SZENT ISTVÁN EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR LÉTESÍTMÉNYMÉRNÖK MESTERSZAK
Biogáz üzem energetikai értelmezése és életciklus elemzése
Készítette: Szabó Dávid István
Konzulens: Prof. emeritus Dr. Barótfi István Szent István Egyetem, Gödöllő KÖRI Épületgépészet, Létesítmény- és Környezettechnika Tanszék Gödöllő 2014
Előszó Már több éve dolgozom különböző olajcégek alkalmazásában, ahol a Föld által rejtett limitáltan rendelkezésre álló fosszilis energiahordozó állományára épülő termék előállításban vagy annak értékesítésében játszok szerepet. Minden egyes beruházás esetén nagyon egyszerű kiszámolni a pénzügyi megtérülési mutatókat, hiszen a szénhidrogén alapanyagoknak, félkész vagy végtermékeknek piaci ára van, mely a kereslet-kínálat határoz meg. Ez a korlátlan kereskedelem a korlátozott mennyiségű fosszilis energiaforrásokkal rávilágított a megújuló energia fontosságára. Létesítménymérnöki tanulmányaim során alkalmam volt szélesebb körű tudást szerezni az alternatív-megújuló energiák szerepéről. Szakdolgozatomban egy alternatív energia előállítására épített létesítmény környezetvédelmi, energetikai vizsgálatával szeretnék hozzájárulni a létesítmény hatékonyabb működéséhez.
1
Tartalomjegyzék 1.
A BIOGÁZ .............................................................................................................. 6
1.1. Biogáz története, keletkezése ............................................................................... 6 1.2. A biogáz hasznosítási formái ............................................................................. 11 1.3. Magyarország biogáz potenciálja ....................................................................... 15 1.4. Biogáz hasznosítása a centralizált és decentralizált hőellátásban ........................ 22 1.5. Egy biogáz üzem tervezésének menete............................................................... 23 1.6. Biogáz üzem életciklus elemzése ....................................................................... 34 1.7. Következtetések ................................................................................................. 38 2.
A BIOGÁZÜZEM BEMUTATÁSA ...................................................................... 40
3.
A BIOGÁZ ÜZEM ENERGETIKAI ELEMZÉSE ................................................. 47
3.1. A biogáz üzem által megtermelt energia ............................................................ 47 3.2. Az üzem hőszükséglete ...................................................................................... 50 3.3. A biogáz üzem villamos energia fogyasztása ..................................................... 63 3.4. A biogáz üzem energetikai elemzése .................................................................. 64 4.
ÜZEMELTETÉSI TAPASZTALATOK ................................................................ 67
4.1. Az előállított energia értékesítése ....................................................................... 67 4.2. Az üzem működési-ekonómiai összefüggései változó alapanyagok esetén ......... 71 4.3. Konklúzió .......................................................................................................... 73 5.
JAVASLATTÉTEL AZ ÜZEM GAZDASÁGI HATÉKONYSÁGÁNAK
JAVÍTÁSÁRA .............................................................................................................. 74 5.1. Puffer gáztároló építése...................................................................................... 74 5.2. Új/alternatív alapanyagok bevezetése ................................................................. 76 5.3. Biogáz felhasználás CNG üzemanyagként ......................................................... 78 6.
ÖSSZEFOGLALÁS............................................................................................... 79
7.
SUMMARY........................................................................................................... 80
8.
IRODALOMJEGYZÉK ......................................................................................... 81
9.
MELLÉKLETEK ................................................................................................... 83
2
BEVEZETÉS Az emberiség a 17. század végéig szinte kizárólag "megújuló energiát" használt. Eleinte egyszerűen elfogyasztotta a növények termését és ezzel valójában a Nap energiájából élt. Később, a tűz alkalmazásával, a növények által szőlőcukor, illetve cellulóz formájában raktározott napenergiát alakította "vissza" hővé. Aztán használni kezdték a szél energiáját (szélmalom, vitorlás hajó) és a vízenergiát (vízimalom). Az állatok erejének felhasználásakor is az azokkal megetetett növények által raktározott napenergiát hasznosította. Az ember fejlődése a trópusi éghajlati övből indult ki, hiszen itt energia-ellátásának biztosítása nem jelentett gondot. Ahogy a melegebb Afrika területéről más kontinensekre vándorolt, más energiáról is gondoskodnia kellett, mint a táplálék. Az ember a minimális munkavégzésre elegendő energia bevitelre törekszik a testsúlya megtartásával a környezet hőmérsékletétől függően. A létszükségleten túli munka végzéséhez ennél lényegesen több energiára van szükség, ami még több táplálék bevitelével vagy a szervezetben tárolt energia felhasználásával fedezhető. Az emberiség fejlődésének kezdeti szakaszában a felszabadítható, kiaknázható hőmennyiséget a növények által megkötött napsugárzás biztosította. Az energia hasznosításával kapcsolatban a következő két lépés a vadállatok háziasítása és a földművelés volt. Ezek már előrevetítették a nagy életformaváltást, a letelepedést, mely során az ember a vadászó, gyűjtögető életmódról a mezőgazdaságon alapuló társadalomra tért át. Noha a több tízezer évvel ezelőtti időkből is fennmaradtak viszonylag fejlett társadalmak emlékei, a mezőgazdasági termelés kialakulásához mégis az éghajlat stabilitására volt szükség [Bent Sørensen, Renewable Energy 2000]. Ez a stabilitás a legutolsó jégkorszak elmúltával köszöntött be, kb. 11.000 évvel ezelőtt. Hatására megindult az emberiség lélekszámának fokozatos növekedése, mely magával vonta az egyre nagyobb települések megjelenését is. Mindkét folyamat valójában az energiaigény növekedéséhez vezetett. Szükség volt tehát más energiaforrások hasznosítására is. Őseink az áramló levegő energiájának kiaknázási lehetőségeit is viszonylag korán felfedezték. A szél energiájának felhasználása kb. 9000 évvel ezelőtt a Földközi-tengeren történő hajózással kezdődött, ahol kb. 4000 évvel ezelőtt a kereskedelem jelentős fejlődésnek indult. A szélenergia részaránya azonban – az összes felhasznált energia hányadában – még ezekben a fejlettebb régiókban sem haladta meg a néhány százalékot. 3
Sőt a mozgási energiát hasznosító vízi- és szélmalmok sem képviseltek jelentős részesedést. Mégis kétségtelenül nélkülözhetetlen energiaforrásnak tekinthetjük mind a vízi-, mind a szélmalmokat, hiszen a gőzgép feltalálásáig a fizikai munka kiváltásának kizárólagos eszközei voltak. A fosszilis energia korszaka a szén használatával, a gőzgép alkalmazásával, a 17. század végén vette kezdetét. Az ipari forradalom révén vált az ember képessé arra, hogy saját fizikai erejét messze meghaladó munkát végezzen az újonnan felfedezett gőzgépek segítségével, gyárak létesítésével. Az energiafelhasználás még a növekvő iparosodás ellenére sem öltött akkora méreteket, mint a XX. században, amikor az olcsónak számító fosszilis tüzelőanyagok – a szén, a földgáz és a kőolaj – hasznosítása ugrásszerű növekedésnek indult. Az ipari forradalom kezdete óta eltelt évszázadok alatt az emberiség megterhelte a természeti környezetet. Ez nemcsak a népesség igen jelentős és még ma is gyorsuló növekedésének a következménye, hanem a szakadatlan technikai és civilizációs fejlesztések is módosították és módosítják ma is a természetes környezet állapotát. A környezet megterhelésében meghatározó az energiaellátás. Az energiaellátás környezetre gyakorolt hatásának egyik legfontosabb eleme az, hogy az energetika a természeti környezetből veszi erőforrásait, mindenekelőtt a kimerülő fosszilis és nukleáris energiahordozókat, valamint a megújuló energiákat is. Másik lényeges elem az, hogy az energiaellátás
során
keletkező
szilárd,
folyékony
és
gáz
halmazállapotú
szennyezőanyagok a természeti környezetbe (talajba, levegőbe, tengerekbe, stb.) kerülnek vissza, megterhelve azokat. Az emberiség energiafelhasználása az elmúlt évszázadok során jelentősen növekedett. Az energiaellátás minden igényt kielégítő biztosítása azonban napjainkban jelentős környezetterhelést eredményez. A fenntartható fejlődés érdekében mindezekből következően
alapvető
társadalmi
célkitűzésként
fogalmazódik
meg
a
primer
energiahordozók felhasználásának, valamint a környezetterhelés csökkentése. A folyamatos gazdasági növekedést, valamint a környezetünkre gyakorolt pusztító hatások mérséklését jelenlegi tudásunk szerint csupán az egy főre jutó energiafelhasználás jelentős mértékű csökkentésével és a megújuló energiaforrások egyre nagyobb arányú felhasználásával érhetjük el. Megújuló energiaforrásnak nevezzük a természeti folyamatok során folyamatosan rendelkezésre álló vagy újratermelődő energiaforrásokat: a nap-, a szél-, a vízi energiát, 4
valamint a biomasszából nyert és a geotermikus energiát. A felsoroltak közül a nap- és a szélenergia kimeríthetetlennek tekinthető, a többi pedig földrajzi adottságoktól függően áll rendelkezésre. A megújuló energiaforrások közé sorolhatnánk például a Föld erdeinek felhasználását is. Sajnos az ember helytelenül, túlzott mértékben pusztította a faállományt, nem gondoskodva annak utánpótlásáról. Így a fával való fűtés már nem sorolható szigorú értelemben véve a megújuló energiaforrások használatához. Az elmúlt évtizedekben
egyre
világosabban
körvonalazódott,
hogy
az
emberiség
környezetszennyező és energiapazarló életvitele hosszú távon a természeti erőforrások kimerüléséhez, ökológiai katasztrófához vezethet [11]. A megújuló energiaforrások, köztük a biomassza hasznosítása nem új keletű, de a technikai fejlődés a fosszilis energiahordozók alkalmazásának széles körű elterjedését eredményezte. Ebben a folyamatban az első jelentős törést az ún. energiaválság kirobbanása és az üvegházhatású gázkibocsátás. Az 1970-es évek elején kirobbant energiaválság egyik tanulsága, hogy a hagyományos, többnyire fosszilis energiahordozók korlátozottan, szűkösen állnak rendelkezésre, így felhasználásuk rendkívüli racionalitást követel. A jelen kor nagy kihívásai közé tartozik a világ minden országában, hogy miként lehet helyettesíteni a szénhidrogéneket, amelyek korlátozott mennyiségben állnak rendelkezésre. Az emberiség az élet- színvonalának növekedésével és a technológia fejlődésével egyre több energiát vesz igénybe, és egyre jobban szennyezi, pusztítja a környezetet [4]. A gazdasági növekedés ütemének fenntartása, a környezet állapotának megőrzése és a foglalkoztatás növelése miatt elengedhetetlen a megújuló energiaforrásokra való áttérés. Erre jó megoldást nyújthatnak a mezőgazdasági hulladékokat hasznosító regionális jellegű biogáz üzemek. A biogáz-hasznosítás előnye, hogy egyébként költségesen kezelendő
hulladékok
ártalmatlanítását
lehet
mezőgazdasági tápanyag képződik [5].
5
elvégezni,
miközben
energia
és
1.
A BIOGÁZ
Külföldi irodalmakban a biogáz úgy is ismert mint: mocsári gáz (swamp gas), csatornagáz (sewer gas), iszap gáz (marsh gas), nedves gáz (wet gas) illetve Indiában „gobar gas”. A biogáz szerves anyagok mikróbák által anaerob körülmények között történő lebontása során képződő gázelegy. Körülbelül 45-70% metánt (CH4), 30-55% szén-dioxidot (CO2), nitrogént
(N2),
hidrogént
(H2),
kénhidrogént
(H2S),
ammóniát
és
egyéb
maradványgázokat tartalmaz (pl.: sziloxán, metil-merkaptánt (CH3SH). 1.1. Biogáz története, keletkezése 1.1.1. A biogáz felfedezése és története Írásos emlékek találhatóak arról, hogy biogázt használtak fürdővíz melegítésére Asszíriában időszámításunk előtt a 10. században és Perzsiában a 16. században. Van Helmont a 17. században felfedezte, hogy gyúlékony gáz nyerhető bomló szerves anyagokból. Alessandro Volta 1776-ban kimondta, hogy összefüggés van a bomlásban lévő szerves anyag mennyisége és a keletkezett gáz mennyisége között. 1808-ban Sir Humphry Davy meghatározta, hogy metán tartalmú az a gáz, mely állati trágya bomlása során keletkezik. Az első biogáz fermentor 1859-ben épült Bombay-ban egy lepratelepen. Európában az első fermentor 1895-ben épült meg Angliában, Exeterben, ahol a biogázt egy szennyvízkezelő üzemben állították elő, és az utcai lámpákban használták világításra. A mikrobiológia fejlődése lehetővé tette Buswell és mások számára, hogy 1930-ban meghatározzák az anaerob baktériumokat és a körülményeket, melyek szükségesek a metánképződéshez. Ma a legelterjedtebbek a kis, egyes farmergazdaságokat ellátó biogáz reaktorok; 6-8 millió ilyen „családi méretű”, alacsony technológiai színvonalú fermentor működik világszerte. Az itt keletkező biogázt főként főzésre, világításra használják változó sikerrel. Európában igen jó eredményeket sikerült elérni az anaerob biodegradációval az ipari, városi, mezőgazdasági hulladékok kezelése területén. A rendszer egyre szélesebb körben terjedt el a II. Világháborút követően, mikor a hagyományos energiahordozók nehezen voltak hozzáférhetőek. Dánia rendelkezik a legnagyobb tapasztalattal a nagy léptékű biogáz fermentáció terén. Az országban 18 centralizált telep működik, mely annak vonzáskörzetében keletkező szerves hulladékokat dolgozza fel. Sok esetben úgynevezett 6
kofermentáció zajlik, mely azt jelenti, hogy az állati trágya ipari és kommunális szennyvízzel együtt kerül felhasználásra. Dánia a kilencvenes években komoly célokat tűzött ki maga elé, egy megállapodás született, mely eredményeként 2000-re megduplázták az ország biogáz produkcióját. A növekedés azért lehetett ilyen gyors ütemű, mert bevezették az úgynevezett „green pricing” rendszert, mely azt jelenti, hogy megújuló energiaforrásból előállított „zöld” áramot a helyi áramszolgáltató a szokásos árnál magasabb összegért veszi meg. Ipari szennyvizek kezelésére kidolgozott anaerob fermentáló rendszerek a 90-as években fejlődtek a legütemesebben. Ma világszerte több mint 1000 ilyen rendszer működik, vagy van építés alatt. Becslések vannak arra vonatkozóan, hogy Európában a teljes biogáz produkció 44%-át ipari szennyvizekből állítják elő. Észak-Amerikában a telepített anaerob fermentáló rendszerek mindössze tizennégy százaléka ilyen üzem, ott többnyire a farmergazdaságokban működő kisméretű rendszerek dominálnak. Számos példa ismert arra vonatkozóan, hogy anaerob fermentort használnak igen sokféle szerves szennyeződés (rostos anyagok, ételmaradék, hús, tej) előkezelésére, ily módon a végső kezelés költségeit jelentősen csökkenteni lehet [14]. 1.1.2. Anaerob biodegradáció Biogáz főként baktériumok aktivitása során keletkezik, habár néhány gomba illetve alacsonyabb rendű állati szervezet is részt vesz a szerves anyagok lebontásában. A mikrobák szaporodása és a biogáz képződése a természetben igen lassan megy végbe. A folyamat spontán beindul olyan területeken, ahol nagy koncentrációban, oxigénmentes környezetben van jelen nedves szerves anyag. Ezen feltételek adottak például tavak üledékében, mocsarakban, tőzeges területeken, állatok bélrendszerében. A lebontási folyamat igen bonyolult, számos baktérium törzs szimbiotikus kapcsolatán keresztül történik. Hidrolitikus baktériumok bontják a nagy molekulájú szerves vegyületeket extracelluláris enzimeikkel, mely eredményeként rövid szénláncú zsírsavak, szén-dioxid és hidrogén gáz keletkezik. A baktériumok második csoportja ezt követően a rövid szénláncú zsírsavakat alakítja át szerves savakká, többnyire ecetsavvá. A folyamat során újabb szén-dioxid és hidrogén gáz keletkezik. Végül a metanogének állítják elő a biogázt ecetsavból és hidrogénből. A biogáz metán, szén-dioxid és számos más vegyület keveréke. A biogáz képződés szempontjából igen fontos, hogy az egyes lépések számára megfelelőek legyenek a körülmények, valamint igen fontos paraméter a hidrogén termelés 7
illetve felhasználás aránya, ugyanis ez a lebontási folyamat egyik fő sebességmeghatározó komponense. Szulfátredukáló baktériumok is megtalálhatóak a rendszerben, melyek szulfátból és egyéb különböző kén vegyületekből hidrogén-szulfidot állítanak elő. A hidrogén-szulfid reakcióba lép a vas és egyéb nehézfém sókkal, azokkal oldhatatlan szulfidokat képez, mindezek ellenére állandóan megtalálható egy kevés hidrogén-szulfid a biogázban. A metanogén mikroorganizmusoknak igen sok törzse létezik, ezáltal lehetségessé válik, hogy az anaerob biodegradáció széles hőmérsékleti tartományban létrejöjjön, 15°C-tól 55°C-ig, 60-99% víztartalom esetében is. Az anaerob biodegradáció alacsony hőmérsékleten, pszikrofil körülmények között is végbemegy (25°C alatt), mindezek ellenére a hagyományos anaerob fermentorok a legtöbb esetben mezofil hőmérsékleten (30-35°C) illetve termofil hőmérsékleten (5055°C) működnek. Ezen ténynek két fő oka van: Magasabb hőmérsékleten a reakciók gyorsabban játszódnak le, ezáltal adott idő alatt nagyobb mennyiségű szerves anyag betáplálásra van lehetőség, tehát csökken a retenciós idő, végeredményben növelhető a fermentor kapacitása. A másik ok pedig az, hogy magasabb hőmérsékleten a patogén mikroorganizmusok túlélési esélye jelentősen csökken [14]. 1.1.3. Biomassza, biogáz Biomassza: biológiai eredetű szervesanyag-tömeg, egy biocönózisban vagy biomban, a szárazföldön és vízben található élő és nemrég elhalt szervezetek (növények, állatok, mikroorganizmusok) testtömege; biotechnológiai iparok termékei; és a különböző transzformálók (ember, állatok, feldolgozó iparok stb.) összes biológiai eredetű terméke, hulladéka, mellékterméke. A termelési-felhasználási láncban elfoglalt helyük alapján a biomassza lehet elsődleges, másodlagos és harmadlagos. Az elsődleges biomassza a természetes vegetáció, szántóföldi növények, erdő, rét, legelő, kertészeti növények, vízben élő növények. A másodlagos biomassza az állatvilág, gazdasági haszonállatok összessége, továbbá az állattenyésztés főtermékei, melléktermékei, hulladékai. A harmadlagos biomassza a biológiai eredetű anyagokat felhasználó iparok termékei, melléktermékei, hulladékai, emberi települések szerves eredetű szerves hulladékai. A biomassza, mint energiaforrás a következőképpen hasznosítható: 1. Közvetlenül:
8
- tüzeléssel, előkészítés nélkül, vagy előkészítés után 2. Közvetve: - kémiai átalakítás után (cseppfolyósítás, elgázosítás), folyékony üzemanyagként vagy éghető gázként - alkohollá erjesztés után üzemanyagként - növényi olajok észterezésével biodízelként - anaerob fermentálás után biogázként. A biogáz előállítása történhet elsődleges és másodlagos biomassza-forrásokból, vagyis a növényi fő- és melléktermékekből, valamint bármilyen természetes eredetű szerves anyag (szerves trágya, fekália, élelmiszer-ipari melléktermékek, hulladékok, háztartási hulladékok, kommunális szennyvizek és iszapjaik) egyaránt történhet. Termelésének alapfeltétele a szerves anyag, a levegőtől elzárt környezet, valamint metánbaktériumok jelenléte. Ilyen körülmények között a metánképződés spontán is végbemegy.
