1.1
Szükséglet elemzése, lehetséges alternatívák
A magyar energiaellátás, hasonlóan a világ és az Európai Unió energiaellátásához döntően fosszilis energiahordozókra épül. Az elmúlt tizenöt évben a villamos energia iránti igény lassú ütemben folyamatosan növekedett, az energiahordozók hazai termelése folyamatosan csökkent és az import nőtt. Energiahordozó importfüggésünk a szénhidrogének vonatkozásában 80% fölé emelkedett. Ezzel párhuzamosan energiahatékonyságunk növekedett. A megújuló energiahordozók aránya 2006-ban 4,3% körül volt, ezen belül a biomassza dominált (>85%) és a geotermális energiafelhasználás volt még jelentős (>6%). A vízenergia szerepe az uniós átlaghoz képest elhanyagolható volt. A megújuló energiaforrások hazai hasznosítása 2001 és 2006 között döntően a szilárd biomassza és a szélenergia területén növekedett. Megújuló energiahordozó- bázisú villamos energia- termelés
A hazai energiatermelés alapvető problémája az, hogy a fosszilis energiahordozók hazai készletei kimerültek, importfüggésünk ezen energiahordozók esetén 80% fölötti és folyamatosan növekszik, valamint energiahordozó importunk egyoldalú, Oroszországtól függ. Alapvető cél az ellátásbiztonság növelése és az energiahordozók importfüggésének lehetőség szerinti csökkentése.
1
Ha ezek után megnézzük a hazai megújuló energiaforrások potenciális készleteit, akkor megállapíthatjuk, hogy a készletek között a biomassza, a geotermális energia dominál, de a szélenergia és a napenergia készletek is jelentősek. Fentiek alapján Magyarország energia ellátásában kulcsszerepet kell, hogy játszanak a hazai bázisú megújuló energiatermelő technológiák és ezen belül is kitüntetett szerep jut a biomassza alapú, valamint a geotermális (földhő, talajhő) alapú technológiáknak, illetve ezek kombinációjának.
2
Földhő, geotermikus energia
1.2
Hazánk geotermikus adottságai A Kárpát-medence, de különösen Magyarország területe alatt a földkéreg az átlagosnál vékonyabb, ami azt eredményezte, hogy a kéreg alatti magas hőmérsékletű magma a felszín közelbe került. A Föld belsejéből kifelé irányuló földi hőáram átlagértéke 90–100 mW/m2, ami mintegy kétszerese a kontinentális átlagnak. Az egységnyi mélységnövekedéshez tartozó hőmérsékletemelkedést jelentő geotermikus gradiens átlagértéke a Földön általában 0,020–0,033 °C/m, nálunk pedig általában 0,042–0,066 °C/m. E termikus adottságok miatt nálunk 1000 m mélységben a réteghőmérséklet eléri, sőt meg is haladja a 60 °C-ot. A hőmérsékleti izotermák 2000 m mélységben már 100 °C-ot, ezalatt pedig 200 0C-ot. Magyarország területén a geotermikus energia alapvető forrását a magma irányából fölfelé irányuló konduktív hőáramlás jelenti. A geotermikus energia hordozóját a Kárpát-medencében döntően a termálvíz képviseli, amely a nagy vastagságú, több helyen 6 km-t is meghaladó üledékes kőzetösszletek porózus-permeábilis tartományait tölti fel. A földtani adottságok több helyen (nagy vastagságú víztároló üledékekkel telt földtani árkokban, fiókmedencékben) lehetővé tették a földhő akkumulációját. A hazai viszonyok között a Kárpát medencét feltöltő vastag üledéktakaró sok víztartó porózus-törmelékes vagy repedezett karbonátos kőzetréteget tartalmaz, amely lehetővé teszi a hévíz termelését és hasznosítását. A földhő hasznosításának legelterjedtebb módja a geotermikus fluidum; közismert nevén a termálvíz kitermelése, amelynek energetikai hasznosíthatóságát alapvetően befolyásolja az entalpiája. Hőmérsékletük alapján lehetnek: alacsony, közepes és magas entalpiájú termálvizek. A hőmérséklethatárokat az egyes szakemberek különbözően állapították meg, így az alacsony/közepes határ 90–125 °C között, míg a közepes/magas határ 150–225 °C között mozog. Így egy kb. 200 °Cos termálvíz már a legmagasabb kategóriába esik, miközben entalpiája meg sem közelíti az erőművi körfolyamatok induló entalpiáját (ami azt jelenti, hogy a geotermikában használt entalpia fogalma nem azonos a termodinamikában használatossal). Esetünkben ugyanis a termálvíznek csak a hőmérséklete számít az entalpiakategóriák megkülönböztetésére. Magyarországon nagy számban végeztek fúrásokat, alakítottak ki geotermális kutakat, de sajnos ezek döntő többsége a kisentalpiás kategóriába esik. Ezen okok miatt hazánkban jelenleg ún. közvetlen felhasználás, a hőenergia közvetlen felhasználása történik. Fő hasznosítási területek: • direkt hőhasznosítás • balneológia • a kitermelt hévíz hőtartalmát mezőgazdaságban üvegházak, épületek, uszodák fűtésére, használati melegvíz termelésre, távfűtésben hasznosítják • •
