Biogázok alkalmazási feltételei háztartási gázberendezésekben 2014 Készítette
Dr. Szunyog István Horánszky Beáta Miskolci Egyetem Kőolaj és Földgáz Intézet
XXII. DUNAGÁZ Szakmai Napok Konferencia és Kiállítás Visegrád, 2014. április 17.
1
Kitekintés Európára 1. rész
2
Európa biogáz termelés, 2011
Depóniagáz [ktoe] Szennyvíztisztítók gáza [ktoe] Egyéb biogázok [ktoe] 3 Forrás: Biogas Barometer, 2012.12
3
Biogáz tisztító üzemek 2013-ban
Európában összesen 248 db üzemel ezek közül földgázhálózati betáplálással rendelkezik: 143 db alapanyag szerint { szeméttelepi biogázra épülő: 5 db { szennyvíztelepi biogázra épülő: 21 db { egyéb mezőgazdasági, állattartási, élelmiszeripari hulladékra, energianövényre épülő, stb.: 117 db
a többi üzem gépjármű üzemanyagként hasznosítja a biometán minősége: 88-98% metán 4
Forrás: IEA Bioenergy Task 37
4
Földgázhálózati betáplálás vagy gépjármű üzemanyag? 60
Az upgrade üzemek 57,7%-a földgázhálózatra dolgozik
50
a németek a biometán 68,5%-át hálózatba táplálják 40
a hollandok a teljes mennyiséget földgázhálózatba táplálják
30
(ami jellemzően szeméttelepről származik)
a svédek gépjármű üzemanyagként használják 20
1 0
Spain
1 0
Iceland
1
Hungary 0
4
5 1
Finland
Norway 1
1 1
5 2
France
Denmark
5 4
United Kingdom
Upgrade üzemek száma, db
3
10 6
Austria
55
15 13
Switzerland
Sweden 9
21 21
The Netherlands
Germany
0
121 83
10
Luxembourg 2
a magyarok már használják gépjármű üzemanyagként
5
Földgáz-hálózati betáplálás, db
5
Földgázhálózati betáplálás teljesítménye 2013
Ország Germany The Netherlands Switzerland Sweden Austria United Kingdom France Luxembourg Denmark Finland Norway Hungary Iceland Spain Mindösszesen
Upgrade üzemek száma, db 121 21 15 55 10 5 5 3 1 5 4 1 1 1 248
Földgázhálózati betáplálás, db 83 21 13 9 6 4 2 2 1 1 1 0 0 0 143 57,66%
Kapacitás 112 166 16 370 2 145 4 300 1 390 1 250 215 650 300 150 500 0 0 0 139 436 1 221 459 360 692 580 049 692,58
3
Nm /h 3 Nm /h Mire elég 700 millió 3 m3 biometán? Nm /h 3 Nm /h Például a 2013-as 3 Nm /h magyar éves 3 Nm /h földgázigény 6,3%3 Nm /h ának fedezésére. 3 Nm /h 3 De ez az érték európai Nm /h 3 összesített érték! Nm /h 3 SAJNOS… Nm /h 3 Nm /h 3 Nm /h 3 Nm /h Nm3/h Nm3/év biogáz (55% CH4) Nm3/év biometán (97% CH4)6 millió m3/év biometán (97% CH4)
6
Hazai biogáz potenciál 2. rész
7
Biometán potenciál Magyarországon 2014 év elején
47 db mezőgazdasági, állattartási és élelmiszeripari alapanyagokra épülő biogáz üzem {
11 db szennyvíztisztító telephez kapcsolt biogáz üzem { {
13,1 MWel beépített elektromos teljesítménnyel (CHP) 1 üzem CNG-t állít elő
16 db kommunális hulladéklerakóra épülő biogáz üzem {
45,7 MWel beépített elektromos teljesítménnyel (CHP)
10,7 MWel beépített elektromos teljesítménnyel (CHP)
Mindösszesen 69,5 MWel beépített elektromos teljesítmény A jelenlegi összes biogáz forrást kihasználva ma Magyarországon összességében 121-177 millió m3/év 2H minőségű biometán lenne előállítható. Ez az éves földgázfogyasztásunk 1,1-1,6% -a! 8
Forrásalap: Magyar Biogáz Egyesület honlapja, MEKH honlapja és VM MGI Gödöllő adatai
8
Biogáz a hazai jogrendben 3. rész
9
Nemzeti energiastratégia 2030
