Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Műszaki menedzser alapszak Rendszertechnika szakirány Energetikai és Vegyipari Gépészeti Intézet Vegyipari Gépészeti Intézeti Tanszék
Biomassza energetikai célú hasznosítására szolgáló technológiák életciklus-elemzése
Készítette: Kádas Kitti Neptun kód: IUW9N7 Tankör: G4BRe Tervezésvezető: Bodnár István, PhD hallgató
Miskolc 2014
1
Tartalom 1. Előszó .............................................................................................................................................4 2. Bevezetés ........................................................................................................................................4 2.1 A biomassza fogalma ................................................................................................................4 2.2 Biomassza, mint megújuló, de kimeríthető energiaforrás ...........................................................5 3. Miből áll össze a biomassza ............................................................................................................6 3.1 Az elsődleges biomassza ...........................................................................................................7 3.2 A másodlagos és harmadlagos biomassza ..................................................................................8 3.3 A biomassza származási ágazatai............................................................................................. 10 3.4 Felhasználás szerinti csoportosítása ......................................................................................... 11 4. Biomassza potenciál Magyarországon ........................................................................................... 13 5. A biomassza hasznosítása ............................................................................................................. 14 5.1 Bioüzemanyagok ..................................................................................................................... 15 5.1.1 Az első és második generációs bioüzemanyagok ............................................................... 16 5.2 Biodízel .................................................................................................................................. 18 5.3 Biogáz..................................................................................................................................... 19 5.3.1 A biogáz felhasználása ..................................................................................................... 21 5.3.2 A biogáz képződésének szakaszai, és fázisai ..................................................................... 22 5.4 Biomassza eltüzelése ............................................................................................................... 23 5.4.1 A biomassza tüzelésének műszaki feltételei ...................................................................... 24 5.4.2 Aprítás ............................................................................................................................. 25 5.4.3 Tömörítvények előállítása ................................................................................................. 28 5.4.4 Bálázás ............................................................................................................................ 29 5.4.5 Brikettálás ........................................................................................................................ 31 5.4.6 Pelletálás .......................................................................................................................... 34 5.4.7 Biomassza alapanyagok felhasználási módozatai .............................................................. 36 6. Tüzelőberendezések ...................................................................................................................... 37 6.1 Mi az égés? ............................................................................................................................. 37 6.1.1 Tűzfejlődés zárt térben ..................................................................................................... 38 6.1.2 Tüzeléshez kapcsolódó fontosabb fogalmak ...................................................................... 38 6.1.3 A tüzelés veszteségei ........................................................................................................ 39 6.1.4 Szilárd biomasszák égése .................................................................................................. 40 2
6.2 Kazánok .................................................................................................................................. 42 6.2.1 A faelgázosító kazán felépítése ......................................................................................... 42 6.2.2 A pellet tüzelésű kazán felépítése ...................................................................................... 45 6.2.3 Vegyes tüzelésű kazán ...................................................................................................... 46 6.2.4 Faapríték kazán ................................................................................................................ 47 6.2.5 Szalmatüzelő berendezés .................................................................................................. 48 6.3 A tüzelőanyagok tárolása......................................................................................................... 50 6.3.1 Hasábfa tárolása ............................................................................................................... 50 6.3.2 Pellet tárolása ................................................................................................................... 51 6.4 Környezetvédelmi követelmények ........................................................................................... 53 7. Életciklus-elemzés ........................................................................................................................ 54 8. Biomasszából előállított energia életciklus-elemzése ..................................................................... 60 8.1 Gázosítás és égetés, hőenergia előállításával ............................................................................ 60 8.2 Gázosítás, villamos energia előállítása ..................................................................................... 63 8.3 Égetés, csak villamos energia előállítása .................................................................................. 66 8.4 Gázosítás, kapcsolt energiatermeléssel..................................................................................... 69 8.5 Égetés, kapcsolt energiatermeléssel ......................................................................................... 72 9. Összefoglalás ................................................................................................................................ 75 Irodalomjegyzék ............................................................................................................................... 77
3
1. Előszó Szakdolgozatom témájaként a biomasszát választottam, és szeretném bemutatni a különböző hasznosításának módozatait. Napjainkban egyre több helyen találkozhatunk a megújuló energiahordozók, a bioenergia, és a fenntartható fejlődésnek a fogalmával. Sokkal nagyobb jelentőséget kellene biztosítani ezeknek az energiahordozóknak a megismertetésére, hiszen használatukkal a fosszilis energiahordozók kiválthatóak lennének, mint például az olaj, a földgáz, vagy a szén, amelyek nem tudnak megújulni, csak évmilliók alatt. Számunkra fontos, hogy a növényi eredetű biomassza oxigént termel, és szén-dioxidot köt le. Céljaim közé tartozik, hogy bemutassam a biomasszában rejlő lehetőségeket. Számos felhasználása létezik, az általam kedvelt az eltüzelés, erre dolgozatomban részletesebben fogok kitérni.
2. Bevezetés A biomassza egy sokoldalúan hasznosítható energia alternatíva, amely egyben az egyik legnépszerűbb megújuló energiaforrás is. Éppen ezért sokféle területen, többféle formában hatékonyan lehet hasznosítani. A hasznosítása történhet közvetett, illetve közvetlen formában egyaránt. A gyakoribb megoldás, hogy a biomasszát energiaforrásként közvetett módon alkalmazzák, ennek köszönhetően éghető gázként, vagy folyékony üzemanyagként tudjuk hasznosítani. Egy speciális, viszont költséghatékony kémiai eljárással valósítható meg, amely során cseppfolyósítják, vagy elgázosítják a masszát. Energiaforrásként közvetlen formában a biomassza előkészítést követően, vagy a nélkül csak egyféleképpen hasznosítható, ez a tüzelés [1].
2.1 A biomassza fogalma A biomassza kifejezése egy nagyon tág értelemben meghatározott fogalom, ami a Földön megtalálható összes élő tömeget jelenti. Más nézetből, az energetikailag hasznosítható növényekre, a termésre, a melléktermékekre, valamint a növényi és állati hulladékokra használják. Hazánkban egyelőre még elég friss, de a megújuló energiák előtérbe kerülése okán egyre szélesebb körben ismertebbé váló fogalom [2]. Magyarországon jogi fogalmát a 2010. évi CXVII. törvény a megújuló energia közlekedési célú felhasználásának előmozdításáról és a közlekedésben felhasznált energia üvegházhatású gázkibocsátásának csökkentéséről szóló jogszabály határozza meg (1. § 3.)) [3]: 4
„biomassza: a mezőgazdaságból - a növényi és állati eredetű anyagokat is beleértve, erdőgazdálkodásból és a kapcsolódó iparágakból, többek között a halászatból és az akvakultúrából - származó, biológiai eredetű termékek, hulladékok és maradékanyagok biológiailag lebontható része, valamint az ipari és települési hulladék biológiailag lebontható része” [4].
2.2 Biomassza, mint megújuló, de kimeríthető energiaforrás Két nagy csoportra bonthatjuk a primer energiaforrásokat. Beszélhetünk megújuló, illetve nem megújuló energiaforrásokról. A meg nem újuló energiaforráshoz tartozik a szén, a kőolaj, a földgáz és a hasadóanyag, míg megújuló a nap-, a víz-, a szélenergia, illetve a biomasszából nyerhető energia. Kimeríthetőség szerint is tovább lehet bontani ezeket. A meg nem újuló energiák nyilvánvalóan kimeríthetők, viszont a megújulók közül a nap-, és a szélenergián kívül a biomassza kimeríthető. A primer energiaforrásokból szekunder energiahordozók előállítása
lehetséges.
Villamos
energiát,
üzemanyagot
nyerhetünk
különböző
energiaátalakítási eljárások eredményeivel. Viszont ezek az eljárások nagymértékben különböznek egymástól az átalakítás hatásfokában, és környezeti hatásaiban. A világ negyedik legelterjedtebb energiaforrása a biomassza; a szén, a kőolaj, és a földgáz után [5].
35 30 25 20 15 10 5 0
1. diagram – Az energiaigények megoszlása
5
A világ energiaigénye folyamatosan növekszik. 1980 és 2000 között a világon az összes energiafelhasználás 308 exajoulról 417-re emelkedett. A teljes energiaigényt 2002-2004 közötti értékekből kiindulva, amely 513-545 EJ/év volt, 2030-ban 750-800 EJ/év-nek, míg 2050-ben 600-1.000 EJ/év-nek becsülik [6]. A szárazföldi biomasszában raktározott energiamennyiség becslések szerint 25.000 exajoule, ebből évente 3.000 exajoule újul meg. A jelenlegi, magyarországi megújuló energia döntő hányadát a biomassza felhasználás teszi ki. Ebből a legjelentősebb a tüzelési célú energetikai növényeknek a közvetlen elégetése, főként a tűzifa, a többi egyéb növényi melléktermék, valamint az organikus eredetű hulladék [5].
1. táblázat MTA felmérése az energiapotenciálról [5] Megújuló energiahordozó típus Napenergia Vízenergia Geotermia Biomassza Szélenergia Összesen
Lehetőség MTA Megújuló Energia Albizottság felmérése [PJ] 1.838 14,4 63,5 203-328 532,8 2.600-2.700
Jelenleg hasznosított [PJ] 0,1 0,7 3,6 49,2 0,16 53,8
3. Miből áll össze a biomassza A biomassza, mint energiaforrás gyűjtőfogalmába a következők tartoznak: 1. Növényi eredetű biomassza:
Hagyományos mezőgazdasági termények és melléktermékei, hulladékai (szalma, kukoricaszár, repce, napraforgó stb.)
Erdőgazdasági, illetve fafeldolgozási hulladékok (faapríték, nyesedék, fűrészpor stb.)