Az intenzív biogáz-termeléshez azonban állandó és kiegyenlített
hőmérséklet, folyamatos keverés, kellő mértékben aprított szerves anyag, metanogén és acidogén baktériumok egymással szimbiózisban tevékenykedő törzseik megfelelő aránya is szükségesek. Biomasszából biogázt mezofil és termofil zónában történő erjesztéssel lehet nyerni. A mezofil hőfokú rendszer jellemzői: - 25+/-5 napos átfutási idő, - 35+/-2 oC hőmérséklet, - kóros véglényekben szegény, - viszonylag egyöntetű alapanyagból, nagyobb hely- és gázfelhasználási lehetőségek esetén célszerű használni. A termofil hőfokú rendszer jellemzői: - 15+/-2 napos átfutási idő, - 56+/-2 oC hőmérséklet, - káros kórokozók fordulnak elő benne,
9
- gyors, - nagy energiaveszteséggel jár [16]. 1.1.4. Az anaerob kezelés jelentősége A levegő és vizek szennyezése a világ minden táján folyamatosan növekszik. A fő szennyező források az ipar, a mezőgazdaság, valamint a városi tevékenység. A különböző országok kormányai, ipari üzemek vezetői egyre inkább tudatában vannak ezen problémának, így támogatják olyan új technológiák kifejlesztését melyek segítségével hatékonyan és gazdaságosan lehet eltávolítani a káros anyagokat környezetünkből. Az egyik kiváló technológia, mellyel sikeresen lehet kezelni a szennyezések szerves frakcióját az anaerob kezelés. Ezen eljárás arra nem alkalmas, hogy a szennyeződések kialakulását, környezetbe kerülését megakadályozza, de annak eltávolítására kiválóan használható, lehetőséget nyújt „zöld energia” előállítására. Ily módon a környezetre káros anyag felhasználásával számunkra fontos produktum - energia - nyerhető. Az anaerob kezelés ezáltal kulcseljárás lehet a szennyezések eltávolításában, lebontásában, újrafelhasználásában, megújuló energia előállításában, egyéb technológiákkal kombinálva pedig további értékes melléktermékek nyerhetőek [14]. A nyersanyag lehet kommunális hulladék, mezőgazdasági, vagy erdőgazdasági melléktermék. Egy m3 kommunális hulladékból 60-300 m3
biogáz termelhető. A
biogázfejlesztés után visszamaradó erjesztett trágyát biotrágyának (biohumusz) nevezik, ami teljes értékű, jól kezelhető, szagtalan, kertek, parkok trágyázására jól használható anyag. A biogáz közvetlenül is felhasználható fűtésre, főzésre (a földgázhoz hasonlóan és ugyan azokkal a berendezésekkel) vagy elektromos energia termelésére, illetve járművek hajtására, robbanómotorok üzemanyagaként. A biogáz-generátorba mindenféle szerves hulladék, trágya, konyhai és élelmiszeripari hulladék, vágóhídi és kommunális szennyvíz, mezőgazdasági hulladék konvertálható biogázzá. A biogáz képződése közben a patogén szervezetek
elpusztulnak,
ami
közegészségügy
szempontból
igen
jelentős.
A
visszamaradó komposzt minden értékes ásványi anyagot megőriz, és kitűnő szerves trágyaként használható [16].
10
1.2. A biogáz hasznosítási formái a.) termikus hasznosítás - gázmelegítők - gázégők b.) komplex hasznosítás - elektromos és termikus: gázmotor/turbina generátorral és hőcserélő - mechanikus és termikus: gázmotor/gázturbina és hőcserélő c.) mechanikus hasznosítás - gázmotor - gázturbina 1.2.1. Biogáztermelés hulladéklerakón A települési hulladékokat befogadó rendezett lerakóhelyen döntően anaerob körülmények között végbement biodegradáció, amelynek eredményeképpen metánban dús biogáz keletkezik, amit a hulladékba vízszintesen vagy függőlegesen elhelyezett gázkinyerő csövek segítségével termelnek ki. A megszívott gyűjtőhálózat segítségével kitermelt biogázt tisztítást követően energetikai célra hasznosítják. Az 1. ábraán látható eljárást Magyarországon is (pl. a soproni rendezett lerakóhelyen) alkalmazzák [16]. gázkitermelő kút
gyűjtővezeték
Tisztítás
Gázmotor Gázturbina
földtakaró
hulladék 1. ábra Depóniagáz kinyerési sémája
11
1.2.2. Földgáz kiváltása Biogázzal A biogáz földgáz minőségre történő tisztítását követően keletkező biometánt be lehet táplálni a földgázhálózatba, ami Németországban és Ausztriában jelenleg még kísérletei fázisban van. A tisztított biogáz és biomasszából származó gázok földgázrendszerbe való betáplálásának törvényi akadálya itthon is elhárult a földgáztörvény 2005. évi módosításával,
a
tényleges
felhasználáshoz
azonban
további
részletszabályok
megalkotása szükséges. A biometán szélesebb körben történő elterjedését gátolja azonban, hogy a jelenlegi földgáz ár alacsonyabb a biometán termelési költségénél. Az üzemméret csökkenésével a termelési költségek növekednek, ezért főként a nagyüzemi termelésből származó biometán lehet a földgáz alternatívája. A biometán termeléshez szükséges mezőgazdasági, élelmiszeripari alapanyagok rendelkezésre állnak, megfelelő szabályozási környezet kialakításával a hazai földgázfogyasztás reálisan is legalább 1%-a kiváltható lenne. [9]. 1.2.3. Energia és anaerob fermentáció Szerves biomasszából elméletileg nyerhető biogáz hozam 5,6 ft3/pound kémiai oxigén igényre konvertálva, de a valóban nyerhető metán mennyisége nagyban függ a környezeti feltételektől. A végső biogáz hozam számos körülménytől függ, melyek közül említhetjük a felhasznált biomassza összetételét, lebonthatóságát, a fermentációban szerepet játszó mikroba populáció összetételét, a fermentációs hőmérsékletet. A fermentáció során keletkező gáz jelentősen eltérő összetétellel rendelkezik, mint a „természetes” gáz, melyet a földgáz-kutakból nyerünk. Ezen gáz számos szénhidrogén tartalmaz a metánon kívül, pl.: etán, propán, bután, így nagyobb kalorikus értékkel rendelkezik, mint a tiszta metán. A fermentációs körülményektől függően a biogáz metán tartalma 55 és 80% között változik. A maradék összetevő többnyire CO2, ezen kívül nyomokban H2S és víz található benne. A metán átlagos energia tartalma 896-1069 Btu/ft3, a természetes gázé kb. 10%-al több. A metán a legegyszerűbb szénhidrogén, kiválóan felhasználható számos területen. Alkalmazható mindazon energiatermelő rendszerekben, melyek természetes gáz alkalmaznak. Azt a tényt azonban figyelembe kell vennünk, hogy a biogáz energia tartalma csekélyebb, valamint olyan összetevőket is tartalmaz, melyet a természetes gáz nem, így a legtöbb alkalommal a rendszer kisebb módosításra szorul. Ma leggyakrabban gázmotorban égetik el a biogázt, mely eredményeként elektromos áramot állítanak elő. A 12
gyakorlati tapasztalatok azt mutatják, hogy 200kW-nál kisebb teljesítményű gázmotorok esetében a hatásfok 25% körüli, míg 600-1000kW teljesítményű motort használva a hatásfok valamelyest javul, közel 38%-ra. A biogáz gázmotorban való elégetése során azonban nem csak a termelt elektromos árammal kell számolnunk, hanem más értékes „melléktermék” is keletkezik, mely nem más, mint a gőz, illetve forró víz a hűtőrendszerből. Ha a megtermelt elektromos energiát és a keletkezett forró vizet együttesen figyelembe vesszük a rendszer hatásfoka 80%-ra javul. A biogázt épületek, mezőgazdasági létesítmények (üvegházak) fűtésére is fel lehet használni, közvetlen elégetéssel. A biogázt szintén sikeresen alkalmazzák, mint alternatív üzemanyagot személyautókban, teherautókban, buszokban egyaránt. A felhasználás előtt azonban meg kell tisztítani a benne található hidrogén-szulfidtól, szén-dioxidtól és a vízgőztől. Ezt követően már ugyan olyan módon használható, mint a sűrített természetes gáz. Ma még csak néhány ezer jármű használ biogázt üzemanyagként, azonban a természetes gázzal működtetett járművek száma már most egy millióra tehető, a prognózisok szerint a közeljövőben ezen belül a biogázt használók aránya jelentősen növekedni fog. A metánt üzemanyagként használó járművek sokkal kevésbé szennyezik környezetünket, mint a dízelolajjal működtetett járművek, ugyanis a metán elégetése során csak víz és szén-dioxid keletkezik, a szén-monoxid, nitrogén-oxid illetve nitrogén-oxid kibocsátás igen alacsony [14]. 1.2.4. A környezet és az anaerob biodegradáció Az állattartó telepek számának növekedése világszerte környezetvédelmi problémákat vet fel, ily módon szükségessé válik olyan alkalmas technológiák bevezetése, melyekkel a marha, sertés és baromfitelepeken keletkező nagy mennyiségű trágya eltávolíthatóvá válik. A potenciális szennyező faktorok a szerves nitrogén, az ammónia, a metán, és ne feledkezzünk meg a patogénekről sem. Ezen anyagok egyaránt veszélyt jelentenek a felszínen, a talajvízben, a bomlás során keletkező ammónia káros vegyület, a szaghatás igen kellemetlen lehet. Szintén gondot jelent a metán légkörbe kerülése, mivel erősen üvegházhatást fokozó gáznak tekinthető. Mindezek figyelembevételével elmondhatjuk, hogy igen fontos ezen szennyeződések eltávolítása, lebontása, tehát az ezt lehetővé tevő technológiák vonzóvá válhatnak a jövőben. Jelenleg nincsenek egységek nemzetközi irányelvek, standardok arra vonatkozóan, hogy hogyan kell az állattartó telepeken keletkező trágyát kezelni. Az Amerikai Egyesült 13
Államokban 130-szor több állati trágya keletkezik, mint amennyi az emberi tevékenység során a környezetbe kerül. Ezen problémát jól szemlélteti a következő példa: Egy átlagos méretű amerikai farmergazdaságban több szerves hulladék keletkezik, mint Los Angeles városában. A fő problémát az jelenti, hogy az állattartó telepeken a haszonállatok koncentráltan vannak elhelyezve, ezáltal a szerves szennyeződések is koncentráltan jelennek meg, nincs lehetőség arra, hogy a talaj természetes sterilizáló tevékenységét kifejtse. A szerves hulladék kis területen hatalmas mértékben felhalmozódik, lebomlására nincs elegendő idő. Ily módon nem csak a talaj, hanem a közelben található földfelszíni és föld alatti vízkészletek is szennyeződnek. Csak 1992-ben 20 esetben érte a folyókat szerves szennyeződés Minnesotában és Missouriban 1997-re a probléma súlyosbodott, ekkor már 40 esetben történt szennyeződés megölve 670.000 halat. Ezen szomorú tény egyenes következménye annak, hogy az állattartó telepek száma fokozatosan növekszik, 15 év alatt számuk az Egyesült Államokban megháromszorozódott. A telepek számának növekedésével azonban a trágya szétszórására alkalmas területek nagysága nem növekszik párhuzamosan, a meglévő területek pedig már nem képesek befogadni a megemelkedett szervesanyag terhelést. A probléma további súlyosbodásának megelőzése érdekében 1998-ban az EPA bejelentette, hogy tervek készülnek az állattartó telepek működésnek szabályozására vonatkozóan. Hasonlóan az ipari üzemek, és más környezetszennyező tevékenységek szabályozásához szigorú keretek közé kívánták szorítani az egyes telepek szervesanyag kibocsátását. Az olyan telepek működéséhez nélkülözhetetlen lesz az engedély, melyek 1000 "haszonállat egység"-nél többel rendelkeznek. (1.000 „haszonállat egység” 1.000 marhát, 2.500 sertést és 100.000 baromfit jelent) Azonban az ennél kisebb telepeknek is szükséges az engedély, melyek környezetvédelmi szempontból érzékeny helyen találhatóak. Ezzel természetesen nem szakad meg a szabályozások sora a jövőben egyre inkább szigorú keretek közé fogják szorítani az állattartást, a környezetvédelem egyre inkább előtérbe kerül. A fenti példa az Amerikai Egyesült Államokra vonatkozott, azonban természetesen más országokban, főként az Európai Unióban is napirenden van a kérdés [14].
14
1.3. Magyarország biogáz potenciálja Tanulmány készült arról, hogyan lehet meghatározni egy ország elméleti biogáz potenciálját. Az eredményeket Magyarországra alkalmazva kiderült, hogy hazánkban a biogáz-előállítás elméleti maximuma 223 PJ, ami egyenértékű 5,7 milliárd köbméter földgáz energiatartalmával. Fontos megjegyezni, hogy a 2010-ben a biomassza jellegű megújuló energiaforrások a 91,4%-át teszik ki az összes megújuló energiaforrásnak (1. táblázat). Ami sajnos nem azt jelenti, hogy ennyire sok biomassza alapú energiaforrás lenne Magyarországon, hanem hogy kevesebb van a többi megújuló energiaforrásból. Ennek oka beruházási tőkehiány vagy földrajzi adottság lehet. 1. táblázat A megújuló energiaforrások termelésének összefoglaló adatai, 2010 [5]
Mennyiség, ezer tonna olajegyenérték
Megoszlás, %
Energiaforrás
Magyarország EU-27
Magyarország EU-27
Biomassza
1 756
112 725
91,4
67,6
Vízi energia
16
31 492
0,8
18,9
Geotermikus e.
99
5 881
5,2
3,5
Szélenergia
46
12 817
2,4
7,7
Napenergia
5
3 686
0,3
2,2
Összesen
1 922
166 647
100
100
A REDUBAR EU kutatási projekt keretében az elméleti biogáz potenciálok a 2006. évre lettek meghatározva. A számítási eljárás bemenő adatait a nyilvános statisztikákban feltüntetett adatok képviselik (növénytermesztési főtermékek mennyisége, állatállomány, lakosság száma, stb.) Az egyes alapanyag típusokból előállítható biogáz mennyiségek a szakirodalmakban fellelhető 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 az 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 értékek közötti sáv jelentősen ingadozik az egyes alapanyag típusoknál. A négy fő, biogáz előállítására alkalmas biomassza alapanyag a következő csoportokba sorolt: 15
növénytermesztési fő és melléktermékek;
termokémiai kigázosítás alapanyagai;
állattenyésztési melléktermékek;
kommunális hulladékok (ide értendők a települési szilárd hulladékok, a települési szennyvíz és a szerves ipari 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 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 technikai 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 égéshője alapján került kiszámításra (37,706 MJ/m3 1013,25 mbar nyomáson és 15
0
C
hőmérsékleten). 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 fogalmazhatjuk 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 bizony eléggé távol is állhat egymástól a nagyfokú bizonytalansági tényezők miatt. Mégis, a minimum értékeket figyelembe véve számszerűsíthetők azok az arányok, melyek a hazai elméleti biogáz potenciált jellemzik. Ezt az értéket összevetve a tényleges primer energia-, illetve földgáz felhasználásunkkal bizonyos következtetések is levonhatók a további lehetőségek tekintetében [12].
16
1.3.1. A növénytermesztési fő és melléktermékekből származó potenciál 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.
