hiszen a hazai évtizedes


52


gyakorlat azt mutatja, hogy ilyen pormennyiség mellett a földgázrendszer biztonságosan üzemeltethető. A szerves mikroorganizmusok megengedhető mennyiségére nem csak az európai országokban érvényes földgázra vonatkozó előírások, hanem a biogázokra megalkotott hat előírás sem ír elő követelményt. Kutatásuk és vizsgálatuk jelenleg is folyamatban van, azonban az eddigi betáplálási gyakorlatok nem mutattak ki leküzdhetetlen akadályokat ezen összetevőkkel szemben.

5.3.2. Egyéb jellemzők Az MSZ 1648 szerint a maximális vízgőztartalom 170 mg/m3 (2H) távvezetéki és 1.000 mg/m3 (2S) jelű regionális területeken, mely a vizsgált hat európai ország előírásaiban legfeljebb 60 mg/m3-nek adódik. Mindez azt jelenti, hogy a vezetékekben jelenleg megengedhető nedvességtartalom miatt a biogázok egyes összetevői könnyebben reakcióba léphetnek a gázban lévő vízgőzzel. Érdemes tehát azoknak az összetevőknek a határértékét szorosabban tartani, melyek a vízben oldhatóak (pl. szén-dioxid, oxigén, kén-hidrogén, ammónia, halogénelemek vegyületei, stb.) Ennek értelmében javasolt a földgázhálózatban megengedhető vízgőz tartalom határértékének felülvizsgálata, és szigorítása, bár a gyakorlat azt mutatja, hogy a Magyarországon rendszeresített szállításiés elosztás nyomásokon ilyen vízgőzmennyiség mellett vízkondenzáció nem következik be. A gáz szagosítását illetően a fogyasztónál érezhető szaghatást és 15-25 mg THT/m3 szagosítóanyag mennyiséget írnak elő a hat vizsgált országban. Magyarországon a szállítói engedélyes végzi a földgáz szagosítását. Ennek megfelelően javasolt az ott alkalmazott THT szagosítóanyag mennyiség alkalmazásának előírása a biogáz termelő, illetve betápláló létesítmények esetén is. Kisnyomású földgáz esetén a fogyasztói átadás helyén 25 mbar (18-33 mbar), növelt kisnyomású földgáz esetén 85 mbar (75-100 mbar) névleges átadási nyomás biztosítandó a fogyasztói átadás helyén az MSZ 1648 szabvány értelmében. Mindez azt jelenti, hogy a biogázok cserélhetőségi vizsgálatakor 25 mbar, illetve 85 mbar névleges csatlakozási nyomást kell figyelembe venni. A betáplálandó gáz metánszámának kérdése a felhasználási technológiától függ. Amennyiben a gázt a későbbiek során gázmotorban, vagy gépjármű motorjában kell hasznosítani, célszerű a betáplált mennyiségre is egy minimális értéket maghatározni. Ez Hollandiában legalább 80 (MZ). A gyakorlatban a gázmotorok általában 60-90 MZ értéket követelnek meg a földgáztól a kopogásmentes üzem érdekében. Összefoglalva, a biometán mint teljes értékű cseregáz, földgázhálózati betáplálásának minőségi követelményeire Magyarországon, az alábbi 5.1. táblázatban megfogalmazott értékeket javasolom.


53


2H

2S

Megjegyzés

Metán (CH4)

legalább 95,5 mol%

legalább 82,1 mol%

Szén-dioxid (CO2)

legfeljebb 4,5 mol%

legfeljebb 17,9 mol%

teljes értékű cseregázként betáplálva, CH4 - CO2 fő komponensekre redukált összetételből kiindulva lásd. 6-os fejezet

Szolgáltatási terület

Szén-monoxid (CO)

legfeljebb 1 %

Összes kén (S) Kénhidrogén (H2S) Merkaptánok

100 mg/m 3 10 mg/m 3 15 mg/m

MSZ 1648 szerint (felülvizsgálata javasolt) legmagasabb európai érték (felülvizsgálata javasolt) legmagasabb európai érték (felülvizsgálata javasolt)

legfeljebb 0,5 mol%

javasolt MSZ 1648 szerinti érték felülvizsgálata

Oxigén (O2) Hidrogén (H2) Vízgőztartalom (H2O) CH harmatpont Megengedett hálózati nyomás k. propánnal történő minőségjavítás esetén Wobbe-szám* Alsó hőérték Relatív sűrűség Szagosítás Ammónia (NH3) Por

holland gyakorlat

3

legfeljebb 5 % 3

170 mg/m (távvezetéki) 0

legfeljebb 4 C/ 40 bar túlnyomáson

a metán minimum feltételekből adódóan 3

1000 mg/m (regionális) 0

legfeljebb 4 C/ eng. túlnyomáson

3

36,29 - 41,58 MJ/m

27,94 - 40,81 MJ/m

3

0,55-0,75

MSZ 1648 szerint CH harmatpontból következően lásd. 6-os fejezet

legfeljebb 15 bar túlnyomás 45,66 - 54,76 MJ/m

MSZ 1648 szerint (felülvizsgálata javasolt)

3

MSZ 1648 szerint MSZ 1648 szerint európai gyakorlatnak megfelelően

ARH 20%-ánál 2-es szagszint a fogyasztónál

a magyar szállítói engedélyes előírása szerint

legfeljebb 3 mg/m

3

holland gyakorlat

legfeljebb 5 mg/m

3

MSZ 1648 szerint

Halogén összetvők Hidrogén klorid (HCl) Hidrogén cianid (HCN) Higany (Hg) Benzol, Toluol, Xilol Aromás és halogénezett szénhid.

Javasolt a külföldi gyakorlatnak megfelelő határértékek átvétele. lásd. 4-es fejezet

Felülvizsgálatuk javasolt, főként depónagázok földgázhálózati betáplálása esetén.

Sziloxánok Metánszám (MZ) Szerves mikroorganizmusok * A felső hőértékből számított

5.1. táblázat Javasolt határértékek a biometán magyarországi, teljes értékű cseregázként történő földgázhálózati betáplálásához


54


6. Betáplálási peremfeltételek Magyarországon Az előzőekben vizsgált biogázok energiatartalma láthatóan messze elmaradt a közszolgáltatásban alkalmazott földgázokétól, főként jelentős inert tartalmuknak köszönhetően. Ebből adódóan egyes anyagjellemzők, mint a moláris tömeg, a relatív sűrűség, a hőérték, vagy éppen a szénhidrogén harmatpont bizonyos esetekben számottevően különbözhet a földgázokétól. A felsorolt paraméterek viszont nem csak az energiatartalmat, hanem a gáz felhasználásához kapcsolódó biztonsági követelményeket is meghatározzák csakúgy, mint azok a gyakran csupán nyomokban azonosítható vegyületek, melyek a földgázokra nem, de a biogázokra jellemzőek. Nem elegendő tehát az egyes biogáz típusokat energetikai szempontból vizsgálni, az alkalmazási feltételek meghatározása komplex elemzést igényel. A fejlett európai országokban a biogázok hasznosítása, és újabban földgázhálózati betáplálásuk, már hosszú időre tekint vissza, ami egyrészt az előállítási, kezelési technológiák sokszínűségét mutatja, valamint gyakorlati alkalmazásukat is megkönnyíti. A szükséges technológiák már elérhető piaci termékek, ezért a hazai gáziparban elsősorban a földgázrendszerünkből adódó egyéni sajátosságokra, a szolgáltatott földgázminőségekre, és a biogázok bekeveréséből következő gázminőségi problémákra kell koncentrálni. Alapvető követelmény, hogy a hálózatba betáplált biogáz (mennyiségétől függetlenül) felhasználása ne tegye szükségessé az adott földgáztípusra beszabályozott készülékek átállítását, illetve ne okozza a szállító- és elosztó rendszer idő előtti tönkremenetelét, azaz a két gázforrás csereszabatos legyen egymással.

6.1. A biogázok földgázhálózati betáplálásának mennyiségi korlátai 6.1.1. Az egyes biogáz típusok betáplálásának minőségi korlátai az MSZ 1648: 2000 szabványnak megfeleltetve (cseregáz) A már előkészített, de még jelentős mennyiségű inert anyagot tartalmazó biogázok jellemző összetevője a metán és a szén-dioxid. Első lépésben megvizsgáltam, hogy egy tisztán metánból és szén-dioxidból álló keveréknek hogyan változnak a legfontosabb tüzeléstechnikai paraméterei. A számítási eredményeket a 6.1. ábra szemlélteti.


55


60

1,2

MSZ 1648: 2000 szerinti felső Wobbe-szám tartomány (2H)

50 45,66 MJ/m

1

3

Relatív sűrűség

41,58 MJ/m3

40 36,29 MJ/m3

40,81 MJ/m3

0,8

MSZ 1648: 2000 szerinti felső Wobbe-szám tartomány (2S)


0,6

30 27,94 MJ/m3 Felső Wobbe-szám

Alsó hőérték

20

0,4

10

0,2

0 50

54,1 55

60

65

70

75

82,0 80 82,185

89,3 90

95,5 95

Relatív sűrűség (-)

Alsó hőérték és felső Wobbe-szám 3 (MJ/m )

54,76 MJ/m3

0 100

A keverék metánhányada (mol%)

6.1. ábra A metán - szén-dioxid keverék tüzeléstechnikai paraméterei a keverési arány függvényében Az alsó hőérték és a felső Wobbe-szám értékei a diagram bal oldali-, a gázkeverék relatív sűrűsége a jobb oldali értéktengelyéről olvasható le. A piros árnyalatú téglalap az MSZ 1648: 2000 szabvány szerinti megengedett alsó hőérték tartományt, a narancssárga árnyalatú téglalap a 2S földgázminőséghez, a kék árnyalatú pedig a 2H minőséghez tartozó, felső Wobbe-szám szolgáltatási tartományokat mutatja. Kijelenthető, hogy 82,1 mol%-nál kevesebb metánt tartalmazó keverék nem elégíti ki a Magyarországon használatos gázminőségi előírásokat. Amennyiben a keverék metántartalma eléri ezt az értéket, annak alsó hőértéke, valamint a felső hőértékből származtatott Wobbe-száma is eléri a 2S minőség alsó határát. Ahhoz, hogy a vizsgált gázkeverék elérje a szabvány szerinti 2H minőség alsó határát, legalább 95,5 mol%-nyi metánt kell tartalmaznia. Ha a metán - szén-dioxid keverék 89,3 mol%-nál több, de 95,5 mol%-nál kevesebb metánt tartalmaz, akkor megfelel ugyan a hőértékre vonatkozó előírásoknak, azonban sem a 2S, sem a 2H gázminőségi csoportba nem sorolható be. A biztonsági követelményeket egyértelműen előrejelző paraméter, azaz a gázkeverék relatív sűrűsége legalább 54,1 mol%-nyi metánt követel meg a metán - szén-dioxid keverékben. Ettől kisebb mennyiségű metánt tartalmazó gázelegy esetében már a ’levegőnél nehezebb’ gázokra vonatkozó biztonsági előírások alkalmazandóak. A gáz relatív sűrűsége az osztrák, francia és svájci előírások értelmében 0,55 - 0,70 között változhat. Mivel a gáz relatív sűrűsége az összetétel függvénye, ezért a következő meggondolás tehető. Az alsó határérték a 100 %-os metántartalmú gáz esetében 0,555. A felső határérték megállapításakor abból kell kiindulni, hogy minimum 82,1 mol% metánt kel tartalmaznia a betáplálandó gáznak (2S területen). A mellette lévő inert anyagok közül pedig a szén-dioxidnak a legnagyobb a sűrűsége (1,9774 kg/m3 - gáztechnikai normálállapotban). Tehát a legszélsőségesebb esetben a keverék relatív sűrűsége 0,7283-ra adódik. A megengedhető relatív sűrűség vonatkozásában célszerű tehát a többi ország gyakorlatához közel álló, 0,55 - 0,75 tartományt alkalmazni.


56


Depóniatelepről származó biogázok esetében azonban nem csak a szén-dioxid, hanem nitrogén is előfordulhat jelentősebb mennyiségben a biogázban. A (B1) jelű mintagáz összetétel például 43 mol% metán mellett, 31 mol% szén-dioxidot, 23 mol% nitrogént és 3 mol% oxigént feltételez a háztartási szemétből származó biogázok esetében. Érdemes megvizsgálni a kérdést a fenti gondolatmenet értelmében, mivel a nitrogén moláris tömege csupán 63,7 %-a a szén-dioxidénak, ez által változik a keverék relatív sűrűsége, valamint Wobbe-száma. A vizsgálat egyszerűsítése érdekében a metán-szén-dioxid keverék helyett most a metán-nitrogén keveréket vettem, és elemeztem az így kapott eredményeket. A keverék relatív sűrűsége semmilyen esetben sem lép át az 1,0-s értéket, hiszen mind a metán, mind a nitrogén kisebb moláris tömeggel bír, mint a levegő. Ilyen szempontból tekintve a metán-szén-dioxid keverékre vonatkozó határérték feltételek betartása indokolt, azaz ha egy metánt - szén-dioxidot - nitrogént tartalmazó gázelegy legalább 54,1 mol%-nyi metánt tartalmaz, akkor a relatív sűrűsége 1,0 alatti érték lesz. A metán-nitrogén keveréknek szintén legalább 82,1 mol% metánt kell tartalmaznia ahhoz, hogy az elérje az MSZ 1648 szabvány minimális alsó hőértékre vonatkozó peremfeltételét, hiszen a szén-dioxid és a nitrogén is egyaránt inert gáz, és csak a metán szerepel a keverékekben, mint éghető komponens. A felső Wobbe-számoknál viszont eltérés tapasztalható a keverékek eltérő sűrűségéből adódóan. Metán-nitrogén keverék esetében a 2S minőség eléréséhez elegendő 77,4 mol%-nyi, a 2H minőség eléréséhez pedig 92,6 mol%-nyi metán tartalom a keverékben. Látható, hogy a depóniatelepekről származó gázok esetében a nitrogén mellett néhány mol%-nyi oxigén is előfordulhat a biogázban, mely az inert anyagok mennyiségét gyarapítja. Az oxigén moláris tömege 14,2 %-al több mint a nitrogéné, és 27,3 %-al kevesebb, mint a szén-dioxidé. Mivel az oxigén mennyisége jellemzően nem haladja meg az 5 mol%-ot, valamint moláris tömege igen közel áll a nitrogénéhez, ezért élhetünk azzal az egyszerűsítéssel, hogy a legfeljebb 5 mol%-nyi oxigént tartalmazó biogáz teljes oxigén tartalmát nitrogénként vesszük figyelembe az energetikai számítások során. Az állítás igazolására egy számítás került elvégzésre, mely értelmében a (B1) mintagáz összetétel (az oxigént is várhatóan tartalmazó típus) oxigén mennyisége hozzáadásra került a nitrogén mennyiségekhez. A (B1) jelű összetétel esetén (43 mol% CH4; 31 mol% CO2; 23 mol% N2; 3 mol% O2), az oxigén tartalom nitrogénként való figyelembe vétele a relatív sűrűsében -0,43%-os, az alsó hőértékben -0,003%-os (a keverék eltérési tényezőjének korrekciójából adódóan) és a felső Wobbe-számban +2,1%-os eltérést eredményezett az eredeti összetételhez képest. Mivel az oxigén általában olyan biogázokra jellemző, melyekben az oxigén mennyiségétől nagyságrenddel nagyobb mennyiségben található nitrogén (szeméttelepi gázok), ezért a teljes, legfeljebb 5 mol%-nyi oxigén mennyiség nitrogénnel való helyettesítése a jellemző tüzeléstechnikai paraméterekben legfeljebb néhány százalékos hibát eredményezhet csak. Összegezve, a földgázhálózatba teljes értékű cseregázként betáplálandó biogázt legalább 82,1 mol% metán tartalomra előkészítve eléri a 2S, és legalább 95,5 mol%-ra előkészítve a 2H földgázminőségi tartományt. Ha a biogáz a szén-dioxid mellett jelentősebb mennyiségben (néhányszor tíz százalék) nitrogént is tartalmaz, akkor sem lehet 92,6 mol%-nál kevesebb a keverék metántartalma. Ebben az esetben a nitrogén és a széndioxid egymáshoz viszonyított arányától függően változik a minimális metántartalom 92,6 és 95,5 mol% között a 2H csoportra vonatkozó előírások függvényében. Magyarországon az MSZ 1648: 2000 szabványnak megfelelő gázminőségek is különböző értéktartományokat fednek le a tényeleges szolgáltatott minőségeknek megfelelően. A jellemzően import-, hazai termelésű-, valamint kevert gázzal ellátott területek elhelyezkedésére és az azokban szolgáltatott földgázok alsó hőértékére a 3-as fejezet


57


3.3. ábrája ad iránymutatást. Ennek értelmében az ország területén a következő fűtőérték tartománnyal lefedett földgázok kerülnek szolgáltatásra: A jellemzően import földgázzal ellátott területeken: 33,8-34,2 MJ/m3 (2H), mely esetben legalább 98,2 mol% metán tartalmú biogáz kerülhet a rendszerbe. Mivel a metán alsó hőértéke 33,948 MJ/m3 gáztechnikai normálállapotban, ebből következik, hogy a felső határérték csak magasabb rendű szénhidrogének előfordulásával alakulhat ki. Mivel a biogázok éghető komponense jellemzően csak önmagában a metán, ezért elegendő csak az alsó betáplálási határértéket megállapítani. A jellemzően kevert földgázzal (import + hazai termelés) ellátott területeken: 33,5-34,5 MJ/m3 (2H), mely esetben legalább 98,5 mol% metán tartalmú biogáz kerülhet a rendszerbe. A jellemzően hazai termelésű földgázzal ellátott területeken: 32,5-34,2 MJ/m3 (2H), mely esetben legalább 95,6 mol% metán tartalmú biogáz kerülhet a rendszerbe. A hazai termelésű földgázzal ellátott területen: 35,5 MJ/m3 (2H), mely esetben még a 100 mol% metán tartalmú biogáz sem elégíti ki a fűtőértékre vonatkozó követelményt. Ekkor csak egy megoldás jöhet számításba, a biogáz hőértékét kell megnövelni pl. propán hozzáadásával. A hazai termelésű földgázzal ellátott területek: 28,0-29,4 MJ/m3 (2S), mely esetben legalább 82,3 mol% és legfeljebb 86,4 mol% metán tartalmú biogáz kerülhet a rendszerbe. A fenti megállapítások minden esetben egy metán – inert anyag (szén-dioxid és/vagy nitrogén) többkomponensű gázkeverékekre vonatkoznak.

6.1.2. Betáplálás teljes értékű cseregázként az előtisztított biogáz minőségének kereskedelmi propánnal történő javítása esetén (cseregáz) Egy szennyezőanyagoktól és vízgőztől mentes, de még jelentős inert tartalommal rendelkező metán tartalmú biogáz minőségének javítása nem csak az inert anyagok leválasztásával, hanem kereskedelmi propán hozzáadásával is történhet. Magyarországon ezt semmilyen jogszabály vagy műszaki előírás nem tiltja. A vizsgálatok során az eredeti biogázban található metán moltörtje képezi az abszcisszatengely értékeit. Tehát egy 80 mol% metánt és 20 mol% szén-dioxidot tartalmazó elegy abszcissza értéke 80 egység. Az ordináta tengelyeken ehhez a keverékhez, mint önálló gázelegyhez keverhető kereskedelmi propán (P1) mennyisége, illetve a keverék felsőWobbe-száma, valamint relatív sűrűsége olvasható le. A keverékek moltörtjeinek számítása minden esetben egy tizedesjegy pontossággal történt. A kapott eredményeket diagramok formájában jelenítettem meg. A 6.2. ábra egy metán – szén-dioxid elegy kereskedelmi propánnal (a továbbiakban: k. propán) történő keverésének lehetséges tartományát mutatja az MSZ 1648: 2000-es szabvány által megengedett alsó hőérték tartomány (27,94 – 40,81 MJ/m3) függvényében. A piros vonallal határolt ötszög alakzat jelöli azt a tartományt, melyen belül az abszcisszatengelyről leolvasható arányú metán – szén-dioxid elegy (biogáz) a bal oldali ordináta tengelyen leolvasható arányban hozzákevert k. propán mennyiségek esetében belül marad a szabvány által meghatározott alsó hőérték tartományon. Az ötszög felső határoló vonala a 40,81 MJ/m3 alsó hőérték tartomány felső határát, az alsó határoló vonala pedig a 27,94 MJ/m3 alsó hőérték tartomány alsó határát jelenti. Az ábrából leolvasható az is, hogy a metán – szén-dioxid keverék 82,1 mol% metántartalma mellett a biogáz már k. propán hozzáadása nélkül is eléri az alsó hőérték alsó határértékét. Ettől nagyobb metánhányadú biogáz esetén a k. propán hozzáadása a keverék alsó hőértékét növeli.