Energetikai célra termesztett növények (fűfélék,
fák: akác, nyárfa,
fűzfa,
takarmánynövények: cukorrépa, köles, rozs, repce stb.) 2. Állati eredetű biomassza:
elsődleges: zsírok, fehérjék, szénhidrátok
másodlagos: állattartás melléktermékei
3. Vegyes eredetű biomassza:
amikor állati és növényi biomasszák keverten találhatók (trágya, kommunális hulladék stb.)
6
A termelési-felhasználási láncban elfoglalt helyük alapján a biomassza lehet elsődleges, másodlagos és harmadlagos [7].
3.1 Az elsődleges biomassza 2. táblázat Az elsődleges hazai biomassza, és ebből az energetikai potenciál Elsődleges biomassza Erdőterület főtermék melléktermék Energiaültetvény Növénytermesztés főtermék melléktermék Összesen %
Teljes biomassza PJ/év 160 140 20 780 410 370 940 100
Energetikai potenciál %; *GJ/ha, év PJ/év 62 40 % 56 30 % 6 250* 75 132-265 10-20 % 40-80 25-50 % 92-185 269-402 28,6-42,8
Az elsődleges biomassza magába foglalja a természetes vegetáció fő- és melléktermékeit (erdei-, szántóföldi-, réti-, kerti növényeket). A főcsoportokon belül a legjelentősebbek a sokfunkciós
erdőgazdálkodás
energetikai
szempontból
számításba
vehető
fő-,
és
melléktermékek. A jövőben az energetikai fa- és növényültetvények termesztésére lehet számítani, illetve ezeknek a fő- és melléktermékeknek az energetikai hasznosítására. Az erdőterület majdnem a harmadát borítja a Föld felszínének, így az összes erdőterület 3,8 milliárd hektárnál nagyobb, amelyen évente mintegy 4 milliárd m3 fa terem. Magyarországon az erdők közel 20 %-os részt képviselnek, egész Európa területének a 45 %át fedik erdők. Hazánk 1,9 millió hektár erdőterület faállománya mintegy 330 millió m3, ennek köszönhetően évente közel 11 millió m3 a fanövekmény, és 160 PJ az energiahozam. Erdőink nagyobb részét, körülbelül 86 %-át lombhullató fák képzik- akác, cser, tölgyek, bükk, gyertyán, és egyéb lombos fák. A fenyők aránya csak 14 %. Az energiatermelésre hasznosítható faanyag (energiafa) a kitermelt lombos fáknak a felét, a fenyőknek alig a 20 %át teszi ki. Az évente kitermelhető energiafa 4-4,5 millió m3-re becsülhető. A fa fűtőértéke 17.000-20.000 kJ/kg között van. Ezen számok alapján a hazai erdők évi energiafa-potenciálja 56 PJ-re becsülhető. A fakitermeléskor körülbelül 20 % apadék keletkezik, viszont ennek egy része faaprítékként még tüzelési célokra alkalmazható, a becsült évi értéke 6 PJ.
7
A mezőgazdaság hagyományos tevékenységektől mentesülő területein a jövőben célszerű energiaültetvényeket termeszteni. Ezek lehetnek: fás ültetvények (energetikai faültetvény, energiaerdő), energianád, és lágyszárú ültetvények (energiafű, energiakender, cirok). Az energiaültetvények hozama, és az erre fordítható területnek a nagysága még nem alakult ki, a táblázatban szereplő értékek pozitív becslést mutatnak. Ennek a kedvező megítélésnek az alapján az energetikai célú fa- és növényültetvények évi fajlagos anyaghozama 10-25 t/ha, évre tehető, fajtánként. Fajlagos energiahozamuk pedig elérheti az erdők fajlagos energiahozamának
6-10-szeres
értékét,
amely
200-350
GJ/ha
évente.
Kisebb
energiahozammal számolnak a negatív megközelítések miatt, illetve jelentős károsodást tételeznek fel az érintett mezőgazdasági területeken. Ha országosan mintegy 300 ezer hektár mezőgazdasági területet szánnánk az energiaültetvényekre, akkor ennek az évi energiahozama összesen 75 PJ lehetne, ez azonos nagyságrendű az erdőink energiahozamával. A növénytermesztés elsősorban az élet fenntartását célozza, viszont a fő-, és melléktermékeinek bizonyos része energetikai célokra is használható. A növénytermesztés főtermékeinek évi energiatartalma 410 PJ-ra tehető, amelynek energetikai felhasználása 10-20 %, ez évente 40-80 PJ lehet. A melléktermékek évi energiatartalma közel 370 PJ, ebből energetikai célokra hasznosítható akár 25-50 % is, ami évente 92-185 PJ. Mindent összevetve, 940 PJ a hazai elsődleges biomassza évi energiatartalma. A teljes elsődleges biomasszából 269-402 PJ-ra tehető az energetikai célokra fordítható potenciál, ami 30-40 %-os energiahasznosítási arány [8].
3.2 A másodlagos és harmadlagos biomassza Az elsődleges biomasszából eredeztethető a másodlagos és a harmadlagos biomassza is. A másodlagos biomassza az állattartás fő-, és melléktermékeit, illetve az állatvilág hulladékait jelenti. A harmadlagos biomassza pedig a különböző területek, mint például az élelmiszeripar, a könnyűipar, a faipar, és az emberi települések hulladékait, melléktermékeit, takarja. Az állattenyésztés évente közel 17,8 millió tonna elsődleges biomasszát használ fel, és ebből 7,1 millió tonna másodlagos biomasszát állít elő. A másodlagos biomassza kisebb része a főtermék, ez 1,4 millió tonnát fed le, amely elsősorban hús, ebből energetikai célokra kevés hasznosítható. Nagyobbik része melléktermékként keletkezik, ez 5,7 millió tonna. A harmadlagos biomassza az elsődleges és másodlagos biomasszáknak a feldolgozásakor keletkező különböző hulladékokat, és melléktermékeket foglalja össze. Évi potenciálját 8
helyileg és országosan egyaránt becsülik. A különböző állatfajoknál évente keletkező fajlagos trágyamennyiség a következőképpen alakul: 3. táblázat Néhány állatfaj évi átlagos trágyatermelése
Évenkénti mennyiség *[m3/év]; **[t/év] Szárazanyag-tartalom [%] Száraz szervesanyag [kg/év]
Szarvasmarha (625kg)
Sertés (6 hízó)
Baromfi (100 tojó)
22,5*
15*
6,3**
9 1.760
7-8 840
22-23 1.070
Az állati és települési eredetű, évente keletkező biomassza mennyiség a következő táblázat alapján becsülhető éves szinten:
4. táblázat Éves hulladék országosan becsülve Állomány
Eredet Szarvasmarha Sertés Baromfi Vágóhíd Folyékony Szilárd
Állattenyésztés Település
700.000 db 4.200.000 db 41.000.000 db 7.000.000 fő 10.000.000 fő
Összesen
Bio-hulladék mennyisége [millió t/év] 11 31 0,9 0,4 5 5 53,3
A harmadlagos biomassza az elsődleges biomasszának mintegy felét teszi ki, ezt mutatja a következő táblázat:
5. táblázat Harmadlagos biomassza éves potenciálja Harmadlagos biomassza Trágya Almos trágya Hígtrágya Élelmiszeripari hulladék Települési hulladék Szennyvíz Szilárd szerves Összesen 9
Éves energiapotenciál [PJ/év] 45 31,5 13,5 0,3 438 406 32 483
Az energetikai célokra fordítható biomasszát számos tényező befolyásolja. Legfőképpen a mezőgazdasági termelés struktúrájától, és piacától függ az energetikai potenciál. Ha az állatállományt csökkentjük, akkor kevesebb állati eredetű hulladék keletkezik, viszont a csökkenő takarmányigény egyidejűleg mezőgazdasági termőterületet szabadít fel az energiaültetvények számára. Ha az élelmiszeripar mezőgazdasági termékek iránti kereslete csökkenne, akkor azt részben energetikai célokra lehetne fordítani. A kimerülő energiaforrások árnövekedése és beszerzési nehézségei, kockázatai fokozzák az energetikai jelentőségét a biomasszának. Nyilvánvaló, hogy biomassza energetikai hasznosításában a mezőgazdaság és az energiaellátás jövője nagymértékben összefügg [8]. Az utóbbi években az iparilag fejlett mezőgazdasággal rendelkező országokban az élelmiszer túltermelést a közvetlen energiatermeléssel tervezik levezetni. Így nő az energiacélra termesztett repce, energetikai fa, burgonya, gabonafélék termelése, sőt a kifejezetten energetikai célra nemesített növények (kínai nád, elefántfű) termelése is. Ilyen megoldás a magyar mezőgazdaság számára is kibontakozási lehetőséget kínál, hiszen jelentős területek szabadultak fel az állatállomány sajnálatos csökkenése és a rosszabb adottságú szántók művelésének felhagyása következtében [9].
3.3 A biomassza származási ágazatai Erdőgazdálkodásból származó biomassza: 1. Energiatermelésre felhasznált, az erdőkből és más erdős területekről származó közvetlen fabiomassza-ellátás 2. Energiatermelésre felhasznált közvetett fabiomassza-ellátás Mezőgazdaságból és halászatból származó biomassza: 1. Energiatermelésre közvetlenül felhasznált mezőgazdasági termények és halászati termékek 2. Energiatermelésre
felhasznált
mezőgazdasági
maradványok és halászati melléktermékek
10
melléktermékek;
feldolgozott
Hulladékból származó biomassza [10]: 1. Szilárd települési hulladék biológiailag lebontható része (kertekből és parkokból származó biológiailag lebontható hulladék, háztartási fa, konyhai hulladék, éttermi, vendéglátó-ipari és bolti létesítmények hulladéka, és az élelmiszer-előállító üzemek hasonló hulladéka), hulladéklerakó-gáz 2. Ipari hulladék biológiailag lebontható része (papír, karton, raklapok is) 3. Szennyvíziszap
3.4
Felhasználás szerinti csoportosítása
1. ábra A biomassza hasznosításának lehetőségei
Tüzelhető biomassza: A tüzelhető biomasszák nagy általánosságban alacsony nedvességtartalmúak, és ennek
megfelelően magas fűtőértékűek. A szilárd bioanyagok eltüzelésénél a nyert füstgázt, a termelt gőzt, vagy a forró vizet legcélszerűbb hő ellátásra, villamosenergia-termelésre, illetve kapcsolt energiatermelése hasznosítani. A tüzelhető biomasszákkal szemben fontos követelmény, hogy az éghetetlen hamutartalmuk olyan vegyi összetevőkből álljon, amelyek a kazánberendezést nem károsítják, illetve nem olvadnak rá a fűtőfelületekre, és nem okoznak jelentős levegőszennyezést.