A primer energia ellátásban: „a zöldáram mellett a megújuló alapú hőtermelés támogatása, és a biogáz támogatott átvétele.” „A termelt biogáz tisztításával a földgáz import részleges kiváltása is lehetővé válik.” A hőenergia ellátásban: „egyszerűsített engedélyezési, szabályozási, illetve átvételi rendszer az alternatív technológiák elterjedésének ösztönzésére (a zöldáram mellett a megújuló energiával előállított hő- és a földgáz rendszerbe közvetlenül betáplált, tisztított biogáz támogatott átvétele).” „A fűtési célú földgázfelhasználást csökkentheti a biogáz és depóniagáz használata és szabványoknak megfelelő betáplálása.” …hol
tartunk a megvalósításban? 10
10
Jogszabályi háttér
A biogáz földgázhálózati betáplálásának magyar jogszabályi feltételrendszere: { {
{
{
2008. évi XL. törvény a földgázellátásról 19/2009. (I. 30.) Korm. rendelet a földgázellátásról szóló 2008. évi XL. törvény rendelkezéseinek végrehajtásáról 11. számú melléklet a 19/2009. (I. 30.) Korm. rendelethez (gázminőség) A magyar földgázrendszer Üzemi és Kereskedelmi Szabályzata (ÜKSZ)
A megoldás kulcsa(?): biogáztermelő = földgáztermelő 11
11
Földgázelosztói üzletszabályzatok
A kép vegyes a biogázok földgázhálózati betáplálását illetően { {
{
egyes elosztók nem kezelik a kérdést mások felületesen, de foglakoznak vele (pl. betáplálási igény esetére megadja az eljárási rendet, és hivatkozik a földgáztermelőkkel szemben követelményekre) és vannak akik részletesen szabályozzák:
Termelt gáz betáplálási igény bejelentő formanyomtatvány a Földgázelosztó területén és általa üzemeltetett földgázelosztó hálózathoz (részletes adatok a termelés helyéről, alapanyag és biogáz mennyiségekről, gázelőkészítésről, biometán minőségről) Ebből könnyen megállapítható a kérelmező komolysága is! A Földgázelosztó területén üzemelő és általa üzemeltetett földgáz elosztóhálózatba betáplálható termelt gázokkal szemben támasztott minőségi követelmények (részletes minőségi előírások!) A termelt gáz (földgáz minőségű, biomasszából és egyéb nem bányászati forrásból származó gázok, valamint a bányászati tevékenységgel felszínre hozott földgáz) együttműködő földgázrendszerhez történő csatlakozása és a földgázelosztó rendszerbe történő betáplálása (30 napon belül írásos válasz a kérelemre!) Elosztói csatlakozási szerződés minta a termelt gázok (biogáz és 12 egyéb gázfajták, valamint a bányászati tevékenységgel felszínre hozott földgáz) együttműködő földgázrendszerbe történő betáplálására
12
Földgázhálózati betáplálás 4. rész
13
Cseregáz betáplálás kapcsolási rajza
1- elzáró; 2- mágnesszelep; 3- szűrő; 4- nyomásszabályozó; 5- biztonsági lefúvató szelep; 6- gázminőség ellenőrző berendezés; 7hőmérséklet mérés; 8- szagosító egység; 9gázmennyiség mérő elektromos számítóegységgel; 10- visszaáramlás gátló; 11gázkeverő mennyiség szabályozással; 12gázvezeték; 13- gázfáklya vagy lefúvató armatúra; 14- gázfáklya vagy lefúvató vezeték
14 Forrás: S. Kilinski: STUDIE Einspeisung von Biogas in das Erdgasnets, 2006.
14
Tilos: szennyvíz és depónia gáz betáplálása Tilos: szennyvíz és ipari hull. gáz betáplálása Lehetőség: adalékgáz betáplálására Lehetőség: minden típusú biogáz betáplálható, még a depóniagáz is! Gépjármű üzemanyagként és hálózati gázként is.
Két gázminőség: cseregáz és adalékgáz Tilos: szennyvíz és depónia gáz15 betáplálása Forrás: Danish Techn. Inst.: Biogas and bio-syngas upgrading, 2012. dec.
15
Gázminőség 5. rész
16
Biogáz összetevők eltérő forrásból 17
Forrás: Danish Techn. Inst., 2012. Dec.
17
Biogasmax javaslat betáplálhatóságra, 2010. nov. 18
Forrás: Danish Techn. Inst., 2012. dec.