58


1,4

40,81 MJ/m3 alsó hőértéknél adódó propán mennyiségek 27,94 MJ/m3 alsó hőértéknél adódó propán mennyiségek

50

Relatív sűrűség 40,81 MJ/m3 alsó hőértéknél

1,2


40

1 33,6 0,8

30 25,3 20

0,6 15,5

73,3

12,7

10,8

10

60,9

0 50

60

70

80

82,1

90


A kereskedelmi propán moltörtje (mol%)

60

0,4

0,2 100

A metán - szén-dioxid keverék metán moltörtje (mol%)

6.2. ábra Metán - szén-dioxid keverék kereskedelmi propánnal történő keverése az MSZ 1648: 2000 szabvány megengedett alsó hőérték tartományában Az így elkészített diagram segítségével megállapítható tehát, egy ismert összetételű, főbb alkotókra (metán és jelen esetben szén-dioxid) redukált biogáz esetén az a minimálisan, illetve maximálisan hozzáadható k. propán mennyiség, amely kielégíti az MSZ 1648: 2000 szabvány alsó hőértékre vonatkozó követelményét. A gáztechnikában a keverékek relatív sűrűségének ismerete alapvető a biztonságtechnika szempontjából. Az 1,0-s relatív sűrűség tekinthető a választóvonalnak (levegőtől nehezebb és könnyebb gázok). Ennek vizsgálata érdekében zöld színnel ábrázolásra került az alsó hőérték alsó, illetve felső határaihoz rendelt relatív sűrűségek nagysága a jobb oldali ordináta tengelyen leolvashatóan. Az 1,0-s relatív sűrűség meghatároz egy maximális metán mennyiséget a biogázban. Ezt a pontot levetítve a megfelelő alsó hőérték határgörbékre, egy-egy pontot kapunk. Ez a két pont határolja le a földgáz biztonsági követelményeknek eleget tevő (jobb oldali terület) és nem tevő (bal oldali terület) tartományt. A relatív sűrűség követelménynek is eleget tevő tartományt a piros rácsozott terület jelenti. Az alsó hőérték tartomány alsó határértékénél ez (60,9 : 10,8) (metán moltörtje : k. propán moltörje), a felső határértékénél (73,3 : 25,3). A piros rácsozott területre eső értékpárok (metán hányad a biogázban, valamint a k. propán bekevert aránya) biztosan kielégítik az MSZ 1648 szabvány alsó hőérték tartományra, valamint az 1,0-nál kisebb relatív sűrűségre vonatkozó peremfeltételeket. Mivel a biogázok inertanyag tartalmukat tekintve jelentősebb mennyiségű nitrogént is tartalmazhatnak (lásd. (B1) jelű minta biogáz összetétel) meg kell vizsgálni a metán nitrogén gázelegy k. propánnal való keveréséből adódó számértékeket is. A vizsgálati eredményeket az előző diagram szerkesztési logikáját alkalmazva a 6.3. ábra mutatja.


59


1,2


50


1


40

0,8 33,8

32,1 0,6

30 22,5

55,0

20

0,4 15,5

10

12,7

31,5

0,2

0 30



60

40

50

60

70

80 82,2

90

0 100

A metán - nitrogén keverék metán moltörtje (mol%)

6.3. ábra Metán - nitrogén keverék kereskedelmi propánnal történő keverése az MSZ 1648: 2000 szabvány megengedett alsó hőérték tartományában Mivel a biogáz keverék metán, mint éghető, és nitrogén (az előző példánál szén-dioxid), mint inert anyag keverékéből áll össze, ezért logikusan következik, hogy az alsó hőérték alsó, valamint felső határértékeinek vonalai ugyanazon pontokra kell essenek. Összehasonlítva a két diagramot, azonban látható egy-egy tizedes értékbeli eltérés. Ez abból következik, hogy a számításokban a keverékek hőértékei, valamint Wobbe-számai a keverék tényleges kompressziós tényezőjével (mely az adott anyagösszetevők függvénye) korrigálásra kerültek. Jelentősebb eltérés tehát csak a relatív sűrűségek tendenciájában adódott. Mivel a nitrogén moláris tömege csupán 63,7 %-a a széndioxidnak, illetve mind a nitrogén, mind a metán moláris tömege kisebb, mint a levegőé, ezért 1,0-nál magasabb relatív sűrűség csak nagyobb hányadú propán bekeverése esetén alakulhat ki. Az alsó hőérték tartomány alsó határértékénél ez 31,5 : 22,5 (metán moltörtje : k. propán moltörje), a felső határértékénél 55,0 : 32,1. Nitrogén tartalmú biogáz esetében tehát a relatív sűrűségből adódóan az alsó hőérték tartomány kitolódik a kisebb metán hányadú terület irányába. Amennyiben a keverék legfeljebb 5 mol%-nyi oxigént is tartalmaz, akkor azt nitrogénként figyelembe véve a számítások során, az előző fejezet gondolatmenetét alkalmazva, legfeljebb néhány százalékos eltérést eredményezhet a tüzeléstechnikai paraméterekben (jellemzően a Wobbe-számban). Egy metán - inert anyag elegy k. propánnal való keverésének alsó hőértékekre vonatkozó peremfeltétele jól körülhatárolható a fenti módszerrel. Az MSZ 1648: szabvány másik fontos kritériuma egy éghető gázelegy magyar földgázrendszerben történő szolgáltathatóságának megítélésére a Wobbe-szám tartomány. Ennek értelmében 2H és 2S minőségi határérték tartományokat kell vizsgálnunk az előbbiekben ismertetett alsó hőérték tartományon belül. Hasonlóan az előbb alkalmazott logikához, az alsó és a felső alsó hőérték tartományokból (alsó és felső határérték vonalak) az adott pontokhoz tartózó relatív sűrűségek ismeretében (mely függ egyben a végkeverék propán tartalmától)


60


meghatározhatók a 27,94 MJ/m3 állandó alsó hőértékhez, valamint a 40,81 MJ/m3 állandó alsó hőértékhez tartozó Wobbe-számok. Ezeket kék görbék jelölik a 6.4. ábrán. Az ábrán a fentebb elhelyezkedő Wobbe-szám görbe egyértelműen meghatározható. A lentebbi Wobbe-szám görbe azonban egy problémát jelzett előre. 82,1 mol% metántartalomnál már nem szükséges k. propánt adni a biogázhoz ahhoz, hogy elérje a 27,94 MJ/m3 alsó hőérték határt. Innen kezdve önmagában a metán - szén-dioxid keverék határozza meg a Wobbe-számot, hiszen a hozzáadott k. propán mennyisége nulla. Az ábrán látható, hogy ebben a tartományban (szaggatott halványkék vonal) a Wobbe-szám más növekedési intenzitást mutat. Az alsó hőérték tartománynak megfeleltetett felső Wobbe-szám tartomány mutatja azt a területet, amelyben már megjelenhet a szabvány 2H (45,66 – 54,76 MJ/m3) és 2S (36,29 – 41,58 MJ/m3) minőségi tartománya. Az ábrán vízszintesen elhelyezkedő kék és narancs színű szaggatott vonalak mutatják a megengedett tartományokat. Ennek értelmében a halványkék és a halvány narancs színű területek mutatják a szabvány szerinti két gázcsoportot. Mindkét gázminőségi tartomány sarokpontjai, illetve egyes, célszerűen megválasztott pontjai megfeleltethetők az alsó hőérték tartomány peremén és azon belül elhelyezkedő pontokkal, mely pontokhoz az egyes nem ismert paraméterek a már ismert értékekből iteratív módon visszakereshetőek. Vegyük például a 2S tartomány egyik sarokpontját, mely esetében ismeretes a metán szén-dioxid keverék összetétele (50-50 mol%), valamint a szabvány szerinti, 2S csoportra jellemző, felső Wobbe-szám (36,29 MJ/m3). Ezen értékek alapján visszakereshető a kereskedelmi propán aránya, mely értelemszerűen a 36,29 MJ/m3-es célérték Wobbeszám esetén teljesül. Egy másik sarokpontban például ismert a k. propán mennyisége (0 mol%), valamint a 36,29 MJ/m3-es Wobbe-szám. Ebből a metán moltörtje visszakereshető. A célérték feltétel ekkor szintén a felső Wobbe-szám 36,29 MJ/m3-es értéke. Az így kapott hármas értékpárokból megrajzolható az alsó hőérték tartomány azon része, melyben a Wobbe-szám is kielégíti a 2H vagy 2S gázminőség előírásait. A 2H gázminőség megengedhető tartományát a sötétkék sraffozott terület, a 2S gázminőség tartományát a narancsszínű sraffozott terület jelöli.

A metán - szén-dioxid - ker. propán 3 keverék felső Wobbe-száma (MJ/m )

54,76 MJ/m

60

40,81 MJ/m3 alsó hőértéknél adódó felső Wobbe-szám

3

27,94 MJ/m3 alsó hőértéknél adódó felső Wobbe-szám

50

50 45,66 MJ/m3 41,58 MJ/m3

40

40 36,29 MJ/m

3

31,3

30

30 23,8

2S

20

20

2H

10

10

0 50

57,0

60

70

76,8

80

82,1

90 89,2

94,4


60

0 100


6.4. ábra Metán - szén-dioxid keverék propánnal történő keverése során alkalmazható keverési határértékek az MSZ 1648: 2000 szabvány gázcsoportjainak megengedett felső Wobbe-szám tartomány függvényében


61


A könnyebb kezelhetőség érdekében ez a tartomány a 6.5. ábrán külön kiemelésre került. Berajzolásra került továbbá a relatív sűrűségből adódó biztonságtechnikai határérték feltétel is zöld színnel.


35


30 A relatív sűrűség követelményéből adódó határvonal

25

20

15

2S 2H

10 d>1,0

d<1,0

5 d=1,0 0 50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100


6.5. ábra Metán - szén-dioxid keverék propánnal történő keverése során alkalmazható keverési határértékek diagramja a keverék relatív sűrűségének figyelembe vételével Egy metán és szén-dioxid tartalomra leredukált biogáz összetétel, valamint az ehhez kevert k. propán mennyiségének függvényében a diagram alapján egyszerűen megállapítható, hogy az adott keverék megfeleltethető-e az MSZ 1648: 2000 szabvány valamely gázcsoportjának. Ismert biogáz összetétel esetén pedig, meghatározható a biogázhoz keverendő kereskedelmi propán mennyisége a minőséggel elérni kívánt gázcsoport függvényében. Az előzőekben látható volt, hogy akár jelentősen is eltérhet egy metán - szén-dioxid elegy, valamint egy metán - nitrogén elegy relatív sűrűsége, és ezzel együtt Wobbe-száma is a kereskedelmi propánnal való keverés során. Ennek érdekében hasonló módon kiszámításra kerültek a metán - nitrogén elegy k. propánnal történő keveréséből adódó Wobbe-számok is. A 6.5.-ös ábra mintájára megrajzolásra kerültek a metán - nitrogén tartalomra leredukált biogáz összetételből adódó eredmények is, mely végül a metán szén-dioxid keverékkel közös diagramban (6.6. ábra) került megszerkesztésre. A kékkel jelölt tartományok a 2H, a narancsszínnel jelöltek a 2S tartományra vonatkoznak.


62


35

Relatív sűrűségből adódó határ metán - nitrogén - propán keveréknél


29,6 30

Relatív sűrűségből adódó határ metán - szén-dioxid - propán keveréknél

CH4-N2-C3H8

25

CH4-CO2-C3H8 CH4-(CO2+N2)-C3H8

20 16,5 15

10

2H

2S

CH4-N2-C3H8 CH4-CO2-C3H8

5

CH4-(CO2+N2)-C3H8

0 50

60

65,3

70

80

90

100

A metán - szén-dioxid és a metán - nitrogén keverék metán moltörtje (mol%)

6.6. ábra Metán - szén-dioxid, valamint metán - nitrogén keverékek propánnal történő keverése során alkalmazható keverési határértékek az MSZ 1648: 2000 szabvány gázcsoportjainak felső Wobbe-szám tartomány függvényében, a relatív sűrűség követelményéből adódó határértékekkel kiegészítve A 2H tartomány esetében egyértelműen látható, hogy a metán - szén-dioxid - propán keverék teljesen beleesik a metán - nitrogén - propán keverék tartományba. Amennyiben szén-dioxidot, vagy nitrogént és szén-dioxidot is tartalmaz a biogáz, annak kereskedelmi propánnal való keveréke csak abban az esetben elégíti ki a 2H jelű földgázcsoportra vonatkozó hőérték és Wobbe-szám előírásokat, amennyiben a sötétkék vastag vonallal határolt sokszög területén (kék rácsozott terület) belül esik a biogáz metán-, valamint a végkeverék k. propán moltörtje. Inert anyagként csak nitrogént tartalmazó biogázoknál a 2H csoportra vonatkozó előírás teljesül a moltörtek kék ferde csíkozott területre eső metszéspontja esetén is. A relatív sűrűségből, mint biztonsági peremfeltételből adódó határértékek, a 2H tartomány esetében sem a szén-dioxid - metán - propán, sem a nitrogén - metán - propán, sem a szén-dioxid - nitrogén - metán - propán keverék esetén nem csökkentik az alsó hőértékre vonatkozó tartomány felső Wobbe-számok által kijelölt területét. 2S tartomány esetében a nitrogént, illetve szén-dioxidot tartalmazó biogázok k. propánnal történő keverése által meghatározott tartományok (narancssárga területek) részleges fedésben vannak egymással. Amennyiben nitrogént (illetve oxigént) és szén-dioxidot is tartalmaz a biogáz, annak kereskedelmi propánnal való keveréke csak abban az esetben elégíti ki a 2S jelű földgázcsoportra vonatkozó hőérték és Wobbe-szám előírásokat, amennyiben a narancsszínű vastag vonallal határolt sokszög területén belül esik a biogáz metán-, valamint a végkeverék k. propán moltörtje. Inert anyagként csak nitrogént tartalmazó biogázoknál a 2S csoportra vonatkozó előírás teljesül a moltörtek narancsszínű, vízszintesen csíkozott területre eső metszéspontja esetén is (a vastag narancssárga vonallal határolt terület alatt). Inert anyagként csak szén-dioxidot tartalmazó biogázoknál a 2S csoportra vonatkozó előírás teljesül a moltörtek narancsszínű,


63


függőlegesen csíkozott területre eső metszéspontja esetén is (a vastag narancssárga vonallal határolt terület felett). A relatív sűrűségből, mint biztonsági peremfeltételből adódó határértékek, a 2S tartomány esetében három típusba sorolandók. A szén-dioxid - metán - propán keverék esetében (függőleges narancssárga csíkozású terület) a határértéket zöld vastag vonal jelöli, illetve a rajta található nyíl mutatja, hogy a vonaltól jobbra eső tartomány kielégíti az 1,0-nál kisebb relatív sűrűség értékeket. A nitrogén - metán - propán keverék esetében a legalább 50 mol%-nyi metánt tartalmazó biogáz (metán és nitrogén keveréke) minden esetben kielégíti a relatív sűrűségből adódó peremfeltételt. A szén-dioxidot és nitrogént (illetve oxigént), valamint metánt és k. propánt tartalmazó keverék minden esetben kielégíti a relatív sűrűségre vonatkozó, kisebb mint 1,0-s peremfeltételt, ha a metán - szén-dioxid - propán keverék relatív sűrűség feltételéből számított zöld vonaltól jobbra eső, vastag narancsszínű vonallal körbezárt rácsozott területre esik. Amennyiben a vizsgált keverék ettől a vonaltól balra esik a narancssárga rácsozott területen (vastag- és szaggatott zöld vonallal közbezárt négyzet), a keverék relatív sűrűség feltételének teljesülése csak újabb vizsgálat alapján állapítható meg. Következik mindez abból, hogy itt nem csak a keverék metántartalma, hanem az inert komponensek egymáshoz viszonyított aránya is változhat, mely hatással van a keverék relatív sűrűségére, és abból adódóan a keverék Wobbe-számára. Így a keverékhez adható propán mennyisége is változik. Lényegében egy metán tartalom metszékhez (az abszcissza tengelyen) eltérő szén-dioxid és nitrogén részarányok adódnak, és ezek mindegyikéhez eltérő k. propán mennyiség szükséges. A propán mennyisége természetesen az előző diagramról leolvasható határok között változhat csupán. Ez azt jelenti, hogy minden egyes metántartalom metszékhez külön kétdimenziós diagram átartozik. A probléma egy háromdimenziós diagramfelületen szemléltetem (6.7. ábra).

40 35 30 25 20 15

70 60

10

Relatív sűrűség < 1,0

A metán 50 moltörtje a 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 CH4 - CO2 - N2 keverékben A szén-dioxid aránya a szén-dioxid - nitrogén keverékben (mol%) (mol%)

5 0 0


Relatív sűrűség > 1,0

6.7. ábra Egy metán - szén-dioxid - nitrogén (illetve oxigén) keveréknél maximálisan bekeverhető kereskedelmi propán mennyiségek 1,0-nál kisebb relatív sűrűség feltétel esetén


64


A zöld felület alatti térfogat a relatív sűrűség feltételét kielégíti. A keverék metántartalma csak 50-70 mol% tartományban került ábrázolásra, hiszen a vizsgált terület ebbe a tartományba esik. Mivel a metán - szén-dioxid - nitrogén keverék meghatároz egy minimális és egy maximális propán moltörtet (16,5 és 29,6 mol%) a 6.6. ábrának megfelelően, így ténylegesen a pirossal jelölt térfogat biztosítja a feltételek teljesülését. Egy metán - szén-dioxid - nitrogén keverék esetében csak akkor felel meg a keverék a magyar 2S minőségi csoport alsó hőérték, valamint felső Wobbe-szám által meghatározott minőségi tartományoknak, valamint a relatív sűrűsége akkor lesz kisebb, mint 1,0 amennyiben az adott gázösszetétel alapján képzett pont a 6.7. ábra piros térfogatán belül esik. A biogázok kereskedelmi propánnal történő minőségjavítása esetén kiemelt figyelmet kell fordítani a szénhidrogén kondenzáció kérdésére. Szénhidrogén kondenzáció a legnagyobb valószínűséggel ott fordulhat elő a vizsgált tartományokban, ahol a legmagasabb a k. propán mennyisége. Ez a szén-dioxid tartalmú biogázok k. propánnal történő keverése esetén 73,3 mol% metán moltörtnél és 25,3 mol% propán moltörtnél lehetséges (lásd 6.2. ábra), figyelembe véve a relatív sűrűségből adódó peremfeltételt. Nitrogén tartalmú biogázok esetében a legmagasabb propán moltört 32,1 mol%-nak, a metán moltört 55,0 mol%-nak adódik (lásd. 6.3. ábra), szintén a relatív sűrűség által szabott peremfeltételt tekintve. A fenti számok a következő összetételű gázkeverékeket jelentik: Szén-dioxid tartalmú biogáz esetében: CH4: 54,76 mol%; C2H6: 0,13 mol%; C3H8: 24,54 mol%; i-C4H10: 0,51 mol%; n-C4H10: 0,13 mol%; CO2: 19,93 mol%; Nitrogén tartalmú biogáz esetében: CH4: 37,35 mol%; C2H6: 0,16 mol%; C3H8: 31,14 mol%; i-C4H10: 0,64 mol%; n-C4H10: 0,16 mol%; N2: 30,55 mol%; A nyomás függvényében kialakuló szénhidrogén-harmatponti görbéket a SUPERTRAPP szoftverrel határoztam meg. Az eredmények a 6.8. ábrán láthatóak. A földgázoknál használatos 4 °C-os szénhidrogén harmatponti hőmérsékleten a határesetként vizsgált nitrogén tartalmú biogáz - kereskedelmi propán keverék 17,54 bar túlnyomás felett, a szén-dioxid tartalmú biogáz - kereskedelmi propán pedig 24,33 bar túlnyomás felett kondenzálódik. Mindez azt jelenti, hogy a vizsgált tartományokon belül 17,5 bar túlnyomásig egyáltalán nem kell számolni szénhidrogén kondenzációval a biogázok k. propánnal történő, teljes értékű cseregáz minőségű előkészítése során. 17,5 bar és 24,3 bar túlnyomás között a biogáz nitrogén és szén-dioxid arányának megfelelően CH kondenzáció már előfordulhat, 24,3 bar túlnyomás felett, pedig a szénhidrogén kondenzáció előre jelezhető.


