Bai, Attila
Biogáz-üzemi algarendszerek méretezése Algae systems combined with biogas plants
[email protected] Debreceni Egyetem, GTK, egyetemi docens
Bevezetés A szennyvíztisztítás két, sokféle végtermék előállítására képes innovatív lehetősége a biogáz-előállítás, illetve az algatermesztés. A két eljárás külön-külön is megfelelő ártalmatlanításra alkalmas, ám együttesen sokkal hatékonyabb módon képesek tisztítani a bevezetett szennyvizet. Ennek magyarázata, hogy az anaerob mikroorganizmusok elsősorban a szennyvízben található szerves anyagok lebontására képesek, az algák viszont a szervetlen (biogázüzem által jobban felvehető formába átalakított) tápanyagok hasznosítására alkalmasak, így szennyvíztisztítási szempontból kiegészítik egymást. Ugyanakkor az algák – több más felhasználási mód mellett – akár biogáz-előállításra is felhasználhatók, ilyen módon lehetővé téve akár teljesen zárt tisztítórendszerek létrehozását is, aminek elsősorban a szántófölddel nem rendelkező biogáz-üzemek működtetésénél lehet jelentősége. A biogáz-üzem és az algatelep külön-külön is képes bármilyen fajtájú (hő, villamos áram, hajtóanyag) megújuló energia előállítására.
1. A biogáz- és alga-rendszerek jelentősége A biogáz-előállítás környezetvédelmi és energiatermelési szempontból is figyelemre méltó eljárás, melynek hatékonysága azonban – új módszerekkel és újszerű piacokkal – még jelentősen fokozható. A megújulókon belül az EU-ban éppen a biogáz-eljárás az, amely a legdinamikusabban terjed, 2013-ban 10 %-os volt az iparág növekedése, az EU-ban mintegy 13.800 biogázüzem működött és 70 ezren közvetve, vagy közvetlenül a biogázszektorban dolgoztak az EBA becslése alapján (I-1, 2014). A biogáz energetikai jelentőségét aláhúzza, hogy napjainkban az EU-ban 14 Mrd m3 földgáz helyettesítésére alkalmas biogázt állítanak elő, ami 2020-ra várhatóan megduplázódik és ebből a várakozások szerint 10-15 Mrd m3 földgáz-egyenértéknyi mennyiség üzemanyagként lesz felhasználva (NGVA, 2009; EBA, 2014), ami hozzávetőleg megfelel hazánk teljes éves földgáz-fogyasztásának. Hazánkban 2012-ben 50 üzemben mintegy 80 ktoe (mintegy 160-170 M Nm3) biogázt állítottak elő (EurObserver, 2013), melynek megoszlása:
47 ktoe mezőgazdasági eredetű, 19 ktoe szennyvíztelepen képződött, 14 ktoe depóniagáz.
A biogáz-üzemekben keletkező kierjedt szennyvíz további gázosításra már nem alkalmas, viszont jelentős mennyiségben tartalmaz makro- és mikroelemeket (elsősorban nitrogént, foszfort és káliumot), valamint kierjedt szervesanyagot, melyek közvetlenül élővizekbe nem vezethetők. A kierjedt és a ki nem erjesztett szennyvíz tisztítására ugyanakkor igen hatékony rendszerként működhetnek az algák is. Napjainkban az oxidáció hagyományos folyamata (a biogáz esetében is) jelentős mechanikai energiát
16