18
Gázminőségi kockázatok 6. rész
19
Minőségi követelmények eltüzeléshez
Biogáz összetevő Metán Hidrogén-szulfid Víz Ammónia Klór Fluor Sziloxán Por Szilárd szennyezők
Fáklya
Kazán
> 50% Szabad víz mentes -
> 50% Szabad víz mentes -
Dugattyús gázmotor > 60% < 250 ppm < 80% relatív nedvesség < 25 ppm < 40 ppm < 40 ppm < 2 ppm 50 mg/10kWh < 3 µm
Mikroturbina > 55% < 5 000 ppm < 55% relatív nedvesség < 200 ppm < 250 ppm < 1 500 ppm < 0,005 ppm < 20 ppm < 10 µm
20
Forrás: Australian Meat Processor Corporation, www.ampc.com.au
20
Potenciális veszélyforrások
Forrás: Marcogaz
(biomasszából)
Szintézisgáz
Hidrogénben gazdag gázok
Szeméttelepi gázok
Biogáz
Erjesztőkből (biogáz fermentorokból)
Termék Forrás
Veszély az életvédelem területén
Veszély a szállítás, elsztás és felhasználás területén
Ellenintézkedés
Szilícium-dioxid képződés eltüzeléskor
Eltávolításuk a biogázból
Biológiai kórokozók jelenléte
Biokorrózió a gázhálózatokban
A szubsztrátum higienizálása; Hosszabb tartózkodási idő a fermentorban; Mikroorganizmusok leválasztása szűrővel (<1 µm)
Mérgező
Korrozív
Leválasztás a biogázból
Halogénezett szénhidrogének
Elégetéskor dioxionok és furánok képződése
Korrozív
Az ismert halocarbonok kizárása az alapanyag forrásokból
Halogénezett szénhidrogének
Elégetéskor dioxionok és furánok képződése
Korrozív
Az ismert halocarbonok kizárása az alapanyag forrásokból
Biológiai kórokozók jelenléte
Biokorrózió a gázhálózatokban
Mikroorganizmusok leválasztása szűrővel (<1 µm)
Szilícium-dioxid képződés eltüzeléskor
Eltávolításuk a biogázból
Mérgező
Korrozív
Leválasztás a biogázból
Poliaromás szénhidrogének (PAHs)
Mérgező, karcionogén rákkeltő anyagok
Kihat a műanyag és elsztomer anyagokra; elégetéskor kormoz
Állandó figyelés és leválasztás
Poliaromás szénhidrogének (PAHs)
Mérgező, karcionogén rákkeltő anyagok
Kihat a műanyag és elsztomer anyagokra; elégetéskor kormoz
Állandó figyelés és leválasztás
Veszélyes összetevő Sziloxánok Biológiai anyagok Ammónia
Biológiai anyagok Sziloxánok Ammónia
Szén-monoxid
Hidrogén
Mérgező
Veszély az eltüzeléskori viselkedés megváltozása miatt
Állandó figyelés és leválasztás Korrozív; biztonságtechnikai veszély gázkészülékeknél (lángterjedési sebesség); behatás ipari folyamatoknál
21 Gázminőség ellenőrzés
21
Az eltüzelés szempontjából fontos kísérő összetevők
Kéntartalmú összetevők { {
kénhidrogén, merkaptánok, dimetil-szulfid, karbonil-szulfid, karbon-diszulfid Mit okoz?
Nitrogén {
Mit okoz?
NOx kibocsátás és N2O képződés (üvegházhatás)
Halogén tartalmú összetevők (depóniagázokra jellemzőek) { {
egy vagy több halogén atomot (fluor, klór, bróm, jód) tartalmazó vegyületek Mit okoz?
SO2 emisszió és korrózió (kénsavak)
dioxion és furán formációk keletkeznek az elégetés során magasabb hőmérsékleten (méreg!) és a vízgőzzel savakat képezhetnek
Sziloxánok (depónaigázokra jellemzőek) { {
mikrokristályos szilícium-dioxid Mit okoz?
kopást a szelepekben, vezetékekben, tartályokban, gázmotor hengerekben és dugattyúkban (!)
22
Forrás: A. Weillinger et al.: The Biogas Handbook: Science, production and Applications
22
Az eltüzelés szempontjából fontos kísérő összetevők
Ammónia: {
Mit okoz?
Szén-monoxid {
Mit okoz?
rendkívül mérgező, magasabb (tűztér)hőmérsékleten redukálószerként viselkedik
Benzol, toluol, xilol (depóniagázokra jellemzőek) {
Mit okoz?