11
A legelterjedtebb tüzelhető biomassza-fajták: tűzifa apríték (erdei lágy vagy keménylombos erdőkből, fűrészüzemi hulladékokból, lágyfa-energiaültetvényekből (például nyárfa) előállítva, fűrészpor (fűrészipari melléktermék), szalma, energiafű, és ezek végtermékeként a pellet.
Elgázosítható biomassza:
A biológiailag elgázosítható biomassza nagyobb nedvességtartalmú növényi hulladékból, vagy állati hulladékból áll. Például: cukortartalmú növények, zöld növényi hulladék, állati szennyvíziszap, trágya. Biomassza elgázosítás történhet elgázosító kazánban is, ahol tökéletlen égés során nyerünk úgynevezett generátorgázt.
Gépjármű üzemanyagként hasznosítható biomassza [11]:
Ezeket a biomasszákat két alapvető csoportra bontjuk a helyettesített tüzelőanyag fajtája szerint: a) Benzin
(bioetanol):
magas
cukortartalmú
(cukorrépa,
cukornád),
magas
keményítőtartalmú (kukorica, burgonya, búza) vagy magas cellulóztartalmú (szalma, fa, nád, energiafű) növények, amelyekből etanol gyártható. b) Dízel (biodízel): magas olajtartalmú növények, amelyből az olaj kisajtolható, és egyszerűbb vegyszeres kezelések után a diesel olajhoz hasonló anyag nyerhető (például repce, olíva, napraforgó). A biomassza energiahordozók energetikai átalakításának célja, hogy közvetlenül hasznosítható energiahordozókat nyerjünk. Ezen belül a cél lehet hőtermelés, villamos energiatermelés vagy motor hajtóanyag előállítása. Minél kevesebb lépésben történik az átalakítás annál nagyobb a nettó energia hozam, viszont ezzel együtt annál helyhez kötöttebb a nyert energia felhasználása. Ellenben minél több lépcsős az átalakítás annál kisebb a nettó energia hozam, és annál kisebb fokú a felhasználás helyhez kötöttsége. Az átalakítási módok körül a legegyszerűbb a tüzelés, viszont ezt drágítja a brikettálás, és a pelletálás, azonban csökkenti a szállítás költségeit a tömörítés révén, ugyanakkor a tüzelés automatizálásában is előnyt jelent. Továbbá ezek a műveletek csökkentik a nettó energia kinyerési arányát is. A gázosításhoz, illetve biogáz termeléshez már bonyolultabb, és fajlagosan költségesebb berendezések szükségesek. A legtöbb átalakítást a metanol-, az etanol, az alkohol-, és a
12
növényi olaj termelése tartalmazza. Ezeknek a legkisebb a nettó energia hozama, a növényi olaj kivételével, ezen felül az így létrehozott energiahordozó hasznosítási lehetősége, és a felhasználási helyhez kötöttsége is a legkisebb fokú. Környezetvédelmi szempontból a biogáz termelés kiemelkedik, mivel ez kifejezetten csökkenti a környezetterhelést, azáltal, hogy olyan szerves anyagokat használ fel, amelyek komoly környezeti terhelést jelentenének, ha nem termelnénk belőlük biogázt [9].
4. Biomassza potenciál Magyarországon A teljes biomassza készlet Magyarországon 350-360 millió tonnára becsülhető. Ebből a mennyiségből 105-110 millió tonna elsődleges biomassza évente újratermelődik, ennek nagy része felhasználásra is kerül. Az évente képződő növényi biomassza bruttó energiatartalma 1.185 PJ, ez meghaladja az ország teljes éves energiafelhasználását úgy, hogy a hazánk területére jutó napenergiának csak 0,3 %-át hasznosítják a növények. A növénytermelés és erdőgazdálkodás hazánkban a befektetett összenergia négy-ötszörösét termeli meg biomasszaként, vagyis ennyi az energiahatékonysági mutatója. A mezőgazdasági fő- és melléktermékek közel 58 millió tonnával járulnak hozzá Magyarországon az évente megújuló biomassza készlethez. Az elsődleges biomasszának csak kis része – 4,5-5 millió tonna kerül emberi fogyasztásra közvetlenül, míg az állatok takarmányozására 16-17 millió tonna fordítódik. Ipari feldolgozásra további 6-7 millió tonna jut. Az erdők 9 millió tonna biomasszát biztosítanak évente, a teljes élőfában meglévő mennyiség 250 millió tonnára becsülhető. A biomassza egy része a talaj szerves anyag készletét gyarapítja elsődleges, vagy másodlagos formában. A növényi biomasszából, ami az elsődleges, a talajt gazdagítják (7-8 millió tonna). A másodlagos biomasszaként pedig az állati trágyákat hasznosítják (5-6 millió tonna). A megújuló energiák a magyarországi energiafelhasználásnak körülbelül 3,2-3,6 %-át (34-38 PJ/év) adják. A növényi eredetű biomassza ebből mintegy 2,8 %-ot tesz ki, ennek túlnyomó részét az erdeinkből kitermelt tűzifák adják [12].
13
6. táblázat: A magyarországi biomassza potenciál számokban [13] Primer produkció
Millió t
Szekunder produkció
Ezer db
Ezer t
Tercier produkció
Millió t
Gabonaféle
13,7
Szarvasmarha
800
640
szilárd szerves
5
Ebből búza
5,2
Sertés
4.900
560
kommunális szennyvíz
17
Kukorica
6,5
Juh
1.100
80
veszélyes hulladék
0,5
Olajnövény
1
Baromfi-féle
19.400
80
élelmiszeripari melléktermék
1
Egyéb ipari
3,3
Ló
70
60
Szálastakarmányok
7
26.300
1.420
Zöldség
2
Gyümölcs
1
trágya*
7.000-8.000
Melléktermék
28-30
almos trágya
3.900
Gyökérmaradvány
8-10
hígtrágya*
4.000-5.000
Gyep, nádas
3
állati termékek
3.000-35.00
Erdő
9
Összesen
75-77
Mindösszesen
105110 250
Teljes élőfa-készlet
710
10.00011.000
23,5
Jelmagyarázat: *szalma, illetve víz hozzáadása nélkül
5. A biomassza hasznosítása 7. táblázat: Biomassza hasznosítási lehetőségek és volumenek Sorszám 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
14
Hasznosítható biomasszaféleségek Gabonaszalmák Kukoricaszár Szőlővenyige, gyümölcsfanyesedék Szarvasi energiafű Energetikai faapríték Biogáz szubsztrát Repce RME-nek Kukorica ETBE-nek
Mennyiség ezer [t/év] 2.400-2.800 4.000-5.000
Nyerhető energia [PJ/év] 28-34 48-60
350-400
5-6
500-600 1.200-1.800 8.000-10.000 220-250 2.000-3.000
6-7 25-30 7-9 3,5-3,8 24-27
Magyarország ökológiai adottságai nem a legmegfelelőbbek a repcetermelésnek. Elfogadható hozamok mellett körülbelül 250-270 ezer tonna repcemag állítható elő, amelyből 100-110 ezer tonna biodízel nyerhető. Ez még nem fedezi teljes egészében a hazai dízelüzemanyagok bekeverési igényét, amely 120-130 ezer tonna évente. A hazai energetikai célú repcetermelés területét meg lehet duplázni és így a motorüzemanyag gyártók RME igényét legalább 80 %-ban célszerű hazai forrásból fedezni. A biodízelnél kedvezőbb feltételek mellett állítható elő bioetanol, ennek az alapanyagát a hazai kukoricatermés egy része képzi. Évente átlagosan 6-7 millió tonna kukorica terem. Takarmányozásra kevesebbet használunk fel az állatlétszám csökkenése miatt. Ennek hatására nő az export, és az ipari feldolgozásra kerülő kukorica mennyisége is. Évente akár a 2-3 millió tonnát is elérheti az ipari feldolgozásra felhasználható kukorica volumene. Ebből a bioetanol gyártása használhat fel a legtöbbet, mennyisége akár a 700-800 ezer litert is elérheti évente. A jelenlegi magyarországi
bioetanol
gyártó
kapacitás
az
élelmiszeripar,
az
italgyártás,
a
gyógyszergyártás, illetve a vegyipar igényeit elégíti ki. A következő évek feladata a minél több, 50-100 ezer tonna/év kapacitású, napi 150-250 tonna bioetanolt gyártó kapacitás kiépülése [12].
5.1 Bioüzemanyagok
2. ábra: A bioüzemanyag előállítása, és hasznosítási rendszerkapcsolata [14] 15
A növényi fotoszintézis során keletkezett zsírsavakból vagy szénhidrátokból üzemanyagok állíthatók elő, megfelelő eljárásokkal. A bio- előtag elterjedt használata arra utal, hogy mezőgazdasági termékeknek a felhasználásával készültek ezek az üzemanyagok. A bioüzemanyagoknak két csoportja van. Az egyik a növényi alapú nyersanyagokból alkoholt(bioetanol), és a növényi olajokból észterezéssel nyert biodízel. A világon a legnagyobb mennyiségben bioetanolt állítanak elő bioüzemanyagként. Ez egy szerves vegyület, az etilalkohol. Cukortartalmú növényi anyagok erjesztésével készül, ez a benzint helyettesítheti. A növényi alapanyagok a következők lehetnek: cukornád, cukorrépa, kukorica, búza, burgonya, fa, fűfélék, szalma stb. Az alkohol előállítása cukorból viszonylag egyszerű folyamat. Egy közönséges élesztőgomba levegőtől elzárt környezetben a cukrot alkohollá alakítja
át.