Növénytermesztési főtermékként a gabonafélék, a kukorica, a cukorrépa, a napraforgó, a repce, a burgonya és a lucerna lett figyelembe véve. A növényi főtermékek és a főtermék mellett képződő melléktermékek számszerű arányaiból került meghatározásra az a melléktermék mennyiség, mely biogáz előállítására is felhasználható. Például a gabonanövényeknél gyakorlatilag közel azonos mennyiségben keletkezik melléktermék, mint főtermék. Ha ismert tehát a főtermékek mennyisége, a melléktermék becsülhető. Ismerve annak szervesanyag tartalmát, illetve az 1 tonna szervesanyagból előállítható biogáz mennyiséget (kb. 240-400 m3), a potenciál becsülhető. A fenti elvek alapján Magyarországon 2006-ban átlagosan 131 PJ-nak megfelelő energiatartalmú biogáz lett volna előállítható növényi alapon [12]. 1.3.2. Termokémiai biogáz potenciál A termokémiai úton termelhető biogáz potenciál meghatározásakor a kiindulási alapot az ehhez az eljáráshoz alkalmas alapanyagok mennyiségének becslése jelentette. Ehhez az eljáráshoz elsősorban szilárd halmazállapotú szerves anyagok vehetők számításba. Az energiahányad becslése itt más számítási elvet követelt meg. A rendelkezésre álló biomasszában képviselt energiatartalom került meghatározásra, és nem a belőle származtatott biogázé. Mivel a növénytermesztésből adódó potenciált már az előzőekben figyelembe vettük, ezért az erdészetből származó melléktermékek képezik elsősorban ezt a potenciált. Ehhez számításba kellett venni az erdőgazdaságban éves szinten kitermelt mennyiségeket, és az ezekből keletkező hulladékok mennyiségét. Alapanyagként az energetikai célra hasznosított tűzifa alapanyagot, a fűrészüzemekből származó fűrészport és a faipari hulladékokat lehet figyelembe venni. Ezek mennyisége a főtermékek mennyiségéhez is köthető. Az így előálló fa alapanyagot egy átlagos égéshővel figyelembe véve (15,5 MJ/kg) megkapható a képviselt energiamennyiség. A fenti elvek alapján, Magyarországon átlagosan 39 PJ-nak megfelelő energiatartalmat képviseltek az erdészetből és a faiparból származó melléktermékek. A számítási elv értelmében itt 17
minimum érték nem kerülhetett meghatározásra, helyesebben mondva nullának vehető [12]. 1.3.3. Állattenyésztési melléktermékekből származó potenciál Az állattartásból származó biomassza potenciál becslése a növénytermesztési termékeknél is alkalmazott számítási elvre épül. Az ország 2006-os állatállományából becsülhető az a trágyamennyiség, melyből biogáz termelés valószínűsíthető. Az állatállománynál a szarvasmarhák, a sertések, a juhok, birkák, kecskék, a lovak és a szárnyasok lettek figyelembe véve. Ismerve az adott fajta állatállományát, szakirodalom alapján meghatározható az átlagos napi, illetve éves folyékony trágya mennyiség. Az almostrágya lényegében kettébontásra került, az állati melléktermék része (folyékony állapotú) itt lett figyelembe véve, a szalmamennyiség pedig a növénytermesztési melléktermékeknél. Ismerve az alapanyag minőségét, meghatározható az 1 m3 folyékony trágyából származtatható átlagos biogáz mennyisége (kb. 4,5-6,5 m3). A számítás alapján, Magyarországon átlagosan 7 PJ energiatartalomnak megfelelő állati trágya állt rendelkezésre [12]. 1.3.4. A kommunális hulladékokból származó potenciál A kommunális hulladékoknál három alcsoport került kialakításra. A települési szennyvízmennyiségből 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. 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 általában 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 úgyis 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 arányát, melyek szennyvízrendszerrel ellátottak (komfortfokozat), ismerjük az ország lakosainak számát, a 18
lakos egyenértékre (LE) jutó napi csatornaiszap mennyiségét (0,10-0,14 kg/nap•LE) és a fajlagos biogáz kihozatalt (310-740 m3/tonna szerves szárazanyag), akkor a keletkező nyers biogáz mennyiség meghatározható. A fenti gondolatsor alapján, Magyarországon 2006-ban átlagosan 6 PJ energiatartalomnak megfelelő kommunális folyékony hulladék állt rendelkezésre. A kommunális hulladéklerakókban képződő biogáz mennyiség meghatározása a legproblematikusabb. 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, ismert 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 mutat igen jelentős növekedést. Ezzel a módszerrel a kiaknázható biogáz mennyisége a lakos-egyenértékek alapján jó közelítéssel becsülhető. Az elméleti potenciál meghatározásához csupán az ország lakosainak számára, a szemétszállítás arányára, az egy lakosra jutó éves szemétmennyiségre és a szemét átlagos szervesanyag tartalmára van szükségünk. A szervesanyag tartalom Nyugat-Európában kb. 20-25 %, míg a közép- kelet-európai országokban akár 40 % is lehet! Egy tonna lerakott szervesanyagból 240-400 m3 biogáz termelődése feltételezhető. Magyarországon a szemétszállítás aránya kb. 95 %-nak vehető a lakosság és a kommunális létesítmények körében. Egy lakos egyenértékre kb. 1,0-2,5 m3-nyi termelt szilárd hulladék jut évente. 19
Az előzőek alapján 2006-ban átlagosan 42 PJ energiatartalomnak megfelelő szilárd hulladék ált rendelkezésre Magyarországon. A harmadik csoportot az ipari szennyvíz, az élelmiszeripari hulladékok és az egyéb szervesanyag tartalmú hulladékok képezik. Pontos adatok hiányában ennek a csoportnak a potenciális energiatartalma csak nagyon felületesen becsülhető meg. A számítás abból a feltételezésből indult ki, hogy ez nem jelentősebb mennyiség, mint a lakossági szennyvíziszap 25 %-a. A napi becsült ipari szervesanyag tartalmú alapanyag mennyiségének, és szervesanyag hányadának ismeretében a biogáz kihozatal (240-400 m3/tonna sz.a.) számítható. Magyarország vonatkozásában ez átlagosan 0,5 PJ energiának feleltethető meg éves szinten. 2. táblázat Magyarország elméleti teoretikus, biogáz előállítására alkalmas biomassza potenciálja 2006-ra vonatkoztatva
A biomassza forrás típusa
átlagosan
1.
Növénytermesztési melléktermékek
131,32
PJ
2.
Erdészeti melléktermékek
39,22
PJ
(termokémiai kigázosításhoz) 3.
Állattenyésztési melléktermékek
3,72
PJ
4.
Szennyvíziszap
5,91
PJ
5.
Szerves ipari hulladékok
0,42
PJ
6.
Kommunális szilárd hulladékok
42,25
PJ
Összesen:
222,84
PJ
25 MJ/m3 felső hőértékű nyers biogázban kifejezve:
8 914
millió m3
39 MJ/m3 felső hőértékű földgáz egyenértékben kifejezve:
5 714
millió m3
Hasonlítsuk össze a kapott elméleti értékeket a magyar szakemberek által becsült hazai biomassza, illetve biogáz potenciál értékekkel! Magyarország primerenergia igénye 2006ban 1034 PJ volt a British Petrol statisztikája szerint. Ez az energiamennyiség (átlagértéket figyelembe véve) a magyar primerenergia igényeknek 21,5 %-át lenne képes fedezni (3. táblázat). A hazai éves földgázigényt alapul véve azonban ez 47,1 %-ra adódik! (4. táblázat) A 21,5 % önmagában nem tűnik túl jelentős értéknek, de ha összevetjük ezt Csehország, Németország, Görögország, Litvánia és Lengyelország adataival (a REDBUAR konzorciumban szereplő országok), szembetűnő Magyarország kiemelkedő lehetősége a biomassza, illetve biogáz alapú energiatermelés területén! A
20
táblázatban szereplő országok biogáz előállításra alkalmas biomassza potenciáljának becslése a Magyarországnál bemutatott elvek alapján történt [12]. 3. táblázat Az átlagos elméleti biogáz előállítására alkalmas biomassza potenciál aránya az egyes országok primerenergia mérlegéhez viszonyítva
Primer energia
Biomassza potenciál (átl.)
Ország
[Mtoe]
[PJ]
[PJ]
[%]
Csehország
43,5
1 821,3
171,6
9,4%
Németország
328,5
13 753,6
1 390,5
10,1%
Görögország
35,2
1 473,8
120,2
8,2%
Magyarország
24,7
1 034,1
222,8
21,5%
Litvánia
8,0
334,9
56,9
17,0%
Lengyelország
94,5
3 956,5
483,0
12,2%
Összesen:
808,9
33 867,0
4. táblázat Az átlagos elméleti biogáz potenciál aránya az egyes országok éves szintű földgáz felhasználásához viszonyítva
Földgáz felhasználás
Biogáz potenciál (átl.)
Ország
[Mtoe]
[PJ]
[PJ]
[%]
Csehország
7,6
318,2
171,6
53,9%
Németország
78,5
3 286,6
1 390,5
42,3%
Görögország
2,9
121,4
120,2
99,0%
Magyarország
11,3
473,1
222,8
47,1%
Litvánia
2,9
121,4
56,9
46,8%
Lengyelország
12,3
515,0
483,0
93,8%
Összesen:
808,9
33 867,0
1.3.5. Következtetés A számok egyértelműen mutatják, hogy a hazai biomassza potenciál kiaknázása jelentős tartalékokat rejt még magában, és az elméletileg rendelkezésre álló potenciáljaink az ország által felhasznált primer energia mérlegével összevetve előkelő helyet adnak más európai országokkal szemben. Másrészt látható az is, hogy a ténylegesen hasznosított biogáz mennyiségek jelentősen elmaradnak nem csak az ország lehetőségeitől, hanem az európai átlagtól is. A Gazdasági és Közlekedési Minisztérium által 2020-ra szorgalmazott érték még mindig nem közelíti meg eléggé a biogáz alapú, ténylegesen hasznosítható mennyiséget. Fokozott figyelemmel kell lenni tehát, az ország energiastratégiájának kialakításakor a biomasszában, illetve biogázban rejlő potenciális lehetőségeinkre. 21
1.4. Biogáz hasznosítása a centralizált és decentralizált hőellátásban Mérsékelt égövben a felhasznált hő kb. 50 %-a fűtésre, kb. 50 %-a technológiai célra fordítódik. A fűtési hő több, mint 50 %-a lakás, 15..20 %-a ipari létesítmény, a többi járművek, kommunális intézmények, egyéb gazdasági szektorok fűtésére fordítódik. A technológiai hő kb. 80 %-a az iparban, 5..8 %-a a háztartásokban (pl. főzés), a maradék egyéb területeken kerül felhasználásra. 5. táblázat A lakosság becsült hőfelhasználása 2008-ban
Típus
N [ezer db]
Tömbfűtés
160
Típus Villamos energia
N [ezer db] 60
Központi fűtés
1480
Szén
Konvektor
1010
Fűtőolaj
Gázfűtés
2650
Tűzifa
665
Távhő fűtés
650
Összes
4170
Távhő hmv
475
Nyaraló (fűtés nélkül)
Összes
140 5
230
~4400
2. ábra Magyarország hőenergia mixe 2009-ben
A biogáz hasznosításából nyert hőenergia mind a távhő-rendszerekben mind a lokális hőellátó rendszerekben jól alkalmazhatóak. Nyilván ellenérdekelt a két rendszer hiszen
22
mindkettő beruházás igényes és a rendszernek a kiszámítható igényeknek kell megfelelnie [10]. Biogáz felhasználása a centralizált hőellátásban: o Előnyök: Nem kell kiépíteni a távhővezeték rendszert. A távhő ellátás esetén a meglévő rendszerhez kell adaptálni/rácsatlakoztatni a biogáz erőmű által megtermelt hőenergiát (3. ábra). o Hátrányok: A biogáz alapanyagot oda kell szállítani az erőműhöz Biogáz hasznosítása a decentralizált hőellátásban: o Előnyök: a biogáz erőművet oda kell építeni ahol az alapanyag adott, így kisebb a szállítási költség o Hátrányok: egy bizonyos vezetékrendszert itt is ki kell építeni a fogyasztókhoz. A biogáz alapanyag pedig általában nem a lakossági fogyasztók közelében áll rendelkezésre: mezőgazdasági hulladék, szennyvíz, kommunális hulladék stb.
3. ábra Megújuló energia szerepe a távhőellátásban
1.5. Egy biogáz üzem tervezésének menete 1.5.1. Projektszemlélet Annak érdekében, hogy meghatározzuk egy konkrét biogáz-beruházás ötletét a következő kérdéseket kell megválaszolnunk: -
mi a célja az üzemnek?
-
mekkora összeg áll rendelkezésre a beruházáshoz?
-
hogyan lehet biztosítani a folyamatos és egységes alapanyag ellátást? 23
-
hová telepíthető az üzem?
1.5.2. A tervezés célja: a gazdaságos biogáz-termelés megteremtése A termelés akkor gazdaságos, ha:
a beruházás költség alacsony o beruházási támogatás áll rendelkezésre o megfelelő (alacsonyabb bekerülési költségű) technológia alkalmazása
a működési költség alacsony, ha o mezőgazdasági, élelmiszeripari stb hulladék képzi ingyen az alapanyagot jól megválasztott helyszín o alacsony karbantartási költségű technológia jól megválasztott technológia o a termelt villamos- és hőenergia és végtermék (trágya) maximálisan hasznosítható jól megválasztott helyszín o a termelt energia maximális áron hasznosítható jól megválasztott technológia / kedvező törvényi szabályozás az elektromos áram átvételi árára
A tervezés menete: 1. A helyszín kiválasztása. A
biogáz
alapanyaga
többségében
mezőgazdasági,
élelmiszeripari
vagy
kommunális eredetű lehet. Ezért ott érdemes biogázüzemet építeni, ahol az alábbi feltételekből minél több rendelkezésre áll: • legalább 1000 méter lakott területtől való távolság; • környezetvédelmi beruházás szükséges; • az alapanyag zöme, de legalább 70-80%-a helyben van; • a biogáz közvetlen hasznosítási lehetősége; • középfeszültségű vezetékre való rácsatlakozási lehetőség; • többlet melegvíz hasznosítása; • hígtrágya elhelyezéséhez elegendő szántóterület legyen az üzem mellett; • alapanyag-tároló épületek, építmények. Biogázüzem építéséhez ideális telepítési helynek számít, ha szennyvíztelephez vagy nagyméretű sertéstelephez kapcsolódik a beruházás. Nincs szükség alapanyagszállításra és tárolásra, így kisebb a működési költsége. A sertéstrágyára és 24
szennyvíziszapra épült biogáz-üzemek elsődlegesen környezetvédelmi célokat szolgálnak.
A
sertés
egyszerű
gyomrú
állat,
viszonylag
rossz
a
takarmányértékesítése, így az ürüléke viszonylag nagyobb energiaértékű, mint az egyéb trágyáké. A környezetvédelmi célból épülő biogázüzemek egységnyi beruházási költségre vetített eredményessége nem biztos, hogy rosszabb, mint az eredményérdekelt
üzemeké.
A
meglévő
üzemelési
feltételekhez
csak
a
fermentorokat és a gázrendszert kell kiépíteni, amelyek jól beilleszkednek az anyagáramlás rendszerébe, így nagyon kevés többlet energiát igényel a működtetésük. A kizárólag környezetvédelmi célból épült biogázüzemekhez nagyobb arányú vissza nem térítendő támogatást lehet szerezni, ezáltal segítheti az alaptevékenység korszerűsítését is. A biogáztelep-építés főleg a nagy sertéstelepek hígtrágya-kezeléséhez és a szennyvízüzemekhez kapcsoltan jellemzők, ezáltal stabilizálhatóak a környezeti hatások és az alaptevékenység jövedelmezősége. A nagy sertéstartó gazdaságok általában egyéb mezőgazdasági tevékenységgel is rendelkeznek, így kombinálható az alapanyag-ellátás egyéb termelésből és feldolgozásból származó teljes energiaértékű melléktermékekkel, így javítható az energiamérleg [2]. 2. Biogáz mennyiség előzetes becslése A rendelkezésre álló alapanyagok mennyiségének ismeretében egy prognózist kell készíteni a keletkező biogáz mennyiségére. Az alapanyag ismeretében a rendelkezésre álló irodalmak felhasználásával kiszámítható a gázkihozatal. 3. Termelt energia becslése A gázkihozatal ismeretében megbecsülendő a maximálisan termelhető villamos és hőenergia. 4. Bevétel becslése a villamos energia értékesítéséből Az adott ország szabályozásainak megfelelően ki lehet számolni az átvételi értéket és megbecsülni az éves bevételt. 5. Hőenergia hasznosítás becslése A keletkező hőenergiát is hasznosítani kell. Amennyiben jól választjuk meg az üzem helyszínét, akkor a közelben hőfogyasztók vannak, melyeknek eladhatjuk az energiát. Például: lakossági fűtés, szárító üzem, melegházak stb. Az is előfordulhat
25
a biogáz üzem csak egy kiegészítő beruházás, tehát például a szarvasmarha telep mellé telepítve az üzem fogja az istállók fűtését megoldani. 6. Megtérülés-számítás A tervezés legfontosabb része. A bevételeket és kiadásokat összegezni kell majd megtérülési számítást kell végezni. Amennyiben nyereségesnek ígérkezik a beruházás akkor már csak a lehetséges kockázatokat felmérni és kiszámolni, hogy azok hogyan befolyásolhatják az üzem gazdasági teljesítményét és megfogalmazni azok kezelését: -
Engedélyezési probléma késleltetve a beruházás megvalósulását
-
Nincs megfelelő üzemelő-személyzet/szaktudás
-
Nem áll rendelkezésre a tervezett mennyiségű/minőségű alapanyag
-
Drágábbra sikerül a beruházás mint terveztük
-
Változik a villamos vagy hőenergia eladási ára
Ha kockázatok kezelhetőek vagy mértékük felvállalható akkor a beruházás a tényleges technológiai/műszaki tervezés fázisába léphet. 7. A technológia kiválasztása A gyakorlatban a fermentor mérete és elrendezése alapján kétféle folyékony alapanyaggal dolgozó üzemtípus terjedt el. Mind a két típusnak van előnye és hátránya. A két típus közül mindig a rendelkezésre álló alapanyag függvényében kell választani. A vertikális (függőleges) fermentorokból álló üzemtípus elsősorban könnyen
bomló
és
homogén
alapanyagok
fermentálására
alkalmas,
pl.:
szennyvíziszap, hígtrágya. A horizontális (vízszintes) fermentorokból álló üzemtípust főleg a vegyes mezőgazdasági és egyéb alapanyagok fermentálásakor használják. Működtetése alapján mindkét üzemtípus többféle lehet. Vertikális esetén inkább a váltótartályos a jellemzőbb, míg a horizontálisnál az átfolyós rendszerű. Mindkét üzemtípusnak van előnye és hátránya. A gyártási és működtetési eljárások gyorsan változnak, mert a beruházó célja a külön-külön meglévő előnyökből minél többet tudjon felhasználni, ezáltal az üzemelési költséget csökkentse, valamint a gázminőséget javítsa. A biogázüzemtől elvárt eredmény határozza meg a takarmányozás rendszerét is. A többfajta alapanyagból álló biogázüzemekben, főleg ha állati eredetű anyagot is használunk, a tökéletes erjesztéshez fontos, hogy mezofil és termofil fermentálás is 26
legyen. A kétfajta hőmérsékleten a maradvány szerves anyagok is kierjednek, így egységnyi alapanyagból nagyobb mennyiségű biogáz keletkezik. A vegyes alapanyag tökéletesen nem homogenizálható, ezért különböző fajsúlyuk miatt lehet kiülepedés vagy felúszás, amelyet jó alapanyag-előkészítéssel minimálisra lehet csökkenteni. Ügyelni kell arra, hogy az alapanyag minél kevesebb szervetlen anyagot (homok, kavics) tartalmazzon. A magasabb szárazanyagot tartalmazó alapanyagot minél apróbb méretre kell szecskázni, és keverés előtt hosszabb ideig kell áztatni, hogy minél több nedvességet vegyen magába, így közel azonos legyen a súlya a többi alapanyag-komponensével. A legjobb növénytermesztési anyagok erjesztési szempontból a 15-20% szárazanyagot tartalmazó, zöld növényi és egyéb lédús anyagok. A magas víztartalmú anyagok csak közvetlenül a betakarításkor használhatók, mivel silózáskor nagy a csurgalék-veszteség. Jó recepturában a szénnitrogén aránya megközelíti a 20-30%-ot. Az állati eredetű anyag mennyisége a környezeti hatások és az erjedési igénye miatt nem haladhat ja meg a beadagolásra kerülő szerves anyag 30-40%-át. [2] 8. A biogáz üzem méretezése A biogázüzem kapacitását alapvetően a fermentorok össztérfogata határozza meg, de természetesen a termelt gázmennyiséget befolyásolja szubsztrát összetétele is. Magyarországon a mezőgazdaságban üzemelő biogázüzemek zöme 2 vagy 3 fermentorral üzemel, amelyeknek szubsztrát-befogadó képessége 4500-5000 m3 közötti. Egy m3 fermentor-térfogat biogáz-termelő kapacitása általában 300-400 m3/év (nagyon kedvező esetben 500 m3/év is lehet), amely napi 1,0- 1,3 m3/nap (1,6 m3/nap) gáztermelésnek felel meg fermentor térfogatra vonatkoztatva. A szubsztrát összetétele, az egyes összetevők gáztermelő képessége jelentősen befolyásolja
a
termelt
gáz
mennyiségét.
A
csak
hígtrágyával
üzemelő
fermentoroknál 1 tonna szubsztrátból legfeljebb 50-70 m3 biogáz képződik. Amennyiben a szubsztrátba silót, vagy zöldanyagot is kevernek a gázkihozatal elérheti a 150-160 m3/tonnát, a nagyobb zsír és fehérje tartalmú élelmiszeripari hulladékkal dúsítva a szubsztrátot a gázkihozatal meghaladhatja a 200 m3/t-t is. A hatékony és gazdaságos biogáz-termelés egyik fontos feltétele a korszerű technológiai
rendszerek
alkalmazása
mellett,
hogy
szubsztrát
receptúra
összeállításával 150 m3/t feletti gázkihozatal legyen elérhető. A biogáz-termelés hatékonyságát növelni lehet a beadagolt szilárd szubsztrát-alkotók kezelésével. Erre 27
extruderes kezelést vagy sejtrobbantásos eljárásokat alkalmaznak, amelyekkel az anyag molekulái és sejtjei jobban feldolgozhatóvá válnak a biogáztermelő mikroorganizmusok számára [7].