65

30

0

Hőmérséklet ( C)


Nitrogén tartalmú biogáz és k. propán (32,1 mol%) keveréke

20 10 4,0 00 -10

Szén-dioxid tartalmú biogáz és k. propán (25,3 mol%) keveréke

-20 -30

24,33 bar

-60

20,96 bar

15,30 bar

-50

17,54 bar

-40

-70 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Túlnyomás (bar)

6.8. ábra Szénhidrogén-harmatponti görbék az MSZ 1648 szabványnak megfelelő maximálisan bekeverhető k. propán mennyiségek esetén

6.1.3. A minta biogáz típusok kereskedelmi propánnal történő keverése utáni betáplálásának korlátai a minta földgáz típusokat szolgáltató hálózatokba (cseregáz) Az előzőekben tett megállapítások bizonyítása érdekében meghatározásra kerültek a Magyarországra jellemző öt minta földgáz összetételbe teljes értékű cseregázként történő öt minta biogáz összetétel betáplálásához szükséges kereskedelmi propán mennyiségek. A betáplálási feltételek vizsgálatakor célérték feltételnek az adott összetételű földgáz Wobbe-száma került figyelembe vételre. A Wobbe-szám feltételek egyezősége az összehasonlítandó gázok (földgáz, illetve biogáz-propán keveréke) gázberendezésekben történő eltüzelhetőségének lehetőségét mutatja. Mivel a keverékek összetétele, és ebből adódóan a relatív sűrűségük is eltérő, ezért a Wobbe-számok egyezősége csak a gázok alsó hőértékének különbözősége esetén teljesülhet. A vizsgálatok során az is megállapításra került, hogy mekkora ennek az eltérésnek a nagysága. A számítási eredményeket a 6.1. táblázat szemlélteti. A táblázatban zöld színnel vannak jelölve a még megengedhető, és piros színnel a nem megengedhető értékek. A táblázat értékeiből egyértelműen látható, hogy a felsorolt minta biogáz összetételek metándúsítási eljárás nélkül, csupán kereskedelmi propánnal történő minőségjavítás esetén nem teljesítik a relatív sűrűség 1,0-nál kisebb értékére, valamint az eredetileg szolgáltatott gáz fűtőértékétől legfeljebb ± 5 %-al való eltérésre vonatkozó feltételeket. Mindez azt jelenti, hogy a minta biogáz a metán - szén-dioxid - nitrogén - propán keverhetőségi diagram által megengedhető mennyiségben bekevert propánnal elérheti ugyan az MSZ 1648-as szabvány minőségi határértékeit, de az így elért minőség biztos,


66


hogy nem fog megegyezni az egyes területeken szolgáltatott földgázok minőségével. Attól alacsonyabb fűtőértékkel és általában magasabb relatív sűrűséggel lesz jellemezhető. Gázminőségi paraméter F1 jelű földgáz Metántartalom: 97,913 mol% Anyagjellemzők

Földgáz F1

Ker. propán P1

(B1+P1)

Beregdaróc

Ely Energy

DVGW G 262

Eltérés fg-tól

DVGW G 262

Eltérés fg-tól

2H

LPG

házt. szemét

%

komm.szennyvíz

%

A metán moltörtje a minta biogázban (xBi):

(B2+P1)

60,00

trágyalé

%

(B5+P1) Eltérés fg-tól

DVGW G 262

Eltérés fg-tól

%

állati tetem

%

-

-

51,11

45,16

42,21

35,88

25,28


16,4094

44,3775

36,3418

34,8860

33,5673

30,7948

26,2210

Relatív sűrűsége (d): Alsó hőértéke (Ha): Felső Wobbe-száma (W f):

0,5675

1,5599

1,2650

1,2142

1,1676

1,0700

0,9095

34,21

88,54

52,00

50,41 77,05 Földgáz Ker. propán F2 P1

50,41

52,02%

50,86 50,41

(B1+P1)

(B2+P1)

Hajdúszoboszló

Ely Energy

DVGW G 262

Eltérés fg-tól

DVGW G 262

2H

LPG

házt. szemét

%

komm.szennyvíz


74,00

85,00

3

50,41

MJ/m

3

%

60,00

trágyalé

%

%

Eltérés fg-tól

állati tetem

%

-

44,88

38,31

35,10

28,24

16,81

35,3197

33,7004

32,2373

29,1764

24,1628


0,6305

1,5599

1,2282

1,1718

1,1203

1,0127

0,8373

33,42

88,54

47,42


46,68 (B1+P1)

(B2+P1)

Ely Energy

DVGW G 262

Eltérés fg-tól

DVGW G 262

LPG

házt. szemét

%

komm.szennyvíz


74,00

DVGW G 262

-

2H

65,00

komm.szennyvíz

(B5+P1)

44,3775

Szank

85,00

%

trágyalé

%

komm.szennyvíz

%

állati tetem

-

-

43,00

60,00

65,00

74,00

85,00

-

44,62

38,02

34,80

27,93

16,45

18,5162

44,3775

35,2770

33,6502

32,1812

29,1108

24,0753


0,6405

1,5599

1,2266

1,1700

1,1183

1,0104

0,8342

33,59

88,54

47,22


46,52

Gázminőségi paraméter F4 jelű földgáz Metántartalom: 87,186 mol% Anyagjellemzők

46,02

(B1+P1)

(B2+P1)

Algyő (reg.)

Ely Energy

DVGW G 262

Eltérés fg-tól

DVGW G 262

2H

LPG

házt. szemét

%

komm.szennyvíz


%

%

%

-

45,69

39,20

36,01

29,23

17,89

35,4528

33,8544

32,4075

29,3862

24,4253


0,6395

1,5599

1,2330

1,1773

1,1263

1,0201

0,8465

34,03

88,54

48,01


47,17 (B1+P1)

(B2+P1)

Kardoskút (reg.)

Ely Energy

DVGW G 262

Eltérés fg-tól

DVGW G 262

2S

LPG

házt. szemét

%

komm.szennyvíz

43,00

74,00

állati tetem

44,3775

47,17

65,00

komm.szennyvíz

-


60,00

trágyalé

18,4852

46,82

mol% kg/kmol -

Mértékegység

%

mol% mol% kg/kmol -

39,41

15,79% MJ/m

3

47,17 47,17 Biogáz és kereskedelmi propán keveréke (B3+P1) (B4+P1) Eltérés fg-tól DVGW G 262 Eltérés fg-tól DVGW G 262 Eltérés fg-tól

47,17

MJ/m

3

%

60,00

45,74

trágyalé

34,40%

%

65,00

43,44

komm.szennyvíz

%

DVGW G 262

Eltérés fg-tól

állati tetem

%

-

-

30,56

22,67

18,99

11,23

0,00

44,3775

32,9665

30,9935

29,2238

25,5732

20,0781

Relatív sűrűsége (d): Alsó hőértéke (Ha):

0,7599

1,5599

1,1440

1,0756

1,0135

0,8859

0,6946

29,68

88,54

36,90


37,73

77,05

37,73

20,12%

34,55 37,73

74,00

(B5+P1)

21,9563

35,65

mol%

27,64%

37,55%


37,73

Mértékegység

%

85,00

A kereskedelmi propán moltörtje (xP1):

24,34%

-

3 44,95 42,63 38,56 33,79% 26,88% 14,78% MJ/m 3 46,52 46,52 46,52 MJ/m Biogáz és kereskedelmi propán keveréke (B3+P1) (B4+P1) (B5+P1) Eltérés fg-tól DVGW G 262 Eltérés fg-tól DVGW G 262 Eltérés fg-tól DVGW G 262 Eltérés fg-tól


41,07%

mol%

36,98%



43,00

mol% kg/kmol

3 45,14 42,82 38,77 35,06% 28,11% 16,00% MJ/m 3 46,68 46,68 46,68 MJ/m Biogáz és kereskedelmi propán keveréke (B3+P1) (B4+P1) (B5+P1) Eltérés fg-tól DVGW G 262 Eltérés fg-tól DVGW G 262 Eltérés fg-tól DVGW G 262 Eltérés fg-tól


46,52

Mértékegység

38,26%


40,57%

-

50,41 50,41 Biogáz és kereskedelmi propán keveréke (B3+P1) (B4+P1) Eltérés fg-tól DVGW G 262 Eltérés fg-tól DVGW G 262 Eltérés fg-tól

47,62

-

46,21

mol%

27,92% MJ/m

45,70%

18,2253

46,68

mol% kg/kmol

43,75

49,84


41,86%

Mértékegység

39,21%

48,68%



43,00

65,00

komm.szennyvíz



43,00

Biogáz és kereskedelmi propán keveréke (B3+P1) (B4+P1) DVGW G 262 Eltérés fg-tól DVGW G 262

16,41%

32,18 37,73

85,00

8,43%

Mértékegység

mol% mol% kg/kmol -

28,92

-2,55% MJ/m

3

38,55

MJ/m

3

6.1. táblázat A minta biogázok (B1-B5) kereskedelmi propánnal való keverése után adódó relatív sűrűségek és alsó hőértékek a minta földgázok (F1-F5) Wobbe-számával megegyező Wobbe-szám célértékre keverve A keverési diagram értelmében a 76,8 mol%-nál kisebb metán tartalommal rendelkező metánra és szén-dioxid összetevőkre redukált gázelegy még propánnal keverve sem érheti el a 2H gázminőség által megszabott Wobbe-szám és hőérték határfeltételeket. A minta biogázok közül egyedül a (B5) jelű rendelkezik ennél magasabb metántartalommal. A számítások alapján is visszaigazolható, hogy csak ennél a biogáz típusnál adódott minden vizsgált földgáz összetétel esetében 1,0-nál kisebb relatív sűrűség, és a vizsgált földgázokkal azonos Wobbe-számra beállított biogáz-propán keverékeknél az alsó hőértéktől való legkisebb eltérés. A bemutatott eredmények függvényében kijelenthető, hogy a jellemző magyar földgázösszetételeket alapul véve, az egyes biogáz típusok csupán kereskedelmi propán hozzáadásával, a földgáz és a biogáz-propán gázkeverékek azonos Wobbe-számra történő megfeleltetésekor nem tudják eléri az adott hálózatra jellemző, legfeljebb ± 5%ban eltérő alsó hőérték követelményét összetételükből eredendően. Ebből következik, hogy a csupán kereskedelmi propánnal végzett minőségjavítással előállított, a hálózatban szolgáltatott földgázzal megegyező Wobbe-számú biogáz-propán keverék csak korlátozott mennyiségben, azaz adalékgázként kerülhet betáplálásra a magyar földgázrendszerbe. A pontosan meghatározott arányban történő hálózati bekeverés során


67


a rendszerben kialakuló földgáz - minőségjavított biogáz keveréke teljesítheti az azonos Wobbe-számra (hálózatban szolgáltatott gázra értendő), a relatív sűrűségre (< 1,0) és a fűtőérték megengedhető eltérésére (általában ± 5%) vonatkozó határfeltételeket is. Magyarországon a propánnal történő minőségjavítás helyett célravezetőbb a biogázok metán tartalmának növelésével elérni az adott hálózatrészben szolgáltatott gázminőséget, vagy a biogázokat csak korlátozott mennyiségben, adalékgázként beengedni a rendszerbe. Minden vizsgált biogáz típus esetében tisztítási eljárással elérhető egy olyan minimális metántartalom, melynek Wobbe-száma megegyezik bármelyik kiválasztott minta földgáz Wobbe-számával, és alsó hőértéke az adott földgáz hőértékétől legfeljebb 5%-ban tér el. Az (F1) jelű földgázba egy legalább 99,67 mol% metán tartalmú biogázt kell bekeverni ahhoz, hogy teljes értékű cseregázként viselkedjen. Ebben az esetben felső Wobbe-számuk 50,41 MJ/m3-nek adódik, a biogáz alsó hőértéke csupán 0,9%-al magasabb az (F1) jelű földgázétól. Az előkészítés azért követel meg ilyen magas metán hányadot, mivel az (F1) jelű földgázban néhány tized százalékban magasabb rendű szénhidrogének is megtalálhatóak, míg a biogázban csak metán, mint éghető komponens. A propánnal való minőségjavítás, illetve minőség beállítás ebben az esetben kínálhat gazdaságilag is kedvező megoldást, hiszen legfeljebb néhány százalék propán hozzákeverése csökkentheti a biogáztól megkövetelt metántartalmat, de biztosíthatja a gázminőségi paraméterek szükséges értékét. Az (F2) jelű földgázhálózatba legalább 95,54 mol% metántartalmú gáz táplálható be azonos Wobbe-számok esetén, ekkor az alsó hőérték 2,8%-al adódik magasabbnak a hálózatban szolgáltatott értéktől. Az (F3) jelű gázminőség legalább 95,35 mol% metánt követel a biogáz összetételében, ekkor a fűtőérték 3,5%-al adódik magasabbnak. Az (F4) jelű mintagáz összetétel legalább 96,10 mol%-nyi metánt kíván meg a biogázban, mellyel 4,0%-os eltérés lesz tapasztalható az alsó hőértékben. Az (F5) jelű, 2S minőségű mintaföldgáz legalább 84,06 mol% metánt követel meg egy metánra és szén-dioxidra redukált biogáz összetétel esetében, amikor is az alsó hőértékben 3,7%-os eltérés adódik. A vizsgálatok egyértelműen alátámasztották, hogy a Magyarországon használatos földgázminőségek jelentős fokú (kb. 95-99 mol% metán a 2H, és kb. 85 mol% a 2S minőség esetén) előkészítési igényt támasztanak a fermentációs folyamatokból származó biogázokkal szemben, teljes értékű cseregázként történő földgázhálózati betáplálásuk esetén.

6.1.4. A minta biogáz típusok minőségjavítás nélküli betáplálásának mennyiségi korlátai Magyarországon (adalékgáz) Vizsgálat alá vontam a minta biogáz összetételeket abból a szempontból, hogy mekkora hányadban lehet azokat minőségjavítás nélkül (B1-B5) bekeverni a 2H jelű földgázt szolgáltató területeken (F1-F4) (adalékgáz) az MSZ 1648: 2000 szabvány ismeretében. Betáplálási határfeltételként tekintsük először a szabvány által meghatározott alsó hőértékre (27,94 - 40,81 MJ/m3) és felső Wobbe-számra (45,66 - 54,76 MJ/m3) vonatkozó tartományokat. A szemléltetés érdekében diagramon ábrázoltam az eredményeket. A 6.9. ábra az (F1) jelű, magas metántartalommal jellemezhető, orosz import földgázba bekeverhető biogáz mennyiségeket mutatja. Amint látható, a felső Wobbe-szám megengedhető tartománya szorosabb peremfeltételt képez, mint a megengedhető alsó hőérték tartomány. Ebből adódóan következik, hogy amennyiben az adott keverék Wobbe-száma beleesik a megkövetelt Wobbe-szám tartományba (2H), akkor a keverék fűtőértéke is a szabvány által meghatározott tartományon belül lesz. Értelemszerűen a legmagasabb metánhányadú biogázból (B5) keverhető be a legnagyobb mennyiség a hálózatba, a megadott összetételek mellett legfeljebb 37,1 mol%. A legkevesebb


68


mennyiség a (B1) jelű, kommunális hulladékokból képződő biogázból táplálható be, legfeljebb 10,6 mol%-ban. Mindez azt jelenti, hogy a földgáz biogáz keverék eléri ugyan a magyar szabvány által megkövetelt szolgáltatási határértéket, de a keverék gáz fűtőértéke és Wobbe-száma mindenképpen el fog maradni a hálózatban szolgáltatott gázétól. A vizsgált keverési tartományban a keverék gáz relatív sűrűsége mindenhol az 1,0 érték alatti.

70

45,66 MJ/m3

40

60

30

50 62,9 B5

79,0 B4

84,4 86,4 89,4 B3 B2 B1

20

40,81 MJ/m3

40

27,94 MJ/m3

30


10

0 50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

3


50

A keverék alsó hőértéke (MJ/m )

80 54,76 MJ/m3

3

A keverék felső Wobbe-száma(MJ/m )

60

20 100

Az F1 jelű mintaföldgáz moltörtje a földgáz-biogáz keverékben (mol%) F1B1Wf

F1B2Wf

F1B3Wf

F1B4Wf

F1B5Wf

F1B1Ha

F1B2Ha

F1B3Ha

F1B4Ha

F1B5Ha

6.9. ábra Az (F1) jelű mintaföldgáz és a minta biogázok (B1-B5) optimális keverési aránya Mivel az MSZ 1648 szabvány előírja, hogy a földgáz alsó hőértékének ingadozása legfeljebb a szerződésben rögzített érték ± 5%-a lehet, ezért megvizsgáltam, hogy a keverékgáz alsó hőértékének 5%-al való csökkenése mekkora eltérést eredményez a Wobbe-számban. A (B1) jelű biogáz esetében a maximális keverési arány 8,7 mol%, a felső Wobbe-szám 46,50 MJ/m3-nek adódik (7,76 %-al kevesebb az eredeti Wobbeszámtól). A legjobb minőséggel jellemezhető biogázból (B5) a maximális bekeverési arány 32,4 mol%-nak adódik, ekkor a keverék felső Wobbe-száma 46,24 MJ/m3 (8,26%-al kevesebb az eredeti Wobbe-számtól). Amennyiben a keverési feltétel a Wobbe-szám azonosságát írja elő a hálózati és a biogáz-földgáz keverék esetében, az csak abban az esetben teljesíthető, amennyiben a keverékhez valamilyen magasabb energiatartalmú gáz (pl. k. propán) kerül hozzáadásra. Az (F2), (F3) és (F4) jelű mintaföldgáz összetételek szintén a 2H gázcsoportba sorolhatók. Összetételükre az alacsonyabb metán hányad (kb. 86-90 mol%), néhány százalék magasabb rendű szénhidrogén (etán, propán, stb.), valamint 6-7 mol% inert anyag jellemző. Ebből adódóan e gázok Wobbe-száma már önmagában is elmarad az (F1) jelű mintaföldgázétól, egymáshoz nagyon közel álló alsó hőértékük mellett, hiszen sűrűségük jelentősen eltér. Ezekbe a földgáz típusokba a maximálisan bekeverhető minta biogáz mennyiségeket a 6.10. ábra, 6.11. ábra és 6.12. ábra szemlélteti.


69


70

45,66 MJ/m3

40

60 94,2 96,5 B4 B2

30 88,1 B5 20

50

96,0 97,4 B3 B1 40,81 MJ/m3

40

27,94 MJ/m3

30


10

0 50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

3


50


80 54,76 MJ/m3

3


60

20 100


F2B2Wf

F2B3Wf

F2B4Wf

F2B5Wf

F2B1Ha

F2B2Ha

F2B3Ha

F2B4Ha

F2B5Ha

6.10. ábra Az (F2) jelű mintaföldgáz és a minta biogázok (B1-B5) optimális keverési aránya

45,66 MJ/m

70

3

40

60 95,1 97,0 B4 B2

30 89,7 B5 20

50

96,6 97,8 B3 B1 40,81 MJ/m3

40

27,94 MJ/m3

30


10

0 50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

3


50


80 54,76 MJ/m3

3


60

20 100


F3B2Wf

F3B3Wf

F3B4Wf

F3B5Wf

F3B1Ha

F3B2Ha

F3B3Ha

F3B4Ha

F3B5Ha



70


70

45,66 MJ/m3

40

60 91,6 B4

30 83,2 B5

94,9 B2

50

94,1 96,1 B3 B1

20

40,81 MJ/m3

40

27,94 MJ/m3

30


10

0 50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

3


50


80 54,76 MJ/m3

3


60

20 100


F4B2Wf

F4B3Wf

F4B4Wf

F4B5Wf

F4B1Ha

F4B2Ha

F4B3Ha

F4B4Ha

F4B5Ha

6.12. ábra Az (F4) jelű mintaföldgáz és a minta biogázok (B1-B5) optimális keverési aránya Az ábrákból látható, hogy a hasonló minta földgáz összetételek közel hasonló arányú bekeverési mennyiségeket tesznek lehetővé az egyes biogáz típusok esetében. Mivel mindhárom minta földgáz (F2-F4) Wobbe-száma igen közel esik a 2H gázminőség megengedhető Wobbe-szám alsó határértékéhez, ezért a nagy inerttartalommal rendelkező biogázok bekeverhető mennyiségei is jelentősen korlátozottak. Látható, hogy a legmagasabb metán tartalommal rendelkező biogáz (B5) is legfeljebb 10,3 - 16,8 mol%ban keverhető a minta földgázokhoz. A leggyengébb minőséggel jellemezhető (B1) jelű minta biogáz esetében ez az arány 2,2 - 3,9 mol%. Megvizsgáltam továbbá, hogy az (F5) jelű, 2S gázminőségi csoportba sorolható minta földgázhoz milyen mennyisében keverhetők a minta biogázok, az MSZ 1648: 2000 szabvány előírásainak megfeleltetve a határértékeket. Betáplálási határfeltétel az alsó hőérték tekintetében 27,94 - 40,81 MJ/m3, a felső Wobbe-szám tekintetében 36,29 - 41,58 MJ/m3. A kapott eredményeket a 6.13. ábra tartalmazza. Az ábrából egyértelműen kitűnik, hogy a magasabb inert tartalommal, és ez által alacsonyabb hőértékkel jellemezhető 2S jelű földgázhoz, minőségjavítás nélkül is magasabb arányban lehet hozzákeverni a minta biogázokat. A leggyengébb minőségű szeméttelepi biogázból (B1) legfeljebb 5,9 mol%, a (B4) jelű szennyvíztelepi gázból pedig, 21,5 mol%-nyi mennyiség keverhető be a rendszerbe. A (B5) jelű biogáz esetében egyedi helyzet adódott, mivel alsó hőértéke igen jól megközelíti az (F5) jelű földgáz alsó hőértékét. Ebből adódik az a megállítás, hogy ebből a biogáz típusból, minőségjavítás nélkül is korlátlan mennyiség táplálható be az (F5) jelű földgázt szolgáltató hálózatba. Eközben sem a gáz Wobbe-száma, sem relatív sűrűsége nem lép ki a szabvány által meghatározott tartományból.


