ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEK
1.7
A biogáztermelés és -felhasználás környezeti hatásai Tárgyszavak: biogáz; környezeti hatás; ökológiai mérleg; villamosenergia-termelés; hőtermelés.
A megújuló energiák bővebb felhasználásának általában kiemelkedő jelentőséget tulajdonítanak a környezeti vonatkozású energiaellátási gondok két legkényesebb területén: – a fenyegető éghajlati hatások leküzdésében és – az ásványi energiahordozók készleteinek kímélésében. Ezért a regenerálódó energiaforrásokból kiinduló hő-, áram- és üzemanyag-termelés európai, Németországban pedig mind szövetségi, mind tartományi szinten a politikai támogatás különböző fajtáit élvezi. E programokban a biogáznak kitüntetett helye van, mivel – viszonylag olcsó, – évszakoktól független, – tárolható és – decentralizált jellegénél fogva vidéki térségekben értékteremtésre fokozottan alkalmas.
Negatív hatások a környezetre A biogáz sem mentes azonban káros környezeti hatásoktól, bár az elégetésekor képződő szén-dioxidot „klimatikusan semlegesnek” tekintik – a növényi alapanyagból csak annyi CO2 jut a légkörbe, amennyit a növény vegetációs periódusa folyamán szövetei felépítésére elnyelt, felhasznált belőle –, de ártalmas emissziók itt is keletkeznek részben egyes komponensek elégetésekor – kén-dioxid és nitrogén-oxidok ugyanúgy képződnek, mint a fosszilis fűtőanyagokkal való tüzeléskor – részben a szubsztrátumok kezelése és szállítása alkalmával. Végül figyelembe kell
venni a biogázüzem létesítésével, üzemével és lebontásával járó környezeti hatásokat is. Összegezve tehát, biológiai elemzés alapján meg kell vonni a biogáztermelés és -felhasználás, másfelől a „nemtermelés” ökológiai mérlegét. Német kutatók elsősorban a különböző alapú áramfejlesztés részletes tanulmányozása nyomán végezték el a hagyományos és újabb választási lehetőségek több szempontú összehasonlítását.
A biogáztermelés helyi ökológiai szempontjai A biogáztermelés helyi ökológiai szempontjait nagyrészt a szubsztrátum határozza meg. Állati trágya, szerves melléktermékek, valamint élelmiszer- és agráripari hulladékok fermentálása, megújuló energiaforrás feltárása mellett egyszersmind környezetkímélő kis emissziójú hulladékkezelő eljárás. Un. energianövények termelésének fő előnye ezzel szemben a termények sorának bővítése és évelő növények ültetésével a talaj megóvása eróziótól és tápanyagkiviteltől. A felsorolt nyersanyagoknak rendszerint valamilyen keverékét erjesztik. Az elérhető helyi környezeti előnyök elsősorban – egyes szerves komponensek anaerob lebontására, – nitrogénvegyületek mineralizálására és – a csíraterhelés csökkentésére vezethetők vissza. A kezeletlen hígtrágya felhasználásakor a szag- és kórokozó csíraemissziókkal okozott környezetszennyezés, valamint a nitrátkilúgozás elkerülhető a biogázüzemben végzett anaerob kezeléssel. A tároláskor és szántóföldi alkalmazásakor képződő üvegházhatású metán- és dinitrogén-oxid kibocsátásokat