igényel, ami az algák esetében a nap energiájával valósítható meg, amelyek számára egyes szennyezőanyagok tápanyagként is hasznosíthatók. 14-21 napos algakezelés segítségével a vizsgált szennyvizek nitrogén-tartalma 8289 %-kal, foszfor-tartalma 70-81 %-kal, kémiai oxigénigénye 39-91 %-ával csökkenthető (Wang et al, 2010, Li et al, 2011) A károsanyag-megkötésben is jelentős szerepük lehet az algáknak. Mivel a levegőben normál esetben mindössze 0,039 térf% (390 ml/l) a széndioxid-koncentráció és ebből is mindössze 0,7 ml (1,4 g)/l diffundál a vízbe egyensúlyi állapotban, ezért terméskorlátozó tényezőként sok esetben a széndioxid hiánya jelentkezik. ezért ennek pótlására akár a biogázüzem által kibocsátott CO2-gáz is alkalmas lehet. A biogáz erre önmagában alkalmatlan, mert a széndioxid mellett képződő metán és kén-hidrogén az algákra káros hatással van. Az algatermesztés legfontosabb jellemzői a szántóföldi növényekkel összehasonlítva:
Rendkívül gyors a szaporodásuk és mivel nem tudják hosszabb ideig raktározni a tápanyagokat, tömegük jellemzően naponta megduplázódik. Ennek köszönhetően a betakarítás akár hetente elvégezhető, ami folyamatos bevételt jelent és a feldolgozóipari üzemek folyamatos üzemelését is lehetővé teszi rövid készletezési idővel. Igen jó (5-7 %) hatásfokkal hasznosítják a fényenergiát, aminek eredményeképpen egységnyi területről a szárazföldi növények többszörösét kitevő biomassza takarítható be (akár 150-300 t/ha). Nem léteznek vetésváltási problémák, illetve egymástól eltérő befektetett eszközök beszerzése, hiszen a gazdasági hasznosításra szánt algafajok termesztésének a technológiai folyamatai megegyeznek. Egyedül az adott algafaj specifikus környezeti igényeit (fény, hőmérséklet, tápanyag, széndioxid) kell figyelembe venni, melyek megfelelően kiépített technológia esetén könnyedén megváltoztathatóak. Ebből adódóan könnyen át lehet térni energiacélú algatermesztésről takarmánycélúra, illetve lehetséges bármilyen formában előállítani az energiát
A biogáztelepen megvalósított alga-előállítás tehát több szempontból is indokolt lehet:
Kogenerációs eljárásnál a gázmotorok füstgáza az algatavakban megtisztítható, a hulladékhő pedig az algatavak fűtésére hasznosítható. Biometán előállításánál a leválasztott széndioxid közvetlenül a tavakba vezethető. A kierjesztett trágyából származó nitrogén, foszfor és nyomelemek (megfelelő hígításban) szintén algává nemesíthetők. A megtermelt algatömeg egy része, vagy egésze a fermentorban is hasznosítható.
A többi, számításba vehető eljáráshoz képest az algaalapú szennyvíz-tisztítás ugyan költségesebb, de képes hosszú távon, a leginkább környezetbarát módon megoldani a biogázüzem szerves anyagoktól megtisztított, de szervetlen anyagokban gazdag kierjedt szennyvizének tisztítását, egyúttal kellő rugalmasságot biztosít az alga, mint végtermék jövőbeni hasznosítására (biogáz-alapanyag, takarmány, bio-üzemanyag, esetleg ezek kombinációja) is. Az algatechnológia egy biogáztelep szerves részét képezi, mely az alapanyag biztosításában (csurgaléklé), a termésfokozásban (hulladékhő és széndioxid) és a végtermék felhasználásában (az alga-biomassza elgázosításában) is fontos szerepet játszik. Az algaalapú szennyvíztisztítás viszont lehetővé teszi a biogázüzem egyébként veszendőbe menő, vagy káros végtermékeinek teljeskörű hasznosítását és ártalmatlanítását. Mindezen tényezők indokolják a fermentlé hasznosításának algák segítségével történő megoldását.