Villamos energia termelés jelenleg nincs, de előkészítés alatt áll geotermális kiserőművek létesítése víz-visszasajtolásos technológia alkalmazásával A direkt hasznosítás mellett a geotermikus energiára (termálvízre, földhőre) alapozott hőellátás egyik speciális fajtája a hőszivattyú, amellyel lehetséges fűteni, hűteni, használati melegvizet előállítani. 3
Magyarországon további potenciális lehetőség az olajipar által fúrt meddő szénhidrogén kutak hasznosítása. Több mint 4000 olyan kutunk van 1800-2200 m talpmélységgel, amelyeket hévíztermelésre, vagy zárt ciklusú hőbányászatra lehetne hasznosítani. Ezek gyakorlati megvalósítását kutatásokkal kell megalapozni. Joggal merül fel a kérdés, ha a geotermális kutaink jelentős része a kisentalpiás kategóriába esik, lehetséges-e ezen kutak igen jelentős hőenergia tartalmának hasznosítása kapcsolt (villamos-és hőenergia) energiatermelő rendszerben. A választ erre a kérdésre két irányból közelítve adhatjuk meg. 1. Ha a kisentalpiás (700C feletti kifolyóvíz hőmérséklettel rendelkező) kutak vizét, más megújuló energiaforrásból származó hő (biomassza kazán, talajvizes hőszivattyú) segítségével megnöveljük, a megnövelt entalpiájú geotermális fluidum már hasznosítható az ún. bináris ciklusú (szerves Rankin ciklusú ORC, vagy víz-ammónia eleggyel üzemelő Kalina ciklusú) geotermális kiserőművekben villamos energia és hőenergia szolgáltatására. 2. Másik lehetőség a technika fejlődésével egyre alacsonyabb hőmérsékleten üzemelő bináris ciklusú geotermális erőműveket hoznak létre. Ennek tipikus példája a 2004-ben Alaszkában üzembe helyezett 200 kWe Chena-i geotermális kiserőmű, mely 74 0C-os termálvízzel üzemel. Egy átlagos geotermia projekt főbb alapadatai (Ádám B. 2008): Kinyert vízmennyiség: Kútfej hőmérséklet: Elfolyó (visszasajtolt víz hőmérséklete: Hasznos T: Hőkapacitás: Kiváltható földgáz mennyiség évente: Beruházási költség (visszasajtolással): Elfolyó víz hőszivattyús hasznosítása, T: Hőkapacitás primer oldali: Hőkapacitás hőszivattyúval:
60 m3/óra 70 0C 30 0C 40 0C 2,8 MW 1,5 millió m3 350-450 millió Ft 20 0C 1,4 MW 5,6 MW
Villamos energia termelése geotermális erőművekben Általában három alaptípus létezik a geotermális villamos erőművek között. A legrégibb típus a szárazgőzös erőmű, mely a nagyentalpiás fluidum gőzét közvetlenül hasznosítja. A második erőmű típus az elgőzölögtetéses (flash) erőmű, mely 182 0C fölötti hőmérsékletű fluidumoknál alkalmazható. Ennek során a kitermelt nagyobb nyomású fluidumot egy alacsonyabb nyomáson lévő tartályba permetezik, mely során a fluidum egy része elgőzölög. A keletkezett sarjúgőz forgatja a gőzturbinát. Néha kaszkádba kapcsolt alacsony nyomású tartályokat alkalmaznak a gőztermelés fokozására. A geotermális erőművek harmadik típusa a bináris ciklusú erőmű, mely a közepes- (177 0C alatt) és kis-entalpiájú fluidumok energiatartalmának hasznosítására alkalmazható. Ebben az erőműben a kitermelt fluidum hőtartalmának egy részét egy hőcserélőben adják át egy második, a víznél sokkal alacsonyabb forrpontú munkaközegnek (izo-pentánnak, ammónia-víz elegynek stb.), mely során ez a második munkaközeg elpárolog és gőze turbinát forgat. A bináris geotermális erőművek zárt rendszerben alkalmazzák a geotermális fluidumot, hőátadás után visszasajtolásra kerül, így lényegében nincs emissziója a környezetbe. Mivel a geotermális kutak döntő többsége kis-és 4
közepes-entalpiájú fluidumot termel, várható, hogy ezen erőműtípus további technológiai fejlesztés eredményeképpen széleskörűen el fog terjedni. Az elterjedés feltétele a hőátadás és hőelvonás deltaT értékének maximalizálása. Egyes területeken még 80°C-os fluidum is alkalmazható bináris erőműben szerves Rankine ciklusú (ORC), vagy ammónia-víz elegy (Kalina) felhasználásával. A Rankine ciklusú erőművek csoportosítása
A ciklusok típusai: ORC egykomponensű folyadék: Kalina (ammónia-víz elegy):
Tipikus bináris ORC ciklusú geotermális erőmű (Neustadt-Glewe, Németország)) 1.3
Energiahasznosítás geotermális kis-és közepes-entalpiájú fluidumokkal 5