Az
erjesztés
során
alacsony
alkoholtartalmú
(10-18
%),
szilárd
maradványanyagokat is tartalmazó cefrét kapunk. Az alkohol kivonását a cefréből több fokozatú desztillációval érhetjük el. A tiszta alkoholt denaturálják, a végfelhasználástól függően, vagy a benzinbe keverik közvetlenül. A bioetanol hátránya, hogy könnyen elegyedik a vízzel, illetve a benzin üzemű autókban maximálisan 20-22 % arányban keverhető be. Magyarországon 2007 óta kapható E85 üzemanyag keverék, ami 15 % benzint, és 85 % bioetanolt tartalmaz. Ezt az úgynevezett FFV (Flexible Fueled Vehicle) motorokkal rendelkező járművekkel lehet használni. A bioüzemanyagok másik csoportja a biodízel, amely növényi olajt tartalmazó alapanyagokból (repce, napraforgó, szójaolaj, pálmaolaj), illetve sütésre használt étolajból, és állati zsiradékokból állítják elő metanollal vagy etanollal való átészterezéssel. Ez azért fontos, hogy a nehéz viszkózus növényi olajok és zsírok folyási minőségét javítsák, lehetővé téve üzemanyagként való alkalmazhatóságát. Az így előállított biodízel fűtőolajként is használható [15].
5.1.1 Az első és második generációs bioüzemanyagok Az első generációs bioüzemanyagokat egyszerű technológiák, valamint kémiai folyamatok segítségével nyerik ki a gabonából (kukoricából), és a cukornádból. Ezek az első generációs üzemanyagok a hagyományos üzemanyagokkal alacsony arányban keverve ma már a legtöbb járműben használhatók, illetve a már jelen lévő infrastruktúrára támaszkodva forgalmazhatók.
16
3. ábra Cukornád Az Európai Unió a jelenlegi és jövőbeli lehetőségek maximális kihasználása érdekében kötelezettséget vállalt az első generációs bioüzemanyagok piacának ösztönzésére. Ez új technológiák megjelenését jelenti. A kukorica kedvezőbb alapanyag a búzánál, mivel egy tonna bioetanol előállítására kevesebb mennyiséget kell felhasználni. A kukoricának további előnye, hogy magasabb a termésátlaga. Így egységnyi termőterületen több mint másfélszeres mennyiségű bio- alkohol állítható elő kukoricával.
4. ábra Kukorica, mint bioetanol alapanyag Az életciklus-elemzés, a gazdasági számítások és a földrajzi adottságok miatt az első számú bioetanol alapanyag Magyarországon a kukorica. Az exportálandó termékfelesleg és a mezőgazdasági hulladéknak minősülő szárak és csutkák kiváló alapanyagot jelentenek.
17
5. ábra Bioetanol alapanyagok A második generációs bioüzemanyagok előállítására szolgáló biofinomító egy új technológia. Ezzel nagyon sok, és értékes vegyület nyerhető ki a biomassza átalakításából minimális hulladék mellett. A környezetre nézve a károsanyag-kibocsátása is elenyésző. Ez az új technológia lignocellulóz átalakításával állít elő etanolt, tehát energia felszabadítással járó folyamat. A második generációs üzemanyagok előállításához az alapanyagot a cellulózban gazdag
zöldenergia
hordozó
szolgáltatja.
Kutatások szerint
ennek
a
technológiának a használata lényegesen nagyobb arányban járul hozzá az üvegházhatást okozó gázoknak a csökkentéséhez [9].
5.2
Biodízel
A korszerű mezőgazdasági technológiák kialakulása, a magas hozamú fajták elterjedése és a törekvés a termelési optimumra ahhoz vezetett, hogy a mezőgazdaság jóval többet tud termelni Európában, mint amekkora a kereslet. Az Európai Unió agrárpiaci rendtartása ezt a problémát úgy orvosolja 1992-től, hogy ösztönzi, és anyagi eszközökkel támogatja a termőterületek 5-15 %-ának egy-egy vegetációs periódusra történő parlagon hagyását. Ez a rendtartás engedélyezi a parlagon hagyott földeken az ipari nyersanyagok termesztését, köztük az energetikai nyersanyagokét is. A repce, a napraforgó, a szója és egyes pálmafajták azok az olajnövények, amely a legkedvezőbb tulajdonságokkal rendelkező biodízel alapanyagok. Európai kontinenseken leginkább a repce, és a napraforgó termeszthető. Hazánk déli részén, illetve Dél-Európában a szóját is termesztenek. Közvetlenül felhasználható motorikus üzemanyagként a repcéből, és a napraforgóból kinyert olaj, ez a triglicerid. 18
Hátrányaihoz tartozik, hogy a motorokat át kell alakítani, mivel a dízelhez képest magas az üzemanyag viszkozitása, ezáltal megnő a motor fogyasztása, bonyolult a szabványosítása, és az oxidációs katalizátor használata nehézségekbe ütközik. Ezeknek a hátrányoknak a kiküszöbölése átészterezéssel történik. A folyamat során a repce-, és a napraforgó olajat lúgos közegben metanollal reagáltatják. A kapott termék repce, és napraforgó olaj-metilészter (RME), és glicerin. A repceolaj-metilészter (RME) nem más, mint a biodízel [9].
6. ábra Repce tábla
5.3 Biogáz A biogáz különböző szerves anyagokból anaerob erjedés során képződő gáz, azaz oxigénmentes környezetben végbemenő folyamat. Összetétele függ a kiindulási szerves anyag alkotóelemeitől, illetve az erjedési folyamattól. Elsősorban a mezőgazdaságból származó másodlagos biomasszából, leginkább állati eredetű szerves trágyából állítható elő. Mesterségesen előállított, vagy spontán reakciók következtében létrejött biogáz 50-70 % metánt, 28-48 % szén-dioxidot, valamint 1-2 % egyéb gázt (kénhidrogén, nitrogén) tartalmaz [16]. 2005-ben az FVM és az MTA Megújuló Energetikai Technológiák Albizottság által készített tanulmány szerint 25-48 PJ/év értékre becsülhető a teljes biogáz potenciál [17].
7. ábra: A biogáz körforgása 19
A következő alapanyagokat lehet használni a biogáz előállításához:
mezőgazdasági melléktermékek,
élelmiszeripari melléktermékek,
lejárt szavatosságú élelmiszerek,
biomassza céljára termelt növények,
kommunális hulladék szerves része,
települési szennyvíziszap.
Ha célirányosan feldolgozzák őket, gáz halmazállapotú energiahordozók előállására alkalmasak. Ezeket két nagy csoportba lehet osztani:
biokémiai (anaerob fermentációs) eljárások eredményeként képződő biogáz. Ez az értékesebb.
termokémiai (pirolízis, gázosítás) folyamatokban keletkező gázok.
Mind a pirolízis és elgázosítás technológiai tőkeigényes, leginkább települési hulladékok feldolgozására javasolhatók. A biogáz termelési technológia pedig a mezőgazdasági üzemekben, farmgazdaságokban alkalmazhatók [17]. A biogáz üzemek a kor technikai színvonalán a kérődzőkben lejátszódó folyamatokat utánozzák, gyengébb hatásfokkal.
8. ábra Biogáz üzemi technológia, szarvasmarhán bemutatva
20
A biogáz képződés előfeltételei:
a szerves anyag,
a levegőtől, oxigéntől elzárt körülmény,
a metanogén baktériumok jelenléte,
állandó és kiegyenlített hőmérséklet,
folyamatos keveredés,
kellően aprított szerves anyag,
a metanogén és acidogén baktériumok különböző, s egymással szimbiózisban tevékenykedő törzsei is szükségesek.
A biogáz keletkezése: Elméletileg 4÷98 °C között lehetséges. Minden hőmérsékleti tartományban a metanogén baktériumok más-más törzse tevékenykedik. A különböző technikai szintet jelentő biogáz telepeken a szokásos lebontási hőmérséklet a következőképp alakul:
pszichofil zóna, azaz a környezeti hőmérsékleten termelő biogáz berendezés,
mezophil, azaz 28÷36 °C között termelő biogáz telep,
termophil, azaz 48÷53 °C hőmérsékleten termelő telep.