NOx emisszió és a gyulladási paraméterek rontása oldódva a füstgáz vízgőztartalmában lúgos kémhatást eredményez (korrózió)
elsősorban a műanyag rendszerelemeket károsítják
Szerves mikroorganizmusok {
Mit okoz?
egészségügyi kockázat és biokorrózió vezetékekben, tüzelőberendezésekben 23
23
Közvetlen eltüzelés 7. rész
24
Mintagáz összetételek Összetétel
Nem éghető összetevők
Éghető összetevők
Metán
CH4
B1
Biogázok B2
B3
Földgáz F1
DVGW G 262
DVGW G 262
DVGW G 262
Beregdaróc
házt. szemét
komm.szennyvíz
trágyalé
2H
mol% 43,00%
mol% 60,00%
mol% 65,00%
mol% 97,913%
Etán
C2H6
0,814%
Propán
C3H8
0,284%
i-Bután
C4H10
0,050%
n-Bután
C4H10
0,053%
i-Pentán
C5H12
0,010%
n-Pentán
C5H12
0,008% 0,009%
Hidrogén-szulfid
C6 + CO H2 H2S
Szén-dioxid
CO2
31,00%
39,00%
34,00%
0,054%
Nitrogén
N2
23,00%
1,00%
1,00%
0,804%
Oxigén
O2
3,00%
H2O Ar Összesen:
100,00%
100,00%
100,00%
100,000%
14,63 16,53 0,97
20,43 23,44 0,94
22,13 26,08 0,89
Hexán + Szén-monoxid Hidrogén
Vízgőz Argon (nemesgázok)
Tüzeléstechnikai jellemzők Alsó hőérték (HI) Wobbe-szám felső hőért. Relatív sűrűség (d)
3
MJ/m 3 MJ/m -
25
34,21 50,41 0,57
25
Levonható következtetés
Egyik biogáz sem felel meg az MSZ 1648: 2000 szabvány követelményeinek { { {
az alsó hőérték a földgázénak 42,8-64,7%-a a felső Wobbe-szám a földgázénak 32,8-51,7%-a a relatív sűrűsége 1-hez közeli (Biztonságtechnikai kockázat!)
Lehetőségek {
{
feljavítjuk a minőségét (leválasztjuk az inert és egyéb kísérő komponenseket) és a továbbiakban földgázként hasznosítjuk (biometán) – ezzel a vonallal nem foglalkozunk tovább az adott eltüzelési módhoz (illetve környezetvédelmi célokhoz) igazítva leválasztjuk a nem kívánatos összetevőket:
jellemzően mindig leválasztjuk: vízgőz, kén tartalmú összetevők, por, szilárd szennyezők technológiától függően: halogén összetevők, sziloxánok, ammónia, nitrogén, BTX vegyületek, stb.
és azt követően elégetjük. 26
26
Tüzeléstechnikai paraméterek változása
Gázminőségi paraméter Tüzeléstechnikai jellemzők
B1
Biogázok B2
B3
Földgázok F1
DVGW G 262
DVGW G 262
DVGW G 262
Beregdaróc
házt. szemét
komm.szennyvíz
trágyalé
2H
Elméleti levegő szükséglet (Vlevelm):
3,9680
5,7370
6,2151
Alsó gyulladási koncentrációhatár (Za):
9,5855
7,0614
6,5538
Felső gyulladási koncentrációhatár (Zf):
29,9506
23,4550
22,0485
Lánghőmérséklet (Telm):
2 343
2 374
2 391
Lángterjedési sebesség (ult):
15,6
20,4
22,1
Füstgázösszetétel (CO2'):
0,7392
0,9889
0,9888
Füstgázösszetétel (H2O'):
0,8319
1,1608
1,2575
Füstgázösszetétel (N2'):
3,4420
4,4919
4,8654
Füstgázösszetétel (SO2'):
0,0000
0,0000
0,0000
Füstgázösszetétel (Ar'): Nedves füstgáztérfogat (Vfstgnedv):
0,0382
0,0533
0,0578
5,0513
6,6949
7,1695
Száraz füstgáztérfogat (Vfstgszar):
4,2195
5,5341
5,9120
Füstgáz harmatpont (tfstg):
57,0
58,0
58,3
Mértékegység
9,6144 m3/m3 4,9349 m3/m3 14,9345 m3/m3 2 505 0C 33,8 cm/s 1,0089 m3/m3 1,9363 m3/m3 7,5190 m3/m3 0,0000 m3/m3 0,0894 m3/m3 10,5535 m3/m3 3 3 8,6173 m27 /m 59,2 ± 1,5 0C
27
Biogázok gyulladási tartománya
28
Forrás: M. Molnarne, V. Schröder: Chemical Safety Database – Application for Flammabilty Limits of Biogases
28
Metán és szén-dioxid gyulladási tartománya levegőben 25,0% 21,2% 20,5%
10,8% 7,5% 43%
6,8%
60% 65% 29
Forrás: M. Molnarne, V. Schröder: Chemical Safety Database – Application for Flammabilty Limits of Biogases
29
Mi történik, ha földgázra beszabályozott készülékbe biogázt vezetünk?