szintén csökkenti a kezelés. Az állati trágya és a szerves hulladékok kellemetlen szagát okozó zsírsavak, fenolok és fenolszármazékok részben ugyancsak lebomlanak, ezáltal a szag erőssége 60%-kal is csökkenhet és pozitív irányba fordulhat. Az erjedés a szervesen kötött nitrogén nagy részét a növények által felszívható ammónium-nitrogénné alakítja át. Ezáltal kevesebb és kiszámítható trágyamennyiségre van szükség. Csökken a nitrogén immobilizálása a talajban, s ezzel a nitrátkimosódás veszélye is. A szervesen kötött nitrogén mineralizálása csökkenti az ammóniagáz kijutása okozta veszteség kockázatát is. Trágya és szerves hulladék tárolásakor idővel ellenőrizetlen erjedés indul meg, amelynek során a szén-dioxidéhoz képest kb. 21-szeres éghajlatváltoztatási hatású metán fejlődik. Ezt a folyamatot megelőzi és a
„vad” metánt, mint biogázt hasznosítja a kidolgozott technológia. Ugyancsak kiküszöböli a szabályozott biogázgyártás a hígtrágyából a talajban denitrifikálás nyomán dinitrogén-oxid képződését, amelynek klímahatása a CO2-ének 310-szerese, emellett részt vesz a sztratoszférikus ózonréteg lebontásában is. Végül az anaerob kezelés az üzemi hőmérséklettől és a biogázreaktorban való tartózkodási időtől függő szelektív csíracsökkentő hatást is kifejt. Mezofil üzemmódban is inaktiválódik az életképes baktériumok és vírusok egy része, de ennek járványhigiéniai szempontból jelentős mértékét csak 55 °C-os hőmérsékleten 22–24 órás tartózkodással lehet elérni (bár a Salmonella baktériumok már 1–2 óra alatt inaktiválódnak).
Ökológiai mérleg elkészítése Az ökológiai mérleg lényeges eleme, hogy a vizsgált termék teljes életciklusát fel kell ölelnie, annak minden közvetlen és közvetett hatásával. Fő lépései ennek megfelelően – célkitűzés, vizsgálati keretek kijelölése, – tárgyi mérleg, vagyis a termék előállításakor fellépő input- és output-áramok „leltárának” felállítása, – hatásbecslés: az anyagmérleg egyes tételeinek összevonása bizonyos hatáskategóriákba (antropogén üvegházhatás, talajsavasodás), – végül az eredmények értékelése és értelmezése. A megújuló energiákból kiinduló villamosenergia-termelésnek a vizsgált erőművek, ill. konverziós üzemegységek létesítésétől, azok üzemeltetésén át lezárásukig, majd teljes felszámolásukig húzódó ökológiai mérlege felöleli a felhasznált anyagokon kívül a szükséges szállítások, infrastruktúra és szolgáltatások (tervezés, karbantartás stb.) környezeti vonatkozásait. A német kutatók az 1997. és 1999. évi adatokat elemezték, mégpedig az energia- és anyagáramokat egységesen szemlélő, ún. hibrid mérlegkészítés módszerével; az elemzés egységeként 1 GWh villamos energia előállításával és szolgáltatásával „a kivezető kapcsolótól” számoltak (1. táblázat). Mivel az egyes energiafajták hasznosításának ökológiai hatásai nagymértékben függnek az átalakítási eljárástól és a üzemmódtól, célszerű kiválasztani a biogáz-felhasználás összehasonlítását is szolgáló referenciatechnikáit.