A biogáz gyártáshoz alkalmazható technológia meghatározó tényezője a feldolgozandó szerves anyag szárazanyag-tartalma. Szükség van a folyékony szennyvizek, és a hígtrágyák biogázos kezelésére, amelyek lényegesen más technikai feltételrendszert kívánnak, mint a nedves, a félnedves, vagy a szilárd (kommunális) szemét. Az emberi tevékenység során, a hulladéklerakókon, szennyvíztelepeken, állattartó telepeken spontán mennek végbe a természetes metángáz képződési folyamatok. A biogáz üzemben szabályozott körülmények között termelt metán elégetésekor szén-dioxid, víz és jelentős mennyiségű energia keletkezik [18]. 5.3.1 A biogáz felhasználása Lehetőség nyílik a termelőüzemen belüli eltüzelésre és áramtermelésre gázmotorban. Az előállított áramot ekkor értékesíteni lehet zöld áramként, betáplálva a villamos hálózatba. Ez esetben minimum a kénhidrogéneket és a vízgőzt el kell távolítani, mert azok a motor élettartamát jelentősen lecsökkentik. Ha az üzemen belül kívánják felhasználni a biogázt, mód van kazánban való eltüzelésre, mellyel az üzem részeit fűtik. Gázüzemű hűtőgépben való 21
eltüzelésre is mód nyílik, amelynek segítségével technológiai vagy kommunális hűtést valósítanak meg. Ezekben az esetekben a gázt már jobban meg kell tisztítani, azaz el kell távolítani a szén-dioxid nagy részét, különben a fűtőérték nagyon alacsony lesz. További lehetőség, a gázt alaposan megtisztítva, gépjárművek meghajtására használni. Ekkor a biogázt már lehet közvetlenül is értékesíteni. A legfejlettebb lehetőség, hogyha a biogázt teljesen, földgáz minőségűre megtisztítva, a gázelosztó rendszerbe táplálják. Ekkor viszont már nem biogáznak hívják, hanem biometánnak, mivel metán tartalma minimum 95 %, fizikai és kémiai jellemzői megegyeznek a földgázéval. A betáplálás megvalósításához a biometánt szagosítani kell, a megfelelő nyomásra kell komprimálni, és a csatlakozó Elosztói Engedélyes rendszeren lévő földgázzal megegyező fűtőértékre kell beállítani. Nem kell attól tartanunk a közeljövőben, hogy elfogyna a kitermelhető földgáz, esetleg nem lehetne villamos energiát előállítani más forrásból. A megújuló energia mivoltáért szükségünk van a biogázra. Hazánk kötelezettséget vállalt a többi Európai Uniós tagállammal a termelt energiában lévő megújuló energiák részarányára. Ebben szerepet tudnak vállalni a már megépült, illetve a közeljövőben épülő biogáz üzemek. Továbbá a fenntartható fejlődéshez, és a fenntartható környezethez szükség van mindenféle megújuló energiára rövid, és hosszú távon is [16].
5.3.2 A biogáz képződésének szakaszai, és fázisai
9. ábra A biogáz képződése [17] 22
A biogáz egy megújuló energiaforrás. Technológiája környezetkímélő hatású, továbbá csökkenti a légkörbe kerülő üvegházhatású gázok mennyiségét. Víztelenített, kéntelenített biogáznak 1 köbméter energiatartalma (körülbelül 60 % metántartalommal), megegyezik 0,6 liter fűtőolajéval, vagy 0,6 köbméter földgázéval. A lebontási maradéka egy nagyon jó minőségű homogén trágya, ami talajerő-utánpótlásra teljes mértékben alkalmas, ezáltal az energiatermelés után- szintén -, mint tápanyag visszakerülhet a földekre. A biogáz-üzemek alkalmasak a szerves hulladékok feldolgozására, átalakítására, illetve megsemlegesítésére, miközben energiát termelnek [19].
10. ábra: Biogáz-üzem, Pécs
5.4 Biomassza eltüzelése A tüzelés a legegyszerűbb módja a biomassza energetikai hasznosításának. A tüzelés során nyert hőt a hőellátásban értékesítik. A biomassza tüzelőanyagok tüzelési jellemzői lehetnek azonosak, illetve eltérőek. A melléktermékek fűtőértéke függ a környezetet befolyásoló tényezőktől, - ez lehet a nedvességtartalom, tárolási feltételek -, továbbá a kiinduló anyagtól, és a széntartalomtól. 8. táblázat: Biomasszák tüzeléstechnikai jellemzői Kémiai összetevők [%]
Biomassza Búzaszalma Kukoricaszár Fa Kéreg Fa, kéreggel Repceolaj Etanol Metanol 23
C 45 44 47 47 47 77 52 38
H 6,0 5,8 6,3 5,4 6,0 12,0 13,0 12,0
O 43 40 46 40 44 11 25 50
N 0,6 1,3 0,16 0,40 0,30 0,10 0 0
S 0,12 0,12 0,02 0,06 0,50 0 0 0
Fűtőérték
Hamu
MJ/kg 17,3 17,5 18,5 16,2 18,1 26,9 26,9 19,5
% 5,28 8,78 0,52 7,14 2,65 0 0 0
Illó éghető % 74 76 85 76 82 100 100 100
Az égetés során az égési levegőigény és a keletkező füstgáz mennyisége kisebb, mint a szenek égestésénél, az oxigéntartalom miatt. A nedvességtartalom csökkenti a fűtőértéket, a keletkező füstgáz mennyiségét növeli, és ez a kondenzációs jelenségek miatt az elvezetés során gondot okozhat. Fontos jellemző a magas illótartalom. Gabonaszalmát vizsgálva az éghető anyagok 82-86 %-os részarányából 70-80 % illó alkotó. Ezek 250÷300
o
C
hőmérsékleten szabadulnak fel nagy mennyiségben az égés folyamán. Az eltüzelendő anyaghoz alkalmazkodó tűzteret kell kiépíteni, mivel a tökéletlen égésnél mérgező CO keletkezik, kevesebb hő szabadul fel, a füstgázok éghető alkotórészeket tartalmazhatnak. A tüzelési célra hasznosítható faféleségek széles választékot adnak: tűzifa, hasábfa, erdei aprítékfa, fűrészelési melléktermék. A fából nyerhető energia mennyisége a fűtőértékkel jellemezhető, amely a függ a fa fajtájától, és nedvességtartalomtól. A fa kitűnik különösen alacsony hamutartalmával és magas fűtőértékével, valamint kedvező égési tulajdonságaival [17]. 9. táblázat: Különböző fafajták fűtőértéke Fafajta Fenyők
Lágyfák
Jegenyefenyő Lucfenyő Vörösfenyő Fűzfa Nyárfa Nyírfa
Fűtőérték [kJ/kg] 17.648 19.478 16.612 17.012 17.497 18.439
Fafajta
Lágyfák
Akácfa Cserfa Gyertyánfa Juharfa Kőrisfa Tölgyfa
Fűtőérték [kJ/kg] 17.485 18.135 17.464 17.774 18.125 18.176
5.4.1 A biomassza tüzelésének műszaki feltételei A bio-tüzelőanyagok elégetése előtt különböző megmunkálásokra van szükség. Ezek a következők lehetnek: aprítás (szecskázás, hasítás, forgácsolás, őrlés), és tömörítés (bálázás, pelletálás, brikettálás). A pelletálást és a brikettálást a szárítás előzi meg, mivel a tüzelőanyagok víztartalma általában magasabb, mint amit a technika megkövetel (20 % alatt) [17].
24
5.4.2 Aprítás Az aprításra tervezett gépek különféle szerkezeti megoldással készülhetnek. Lehet kézi működtetésű adapter, és akár egy bonyolult aprítógép is. Az aprításnál fellép, az úgynevezett vágási ellenállás, amely a faanyagok esetében a fafajtól, a fa nedvességi állapotától, az apríték hosszától, a vágókés él szögétől és él vastagságától, a vágási szögtől és a vágási sebességtől függ.
11. ábra: Aprító gépek; elektromotoros és traktorhajtású
Az aprítógép fajlagos energiafelhasználása az üzemi teljesítményből és a tényleges energiafelhasználási értékekből számítható. A tüzelésre kerülő alapanyag aprítása történhet hasítással, darabolással, és forgácsolással [17]. Az aprítás tágabb értelemben olyan művelet, amelynek végzése közben a hasznosítás szempontjából túl nagyméretű, vagy nagyon eltérő megjelenési formájú darabokból álló nyersanyag elemeinek nagyságát a kívánt méretűre csökkentik. A növények esetében az aprítandó alapanyagot két fontos paraméter jellemzi. Ez a hossz (L) és az átmérő (D). Aprítással a nagyobb darabokból kisebb, illetve közel azonos méretű részecskék előállítása történik. A létrejött darabméretek alapján megkülönböztethetünk:
25
elődarabolást
méretre darabolást
előaprítást és
aprítást (durva, normál, finom, és nagyon finom).
Az elődarabolást a nagy darabméretű nyersanyagoknál kell elvégezni. Ez történhet különböző speciális daraboló gépekkel (fűrészes darabolók, hidraulikus vágógépek). A darabolás a nagy átmérőjű és hosszú alapanyag egységes hossz-méretűre vágását jelenti. Egységes tűzifa 1 m-es, vagy a tüzelőberendezésekhez előállított 0,4-0,5 m-es kandallófa előállítására szolgál. A hasítás a nagy átmérőjű faanyag darabolásának másik fontos változata. A hengeres farészeket a rostokkal megegyező irányban hasítva kisebb szelvényű, de a kiinduló mérettel megegyező hosszúságú részekre hasítják. Az így előállított darabok kézzel is könnyen mozgathatóvá válnak. A hasítás többnyire hasítóékkel felszerelt alternáló főmozgást végző gépekkel oldják meg. Nagy a különbség az aprítás közben végbemenő folyamatokban annak függvényében, hogy egynyári lágyszárú növényeket, vagy többéves fákat, fás hajtásokat aprítunk. Az aprítógép funkcionális eleme az aprítórész. Ez a működési elv szerint lehet: tárcsa (a), dob (b), vagy csiga (c).
12. ábra Aprítógép működési elv szerint A tárcsás aprítógép funkcionális egysége az aprítótárcsa (1) a rajta levő késekkel (2) és a vázra szerelt ellenkés (3). A tárcsa forgása közben a kés-ellenkés alkatrészpár hozza létre azokat a vágó-nyíróerőket, amelyek hatására az apríték létrejön. A tárcsa aprítóházban forog. A keletkezett aprítékot az aprítóházból dobosszállítással, dobólapáttal (4) távolítják el. A vágásirány és a rostok által bezárt szög a forgácsolás közben állandó, ezért tömör fa aprításakor az aprítékrészecskék rostirányban mért hossza elvileg állandó. 26
A dobtengelyes aprítógép forgórésze az aprítódob (3). A vágás és a nyírás a dobon elhelyezett kés és az ellenkés között megy végbe. A vágásirány és a rostok által bezárt szög a késél íves pályán történő mozgásának következtében a forgácsolás közben változó, ezért az aprítékrészecskék rostirányban mért hossza is változó. A csigás aprítógépben az aprítást egy kúpos csiga (2) végzi folyamatos vágással úgy, hogy közben a faanyagot (5) folyamatosan behúzza az aprítógaratba (6). A vágás egyszerre több szelvényben folyik, folytonos, ezért az ilyen gépekben lényegesen kisebb dinamikus hatások lépnek fel. Az aprítógépek töltése kézzel, manipulátorral illetve egyéb anyagmozgató géppel történhet. Az aprítógépek a meghajtás (energiaforrás) fajtája szerint lehetnek:
traktorhajtásúak
saját motorral (belsőégésű vagy elektromotor) hajtottak.