Csökken az elméleti levegőszükséglet {
A gyulladási koncentrációhatár kiszélesedik és eltolódik a magas inert tartalom miatt (a szakirodalom sem egyértelmű!) Az elméleti lánghőmérséklet (a magas inert tartalom miatt) 100-150 0C-al csökken. A gyulladási hőmérséklet az inert tartalom miatt néhányszor 10 0C-al emelkedik. A lángterjedési sebesség a magas inert tartalom miatt lecsökken, megnő a lángleszakadás veszélye, {
a földgázra beszabályozott készülékben megnő a levegőfelesleg, csökken a hatásfok (esetleg a lángstabilitás)
azaz kiemelten figyelni kell az égő konstrukciójára!
Csökken a keletkező füstgáztérfogat (kevesebb a szükséges égési levegő, és ez által a nitrogén mennyisége a füstgázban). A füstgáz harmatpontja néhány 0C-al csökken. 30
30
Biogáz eltüzelése háztartási gázberendezésekben
tüzeléstechnikai hatásfok: 75-85% a földgázra beállított berendezések átállíthatók biogáz (alacsonyabb minőségű) tüzelésre: { { { { { {
a gáz levegő arány megváltoztatásával a tüzelőanyag mennyiségének növelésével az ebből adódó nagyobb gázáramokat is el kell viselnie a készüléknek magasabb füstgázhőmérséklet szükséges, hogy a harmatpontot semmiképpen ne érhesse el magasabb tűztérhőmérséklet halogén összetevők esetén (1 m/m%-ig min. 850 0C; 1 m/m% felett min. 1100 0C)* a kénhidrogénből és vízgőzből adódó kondenzációs veszélyek miatt az összes tüzelőanyaggal érintkező fém felületet kezelni kell (bevonattal, vagy eleve az anyagnak ellenállónak kell lennie savakkal szemben)
Forrás: A. Weillinger et al.: The Biogas Handbook: Science, production and Applications
31
* Kapros T.: Szekunder energiahordozó gázok termikus hasznosítása; Hulladékonline 2013/1.
31
Biogáz eltüzelése ipari gázberendezésekben
A tűztér kialakításakor és az üzemi paramétereknél figyelembe kell venni: { { { { { { { { { { {
magasabb tűztérhőmérséklet szükséges (ált. 1000 0C felett) ehhez megfelelő tűztérszigetelés javasolt hosszabb tartózkodási idő (néhány tized sec-al) optimális levegőtényezőt kell biztosítani (folyamatosan) intenzív(ebb) keveredés szükséges egyenletes tűztérhőmérsékletet kell elérni szabályozás a füstgáz oxigéntartalmától függően gyorsan reagáló vezérlőelemek szükségesek (mennyiségi és minőségi ingadozás miatt) a láng alakja és az égés sebessége is megváltozhat (lángleszakadás és visszagyulladás) 40-50% metán tartalom alatt már szükség lehet az égési levegő előmelegítésére az eltérő füstgázösszetétel miatt megváltoznak a tűztér hőátadási viszonyai (változik a láng- és füstgázsugárzás mértéke, a változó fstg tömegáram befolyásolja a konvektív hőátadást)
32
Forrás: Kapros T.: Szekunder energiahordozó gázok termikus hasznosítása; Hulladékonline 2013/1.
32
Összefoglalva
Mindenképpen el kell különíteni { {
a biometán minőséget és a biogáz minőséget
a felhasználás szempontjából. Biometán = földgáz (az ismert konstrukciók és összefüggések alkalmazhatók) Biogáz ≠ földgáz (!) (bizonyos kockázatokat kezelni kell) { { { { { {
eltérő egységnyi energiatartalom eltérő Wobbe-szám eltérő relatív sűrűség eltérő kísérő összetevők változó tüzeléstechnikai paraméterek változó eltüzelési peremfeltételek(!) 33
33
Köszönjük a figyelmet!
Elérhetőség:
Miskolci Egyetem Kőolaj és Földgáz Intézet Gázmérnöki Intézeti Tanszék 3515 Miskolc- Egyetemváros Tel: +36-46-565-078 e-mail:
[email protected] Web: www.gas.uni-miskolc.hu
34