Villamos energia termelés kis- és közepes-entalpiájú fluidumokkal A legtöbb esetben döntően vízfázisú 175°C alatti hőmérsékletű fluidumot nyomás alatt szivattyúzzák, hogy az atmoszférikus forrást elkerüljék és hőjét hőcserélővel egy szekunder – rendszerint alacsony forrpontú szerves – hőhordozónak adják át. Ebben a bináris rendszerben a második hőhordozó propán vagy izo-bután (ORC), vagy ammónia-víz keverék (Kalina). A második hőhordozó gőze speciális turbinát forgat és generátorral villamos energiát termel. A bináris geotermális villamos erőműveknek elhanyagolható a gáz és gőzemissziójuk a környezetbe, mert a második hőhordozó zárt körben áramlik és a geotermális vizet zárt rendszerben visszainjektálják a tárolóba. Ugyanakkor az ilyen bináris geotermális erőmű hatásfoka rendkívül alacsony (néhány százalék), ezért a jövőben növelni kell a hatásfokát és csökkenteni a fajlagosan nagy beruházási költségét. Komoly igény van egy gazdaságosabb, olcsóbb, jobb hatásfokú bináris geotermális erőműtípus kifejlesztésére. A VCC ciklusú bináris geotermális erőművek megnyithatják a lehetőséget a kis- és közepes entalpiájú fluidumokat alkalmazó geotermális alapú villamos energia termeléshez és a kapcsolt energia termeléshez. Kis- és közepes-entalpiájú fluidumok hőenergiájának közvetlen hasznosítása
A 20°C fölötti melegvíz hőenergiája közvetlenül felhasználható különböző folyamatok hőigényének a biztosítására. Így épületek, uszodák és egyéb ipari, mezőgazdasági létesítmények fűthetők, termények száríthatók, illetve használati melegvíz biztosítható. Ezek a leggyakoribb közvetlen energiahasznosítási lehetőségek, melyeket leggyakrabban többlépcsős, többfelhasználós üzemben alkalmaznak. A követlen hőhasznosítást tipikusan zárt rendszerben, visszasajtolással alkalmazzák, vagy az eléggé tiszta, lehűlt vizet felszíni vizekbe bocsátják ki. A gyakorlat szerint a tárolóból kitermelt víz lehető legnagyobb részét célszerű visszasajtolni a kútnyomás és termelési hozam fenntartása céljából. Geotermikus hőszivattyúk
A geotermikus hőszivattyúk alkalmazása fűtési (hűtési) célokra semmilyen környezetkárosító hatással nem jár és más fűtési eljárásokkal kapcsolatos energiamegtakarítást eredményez. A geotermikus hőszivattyúk állandó hőmérsékletű talajvíz hőjét hasznosítják fűtési és hűtési célokra. A közel állandó hőmérséklet miatt a geotermikus hőszivattyúk energetikai hatásfoka ~30%-al magasabb, mint a levegős hőszivattyúké és 50%-al magasabb, mint az elektromos ellenállás fűtési rendszereké. A geotermális energia hasznosítás környezetvédelmi kérdései
A geotermális energiahasznosító rendszerek környezetvédelmi kérdései fontos jellemzői ennek a megújuló energiafajta hasznosításának. Levegőminőség • Minden geotermális fluidum karbonátok, bikarbonátok, és oldott szén-dioxid egyensúlyi oldott mennyiségeit tartalmazza és a buborékpont után, a forrás megindulásakor a nemkondenzálódó gázok között a szén-dioxid dominál • Stb. légszennyező. • A levegőszennyezés döntően az üzemelés során lép fel • A visszasajtolás vagy a hulladékhő többlépcsős hasznosítása egyben a levegőszennyezés csökkenését is eredményezi (beleértve a hőszennyezést is). Felszíni és felszínközeli vízszennyezés 6
Oldott sók, Oldott mérgező komponensek Folyékony hulladékoldatok keletkeznek a fúrás és a termelés során is. Bináris ciklusú erőművek esetén a lehűlt fluidumot nem engedik ki a környezetbe, hanem azonnal visszasajtolják a tároló kőzetbe. Bórvegyületek A bórvegyületek néhány száz ppm mennyiségben fordulnak elő a hazai geotermikus fluidumokban és így potenciális környezetszennyező hatásuk van. Arzénvegyületek A hazai geotermikus fluidumok egy része a jelenleg rendelkezésre álló elemzési adatai szerint jelentős (átalagosan 10 mg/l) arzéntartalommal rendelkezik. Radioaktív anyagok (226Ra, 228Ra, 222Rn) A felszínre kerülő termálvizeinkben több kevesebb, a mindenütt jelenlévő 238U és 235U izotópok bomlásából származó radioaktív 226Ra, 228Ra, 222Rn leányelemek fordulnak elő oldott állapotban. A radon gáz halmazállapotú és könnyen távozik a vízből és levegővel felhígulva általában nem jelent veszélyt a környezetre. A rádium izotópjai viszont a kalcium, magnézium és bárium izotóphoz hasonlóan viselkedve, vízkőkiválásokban vegyes rádium-bárium-szulfátként jelen lehetnek és a 226Ra nagyenergiájú gamma-sugárzása révén veszélyt jelenthetnek a környezetre. Szerves vegyületek (huminsavak, fenolok stb.) Talajsüllyedés
o
A geotermikus vízkivétel következtében előállott talajsüllyedés irreverzibilis folyamat. Ha a vízkivétel mértéke meghaladja a természetes beszivárgás mértékét a talaj pórusaiban lecsökken a nyomás.