A munkahelyhez kötöttség szerint az aprítógépek lehetnek:
mobil (szerelt, függesztett, vontatott, önjáró)
áttelepíthető és
stabil.
13. ábra Apríték
A faapríték a kitermelt fák törzséből, az ágakból, a fafeldolgozás különböző munkafolyamatai során keletkező hulladékból, az erdők ápolása közben kivágott kisméretű teljes fákból, a mezőgazdasági fás melléktermékekből (nyesedék, venyige) készül, aprítógép alkalmazásával. Energetikai hasznosítás esetén a faapríték minősége a tüzeléstechnikai jellemzőktől függ, amelyek az alábbiak: a nedvességtartalom, az aprított fa fajtája, és annak égéshője, az aprítás minősége, a hamu- és idegenanyag-tartalom. A frissen készült apríték 27
nedvességtartalma 45-50 %. Ilyen nedvességtartalom mellett a faanyag már égethető, és energiát szolgáltat, viszont fűtésre felhasználni nem célszerű, mert nagyon sok vizet kell égés közben elpárologtatni. Ez energiát igényel, így az energiatartalom hasznosulásának hatásfoka kicsi. Az aprítékot tárolással szárítani kell, illetve szellőztetéssel, és átforgatással javítani a hatásfokon. A fa fűtőértéke minimális mértékben függ a fafajtól (4-5 %), de sokkal nagyobb mértékben befolyásolja azt a nedvességtartalom [20]. 5.4.3 Tömörítvények előállítása A biomasszák energetikai hasznosításához alkalmazott előkészítő technológiák között nagyon fontos a tömörítvények előállítása. Ezeknek az eljárásoknak célja a biomasszák olyan formába hozása, amelyben a felhasználó a leghatékonyabban tudja hasznosítani. A biomasszák különböző formái:
Az aratás végén a szalma a renden található, szálas, laza formában.
A fakitermelés befejezésekor a gallyanyag a vágástéren szórtan, vagy kisebb halmokban található.
Az energetikai ültetvények betakarítását követően a biomassza többnyire apríték formájában jelenik meg a gyűjtőhelyen.
A fafeldolgozáskor fűrészpor, faforgács keletkezik.
A felhasználó a tüzelőberendezésének működési jellemzőitől függően igényelhet:
aprószemcsés, homogén, nagy energiasűrűségű tüzelőanyagot,
könnyen kezelhető és adagolható, kis tárolási helyet igénylő anyagot,
homogén aprítékot,
nagyberendezésekhez méretes bálát.
A két technológiai folyamatot és állapotot a logisztika kapcsolja össze, így fontos:
a jól tárolhatóság,
a tárolás kis helyigénye,
a rakodáshoz optimális alaki és tömegjellemzők,
a szállítógépek kapacitásának jó kihasználtságát biztosító alaki és sűrűségi méretek.
Mindez a rendelkezésre álló biomassza tömörítését teszi szükségessé [20].
28
Tömörítvények lehetnek [20]: bálák, hasábbálák hengerbálák brikettek valódi brikettek tojásbrikettek hasáb brikettek henger brikettek extrudátumok pelletek fapelletek agripelletek ökopelletek speciális pelletek. 5.4.4 Bálázás A bálázás egy olyan technológia, amit szalma vagy fiatal fás szárú növények esetében alkalmazhatunk. Biomasszából főként a könnyebb kezelhetőség, tárolhatóság, illetve szállíthatóság miatt készítik. Kis-, illetve nagy hasábbálák, kötegbálák, hengeres bálák, szögletes bálák, körbálák készíthetőek, a sűrűség és a súly meghatározó paraméterek. Figyelembe kell venni bálázásnál a gép energiaigényét, hatásfokát, illetve teljesítményét [19]. Manapság már sok az olyan tüzelőberendezés, amelyik tüzelőanyagként bálát használ, úgy, hogy a betáplálás bála formájában történik, és csak közvetlenül a tűztér előtt történik meg a bálaaprítás. Létezik még teljes bálát fogadó és égető berendezés is.
14. ábra: Bálázás 29
A kötegbála viszonylag egy új termék, az előállítása is speciális technikával történik. Az alapanyag vékony fa, vágástakarítási hulladék, energetikai faültetvények faanyaga lehet. Az eljárást azért fejlesztették ki, mivel a fakitermelés közben, vagy nevelővágásokban viszonylag vékony, nagyon elágazó gallyanyag képződik. Ezeknek a szállítógépre rakása, aprítása nehezen és magas költségekkel oldható meg [20].
15. ábra Kötegbála 5.4.4.1 A bálázók üzemeltetése A hengerbála-készítők egy egyszerű felépítésű préselő egységből, és kötözőegységből állnak. Az anyagot úgy alakítják henger alakú bálákká, hogy a rendre vágott, és száradó biomasszát a bálázó gép felszedő szerkezete felszedi a talajról, és egy anyagmozgató berendezés a felszedett anyagból összeálló paplant egy állandó, vagy változó terű tömörítőgépbe juttatja, ahol ez a paplan a tömörödés közben felcsévélődik. Ezeket a rendfelszedő berendezéseket munkahelyzetben csúszó talpak, vagy görgők támasztják alá. Működési magasságuk szabályozható. Valamennyi típus esetében a munkahelyzetbe állítás, és a kiemelés a traktor hidraulika hálózatáról működtetett munkahengerekkel történik. Ha a bála a megfelelő tömörséget elérte, egy kötöző szerkezet bálazsineggel több helyen átköti, vagy rögzítőhálóval lezárja. A kész bálát a gép kidobja a tarlóra, ezt később szállítógéppel viszik el. A tömörítés erősségétől függően lehetnek kisnyomású-, és nagynyomású kockabálázók. A kisnyomású kockabálázók esetében a préskamra és a felszedő berendezés szélessége megegyezik. A bálázók a begyűjtött anyagot hasáb alakú bálákká alakítják. A bálák sűrűsége 40-100 kg/m3 között lehet.
30
Manapság már csak kevés helyen használják ezeket a bálázókat, de kisteljesítményű-, nagytűzterű kazánoknál szükség van rájuk. A nagynyomású hasábbálázók esetében a bálák sűrűsége elérheti a 200 kg/m3-t is. A préskamra keresztmetszetének méretétől függően ezek a bálázók két további alcsoportra oszthatók: a kisméretű bálákat készítőkre (a préskamra keresztmetszete körülbelül 0,18 m2) és a nagyméretű bálázókra, ahol a préskamra keresztmetszete körülbelül 0,7 m2.
16. ábra Bálázók üzemeltetése
A rendfelszedő (1) felszedi a tömörítendő anyagot. A felhordó szerkezet a dugattyú (3) előtti tömörítő térbe (4) tolja, ahol zárt fenéklap mellett folyik a tömörítés. Ha a bála létrejött, egy hidraulikus rendszer nyitja a fenéklapot, és a bála a bálakocsira (6) kerül [20].
5.4.5 Brikettálás Ennél a folyamatnál a már aprított állapotban lévő növényi részeknek a préselése történik. Tömörítés közben jelentősen nő az anyag sűrűsége, ez a brikettálásnál 20-30 %-os sűrűségnövekedést okoz. A porszerű, faipari hulladékok esetében hatékony eljárás, hiszen a hulladék térfogata akár a tizedére is csökkenhet. A brikettek átmérője körülbelül 100-155 mm lehet. Fűtőértéke 17-18 MJ/kg, ez magasabb, mint a hasábfa, és egyes hazai szénfajtákra jellemző érték. Viszont hátránya a szénnel szemben, hogy csapadék, vagy egyéb nedvesség hatására szétesik. A folyamat hatásfoka 98-99 %-os lehet, amely azt eredményezi, hogy a tömörített anyag energiatartalmának csupán 1-2 %-a használódik el brikettáláskor [19].
31
17. ábra: Brikett
A
biomassza-bázisú
brikettálás,
egy
olyan
tömörítő
eljárás,
amelyet
olyan
tüzelőberendezések tüzelőanyaggal történő ellátásához fejlesztették ki, amelyeket elsősorban darabosfa vagy faapríték elégetésére terveztek. A brikettálás során az energetikai tömörítvényt fafeldolgozási hulladékokból, mezőgazdasági melléktermékek őrleményeiből készítik. A biomasszából készülő tűzi brikett (biobrikett) fák vagy más lignocellulóz tartalmú anyagok finom aprítékából, fűrészporából esetleg forgácsából készül. A tömörítvények előállítása tömörítő gépekkel történik. A brikettálásból származó tömörítvények lehetnek: valódi brikettek, tojásbrikettek, hasáb brikettek, henger brikettek, és extrudátumok. Valódi brikett: Jellemzője, hogy a tömörítő gép meghatározott térfogatú és alakú brikettet állít elő. A gépek tömörítő részének befogadóképessége szintén meghatározott méretű, ezért a brikett sűrűsége [g/cm3] nagymértékben függ az alapanyag halmazsűrűségétől. Tojásbrikett: két forgó préshengerrel készíthető, ezek palástján szimmetrikusan összeforgó fél tojás formájú kimarások vannak. A gépre jellemző tömörítési viszonyszám kicsi, így viszonylag nagy sűrűségű anyagok brikettálására alkalmas. A szénbrikett-gyártók használják. Ezzel a megoldással nem célszerű biomassza-bázisú brikettet kötőanyag használata nélkül előállítani. A faszénpor kivétel, ezt melegített hengerekkel, és keményítő adagolásával sikerülhet biobriketté préselni.