4. ábra A fontosabb biogázalapanyagok (szubsztrátok) és a belőlük nyerhető biogáz
1.5.3. Biogáztermelő berendezések A biogáz levegőtől elzárt tartályokban (fermentorokban) keletkezik. A fermentor kialakításától függően megkülönböztethetők kamrás, tartályos vagy csőfermentorokat, a szubsztrát szárazanyag-tartalmának függvényében pedig száraz (50 %), félszáraz (20 %) és nedves (10 %) biogáz technológiák. A technológiák és a fermentorok konstrukciójának összefüggésében
szakaszos
vagy
folyamatos
üzemű
berendezéseket
lehet
megkülönböztetni. A fermentorokban uralkodó hőmérséklet szerint, amely – a mikrobák életfeltételeit szabályozza – a biogáztermelés történhet mezofil (37-39 °C-os) vagy termofil (50-55 °C-os) hőmérsékleten. Az utóbbiaknál nagyobb valamivel a gáztermelés, de rendkívül érzékenyek a hőmérséklet ingadozására, míg az előzőeknek a technológia stabilitása kedvezőbb. A mezőgazdaságban szinte kivétel nélkül a folyamatos üzemű, fermentortartályos, nedves technológiák terjedtek el a világon, így Magyarországon is ezekkel lehet találkozni. Kétféle fermentor típus a gyakori. A főleg betonból készült, lapos (nagyobb átmérőjű, mint magasságú), ill. a fémből készült (kisebb átmérőjű és nagyobb magasságú), álló kivitelű, kombi fermentorokat alkalmazzák a gyakorlatban. Egy-egy biogázüzem rendszerint több fermentorból épül fel. Ezek üzemelhetnek sorba kapcsolt – fő- és utófermentorokként. Ebben az esetben a biogáztermelés a főfermentorban kezdődik és az 28
utófermentorban fejeződik be. A főfermentorból kerül át a nagyobb részt már kierjedt szubsztrát az utófermentorba. Ennél a rendszernél alkalmazható technológia, hogy az egyik fermentor mezofil, a másik termofil hőmérséklettartományban dolgozik. A sorba kapcsolt fermentorokban lassúbb, ezáltal tovább (50-60 napig) tart a gáztermelés. A párhuzamos kapcsolású fermentor elrendezésnél valamennyi fermentor főfermentorként dolgozik, napi utántöltéssel és a kierjedt szubsztrát egy részének napi leürítésével intenzívebb gáztermelés mellett. Ebben az esetben a technológia, vagy mezofil (ez az elterjedtebb) vagy termofil fázisban végzi a biogáztermelést. [7] Folyékony halmazállapotú anyagok betáplálása A folyékony fázisú alapanyagok fogadása csővezetéken vagy tartálykocsikból általában földbe süllyesztett, előtároló/előkeverő funkciójú, vasbeton tartályban történik. Ebből az előtároló/előkeverő
tartályból
rendszeres
időközökben,
egyenletesen
elosztva
szivattyúzzák be az anyagot a fermentorba. Ebben a tartályban történhet a szilárd alapanyagok elkeverése a folyékony fázissal. Az előkeverő tartály technológiai előnye az alapanyag keverék homogenizálásán túlmenően abban van, hogy már ebben a tartályban megkezdődhetnek a lebontó mikrobiológiai folyamatok. A nagy teljesítményű biogáz üzemekben túl nagy méretű előkeverő tartályra lenne szükség, ezért általában nem kerülnek alkalmazásra. Az előkeverő/előtároló tartály esetében fokozott figyelmet kell fordítani a kellemetlen szaghatás elkerülésére ill. csökkentésére, ami például biofilterek használatával oldható meg. Abban az esetben, ha a folyékony fázis (pl.: hígtrágya, csurgaléklé) nem a biogáz üzem közelében képződik, és azt szállítani kell az üzem területére, a rendszeres alapanyag betáplálás érdekében célszerű egy előtároló tartályt létesíteni [15]. Szilárd halmazállapotú anyagok betáplálása A hulladék alapanyag jellegétől függően első lépcsőben szükség lehet szétválasztásra és/vagy aprításra és/vagy hőkezelésre. A szilárd halmazállapotú anyagok beadagolása rendszeres időközönként történik, erre különféle megoldások léteznek: •bemosóakna - a szilárd halmazállapotú anyagokat egy aknán keresztül a lebontási maradékkal mossák be a fermentorba, 29
•hidraulikus betáplálás zárt csővezetéken keresztül, •speciális szállító csigarendszer, •szilárd szubsztrátum bunker. Abban az esetben, ha a szilárd alapanyagok mérete erősen változó (heterogén szubsztrátum nagyság), szükséges az alapanyag aprítása. Ezzel elérjük, hogy a fermentorba homogén, közel azonos részecskenagyságú alapanyag kerül be. Ennek előnye, hogy a lebontó baktériumok nagyobb felületen tudnak a szubsztrátumokhoz hozzáférni, ami a gáztermelés mértékét pozitív irányban befolyásolhatja. Az adagoló csigákkal ellátott berendezések a többféle alapanyagot hasznosító üzemekben segítik a szubsztrátumok elkeverését. A berendezések kialakítása lehetővé teszi az adagolás automatikus szabályzását. Ennek segítségével az üzemeltetőnek csak a nap folyamán egyszer vagy kétszer kell az előre meghatározott anyagmennyiséget a tartályba behelyeznie, a naponta többszöri anyagbevitelt a számítógép irányítja [15]. Higienizálás (pasztőrözés) Bizonyos állati eredetű hulladékok (emberi fogyasztásra alkalmatlan vágóhídi hulladék, állatok vére, lejárt szavatosságú élelmiszer, éttermi maradék/hulladék, stb.) feldolgozása esetén kötelező a higienizálás (pasztőrözés). A pasztőrözés hőmérsékletét és időtartamát a vonatkozó jogszabályok írják elő. Az 1774/2002 sz. EU rendelet és ennek megfelelően a 71/2003. (VI.27.) FVM rendelet min. 70 C° hőmérsékleten legalább 1 óra folyamatos időtartamú hőkezelést ír elő 12 mm maximális részecskenagyság mellett. A biogáz üzembe belépő állati hulladékokat kezelő higienizáló (pasztőröző) egység egy szakaszosan üzemelő, szigetelt, acéltartályból kiképzett főzőedény keverő-berendezéssel és az előírt mérőműszerekkel ellátva. A higienizáláshoz szükséges energiát a biogáz üzem blokkfűtő-erőműjében termelt hőenergiából lehet fedezni. A pasztőröző egység méretezését úgy kell megoldani, hogy az egy tételben feldolgozandó anyagmennyiséget gond nélkül képes legyen fogadni. Fontos követelmény a hőkezelés pontos dokumentálása. A higienizálás másik megoldása a biogáz üzemből kikerülő folyékony végtermék (lebontási maradék) előzőekben közölt módon történő hőkezelése. A 71/2003. (VI.27.) FVM rendelet 3 osztályba sorolja az egyes állati hulladékokat. A biogáz termelés egyik klasszikus értelemben vett legfontosabb alapanyaga, a szerves 30
trágya és hígtrágya e rendelet értelmében 2. osztályú hulladéknak számít. A trágyát a jogszabály további rendelkezéseinek értelmében azonban nem kell pasztörizálás alá vetni. A 23/2003. (XII. 29.) KvVM rendelet mellékletében felsorolt anyagok biogáz üzemben történő hasznosítása esetén a pasztörizálás kötelező. Ez azokat az üzemeket érinti, ahol szerves hulladékok kerülnek alkalmazásra [15]. Fermentorok (biogáz-reaktorok) A folyékony fázisú anyagokat szivattyú, a szilárd fázisúakat megfelelő adagoló berendezés továbbítja rendszeres időközönként a fermentorként üzemelő, általában átfolyó rendszerű, függőleges vagy vízszintes elrendezésű, hengeres vagy téglatest alakú, hőszigetelt vasbeton (vagy acél) tartályba. A fermentorok (erjesztő tartályok) kialakításával szembeni legfontosabb követelmények: •levegő kizárása, •folyadék- és gáztömör konstrukció, •szabályozható fűtés, •kéreg- és zónaképződés, kiülepedés megakadályozása (keveréssel), •szubsztrátumok biztonságos be- és kitárolása ill. áthaladása, •szükséges tartózkodási idő biztosítása. A fermentorban levegő kizárásával, lassú, szakaszos vagy folyamatos keverés mellett, általában 37 - 38 C° (u.n. "mezofil") hőmérsékleten elkezdődik ill., megvalósul a szerves anyagok lebomlása. Vannak magasabb, 54 - 55 C° hőmérséklet-tartományban (u.n. "termofil") üzemelő biogáz fermentorok is. A termofil biogázüzemek gázkihozatala lényegesen
magasabb a mezofil tartományban üzemelőkhöz viszonyítva, és a
szubsztrátumok
lebontási
ideje
rövidebb.
A
termofil
tartományban
működő
mikrobiológiai rendszer azonban igen érzékeny a hőmérséklet változásokra, ezért a termofil üzemvitel megbízható hőmérséklet szabályzást és nagy tapasztalatot igényel. Az alapanyag összetétel arányát és minőségét csak fokozatosan és körültekintően szabad változtatni. A mezofil rendszerek ezzel szemben nagyobb ingadozásokat is képesek elviselni
az
üzemvitelben,
kevésbé
érzékenyek
biztonságosabb az üzemeltetésük.
31
az
alapanyag
összetételére,
A fermentorok fűtése a tartály falára (vagy alaplapjára) erősített acél- vagy műanyag csövek segítségével oldható meg. A műanyag kivitelezés olcsóbb, hővezető képessége azonban rosszabb a drágább acél csövezéshez viszonyítva. Egyes rendszerekben külső hőcserélőn keresztül valósítják meg az üzemhőmérséklet fenntartásához szükséges hőközlést. A fermentorok hőenergia fogyasztása a betáplált alapanyagok hőmérsékletétől, a fermentor konstrukciójától és a hőszigetelés hatékonyságától függ. Vannak egylépcsős és kétlépcsős biogáz technológiák. Az egylépcsős változatban általában álló hengeres fermentorokat alkalmaznak, ezekben a lebontási folyamat egyes szakaszai azonos térben valósulnak meg. A kétlépcsős technológiai megoldások esetében első lépcsőként gyakran fekvő elrendezésű fermentorok szolgálnak. A fekvő elrendezés révén az u.n. "plug flow" vagy "Propfenstrom", "dugóáramlás" jön létre, amelynek lényege az, hogy a frissen beadagolt szubsztrátum úgy halad át a fermentoron, mint egy dugó egy csövön. A friss szubsztrátum így kevésbé keveredik a már részben erjesztett anyaggal, a higienizáló hatás is jobban érvényesül. A "plug-flow" fermentorban a lebontási folyamat egyes szakaszai jobban elkülönülnek egymástól, hatékonyabb működést eredményezve. Ezekben a viszonylag kis térfogatú fekvő elrendezésű fermentorokban hatásosabb lebontást lehet megvalósítani, így az alapanyagok átlagos szárazanyag tartalma 18-19%-ig növelhető. A keletkező biogáz általában a folyadék fázis feletti gázgyűjtő térben gyűlik össze, ahonnan folyamatosan elvezetik azt. A kétlépcsős technológiákban a fermentációs massza az első fermentorból általában az utófermentorként funkcionáló, átfolyó rendszerű, függőleges elrendezésű, hengeres, hőszigetelt, fűtőcsövekkel ellátott, mezofil (vagy termofil) hőmérsékleten üzemelő betontartály(ok)ba kerül át. Az utófermentorokban folytatódik ill., befejeződik a szubsztrátumok szerves anyagának lebomlása és a biogáz képződés [15]. Biogáz tárolás A biogáz üzemekben általában 2 - 12 órai termelésnek megfelelő térfogatú biogáz tárolókat alakítanak ki. Nagyobb mennyiségű biogáz tárolása általában nem gazdaságos, a kapcsolt áram- és hőtermelő berendezések folyamatosan működnek. Legalább 2 órányi mennyiség tárolására elegendő kapacitás létrehozása azonban mindenképpen szükséges, hiszen a biogáz képződés nem egyenletes.
32
A biogáz tárolására a gyakorlatban négy megoldást alkalmaznak: •gáztároló fóliazsák a fermentor(ok) fölötti tetőtérben elhelyezve, •gáztároló fóliazsák külön könnyű szerkezetes fémtoronyban vagy épületben elhelyezve, •fermentorok légterét hermetikusan lezáró kettős fóliakupola, •kettős, felfújható fólia tároló [15]. Biogáz tisztítás, víztelenítés A keletkező biogázt leggyakrabban a fermentorok folyadék fázisa felett kialakított gázkupolában gyűjtik össze. A fermentorokból kikerülő meleg biogáz vízgőzzel telített. A biogázban lévő vízgőz a hideg biogáz vezetékben kicsapódik. Ennek érdekében a talajban futó biogáz vezeték hossza legyen legalább 50 méter, esése pedig legalább 1%. A biogáz vezeték legmélyebb pontján fagymentes kondenzvíz leválasztót kell beépíteni. Föld felett húzódó nedves biogáz vezetékek esetében - a vízleválasztás érdekében - szükség van külön hűtésre. Ebben az esetben a gázt egy berendezésben lehűtik, aminek következtében a nedvességtartalom kicsapódik. Gyakori megoldás a biogáz biológiai kéntelenítése az álló hengeres fermentorok felett elhelyezett
gázkupolákban,
ahová
a
kénhidrogént
lebontó
aerob
baktériumok
életfeltételeinek megteremtése érdekében kis mennyiségű levegőt adagolnak. A biológiai kéntelenítés megvalósítható külön kéntelenítő toronyban is. A biogáz kéntelenítésére kémiai módszerek is alkalmazhatók. A biogáz megfelelő tisztítás és előkezelés
után felhasználható gépjárművek
üzemanyagaként vagy betáplálható a földgáz hálózatba, ha abból az előbbieken túl a széndioxidot is eltávolítjuk [15]. Gázmotoros energiatermelő blokk A gázmotoros energiatermelő blokk, olyan kiserőmű amely villamos energiát állít elő és transzformátorokon keresztül az elektromos hálózatba táplálja, illetve a gázmotoros energiablokk hőcserélő rendszere, amely visszanyeri a motor hűtőkörének és kipufogó rendszerének hulladékhőjét, amellyel fűti a fermentorokat, ill. a felesleges hőt külső fogyasztóknak adja át hasznosításra.
33
5. ábra Blokkfűtőmű működési sémája
A gázmotoros erőművek komprimált 55- 60 %-os metántartalmú és 200 ppm alá csökkentett kéntartalmú biogázzal képesek tartósan üzemelni. Minél magasabb a gáz metántartalma, annál jobb hatásfokú a mechanikai és elektromos teljesítményük. A gyakorlatban kétféle gázmotor típus terjedt el, a gyújtósugaras és gyújtógyertyás Otto motor elvét követő motor. A gyújtósugaras motorok hatásfoka 500 kW alatti teljesítményeknél kedvezőbb, míg a fölött az Otto motoros konstrukcióké jobb. A gázmotoros áramtermelő blokkerőművek általában 37-45 % közötti hatásfokkal állítják elő a villamos energiát. 1.6. Biogáz üzem életciklus elemzése A fenntartható gazdaság elérésének eszközrendszerében szerepel az életciklus-elemzés, mely egy termék, folyamat vagy szolgáltatás életútja során vizsgálja a környezeti szempontokat és a potenciális hatásokat. Egy termék életútjának nevezzük a szükséges nyersanyagbányászattól és előkészítéstől a termék gyártásán keresztül a termék használatáig és a használat után keletkező hulladék elhelyezéséig terjedő szakaszt. A környezeti hatásoknál figyelembe kell venni a források felhasználását, az emberi egészséget és az ökoszisztéma állapotát. Az életciklus-elemzés tárgya általában olyan
34
termék, folyamat vagy szolgáltatás, melynél választási lehetőségünk van az azonos funkciójú, de a környezetre eltérő mértékben ható rendszerek közt. Jelen esetben a termék maga a biogázüzem. 1.6.1. Az életciklus-elemzés fogalma, fontosabb definíciók Életciklus: (MSZ ISO 14040, 1997) „Egy termék hatásrendszerének egymás után következő, egymáshoz kapcsolódó szakaszai, a nyersanyag beszerzéstől vagy a természeti erőforrás keletkezésétől az újrahasznosításig vagy az ártalmatlanításig.” Életciklus-elemzés: (MSZ ISO 14040, 1997) „Egy termék hatásrendszeréhez tartózó bement, kimenet és a potenciális környezeti hatások összegyűjtése és értékelése annak teljes életciklusa során.” Az életciklus-elemzés segíti: o egy termék életciklusának különböző pontjain a környezeti szempont fejlesztési lehetőségeinek meghatározását, o döntéshozatalt az iparban, kormányzatban és nem-kormányzati szervezetekben, o a környezeti megjelenés fontosabb indikátorainak kiválasztását, o és a környezeti marketing tevékenységet. 1.6.2. Az életciklus-elemzés szakaszai Az Életciklus-elemzésnek magába kell foglalnia: a) a hatásterület és cél meghatározását -
Megadja az eredmény jövőbeni használatát és az eredmény felhasználói körét.
-
pontosan megfogalmazza az adott rendszer határait. A rendszer határokat olyan faktorok határozzák meg, mint a tanulmány használata, a feltételezések, kritériumok, adat és költségkorlátok és a célközönség.
-
Az életciklus-adatbázis minősége nagyban függ az elemzendő rendszer pontos leírásától. A szükséges adatok begyűjtése és feldolgozása az életciklus-elemzés lépései kezdetének és végének pontos megismerését feltételezi.
b) a leltár elemzését Az input és output adatok kvantitatív analízisét végezhetjük el ebben a szakaszban, adatgyűjtési és számítási eljárások segítségével. Ezek az adatok
35
magukba foglalják az erőforrások kiaknázását, levegőbe, vízbe, talajba való kibocsátásokat. Az értelmezések ezen adatok alapján történnek, a cél és hatásterület függvényében. A leltárelemzés ismétlődő folyamat. Ahogy egyre jobban megismerjük a rendszert, és mindig több adat áll rendelkezésre folyamatosan új követelményeket, és elvárásokat lehet megfogalmazni a rendszerrel szemben, ami esetleges módosításokat igényelhet az adatgyűjtés során.
6. ábra A leltár-elemzés alapja
c) a hatások analízisét és az eredmények értelmezését [13]. A 7. ábra egy biogáz üzem teljes életciklusa során felhasznált és keletkezett anyagok csoportosítását mutatja be.
7. ábra Egy biogáz üzem életciklusa [1]
Az üzemelési szakaszra fókuszálva az alábbi környezeti hatásokat fogalmazhatjuk meg:
36
Biogáz égetésnél szintén a CO2-ra vetített üvegházhatású gázok kibocsátása magas, 0,047kg/1MJ elektromos áram (8. ábra). Ez az égetésből és az alapanyag-fermentáció során felszabaduló metán veszteségéből adódhat. A másik kettő számottevő indikátor a savasodási-, 0,0011 kg SO2 egyenértékkel, és a mérgezőségi potenciál 0,00601 kg DCB (diklór benzol) egyenértékkel.