Termikus tulajdonságok változása
Ez a túlzott mértékű kitermelés következtében bekövetkezett tároló nyomásának csökkenése révén lép fel. A nyomáscsökkenés a talajvízszint csökkenését és a felszínre jutó geotermális fluidum mennyiségének apadását eredményezi. Földhasználat
A kitermeléshez felhasznált földterület és az ezt körülvevő nagy terület nem használható emberek és más élőlények lakóhelyéül. A geotermális villamos erőművek által elfoglalt terület sokkal kisebb, mint más megújuló energiatermelő technológiáké.
Zaj
o
Időszakos robbanási zaj jelentkezhet a kút és tömítése, valamint az erőmű kialakítása során. Ez a zajterhelés csökkenthető zajárnyékolókkal és zajtompítókkal. 7
o
Üzemelés során a zaj meghaladhatja a környezeti zajszintet, de ez nem tartalmaz érzékelhető magas frekvenciás komponenst és nincs külön érzékelhető hanghatása. Magasabb zajszint károsítja a zajra érzékeny vadon élő egyedeket.
A GEOTERMIKUS ENERGIA ELŐNYEI Fogalmazhatunk úgy, hogy a geotermikus energia-használat legfontosabb előnye, hogy a fosszilis energiafélékkel, és egyes más alternatív energiaféleségekkel szemben nincsen hátránya, természeti adottságaink révén pedig Magyarországon jelentős potenciált jelent. Az Európai Unió a világtendenciákhoz hasonlóan két geotermikus hasznosítási lehetőséget preferál: (1) Geotermikus energia hasznosítása fűtési célokra. Jelenleg az EU-ban a teljes energiaellátás hozzávetőlegesen 40%-át használják fűtési célokra; ez általában viszonylag alacsony (víz)hőmérsékleteket igényel (akár 100°C-nál kisebb hőmérsékleteket is). Csak fűtési célokra, általában úgynevezett geotermikus szondákat használnak. (Ezeknek egy zárt alsó végű koaxiális csöve van, amelyen keresztül víz áramlik lefelé 2,5–3 km-es mélységig, majd felfelé és újra kifelé, ezáltal maximálisan kb. 500000 kW hasznos hőfelvétel valósul meg). A legelterjedtebb megoldás a fűtési energia megcsapolására a földfelszínhez igen közeli hőenergia hasznosítására a geotermikus hőszivattyúk használata épületfűtés céljából (hozzávetőlegesen 6 kW-tól 1 MW-ig). A hőszivattyúk több fajtája van a primer hőforrástól függően: levegős, földszondás, vízkút-páros és termál elfolyó vizet hasznosító megoldással. A hőhasznosítás vagy a környezeti levegőből, vagy a függőlegesen lefúrt több 50-100-150-200 méteres mélységű földszondával, vagy a talajvíz ill. rétegvízkutak vizének hőtartalmából, vagy a termál elfolyó 20-25 fokos víz hőtartalmából hasznosítható a hőszivattyú hőcserélőin keresztül a kompresszorának segítségével. Ezzel az alacsony hőfokszintű 8 hőforrásokból a kinyert hőenergiát magasabb hőfokszintre emeljük és fűtési, hűtési és használati melegvíz készítési célra hasznosítjuk, gazdaságosan. E szivattyúknak több fajtája is van, amelyek az energiát egy méterestől akár több száz méterig terjedő mélységből is fel tudják hozni, attól függően, hogy milyen technológia alkalmazására kerül sor. (2) Villamos energia termelése. Ez nagyobb (víz)hőmérsékleteket igényel (például >120°C); az általános (de igen eltérő technológiával megvalósított) módszer az, hogy egymástól bizonyos távolságra két fúrást készítenek; a felmelegítendő vizet az egyik nyíláson keresztül préselik be és az a másikból távozik. Nagyobb hőmennyiség – 5-30.000 MW – biztosítható ilyen módon. Különösen előnyös megoldás mindkét alkalmazás kombinálása (hő és villamosság) és a villamosság előállításával kapcsolatosan vagy annak során keletkező maradék hő felhasználása fűtési célokra, ezáltal gondoskodva egyidejűleg a hőről és az energiáról. Az EU-ban az elektromos áram termelésére szolgáló geotermikus kapacitás, amelynek nagy része Olaszországban található, és amely általában geotermikus anomáliákat hasznosít, jelenleg kb. 1 GW-al, illetve hozzávetőlegesen 2 százaléka az EU teljes villanyáram-termelő kapacitásának. A közvetlen fűtéshez a geotermikus kapacitás kb. 4000 GW, de az előrejelzések szerint ez 8000 GW vagy ennél is magasabb érték lehet 2010-re. A különböző megújuló forrásokból termelt villamos áram 1 kWe-ra eső költségeinek összehasonlításával, a geotermikus energia (még akkor is, ha a hőés áramfejlesztés kombinálható) jelenleg kétszer annyiba kerül, mint a szélenergia és fele annyiba, mint a napenergia. 8