18. ábra Tojásbrikett
32
Hasáb brikett: határozott alakú, többnyire téglatest formájú tömörítvény. Előállításánál az alapanyagot meghatározott térbe sajtolják. A teret lezárhatja fenéklap, vagy másik présfej. Ez a megoldás alkalmas biomasszák brikettálására, mivel nagy tömörítési viszonyszám jellemzi. Henger brikett: kétféle technológiából származhat. A valódi henger brikett a hasábbrikettkészítő technológiára jellemző módon állíthatják elő. Az extrudátumként előállított termékből darabolással készül [20].
1. ábra Henger brikett
Extrudátumok: Folyamatos tömörítéssel hozhatók létre, szakaszos vagy folyamatos tömörítvény-mozgás mellett. A tipikusan extrudátomot előállító présgép csigás, és a préscsiga hozza létre azt az anyagmozgást, amely eredményeként a gépből tömörítvény lép ki. A megjelenő terméket utólag a kívánt hosszméretre darabolják. A működés hasonló a háztartási húsdarálókéhoz. Kandalló brikett: 60-75 mm átmérőjű, 250-300 mm hosszú, és 1,1-1,25 g/cm3 sűrűségű, kis hamutartalmú (0,2-3,5 %) termék. Ha fából készül, ideális cserépkályhavagy kandalló tüzelőanyag.
5.4.5.1 Biobrikett gyártási technológiái A brikettálandó alapanyagot aprítógépekkel kis méretre (1-5 mm) felaprítják, vagy már eleve kis frakciókból, fűrészporból áll. A tömörítést megfelelő gépek felhasználásával, kötőanyag alkalmazása nélkül végzik. A présgépben fellépő 800–1600 bar nyomás, a préselés közben képződő vagy bevitt hő és a túlnyomásos vízgőz hatására megfelelő hatásidő alatt a farészecskék kapcsolatba kerülnek egymással. Eközben az alapanyag térfogata jelentősen csökken (ezt jellemzi a tömörítési viszonyszám 1:4 - 1:12). A térfogati sűrűség jelentősen nő, meghaladja a természetes fa térfogatsűrűségét (r=1,00 - 1,4 g/cm3) az alapanyag a kívánt idomú briketté alakul.
A brikettgyártás alapvetően két technológiában folytatható. Ezek
beruházási és üzemeltetési költségei alapvetően eltérnek egymástól. 33
Brikettet elő lehet állítani a már szárított faanyagot feldolgozó üzemek por- és finomforgács hulladékaiból, szalmaőrleményből, és az elsőleges fafeldolgozás változó nedvességtartalmú, után aprítást, szárítást, osztályozást és technológiai anyagmozgatást igénylő fűrészpor- fa- és kéreg-hulladékaiból, mezőgazdasági melléktermékekből, termesztett energianövényekből. A legegyszerűbb és legolcsóbb megoldás a száraz, utánkezelést már nem igénylő faanyagok brikettálása. Ha por, vagy finomforgács áll rendelkezésre, akkor csak az alapanyag-tárolásra, brikettálásához
présgépre
50-2.500
kg/h
és
termék-kezelésre
áteresztésű
gépek
van állnak
szükség.
Ilyen
hulladék
rendelkezésre.
Egyszerű
technológiával végezhető a brikettálás abban az esetben is, ha darabos biomassza áll rendelkezésre. Ekkor egy speciális aprítógép gépsorba állításával valósítható meg a technológia. Ha nedves az alapanyag, akkor a brikett előállítása lényegesen összetettebb feladat. Ebben az esetben gondoskodni kell az alapanyag aprításáról, szárításáról, majd ezt követően történhet a brikettálás [20].
5.4.6 Pelletálás Ez az eljárás is a tömeg-, és a térfogat javítására szolgál. A pellet átmérője 6-12 mm között mozog, fűtőértéke pedig 17,3-18 MJ/kg. A pelletálás teljes energiaigényét nézve a rendelkezésre álló adatok nagyon különbözőek. Sok minden múlik az alapanyagnak a nedvességtartalmán. Egyes vizsgálatok szerint 16 MJ/kg is lehet az energiaigény, ez viszont a pelletált fa 80 %-os energiatartalmát felemészti. A tömörítési eljárások akkor lesznek hatékonyak, hogyha a nem hasznosított hulladékok energetikai felhasználását eredményezik, mivel ebben az esetben a szárítás és az aprítás energiaszükséglete elmaradhat [19].
20. ábra: Pellet
34
A pellet kis méretei miatt ömlesztett anyagként kezelhető, ezért bármilyen méretű tüzelőberendezésbe megfelelő. Csigás betáplálás mellett jól szabályozottan adagolható, és így az égés minősége, ezzel a hőtermelés hatásfoka is kedvezően alakul. A pelletet finom aprítékból, fűrészporból, vagy őrleményből készítik, pelletáló gépsorral.
21. ábra Pelletálás
A sok furatot tartalmazó matricára hull a pelletálandó anyag. A présgörgő haladás közben az alapanyag-paplant tömöríti, és megfelelő nyomás létrejötte után a furatokba préseli. A furatokban további tömörödés és maradandó alakváltozás megy végbe. A finom port a pelletálás előtt be kell vezetni egy kondicionáló berendezésbe, itt gőzt kell az alapanyaghoz adagolni, elősegítve ez által a pelletálást. Amennyiben nem megfelelő a pelletált anyag minősége, nem tapad össze eléggé, akkor a kondicionálóban lehetőség van különböző ragasztóanyag hozzáadására is. A ragasztóanyagok hozzáadására szigorú előírások vonatkoznak, ezek nem lehetnek a környezetre ártalmas anyagok és a pelletált anyag 3 %-ánál nem lehet több (EU norma). A fa pelletálása gőz addíciós folyamat nélkül is lehetséges, de kizárólag a gőz hozzáadásával érjük el, hogy a faanyag plasztikusabb és lágyabb legyen. Erre a célra nagynyomású forró gőzt alkalmazunk. A pelletálás során a fa hőmérséklete tovább hevül a matricában lévő súrlódás miatt. Ezt a hőmennyiséget a tárolás előtt feltétlenül el kell vonni. A hűtés levegővel történik egy megfelelő ellenáramú hűtő alkalmazásával. Végül a furatból pellet lép ki. A pelletáló gépeknek két alapváltozata ismert, a síkmatricás, és a hengermatricás. Mindkét esetben a munkavégző fődarab jellege alapján történik az elnevezés. A fapellet tiszta, kéregmentes faanyag poraiból készül. Az alapanyag nem tartalmazhat 0,5 %-nál több hamualkotót, és 0,2 %-nál több ként. Az agripellet szabványosítása folyamatban 35
van. Mezőgazdasági melléktermékekből, ami lehet gabonaszalma, vagy napraforgóhéj, és erdészeti anyagokból már készül pellet. További alapanyagokkal (energianövények, kukoricaszár, repceszár) még kísérleteznek. Az energianád, mint lágyszárú növény tulajdonságai a legközelebb állnak a fáéhoz, így ezt is lehet fapellet-tüzelőben hasznosítani. A többi lágyszárúból készült pellet égetéséhez már speciális agripellet-tüzelőre van szükség, a nagy hamutartalmuk miatt. Ez a hamutartalom 5-10 %-os lehet, és a bennük lévő viszonylag sok kálium, nátrium, és szilícium miatt a hamu alacsony tűztér hőmérsékleten lágyul. Az ökopellet előállítási technológiáinak és hasznosítási módjainak fejlesztése még folyamatban van. Az alapanyag egy része hulladék is lehet, de készülhet pellet speciális komposztból, szennyvíztisztítók iszapjából, biogázüzemek fermentiszapjából is. Ezeket a pelleteket főként nagy
hőtermelők
tudják
eredményesen
hasznosítani.
A
speciális
pellet
ipari
melléktermékekből vagy azok biomasszával együttes keverékéből készülhet. A termék felhasználása is speciális körülmények között történhet [20].
5.4.7 Biomassza alapanyagok felhasználási módozatai
5.1 táblázat: A biomassza alapanyagok felhasználása [19] Biomassza alapanyagok
Feldolgozás technológia
Szalma
aprítás/ pelletálás/ fermentáció
Nád
aprítás
Fásszárúak
Hasábfa
Olajos növények
Gabonanövények
Lágyszárúak
36
Nyert energiahordozó
Halmazállapot
Energiatermelés technológia
Nyert energia
szilárd/gáz
apríték/ mellet-kazán/ gázmotor
hő/ hő+ villamos energia
apríték
szilárd
kazán
hő
aprítás/ brikettálás/ pelletálás
apríték/ brikett/ pellet
szilárd
faelgázosítás/ közvetlen tüzelés
Napraforgó / repce
észterezés
dízelolaj
folyékony
dízelmotor
Búza kukorica
erjesztés +desztilláció
etanol
folyékony
belső égésű motor
hő/ hő+ villamos energia mechanikus hő/ hő+ villamos energia mechanikus /hő/ hő+ villamos energia
apríték/ pellet/ biogáz
5.2 táblázat: A biomassza alapanyagok felhasználása [19]
Biomassza alapanyagok
Feldolgozás technológia
Nyert energiahordozó
Halmazállapot
Energiatermelés technológia
Magas keményítő tartalmú növények
Burgonya
erjesztés +desztilláció
etanol
folyékony
belső égésű motor
Magas cukortartalmú növények
Cukorrépa, cukorcirok
erjesztés +desztilláció
etanol
folyékony
belső égésű motor
Nyert energia mechanikus /hő/ hő+ villamos energia mechanikus /hő/ hő+ villamos energia
6. Tüzelőberendezések A biomassza legrégebbi felhasználási módja, amely szinte az emberiséggel egyidős, energetikai szempontból a tüzelés. A következőkben magát a folyamatot fogom bemutatni.