71

60

80

50

70 41,58 MJ/m3

MSZ 1648: 2000 szerinti felső Wobbe-szám tartomány (2S)

40

60 36,29 MJ/m

3

30

50 78,5 B4

0,0 B5

88,6 91,0 B3 B2

20

94,1 B1 40,81 MJ/m3

40


10

30

3


3



27,94 MJ/m3

0 50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

20 100


F5B2Wf

F5B3Wf

F5B4Wf

F5B5Wf

F5B1Ha

F5B2Ha

F5B3Ha

F5B4Ha

F5B5Ha


6.2. A földgázokra kidolgozott, és leggyakrabban alkalmazott cserélhetőségi eljárások alkalmazhatóságának vizsgálata biogázok esetében Az előző részfejezetekben a különböző biogáz összetételek, és az ebből adódó gázminőségek kerültek részletes elemzésre, a földgázhálózati minőségre érvényes előírások szempontjából. Bár a korábban részletezett peremfeltételeknek eleget tevő összetétellel rendelkező biogázok teljes értékű cseregázként, vagy adalékgázként való földgázhálózati betáplálásuk során azok minősége eléri az adott magyar hálózatban szolgáltatott földgázra vonatkozó határértékeket, mindemellett meg kell vizsgálni az ebből adódó, eltérő hálózati gázminőségek gázfogyasztó berendezésekre gyakorolt hatását is. A biogázok földgázhálózati alkalmazhatóságának megítélése csak a cserélhetőségi vizsgálatok elemzése után adhat komplex képet. A cserélhetőség fogalma az MSZ ISO 13686: 1999 szabvány értelmében „…annak a fokmérője, hogy egy gáz égési jellemzői mennyire egyeznek meg egy másik gázéval. Két gázra akkor mondhatjuk, hogy cserélhető, ha az egyik gáz helyettesíthető a másik gázzal anélkül, hogy zavart okozna a gáztüzelésű készülékek vagy berendezések működésében.” A definíció értelmében látható, hogy elsősorban a Magyarországra jellemző földgázminőségeket kell égéstechnikai, illetve tüzeléstechnikai szempontból összehasonlítani a földgázrendszerbe potenciálisan betáplálható biogáz, biometán, biogáz-földgáz, illetve biogáz-minőségjavító gázok esetében. A cserélhetőségi eljárások kifejlesztést először a városi gázt alkalmazó hálózatok földgázra való átállítása hívta életre. Bár mára már az egész világon túlnyomórészt földgázt használnak, azonban ezek eltérő gázminőségei továbbra is indokolják a cserélhetőségi kérdések kutatását. Mindenek előtt különbséget kell tenni a városi gázra, a


72


földgázokra és az egyéb éghető gázokra kidolgozott eljárások között, mivel az egyik gázcsaládra kifejlesztett eljárás sok helyen problémákat mutat egy másik családnál történő alkalmazásnál. Cserélhetőségi eljárásokkal többen, illetve több kutatóintézet is foglalkozott az 1920-as évektől kezdődően (például Wobbe, 1926; American Gas Association, 1946; Weaver, 1951; Delbourg, 1953; Holmquist, 1957; Schustre, 1957; Van der Linden, 1970; Sommers, 1973; Dutton, 1978). A jelenleg is használatos eljárások lényegében ezen eljárások továbbfejlesztett változatai. A cserélhetőségi eljárások során leggyakrabban vizsgált paramétereket a 6.2. táblázat szemlélteti. Sorszám 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Cserélhetőségi jellemző hőterhelés (égőteljesítmény) levegőbeszívás mértéke (injektoros égők) lángkúp hossza lángleszakadás (elkerülése) lángvisszagyulladás (elkerülése) szén-monoxid képződés (kiküszöbölése) koromképződés (kiküszöbölése) „sárga lánghegy” csatlakozási gáznyomás

Megjegyzés cél: a jellemzők állandó értéken tartása cél: stabil égés biztosítása cél: tökéletes égés biztosítása

Forrás: Vida, 1984.

6.2. táblázat A leggyakrabban használt cserélhetőségi jellemzők A ma is használt cserélhetőségi eljárások lényegében ezen eljárások továbbfejlesztett változatai. Ezek az eljárások általában a cserélhetőséget jelzik előre bizonyos számított paraméterek ideális értéktől való eltérése alapján. A vizsgált paraméterek, illetve megengedhető eltéréseik vagy számszerű formában kerülhetnek megadásra, vagy un. cserélhetőségi diagramokon kerülhetnek ábrázolásra. (Vida, 1984) A klasszikus cserélhetőségi eljárások egy vizsgáló alapgázzal tökéletesen működő égőben meghatározzák az ehhez a működéshez rendelhető égési jellemzőket, a melyhez hozzárendelnek egy olyan összetételbeli, illetve mutatószámbeli változást a cseregázokra vonatkoztatva, mellyel még a készülék üzeme kielégítő. A másik, pontosabb eredményeket adó módszertípus az eltüzelésre szánt gázok tulajdonságait, az égők viselkedését, és a gázhálózatokban előforduló változásokat is figyelembe veszi. Ennek függvényében kétféle típusú cserélhetőségről beszélhetünk: elsőfajú cserélhetőség esetén a cseregázra való áttérés a készülék működési jellemzőit nem befolyásolja (nincs szükség az égő, fúvóka változtatására, illetve beszabályozásra); másodfajú cserélhetőség esetén a cseregázra való áttérés lényeges működési zavarokat okoz a készülékben (csak szerkezei átalakítással, vagy újraszabályozással üzemeltethető tovább a készülék). Napjainkban a gázok cserélhetőségének vizsgálatánál az MSZ ISO 13686: 1999-es szabvány tekinthető irányadónak Európában. A szabvány öt módszert ismertet a cserélhetőség vizsgálatára, melyeket az egyes kutatók eljárásaira alapozva fejlesztettek tovább: Wobbe-szám módszer; A.G.A.-index módszer; a British Gas szénhidrogén-egyenérték módszere (Dutton módszer); Francia módszer (Delbourg módszer) a gázok cserélhetőségének meghatározására; Weaver-index módszer.


73


Az első eljárás kivételével (single index) mindegyik gázösszetételen alapuló (multiple indices) előrejelző módszer. A fenti (empirikus) eljárások általában jó becslést adnak a cserélhetőségre, de nem tekinthetők abszolút megbízhatóaknak. A szabvány értelmében a cserélhetőség megállapításához legalább az alábbi négy kritériumot kell figyelembe venni, mint: a hőterhelést, mely a Wobbe-szám függvénye; a visszagyulladást, mely a láng kiömlőnyílás felé történő visszahúzódásának hajlama; a lángleszakadást, mely a láng kiömlőnyílástól történő eltávolodásának hajlama; és a sárga lángcsúcsot, mely a tökéletlen égést (magas CO szint, kormozás) jelzi előre. A helyettesítő gáz akkor alkalmas a cserére, ha fenti paraméterek mindegyike elfogadható szinten van, és nincs közben szükség a készülék beszabályozásának módosítására.

6.2.1. A Wobbe-szám módszer A Wobbe-szám módszer a cseréledő gázkeverékek Wobbe-számainak azonosságán alapul. Arról ad tájékoztatást, hogy egy adott összetételű gázról áttérve egy másik gázra, az égő tüzeléstechnikai jellemzőiben következik-e be jelentős változás. (Wopoeráné Valler, 2006) A Wobbe-szám másképpen fogalmazva, a gázkészülékbe bevihető energia mérőszáma, amely a fúvóka kiömlési egyenletéből vezethető le. Különböző gázösszetételek esetén a hőbevitel azonos, ha azok Wobbe-száma megegyezik, valamint a készülék azonos nyomáson üzemel. A szolgáltatott földgázok Wobbe-számának megfelelően különböző gázcsoportok kerültek meghatározásra, mely módszert az MSZ EN 437: 2003 európai szabvány is követi. (lásd. 4. fejezet) Az egy csoporton belül változó értékeket úgy határozták meg, hogy a csoporton belül nem lehet tökéletlen égés, koromképződés, lángleszakadás-, vagy visszagyulladás. Bár a cserélhetőség kérdése ezzel nem oldódott meg, de a gázcsoportokhoz tartozó minőséghatárokon belül a cserélhetőség fizikai és tüzeléstechnikai kérdései a gyakorlat számára kezelhetővé váltak. A magyar MSZ 1648-as szabvány megengedhető Wobbe-szám tartományai teljes összhangban vannak az EN 437-es szabvány értékeivel. Minden gázcsoport egy referenciagázzal, határgázokkal és vizsgálónyomásokkal jellemezhető. Referenciagáz az a gáz, amellyel a készülék névleges körülmények között, névleges nyomáson üzemel. Határgázok azok a gázok, amelyek a vizsgált földgázok szélsőséges jellemzőinek értékeit testesítik meg. Vizsgáló nyomások azok a nyomásértékek, melyek a készülék rendkívüli üzemi körülmények között előforduló ellátási feltételeit reprezentálják. A Wobbe-számuk szerint egy gázcsoportba tartozó gázokkal azok a készülékek üzemeltethetők biztonságosan, amelyeket az adott csoport referenciagázával, az országra jellemző csatlakozási nyomáson beszabályoztak, valamint kielégítően működnek a határgázokkal is a vizsgáló nyomásokon. A Wobbe-szám jelezi, de önmagában nem dönti el a cserélhetőséget! Azonban, ha a Wobbe-szám értéke az adott szolgáltatási területen a készüléktanúsítási eljárás során megállapított határokon belül marad, elegendő csupán annak ellenőrzése is, mivel csak olyan gázkészülékek kerülhetnek Magyarországon forgalomba, melyeket ezekre a határfeltételekre bevizsgált egy akkreditált tanúsító szervezet. A cserélhetőségre kidogozott eljárások lényegében az atmoszférikus levegőellátású, injektoros égővel ellátott készülékek vizsgálatán alapulnak. A gázkészülék technika azonban az elmúlt évtizedekben jelentős változáson esett keresztül, megjelentek a kényszer-levegőellátású, jelentős mértékű szabályozási elektronikával ellátott készülékek, valamint a jellemzően kapcsolt energiatermelésre használatos belső égésű motorok. Egy azonban bizonyos, az EN 437 szerint tanúsított gázberendezések folyamatos


74


cserélhetőséget biztosítanak a készüléktanúsítással rendelkező készülékekben. (MSZ ISO 13686: 1999) Az égő teljesítménye, azaz a gáz fúvókán történő átáramlása a következő matematikai formában írható le. A fúvókából a környezetbe kiáramló gáz úgy is felfogható, mint egy végtelen térfogatú, állandó nyomással rendelkező tartályból való kiömlés. Mivel a gáz összenyomható közeg, ezért figyelembe kell venni a kiáramlási sebesség számításánál, hogy a közeg a rá jellemző hangsebességnél lassabban, vagy a rá jellemző hangsebességgel (kritikus sebesség) hagyja el a kiömlési keresztmetszetet. A gáz fúvókán történő kiáramlási sebességének meghatározásához az izentrópikus áramlásra érvényes Bernoulli egyenlet használható. (Bobok, 1997) A fúvókából kiáramló gázmennyiség, valamint a kilépési keresztmetszet adja az égő teljesítményét meghatározó gázmennyiséget: qeff = α ⋅ A 0 ⋅ v g (m3/s) ahol α - a fúvóka kialakításától függő kiáramlási tényező (0,6 – 0,9) A0 - a fúvóka kiáramlási keresztmetszete (m2) vg – a kiáramlás sebessége (m/s) Az izentrópikus állapotváltozásra vonatkozó Bernoulli egyenletből kifejezett sebességgel a következő összefüggés adódik:

qeff

κ −1   d02 ⋅ π 2κ p1   p 0  κ  (m3/s) 1−   =α⋅ ⋅   4 κ − 1 ρ1  p1    

ahol d0 - a fúvóka átmérője (m) p1 - a fúvóka előtti nyomás (Pa) p0 - a fúvóka utáni (légköri) nyomás (Pa) ρ1 - a kiáramló gáz sűrűsége (kg/m3) κ - a gáz izentrópikus kitevője (-) Az egyes lépéseket nem részletezve (részletes levezetést lásd. Tihanyi-Szunyog, 2004), a fúvóka belépő oldalán érvényes p1/ρ1 hányados az általános gáztörvény felhasználásával átalakítható, az effektív gázáram gáztechnikai normál állapotra történő átszámításához szükséges összefüggés alkalmazásával, valamint az így kapott gázáram és a gáz felső hőértékének szorzatából származtatva, az égőn kiáramló hőteljesítmény a következőképpen írható fel matematikai formában:

p  d ⋅ π Hf Tn ⋅ z n 2κ R ⋅ ⋅ ⋅ p1 ⋅ ⋅ ⋅ 1 −  0  Qn = α ⋅ κ − 1 Mlev ⋅ T1 ⋅ z1 4 d pn  p1  2 0

κ −1 κ

(kW)

ahol Hf - a gáz felső hőértéke (kJ/m3) d - a gáz relatív sűrűsége (-) Tn - a gáztechnikai normálhőmérséklet (Tn=288,15 K) zn - az ideális gázra jellemző kompressziós tényező (zn=1,0) pn - a fizikai normálállapotban vett nyomás (pn=101 325 Pa) R - a moláris (univerzális) gázállandó (8,134510 kJ/(kmol·K)) Mlev- a standard összetételű száraz levegő moltömege (Mlev=28,9626 kg/kmol - MSZ ISO 6976 szerint) T1 - a gáz hőmérséklete (K) z1 - a gáz eltérési tényezője (-)


75


Az egyenletben a térfogategységre vonatkoztatott felső hőérték és a relatív sűrűség négyzetgyökének hányadosa adja a Wobbe-szám értékét. Az egyenletből látható az is, hogy az égő hőteljesítményét nem csak önmagában a Wobbe-szám, hanem a készülék előtti túlnyomás és gázhőmérséklet, illetve az izentrópikus kitevő és az eltérési tényező is befolyásolja, ami viszont a gázösszetétel függvénye! A fenti egyenlet csak abban az esetben érvényes, ha a fúvóka két oldalán érvényes nyomásokra teljesül a következő feltétel: κ

p 0  2  κ −1 >  p1  κ + 1  Amennyiben a kiömlési keresztmetszetben a nyomásarány nem teljesíti ezt a feltételt, abban az esetben a gáz kiáramlása kritikus állapotba kerül, azaz a kiömlési sebesség a gázra jellemző hangterjedési sebességgel fog megegyezni, azt viszont nem lépi túl, bármekkora is legyen a tartályban (csővezetékben) uralkodó nyomás. Az égőn kiáramló hőteljesítményt leíró egyenletből kiindulva megvizsgáltam, hogy mekkora tényleges hatással van a fúvókából kiáramló kémiailag kötött energiaáramra a gáz összetételéből adódó izentrópikus kitevő és eltérési tényező. A kiömlésre jellemző egyenletből látható, hogy egyes paraméterek nem függnek a gáz minőségétől, és állandónak tekinthetők a cserélendő gázok esetén is. Ilyen a kiáramlási tényező, mely csupán a geometria függvénye, a fúvóka előtti gáznyomás és hőmérséklet, a fúvóka keresztmetszete, a normál állapotjelzők, a moláris gázállandó, és a standard összetételű száraz levegő moláris tömege. Elegendő tehát a maradék változók viselkedését elemezni. Az égő hőteljesítményére jellemző összefüggésből a nem változó paraméterek kiemelése után az alábbi, általam K-nak jelölt szorzat állatható el:

K=

Hf d

⋅

p  2κ 1 ⋅ ⋅ 1 −  0  κ − 1 z1  p1 

κ −1 κ

= A ⋅B ⋅ C ⋅D

Jelölje az egyes szorzattényezőket rendben, A, B, C és D betű. Az ’A’ tényező, azaz a Wobbe-szám lehetséges értékei már az előzőekben vizsgáltra kerültek a Magyarországra jellemző földgáz típusok, illetve a minta biogáz összetételek esetén. A ’B’ tényező értéke csupán a gáz izentrópikus kitevőjének függvénye. A gyökös kifejezés értéke a vizsgált gázösszetevők közül az n-heptánnál adódik a legnagyobbnak 5,7879nek, és a vízgőz esetében a legkisebbnek 2,2152-nek. Az adott gáz összetételének függvényében tehát, akár a többszörösére is változhat a ’B’ szorzótényező értéke. A ’C’ szorzótényező a gáz kompressziós tényezőjének függvénye. A ’z’ értéke a nyomás és a hőmérséklet függvénye. Az egyes komponenseket megvizsgálva, az tapasztaljuk, hogy a tiszta hidrogéné a legmagasabb 1,0006 (a tiszta metáné 0,9980), és a normál heptáné a legkisebb 0,8660. A gyökös kifejezés értéke tehát 0,9997 és 1,0746 között változhat a számításoknál alkalmazott gázkomponenseknél gáztechnikai normálállapotra vonatkoztatva. A ’D’ tényező értéke nem csak a gáz anyagminőségétől függő izentrópikus kitevő, hanem a környezeti és a fúvóka előtti nyomás függvénye is. A két nyomás hányadosa az alapgáz és a cseregáz esetében meg kell egyezzen, azonban a ’D’ tényező értéke jelentősen függ a hányados értékétől. A legkedvezőtlenebb esetek alsó szélső értékét az képezi, ha az abszolút légköri minimumnyomás (969 mbar; OMSZ 1976-os érték) mellett a még


76


megengedhető 18 mbar gázkészülék csatlakozási nyomás van a legkisebb izentrópikus kitevőjű komponens, az n-hepán esetében. Ekkor a hányados értéke 0,0331. A legkedvezőtlenebb eset felső szélső értéke akkor adódik, amikor szintén az abszolút légköri nyomás minimum mellett, a növelt kisnyomású hálózatban megengedhető legmagasabb nyomásérték (100 mbar) van, a legnagyobb izentrópikus kitevőjű komponens, a hidrogén esetében. Ekkor a ’D’ tényező értéke 0,1677-nek adódik, mely ötszöröse az alsó határértéknek. Mindezekből levonható az a következtetés, hogy ezen tényezők vizsgálata csak konkrét, pontos összetétellel jellemezhető alap és cseregázok esetében képezheti az összehasonlítás alapját. Az alábbi 6.3. táblázat a minta földgázok (F1-F5), valamint a minta biogázok (B1-B5) ’K’ tényezőinek egyes elemeit mutatja gáztechnikai normálállapotra vonatkoztatva. A ’D’-vel jelzett szorzótényező 25 mbar és 85 mbar készülékcsatlakozási nyomásokra, valamint a magyarországi abszolút minimum- (969 mbar), a gáztechnikai normál- (1013,25 mbar) és a magyarországi abszolút maximum (1056 mbar; OMSZ 1907-es érték) légköri nyomásértékekkel is vizsgálatra került. Ez által lefedhető az a változási tartomány, amely a tényleges szolgáltatási körülmények között a magyar földgázrendszeren adódhat. Az egyes tényezők értékei, és változási tartományai a táblázat alapján követhetők. A legnagyobb eltérés értelemszerűen az ’A’ tényező értékében, azaz a felső hőértékből számított Wobbe-számban tapasztalható. A ’B’ tényező, azaz a gázkeverékek izentrópikus kitevőjéből adódó korrekció, csak kis mértékben változik. A vizsgált gázösszetételek esetében a legnagyobb (2,9495 F5) és a legkisebb (2,8418 B1) érték között -3,65% eltérés tapasztalható a földgázhoz viszonyítva. A gáz kompressziós tényezőjéből képzett ’C’ korrekciós tag esetében a legkisebb (1,0010 F1) és a legnagyobb (1,0016 B2) érték között +0,06% az eltérés a földgázhoz viszonyítva. A ’D’ korrekciós tag nem vizsgálható ilyen egyértelmű peremfeltételekkel, hiszen nem csak a gázkészülék fúvókája előtti, valamint a légköri nyomás, hanem a gázösszetételtől függő izentrópikus kitevő is befolyásolja a tényező értékét. A ’D’ tényező értéke az (F5) jelű földgáz esetén adódott a legkisebbnek (0,0732), méghozzá a legmagasabb légköri (1056 mbar) és készülékcsatlakozási (85 mbar) nyomásokon. A legnagyobb érték a (B1) jelű biogáznál adódott (0,1436), méghozzá a legalacsonyabb légköri (969 mbar) és a magasabb (85 mbar) készülékcsatlakozási nyomásnál. A kettő közötti eltérés +96,17%-t jelent a földgázhoz viszonyítva. Mivel a fúvókák előtti nyomás, valamint a légköri nyomás hányadosa az alapgázok cseregázokra történő váltásával nem változik, ezért helyes következtetés csak az ennek megfelelő feltételek mellett vonható le. A ’D’ tényezők közötti legnagyobb eltérést tehát csak egy-egy sorra értelmezve, külön-külön kell meghatározni. A legkisebb értékek minden esetben az (F5) jelű földgáznál, a legnagyobb értékek pedig, minden esetben a (B1) jelű biogáznál adódnak. A legkisebb eltérés azonos nyomásfeltételek mellett +3,75%, a legnagyobb +3,78%-nak adódott. Összegezve kijelenthető, hogy a Magyarországra jellemző földgázösszetételek, valamint a fermentációs folyamatból származó reprezentatív biogáz összetételek cseregázként, illetve minőségjavítás nélkül a földgázhálózatba kevert adalékgázként való alkalmazása esetén a felső hőértékből képzett Wobbe-számok vizsgálata (egyezősége) kiemelkedő fontosságú a cserélhetőség szempontjából. A ’K’ tényezőből elhagyva a Wobbe-szám szorzótényezőjét (A), a maradék tagok szorzata (B·C·D) az egyes gázösszetételek esetében csak igen kis mértékben változik. 25 mbar fúvóka előtti túlnyomást feltételezve ez csupán -0,056% eltérést, 85 mbar fúvókanyomás esetén pedig, -0,067% eltérést jelent az egyes gázösszetételekre vonatkozó szorzatértékekben legfeljebb. A minta biogázok és minta földgázok bármilyen típusú és arányú keveréke nem eredményez ±0,07%-nál nagyobb elétérést az eredeti gáz és a cseregáz (B·C·D) szorzatában.