1. táblázat Az ökológiai mérlegbe bevont paraméterek Hatáskategória
A hatás indikátora
Vegyületek, termékek
Antropogén üvegházhatástöbblet
CO2-egyenérték
szén-dioxid, metán, dinitrogén-oxid, SF6, CF4, C2F6 …
Talaj- és élővíz-savasodás
SO2-egyenérték
kén-dioxid, nitrogén-oxid, klór-hidrogén, ammónia
Fosszilis energiahordozók kumulált felhasználása
primer energia
kőolaj, feketeszén, barnaszén, földgáz, urán*
* Az atomenergiából termelt áramot a primer energia átalakításának 33%-os hatásfokával vették figyelembe
A biogázüzem jellemzői Az elemzés a Németországban ma biogáz termelésére általánosan elterjedt típusra épül, amely térfogatra számítva 75% marha hígtrágyát és 25% kukoricaháncsot, összesen napi 27 m3 alapanyagot dolgoz fel; ebből mintegy 20 m3 a 400 állat által termelt hígtrágya. A biogáztermelés 1 m3 fermentálható anyagra számítva 61 m3. A biogázból tömberőműben 200 kW teljesítményű gázmotorral fejlesztenek áramot. Katalizátoros füstgáztisztítást nem alkalmaznak, a biogáz kéntartalmát a reaktorba levegő befúvásával csökkentik 250 ppm kén-hidrogénnek megfelelő értékre. Az egység elektromos és hőhasznosítása 33, ill. 57%. A termelt villamos energiából az erőmű élettartama, teljes kapacitáskihasználással évi 6000 üzemórát számítva öt év, a fermentoré 20 év, az alkatrészeké, ill. részegységeké 10 év. A biogáztermelés fő energiahordozója a hígtrágya voltaképpen hulladék, tehát a „termeléséhez” szükséges ráfordítás, így az állatok etetése stb. nem része a biogáznyerésnek, és az ökológiai mérleg elkészítésében hasonló meggondolás érvényes a kukorica hulladékára. A biogáztermelés ökológiai mérlegének pozitív oldalára kerül, hogy – a hígtrágyát nem kell a szokásos módion gyűjteni, tárolni és teríteni az ezzel járó környezetterheléssel, továbbá – a fermentált hígtrágyában sokkal több a növények által hasznosítható nitrogén, ami által műtrágyát lehet megtakarítani. A nyers trágyából és az erjesztés utáni maradékból fejlődő gázokról nem áll rendelkezésre sem mennyiségileg kielégítő, sem minőségileg megbízható adatbázis. Ezért az ökológiai mérleg megvonásakor metán-
és dinitrogén-oxid-fejlődés tekintetében a két erjedéses szubsztrátum között nem tettek különbséget („nettó emisszió” = 0), az ammóniagázt illetően pedig elfogadva a Svájci Szövetségi Energiahivatal egy 2001. évi tanulmányának adatait, a kezeletlen hígtrágya emisszióját 1,1–1,4-es faktorral (tárolás, ill. terítés) szorozva kapták meg és vették számításba a fermentálási maradékot. A fermentorban nem ér teljesen véget a folyamat, az utóerjedés terméke további 15% metán. Ezt – az utóerjesztő medence lefedése által „megmenthető” – többletet is figyelembe véve a kutatók a biogázból kiinduló áramtermelés környezeti hatásait három esetre vetítve elemezték: A) kizárólagos áramfejlesztés: letakaratlan utóerjesztő medence B) a termelt hő 20%-ának mezőgazdasági hasznosítása fűtőolaj helyett, letakaratlan utóerjesztő medence, C) kizárólagos áramfejlesztés, a lefedett utóerjesztőből nyert többletgázzal együtt.
Viszonyítási erőművek A megújuló energiákon alapuló áramtermelésnek az itteni vizsgálatba bevont további változatai: – geotermális erőmű, amely mélyebb, száraz kőzetrétegek hőjét hasznosítja (normális geotermális gradiens mellett), – szélerőmű (a szárazföld belsejében), – napelemek multikristályos szilíciumalapú egységekből, – vízerőmű, – fakitermelési hulladékkal üzemelő áramfejlesztő (2. táblázat).
Eredmények, összehasonlítások Hozzájárulás az üvegházhatáshoz Az összes klímakárosító emisszió az A, B, C változatokban egyaránt kevesebb, mint biogáztermelés nélkül. A gázüzem építésével és működésével összefüggő fajlagos üvegházhatású emisszió csupán 25 t/GWh, ez nagyrészt a fermentor és a tömberőmű építésével kapcsolatos. Az üzemeltetésre kereken 7 t/GWh jut. A tárolás és a trágyázásos terítés együttesen CO2-egyenértékben kifejezve sokkal több káros gázt bocsát a légkörbe, mint a biogázüzem, de ez a fermentálás maradékára is vonatkozhat.