8. ábra A biogáz tüzelés környezeti indikátorainak értékei
Emisszió a fermentáció közben, a metán égetésekor, és a kukoricatermesztés (kukorica szilázs) közben történik. A megoszlás szerint a vágóhídi hulladék csak 10 %-a az alapanyagnak, az ebből előállított elektromos áramnak mégis a legmagasabb a környezetterhelése (9. ábra). Itt található egy fertőtlenítő folyamat is, de hatására csak 56%-ban növekszik meg a légköri emisszió. A trágya rothasztása jár a legkisebb hatással. Főbb emissziók minden esetben, de eltérő arányban az ammónia és a metán, ami nagy részben a fermentáció közben keletkezik. A szén-dioxid, a nitrogén oxidok és a por a gázmotorok kibocsátásai, valamint az elektromos energiahasználatból bekerülő externáliák [6].
37
9. ábra Az emisszió megoszlása az alrendszerek között (biogáz)
1.7. Következtetések Elsősorban a gazdasági teljesítmény csökkenése, az
energiahordozók jelentős
áremelkedése, illetve a gazdasági rendszerváltás következtében az energiafelhasználás csökkenő tendenciát mutat. Még a fosszilis energiahordozók kimerülése előtt alternatív megoldások után kell néznünk. Olyan erőforrásokra van szükség, amelyek környezeti- és fenntarthatósági szempontból is megfelelnek. Ilyenek pl. a megújuló energiaforrások, amelyek azonban jelenleg a régi technológiákkal csak támogatások mellett életképesek. A támogatást meg kellene változtatni, mivel világszerte a fosszilis fűtőanyagokra adott szubvenció sokkal jelentősebb, mint zöldenergia-források elterjesztésére szánt összeg. Az a kívánatos cél, hogy a vidéki térségek, decentralizált, kisebb kapacitású, helyi nyersanyag bázisra épülő, helyi igényeket kiszolgáló, kis szállítási igényű biomassza, illetve biogáz erőművek által – a fenntarthatósági szempontok figyelembevételével – maguk termeljék meg energiaszükségletüket. A nap, a szél és a víz energiáját is célszerű felhasználni. Több külföldi (főleg német) befektető, számolva a liberalizálódó EU-s energiapiaccal sorozatban épített volna fel biogázüzemeket Magyarországon is, azonban ezek a próbálkozások az alacsony zöldáram átvételi árak és a lassú megtérülés miatt meghiúsultak. A 2020-ig szóló az EU által is megkövetelt és számon tartott „Megújuló energia országos cselekvési tervben” Magyarországon a megújuló energiák részarányát az összes energiafelhasználáson belül a jelenlegi 7 %-ról 14,65 %-ra kell növelni. Ebben főszerepet 38
szánnak a biológiai eredetű energiahordozóknak. A tüzelési célú biomassza, valamint a bio-üzemanyagok előállításának növelése mellett, a biogázüzemi kapacitások bővítésében vannak jelentős tartalékok. A következő nyolc évben – megfelelő finanszírozási konstrukciókkal – a jelenlegi biogáz üzemek számát minimum meg lehetne (kellene) duplázni, kedvező esetben triplázni is. Ez 2020-ra 90-120 db biogázüzemet jelentene. Alapanyag oldalról még ennél is lényegesen nagyobbak a lehetőségek, ha figyelembe vesszük, hogy az összegben mintegy 200 nagyobb állattartó telep található az országban, ahol a trágya koncentráltan rendelkezésre áll. A biogáz szubsztrát dúsítására felhasználható energianövények (silókukorica, cirok, zöld kaszálék stb.) termelésének bővítéséhez is adottak a lehetőségek és az élelmiszeripari, valamint a kommunális hulladékok többsége is hasznosíthatatlan még jelenleg. Szerényen számolva is a magyarországi biogáz potenciál 300-400 MW-ra becsülhető, ez 400-500 üzemet bírna el, amelyek számos káros környezeti problémát oldanának meg, évente 3000 millió kWh villamos energiát állítanának elő és 2,1 millió tonna CO2 levegőbe kerülését akadályoznák. [7]
39
A BIOGÁZÜZEM BEMUTATÁSA
2.
A bemutatott üzem adatai titkosak így a projekt szereplőit név nélkül használom a továbbiakban. Európa egyik piacvezető biogáz technológia szállítója 2005 ősszel nyerte el egy dél-kelet magyarországi szarvasmarha farmhoz kötődő trágya és silókukorica feldolgozásával elektromos áramot és hőenergiát előállító biogázüzem építésének jogát. Az építési munkák 2011.márciusában kezdődtek. A szerződést a megrendelő egy takarmányt gyártó csoport tagja kötötte meg a technológia szállítóval. A zöld áram értékesítéséből származó árbevétel mellett a bio-gazdálkodás feltételeinek biztosítása is kiemelten fontos: a jövőben műtrágya helyett a biogáz üzemből kikerülő végtermék (szerves, fermentált trágya) kerül a farm földjeire. A dél-Alföldi mezőgazdaság ideális környezet a biogáz iparág számára. A kitűnő minőségű termőföld, a mérsékelt kontinentális klíma magas terméshozamot garantál. 2.1.1. A tervezés menete A tervezés 2005 év végén indult el. Az előfeltételek vizsgálatával kezdődött: -
a telek a megbízó tulajdonában volt
-
a telek mezőgazdasági általános használatú terület
-
a telek szilárd burkolattal ellátott úton megközelíthető volt
-
a telek közelében húzódnak a közművek: víz, gáz és elektromos vezeték.
-
a telek területe: 23198m2
A rendelkezésre álló alapanyagok mennyiségéből számítva, beruházói adatszolgáltatás alapján, történt az üzem méreteinek megválasztása: 526kW teljesítmény és 2500m3 fermentor térfogat. 2006-ban az építési engedélyt megkapta a beruházó. Ugyanebben az évben finanszírozási kérdés merült fel a beruházó oldaláról és egy időre leállították a projektet. 2008-ban kezdődő gazdasági világválság miatt továbbra sem indultak meg a munkálatok. 2010 év közepén végül a beruházó újra átgondolta a projektet és a nagyobb mennyiségű alapanyag rendelkezésre állása miatt növelni szerette volna az üzem teljesítményét. A tervező (a technológia szállítója) elvégezte a méretezési számításokat és az üzem új paraméterei a következők lettek: 637kW és 3090m3 fermentor térfogat. A beruházó kívánságára egy fertőtlenítő helyiség is helyet kapott az épületben egy esetleges későbbi olyan állati eredetű hulladékok fogadására, mely fertőtlenítést igényel. 40
Mivel a tervező a technológia szállítója, így nem volt kérdés a technológia kiválasztása és a berendezések típusa. Gyakorlatilag egy bevált rendszer adaptációja történt. Az üzem helyszínrajza az 1.sz mellékletben található. 2.1.2. A technológia bemutatása
10. ábra Technológiai folyamatábra
A technológia elején a fogadó bunker, illetve egy előtároló tartály található. A hígtrágya, illetve az egyéb folyékony halmazállapotú alapanyag zárt rendszerű tartályautóval érkezik egy fóliatetővel rendelkező előtároló tartályba. Az anyag továbbítása az előtároló / fogadó tartályba a munkagép vákuum szivattyújának segítségével történik. A tartály 500 m3 térfogatú, mely így bármilyen üzemzavar esetén minimum 25 napig képes biztosítani a folyékony szubsztrát zavartalan tárolását. A műtárgy rendelkezik a szükséges keverő berendezéssel a homogenizálás biztosítása érdekében. A fogadó tartályból az anyag csővezetéken keresztül a keverőtartályba kerül. Szintén a technológia elején foglal helyet a technológiai gépház részét képező szilárdanyag fogadó bunker, mely 80 m3 térfogatú. A bunker a szilárd alapanyagok betárolására szolgál. A technológia ezen egysége a fagyveszély elkerülése végett a gépházban került elhelyezésre. A fogadóbunker a terepszint alatt helyezkedik el, alapanyaggal történő feltöltését az üzemeltető saját erőgépeivel végzi. A műtárgy alján elhelyezett toló padozat az adagoló csigákba juttatja a bekerülő anyagot. A toló padozat biztosítja a csigák számára a folyamatos anyag utánpótlást.
41
A csigák közvetlenül a keverő tartályba juttatják a szilárd alapanyagokat. Annak megakadályozására,
hogy
a
szállítószalag toló padló túl sok anyagot szállítson
a
szállítószalaghoz
szilárdanyagegy
kapcsolót
szereltek be a túltöltés elleni védelemre. Ha a szállítórész túltöltődött, akkor a toló
11. ábra Szilárdanyag fogadó bunker
padozat
minden
meghajtása
lekapcsol. A lekapcsolt hajtóművek csak akkor indulnak el újra, amikor a töltésszint már a határérték alatt található. A kiszámított vagy előre megadott mennyiség elérésénél a töltési folyamat leáll. A bunker rozsdamentes acéllemezből készült tetővel került kialakításra, ami egy hidraulika aggregát segítségével két hidraulikus hengerrel mozgatható. A mozgatás egy kulcsos kapcsoló segítségével történik, amely az épület külső oldalán helyezkedik el. A technológia a fogadó tartályba, és a fogadó bunkerba történő adagolás után teljesen automatizált, a továbbiakban emberi beavatkozást nem igényel. A keverőtartály a komponensek homogenizálására szolgál. Minden összetevő, így a növényi alapanyagok, a trágya és az összes hulladék ide kerül. A keverő tartály rozsdamentes
acélból
készült,
6
m3
térfogatú. Mérleglábakon áll, így minden komponens
mennyiségi
arányainak
beállítása biztosított, illetve folyamatosan nyomon követhető. A tartályon keresztül a fermentorba kerülő anyagok súlya így állandóan mérve van, az adatokat pedig a rendszer
tárolja,
így
azok
bármikor
visszakövethetők. A rendszer rendelkezik kőfogó egységgel, mely biztosítja az esetlegesen bekerülő szilárd anyagok (kő, kavics, üveg, stb.) 42
12. ábra Keverőtartály
eltávolítását. A tartály belső keverővel rendelkezik. Az optimális anyag bejuttatás eléréséhez a bemenő anyagok ismeretében akár 48 keverési ciklus is beállítható naponta. Egy keverési ciklus időtartama körülbelül 20 perc. A keverék aprítását az ún. Rotacutszivattyúegység végzi a fermentorba történő juttatás előtt. Az aprítóberendezés egyben homogenizálást is végez, ezért a keverőtartály után kerül beépítésre, és a keverék továbbítását is elvégzi a fermentor felé. Az aprító berendezés a szivattyúval együtt a gépházban helyezkedik el, a keverék továbbítása zárt csőrendszeren keresztül történik a fermentorig. Az elzáró és szakaszoló berendezések pneumatikus működtetésűek, vezérlésük teljesen automatikus. A technológia következő eleme a fermentor, itt megy végbe az anaerob rothasztás folyamata. A fermentorban állandóan 36 –38 °C hőmérséklet uralkodik. A rothasztási folyamatok a tartályban élő baktérium populációk élettevékenysége során valósul meg. A rothasztó méretezésekor a naponta keletkező alapanyag mennyiségét és a tartózkodási időt vették figyelembe. A tartózkodási idő, a mezofil, 36 -38°C-os rothasztási hőmérsékletet figyelembe véve kb. 40 nap. A fermentor nettó térfogata 3090 m3.
13. ábra A fermentor
A feltöltés egy szubsztrát vezetéken keresztül történik, amely a fermentor folyadékszintje felett végződik. A töltés idővezérelten történik. A beadagolt szubsztrát mennyiségének függvényében a túlfolyó-vezetéken keresztül egy adott mennyiségű végtermék kerül átvezetésre a végtermék tárolókba. A túlfolyó vezetékben egy levegőtömlő merül kissé a 43
fermentorban lévő folyadékszint alá. Ezen a levegőtömlőn keresztül a sűrítő rendszeres időközönként levegőt fúj a túlfolyó-vezetékbe, hogy segítse a végtermék szabad átfolyását. A fermentor vasbeton tartály, ami szigeteléses és trapézlemez burkolatos kivitelben készült. A tartály méretéből adódóan és ellenállósága érdekében vas-betonból készül. A szükséges gázok visszatartására gáz-tömör, kúp alakú műanyag, könnyű szerkezetű tetőt alkalmaztak, mely a gáz összegyűjtésére és tárolására is szolgál a felhasználásig. Így nincs szükség külön gáztároló műtárgy kialakítására. A rothasztón belül szükség van a folyamatos keverés biztosítására, ezért három darab keverőmű került elhelyezésre. Az alsó harmadban működő keverőlapátok a leülepedést akadályozzák meg, a felszín közelében mozgó keverő pedig a kéreg kialakulásának megakadályozásában játszik szerepet. A kétszintű keverés által biztosított a műtárgyon belüli teljes mozgatás, ezáltal az optimális gázkihozatal. További fontos része a fermentornak a fűtés kialakítása, mely a fűtőcsövek falazatra való felfüggesztésével valósul meg. A fermentor fűtésére a gázmotorok által termelt hőt használják fel, így nem okoz többlet kiadást a műtárgy fűtése. A szubsztrátban található szerves anyagok a fermentorban anaerob körülmények között a lehető legteljesebben lebomlanak. A folyamat során biogáz fejlődik, amely túlnyomó részt metánt (50-65%) és széndioxidot (40-30%) tartalmaz. A biogáz ezen kívül tartalmaz csekély mennyiségű kénhidrogént (H2S) is, amely a biogáz hasznosítására nézve káros. Ezen oknál fogva a fermentor gázterében található egy biológiai kéntelenítő is. Egy sűrítő segítségével folyamatosan, szabályozottan kis mennyiségű levegő jut a fermentor gázterébe. A biológiai kéntelenítés során a kénhidrogént a baktériumok oxigén jelenléte mellett szulfáttá oxidálják, majd elemi kénné alakítják. Az erjesztési szubsztrát a keverőtartályban történő keveréséhez szükség van a cirkulációs aknából származó rothasztott szuszpenzióra. A
cirkulációs
fermentorba keresztül
akna
bemerülő töltődik
egy
különálló,
a
túlfolyóvezetéken fel.
A
nyomáskiegyenlítéshez a cirkulációs akna a folyadék felett egy záró szeleppel ellátott gázvisszavezető-vezetékkel van a rendszerbe kerülő folyékony alapanyagok mennyisége, illetve szabályozható a szárazanyag-tartalom. 44
14. ábra Cirkulációs akna
A technológiában következő műtárgyak a végterméktároló tartályok. A tartályok a kirothasztott végtermék tárolására szolgálnak. A fermentor túlfolyó vezetékéből gravitációs úton jut el az anyag előbb az első, majd a második tartályba. A műtárgyak előregyártott vasbeton elemekből készültek. Egy-egy tartály hasznos térfogata kb. 3.300 m3. A tartályokban 2 –2 db keverőmű található, melyek feladata a kierjedt szubsztrát időszakos homogenizálása. A tartályok ürítő csonkkal vannak kiképezve, ezen keresztül csatlakozik hozzájuk a tartálykocsi, melynek feladata a fermentlé szántóföldekre történő kiszállítása. A végtartályokat szilárdan felszerelt, megerősített szövetből készült ponyvatető fedi, így a szaghatás teljesen kizárható. A keletkező gázt elégetés előtt kezelni kell a szükséges fűtőérték eléréséhez. A gázkezelés során
a
biogázt
víztelenítik,
majd
kéntelenítik, így nem képződik a környezetre káros kén-dioxid ill. kén-trioxid. A gáz összetételét
folyamatosan
műszerekkel
figyelik és regisztrálják, a mért adatok között 15. ábra Gáz elemző műszer
szerepel a hőmérséklet, O2, CH4, H2S tartalom.
A megfigyelések alapján tudják kontrollálni a gáz paramétereit, az összetevők módosításával, a technológiai paraméterek alakításával. A tervezett gázmennyiség kb. 330 m3/h biogáz 55 %-os metántartalommal. A gázkihozatal becslésekor 89 %-os üzemelési hatásfok lett figyelembe véve. A keletkező gáz nyomásfokozókon át jut el az 1 db 637 kW teljesítményű gázmotorhoz. Ha valamilyen oknál fogva a gázmotor elromlik, a termelődő gáz elégetését egy biztonsági gázfáklya végzi, mely képes a teljes mennyiség eltüzelésére. A blokk fűtőmű tehát 637 kW teljesítményű, a motor speciálisan alacsony fűtőértékű gázok elégetésére alkalmas berendezés. A motor kenőolaj rendszere tartalmazza a frissolaj és a fáradt olaj ellátás 16. ábra Fáklya
szerelvényeit, berendezéseit és az olajtartályokat. A 45
blokk fűtőmű tartalmazza a motor vész-hűtőrendszerét és a motorvezérlést, állandó üzemre vannak beállítva, mert így a leggazdaságosabb. A motor –generátor egység által megtermelt villamos energiát váltóáramú –szinkrongenerátor biztosítja hálózattal párhuzamos üzemre kiépítve. Az elektromos elosztó többmezős kapcsolószekrény, amely az aggregátok és segédüzemi berendezések vezérlését tartalmazza, a szinkronizálás szerelvényeit és a hálózatra történő csatlakozás lehetőségét biztosítja.
17. ábra Blokk fűtőmű
A motorok hűtővize, valamint a kipufogógáz visszahűtéséből nyerhető hőenergia hasznosításra kerül. A motor hőenergiája jellemzően 90 °C / 70 °C hőfoklépcsőt biztosít. A hőenergia egész évben egyenletesen áll rendelkezésre, így a nyári hónapokban mindenképpen hőfelesleg van, amit kényszerhűtők segítségével lehet megsemmisíteni. A blokk fűtőműben a biogáz elégetése által egy generátor segítségével elektromos áram termelődik. Az égetéshez szükséges levegő kintről, a befúvó ventilátor által érkezik. Az égetési folyamat során a termelődő kipufogógázt az elvezető-vezetékek az épület falán keresztül a függőleges kipufogógáz-hangtompítóba vezetik.
46
3.
A BIOGÁZ ÜZEM ENERGETIKAI ELEMZÉSE
3.1. A biogáz üzem által megtermelt energia 3.1.1. Bevitt alapanyagok ismertetése A tervezésnél figyelembe vett alapanyag mennyiségek a következők voltak. 6. táblázat A szarvasmarha telepen évente keletkező trágya mennyisége
Anyag megnevezése
Mennyiség [t/év]
Szarvasmarha hígtrágya
SZA %
18,000
9.0
9,000
25.0
Szarvasmarha almos trágya
A beruházó a trágyán túl kukoricasilót kívánt termeszteni, azzal kiegészítve a trágyát. 7. táblázat A felhasználni kívánt kukoricasiló mennyisége
Anyag megnevezése
Mennyiség [t/év]
Kukorica siló
SZA %
5 500
32,0
Az alapanyagok gázkihozatali potenciálja: 8. táblázat Az alapanyagok gázkihozatali potenciálja – tervezői becslés
Bevitel t/év Kukorica siló Tejelő tehén hígtrágya Szarvasmarha taposott almos trágya Bevitel
Gázpotenciál
SZA
t/nap
m³/t
%
5 500
15,10
32,0
208
18 000
49,40
9,0
22
9 000
24,70
25,0
88
32 500
89,20
17,3
3.1.2. A keletkezett biogáz mennyisége és annak fűtőértéke 9. táblázat Éves biogáz-mennyiség kalkulációja
Bevitel t/év Kukorica siló Tejelő tehén hígtrágya Szarvasmarha t.a. trágya Bevitel
t/nap
SZA
Gázpotenciál
Gázmennyiség
%
m³/t
m³/év
5 500
15,10
32,0
208
1 144 000
18 000
49,40
9,0
22
396 000
9 000
24,70
25,0
88
792 000
32 500
89,20
17,3
A 9. táblázatból könnyen kiszámíthatjuk a metán elméleti arányát.