77

1,2003 0,9030 1,3292 16,5282 2,8418 1,0011 0,0793 0,2256 3,7289 0,1436 0,4084 6,7503 0,0776 0,2207 3,6478 0,1405 0,3998 6,6086 0,0760 0,2163 3,5743 0,1378 0,3920 6,4798

Fajhő fizikai normálállapotban (cv): Izentrópikus kitevője (κ): 'A' tényező: 'B' tényező: 'C' tényező: 'D' tényező (969+25 mbar): B*C*D tényezők szorzata: 'K' tényező: 'D' tényező (969+85 mbar): B*C*D tényezők szorzata: 'K' tényező: 'D' tényező (1013,25+85 mbar): B*C*D tényezők szorzata: 'K' tényező: 'D' tényező (1013,25+25 mbar): B*C*D tényezők szorzata: 'K' tényező: 'D' tényező (1056+85 mbar): B*C*D tényezők szorzata: 'K' tényező: 'D' tényező (1056+25 mbar): B*C*D tényezők szorzata: 'K' tényező:

Betáplálási peremfeltételek Magyarországon 1,0372 1,3118 26,0770 2,9007 1,0015 0,0777 0,2257 5,8858 0,1407 0,4087 10,6564 0,0760 0,2208 5,7578 0,1377 0,4001 10,4326 0,0745 0,2163 5,6417 0,1350 0,3923 10,2293

1,3606

26,0770

0,9970 0,8886 24,5823

trágyalé

DVGW G 262

Biogázok B3

1,1432 1,3131 31,2285 2,8961 1,0014 0,0778 0,2257 7,0475 0,1409 0,4086 12,7596 0,0761 0,2208 6,8942 0,1379 0,4000 12,4916 0,0746 0,2163 6,7553 0,1352 0,3922 12,2482

1,5012

31,2285

0,9973 0,8027 27,9783

komm.szennyvíz

DVGW G 262

B4

1,3140 1,3148 38,5472 2,8903 1,0012 0,0780 0,2256 8,6975 0,1412 0,4085 15,7469 0,0763 0,2207 8,5084 0,1382 0,3999 15,4162 0,0747 0,2163 8,3369 0,1355 0,3921 15,1158

1,7276

38,5472

0,9976 0,6946 32,1261

állati tetem

DVGW G 262

B5

1,6184 1,3128 50,4066 2,8971 1,0010 0,0778 0,2256 11,3718 0,1408 0,4085 20,5889 0,0761 0,2207 11,1245 0,1379 0,3999 20,1565 0,0746 0,2162 10,9003 0,1352 0,3921 19,7637

2,1247

50,4066

0,9979 0,5675 37,9727

2H

Beregdaróc

F1

1,4922 1,3053 46,6846 2,9241 1,0012 0,0771 0,2256 10,5338 0,1396 0,4085 19,0729 0,0754 0,2207 10,3047 0,1366 0,4000 18,6723 0,0739 0,2163 10,0970 0,1340 0,3922 18,3083

1,9477

46,6846

0,9977 0,6305 37,0686

2H

Hajdúszoboszló

F2

1,4856 1,3017 46,5206 2,9377 1,0012 0,0767 0,2256 10,4968 0,1389 0,4086 19,0066 0,0751 0,2207 10,2686 0,1360 0,4000 18,6074 0,0735 0,2163 10,0616 0,1333 0,3922 18,2446

1,9337

46,5206

0,9977 0,6405 37,2317

2H

Szank

Földgázok F3 F4

1,4908 1,3013 47,1710 2,9390 1,0012 0,0767 0,2257 10,6441 0,1389 0,4086 19,2734 0,0750 0,2207 10,4127 0,1359 0,4000 18,8686 0,0735 0,2163 10,2028 0,1333 0,3922 18,5007

1,9400

47,1710

0,9976 0,6395 37,7225

2H

Algyő (reg.)

F5 Mértékegység

1,2653 1,2985 37,7252 2,9495 1,0014 0,0764 0,2257 8,5142 0,1384 0,4087 15,4171 0,0748 0,2208 8,3290 0,1355 0,4001 15,0932 0,0732 0,2163 8,1612 0,1328 0,3923 14,7990

kJ/kg·K 3 MJ/m 3 MJ/m 3 MJ/m 3 MJ/m 3 MJ/m 3 MJ/m 3 MJ/m

1,6431 kJ/kg·K

0,9973 0,7599 32,8850 MJ/m3 37,7252 MJ/m3

2S

Kardoskút (reg.)

6.3. táblázat Az égő hőteljesítményére felírt egyenlet, a cserélhetőségi eljárás során változó szorzótényezőinek (A, B, C, D) adott gázösszetétel és szolgáltatási nyomásra vonatkozó értékei

0,9859 1,3111 23,4431 2,9034 1,0016 0,0776 0,2257 5,2917 0,1405 0,4087 9,5809 0,0759 0,2208 5,1766 0,1376 0,4001 9,3797 0,0744 0,2164 5,0723 0,1349 0,3923 9,1969

1,2926

23,4431

16,5282


Fajhő fizikai normálállapotban (cp):

komm.szennyvíz

házt. szemét

0,9968 0,9372 22,6952

DVGW G 262

DVGW G 262

0,9978 0,9666 16,2498

Kompressziós tényező (z): Relatív sűrűsége (d): Felső hőértéke (Hf):

Gázminőségi paraméter Anyagjellemzők

B2

B1


78


Meg kell vizsgálni azt az esetet is, amikor az MSZ 1648 szabványnak megfelelő gáz a minőségjavítás nélküli biogázból propán hozzáadásával kerül előállításra. A szorzótényezőkben a legnagyobb változás ott tapasztalható, ahol a legtöbb a propán mennyisége a keverékben. Ez a 2S gázminőség esetén 50-50 mol% metán és nitrogén keverékéhez legfeljebb 29,6 mol% kereskedelmi propán hozzáadása mellet lehetséges, úgy hogy közben a keverék relatív sűrűsége még ne lépje át az 1,0 határértéket. A keverék Wobbe-száma 41,5582 MJ/m3, az izentrópikus kitevője 1,2397, a kompressziós tényezője 0,9962. A három tag szorzata (B·C·D) 25 mbar fúvókanyomás esetén 0,06%-al, 85 mbar nyomás esetén 0,12%-al tér el legnagyobb mértékben a minta földgázokra számítottaktól. 2H gázminőség esetén 62,7 mol% metán és 37,3 mol% nitrogén keverékéhez adott 29,3 mol%-nyi kereskedelmi propánnál lehetséges. A relatív sűrűség ekkor a kívánt tartományon belül marad. A keverék Wobbe-száma 45,6667 MJ/m3, az izentrópikus kitevője 1,2371, a kompressziós tényezője 0,9959. A három tag szorzata (B·C·D) 25 mbar fúvókanyomás esetén 0,08%-al, 85 mbar nyomás esetén 0,14%-al tér el legnagyobb mértékben a minta földgázokra számítottaktól. Bizonyítást nyert tehát, hogy a minőségjavítás nélküli, a kereskedelmi propánnal történő minőségjavítással, valamint a minőségjavító gáz (kereskedelmi propán) hozzáadása nélküli (csupán a gáz inerttatalmának csökkentésével elért) biogáz minőségek földgázhálózati betáplálásának cserélhetőségi feltételeiben elegendő csupán az alapgáz (hálózati földgáz) és a cseregáz (biogáz, vagy biogáz és földgáz keveréke) Wobbeszámainak egyezőségét vizsgálni. Az égőből kiáramló hőmennyiségre hatással lévő, a Wobbe-számon kívüli egyéb tényezők (izentrópikus és kompressziós tényező) ugyanazon készülékben, ugyanazon gázhőmérséklet, gáznyomás és környezeti nyomás esetén elhanyagolható mértékben (legfeljebb ±0,15%) befolyásolják az égőből kiáramló, kémiailag kötött energiamennyiséget.

6.2.2. SRG módszer (Sommers-Ruhrgas) 1971-ben, az addigi gyakorlattól eltérően, a német Ruhrgas-nál elismerték azt a tényt, hogy a földgázüzemre beszabályozott készülékben a földgázminőség változása esetén a hőterhelések a Wobbe-számnak megfelelő arányban változnak (lényegében a Wobbeszám módszer). A metódus természetszerűleg nem alkalmazható a teljes második gázcsaládra, hanem annak csak bizonyos tartományában. Az SRG módszer megkülönbözteti azokat az eseteket, amikor a gázfúvóka átmérője kisebb, mint 0,5 mm, melynél már lamináris áramlás is felléphet. Az ilyen, un. kisfokozati hőterhelésű fúvókák esetében (a gyakorlatban csak a gyújtóégő fúvókák rendelkeznek ennél kisebb furat átmérővel) a más gázminőségre való áttérésből adódó hőterhelés változást célszerűbb az alsó hőértékből és a dinamikai viszkozitás hányadosából képzett számértékkel jellemezni a Wobbe-szám helyett. (Joos, 2005) A leggyengébb minőségű minta biogáz esetében (B1) ez az érték 1,0397-nek, a legmagasabb metántartalommal rendelkező (F1) földgáz esetében, pedig 3,1755-nek adódik. A két érték hányadosa 0,3274. Ha képezzük a két gáz Wobbe-számainak is az arányát, a hányadosukra 0,3279-et kapunk. Amint látható, az eltérés elhanyagolható mértékű a vizsgált minta biogázok és a földgázok esetén, így ez a korrekciós lépés jelen esetben nem szükségszerű.

6.2.3. Az A.G.A. index módszer Az American Gas Association által az ’50-es években kifejlesztett módszer alapja, hogy egy adott gázösszetételből célszerűen megválasztott gázjellemzőket lehet képezni (Weaver-index módszer). Minden esetben egy beállító és egy helyettesítő gáz összehasonlítására kerül sor. A cserélhetőséget a lángleszakadásra, a visszagyulladásra


79


és a tökéletlen égésre (sárga lángcsúcs) vonatkozó indexek kiszámításával, illetve az azokra vonatkozó még elfogadható eltérések meghatározására vezeti vissza. Az egyenletek empirikus összefüggések. A még elfogadható határok olyan értékek, amelyek éppen kielégítő teljesítményt szolgáltatnak. Mivel az A.G.A index módszer is a Weaverindex módszerre épül, valamint a módszer az Amerikában használatos gázkészülékekre került kifejlesztésre, ezért ennek a módszernek a részletes vizsgálatára nem került sor. (MSZ ISO 13686)

6.2.4. Szénhidrogén-egyenérték módszer (British Gas) Az összetételen és a Wobbe-számon alapuló előjelzési módszer a cserélhetőség megállapítására, melyet az Egyesült Királyságban alkalmaznak. A földgáz elégetésekor a tökéletlen égés és a kormozás nem jelezhető előre megfelelő mértékben csupán a Wobbe-szám és a Weaver lángsebesség tényező alapján. Ennek kiküszöbölésére egy gázösszetételen alapuló előrejelzési módszer került kifejlesztésre. A módszer feltételezi, hogy a gáz négy összetevőből álló keverék, mely csak metánt, a metánnál magasabb rendű szénhidrogéneket, hidrogént és inert gázokat (N2 és CO2) tartalmaz. Az szénhidrogének mennyiségének egy adott komponensként való kifejezése céljából az egyenérték-gáz elvet alkalmaz. Az egyenértékgáz a metánnak és a propánnak megfelelő arányú keveréke, mely keverék pontosan annyi metánt és propánt tartalmaz, hogy ideális térfogata és molekulánkénti átlag szénatomszáma megegyezzen a vizsgált gázéval (pl. C2H6=0,5·CH4+0,5·C3H8) Az egyenérték tényezőket a 6.4. táblázat tartalmazza. Az egyenérték tényezőknél a negatív előjel is megengedett. Szénhidrogén Metán (CH4) Etán (C2H6) Propán (C3H8) Bután (C4H10) Pentán (C5H12) Hexán (C6H14)

metán 1,0 0,5 -0,5 -1,0 -1,5

propán 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Forrás: MSZ ISO 13686

6.4. táblázat Szénhidrogén- egyenérték tényezők (British Gas) Az inert gázokat nitrogén-egyenértékben határozza meg, mivel az égésre kifejtett hatásuk hasonló. A Wobbe-számot és az előzőek alapján előállított négy összetevőjű keveréket előrejelzési diagramon ábrázolva becsülhető a cserélhetőség. Abban az esetben, ha a keverékgáz hidrogént is tartalmaz, egy háromdimenziós cserélhetőségi diagramon ábrázolható a cserélhetőségi térfogat. Kiszámítottam a minta földgázok és biogázok szénhidrogén-egyenértékeit (6.5. táblázat), és az így kapott pontokat a British Gas által készített kétdimenziós cserélhetőségi diagramon is ábrázoltam (6.14. ábra).

Négy összetevőjű keverék

British Gas CH egyenértékei

B1

B2

Biogázok B3

B4

B5

F1

F2

Földgázok F3

F4

F5

DVGW G 262

DVGW G 262

DVGW G 262

DVGW G 262

DVGW G 262

Beregdaróc

Hajdúszoboszló

Szank

Algyő (reg.)

Kardoskút (reg.)

házt. szemét

komm.szennyvíz

trágyalé

komm.szennyvíz

állati tetem

2H

2H

2H

2H

2S

Metán egyenérték

CH4

mol% 43,00%

mol% 60,00%

mol% 65,00%

mol% 74,00%

mol% 85,00%

mol% 98,237%

mol% 91,470%

mol% 88,613%

mol% 90,321%

mol% 77,140%

Propán egyenérték

C3H8

0,00%

0,00%

0,00%

0,00%

0,00%

0,904%

2,640%

3,949%

3,784%

3,890%

H2 N2

0,00%

0,00%

0,00%

0,00%

0,00%

0,000%

0,000%

0,000%

0,000%

0,000%

57,00% 100,00%

40,00% 100,00%

35,00% 100,00%

26,00% 100,00%

15,00% 100,00%

0,859% 100,000%

5,891% 100,000%

7,438% 100,000%

5,895% 100,000%

18,970% 100,000%

Hidrogén tartalom Nitrogén egyenérték

Összesen:

6.5. táblázat A gázzal egyenértékű, négy összetevőjű gázkeverék


80


56 3

54,76 MJ/m

54

fokozott veszélyességi határ

3

Wobbe-szám (MJ/m )

veszélyességi határ

52


normál felső határ (tökéletlen égés)

F1

50

veszélyességi határ

veszélyességi határ (lángleszakadás) normál alsó határ (kormozás)

48 normál alsó szolgáltatási határ

F4 F2

F3

44 0

F3+B5 F3+B1

F1+B5 F1+B1

46

10

20

30

40

3

45,66 MJ/m

max. propán (2H)

fokozott veszélyességi határ

50

60

70

80

90

100

C3H8+N2 (mol%)

6.14. ábra Kétdimenziós cserélhetőségi diagram A diagramban zöld pontok jelölik a minta földgázok cserélhetőségi diagramon elfoglalt helyét. Amint látható, ezek az értékek mindegyike a még elfogadható határokon belül helyezkedik el, de az (F2) és (F3) jelű földgázoknál már lángleszakadásra való hajlam kezd kialakulni. Jelen diagram csak a H gázminőségi csoportba tartozó földgázokra érvényes, a magyar sajátságú (2S) területekre nincs ilyen cserélhetőségi diagram kidolgozva, így az (F5) jelű minta biogáz összetétel sem kerülhetett ábrázolásra. Értelemszerűen a még minőségjavításon át nem esett biogázok (B1-B5) egyike sem teljesíti a cserélhetőség feltételét. A minőségjavítás egyik lehetséges módja a még inert komponenseitől meg nem szabadított biogáz kereskedelmi propánnal való keverése. 2H jelű földgáz esetében kimutatásra került, hogy Magyarországon legfeljebb 29,3 mol% k. propánt lehet hozzáadni egy metánt és nitrogént (62,7 mol% + 37,3 mol%) tartalmazó gázkeverékhez annak érdekében, hogy még éppen ne lépjen ki az MSZ 1648 szabvány által meghatározott hőérték és Wobbe-szám tartományból, és a gáz relatív sűrűsége teljesítse az 1,0-nál kisebb érték feltételét. A 2H szolgáltatási területen ez képezi a legmagasabb hozzáadható propán mennyiséget. Ez az érték a diagramon piros ponttal (max. propán 2H) került ábrázolásra. A biogázok adalékgázként való földgázhálózati betáplálásának feltételei (maximális betáplálható minta biogáz mennyiségek a minta földgázokat szolgáltató hálózatokba) az előző fejezetekben meghatározásra kerültek. Itt csak a legnagyobb (F1), illetve legkisebb (F3) Wobbe-számmal jellemezhető földgázok kerültek vizsgálatra. Az ezekhez a gázminőségekhez a maximálisan adagolható leggyengébb (B1) és legjobb (B5) biogáz minőségek keverési arányaival meghatározásra kerültek a keverékgáz összetételek (a Wobbe-szám tartomány alsó értékére beállítva azt), melyek a diagramon 4 db narancsszínű ponttal kerültek ábrázolásra (F1+B1, F1+B5, F3+B1, F3+B5). Mind a propánnal, mind a keverési feltételekkel (adalékgáz) előállított, megengedhető legalacsonyabb Wobbe-számmal bíró keverék átlépi a lángleszakadásra jellemző veszélyességi határt.


81


6.2.5. Francia módszer A Delbourg által kifejlesztett cserélhetőségi diagram, illetve annak továbbfejlesztett változata, már nem csak a gázjellemzőket, hanem az égők adatait is figyelembe veszi. A gáz gyulladási határait jelző cserélhetőségi indexek meghatározásán alapul. A referencia állapotban működő készülék hibája (lángleszakadás, tökéletlen égés, stb.) egy indexértékkel jellemezhető. Kísérletek alapján meghatározásra kerültek az egyes indexek még megengedhető eltérési tartományai. Az ezek alapján felvázolt cserélhetőségi diagram megmutatja azt a tartományt, amelyen belül a készülék kielégítően üzemel. A diagram koordinátái tisztán gáztechnikai jellemzőket tartalmaznak, de már a diagramban alkalmazott paraméterek egy vizsgálóégő műszaki adatait jelenítik meg. A gyakorlat azt mutatta, hogy a második gázcsalád gázainak sokfélesége miatt ez az eljárás földgázokra nem minden esetben alkalmazható. (MSZ ISO 13686; Joos, 2005) A cserélhetőségi indexeket a gáz kémiai összetétele alapján számítja. Elsődleges indexeknek tekinti a korrigált Wobbe-számot és az égési potenciált. Másodlagos index a sárga lángcsúcs-index, mely lehetővé teszi a részleges előkeverésű lángok esetén a sárga lángcsúcs megjelenésének előrejelzését, azaz a kormozás megakadályozását. Az MSZ ISO 13686-os szabványban, a francia módszerre közölt cserélhetőségi-, illetve korrekciós együttható diagramok 20 mbar csatlakozási nyomásra és a holland lacq-i típusú gázzal üzemelő készülékekre érvényesek. Ahhoz, hogy ezt az eljárást nálunk is alkalmazni lehessen (25 mbar-os csatlakozási nyomásnál, valamint 2H és 2S gázminőség esetén) a módszert át kellene ültetni a hazai gyakorlatba.

6.2.6. Weaver-index módszer A Weaver-indexek az amerikai földgázok kicserélhetőségének értékelésére lettek kidolgozva az ’50-es években. A módszer nem veszi figyelembe a gázkészülék technikát, csak a földgázok jellemzőivel dolgozik. Mivel az európai és amerikai piac gázkészülékei között jelentős eltérések tapasztalhatók, illetve a mai gázkészülékek már jóval fejlettebbek mint évtizeddel ezelőtti társaik, ezért ezek a számok az európai gázkészülékek esetében túl szűk tartományt adnak meg, a tartományok túllépése általában semmiféle üzemzavart nem okoz. Egyik pozitívuma viszont a módszernek, hogy a Weaver-indexek egyenletei már tartalmazzák a lángsebességet, mely a lángleszakadás és –visszagyulladás egyértelmű előrejelzője. A módszer 6 db cserélhetőségi jellemzőből indul ki, egy alapgáz másikkal történő helyettesítésekor. A jellemzők megengedett ingadozási tartománya az adott gázkészüléknek is függvénye. Modernebb égők és készülékek esetében ezen értékek a Weaver szerinti határérték tartományon kívülre kerülésével sincs teljesen kizárva a cserélhetőség. Amióta a gázkészülékek átesnek az MSZ EN 437-es szabvány által követelt tanúsítási eljáráson, a Weaver határértékek túl szigorúnak bizonyulnak. Amennyiben az egyes határértékek az előírt tartományon belül helyezkednek el, a két gáz cserélhetősége bizonyosnak vehető. A hat vizsgált paraméter az MSZ ISO 13686 szabvány értelmében a következő: Hőbeviteli arány (JH), mely a helyettesítő és az alapgáz Wobbe-számának hányadosaként a gázösszetétel hatását mutatja a készülék hőbevitelére vonatkoztatva. Primerlevegő-arány (JA), mely meghatározza a teljes égéshez szükséges primer levegő változását a helyettesítő gázra való áttérés során. Lángleszakadás index (JL), mely a lángnak az égőről való leszakadási hajlamát jelzi. Visszagyulladási index (JF), mely a visszagyulladási (lángvisszacsapási) hajlamot jelzi. Sárgalángcsúcs-index (JY), mely a sárga láng és a szabad szén képződésének hajlamát jelzi. Tökéletlen égés index (JZ), mely a szén-monoxid képződés hajlamát jellemzi.