1.4
BIOMASSZA
Magyarországon termelődő biomassza a megújuló energiaforrások domináns tényezője, a növekedési lehetőség egyik alappillére lehet, bár jelenleg a tűzifa teszi ki a legnagyobb arányt. A biomasszának nevezzük azokat a biológiai anyagokat, amelyek a földön megtermelődnek, vagy valamilyen tevékenység következtében melléktermékként, vagy hulladékként keletkeznek. Hasznosításuk nagyon sok módon lehetséges. Van száraz folyékony és légnemű biomassza. Alapvető összefüggés, hogy a keletkezett mellékterméket, hulladékot olyan módon kell energetikailag hasznosítani, amely során legkisebb a járulékos energiaráfordítás. Az már természetes, hogy az országban lévő fafeldolgozó üzemek jelentős részében saját hőigényüket a feldolgozás során keletkező hulladékból biztosítják, de például a fagázosítással nyerhető villamosenergia-termelés lehetősége sehol sincs megoldva, pedig ez javítja a rendszer hatásfokát. Ki kell emelni a távfűtés jelentőségét a bioanyagok hasznosításának folyamatában. Magyarországon a távfűtésben a földgáz a domináns és sajnos még kevés településen van biomassza alapú távhőszolgáltatás. Dániában, Ausztriában természetes, hogy biomassza (apríték, gabonaszalma, faipari hulladék, stb.) alapon is történik a távhő előállítása. Egyre több helyen adottak a feltételek a meglévő távhőszolgáltatási rendszerben biomassza eltüzelésre (Tata, Körmend, Mátészalka, Szombathely, Szigetvár, Putnok, Sárospatak, stb.), de több helyen nincs teljes mértékben a lehetőség kihasználva. Mivel a vízenergia hasznosításának nagyobb erőművi rendszerekben történő hasznosítására – a jelenlegi helyzetben – kevés a lehetőség, így Magyarországon legnagyobb villamos energiatermelési potenciált a megújuló energiaforrásokon belül a biomassza hasznosítása jelentheti, ezen belül pedig az energetikai növénytermesztés területén van mód alapanyag bázis növelésére. Az EU csatlakozás következtében felszabaduló élelmiszeripari növénytermesztési területeken nagymennyiségű energetikai célú (nem élelmiszer célú) növénytermesztés valósítható meg, mint például - az évenkénti betakarítású, közvetlenül tüzelésre felhasználható száraz biomaszszák (magkender, különböző fűfélék, nádféleségek stb.); - az energetikai növénytermesztés különböző hasznosítási módjai lehetnek a már említett és a távfűtésben már alkalmazott faapríték létrehozását biztosító rövid vágásfordulójú fás szárú növények termeltetése mellett; - az olajmag termelésére alkalmas növények (repce, napraforgó stb.), melyekből metilészterezéssel a gázolaj kiváltására alkalmas biodízel állítható elő, vagy metilészterezés nélkül tüzelőberendezésben hőenergia előállításra felhasználni; - a termelhető gabona féleségek, kukorica, burgonya, különféle répák, melyekből folyékony üzemanyag, vagy üzemanyag adalék, azaz etilalkohol állítható elő. A bioetanol benzin oktánszám javító adalékként etil-tercier-butil-éter (ETBE) formájában keverhető a benzinbe, a jelenleg alkalmazott metil-tercier-butil-éter (MTBE) kiváltására. Az etanolt (víztelenített finomszeszt) több meglévő üzem képes előállítani, kisebb pótlólagos beruházás segítségével, illetve jövedéki adó 0 %-ra csökkentésével. A bioüzemanyagok elterjedését segítheti az Európai Parlamentnek és Tanácsnak a közúti közlekedésben használt alternatív üzemanyagokról a bioüzemanyagok használatát előmozdító intézkedésekről szóló 2003/30/EK Irányelv. A szilárd és a folyékony biomassza mellett, figyelembe kell venni a gáz halmazállapotú biomassza származékot. A biogáz szerves anyagok anaerob bomlásával keletkezik. A különböző mezőgazdasági technológiák során nagy tömegben keletkező szerves hulladékokat a környezetvédelmi