47
2 332 000
10. táblázat A keletkezett biogáz éves mennyiség metángáz tartalma
Bevitel t/év Kukorica siló Tejelő tehén hígtrágya Szarvasmarha trágya Bevitel
Gáz-
Gáz-
Metán
Metán
potenciál
mennyiség
arány
mennyiség
m³/t
m³/év
%
m³/év
5 500
208
1 144 000
55
629 200,00
18 000
22
396 000
60
237 600,00
9 000
88
792 000
60
475 200,00
2 332 000
32 500
1 342 000,00
A tervezői érték a biogáz fűtőértékére 5,4 kWh/m3 mely nagy mértékben a metán arányától függ. Ellenőrzésképpen egy másik adatforrásból leellenőriztem a megadott értéket [8] 11. táblázat Fűtőérték konvertálása (1 MJ = 0,278 kWh)
Metán (CH4)
35,8 MJ/m3
Metán (CH4)
9,9524 kWh/m3
Én ezt a 9,9524 kWh/m3 értéket magasnak találtam, mert viszonyításképpen a földgáz fűtőértéke 34-34,1 MJ/m³ (Tigáz honlap közleménye szerint) ami 9,452 kWh/m³-nek felel meg. A földgáznak 97% metán tartalma van, így a metánra eső fűtőérték sem lehet sokkal magasabb. Külföldi irodalom szerint a metán fűtőértéke 896 BTU/ft3 (British Thermal Units per cubic foot) [3]. Melyet átszámolva az alábbi lépések segítségével: 3
3
12. táblázat BTU/ft mértékegység átváltása kWh/m -re
1 ft3 =
0,0283 m3
1 BTU =
0,0002931 kWh
1 MJ =
0,278 kWh
896 BTU/ft3 =
0,2626176 kWh/ft3
0,26 kWh/ft3
9,28 kWh/m3
A tervezéshez használt biogáz fűtőértékét leellenőrizve láthatjuk (13. táblázat), hogy az egy köbméterre vonatkozó 5,4 kWh érték alátámasztható.
48
13. táblázat Tervezői biogáz fűtőérték-számítás összevetése metángáz fűtőérték-számítással
Gáz-
Energia
Metán
Metán
Energia
mennyiség
mennyiség
arány
mennyiség
mennyiség
m³/év
5,4 kWh/m³
%
m³/év
9,28 kWh/m³
esetén Kukorica siló Tejelő tehén hígtrágya Szarvasmarha trágya
esetén
1 144 000
6 177 600
55
629 200,00
5 838 834
396 000
2 138 400
60
237 600,00
2 204 874
792 000
4 276 800
60
475 200,00
4 409 749
12 592 800
1 342
12 453 457
kWh/év
000,00
kWh/év
2 332 000
3.1.3. Az elégetett biogázból nyert hő és villamos energia mennyisége A biogáz erőmű évente 2.332.000 m3 biogázt fog előállítani. Ez naponta 6389,04 m3 biogáz, óránként pedig 266,21 m3. Ha az üzem kb. 90%-os hatásfokkal szeretne menni, ami 21,6 órát jelent naponta, akkor egy olyan gázmotort kell választani ami ebből a lehető legjobb hatásfokkal állít elő elektromos áramot. Így esett a választás egy Jenbacher J 312 GS-C25 típusú BHKW modulra (Blockheizkraftwerk szó rövidítése, angolul CHP, azaz Combined Heat and Power) kogenerációs típusú gázmotorra, mely villamos és hőenergiát is termel. A blokkfűtőmű adatlapja alapján a hatásfoka a következő: 14. táblázat Blokkfűtőmű hatásfoka
Villamos hatásfok
40,1%
Termikus hatásfok
43,0%
A bevitt 12 592 800 kWh/év energia a következőképpen alakul át. Láthatjuk, hogy az összhatásfok 83,1%. 15. táblázat A blokkfűtőmű összhatásfoka a termelt energiára kivetítve
Termelt villamos energia
40,1%
5 049 712,80 kWh/év
Termelt hőenergia
43,0%
5 414 904,00 kWh/év
Veszteség
16,9%
2 128 183,20 kWh/év
49
3.2. Az üzem hőszükséglete 3.2.1. A technikai épület hőszükséglete Hagyományos szerkezetű épület, könnyűszerkezetes tetővel. Az épületben négy fő funkciójú helyiség található: a szivattyúház, fertőtlenítő helyiség, a kapcsoló-vezérlő szoba, szociális blokk és a kiserőmű helyiség. A falak blokktéglából készültek, a tető acélszerkezetű rácsos tartókra felfekvő Lindab szelemenekből áll, melyre trapézlemez tetőfedés került. Az épületben időszakosan dolgozik 1-2 fő a vezérlő szobában és az alapanyag betöltésnél. Az épület kialakítását teljes mértékben a technológia megkívánta helyszükségeltek határozták meg. Az épület alaprajza és metszete a mellékletekben találhatóak (2.sz és 3.sz melléklet). Az épület méretei: Szélesség: 11.49 m Hosszúság: 21.72 m Gerincmagasság: 6.73 m Homlokzatmagasság: 5.45 m Belmagasság: 4.5 m 16. táblázat A térelhatároló szerkezetek anyagai
Réteg
Anyag
Hőátbocsátási
Hőátbocsátási
tényező
tényező forrása
Porotherm 30 N+F Külső fal (R1) PTH TM hőszigetelő
⁄
Gyártói katalógus
⁄
Gyártói katalógus
⁄
Számított
⁄
Számított
falazó habarccsal Porotherm PTH 20 Belső fal (R2)
N+F, M3 / M10 normál falazó habarccsal Porotherm PTH 10
Belső fal (R3)
N+F, M3 / M10 normál falazó habarccsal 8cm kőzetgyapot
Födém (R5)
hőszigetelés és 2 rtg gipszkarton
50
A hőátadási tényező értékei az MSZ-04-140-2:1991 dokumentum mellékletének 8. táblázatából lettek felhasználva: 17. táblázat hőátadási tényező értékei
A
szerkezet
megnevezése
és
térbeli
[ ⁄
ill.
]
hőáramhoz viszonyított helyzete Külső fal és nyílászáró esetén
24
8
Belső fal és nyílászáró esetén
8
8
Födém esetében (felfelé hűlő), padlásfödém
12
10
A következő képletet alkalmaztam a hőátbocsátási tényezők meghatározására:
ahol: ⁄ [ ⁄
]
[ ⁄
] ⁄
dn = különböző rétegek vastagság [m] R3: -
belső felületképzés (cementes vakolat):
-
Porotherm PTH 10 N+F:
-
külső felületképzés (cementes vakolat):
-
Hőszigetelés Isover:
-
2 rtg Rigips gipszkarton:
, ⁄
,
,
R5: ⁄
, ,
Nyílászárók hőátbocsátási tényezői:
51
⁄
⁄
⁄
18. táblázat Nyílászárók hőátbocsátási tényezői gyártó adatai alapján
N1, N2 (beltéri ajtó)
Hörmann
N3 (kültéri ajtó)
⁄
Hörmann OIT acél beltéri ajtó Tűzgátló ajtó HH
⁄
30 C-1 ALUPLAST IDEAL 4000
N4, N5
⁄
típusú kemény PVC ablakok
Az épület helyiségeire vonatkozó adatokat a következő két táblázat foglalja össze: 19. táblázat Az épület 1-4 helyiségeinek alapadatai
Megnevezés
Előtér
WC
1
2
szám 2
alapterület [m ]
Kapcsoló
Fekete öltöző
helyiség 3
4
3,09
1,61
17,61
6,44
13,905
7,245
79,245
28,98
légcsereszám
0,5
2
0,5
0,5
megkívánt hőm. [C°]
16
18
20
21
2(0)
2(0)
3(1)
1(0)
1
1
1
1
17
19
21
22
térfogat[m3]
lehűlő felületek száma hőérzeti helyesb. méretezési hőm. [C°]
20. táblázat Az épület 5-8 helyiségeinek alapadatai
Megnevezés szám alapterület [m2]
Fehér
Kiserőmű
öltöző
helyiség
5
6
Fertőtlenítő 7
Anyagtovábbító helyiség 8
Tusoló 9
6
64,4
43,38
41,36
1,79
térfogat[m3]
27
289,8
195,21
301,928
8,055
légcsereszám
0,5
0,5
0,5
0,5
2
21 C°
Fűtetlen
Fűtetlen
Fűtetlen
24 C°
2(1)
Fűtetlen
Fűtetlen
Fűtetlen
2(1)
1
Fűtetlen
Fűtetlen
Fűtetlen
1
22
16
16
16
25
megkívánt hőm. lehűlő felületek száma hőérzeti helyesb. méretezési hőm. [C°]
52
A helyiségek hőszükséglet számítása során a megkívánt hőmérséklet értekei az MSZ-04140-2:1991 dokumentum mellékletének 11. táblázatából lettek felhasználva. A hőérzeti helyesbítés értékei az MSZ-04-140/3-87 dokumentum 9.1 táblázatából lettek felhasználva. Az 1-es helyiség (előtér) hőszükséglete: A helyiségnek transzmissziós és filtrációs hővesztesége van. ̇
̇
̇
̇
Transzmissziós hőveszteség
[ ⁄
]
̇
Filtrációs hőveszteség
[ ⁄
]
A következő lépésben a transzmissziós hőveszteséget fogom kiszámolni. A vonalmenti hőátbocsátási tényező értékét az MSZ-04-140-2:1991 dokumentum mellékletének 41. táblázatából lett felhasználva: ⁄ Az 1-es helyiség méretezési hőmérséklete: t1 = 17 C° A helyiség határoló-szerkezetek felületeit ki kell számolni. 21. táblázat Az 1-es helyiség határoló-szerkezeteinek a felülete
Határoló
Határoló helyiség
Nyílászáró
szerkezet
Vonalmenti
Méretezési
hőhíd
hőm.
2
Födém (R5)
A1,R5=3,09 m
Kiserőmű helyiség (6)
A1,R2=6,66 m2
A1,N1=1,89 m2
Kapcsoló helyiség (3)
A1,3= 5,445 m2
A1,N1=1,89 m2
2
te = -0,4 C° t6 = 16 C° t3 = 21 C° 2
WC (2)
A1,2= 2,475 m
A1,N2= 1,575 m
t2 = 19 C°
Fekete öltöző (4)
A1,4= 2,16 m2
A1,N1=1,89 m2
t4 = 22 C°
Fehér öltöző (5)
A1,5= 5,445 m2
A1,N1=1,89 m2
t5 = 22 C°
A transzmissziós hőveszteség számítása az alábbi képlettel: ̇
∑
(
)
∑
(
Ahol: 53
)
(
)
⁄
⁄ ]
̇
[
] (
)
(
) (
[
] (
] (
[ ) )
] (
[
] (
[
̇ A következő lépésben a filtrációs hőveszteséget fogom kiszámolni: A levegő sűrűsége adott hőmérsékleten:
A levegő fajhője:
A helyiség légcsere száma:
̇
∑
(
)
Ahol: V = a helyiség térfogata [m3]
54
) ) )
̇ (
{
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
)} ̇
Az MSZ 04-140-3:1987 szabvány szerint az épület hőtároló-képessége T<2 nap, ezért az időállandó értéke PT=1.05. Az időállandó figyelembevételével az 1-es helyiség hőszükséglete: ̇
̇
̇
Ilyen folyamat alapján kiszámítható a többi helyiség hőszükséglete is a januári történelmi átlag környezeti hőmérsékletre te = -0,4 [C°]: 22. táblázat Az összes helyiség hőszükséglete
̇
Helyiség Előtér (1)
̇
̇
-116,061
10,238
-111,627
WC (2)
-17,154
104,634
86,622
Kapcsoló helyiség (3)
902,828
527,111
1475,081
Fekete öltöző (4)
238,471
173,989
424,383
Fehér öltöző (5)
386,441
147,083
552,845
Kiserőmű helyiség (6)
n/a
n/a
fűtetlen
Fertőtlenítő (7)
n/a
n/a
fűtetlen
Anyagtovábbító helyiség (8)
n/a
n/a
fűtetlen
320,874
232,928
569,846
Tusoló (9) Összes helyiség
2997,15
Az épület hőszükséglete tehát: ̇ 3.2.2. Az épület éves hőszükséglete Az épület éves hőszükségletét a hónapok átlaghőmérsékletének figyelembevételével számítottam ki:
55
23. táblázat Az épület hőenergia fogyasztása havi bontásban
A Környezet havi
Hőszükséglet Napok
Hőfogyasztás
átlaghőmérséklete
[W]
száma
[kWh/hónap]
Január
-0,4
°C
2997,15 31
2 229,88
Február
1,5
°C
2836,03 28
1 905,82
Március
6,2
°C
2437,48 31
1 813,49
Április
11,5
°C
1988,05 30
1 431,40
Május
16,5
°C
1564,06 31
1 163,66
Június
19,7
°C
1292,71 30
930,75
Július
21,6
°C
1131,59 31
841,90
Augusztus
20,9
°C
1190,95 31
886,07
Szeptember
16,7
°C
1547,10 30
1 113,91
Október
11,2
°C
2013,49 31
1 498,04
November
5,5
°C
2496,84 30
1 797,73
December
1,5
°C
2836,03 31
2 110,01 17 722,65
Az épület hőenergia fogyasztása tehát 17 722,65 kWh/év. A hőmérséklet adatok tervezői adatszolgáltatás az elmúlt 100 év hőmérsékleti átlagaiból számítva, melyet a KSH elmúlt 3 év adataival leellenőriztem. 3.2.3. A fermentor hőszükséglete A tartálynak transzmissziós hővesztesége van, melyet pótolni kell és az újonnan betáplált anyag felfűtéséhez szükséges hőszükségletet kell biztosítani. A fermentorban folyamatosan 38-40 °C között kell tartani a hőmérsékletet. Én a számítások során 39 °C-ot vettem mértékadó hőmérsékletnek. A fermentor tartály méretei: átmérő: 26.11 m Magasság: 6.85 m A tartály alaprajza és metszete a mellékletekben megtalálhatóak (4. és 5.sz.). A tartály transzmissziós hőveszteség számítása: A térelhatároló szerkezetek anyagait a 24. táblázat tartalmazza: 56
24. táblázat A tartály térelhatároló szerkezeteinek anyagjellemzői
Réteg Tartályfal Tartálytető
Anyag
Hőátbocsátási t.
Hőátbocsátási tényező
Vasbeton elem
forrása Számított érték
⁄
hőszigeteléssel Kétrétegű fóliatető
Számított érték
⁄
A hőátadási tényező értékei az MSZ-04-140-2:1991 dokumentum mellékletének 8. táblázatából lettek felhasználva: 25. táblázat A tartálypalást és tető hőátadási tényező értékei
[ ⁄
A szerkezet megnevezése és térbeli ill.
]
hőáramhoz viszonyított helyzete Tartálypalást
30
8
Tartálytető
30
8
A következő képletet alkalmaztam a hőátbocsátási tényezők meghatározására:
Tartályfal: -
Vasbeton panel:
-
Hőszigetelés Isover Integra ZKF 1-035:
-
trapézlemez :
⁄
,
,
⁄
, ⁄
Tartálytető: -
metán és szén-dioxid elegye
-
fólia
⁄
,
A metán és szén-dioxid elegyének hővezetési tényezőjének kiszámítása: ⁄
A szén-dioxid hővezetési tényezője: ⁄
A metán hővezetési tényezője: 57
Az elegy 40% CO2 és 60% CH4 – ből áll, tehát térfogatarányosan:
Az tartályra vonatkozó adatok összefoglalva: 26. táblázat A tartály adatai
Megnevezés
Tartályfal
Tartályfal felület [m2]
Afal = 561,88
Tartálykerület [m] Tartálytető területe [m2]
Atető = 170,433
méretezési hőm. [C°]
ti = 39
A vonalmenti hőátbocsátási tényező értékét az MSZ-04-140-2:1991 dokumentum mellékletének 41. táblázatából lett felhasználva: ⁄ ̇
∑ ̇
[
(
)
(
) ] (
)
̇ Ahol a külső környezeti hőmérséklet a januári historikus átlag: te = -0,4 °C 3.2.4. A fermentorba bejuttatott alapanyag felfűtéséhez szükséges hőmennyiség A tervezési alapadatoknál említett alapanyag mennyiséget juttatjuk naponta a fermentorba: 27. táblázat Az üzem működéséhez rendelkezésre álló alapanyag éves mennyiség - tervezési alapadat
Alapanyagok
t/év
t/nap
Kukorica siló
5 500
15,10
Tejelő tehén hígtrágya
18 000
49,40
Szarvasmarha taposott almos trágya
9 000
24,70
Bevitel
32 500
89,20
Ám a fermentorba ennél több anyag kerül egy előkeverés után, hiszen a szárazanyagbevitel miatt víz és recirkulátum kerül bekeverésre az előkeverő tartályba, hogy a szubsztrátum szivattyúzható legyen egy bizonyos receptura szerint. 58
28. táblázat Az alapanyagok százalékos megoszlása az előkeverés receptúrája szerint
m (t/nap)
%
kukorica siló
15,1
8,4%
marha hígtrágya
49,4
27,6%
marha almos trágya
24,7
13,8%
recirkulátum
75
41,9%
víz
15
8,4%
179,2 t/nap Az alábbi képlettel lehet kiszámolni az alapanyag (szubsztrátum) felfűtéséhez szükséges hőszükségletet: ̇ ̇
Ahol: ̇
A tömegáram a fermentorba beadagolásra kerülő alapanyag idő alatti mennyisége:
̇
̇ A szubsztrátum fajhőjét (cSZ) nem tudjuk ezért az alkotóelemekből fogom kiszámolni az alábbiak szerint:
Eszerint a közös fajhő értékét a mennyiségek arányának megfelelően kell figyelembe venni. Az alapanyagok hőmérsékletét azonosnak vettem. Alapadatok a közös fajhő kiszámításához:
59
29. táblázat Az alapanyagok fajlagos hőkapacitása
fajlagos hőkapacitás Jelölés (c) [kJ/(kg x K] Cks 8,4% 3,27 Ch 27,6% 4,08 Cat 13,8% 3,68 Crec 41,9% Cv 8,4% 4,2 %
kukorica siló marha hígtrágya marha almos trágya recirkulátum víz
(
)
A recirkulátum fajhője megegyezik az összes többi alkotóanyag keverékének közös fajhőjével, hiszen ugyanaz az anyagösszetétele: (
c rec =
)
A hőmérsékletkülönbség számításakor az alapanyagok hőmérsékletnek a januári historikus átlag (-0,4 °C) hőmérsékletben szabadtéren tárolt anyagot vettem, mely tervezői adatközlés alapján: tSZ = 0,6 °C A recirkulátum viszont egy hőszigetelt vezetéken jut vissza a tartályból az előkeverő tartályba, tehát a recirkulátum hőmérséklete: trec = 39 °C A keverőtartályban tulajdonképpen két különböző hőmérsékletű de azonos fajhőjű anyag keveredik össze és keletkezik a végső szubsztrátum: a friss alapanyagok elegye és fermentorból visszavezetett recirkulátum. A szubsztrátum hőmérséklete a már ismert képlettel határozható meg:
Ahol a fajhők azonosak, tehát a szubsztrátum hőmérséklete az alkotók tömegének arányával számítható az alábbi adatokból: 30. táblázat Szubsztrátum alkotóinak hőmérséklete
m [kg]
t [°C]
Recirkulátum
75
39
Alapanyagok összesen
104,2
0,6
és a következő képlettel:
60
Ahol: mA [kg] = alapanyagok össztömege
tA [°C ] = alapanyagok hőmérséklete
mR [kg] = recirkulátum tömege
tR [°C ] = recirkulátum hőmérséklete
mSZ [kg] = szubsztrátum tömege
tSZ [°C ] = szubsztrátum hőmérséklete
cA = cR = cSZ = alapanyagok, recirkulátum és szubsztrátum fajhője, melyek egyenlők Ez alapján a fermentorba beadagolásra kerülő szubsztrátum hőmérséklete: °C A
ti
külső
hőmérséklet
és
tsz
hőmérsékletének
a
különbsége
hőmérsékletkülönbséget, mely a hőszükséglet számításhoz kell:
̇ 3.2.5. A fermentor össz-hőfogyasztása A fermentor össz-hőfogyasztásához szükséges hőmérséklet adatok: 31. táblázat A környezeti és alapanyag hőmérsékletek havi bontásban
Átlaghőmérséklet
Környezet Alapanyagok Szubsztrát
∆t
Január
-0,4
0,6
16,7
22,3
Február
1,5
2,5
17,8
21,2
Március
6,2
7,2
20,5
18,5
Április
11,5
12,5
23,6
15,4
Május
16,5
17,5
26,5
12,5
Június
19,7
20,7
28,4
10,6
Július
21,6
22,6
29,5
9,5
Augusztus
20,9
21,9
29,1
9,9
Szeptember
16,7
17,7
26,6
12,4
Október
11,2
12,2
23,4
15,6
November
5,5
6,5
20,1
18,9
December
1,5
2,5
17,8
21,2
61
adja
∆TSZ
A hőmérséklet adatok tervezői adatszolgáltatás az elmúlt 100 év hőmérsékleti átlagaiból számítva. Az előző pontokban taglalt adatokból és számítási módszerekkel a fermentor hőigénye a következőképpen alakul havi bontásban: 32. táblázat A fermentor hőigénye havi bontásban
Átlaghőmérséklet
Transzm.