17
17
2. A biogáz- és algatelep egymáshoz méretezésének szempontjai
Cikkemben egy átlagos méretűnek tekinthető 1 MWe kapacitású,kogenerációs technológiájú állattartó telepi biogázüzemhez kapcsolódó, félintenzív, medencés technológiájú, egész éves működésű (üvegházban elhelyezett) algatelep méretezésének főbb szegmenseit mutatom be az alábbi alapadatok alapján:
Biogázüzem teljesítménye:
1 MWe + 1,2 MWth
Várható biogázhozam:
385 ezer Nm3/hó (50 % metán, 30 % CO2)
Várható villamosáram-mennyiség:
7.800 MWh/év
o
ebből önfogyasztás (5 %):
Várható hulladékhő-mennyiség:
390 MWh/év 29,3 TJ/év
o
ebből önfogyasztás (30 %):
8,8 TJ/év
o
veszteség (14 %):
4,1 TJ/év
Az algaüzem által felhasználható outputok:
Kierjedt szennyvíz (5 % szárazanyaggal): Az algaüzemben felhasználható hulladékhő: Várhatóan rendelkezésre álló széndioxid: Az algaüzemben felhasználható villamos áram:
69.120 m3/év 16,4 TJ/év (4570 MWh/év) 231 ezer Nm3/év (458 t/év) 7.410 MWh/év
A méretezésnél az outputoknál feltüntetett sorrendet célszerű alkalmazni, a következő indokok miatt:
Az algatelep (és a biogáztelep) létrehozásának elsődleges indoka a szennyvíz-tisztítás.
A kogenerációs erőművek hatékonyságnövelésének legfontosabb eszköze, egyben korlátja a hulladékhő minél nagyobb részének hasznosítása.
A széndioxid hasznosítása környezeti szempontból szintén lényeges, az algáknál a legfontosabb termésfokozó tényező, ugyanakkor gazdasági értékkel is bír (támogatások, tőzsde).
A villamos áram teljeskörű belső felhasználása elvileg lehetővé tehetné a szigetüzem alkalmazását, ami lényegesen magasabb megtakarítást tehetne lehetővé a zöld villamos áram KÁT-on belüli értékesítésénél (kb. 31 Ft/kWh).
A szükséges kapacitások számításaim alapján:
Szennyvíz-tisztítási szempontból: o
18
3000 m3-nyi algató létrehozása (a gyakorlatban ez nyilván több, kisebb méretű tavat jelent), ami 0,7-0,8 ha tófelületnek felel meg.
Hulladékhő-hasznosítási szempontból (figyelembe véve a biogázüzem és az algatelep havonta eltérő mértékben jelentkező hőfogyasztását): o
Széndioxid-hasznosítási szempontból (figyelembe véve azt, hogy a füstgáz széndioxid-tartalmának csak egy része hasznosítható): o
7.350 m3 algató (1,8-2 ha), vagyis a szennyvíztisztítási szempontból indokolt telepméret 2,45szerese.
21.000 m3 (5,4-5,7 ha) vagyis a szennyvíztisztítási szempontból indokolt telepméret 7-szerese.
Villamosáram-hasznosítási szempontból o
107.000 m3 (28-29 ha) vagyis a szennyvíztisztítási szempontból indokolt telepméret 35,6-szerese.
Konkrét beruházási számítások alapján az alapesetnek tekinthető, szennyvízkezelési funkció maradéktalan ellátására képes méretű, 0,7-0,8 ha összes medencefelülettel rendelkező algatelep beruházási költsége mintegy 700800 millió Ft-ra becsülhető, tehát a biogázüzemi beruházás bekerülési értékével megegyező nagyságrendet képvisel, ugyanakkor elfogyasztja (télen) a biogáz-üzem által megtermelt hulladékhő mennyiségének mintegy 41 %-át, a füstgáz hasznosítható széndioxid-tartalmának mintegy 14 %-át, valamint a felhasználható zöldáram kb. 3 %-át. A biogázüzem részére csak az utóbbi jelent tényleges bevétel-csökkenést. A komplex üzemben azonban bevételként jelentkezhet évente 200-250 t szárazanyagnyi alga, melynek értékét a felhasználási mód szabja meg (biogázcélú hasznosítás és teljeskörű hőhasznosítás esetén mintegy 10 MFt/év). Megjegyzendő, hogy az alga biogázcélú hasznosítása egy környezeti szempontból kiváló, gyakorlatilag hulladék nélkül üzemelő, legkisebb tőke- és energiaigényű, külön marketingmunkát nem igénylő, piaci kockázatokkal nem terhelt alternatíva, amelynek azonban gazdasági eredményei – hasonlóan a többi, kifejezetten hulladékkezelési eljáráshoz – szerények, jóval alacsonyabbak az ipari jellegű (takarmányozási, biodízelcélú, esetleg gyógyszeripari alkalmazásoknál).