előírások és környezetünk védelme miatt ártalmatlanítani kell. Az ártalmatlanítás egyik módja a biogáz termeléses eljárás, ahol nem csak ráfordítás, hanem hasznos energia is megjelenik biogáz formájában. A biogáz alapanyagaként használhatók a szilárd és folyékony halmazállapotú lakossági, kommunális, mezőgazdasági és élelmiszeripari szerves hulladékok és szennyvizek. A biogáz előállítása történhet e célra kialakított erjesztő tartályokban (reaktorokban), valamint szilárd hulladéklerakó telepek gyűjtőcső rendszerével. A biogáz felhasználható (gázmotorok segítségével) villamos energia termelésére, fűtési és melegvíz előállítási célokra, valamint abszorpciós berendezésekkel hűtésre. A biogáz termelése, kinyerése még akkor sem 9
versenyképes (a fermentált biomassza trágyaként történő felhasználása mellett is), ha a környezetvédelmi előnyöket figyelembe is vesszük. Biogáz-termelő kapacitások megvalósítása mindenképpen beruházási támogatást igényel. A biomassza energetikai felhasználása, különösen az energetikai növénytermesztés esetén nem hagyhatjuk szó nélkül annak kockázatait. A szinte azonnal (egy éven belül) energetikai is hasznosítható fűfélék olyan agresszív, nehezen kordában tartható növények, hogy ha egy területet ilyen termelésre állítanak át, akkor azt a hagyományos mezőgazdasági termelésbe visszaintegrálni szinte lehetetlen feladat. A biomassza a kis energiasűrűség miatt nagy termesztési területet, így igen komoly logisztikai teljesítmény igényel a begyűjtés, előfeldolgozás és az energetikai létesítménybe való eljuttatás során. Esetenként a logisztikai műveletek olyan környezeti ártalmakkal (légszennyezés, zajszennyezés, közútterhelés stb.) járnak mely károk mellett a biomassza jelentette előnyök eltörpülhetnek. Számos kutató – köztük a biomassza felhasználás iránt elkötelezettek – hívja fel a figyelmet a nem kellő körültekintéssel végzett energianövény-termesztés kockázataira. A kutatók véleménye szerint az érintetlen természeti környezet felszámolása és átállítása szilárd biomassza (energiafű, fás szárú növények stb.) termesztésre már önmagában is CO2 többletet (kevesebb lekötött CO2-t) fog eredményezni, mint a természeti környezet intakt állapotban hagyása. A bioüzemanyagok gyártásának két – még megoldandó – kulcskérdése az energiaigényesség csökkentése, a biodízel gyártása esetén a keletkező lúgos szennyvizek ártalmatlanítása, valamint szintén a biodízel esetében a nagy mennyiségben keletkező glicerin további felhasználása. Magyarország esetében a biomassza hasznosítás az energetika keretein messze túlmutató stratégiai kérdés, mivel megoldása során - hosszú távú mezőgazdasági, - energetikai és energia-technológiai, - környezetvédelmi, - feldolgozóipari (pl. kozmetikai ipar a glicerin miatt), valamint - munkaerőpiaci és szociális kérdéseket kell vizsgálni és optimális megoldásokat keresni, mely elsősorban politikai kérdés, különösen a társadalmi stabilitás megőrzése okán. Legújabb vizsgálatok szerint az energiaültetvényeken megtermelt biomassza esetén sem helytálló a nullszaldós karbon-mérleg feltételezése. És ennek nem csupán a műveléssel, betakarítással, szállítással kapcsolatos motorhajtóanyag felhasználás az oka. A megkötött karbon teljes jóváírása csak akkor lenne helytálló, ha energiaültetvény nélkül a terület kopár maradna. Feltehetően ilyen esetben a terület energiaültetvény létesítésére sem alkalmas. Reális esetekben ugyanazon a területen energiaültetvény nélkül is lenne vegetáció, amely szintén részt venne a légköri karbon megkötésében. A talaj minősége és az éghajlati tényezők szabják meg, hogy a természetes vegetáció vagy a helyébe telepített energiaültetvény fotoszintézis kapacitása a nagyobb. Így szélsőséges esetben elképzelhető, hogy az energiaültetvény csökkenti a fotoszintézis kapacitást és így mind a termelés, mind az elégetés hozzájárul a légköri széndioxid mennyiség növekedéséhez. Ilye helyzetek állhatnak elő pl. Brazíliában, ha