Alapa.
Hőveszt.
felfűtés
Összes Napok Hőfogyasztás
Hónap
Környezet QTR [kW]
Január
-0,4 °C
12,638
179,92
192,56 31
143,26
Február
1,5
°C
12,03
171,02
183,05 28
123,01
Március
6,2
°C
10,52
149,00
159,52 31
118,68
Április
11,5 °C
8,82
124,17
132,99 30
95,75
Május
16,5 °C
7,22
100,74
107,95 31
80,32
Június
19,7 °C
6,19
85,74
91,93 30
66,19
Július
21,6 °C
5,58
76,84
82,42 31
61,32
Augusztus
20,9 °C
5,81
80,12
85,93 31
63,93
Szeptember
16,7 °C
7,15
99,80
106,95 30
77,01
Október
11,2 °C
8,92
125,57
134,49 31
100,06
November
5,5
°C
10,75
152,28
163,02 30
117,38
December
1,5
°C
12,03
171,02
183,05 31
136,19
QSZ [kW] [kW]
száma [MWh/hónap]
A fermentorban lévő szubsztrátum állandó 39 Celsius fokon történő tartásához évente ennyi hőenergia szükséges: 1 183 098,37 kWh. 3.2.6. A biogáz üzem éves hőigénye Az épület hőenergia fogyasztása 17 722,65 kWh/év A fermentor éves hőigénye: 1 183 098,37 kWh/év A biogáz üzem össz-hőfogyasztása: 1 200 821,02 kWh
62
3.3. A biogáz üzem villamos energia fogyasztása Az üzem villamos fogyasztóit az alábbi lista tartalmazza. Minden fogyasztó esetén megbecsültem a technológia által megkívánt üzemórákat. 33. táblázat Az üzem elektromos fogyasztói és azok napi fogyasztása
Elektromos fogyasztó neve
Napi Napi Teljesítmény Darabszám üzemóra fogyasztás [kW] [h] [kWh]
Fogadó bunker toló padozata
7,5
1
4,8
36,0
7
1
4,8
33,6
Függőleges keverő
10
1
4,8
48,0
Alapanyag fogadó keverője
5,5
1
2,0
11,0
Keverőtartály (az alapanyagok homogenizálására) keverőberendezése
22
1
12,0
264,0
Aprító-szivattyú egység
18
1
4,0
72,0
Fermentor keverői
7,5
3
12,0
270,0
Szeparátor
5,5
1
2,0
11,0
0,75
1
1,2
0,9
Keverő berendezés a végterméktartályokhoz
10
4
2,0
80,0
Végtermékszivattyú
10
1
2,0
20,0
Gázsűrítő
3,5
1
24,0
84,0
11,2
1
4,0
44,8
2
1
21,0
42,0
Kültéri világítás
0,1
12
8,0
9,6
Épületek belső fogyasztói (világítás/számítógép)
0,1
12
4,0
4,8
Szállítócsigák
Kondenzvíz szivattyú
Kényszerhűtő (1db 4 és 1db 7,2kW) Kiserőműtér ventilátor
Összesen:
1 031,70
Ezt a napi összértéket 365-tel felszorozva megkapjuk, hogy a biogáz üzem éves elektromos energia igénye: 376 570,50 kWh
63
3.4. A biogáz üzem energetikai elemzése Összegezzük egy táblázatban (34.táblázat) a bevitt alapanyagokat, azok gázkihozatalát, majd a termelt hő és villamos energiát, melyet a gázmotor-generátor hatásfokából számítunk. 34. táblázat A bevitt alapanyag és az abból nyert energia havi bontásban
Hó I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII. Össz:
AlapGázanyagTermelt kihozatal Termelt bevitel [m3] összenergia elektromos [t] energia [kWh] Összese [kWh] Összesen n 428 879,7 2 791,3 198 060,3 1 069 525,5 387 375,2 2 521,2 178 893,2 966 023,0 428 879,7 2 791,3 198 060,3 1 069 525,5 415 044,9 2 701,2 191 671,2 1 035 024,7 428 879,7 2 791,3 198 060,3 1 069 525,5 415 044,9 2 701,2 191 671,2 1 035 024,7 428 879,7 2 791,3 198 060,3 1 069 525,5 428 879,7 2 791,3 198 060,3 1 069 525,5 415 044,9 2 701,2 191 671,2 1 035 024,7 428 879,7 2 791,3 198 060,3 1 069 525,5 415 044,9 2 701,2 191 671,2 1 035 024,7 428 879,7 2 791,3 198 060,3 1 069 525,5 32 865,0 2 332 000,0 12 592 800,0 5 049 712,8
Termelt hőenergia [kWh]
Energiaveszteség [kWh]
459 896,0 180 749,8 415 389,9 163 257,9 459 896,0 180 749,8 445 060,6 174 919,2 459 896,0 180 749,8 445 060,6 174 919,2 459 896,0 180 749,8 459 896,0 180 749,8 445 060,6 174 919,2 459 896,0 180 749,8 445 060,6 174 919,2 459 896,0 180 749,8 5 414 904,0 2 128 183,2
Ha az üzem által fogyasztott energiákat is megjelenítjük, akkor végül kimutatható a hasznosítható „maradék” energia (35.táblázat).
18. ábra A termelt energia százalékos felosztása
64
35. táblázat: A termelt energia felhasználása havi bontásban
Energiaveszteség [kWh] 180 749,8 163 257,9 180 749,8 174 919,2 180 749,8 174 919,2 180 749,8 180 749,8 174 919,2 180 749,8 174 919,2 180 749,8 2 128 183,2 16,9%
Saját fogyasztás Elektromos [kWh] 31 982,7 28 887,6 31 982,7 30 951,0 31 982,7 30 951,0 31 982,7 31 982,7 30 951,0 31 982,7 30 951,0 31 982,7 376 570,5 3,0%
Hőenergia épület [kWh] 2 229,9 1 905,8 1 813,5 1 431,4 1 163,7 930,7 841,9 886,1 1 113,9 1 498,0 1 797,7 2 110,0 17 722,7 0,1%
Hőenergia tartály [kWh] 143 264,6 123 008,3 118 682,0 95 749,8 80 318,3 66 193,0 61 322,6 63 929,9 77 006,5 100 058,8 117 376,7 136 187,8 1 183 098,4 9,4%
Hasznosítható Hasznosítható elektromos hőenergia energia [kWh] [kWh] 396 897,0 358 487,6 396 897,0 384 093,9 396 897,0 384 093,9 396 897,0 396 897,0 384 093,9 396 897,0 384 093,9 396 897,0 4 673 142,3 37,1%
19. ábra Energiatérkép
Az üzem adataiból számított fajlagos teljesítménymutatók: 1 tonna alapanyagból előállított hasznosítható elektromos energia: 142,2 kWh 1 m3 biogázból előállított hasznosítható elektromos energia: 2,0 kWh 1 tonna alapanyagból előállított hasznosítható hőenergia: 128,2 kWh 1 m3 biogázból előállított hasznosítható hőenergia: 1,8 kWh 65
314 401,5 290 475,7 339 400,5 347 879,4 378 414,0 377 936,8 397 731,4 395 080,0 366 940,2 358 339,1 325 886,2 321 598,2 4 214 083,0 33,5%
3.4.1. Értékelés az energetikai elemzés alapján Jelen esetben az üzem a villamos energia eladásból befolyó bevételre támaszkodik. Az ideális biogáztelep képes a képződött biogáz és biotrágya közvetlen felhasználására. A biogáz eltüzelésével nyert energia alkalmas a biogáztelep fűtésére és a kapcsolódó létesítmények melegvíz-ellátására. Kizárólag hőenergia előállítása esetén problémát jelenthet viszont az évszakonként ingadozó kereslet, amelyet még tetéz az, hogy - főleg az alacsonyabb gépesítettségű üzemeknél- a külső hőmérséklet emelkedése (nyáron) a biogáztermelés növekedésével jár, éppen abban az időszakban, amikor eleve kisebb a hőenergia-felhasználás. A biogáz közvetlen eltüzelése tehát csak jelentős hőenergiaigényű tevékenység (baromfi tartás, fóliasátras zöldség- vagy virágtermesztés) társítása esetén javasolható. 40,1% Villamosenergia
Fermentor
Biogáz
Blokkfűtőmű 100%
43% Hőenergia
3% saját felhasználás 37,1% Hasznosítható vill.energia 33,5% Hasznosítható hőenergia 9,5% Saját felhasználás 16,9% Veszteség
20. ábra A biogázüzem energiamérlege
A biogáz üzem energiamérlege alapján elmondható, hogy a legnagyobb baj, hogy a termelt hőenergiának csak kis része kerül hasznosításra. Mind a villamos és hőenergia saját felhasználása alacsonynak, illetve átlagnak megfelelőnek mondható.
66
4.
ÜZEMELTETÉSI TAPASZTALATOK
4.1. Az előállított energia értékesítése 4.1.1. Villamos energia értékesítés Az üzemben előállított és saját felhasználás után megmaradó villamos energia éves mennyisége: 4 673 142, 3 kWh/év Kötelező átvételi rendszer A MAVIR ZRt., mint átviteli és rendszerirányítói engedélyes, a villamos energiáról szóló 2007. évi LXXXVI. törvény (továbbiakban: VET) 21. § (1) bekezdése alapján kötelező átvételi mérlegkört (a továbbiakban: KÁT mérlegkör) hozott létre és ezt 2008. január 1től működteti. A VET alapján a MAVIR ZRt., mint KÁT mérlegkör-felelős feladata az átvételi kötelezettség alá eső villamos energia befogadásával és továbbításával kapcsolatban az átvételi kötelezettség alá eső villamos energia elszámolására létrehozott mérlegkör működtetése, kiegyenlítése, valamint a 13. § (1) bekezdésében meghatározott mérlegkörfelelősök által kötelezően átveendő villamos energia mennyiségének a jogszabályi előírások szerint történő meghatározása, szétosztása és elszámolása, továbbá az átvételi kötelezettség alá eső villamos energia egy meghatározott részének szervezett villamosenergia-piacon történő értékesítése. Az átvételi kötelezettség alá eső villamos energia termelő (a továbbiakban értékesítő), amennyiben az egyéb jogszabályi feltételeknek megfelel, jogosult a KÁT mérlegkörbe csatlakozni. A KÁT mérlegkör tagok kötelesek az átvételi kötelezettség alá eső villamos energiának az átviteli rendszerirányító által történő szétosztásáról és a szétosztás során alkalmazható árak meghatározásának módjáról szóló 63/2013. (X. 29.) NFM rendelet 2. §-ban meghatározottak szerint menetrenddel, ill. zónaidőnként prognosztizálni a KÁT mérlegkört érintő havi, ill. éves termelésüket. A mérlegkör tagok termelési tény adatait a KÁT mérlegkör-felelős havi rendszerességgel publikálja, a termelési tényadatok és a benyújtott menetrendek alapján a mérlegkör-felelős meghatározza az értékesítők menetrend-eltéréseit illetve hiányát, továbbá ezek alapján szabályozási pótdíjat számláz az értékesítőknek.
67
A VET arra kötelez minden mérlegkör-felelőst, hogy az átviteli rendszerirányítóval kötött szerződés alapján, valamint a külön jogszabályban foglaltaknak megfelelően – a felhasználó(i) részére értékesített villamos energia arányában – átvegyék a külön mérlegkörben elszámolt villamos energiát. (A hálózati engedélyesek hálózati vesztesége, az egyetemes szolgáltatók egyetemes szolgáltatás keretében értékesített villamosenergiamennyisége, valamint az egyetemes szolgáltatónak nem minősülő villamosenergiakereskedő egyetemes szolgáltatásra jogosult felhasználónak a VET 13. § (2) bekezdése szerint értékesített villamosenergia-mennyisége - a VET 13. § (3)-(4) bekezdések figyelembevételével - nem számít bele az átvételi kötelezettség alá eső villamos energia szétosztási arányába.) A MAVIR ZRt., mint KÁT mérlegkör-felelős mérlegkör tagsági szerződést köt az átvételi kötelezettség alá eső villamos energia termelőivel. A KÁT mérlegkör-felelős a mérlegkör tagsági szerződés, illetve a vonatkozó jogszabályok alapján, hatósági áron vásárolja fel az értékesítők által termelt villamos energiát. Az értékesítők számára a tervezett menetrend és a megvalósult ténytermelés adatait alapul véve szabályozási pótdíjat számláz. A megvásárolt
villamos
energia
az
átvételre
kötelezett
mérlegkör-felelősöknek
meghatározott átvevői áron kerül érékesítésre. Az allokáció során a KÁT mérlegkörfelelős egy a havi menetrendnél alacsonyabb mennyiségben meghatározza az átvételre kötelezett
mérlegkör-felelősök
által
kötelezően
átveendő
energia
mennyiségét,
partnerenként figyelembe véve az egyes átvételre kötelezett mérlegkör-felelősök százalékos arányát a teljes hazai szabadpiaci (egyetemes szolgáltatáson kívüli) fogyasztásban. Az átvevői árban csökkentő tényezőként szerepel többek között a szabályozási pótdíj kirovásával beszedett összeg, a szervezett villamosenergia-piacon történő értékesítésből származó bevétel, árnövelő tényezőként szerepel viszont - többek között - a mérlegkörre vonatkozó felszabályozás költsége, a HUPX technikai költségei, és a MAVIR ZRt. e tevékenységével felmerült likviditási költség. A MAVIR ZRt.-nek a mérlegkör működtetése során sem kiadása, sem bevétele nem lehet ebből a tevékenységből. A KÁT mérlegkör-felelős a mérlegkörbe termelt értékesítők adatairól, a szervezett villamosenergia-piaci értékesítésről, illetve az allokációról a rendeletben meghatározottak szerint tájékoztatja a nyilvánosságot és a Magyar Energetikai és Közmű-szabályozási Hivatalt. A leírtak alapján a KÁT mérlegkör-felelősnek a mérlegkör működtetése során összetett, egymáshoz szervesen kapcsolódó folyamatokat szükséges kezelnie a 68
jogszabályok meghatározott keretrendszerén belül. A KÁT mérlegkör-felelős MAVIR Zrt. 2013. november 29-én nyilvános fórumon ismertette a KÁT mérlegkör új működési logikáját a partnerekkel. Átvételi időszakok A villamos energiáról szóló 2007. évi LXXXVI. törvény és a megújuló energiaforrásból vagy hulladékból nyert energiával termelt villamos energia, valamint a kapcsoltan termelt villamos energia kötelező átvételéről és átvételi áráról szóló 389/2007. (XII. 23.) Korm. rendelet (KR.) alapján az egyes napszakok (zónaidők) időtartamát munkanapokon: - a mindenkor érvényes (közép-európai) időszámítás (a továbbiakban: téli időszámítás), valamint - a külön jogszabály szerint elrendelt nyári időszámítás tartama alatt a következőképpen kell figyelembe venni: Napszak
Téli időszámítás
Nyári időszámítás
Csúcsidőszak
06:00 – 22:00
07:00 – 23:00
22:00 – 01:30 és
23:00 – 02:30 és
05:00 – 06:00
06:00 – 07:00
01:30 – 05:00
02:30 – 06:00
Völgyidőszak Mélyvölgy időszak
Nem munkanapnak számító napokon az egyes napszakok (zónaidők) időtartamát a következőképpen kell figyelembe venni: Napszak
Téli időszámítás
Nyári időszámítás
Völgyidőszak
06:00 – 01:30
07:00 – 02:30
Mélyvölgy időszak
01:30 – 06:00
02:30 – 07:00
Az egyes napszakok az ország területén - az elosztói engedélyesek működési területeiből képzett
három
területen
(csoportban)
való
elhelyezkedésüknek
megfelelően
-
csoportonként 30 perccel el vannak csúsztatva (a további két csoportéi az itt közölt első csoportéihoz képest; részletesebben ld. a KR. 3. számú mellékletében).