3. Következtetések
Az állattartó üzemekben csak akkor célszerű biogázüzemek létrehozása, amennyiben a hosszú távú működés biztosítható, vagyis a vállalkozás és az állattartó telep is hosszú távon működni fog. Ez még inkább igaz az algatelepek létrehozatalára, hiszen legolcsóbb esetben is közel megduplázzák a biogázüzemi beruházás összegét. Létrehozataluk elsősorban a következő esetekben lehet megfontolandó:
Ha a biogáztelep nem rendelkezik közeli, saját tulajdonú szántóterülettel, tehát a tisztított szennyvíz élővizekbe vezetése elkerülhetetlen. A biogáztelep ebben az esetben a szerves-, míg az algatelep a szervetlen anyagok ártalmatlanítását végzi.
A jelentős beruházási költség miatt mindenképpen a kezelendő kierjedt szennyvíz mennyiségéhez kell igazítani az algatelep kapacitását, az egyéb biogáz-üzemben képződő melléktermékek teljeskörű hasznosítása csak igen komoly (többszörös) beruházással lenne elérhető.
Ha az üzem anyagi (pályázati) lehetőségei megengedik magasabb hozzáadottértékű végtermékek előállítását az algákból (takarmány, biodízel, gyógyszeripar). Ezek ugyan további többletberuházással járnak, de jóval értékesebb módjai az alga felhasználásának. A takarmánycélú hasznosítás esetén például egy nagyobb mezőgazdasági üzemben jellemzően meglévő saját szárító esetén nem jelentkezik többlet-
19
19
beruházás, a biogázüzem hulladékhőjének felhasználása esetén pedig többlet működési költség sem, ugyanakkor a takarmányköltségekben komoly megtakarítások érhetők el. Figyelembe véve a jelentős beruházási költségeket, a kiforratlan termesztés-technológiát és végtermék-hasznosítást, valamint az innovációs jelleget, az algatelepek megtérülése viszonylag lassú, létesítésük kifejezetten jelentős támogatások mellett javasolható.
Felhasznált szakirodalmak 1. Bai A.: Helyi közlekedés és hulladékgazdálkodás. Magyar Energetika 22 (1) pp. 21-25 (2015) 2. Bai A.: Új piacok és módszerek a biogáz-előállításban. Biometán és alga. Őstermelő. Gazdálkodók Lapja. Primom SZSZB megyei Vállalkozásélénkítő Alapítvány, Vállalkozói Központ., ISSN 1418-088X. Nyíregyháza, 2010, 3. szám (június-július), pp. 121-122. 3. EBA: Biomethane Fact Sheet, pp. 1-4. Brussels, 2014, european-biogas.eu 4. EurObserver: The State of Renewable Energies in Europe. 2013 Edition. pp. 1-109, Paris, 2013 www.energies-renouvelables.org 5. Li Y et al. (2011) Characterization of a microalga Chlorella sp. well adapted to highly concentrated municipal wastewater for nutrient removal and biodiesel production Bioresource technology 102:51385144 doi:10.1016/j.biortech.2011.01.091 6. NGVA: Factsheet. NG/biomethane used as vehicle fuel. Edited: P. Boisen, M. Lage. pp. 1-4. Madrid, 2009, www.ngvaeurope.eu. 7. Wang L, Li Y, Chen P, Min M, Chen Y, Zhu J, Ruan RR (2010a) Anaerobic digested dairy manure as a nutrient supplement for cultivation of oil-rich green microalgae Chlorella sp Bioresource technology 101:2623-2628 doi:10.1016/j.biortech.2009.10.062 Internetes forrás: I-1: continuous/
20
european-biogas.eu/2013/12/20/eba-presents-latest-biogas-production-statistics-europe-growth-