82


Az egyes cserélhetőségi jellemzők számítási képleteit, valamint a Weaver szerinti megengedhető tartományukat a 6.6. táblázat szemlélteti. A Weaver-index módszert egy amerikai közszolgáltató felülvizsgálta melyben nem csak a földgázok, hanem a földgázok és egyéb gázok (biogázok, propán-levegő, stb.) keverékeinek cserélhetőségi határfeltételeit is vizsgálta. Ennek a munkának az eredményeképpen a Weaver-féle határérték index tartományok kiterjesztésre kerültek. A módosított, H gázcsoportra vonatkozó értékeket szintén tartalmazza a táblázat. Értéke optimum

Wobbe-szám (hőterhelés)

1.

JH

=

d H ⋅ a H d a

1

0,95-1,05

0,90-1,08

Prim. lev. beszívás (lángkép)

2.

JA

=

d L ⋅ a La d

1

0,95-1,05

0,89-1,08

Lángleszakadás

3.

JL

= JA ⋅

U 1− (O 2 ) ⋅ Ua 1− (O 2 )a

1

> 0,64

> 0,86

Lángvisszagyulladás

4.

JF

=

U − 1,4 ⋅ J A + 0,4 Ua

0

< 0,08

< 1,06

Koromképződési hajlam (sárga lángcsúcs)

5.

JY

= JA +

0

< 0,14

< 0,12

CO képződési hajlam

6.

JZ

= J A − 0,366 ⋅

R − 0,634 0 Ra

< 0,00

< 0,12

Égés

Hőteljesítmény

amerikai kutatás

Weaver

Lángstabilitás

WEAVER jellemző

Számítási képlet

N − Na −1 110

H csoport

* az „a” indexű jellemző az alapgázra, az index nélküli jellemző a cseregázra vonatkozik Forrás: GS 708-T: 1969 OKGT Gázipari segédlet; MSZ ISO 13686: 1999 szabvány

6.6. táblázat A Weaver-index módszer jellemzőinek számítása, és megengedhető határértékeik ahol H, Ha - felső hőérték (MJ/m3) d, da - relatív sűrűség (-) L, La - elméleti levegőszükséglet (m3/m3) U, Ua- a hidrogénre vonatkoztatott maximális lángterjedési sebesség, UH2=100%, mely számítható: n

U=

∑r ⋅F i=1

i

i

L + 1 + 5 ⋅ (l) − 18,8 ⋅ (O 2 )

ahol: ri - éghető komponensek részaránya (mol%) Fi - az éghető komponensek gyulladási értékei az alábbi táblázat szerint: F

CH4 C2H6 C3H8 C4H10 CnH2n+2 H2 148 301 398 513 674 339


CO 61

83


(l) - inert tartalom (CO2 + N2) részaránya (mol%) (O2), (O2)a - oxigén tartalom (primer levegőből) mol% N, Na - minden szénhidrogén komponens C atomszám és mol% szorzatainak összegéből kivonva a telített szénhidrogén komponensek mol%-ainak összegét R, Ra - hidrogén és szénhidrogén komponensek H atomszám és mol% szorzatainak összege, osztva a szénhidrogén komponens C atomszám és mol% szorzatainak összegével. Minden minta biogáz, illetve minta földgáz összetételre meghatározásra kerültek a Weaver-indexek számításához szükséges alapparaméterek (Hf, d, L, U, N, R). Az eredményeket a 6.7. táblázat mutatja. A következő 6.8. táblázat a három, legjobban eltérő összetétellel jellemezhető minta földgázok (F1, F3, F5), valamint három, célszerűen kiválasztott minta biogáz összetétel (B1, B3, B5) esetére mutatja az előző táblázatban kiszámított alapparaméterekből képzett cserélhetőségi jellemzőket (JH…JZ). A cserélhetőségi jellemzőknél vastagított számérték jelzi a Southern LNG intézet legfrissebb ide vonatkozó kutatásai (Poellnitz, 2009) által meghatározott tartományoknak való megfelelést. A táblázat eredményei alátámasztják a már megtett kijelentések egy részét a hőteljesítményre vonatkozóan, miszerint a minél jobban közelíti az alap- és a cseregáz Wobbe-száma egymást, annál biztosabb, hogy a gázberendezésben való eltüzeléskor sem jelentkezik tüzeléstechnikai probléma. A (B5) jelű, 85 mol% metán tartalommal jellemezhető biogáz minőségjavítás nélküli bekeverése esetén semelyik alapgáz összetételnél nem jelezhető előre lángleszakadás, vagy -visszagyulladás. A koromképződést és a tökéletlen égést (CO képződés) csak ott nem jelez előre a módszer, ahol a két gáz felső hőértéke és Wobbe-számai csak néhány százalékos (2-5%) eltérést mutatnak (F5 jelű, 2S minőségű földgáz és B5 jelű minta biogáz cseréje esetén). A cserélhetőség szempontjából megvizsgáltam a minta biogázok adalékgázként való bekeverését a minta földgáz hálózatokba a Weaver-módszerrel. A számításokhoz nem minden lehetséges földgáz-mintagáz kombináció került megadásra, hanem csak a valamilyen szempontból (pl. határfeltételnél lévő) kiemelt kombinációk. A 2H jelű hálózat esetén egyrészt a legmagasabb hőértékkel és Wobbe-számmal jellemezhető gáz (F1), másrészt a legalacsonyabb Wobbe-számmal és a legmagasabb propán tartalommal jellemezhető (F3) jelű gáz, valamint a 2S területet jellemző (F5) jelű gáz került vizsgálatra, mint a hálózatban szolgáltatott alapgáz. Ezekhez az összetételekhez a legalacsonyabb és a legmagasabb hőértékkel jellemzett (szélső értékű) biogázok (B1 és B5) kerültek bekeverésre, méghozzá olyan arányban, hogy a földgáz és a biogáz keverékének a felső Wobbe-száma még éppen ne lépjen ki a szolgáltatási tartomány alsó határán. (A megengedhető maximális betáplálási arányokat a 6.1.4. fejezet tartalmazza.) Az eredményeket a 6.9. táblázat tartalmazza. Lényegében minden vizsgált keverési arány eleget tett a Weaver-féle mutatószámok által meghatározott tartományoknak. A táblázatban vastagított számok jelzik, amely értékek megfeleltek a Southern LNG kutatása által meghatározott tartományoknak. Egyedül az (F1) jelű földgáz, valamint földgáz és biogáz keverékeknél volt a tartomány túl szigorú (nem vastagított számok). A hőteljesítmény határértéken túli változása, valamint tökéletlen égés volt előre jelezhető. A táblázat utolsó oszlopában azonban feltüntetésre került az MSZ ISO 13686 által megadott határérték tartomány is H gáz esetében. Ezeket a határértékeket viszont már ez a keverékgáz típus is teljesítette.


84

Betáplálási peremfeltételek Magyarországon komm.szennyvíz

házt. szemét

Ar

H2O

5,7370 10,1636 27,1369

3,9680 8,9584 23,9188 3,00 43,00 4,00

Elméleti levegő szükséglet (L):

Hidrogénre vonatk. lángterj. sebesség (U): Lángterjedési sebesség (unmax):

Az éghető gáz oxigén tartalma (O2):

Szén atomszámból adódó tényező (N):

Hidrogén atomszámból adódó tényező (R):

0,8886

4,00

65,00

0,00

28,6504

10,7305

6,2151

26,0770

4,00

74,00

1,00

32,1699

12,0486

7,0278

31,2285

0,8027

27,9783

100,00%

1,00%

4,00

85,00

0,00

34,0053

12,7361

8,1275

38,5472

0,6946

32,1261

100,00%

1,00%

0,054%

3,96

100,95

0,00

37,3801

14,0000

9,6144

50,4066

0,5675

37,9727

100,000%

0,804%

3,88

99,39

0,00

36,7252

13,7548

9,3888

46,6846

0,6305

37,0686

100,000%

1,304%

4,588%

0,020%

0,023%

0,033%

0,087%

0,058%

0,309%

3,900%

mol% 89,679%

2H

Hajdúszoboszló

F2

3,80

100,46

0,00

36,4316

13,6448

9,4455

46,5206

0,6405

37,2317

100,000%

4,533%

2,905%

0,072%

0,076%

0,088%

0,341%

0,242%

1,096%

2,938%

mol% 87,708%

2H

Szank

Földgázok F3 F4

3,85

101,67

0,00

37,0419

13,8734

9,5544

47,1710

0,6395

37,7225

100,000%

1,692%

4,203%

0,018%

0,006%

0,009%

0,038%

0,035%

0,385%

6,428%

mol% 87,186%

2H

Algyő (reg.)

6.7. táblázat A Weaver-féle cserélhetőségi indexek számításához szükséges alapparaméterek értékei a minta fölgáz és minta biogáz összetételek esetén

4,00

60,00

0,00

0,9372 23,4431

24,5823

22,6952

0,9666

100,00%

1,00%

100,00%

16,5282

Relatív sűrűsége (d): Felső Wobbe-száma (W f):

Összesen: 100,00% Paraméterek a Weaver tényezők számításához Felső hőértéke (Hf): 16,2498


3,00%

O2

Oxigén

1,00%

14,00%

Szén-dioxid 25,00%

CO H2 H2 S

Szén-monoxid Hidrogén Hidrogén-szulfid 34,00%

0,009%

C6 +

Hexán +

39,00%

0,008%

C5H12

n-Pentán

23,00%

0,010%

C5H12

i-Pentán

31,00%

0,053%

C4H10

n-Bután

N2

0,050%

C4H10

i-Bután

CO2

0,284%

Nitrogén

0,814%

C3H8

mol% 97,913%

2H

Beregdaróc

F1

Propán

mol% 85,00%

állati tetem

DVGW G 262

B5

CH4

mol% 74,00%

komm.szennyvíz

DVGW G 262

B4

C2H6

mol% 65,00%

trágyalé

DVGW G 262

Biogázok B3

Etán

mol% 60,00%

DVGW G 262

DVGW G 262

mol% 43,00%

B2

Metán

Összetétel



B1

F5 Mértékegység

3,77 -

88,81 -

0,00 mol%

33,7092 cm/s

37,7252 MJ/m3 8,3502 m3/m3 12,6252 UH2=100%

32,8850 MJ/m3 0,7599 -

100,000%

3,196%

15,775%

0,197%

0,123%

0,142%

0,326%

0,292%

0,943%

1,996%

mol% 77,011%

2S

Kardoskút (reg.)


85

0,196

0,597

-1,263

-0,688

JL

JF

JY

JZ

-0,487

-0,843

0,443

0,396

0,517

0,517

0,00 65,00 4,00

28,65

26,08 6,22 10,73

0,89

cseregáz B3 24,58

-0,240

-0,395

0,240

0,695

0,764

0,765

0,00 85,00 4,00

34,01

38,55 8,13 12,74

0,69

0,00 100,46 3,80

36,43

46,52 9,45 13,64

0,64

F3 B5 alapgáz 32,13 37,23

-0,677

-1,233

0,578

0,218

0,342

0,355

3,00 43,00 4,00

23,92

16,53 3,97 8,96

0,97

B1 16,25

-0,461

-0,796

0,404

0,439

0,559

0,561

0,00 65,00 4,00

28,65

26,08 6,22 10,73

0,89

cseregáz B3 24,58

-0,193

-0,328

0,177

0,771

0,826

0,829

0,00 85,00 4,00

34,01

38,55 8,13 12,74

0,69

0,00 88,81 3,77

33,71

37,73 8,35 12,63

0,76

F5 B5 alapgáz 32,13 32,88

-0,601

-1,037

0,520

0,290

0,421

0,438

3,00 43,00 4,00

23,92

16,53 3,97 8,96

0,97

B1 16,25

-0,334

-0,550

0,286

0,585

0,688

0,691

0,00 65,00 4,00

28,65

26,08 6,22 10,73

0,89

cseregáz B3 24,58

-0,004

-0,020

-0,016

1,027

1,018

1,022

0,00 85,00 4,00

34,01

38,55 8,13 12,74

0,69

B5 32,13

Weaver-index módszer határértékei MSZ ISO 13686: 1999 és GS 708-T OKGT Gázipari Segédlet szerint. < 0,00

< 0,14

< 0,08

> 0,64

0,95…1,05

Weaver megeng. 0,95…1,05

< 0,05

< 0,05

< 0,26

> 0,64

-

USA megeng. 0,95…1,03

< 0,12

< 0,12

< 1,06

> 0,86

0,89…1,08

H csoportra megeng. 0,90…1,08

Weaver-index módszer határértékei MSZ ISO 13686: 1999 szerint (F1. táblázat) H csoportra, amerikai kutatások szerint

6.8. táblázat A minta földgázok és minta biogázok Weaver-féle cserélhetőségi jellemzői, és az egyes kutatások szerint megengedhető tartományai

0,316

JA

3,00 43,00 4,00

23,92

0,328

0,00 100,95 3,96

JH

(cm/s)

(mol%) (-) (-)

37,38

0,97

16,53 3,97 8,96

0,57

50,41 9,61 14,00

3

(MJ/m ) 3 3 (m /m ) (UH2=100%)

3

(MJ/m ) (dlev=1)

(O2) N R Értékek

Paraméterek

Weaver tényezők


unmax

L U

d Wf

Hf

B1 16,25

F1 alapgáz 37,97

Weaver-index módszer határértékei a Southern LNG kutatásai alapján (2000) ≤ 0,05

< 0,3

< 0,26

> 0,64

0,80…1,20

megeng. 0,95...1,05


86

Weaver tényezők

Weaver-index módszer határértékei MSZ ISO 13686: 1999 szerint H csoportra (USA)

Paraméterek

cseregáz cseregáz cseregáz F1 F3 F5 alapgáz F1+B1 F1+B5 alapgáz F3+B1 F3+B5 alapgáz F5+B1 F5+B5 A földgáz részaránya: 2H 89,4 64,9 2H 97,8 89,7 2S 94,1 0,0 3 Hf 37,97 35,67 35,92 37,23 36,77 36,71 32,88 31,90 32,13 (MJ/m ) (dlev=1) 0,57 0,61 0,61 0,64 0,65 0,65 0,76 0,77 0,69 d 3 Wf 50,41 45,68 45,91 46,52 45,69 45,67 37,73 36,31 38,55 (MJ/m ) 3 3 L 9,61 9,02 9,09 9,45 9,32 9,31 8,35 8,09 8,13 (m /m ) U (UH2=100%) 14,00 13,63 13,58 13,64 13,58 13,56 12,63 12,47 12,74 unmax (cm/s) 37,38 36,39 36,25 36,43 36,25 36,20 33,71 33,30 34,01 (O2) (mol%) 0,00 0,32 0,00 0,00 0,07 0,00 0,00 0,18 0,00 N (-) 100,95 94,81 95,35 100,46 99,20 98,87 88,81 86,11 85,00 R (-) 3,96 3,96 3,97 3,80 3,80 3,82 3,77 3,78 4,00 Értékek JH 0,906 0,911 0,982 0,982 0,962 1,022 JA 0,905 0,911 0,982 0,981 0,961 1,018 JL 0,878 0,883 0,976 0,975 0,948 1,027

Weaver-index módszer határértékei a Southern LNG kutatásai alapján (2000)


megeng. 0,95...1,05

0,90…1,08

megeng.

0,80…1,20

0,89…1,08

> 0,64

> 0,86

JF

0,107

0,095

0,021

0,020

0,042

-0,016

< 0,26

< 1,06

JY

-0,157

-0,145

-0,031

-0,035

-0,066

-0,020

< 0,3

< 0,12

JZ

-0,096

-0,091

-0,018

-0,020

-0,039

-0,004

≤ 0,05

< 0,12

6.9. táblázat A Weaver tényezők értékei a minta biogázok adalékgázként való bekeverésekor Elemzésre került az az eset is, amikor a biogáz minősége kereskedelmi propánnal kerül feljavításra (6.10. táblázat). (A-E eset) Az előző fejezetek egyikében már kimutatásra került, hogy 2H jelű földgáz esetében, Magyarországon legfeljebb 29,3 mol% k. propánt lehet hozzáadni egy metánt és nitrogént (62,7 mol% + 37,3 mol%) tartalmazó gázkeverékhez, hogy még éppen megfeleljen az MSZ 1648 szabvány által meghatározott feltételeknek. A 2H szolgáltatási területen ez képezi a legmagasabb hozzáadható propán mennyiséget. Ezt mutatja az ’A’ eset. A ’B’ eset az MSZ 1648 szabványnak megfelelő metán - szén-dioxid - nitrogén - propán keverékre felvázolt keverési diagramon egy célszerűen kiválasztott, a 2H tartomány belsejébe eső pontot szemléltet (90 mol% CH4+10 mol% CO2) és 10 mol% propán. A ’C’ eset már a 2S minőségre vonatkozik, melyben a maximálisan betáplálható propán mennyiség került megadásra (50 mol% CH4+50 mol% N2) és 29,6 mol% propán. A ’D’ eset a 2S minőség vastag vonallal körbehatárolt területét jelzi (ahol szén-dioxid és nitrogén is előfordulhat a keverékben). A vizsgált keverék arány a következő: (75 mol% CH4+25 mol% CO2) és 10 mol% propán. Az ’E’ esetben a 2S tartomány nitrogén területéről került kiválasztásra a keresett pont (70 mol% CH4+30 mol% N2) és 10 mol% propán. Az egyes betűkkel jellemzett keverék összetételek lényegében a keverhetőségi diagramon vázolt egy-egy tartományt szimbolizálnak. A kapott eredményekből látható, hogy az ’A’ és ’B’ esetben az alap- és a cseregáz hőteljesítmény viszonya csak a H csoportra érvényes határérték követelményeknek tesz eleget. A ’C’, ’D’ és ’E’ keverékek esetében viszont már csak a Southern LNG határértékei vehetők figyelembe, mivel 2S és nem H minőségű gázról van szó. A hőteljesítmény arányára vonatkozó követelménynek egyedül a ’C’ gázminőség nem tesz eleget. Amint látható, mind a H és mind az S minőségek esetén a keverék magas propán tartalma (’A’ és ’C’ esetek) a hőértékek arányában jelentős eltéréseket eredményezett (±10%). Ez a készülékek üzemére -a Weaver módszer szerint- már nem megengedhető hatással lehet. A másik probléma szintén a legmagasabb propán tartalmú, 2S minőségű gáznál (’C’) jelentkezett a koromképződési- és a szén-monoxid képződési (tökéletlen égés) hajlam megjelenésével. Mindez abból következik, hogy a már eleve jelentős szén-dioxid inert anyagot tartalmazó gázhoz, további jelentős mennyiségű szén és hidrogén atomokat tartalmazó gázt keverünk.