69
Átvételi árak A kötelező átvételű villamos energia átvételi árai (ÁFA nélkül) a megújuló energiaforrásból, illetve a hulladékból nyert energiával termelt villamos energiára vonatkozóan, HUF/kWh 2013. január 1-től Csúcs Völgy
20 MW vagy annál kisebb erőműben (kivéve: naperőmű) termelt [KR. 1. számú melléklet 2. a) pont]
35,96
32,18
2014. január 1-től
Mélyvölgy Csúcs
13,13
36,30
Völgy
Mélyvölgy
32,49
13,26
4.1.2. Bevétel számítása a villamos energia értékesítéséből A nyári és téli időszámítást 2013-ban: Téli időszámítás: 1. Január 2013 - 30. Március 2013 Nyári időszámítás: 31. Március 2013 - 26. Október 2013 Téli időszámítás: 27. Október 2013 - 31. December 2013 A munkanapok és a nem munkanapok számát időszámításonként: Munkanapok Nem munkanapok Téli időszámítás
106
50
Nyári időszámítás
145
64
Mivel a szakdolgozatban tárgyalt üzemnek nincsen puffer tárolója, így a gázmotor működését folyamatosnak veszem, nem időzítettnek ami azt jelenti, hogy a számításom során a 4 673 142,30 kWh/év éves energiatermelésből számítva óránként 389 428,53 kWh értéket kapunk. Időzónák óraszáma: Munkanapokon Napszak
Téli időszámítás
Nyári időszámítás
Csúcsidőszak
06:00 – 22:00
07:00 – 23:00
22:00 – 01:30 és
23:00 – 02:30 és
05:00 – 06:00
06:00 – 07:00
01:30 – 05:00
02:30 – 06:00
Völgyidőszak Mélyvölgy időszak
70
[h] 16 4,5 3,5
Nem munkanapokon Napszak
Téli időszámítás
Nyári időszámítás
[h]
Völgyidőszak
06:00 – 01:30
07:00 – 02:30
19,5
Mélyvölgy időszak
01:30 – 06:00
02:30 – 07:00
4,5
36. táblázat Az üzem bevétele az elektromos energia eladásából
[nap/év] Csúcs [h/év] 4016 2 142 390,35 [kWh/év] [ft/kWh] 35,96 77 042 185,59 [ft/év]
Munkanapok Nem munkanapok 251 114 Völgy Mély Völgy Mély 1129,5 878,5 2223 513 602 547,29 468 647,89 1 185 889,88 273 666,89 32,18 13,13 32,18 13,13 19 392 022,98 6 155 424,38 38 165 973,52 3 594 459,54
Az üzem bevétele az elektromos energia eladásából: Összesen: 144 350 066,01 Ft / év 4.1.3. Az üzem valóságos hatásfoka Az üzem által szolgáltatott historikus adatok: 37. táblázat Az üzem valós energiatermelése és értékesítése 2013.07. és 12.hónap időszakban
Historikus adatok: 2013. július 2013. augusztus 2013. szeptember 2013. október 2013. november 2013. december
Termelt energia [MWh/hónap]
Vásárolt energia [MWh/hónap]
Értékesített energia [MWh/hónap]
30,1 37,8 34,1 32,6 31,2 19,5
236,3 305,5 346,5 342,7 350,2 365,8
266,4 343,3 380,6 375,3 381,4 385,3
Hatékonyság 56% 73% 82% 81% 83% 87%
A hatékonyság a gázmotor 40,10% villamos hatásfokából számított tervezett 5 049 712,80 kWh/év azaz 420,81 MWh/hónap energiaértékhez képes lett számolva. 4.1.4. Az előállított hőenergia értékesítése Jelenleg a hőenergia felesleg nem kerül értékesítésre. 4.2. Az üzem működési-ekonómiai összefüggései változó alapanyagok esetén Az üzem beruházási költsége A tervezett életciklus Amortizációs költség Silókukorica előállítási / beszerzési ára Silókukorica szükséglet Silókukorica előállítási / beszerzési ára
700 000 000,00 20 35 000 000,00 6000 5 500,00 33 000 000,00 71
Ft év Ft/év Ft/t t Ft/év
Karbantartási költség Humán költség (4 alkalmazott) Operatív költségek Összesen:
3 500 000,00 5 760 000,00 7 000 000,00 84 260 000,00
Ft/év Ft/év Ft/év Ft/év
Ez a kiadási szint 144 350 066,01 Ft / év – es bevétel esetén jól jövedelmező üzletet ígér. Könnyű belátni, hogy a silókukorica ára és minősége mennyire könnyen fel tudja borítani a működési költségeket. A silókukorica árának ingadozása 6000 és 15000 Ft között jellemző kiszolgáltatva ezzel az üzemet a veszteséges termelés kockázatának: Az üzem beruházási költsége A tervezett életciklus Amortizációs költség Silókukorica előállítási / beszerzési ára Silókukorica szükséglet Silókukorica előállítási / beszerzési ára Karbantartási költség Humán költség (4 alkalmazott) Operatív költségek Összesen:
700 000 000,00 20 35 000 000,00 15 000 5 500,00 33 000 000,00 3 500 000,00 5 760 000,00 7 000 000,00 133 760 000,00
Ft év Ft/év Ft/t t Ft/év Ft/év Ft/év Ft/év Ft/év
Ez esetben már kevésbé mondható stabilnak a beruházás. A KWS Magyarország Kft. adatközlése szerint 2011-ben a kukorica gázkihozatali eredményei következők voltak:
21. ábra Kukorica gázkihozatali eredményei típusonként
72
Ebből látszik, hogy nem csak a silókukorica ára, de a minősége is nagyban befolyásolja az üzem jövedelmezőképességét és a beruházás érzékenységét. 4.3. Konklúzió A mezőgazdaságban üzemelő biogázüzemek, szinte kivétel nélkül valamilyen támogatással épültek meg (UMVP EMVA az ÁTK I. és ÁTK II. pályázatok keretében) ahol az állattartó telepek trágyakezelési technológiájának korszerűsítésével kapcsolták össze azokat. Az üzemek általában 50 %-os vissza nem térítendő támogatással épültek, ez egy-egy esetben 350-400 millió Ft-ot jelentett üzemenként. A magyarországi biogázüzemek többsége 1,0-1,2 millió Ft/kWe fajlagos költségszinten valósult meg, amely egy 700 kWe átlagos kapacitású üzem esetében technológiától függően 700-800 millió Ft-os bekerülési költséget jelentett. A vissza nem térítendő támogatás és saját erő mellett az üzemek többségénél bankhitelre is szükség volt. Az üzemek átlagában a villamos áram értékesítéséből származó árbevétel 10-12 millió Ft-ot tesz ki havonta. Ez évi 120-140 millió Ft bevételt jelent. Ezt terheli az amortizáció 15-20 évre elosztva. A legnagyobb kiadással a gázmotor karbantartása és 4-5 évenkénti felújítása jár, amelyhez társul a szivattyúk, keverő berendezések, tolózárak, szelepek karbantartásának és javításának, valamint a szubsztrát pH beállításához, ill. a kén csökkentéséhez szükséges adalékanyagok (pl. vas klorid) költsége. Rendkívül fontos, hogy a biogáz helyszínét jól válasszuk meg: 1. Az
alapanyagok
lehetőleg
ingyen
rendelkezésre
álljanak
valamilyen
gyártófolyamat hulladékaként 2. Az alapanyagok a közelben legyenek, hogy ne terhelje szállítási költség 3. A biogáz üzem, mint beruházás ne önálló beruházás legyen, hanem valamilyen tevékenységet egészítsen ki a hulladék-felhasználás vagy a keletkezett hő és villamos energia-hasznosítás által
73
JAVASLATTÉTEL AZ ÜZEM GAZDASÁGI HATÉKONYSÁGÁNAK
5.
JAVÍTÁSÁRA Az üzem gazdasági hatékonyságán több féle képen lehet javítani: a) működési költségek csökkentésével -
olcsóbb/más alapanyagok bevezetése
-
végtermék eladása
b) energiahatékonysági intézkedéssel -
puffer tároló építése a biogáz átmeneti tárolására az áramátvétel mélyvölgyeinek áthidalására
-
jobb hatásfokú blokkfűtőmű vásárlása – nagy fokú technikai fejlődés nem következett be a beruházás óta, tehát nem érné meg egy kis mértékben jobb hatásfokú fűtőmű vásárlása
c) hőenergia fogyasztó rendszerbe történő beépítése -
a szarvasmarha üzem fűtése
-
üvegház telepítése zöldség/virág termesztésre
-
faszárító üzem létesítése
-
hal-nevelde (pl.:afrikai harcsa)
-
végtermék trágyaszárító és zsákoló üzem
A következő pontokban néhány megoldást részletesebben taglalok. 5.1. Puffer gáztároló építése Ezzel a 3,5 – 4,5 órás mélyvölgyi időszak a nagyon alacsony átvételi árral áthidalható lenne. Azaz ezekben az órákban állna a motor, a tárolt (pufferelt) gázt pedig a magasabb tarifát fizető időszakban lehetne elégetni. A projekt tervezési, előkészítési időszakában egyébként még azért nem merült fel komolyabban ez az ötlet, mert akkor még az ún. METÁR rendszer bevezetésében gondolkodott az állam és ezzel együtt a csúcs-völgy-mélyvölgy felosztás valamilyen formába történő megszűnésében. Ez a METÁR a KÁT-rendszert váltotta volna fel, viszont a mai napig nem történt meg a bevezetése. Nem feltétlenül volna muszáj egy külön puffer tartályt építeni, hanem a fermentoron is ki lehet alakítani nagyobb gáztároló volumenű kupolát. 74
Erre van technológia, egy ún. levegőtámasztásos tető, ami így néz ki:
22. ábra Levegőtámasztásos tető rajza – Forrás: H.J. Wiefferink B.V.
Egy ilyen tető a fermentoron elegendő volna kb. 1450 m3 gáz tárolására (szemben a mostani kb. 600 – 700 m3 mennyiséggel), azaz ezzel már áthidalható volna a szükséges 3 – 4 óra. Viszont a jelenlegi tető leszerelése, és egy ilyen új felszerelése olyan költséget (90.000 EUR = 27.000.000 HUF) jelentene, ami csak
23. ábra Levegőtámasztásos tető
nagyon sokára, hosszú évek alatt térülne meg. További előnyt jelentene, ha ezt a tetőt az egyik végtermék tárolóra telepítenénk. Ugyanis a végtermékben nem áll le a metánképződés csak lelassul. Egy gáztömör tároló tetővel kb. 8%-os biogáz kapacitás növekedést érnénk el.
75
5.2. Új/alternatív alapanyagok bevezetése 5.2.1. Tyúktrágya mint fermentációs alapanyag bevezetése Az adatot az AGROWATT biogáz kutató központ szolgáltatta Vizsgált anyag: Tojó trágya Származási hely: Tojótelep, Kunszállás Fizikai állag, halmazállapot: szilárd, darabos Laborvizsgálat, előminősítés eredményei Szárazanyag tartalom: 31,5 % Szerves szárazanyag tartalom: 69,2 % Elméleti gázkihozatal: 543 l/kg szerves szárazanyag 375 l/kg szárazanyag 115 l/kg teljes anyag Elméleti metánpotenciál: 59,6 % Gátlóanyag teszt: negatív minden tartományban Értékelés: A laboreredmény alapján az anyag alkalmas biogáz üzemben történő felhasználásra. Az eredmények alapján a kutatási fázis végére összeállt egy optimális arányú receptúra: 22 – 24 % tyúktrágya, 34 – 36 % víz 40 – 42 % siló (zöldanyag). Megbízható-állandó alapanyag forrás esetén az üzem átállhatna tyúktrágya bevitelre is. 5.2.2. Szerves hulladék alapanyag bevezetése A szakdolgozat tárgyát képző biogáz üzem közvetlen szomszédságában található egy hulladéklerakó telep, ahol depóniagáz hasznosítás történik, de a hulladékot magát nem hasznosítják. Cél: A rothasztó tornyok szervesanyag terhelésének növelése a biogáz képződés növelésére szerves hulladék hozzáadásával. Példaértékű beruházás történt a Zalavíz ZRt.-nél 2013-ban.
76
24. ábra Fogadott hulladék mennyiségének alakulása
Rothasztó tornyok biogáz képzése 2012 és 2013-ban jól mutatja, hogy 2013-ban növekedés volt tapasztalható.
25. ábra Rothasztó tornyok biogáz képzése 2012 és 2013
77
5.3. Biogáz felhasználás CNG üzemanyagként Amennyiben együttműködés jönne létre a szomszédos hulladékteleppel és válogatott hulladékot kapna az üzem, akkor olyan megállapodást is köthetne a két cég, hogy a szemeteskocsikat vagy egyéb flotta autókat CNG hajtásúra cserélnék. Az ehhez szükséges beruházás:
Biogáz tisztító
BioCNG előállító és töltő
CNG hajtású gépjárművek
A beruházást jól példázza a Zalavíz ZRt.-nél működő biogáz alapú CNG üzemanyag töltőállomás.
26. ábra Biogáz tisztító típusa
27. ábra Biogáz tisztítás folyamata
78
6.
ÖSSZEFOGLALÁS A dolgozatban egy biogázüzem energetikai elemzésén keresztül vizsgáltam meg
annak mezőgazdasági, környezetvédelmi, gazdasági, technológiai aspektusait. Az elemzéshez szükséges módon ismertettem a biogáz tulajdonságait, hasznosítási formáit és előállításának kémiai folyamatát szolgáló technológiai hátterét. Ezzel pozícionáltam a biogázerőmű helyét a villamos és hőenergetikai rendszerben. Rávilágítottam, hogy a biogáz hasznosításának megvan a helye Magyarország elektromos és hőenergia előállításában. A szakirodalmi feldolgozás alapján hazánk biogázpotenciálját kiemelkedőnek jelenthetjük ki a környező országokhoz képest. Fontos tény, hogy a növénytermesztésből származik a legnagyobb potenciál, nem pedig az állattenyésztésből. Mégis szükség van az állattartó telepekre épülő biogáz üzemekre, mert ezek az üzemek a hulladékhasznosításon keresztül környezetvédelmi célokat szolgálnak. Az életciklus-elemzéssel az üzem környezetterhelés-csökkentő jelentőségét mutattam be, mely miatt a fosszilis energiahordozókra épülő energiatermelés visszaszorításában tölt be fontos szerepet. Elemeztem az üzemet, mint egy beruházási projektet és levontam a legfontosabb következtetéseket, hogy mire kell figyelni a tervezés során, hogy a lehető leghatékonyabban működjön és elérje leghasznosabb célját: az energiatermelést hulladékfeldolgozáson keresztül csökkentve a környezeti terheléseket. A dolgozatban elemzett biogázüzem energiamérlegét elkészítve és kiértékelve egyértelműen rámutattam, hogy a biogázzal működő erőművek kulcskérdése a termelt hőenergia hasznosítása, mely párhuzamosan termelődik a villamos energia előállítás során. A legfontosabb konklúzió az, hogy az ilyen üzemek akkor a leggazdaságosabbak, ha nem önálló egységként üzemelnek, hanem valamilyen agrár-, ipari- vagy kommunális tevékenység kiegészítő része. Létrehozása előtt rendkívül fontos az előzetes energiakalkuláció, melyre alapozva kell körültekintően megválasztani a helyszínt, az üzem kapacitását, a technológiát és a beruházáshoz kapcsolódó energiahasznosítási részegységeket, melyre javaslatokat is tettem.
79
7.
SUMMARY
In this dissertation with the help of energetical analysis of a biogas plant i examined its agricultural, environmental protection, economical and technological aspects. For the sake of analysis I presented the features, the ways of utilization of biogas and the chemical process based technological background of production. Thus i positioned the biogas plant in the electrical and heatpower system. I showed the need of biogas production in Hungary both in electrical and heat power generation. Based on the literature survey we can state that our country has an outstanding biogas potential among the surrounding countries. Important fact is that the biggest part of the potential is deriving from the crop production not from livestock breeding. Though there is a need for biogas plants joined to livestock breeding farms because they serve environmental protection aims due to waste utilization. Through the life cycle assessment (LCA) I presented the importance of biogas plant having capability to reduce the impact (carbon footprint) on the environment thus it has a notable position to lower the usage of fossil based energy generation. I analyzed the plant as an investment project and drew the most important conclusions what to consider carefully during designing and planning in order the plant work the most efficient reaching its goal: energy production by utilizing the waste and reducing the impact on the environment. I prepared and evaluated the energy-balance of the biogas plant analyzed in the dissertation and clearly pointed out that the keyquestion of every biogas power plant is how to utilize the produced heat which is generated with the electrical power in parallel. The most important conclusion is that such plants are the most economically efficient if they are not single units but as a supplementary co-investment of an agricultural, industrial or communal sewage plant or waste depo. Before any investment it is important to perform a preliminary energetical calculation on which the careful location selection must be based and the capacity and technology of the plant as well. Also at this stage the connecting energy-utilizing units must be defined and I proposed some solutions.
80
8.
IRODALOMJEGYZÉK
[1] ALICERA: A megújuló nyersanyagok és energiaforrások jelentősége a mezőgazdaságban, Oktatási anyag a cselekvésorientált tanulás c. vidékfejlesztési projekthez, Nyugat-Magyarországi Egyetem, 2007 [2] BAI A.: A biogáz Budapest: Száz magyar falu könyvesháza Kht. 2007 [3] DAVID L: Calculating the Heating Value of Biogas, H.n. DLtech, Inc. Ithaca NY, É.n. [4] MAGDA R.: A megújuló és a fosszilis energiahordozók szerepe Magyarországon In: Gazdálkodás: Scientific Journal on Agricultural Economics Volume 55, Number 2, 2011 [5] DUPCSÁK Zs. MARSELEK S.: Biogáz termelés, mint a környezettudatos energiatermelés lehetősége In: Journal of Central European Green Innovation 1, 2013 p: 35-44 [6] Green Capital Zrt.: A magyar energiaszektor villamos energia-termelésének életciklus-,és„carbon footprint” elemzése GREEN CAPITAL 2009 [7] HAJDÚ J: Biogáz, a környezetbarát megújuló energiahordozó, In: Mezőgazdasági Technika, 2013. március p: 12-15 [8] NÉMET B.: Környezetfizika I. 9. Földgáztermelés, felhasználás fizikája PTE Fizikai Intézet, 2011-12 [9] Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal: Mezőgazdaság, élelmiszer, természeti erőforrások, klíma és zöldenergia kutatás-fejlesztési kulcsterületek a magyar soros elnökség ideje alatt, Tanulmány H.n. NKTH: 2010 [10] ŐSZ J: Megújuló energiaforrások illeszkedése a szekunder energiahordozókhoz H.n. BME É.n. [11] Megújuló energiaforrások. Szerk.: PIECZKA I. H.n: Eötvös Loránd Tudományegyetem 2013 [12] SZUNYOG I.: Elméleti biogáz potenciál In. Energiagazdálkodás p 13-18, 49.évfolyam 2008 2.szám [13] TAMASKA L – RÉDEY Á – VIZI Sz: Életciklus elemzés készítése Tisztább Termelés Kiskönyvtár, Sorozat II. kötet 2001
81
Internetes források: [14] Magyar Biogáz Egyesület Letöltve 2014.02.12 http://www.biogas.hu/1/page/text/bigaz [15] Első Magyar Biogáz Kft. Letöltve 2014.03.08 http://www.biogaskft.hu/biogaztechnologia [16] MONOKI Á.: Biomassza energia Letöltve 2014.02.12 http://www.nyf.hu/others/html/kornyezettud/megujulo/Biomassza/Biomassza.html
82
9.
MELLÉKLETEK
1.sz melléklet – A biogáz üzem helyszínrajza 2.sz melléklet – A technikai épület alaprajza 3.sz melléklet – A technikai épület metszete 4.sz melléklet – A fermentor tartály alaprajza 5.sz melléklet – A fermentor tartály metszete
83