a bioalkohol program érdekében olyan helyeken folytatnak energianövény termelést, ahol előzőleg ennek érdekében őserdőket irtottak. A biomassza tüzelés előnyei hőenergia termelés esetén: • jól automatizálható a tüzelőberendezés • a biomassza tüzelés folyamata nem növeli a CO2 kibocsátást. • a gyakorlatban elterjedt magas hőfokú (90/70) fűtési rendszerekhez jelentősebb módosítás nélkül csatlakoztatható. • jó lehetőség nyílik a keletkezett hamu újrahasznosítására. A biomassza tüzelés hátrányai hőenergia termelésnél: • Nagy tároló terekre van szükség a biztonságos tüzelőanyag ellátáshoz. • A berendezések érzékenyek a biomassza minőségére(nedvesség, szennyezettség, stb.) 10
• • • •
A biomassza tüzelésű berendezéseknek általában kisebb a hatásfoka mint a gáz és olajtüzelésű berendezéseknek. Nagyobb méretű kazánhelységet igényelnek. A füstgáz minőségére nagy figyelmet kell fordítani. A hamu újrahasznosítása nem minden esetben lehetséges. Lágyszárú energianövények tüzelése Magyarországon
Lágyszárú energianövények
Jelenleg két növénytípus szolgálhat energiahordozóként Magyarországon: Magyar energiafű
Ezt a növényt Dr. Janovszky János (Mezőgazdasági Kutató-Fejlesztő Kht. Szarvas) fejlesztette ki, hívák szarvasi energiafűnek is. A növény termesztésének hozama 12 – 18 t/ha (víztartalma~15%) növekedésének első fázisában. Begyűjtési időszaka április-június hónapok. Pelletezett formában fűtőértéke 17 MJ/kg (6 % víztartalom esetén). Második érési időszaka augusztus-szeptember hónapokra esik hozama 3 -5 t/ha. Magas víztartalma miatt a begyűjtött növény állati takarmányként vagy biogáz fejlesztésére használható. Tatai-nád (energianád)
Ezt a lágyszárú energianövényt Dr. Marosvölgyi Béla (Nád MPS-H Kft.) fejlesztette ki. Az éves aratás kora tavasszal történik, 15 – 18 t/ha hozamok mellett. Pelletizált formájának fűtőértéke 16 – 18 MJ/kg (6-8% víztartalom mellett). Ezen energianövény nagy előnye, hogy kora tavasszal aratható, mikor a növény elhullatja leveleit és jelentősen csökken a víztartalma is. Az aratásnál problémát okoz a kora tavaszi talajok felázottsága, puhasága. Lágyszárú energianövények tüzelési problémái
A lágyszárú energianövények termokémiai átalakítása (tüzelése) bizonyos tüzeléstechnikai problémákkal jár. Eltekintve a szokásos salakosodástól és dugulástól a füstgáz sósav és klór tartalma növeli a korróziót és elősegíti klórozott szénhidrogének és dioxinok keletkezését , valamint csökkenti a szén-monoxid további oxidációját. Lágyszárú energianövények égetése két különböző típusú kazánban
Az energiafűből készült pelletek két különböző típusú kazánban (~ 250 MW) alkalmazhatók energiaforrásként. A tüzelőanyagot mindkét esetben mozgó rostélyon tüzelik el, de a tüzelés hőmérséklete eltérő. A kazán sémája a következő ábrán látható.
11
Alacsony hőmérsékletű kazán sémája A tüzelőanyag hőmérséklete a rostélyon a befúvott primer levegő mennyiségével szabályozható. A primer levegő főtömegét a rostély felett fuvatják be, a rostély átlagos hőmérséklete ~ 700 °C és a teljes légfelesleg közel 1. Az alacsony hőmérsékletű tűzágy porszerű hamut eredményez tüzelőanyag zárványok nélkül. Az alacsony hőmérsékletű tüzelés fő hátránya, az égőtérben többezer ppm koncentrációban jelenlévő szén-monoxid. A kibocsátási határértékek tartásához utóégetőre van szükség. Az utóégető üzemelése további energia felhasználást (fapellet) igényel, mert az energiafű pellett erre a célra nem alkalmazható, mert olvadt salakja eltömíti az utóégető égőfejét. Másik hátránya ennek a tüzelési eljárásnak az alkalmazott tűztér és rostély mérete. Alacsonyabb hőmérsékleten csökken az exoterm reakciók sebessége, így nő a rostélyhoz szükséges tüzelőanyag mennyisége. Alacsony hőmérsékletű tüzelésnél így a kazán teljesítmény növekedése jelentős tűztér növekedéssel és magasabb költségekkel jár. Magas hőmérsékletű tüzelés
A magas hőmérsékletű tüzelést megvalósító kazán sémája a következő ábrán látható.