2. táblázat A vizsgált áramtermelő technológiák néhány fontos adata Energiafajta
Teljesítmény, kWvillamos
Nettó elektromos hasz- Teljes kapacitású nosítás (hőtermelés üzemórák, mellett), % h/év
Élettartam év
Biogáz
200
33
6000
5a/20b
Geotermális
850
11c
7500
30
Szélenergia
1 500
–
1550
20
300
–
5000
70d/40e
5
–
800
30
11 500
25
8000
35
Feketeszén
700 000
43
5000
35
Földgáz
400 000
56
5000
35
Vízenergia Napenergia Szilárd biomassza
a b c d e
erőmű fermentor a szállítószivattyú saját szükséglete nélkül szerkezeti egységek beépített gépalkatrészek
Talaj- és vízsavasodás Ez esetben a hígtrágya biogázzá feldolgozásának emissziómegtakarítása kevéssé érvényesül, így az SO2-egyenértékben kifejezett összes fajlagos kibocsátás minden vizsgált változatban 4200 és 4630 kg/GWh közötti érték. A legnagyobb emissziós tétel a fermentálási maradék tárolásának és talajra terítésének többletemissziója a kezeletlen trágyáéhoz képest, mégpedig ammónia formájában, ezt követi a közvetlen SO2-kibocsátás. Kumulált fosszilis energiafelhasználás Az A és C változatban az N-műtrágya megtakarítása kiegyenlíti a biogáztermelő egység építési és üzemköltségét, a C változat jobb biogáz-hasznosítása csekély, a B változat, fűtőolajjal való fűtés pótlásával jelentősebb primerenergia-megtakarításra is módot ad. Az áramfejlesztés biogázból kiinduló és más eljárásainak összehasonlításából meggyőzően kiderül, hogy a káros klímahatású kibocsátásokat és a nem megújuló készletek kíméletét tekintve egyaránt a biogáz
ilyen célú felhasználása a legkedvezőbb. Ezzel szemben az SO2egyenértékben kifejezett emissziók vonatkozásában a biogáz energetikai hasznosítása jár a legerősebb savanyító hatással, amely meghaladja még az ásványi fűtőanyagokét is (1–2. ábra). 3 500
3308
SO2-egyenérték, kg/GWh
3 000 2 500 2 000 1542 1 500
1293 927
1 000 474
500
498
334 88
0 biogáz (A)
geotermia
szélerő
napelem
vízerő
biomassza
földgáz
feketeszén
1. ábra A vizsgált áramtermelő változatok SO2-egyenértékben kifejezett kibocsátásai
primerenergia-felhasználás, GJ/GWh
10 000
9109
9 000 8 000
7180
7 000 6 000 5 000 3448
4 000 3 000 2 000 1 000
1048
649
7
203
580
vízerő
biomassza
0 biogáz (A)
geotermia
szélerő
napelem
földgáz
2. ábra A vizsgált áramtermelő változatok primerenergia-felhasználása
feketeszén
Az is megállapítható, hogy a hő- és villamos energia egyidejű hasznosításával jelentősebb emissziócsökkenést lehet elérni, mint kizárólagos áramtermeléssel. Figyelemre méltó, hogy az ökológiai mérleg milyen erősen függ a nyers és a fermentált hígtrágya tárolásának és talajra terítésének kibocsátásaitól, relatív értelemben is. Az e téren még hiányos ismereteket pontosabb mérésekkel kell kiegészíteni, ameddig ilyenek nem állnak rendelkezésre, csak pesszimista („worst case”) becslésekből lehet kiindulni. Összeállította: Dr. Boros Tiborné Nill, M.; Wilfert, R. stb.: Umweltaspekte einer Biogasgewinnung und -nutzung. = VDIBerichte, 2003. 1751. sz. p. 43–53. Akinbami, J. F. K.; Ilori, M. O. stb.: Biogas energy use in Nigeria: current states, future prospects and policy implications. = Renewable and Sustainable Energy Reviews, 5. k. 1. sz. 2001. márc. p. 97–112.