87


cseregáz D 10,0 35,03

3

9,61 14,00

unmax

(cm/s)

37,38

35,53

36,66

33,71

34,03

33,87

32,87

(O2) N R Értékek

(mol%) (-) (-)

0,00 100,95 3,96

0,00 132,81 3,10

0,00 111,20 3,63

0,00 88,81 3,77

0,00 124,59 3,03

0,00 97,70 3,58

0,00 93,20 3,56

JH

0,906

0,925

1,102

0,994

1,009

megeng. 0,95...1,05

megeng. 0,90…1,08

JA

0,917

0,928

1,114

0,996

1,012

0,80…1,20

0,89…1,08

JL

0,872

0,910

1,124

1,001

0,987

> 0,64

> 0,86

JF

0,067

0,081

-0,150

0,011

-0,042

< 0,26

< 1,06

JY

0,236

0,031

0,471

0,085

0,056

< 0,3

< 0,12

JZ

-0,003

-0,041

0,186

0,014

0,032

≤ 0,05

< 0,12

Weaver tényezők

Paraméterek

(m /m ) (UH2=100%)

45,67 11,43 13,31

Weaver-index módszer határértékei MSZ ISO 13686: 1999 szerint H csoportra (USA)

cseregáz F5 A B alapgáz 29,3 10,0 2S 44,58 40,12 32,88

Weaver-index módszer határértékei a Southern LNG kutatásai alapján (2000)

F1 alapgáz A propán mennyisége: 2H 3 Hf 37,97 (MJ/m ) (dlev=1) 0,57 d 3 Wf 50,41 (MJ/m ) L U

3

C 29,6 41,40

E 10,0 33,28

0,95

0,74

0,76

0,99

0,87

0,76

46,61 10,20 13,73

37,73 8,35 12,63

41,56 10,63 12,74

37,51 8,91 12,68

38,05 8,48 12,31

6.10. táblázat A Weaver tényezők értékei kereskedelmi propánnal történő minőségjavításkor Összefoglalva megállapítható, hogy a vizsgált biogáz minőségek (B1-B) a Magyarországra jellemző gázminőségeket (F1-F5) szolgáltató hálózatokba történő betáplálása során a Weaver-módszerrel vizsgált cserélhetőségi jellemzők határértékei jellemzően a kívánt értéktartományon belül vannak, illetve csak kis mértékben lépik túl azokat. Mindez azt jelenti, hogy a 6. fejezetben meghatározott maximált mennyiségekben és módokon (minőségjavítás az inert komponensek leválasztásával, minőségjavítás kereskedelmi propán hozzáadásával, adalékgázként történő alkalmazás) betáplálásra kerülő biogázok a készüléktanúsításon átesett hazai gázkészülék park berendezéseinek tüzeléstechnikai jellemzőit a még elfogadható határokon belül módosítják csak. Az égőkben a primer levegő beszívás aránya a két cseregáz esetén megfelelő, lángleszakadás, illetve lángvisszagyulladás nem jelezhető előre. A Wobbe-szám hányadosából adódó, a készülék hőterhelését jellemző Weaver index (JH), változásában, azaz a Wobbe-számok eltérésében legfeljebb ±5% eltérés javasolt. A koromképződés megelőzése, és a szén-monoxid képződési hajlam csökkentése érdekében lehetőség szerint, a szükséges gázminőségi tartomány eléréséhez még éppen elegendő kereskedelmi propán mennyiség hozzáadása javasolt, illetve a biogáz minőségének javítását az inert anyagok leválasztásával célszerű megoldani. Kereskedelmi propán biogázhoz történő hozzáadása csak abban az esetben javasolt, amennyiben a biogáz inert összetevőinek az előkészítési technológia szerinti legnagyobb leválasztható mennyisége után visszamaradt inert anyagok miatt még mindig szükséges a gáz hőértékének további javítása.


88


7. Új tudományos eredmények Az általam elvégzett kutatások, valamint a felállított modellek, és az azokra alapozott számítási eredmények értelmében, az alábbiakban vázolt új tudományos eredmények fogalmazhatóak meg.

1. tézis Kidolgoztam egy számítási eljárást, mely alkalmas az éves szinten elméletileg rendelkezésre álló biogáz mennyiség meghatározásához, majd elvégeztem vele a Magyarországra vonatkozó számításokat. Megállapítottam, hogy Magyarország elméleti biogáz potenciálja megközelítőleg 138 PJ átlagos érték éves szinten. A tézis kifejtése: A számítási módszer kifejlesztésénél felállított munkahipotézis értelmében csak a melléktermékekből termelhető biogáz mennyiségek kerültek figyelembe vételre minden egyes alapanyagnál (növénytermesztési és állattenyésztési melléktermékek, kommunális hulladékok). Ennek megfelelően a kapott érték nem tartalmazza a kifejezetten biogázok előállítására termesztett növényi főtermékekből, valamint a szerves ipari hulladékokból előállítható biogáz mennyiségeket. Nem tartalmazza továbbá a szilárd biomassza termikus kigázosításával nyerhető bio-szintézisgázok mennyiségét sem. Az egyes alapanyagokból előállítható biogáz mennyiségek a szakirodalmakban előforduló fajlagos biogáz kihozatali mutatószámokra épülnek. Mivel ezek a mutatószámok minden esetben egy értéksávot fednek le, ezért egy minimum és egy maximum teoretikus potenciálérték került meghatározásra minden lehetséges alapanyag tekintetében. A végső potenciál érték ezek számtani átlagából származtatható. Az egyes biogáz típusok energiatartalma a DVGW G 262 sz. német előírás egyes biogáz típusok metántartalmára vonatkozó ajánlása került figyelembe vételre.

2. tézis Számításokkal kimutattam, hogy az MSZ 1648: 2000 szabvány értelmében, a földgázoknál használatos 4°C-os szénhidrogén harmatponti hőmérsékleten 17,5 bar túlnyomásig egyáltalán nem kell számolni szénhidrogén-kondenzációval a széndioxid, valamint nitrogén tartalmú biogázok kereskedelmi propánnal történő, teljes értékű cseregáz minőségre történő előkészítése során. 17,5 bar és 24,3 bar túlnyomás között a biogáz nitrogén és szén-dioxid arányának megfelelően szénhidrogén-kondenzáció előfordulhat, 24,3 bar túlnyomás felett, pedig a szénhidrogén kondenzáció előre jelezhető. A tézis kifejtése: A földgázrendszerben a szénhidrogén kondenzáció nem megengedhető jelenség. A szénhidrogén kondenzáció nyomás és hőmérséklet közötti összefüggését az adott gázösszetételhez tartozó kondenzációs görbe adja meg. Probléma jellemzően a magasabb szénatomszámú komponensek előfordulásakor adódik. Erre a jelenségre biogázok földgázhálózati betáplálása során akkor kell kiemelt figyelmet fordítani, ha a biogáz hálózati minőségre történő előkészítése kereskedelmi propánnal (vagy magasabb


89


rendű szénhidrogénekkel) történik. A gázkeverékek ide vonatkozó termodinamikai jellemzőinek számítása a Peng-Robinson állapotegyenletre épülő SUPERTRAPP szoftver segítségével készült. Megállapításra került továbbá, hogy a biogázok inert komponenseinek leválasztásával megvalósított, földgáz minőségre történő előkészítésük (biometán előállítása), vagy a hálózati földgázzal történő keverésük nem eredményezhet szénhidrogén kondenzációt a magyarországi földgázrendszerben előforduló nyomás és hőmérsékleti viszonyok mellett.

3. tézis Számításaim alapján megállapítottam, hogy az együttműködő magyar földgázrendszerben szállított és szolgáltatott gázok érvényben lévő minőségi előírásait figyelembe véve, a földgázrendszerbe teljes értékű cseregázként csak olyan, jelentősebb mennyiségű szén-dioxid tartalommal jellemezhető biogázok kerülhetnek betáplálásra, melyek metán tartalma eléri a 82,1 mol%-ot. A tézis kifejtése: Annak érdekében, hogy a betáplálandó cseregáz elérje a 2H minőség szabványban rögzített alsó határát, annak metántartalma legalább 95,5 mol% kell legyen. 89,3 mol%nál több, de 95,5 mol%-nál kevesebb metán tartalom esetén a gáz megfelel ugyan a hőértékre vonatkozó előírásoknak, azonban sem a 2S, sem a 2H magyar gázminőségi csoportba nem sorolható be. Amennyiben a biogáz a szén-dioxid mellett jelentősebb mennyiségben (néhányszor tíz százalék) nitrogént is tartalmaz, a felső Wobbe-szám tartományból következően a minimális metán tartalom ekkor sem lehet kevesebb 92,6 mol%-nál a 2H gázminőség esetén. A 2S minőségnél bár a Wobbe-számból következőleg egy 77,4 mol% metánt tartalmazó keverék is kielégíthetné az MSZ 1648 szabvány követelményeit, azonban a felső hőértékre vonatkozó előírás nem teszi lehetővé 82,1 mol%-nál kisebb metántartalmú gáz betáplálását a hálózatba. Bizonyos, hazai termelésű földgázzal ellátott területeken szükségessé válhat a biogáz teljes értékű cseregázként való előkészítése során kereskedelmi propán hozzákeverése a minőségjavításon már átesett biogázhoz annak érdekében, hogy az elérje az adott hálózatrészen szolgáltatott földgáz hőértékének alsó határértékét.

4. tézis Kidolgoztam egy eljárást a metán - szén-dioxid - nitrogén fő összetevőkre redukált, inert anyagokat még tartalmazó biogázok teljes értékű cseregázként történő földgázhálózati betáplálásához szükséges, maximálisan hozzákeverhető kereskedelmi propán mennyiségek grafikus formában történő meghatározásához. A tézis kifejtése: A sraffozott területek által meghatározott (jelmagyarázatot lásd a diagramterületen), azon belül eső, a metán - szén-dioxid - nitrogén, valamint kereskedelmi propán keverékek kielégítik az MSZ 1648: 2000 magyar szabvány Wobbe-számra, illetve hőértékre vonatkozó előírásait.


90


35

Relatív sűrűségből adódó határ metán - nitrogén - propán keveréknél


29,6 30

Relatív sűrűségből adódó határ metán - szén-dioxid - propán keveréknél

CH4-N2-C3H8

25

CH4-CO2-C3H8 CH4-(CO2+N2)-C3H8

20

d<1,0 d<1,0

16,5 15

10

2H

2S

CH4-N2-C3H8 CH4-CO2-C3H8

5

CH4-(CO2+N2)-C3H8

0 50

60

65,3

70

80

90

100

A metán - szén-dioxid és a metán - nitrogén keverék metán moltörtje (mol%)

A szén-dioxidot és nitrogént (illetve oxigént), valamint metánt és kereskedelmi propánt tartalmazó keverékek minden esetben kielégítik a földgázipar biztonsági szempontjából meghatározó fontosságú 1,0 maximális relatív sűrűségre vonatkozó peremfeltételt (zöld vonalak) 2H jelű gázminőség esetén (kék vonallal határolt területek). 2S jelű gázminőségnél (naracsszínű vonallal határolt területek) külön kell bontani a metán és szén-dioxid, a metán és nitrogén, valamint a metán és szén-dioxid+nitrogén keverékek vizsgálatát. Amennyiben a vizsgált keverék a relatív sűrűség határfeltételeként jelentkező vastag zöld vonaltól balra esik a narancssárga rácsozott területen (vastag- és szaggatott zöld vonallal közbezárt terület), a keverék relatív sűrűség feltételének teljesülése csak újabb vizsgálat alapján állapítható meg. Ezen a határérték tartományon belül eső keverékeknél egy újabb, háromdimenziós felületet képző diagram segítségével dönthető el a relatív sűrűség feltételének való megfelelés.

5. tézis Bebizonyítottam, hogy a csupán kereskedelmi propánnal végzett minőségjavítással előállított, a hálózatban szolgáltatott földgázzal megegyező Wobbe-számú biogázpropán keverék csak korlátozott mennyiségben, azaz adalékgázként (’off-spec’ betáplálás) kerülhet betáplálásra a magyar földgázrendszerbe. A tézis kifejtése: Az elvégzett számítások egyértelműen kimutatták, hogy a jellemző magyar földgázösszetételeket alapul véve, az egyes biogáz típusok csupán kereskedelmi propán hozzáadásával, a földgáz és a biogáz-propán gázkeverékek azonos Wobbe-számra történő megfeleltetésekor nem tudják eléri az adott hálózatra jellemző, legfeljebb ±5%-ban eltérő alsó hőérték követelményét.


91


6. tézis Vizsgálataim során bizonyítást nyert, hogy a magyar földgázhálózatba adalékgázként, minőségjavítás nélkül bejuttatandó, fermentációs forrásból származó biogázok maximális mennyisége minden esetben, a földgázhálózatban szolgáltatott gáz és az adott biogáz típus összetétele (elsőrendűen metán tartalma) alapján határozandó meg. Magyarország területén a hálózatba juttatandó mennyiség a földgáz és a biogáz összetételétől függően akár 1-100 mol% is lehet. A tézis kifejtése: Megvizsgálva a biogázok szélső minőségi tartományát reprezentáló minta biogáz összetételek, a magyar szolgáltatott földgázminőségek szélső értékeit képviselő minta földgáz összetételekbe történő korlátozott (’off-spec’) betáplálási lehetőségeit bizonyításra került, hogy Magyarországon a legmagasabb metán tartalommal rendelkező biogáz (85 mol%) a 97 mol%-nál nagyobb metántartalommal jellemezhető 2H jelű földgázokba adott esetben közel 40 mol%-ban is bekeverhető a keverékgáz szabványnak való megfelelése esetén. A többi, 90 mol%-nál kisebb metán tartalmú, de néhány mol%-ban magasabb rendű szénhidrogént is tartalmazó földgáznál a bekeverhetőségi arány ettől jelentősen kisebb (10 - 17 mol%), a ’leggyengébb’ minőséggel jellemezhető (kevesebb, mint 50 mol% metánt tartalmazó) biogázok esetében a maximális bekeverhetőségi arány pedig, legfeljebb néhány (2 - 4) mol%-nak adódik. A 2S jelű földgáz esetén a maximális bekeverési arány több mint 20 mol%-nak adódik (szennyvíztelepi biogáz). A 85 mol% metánt tartalmazó biogáz esetében a gáz alsó hőértéke igen jól megközelíti a magyar 2S gázminőség alsó hőértékét. Ebből következően előállhat olyan helyzet, mely során minőségjavítás nélkül is korlátlan mennyiségű biogáz táplálható be az adott 2S jelű hálózatba.

7. tézis A Wobbe-szám módszer kiömlési egyenletének szorzótényezőire elvégzett számításaim egyértelműen bebizonyították, hogy a Magyarországra jellemző földgázösszetételek, valamint a fermentációs folyamatból származó reprezentatív biogáz összetételek cseregázként, illetve minőségjavítás nélkül a földgázhálózatba kevert adalékgázként történő alkalmazása esetén elegendő a felső hőértékből képzett Wobbe-számok vizsgálata (egyezősége) a cserélhetőség szempontjából. A tézis kifejtése: Számításokkal alátámasztásra került, hogy a minőségjavítás nélküli, a kereskedelmi propánnal történő minőségjavítással, valamint a minőségjavító gáz (kereskedelmi propán) hozzáadása nélküli (csupán a gáz inerttartalmának csökkentésével elért) biogáz minőségek földgázhálózati betáplálásának cserélhetőségi feltételeiben elegendő csupán az alapgáz (hálózati földgáz) és a cseregáz (biogáz, vagy biogáz és földgáz keveréke) Wobbe-számainak egyezőségét vizsgálni. Az égőből kiáramló hőmennyiségre hatással lévő, a Wobbe-számon kívüli egyéb tényezők (izentrópikus és kompressziós tényező) ugyanazon készülékben, ugyanazon gázhőmérséklet, gáznyomás és környezeti nyomás esetén elhanyagolható mértékben (legfeljebb ±0,15 %) befolyásolják az égőből kiáramló, kémiailag kötött energiamennyiséget.


92


8. Az eredmények gyakorlati hasznosítása A több éves, tudományos kutatómunkára alapozott PhD értekezésem elkészítése után úgy érzem, számos olyan kérdésben sikerült eredményeket felmutatnom, melyek nagymértékben hozzájárulhatnak a hazai biogáz- és földgázipar együttműködéséhez, valamint elősegíthetik a Magyarországon termelt biogázok földgázhálózati betáplálásához szükséges műszaki-szabályozási kérdések minél előbbi kidolgozását. Az értekezés által közvetítendő eredmények alkalmasak a Magyarország egyes területein szolgáltatott eltérő, de a magyar szabvány előírásainak eleget tevő földgázminőségek függvényében meghatározni az adott hálózatrészbe betáplálandó, adott forrásból származó biogázokra vonatkozó minőségi és mennyiségi határértékeket, melyek mellett a földgázhálózat üzemeltetése és a végfelhasználói gázberendezések működése zavartalanul folyhat. Az értekezésben bemutatott kutatási eredmények alkalmasak továbbá a magyar földgázipar biogázokkal szemben támasztandó, jelenleg még kidolgozásra váró műszaki-szabályozási előírásainak előkészítésére, mely szabályozás kötelezően elkészítendő a 2009. július 1-én hatályba lépő, a földgázellátásról szóló 2008. évi XL. törvény 132. § (9) bekezdése értelmében: „felhatalmazást kap a kormány, hogy rendeletben állapítsa meg… a földgáz minőségű biogáz és egyéb gázfajták, valamint a bányászati tevékenységgel felszínre hozott földgáz együttműködő földgázrendszerhez történő csatlakozásának feltételeit, a betáplált gázok minőségi követelményeit, az átvételére és a mérésére vonatkozó előírásokat”. Az értekezés eredményei jól hasznosíthatók továbbá a gázipari szakemberek graduális és posztgraduális oktatásában, mivel a biogázok földgázhálózati betáplálása és szállítása körül jelenleg igen hiányosak az ismeretek. Az Európai Unió tagállamaként vállalt, megújuló energia részarányra vonatkozó vállalásaink csak abban az esetben teljesülhetnek, ha ezen energiaforrások, köztük az ország szempontjából meghatározó potenciállal bíró biogáz, minél szélesebb körben kerül megismerésre, elfogadásra és felhasználásra. Az értekezés által bemutatott tudományos eredmények továbbfejlesztésének egyik lehetséges irányvonalaként kínálkozik egy számítástechnikai program elkészítése, mely az adott biogáz forrás, valamint a betáplálásra igénybe vett földgázhálózatban szolgáltatott minőség és a gazdaságosság függvényében képes meghatározni a betáplálásra vonatkozó peremfeltételeket, több alternatívát (cseregáz, adalékgáz, minőségjavítás) is megadva. Az értekezés teljes terjedelmében igyekeztem közérthetően fogalmazni, a gondolatmenetet minden esetben részletesen leírni, és lehetőség szerint reális mintapéldákkal bemutatni. További célom volt az is, hogy a megjelenített eredmények, és a hozzájuk tartozó elméleti, szakirodalmi, valamint a már működő európai rendszerekből vett példák segítségével a témakört minden érdeklődő szakember számára érthetővé, átláthatóvá tegyem. Remélem, hogy a bemutatott eredményekkel sikerült felkeltenem mind a földgáz- és mind a biogáz ipar egyes szereplőinek érdeklődését.

Az eredmények gyakorlati hasznosítása

93


9. Összefoglalás A biogáz üzemek magyarországi elterjedése jelentősen elősegítheti a magyar, primerenergia források minél nagyobb arányban történő megújuló energiaforrásokkal való kiváltását. A magyar energiapolitika bár minden fórumon hangoztatja ilyen irányú elkötelezettségét, be kell látni, források hiányában a megvalósítás komoly akadályokba ütközhet. Mindezek mellett látni kell azt is, hogy a biogázzal kiváltható primer energia mennyisége jelentősnek tekinthető az egyéb megújuló energiaforrások körében, betudhatóan az ország kedvező természeti és mezőgazdasági adottságainak. A Magyarországon jelenleg előállított biogáz mennyiség teljes egészében közvetlen eltüzeléssel, vagy kombinált áram- és hőtermeléssel kerül hasznosításra. A biogázok földgázhálózati betáplálása kiküszöbölheti a fenti eljárások, általában helyben nem hasznosítható, megtermelt hőmennyiségéből adódó veszteségeit, mivel az ebben a formában történő hasznosítással a gáz kereskedelmi (nem fizikai) útja akár az ország két szélső pontját is összekötheti. A biogáz ilyen formában történő hasznosítása nem csak energetikai, hanem környezetvédelmi célokat is megvalósít, és pozitív hatással lehet a mezőgazdaság előremozdítására is. Látni kell továbbá azt is, hogy a Magyarországon a reálisan megtermelhető biogáz mennyiség teljes egészének földgázhálózati betáplálása esetén sem érne el néhány százaléknál magasabb részarányt a hazai primer-energia mérlegünkben. A földgázhálózati biogáz tehát elsősorban nem importfüggőségi célokat, hanem környezetvédelmi és vidékfejlesztési lehetőségeket jelent. Értekezésem első részében megvizsgáltam a különböző forrásokból származó biogázok lehetséges minőségi tartományait, illetve a hazai földgázellátásban előforduló jellegzetes szolgáltatott földgáz összetételeket. A biogázok tényleges betöltött szerepének bemutatása érdekében kifejlesztettem egy nyilvános statisztikai adatokra épülő, elméleti potenciál becslésére alkalmas eljárást, majd ennek segítségével realizáltam az elkövetkező évtizedben a földgázhálózati betáplálás szempontjából figyelembe vehető mennyiségeket. A magyar, földgázrendszerre vonatkozó műszaki-szabályozási feltételrendszer alapján bemutattam azokat a peremfeltételeket, melyek a biogázok betáplálása szempontjából kiemelkedő fontosságúak. Az értekezésben különválasztásra kerültek a gázminőségi szempontból meghatározó fő- és mellékösszetevők, valamint az igen kis mennyiségben jelen lévő, és elsősorban biztonságtechnikai kockázati szempontból értékelendő kísérő összetevők. Az értekezés fő fejezetében felállításra került egy minőségi követelményrendszer a magyarországi földgázrendszerbe táplálandó biogáz típusok megítéléséhez. Ebben külön alfejezetet képez a magyar földgázminőségi előírásokból következő mennyiségi korlátok meghatározása csergázként és adalékgázként való betáplálás esetére. Az egyes nyomösszetevőkből adódó betáplálási peremfeltételek elsősorban a hazai földgázra vonatkozó előírások és az európai tapasztalat/gyakorlat alapján kerültek elemzésre. A fejezet további kérdésköre a földgázokra kidolgozott, Európában alkalmazott cserélhetőségi eljárások biogázokra való alkalmazhatóságát vizsgálja a magyar földgázminőségek, mint alapgázok függvényében. Meggyőződésem, hogy az elvégzett kutatómunka, valamint a magyar viszonyokra kapott eredményeim számos, a mai napig nem vizsgált kérdéskörre adnak kielégítő magyarázatot a biogázok magyarországi földgázhálózati betáplálásával kapcsolatban.