Magas hőmérsékletű kazán sémája 12
A tűztér hőmérséklete nem korlátozott, elérheti az 1200 °C-ot is. Ezen kazántípus fő hátránya a hőcserélő gyakori tisztítási igénye. Magas hőmérsékletű égés során a kálium-klorid többsége elpárolog és finom porként kondenzálódika hőcserélő csöveinek felületén. Az üladék laza szerkezetű, így nagynyomású levegővel könnyen eltávolítható. 1.5
Biogáz
A biogáz összetételét nézve 60-70%-ban metánt (CH4), és 30-40%-ban CO2-t tartalmaz. Szerves anyagok nedves közegben végbemenõ anaerob fermentációjával keletkezik, amelyet biometán fejlesztésnek hívnak. Ez az eljárás főleg a mezgazdasági termékek elállítása és az állattartás során keletkező szerves melléktermékek eltüntetésében, feldolgozásában játszik fontos szerepet. A kifejezetten biogáz termelésre termesztett növények nagyon ritkák, de azért némelyikük csak metánként hasznosítva is gazdaságosan termeszthető. A biológiai metánképzés segítségével szinte minden növény feldolgozható, míg pl. a nyersanyagok égetése nagyon alacsony nedvességtartalomhoz kötött, addig a biogáz termelés természetes nedvességtartalom mellett történik. A biogáz termelésre leginkább alkalmasak a könnyen bontható, magas szénhidráttartalmú növények. Külföldi kutatók vizsgálatai szerint a kukorica, a kanári köles és a különböző évelő fűfajok silózás és fermentáció utáni metán-hozamai azonosak voltak. A lignocellulóz tartalmú növények kevéssé alkalmasak biogáz fejlesztésére. A zöld növények, mint pl. a pántlikafű hozamának biogáz termelésre való felhasználása szintén komplikált és költséges. Az elfogadható mennyiségű, gazdaságos biogáz termelés legfontosabb feltétele, az egész éven át folyamatos nyersanyagellátás a mezőgazdasági növénytermelés oldaláról, amely nehézkesen valósítható meg. A biogáz fejlesztés technológiája ma nagyrészt azért épül a hulladékokra, mert a gyakorlatban a kiindulási szervesanyag mindössze 50-60%-ban bontható le, a többi elem visszamarad a szilárd vagy híg komposztban. Így a biogázfejlesztés tulajdonképpen a hulladékhasznosítás részének tekinthető. A megtermelt biogázt a mezőgazdaság számtalan területén lehet hasznosítani, ami főleg hő- vagy villamos energia előállításán keresztül valósul meg. Különböző helyiségek (fejőház, istálló, keltető) fűtése, melegvízellátás, terményszárítás, tejhűtés, üvegházak, fóliasátrak fűtése stb. lehetnek a felhasználás területei. A biogáz lehetõségeit nagyban javítja, ha fűtőértékét növelik. A minőség javításában a metánon kívüli gázok eltávolítását kell megoldani, amelyet lényegében a (CO2) tesz ki. A biogázt zárt tartályban lévő vizes közegen kell átbuborékoltatni. A vizet célszerű nátrium- vagy káliumhidroxiddal lúgosítani, így a CO2 karbonátot alkotva visszamarad a vizes közegben. Az így nyert, szinte földgáz minőségű biogáz már robbanómotorok hajtására (benzin-dízel) is alkalmas. Így mezőgazdasági gépek, szivattyúk, a stabil géppark ellátása vagy akár személygépkocsik működtetésére is lehetséges. Egyetlen tényező gátolja csak az ilyen jellegű felhasználást, nevezetesen az, hogy a biogáz cseppfolyósításának költsége, a biogáz fajlagos üzemköltségéhez viszonyítva, annak további 50-60%-a. Európa biogáz termelését az elmúlt évek során bekövetkezett nagyobb arányú növekedéssel jellemezhetjük. A biogáz telepek számának szaporodása főként azzal indokolható, hogy nagyon sok állattartó telep kiegészítő egységként, anaerob biogáztermelő berendezéseket működtet. Ezekre, (leginkább sertéstelepek), az jellemző, hogy nem rendelkeznek nagyobb mezőgazdasági földterülettel a telepek környékén. Így a hígtrágya elhelyezésének, ártalmatlanításának a biogáz termelésben való felhasználás a legegyszerűbb módja. Ezáltal csökkenthető a telepek külső energiafogyasztása, illetve egyúttal megoldható a tenyésztés melléktermékeinek megsemmisítése is. Az eljárás azonban nagyobb mennyiségű szervesanyagot, cellulózt is igényel a megfelelő C:N arány beállításához. A szükséges szervesanyagot az állattartók alacsony költséggel termeszthető, nagy hozamú növények termesztése révén szeretnék biztosítani. Ezeket tehát biogáz energianövényeknek nevezhetjük, melyek közül a nádképű csenkesz, óriás keserűfű, szudánifű, olasznád a legjelentősebb. Termesztésüknél a legfontosabb szempont, hogy minél nagyobb cellulózhozammal rendelkezzenek hektáronként. 13