Összefoglalás

94

QUALITY REQUIREMETS OF THE APPLICATION OF BIOGASES IN NATURAL GAS PUBLIC UTILITY SERVICES IN HUNGARY

Summary The spread of biogas plants in Hungary can significantly promote the issue of replacing Hungarian primary energy resources by renewable energy resources in a higher proportion. Although the Hungarian energy policy declares its commitment towards this issue on all forums, it should be recognised that implementation can meet serious difficulties in the absence of resources. Besides it is also apparent that the quantity of primary energy that can be replaced by biogas can be considered significant in the scope of other renewable energy resources, thanks to the favourable natural and agricultural circumstances of the country. All biogas produced in Hungary these days is utilised by direct firing, or by combined power and heat generation. If biogas is injected into the natural gas pipeline it could eliminate the losses of the above procedures arising out of heat generation, because if gas is utilised in this manner the commercial (but not the physical) path of it could connect even the two extreme points of the country. This type of biogas utilisation achieves environmental goals besides energy policy ones and might have a positive effect to further agriculture. It must also be recognised that if the entire quantity of biogas produced in Hungary was injected into the natural gas network, it would still not reach a higher proportion in the domestic primary energy balance than a few per cent. Therefore biogas in the natural gas pipeline does not primarily serve to achieve independence from imports but environmental and rural development opportunities. In the first part of my paper I studied the possible quality ranges of biogases originating in different sources and the characteristic natural gas compositions in domestic natural gas supply. For the purpose of presenting the actual role of biogases I developed a procedure based on public statistical data suitable to estimate the theoretical potential, and then using this procedure - I realised the quantities that can be taken into account from the point of injection in the coming decade. Based on the Hungarian technical/regulation system of criteria relevant to the natural gas system I presented the conditions that have outstanding importance from the point of biogas injection. The main and secondary components determinant from a gas quality point were separated in the paper, as well as the accompanying ingredients that are present in very small quantities and have to be evaluated primarily from a point of safety risk. In the main chapter of the paper a quality requirements scheme was established for the evaluation of biogas types to be fed into the Hungarian natural gas system. A separate subchapter deals with the determination of quantity limitations arising out of the Hungarian natural gas quality specifications in case of injecting biogas as a substitute and additive. Injection terms and conditions derived from certain trace components were analysed primarily on the basis of the regulations relevant to domestic natural gas and the European experience/practice. The third issue of the chapter examines the applicability of replacement procedures - prepared for natural gases and used in Europe - on biogases as a function of the quality of Hungarian natural gas as base gas. I am convinced that the research work and my results based on calculations with Hungarian situation provide satisfactory explanation to several issues not addressed till today in relation to the injection of biogases into the Hungarian natural gas network.

Summary

95

A BIOGÁZOK FÖLDGÁZ KÖZSZOLGÁLTATÁSBAN TÖRTÉNŐ ALKALMAZÁSÁNAK MINŐSÉGI FELTÉTELRENDSZER MAGYARORSZÁGON

10. Befejezés Diplomámat 2002-ben szereztem a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Olajés gázmérnöki szakirányán. A diploma megszerzését követően felvételt nyertem a Miskolci Egyetem Mikoviny Sámuel Földtudományi Doktori Iskola képzésére a Fluidumtermelő és szállító rendszerek kutatási tématerületre, a Földgázelosztó és fogyasztói rendszerek kutatása témacsoportra. Nappali tagozatos PhD tanulmányaimat 2005 őszén abszolutóriummal zártam. 2005 szeptemberétől a Miskolci Egyetem Kőolaj és Földgáz Intézet Gázmérnöki Intézeti Tanszékének oktatója vagyok. Kutatási és oktatási tématerületeim a földgáz felhasználására irányulnak, de az elmúlt évtized energiatakarékossági és környezetvédelmi törekvései elkerülhetetlenné tették a biogáznak, mint gáz halmazállapotú energiahordozónak a megismerését, kutatását is. A két kutatási tématerület összekapcsolása olyan eredményekre vezetett, melyek jelen PhD értekezésben kerültek megfogalmazásra. Eddigi kutatómunkám során többek között már részletesen foglalkoztam a gázkészülékek modellezésével, tüzeléstechnikai viselkedésükkel, a csúcsfedezés kérdésével, a földgáz minőségű éghető gázok cserélhetőségi eljárásaival, környezetvédelmi emissziós kérdésekkel, valamint a biogázokkal és azok összetevőinek, illetve égéstermékeiknek a gázellátó rendszer egyes elemeire gyakorolt hatásaival. A felsorolt tématerületekben nem csak saját kutatásokat végeztem, hanem számos hazai és nemzetközi kutatásban is részt vettem az elmúlt 5 évben, melyek közül több jelenleg is folyamatban van. Ezekről, valamint az egyéb saját kutatási eredményeimről összesen 24 db szerzőtárssal közös, illetve saját publikációm jelent meg az elmúlt években. A fenti tématerületeken szerzett ismeretek és kutatási eredmények a doktori dolgozat témáját egyértelműen előre vetítették, és a már feltárt problémák alapján megfogalmazták bennem az elérendő célkitűzéseket. Külön köszönettel tartozom a PhD értekezés elkészítésében nyújtott töretlen segítségéért Dr. Csete Jenő tanszékvezető egyetemi docens úrnak, tudományos vezetőmnek, aki a kutatás helyes irányvonalát folyamatosan mutatta számomra. Köszönet illeti továbbá Prof. Dr. Tihanyi László egyetemi tanár urat, a Kőolaj és Földgáz Intézet igazgatóját, akivel közösen végzett kutatásaink sok hasznos tapasztalattal segítették elő a helyes kutatási módszertan elsajátítását. És bár név nélkül, de annál nagyobb köszönettel tartozom tanszéki munkatársaimnak, akik szakmai tanácsaikkal (és sokszor türelemmel) segítettek az értekezés megírása során. Ez úton fejezem ki további köszönetemet az Oktatási és Kulturális Minisztérium Deák Ferenc Ösztöndíj Pályázat Kuratóriumának, hogy pályázatom befogadásával nem csak megerősítették kutatási témám fontosságát, hanem anyagi támogatással is segítették jelen PhD értekezés elkészültét. Szunyog István, okleveles gázmérnök Miskolc, 2009. június

Befejezés

96


11. A szerző témában közreadott publikációi időrendben Tihanyi, L. – Szunyog, I.: Csúcsfedezés 2004/5. (21-27. o.)

szintetikus földgázzal; Magyar Energetika

Tihanyi, L. – Szunyog, I.: Peak shaving by Synthetic Natural Gas; UFA State Petroleum Technological University és a Miskolci Egyetem közös kiadványa, UFA, 2004. (174-185. o.) ISBN 5-98755-001-7 Szunyog, I.: Interchangeability of Natural Gases; microCAD 2005. International Scientific Conference (B szekció), Miskolci Egyetem, 2005. (75-80. o.) ISBN 963 661 648 5; ISBN 963 661 649 9 ö Szunyog, I.: The effects of peak shaving gases for domestic gas appliances; 5th International Conference of PhD Students, Miskolci Egyetem, 2005.08. ISBN 963 661 673 6 ö; ISBN 963 661 678 7 Szunyog, I.: Elméleti biogáz potenciál - Egy európai uniós részeredményei; Energiagazdálkodás, 2008/2. (13-18. o.) lektorált cikk

kutatási

projekt

Szunyog, I.: A biogázok és a földgázok eltérő összetételéből adódó hatások elemzése; Magyar Épületgépészet, 2008/4. (37-42. o.) lektorált cikk Szunyog, I.: Magyarország elméleti biogáz potenciálja, Energo Info Magazin, 2008/2. (4-5. o.) Szunyog, I.: Biztonságtechnikai kockázat? (Biogáz a földgázrendszerben); Víz-, gáz-, fűtéstechnika Épületgépészeti Szaklap, 2008/7-8. (12-14. o.) Szunyog, I.: A földgázhálózati biogáz minőségi követelményrendszere Európában; EnergoExpo 2008 Nemzetközi Energetikai Szakkiállítás és Konferencia kiadványa, 2008.09.23. (101-103. o. HU; 105-107. o. EN) Kapros, T., Csete J., Szunyog, I.: A biogáznak földgáz vezetékbe történő betáplálását befolyásoló műszaki, jogi és pénzügyi szempontok az Európai Unióban; Bioenergia szaklap, 2009/2. (12-16. o.) Szunyog, I.: A földgázrendszeren szállított biogázok földgáztüzelésű berendezésekre gyakorolt hatásának elméleti vizsgálata; Magyar Épületgépészet, 2009/4. (21-26. o.) lektorált cikk Szunyog, I.: Az egyes biogáz típusok magyar földgázrendszerbe történő betáplálásának minőségi korlátai; Energiagazdálkodás, 2009/3. (20-25. o.) lektorált cikk

A szerző társszerzőkkel közös publikációinak társszerzői nyilatkozatai az értekezéssel egyetemben beadásra kerültek a Mikoviny Sámuel Földtudományi Doktori Iskola titkárságára.

A szerző témában közreadott publikációi

97


Irodalomjegyzék Bai, A. (szerk.) - Lakner Z. - Marosvölgyi B. - Nábrádi A.: A biomassza felhasználása; Szaktudás Kiadó Ház, 2002. pp.1-139. ISBN 963 9422 46 0 Bai, A. (szerk.): A biogáz; Száz magyar falu könyvesháza Kht., Budapest, 2007. pp.1-180. ISBN 978-963-7024-30-6 Barcsik, J.: Biogázt a földgázhálózatba; Víz, gáz fűtéstechnika, Épületgépészeti Szaklap, 2006/6. (36-38. o.) Barótfi, I. (szerk.): Energiafelhasználói Kézikönyv; Környezet-technika Szolgáltató Kft., Budapest, 1994. pp.733-867. ISBN 963 02 9535 0 Berecz, E. (szerk.): Kémia műszakiaknak; Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1991. pp.488-557, 644-667. ISBN 963 18 6825 7 BIOCOMM: Regulation draft of biogas commercialisation in gas grid; Altener 4.1030/C/02082/2002. sz. projekt; 2002-2005. Bobok, E.: Áramlástan; Miskolci Egyetemi Kiadó, 1997. pp.128-202. ISBN 963 661 317 6 Bobok, E. - Tóth, A.: Megújuló energiák; Miskolci Egyetemi Kiadó, Miskolc, 2005. pp.127-141. ISBN 963 661 671X Bohoczky, (12-16. o.)

F.:

Megújuló

energiaforrás

hasznosítási

elvárások;

Bioenergia,

2008/6.

BP Statistical Review of World Energy, June 2008 (http://www.bp.com) Cerbe, G.: A gáztechnika alapjai; Dialóg Campus Kiadó, Budapest-Pécs, 2007. pp.1-72. ISBN 963 9542 54 7 DVGW Technische Regel Arbeitsblatt G 260: Gasbeschaffenheit; Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, Bonn, 2000. ISSN 0176-3490

Wirtschafts-

und

DVGW Technische Regel Arbeitsblatt G 262: Nutzung von Gasen aus regenerativen Quellen in der öffentlichen Gasversorgung; Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, Bonn, 2004. ISSN 0176-3490 Ely Energy: Natural Gas Distribution and SNG Back-up Systems, 2003. (http://www.elyenergy.com) EurObserv’ER: Biogas Barometer, July 2008 (http://www.eurobserv-er.org) Farkas, O.-né - Nagy, G.: Tüzeléstan; Tankönyvkiadó, Budapest, 1984. pp. 191-234. ISBN 963 17 8491 6 FEE Fördergesellschaft Erneuerbare Energien e.V. (http://www.fee-ev.de) Gazdasági és Közlekedési Minisztérium: Magyarország megújuló energiaforrás felhasználás növelésének stratégiája 2007-2020; Budapest, 2007. (http://www.gkm.hu) Gesetz zur Neuregelung des Rechts der Erneuerbaren Energien im Stormbereich; Bundesgesetzblatt Jahrgang 2004 Teil I Nr. 40; Deutschland, Juli 2004 (www.iwr.de) Göőz, L.: Energetika jövőidőben Magyarország megújuló energiaforrásai; Bessenyei György Könyvkiadó, Nyíregyháza, 2007. pp.97-128. ISBN 978 963 7336 65 2 GS 708-T: 1969 OKGT Gázipari segédlet - Fűtőgázok cserélhetősége (Weaver szerint) Günter, R.: Verbrennung und Feuerungen; Springer-Verlag, Heidelberg, New York, 1974. pp.8-96. ISBN 3-540-06422-2

Irodalomjegyzék

98


Hornbacher, D. - Hutter, G. - Moor, D.: Biogas-Netzeinspeisung Rechtliche, wirtschaftliche und technische Voraussetzungen in Österreich; HEI Hornbacher Energie Innovation, Wien, 2005. pp.1-76. IEA Bioenergy Task 37 (http://www.iea-biogas.net) Joos, L.: Gázfelhasználás a háztartásban és a kisfogyasztóknál; Frohner Bt. Kiadó, Pécs, 2005. pp.1-56, 365-386. ISBN 963 217 8564 Kaltwasser, B.J.: Biogáz-előállítás és hasznosítás; Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983. Kapros, T. - Csete J. - Szunyog, I.: A biogáznak földgáz vezetékbe történő betáplálását befolyásoló műszaki, jogi és pénzügyi szempontok az Európai Unióban; Bioenergia szaklap, 2009/2. (12-16. o.) Kilinski, S. Hauptschriftleiter: STUDIE Einspeisung von Biogas in das Erdgasnets; Institut für Energetik und Umwelt gGmbH; Leipzig, 2006. pp.1-196. ISBN 3-00-018346-9 Kissné Quallich, E.: A biogáz; Mezőgazdasági Kiadó, Budapest, 1983. Kovács, K. - Kovács, A.: A biogáztermelés hazai elterjesztésének lehetőségei és korlátai; Ma&Holnap, 2007. VII/2. (22-25. o.) Központi Statisztikai Hivatal adatbázisa (http://www.ksh.hu) Kulinyiné, Sz. I.: Szennyvíziszap alapú biogáztermelés; Biogáz-előállítás és -felhasználás, InfoProd Kft, 2009/1. (14-17. o.) Magyar Biogáz Egyesület honlapja (http://www.biogas.hu) MARCOGAZ: Injection of Gases from Non-Conventional Sources into Gas Networks; WG-Biogas06-18, Brussels, 2006. (http://www.marcogaz.org) Marosvölgyi, B.: Magyarország biomassza-energetikai potenciálja; Energiagazdálkodás, 2004/6. (16-19. o.) Meszléry, C.: Gáztechnikai ISBN 963 10 2184 X

példatár;

Műszaki

Könyvkiadó,

Budapest,

1978.

pp.34-92.

MSZ 1648: 2000 Közszolgáltatású, vezetékes földgáz. MSZ EN 437: 2003 Vizsgálógázok. Vizsgálónyomások. Készülékkategóriák. MSZ ISO 13686: 1999 Földgáz. Minőségi jellemzők MSZ ISO 6976: 1997 Földgáz. A hőérték, a sűrűség, a relatív sűrűség és a Wobbe-szám számítása a gázösszetételből N.V. Nederlandse Gasunie: Physical properties of natural gases, 1988. pp. 33-212. Németh, I.: A bioenergia stratégia és támogatásának lehetőségei Magyarországon; Bioenergia, 2008/2. (2-4. o.) Persson, M. - Jönsson, O. - Wellinger, A.: Biogas upgrading to vehicle fuel standards and grid injection; IEA Bioenergy, December 2006. (http://www.biogasmax.eu) Persson, M. - Wellinger A.: Biogas upgrading and utilisation, IEA Bioenergy, Oktober 2006. (http://www.biogasmax.eu) Petis, M.: Biogáz termelés rendszerszemlélettel; Bioenergia Szaklap, 2008/6. (2-6. o.) Poellnitz, Henry, W. (HANK): Interchangeability of natural gas sources; Southern Natural Gas, (http://www.agmsc.org; 2009.03) Poinsignon, H. et al.: Risques sanitaires du biogaz - Evaluation des risques sanitaires liés à l’injection de biogaz dans le réseau de gaz naturel (Saisine n°2006/010) ; Agence francaise de sécurité sanitaire de l’environnement et du travail, France, Octobre 2008. (http://www.afsset.fr) Polman, E.A.: GT-070127 Quality Aspects of Green Gas; Kiwa N.V., Rijswijk, the Netherlands, 2007. (http://www.iea-biogas.net) Program SUPERTRAPP, Version 3.1, 2003. Ramesohl, S. Hauptschriftleiter: STUDIE Analyse und Bewertung der Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse; Band 4: Technologien, Kosten und Restriktionen der Biogaseinspeisung ins Erdgasnetz; Wuppertal Institut, Wuppertal, 2005.

Irodalomjegyzék

99


REDUBAR: Investigations targeted to the creation of legislative instruments and the reduction of administrative barriers for the use of gaseous fuels produced from renewable energy sources for heating and cooling; EIE/06/221/SI2.442663 sz. projekt, 2006-2009. Projekt koordinátor: DBI Gasund Umwelttechnik GmbH, Leipzig (http://www.redubar.eu) Richtlinie G 31 Erdgas in Österreich – Gasbeschaffenheit; Österreichische Vereinigung für das Gas- und Wasserfach, Wien, 2001. Richtlinie G 33 Regenerative Gase - Biogas; Österreichischer Verein für Gas- und Wasserfach, Wien, Juni 2006. Schulz, H. - Eder, B.: Biogázgyártás; Cser Kiadó, Budapest, 2005. pp.1-103. ISBN 963 7418 47 4 SGC Svenskt Gasteknist Center AB (Swedish Gas Centre) (http://www.sgc.se) Hagen, M. et al.: Adding gas from biomass to the gas grid, Report SGC 118; GASTEC NV, Danish Gas Technology Center, Swedish Gas Centre, 2001. ISSN 1102-7371 Szunyog, I.: A biogázok és a földgázok eltérő összetételéből adódó hatások elemzése; Magyar Épületgépészet, 2008/4. (37-42. o.) Szunyog, I.: A földgázhálózati biogáz minőségi követelményrendszere Európában; EnergoExpo 2008 Nemzetközi Energetikai Szakkiállítás és Konferencia, 2008.09.23. (101-103. o. HU, 105-107. o. EN) Szunyog, I.: A földgázrendszeren szállított biogázok földgáztüzelésű berendezésekre gyakorolt hatásának elméleti vizsgálata; Magyar Épületgépészet, 2009/4. (21-26. o.) Szunyog, I.: Az egyes biogáz típusok magyar földgázrendszerbe történő betáplálásának minőségi korlátai; Energiagazdálkodás, 2009/3. (20-25. o.) Szunyog, I.: Biztonságtechnikai kockázat? (Biogáz a földgázrendszerben); Víz-, gáz-, fűtéstechnika Épületgépészeti Szaklap, 2008/7-8. (12-14. o.) Szunyog, I.: Elméleti biogáz potenciál - Egy európai uniós kutatási projekt részeredményei; Energiagazdálkodás, 2008/2. (13-18. o.) Szunyog, I.: Magyarország elméleti biogáz potenciálja, Energo Info Magazin, 2008/2. (4-5. o.) Tájékoztató a Magyar Energia Hivatal 2007. évi tevékenységéről; Budapest, 2008. 08. ISSN 14187299 (http://www.eh.gov.hu) Theißig, M.: Biogas Einspeisung und Systemintegration in bestehende Gasnetze; FH Johanneum Gesellschaft mbH, Wien, 2006. pp. 1-98. Thrän, D. - Seiffert, M. - Müller-Langer, F. - Plättner A. - Vogel, A.: Möglichkeiten einer europäischen Biogaseinspeisungsstrategie; Institut für Energetik und Umwelt GmbH, Leipzig, 2007. Tihanyi, L. - Szunyog, I.: Csúcsfedezés (21-27. o.)

szintetikus földgázzal; Magyar Energetika 2004/5.

Tihanyi, L. - Szunyog, I.: Peak shaving by Synthetic Natural Gas; UFA State Petroleum Technological University és a Miskolci Egyetem közös kiadványa, UFA, 2004. (174-185. o.) ISBN 5-98755-001-7 Vida, M. (főszerk.): Gáztechnikai kézikönyv; Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1984. pp.185-187. ISBN 963 10 5687 2 Viktor, L.: A földgáz minőségének „titkai“; Energia Fogyasztók Lapja, 2005.dec. (4-6. o.) Weaver, E.R.: Formulas and graphs for Representing the Interchangeability of Fuel Gas; The National Bureau of Standards; 1951. Woperáné, S.Á. - Valler, K.: Biomassza elgázosításából származó szintézisgáz hasznosítása; Magyar Energetika, 2006/3. (7-11. o.) Woperáné, S.Á. - Wagnerová, E. - Sevcsik, M.: Légszennyező gázalkotók képződése hulladék energiahordozók hasznosításakor; Bányászati és kohászati lapok, Kohászat 1999/6-7. (265-268. o.)

Irodalomjegyzék

100

A biogázok földgáz közszolgáltatásban történő alkalmazásának minőségi feltételrendszere Magyarországon

Recommend Documents