6.1 Mi az égés? Az égés a tűzvédelem értelmezése szerint a levegő oxigénjével történő egyesülés. Minden tűz égés, de nem minden égés tűz. A tűz nem irányított égés, általában káros következményekkel jár együtt. Az égés irányítható és hasznos [21]. Égésnek nevezzük azt a vegyi folyamatot, amelynek során valamely anyag magas hőmérsékleten hőfejlődés mellett egyesül a levegő oxigénjével [22]. Az égéshez, és így a tűzhöz is a következő feltételek együttes megléte szükséges: éghető anyag, oxigén, gyulladási hőmérséklet, gyújtóforrás. A különböző anyagok máshogyan égnek, legcélszerűbb a halmazállapot szerinti csoportosításuk. A szilárd anyagok változatos módon viselkednek égés közben, de a végtermék minden esetben gőz. Meggyulladásuk a gyulladásponton következik be. Maga a szilárd tüzelőanyag egy meddő és egy éghető részből áll. Az éghető részek a szén [C], a hidrogén [H], a kén [S], és a foszfor [P]. Továbbá nem éghető rész az oxigén [O], a nitrogén [N], a nedvességtartalom [H2O], és a hamu (különböző ásványi anyagok, karbonátok, szilikátok, foszfátok, szulfátok, oxidok stb.).
37
A folyadékok diffúz égéssel égnek, ez a jelenség a lobbanásponton következik be. Ez lehet nyílt-, valamint zárttéri lobbanáspont. Amennyiben a lobbanáspont felett emeljük a folyadék hőmérsékletét, úgy elérhetjük a folyadék gyulladási hőmérsékletét. A gázok pedig diffúz és kevert égéssel egyaránt égnek.
6.1.1 Tűzfejlődés zárt térben Három szakaszra bonthatjuk a tűz fejlődését: 1, Növekedési szakasz: A térben az átlaghőmérséklet viszonylag alacsony, illetve az égés a meggyulladás közvetlen környezetére korlátozódott. 10-25 perccel a meggyulladást követően gyors, és nagyméretű a tűzfejlődés. 2, Kifejlett tűz szakasz: A lángok átterjednek a térben lévő összes éghető anyagra, és kitöltik a zárt tér teljes térfogatát. 3, Hanyatlási szakasz: Akkor kezdődik, amikor az átlaghőmérséklet lecsökken a csúcshőmérséklet 80 %-ra [21].
6.1.2 Tüzeléshez kapcsolódó fontosabb fogalmak Hőmennyiség: egy test hőmérsékletének változása függ a felvett, illetve leadott hő mennyiségétől.
Különböző
hőmérsékletű
testek
egymással
való
érintkezésekor
hőkiegyenlítődés, termikus kölcsönhatás megy végbe. A hőmennyiség ennek a termikus energiacserének a jellemzésére szolgáló fizikai mennyiség. Ezáltal a hőfolyamatok során átadott energia ezzel jellemezhető. Jele: Q. Mértékegysége: Joule [J]. Függ a hőmérséklettől [T], a tömegtől [m] és az anyag minőségétől. Fajlagos hőkapacitás (fajhő): anyagminőségre jellemző állandó. Annak a hőmennyiségnek a számértékét jelöli, amely 1 kg tömegű anyag hőmérsékletének 1 °C-kal történő emeléséhez szükséges. A nagyobb fajhőjű test azonos körülmények között lassabban, míg a kisebb fajhőjű test gyorsabban melegszik fel. Jele: c. Mértékegysége: [J/kgK]. Égéshő: az a hőenergia-mennyiség, amely 1 kg szilárd, illetve cseppfolyós, vagy 1 m3 légnemű 293 K hőmérsékletű anyag tökéletes elégése során felszabadul. Jele: Hf. Mértékegysége [J/kg]. Gyulladási pont: az a hőmérséklet, aminek a hatására az adott anyag, az iniciáló gyújtóforrás elvétele után is ég. Ezáltal az anyag égése önfenntartóvá válik.
38
Fűtőérték: az a hőmennyiség, ami az éghető anyag súly-, vagy térfogategységének elégetésénél felszabadul. Az anyagok hőmérséklete az égés során azoktól a feltételektől függően változik, amelyek között az égési folyamat végbemegy [23]. A biomassza égéshője meghatározható kaloriméterrel (méréssel), vagy számítással: Szilárd anyagoknál: Hf = 338 C + 1420 (H-O/8) + 105 S [kJ/kg] Gázok esetében: Hf = 124 CO + 1420 H + 420 CH4 + Egyéb [kJ/kg] A biomassza fűtőértéke általában 15 MJ/kg értékkel számolható reálisan, 10 % körüli nedvességtartalom esetén.
6.1.3 A tüzelés veszteségei Füstgázzal távozó hőenergia A tökéletlen égés miatti veszteség A visszamaradt anyagok miatti veszteség Füstgáznak a tüzelés során keletkezett gáz halmazállapotú égésterméket nevezzük. Lehet elméleti és valóságos, azaz száraz, illetve nedves füstgázmennyiség, a légfelesleg-tényező függvényében: Vfn = Vfon + (λ-1) · Vo, ahol Vfn a valóságos, Vfon az elméleti nedves füstgázmennyiség, λ a légfelesleg tényező, Vo pedig az elméleti levegőszükséglet. A biomassza égése során különböző égési szakaszok különíthetőek el:
Száradás következik be, ha a hőmérséklet kisebb, mint 100 °C, ekkor a nedvességtartalom különválik.
Molekulák hasadása, és gázfejlődés megy végbe 100 °C és 200 °C között.
Folyamatos égés jellemző 225 °C felett.
Exoterm folyamat – spontán hőtermelés 260 °C felett.
Az összes gáz, és a visszamaradó karbon pedig 1.000 °C körül már elég.
A biomassza-alapú tüzelőberendezéseket általában úgy tervezik meg teljesítménytől függően, hogy a lehető legkisebbek legyenek az egyes szakaszok veszteségei, és a lehető legtökéletesebb, illetve legnagyobb hatásfokú legyen az égés. A szakaszos üzemű berendezésekhez képest a folyamatos üzeműekben biztosítani kell, a fenti fázisok kialakulásának esélyét, illetve a megfelelő hatásfok és károsanyag-jellemzők elérése érdekében kellő mennyiségű O2 rendelkezésre állását. 39
A légfelesleg-tényezőnek az alakulása a tüzelés különböző fázisaiban: Begyújtási fázisban: 2,5 - 7 Égési főfázisban: 1,5 - 2,5 Leégési fázisban: 2,5 - 5 Többfajta hasznosítási lehetősége van a közvetlen eltüzeléssel keletkező hőenergiának. Ezek lehetnek technológiai célok, alkalmazható a direkt fűtéstől a forróvíz- vagy gőztermelésig, fűtésre és melegvízellátásra. A biomassza tüzelés közvetett módjai a gázosítás és a pirolízis. A pirolízis az oxidáló közegek kizárásával végzett hőbontás, ez nagy karbontartalmú anyagoknak a lebontását eredményezi, illetve depolimerizációját. Fa- és egyéb szilárd hulladékok pirolízise során az egyik termék a fagáz, ezt a gázmotor hajtására használva már kedvező hatásfokkal lehet kapcsolt hő- és villamosenergia termelést folytatni [22]. 6.1.4 Szilárd biomasszák égése A szilárd biomasszák égését a következő legfontosabb tényezők befolyásolják:
Az éghető elemek minősége és aránya,
Az illóanyagok aránya,
A szemcseméretek (részecskeméret)
A víztartalom
A hamutartalom.
Az égés közben az éghető anyagokból az oxidáció révén energia szabadul fel, és ez eredményezi a hőtermelést, de az égési folyamat nem csak kémiai reakciókból áll, hanem fizikai és fizikokémiai folyamatok is végbemennek. A szilárd biomassza égése bonyolult folyamat. Már egy kis égési gócban is az elgázosodás, a szenesedés egymásból folyó és egymásba átmenő folyamatai ismerhetők fel, illetve, hogy a különböző folyamatrészekben jelentős a hőmérséklet-különbség. A következő ábrán szemléltetett elemi égés folyamata láncreakció, és ez ismerhető fel a szabad tűzben, a tüzelőberendezésben és a pirolízis közben is.
40
22. ábra Energia felszabadulása tüzelőberendezésben A tüzelőberendezésbe bejuttatott hideg és nedves tüzelőanyag a rostély elején szétterül. A tűztérből származó sugárzó hő hatására először szárad, azaz vízgőz lép ki az anyagból, majd felmelegedve elkezdődik a kigázosodás. A rostély alá vezetett primer levegő a tüzelőanyagot égeti, de 1-nél kisebb légfelesleg (λ) miatt csak alacsony hőmérsékletű (750÷800 °C) parázságy jön létre. A kis λ miatt az égés tökéletlen, ezért a parázságyból a CO 2 mellett nagy mennyiségben távoznak CO és CxHy éghető gázok is. A rostélyon a folyamatos betolás hatására előre haladó tüzelőanyag egyre jobban kigázosodik, majd elszenesedik, végül az elgázosodást követően a hamu lehull a hamukamrába. Az alsó tűztérből kilépő éghető gázkeverék és vízgőz egy terelőtest mentén átlép a lángtérbe, itt a bevezetett szekunder levegő O2-jével és a vízgőzből keletkező oxigénnel táplált égés folyik 1.100÷1.250 °C-on. CO2 és NOx keletkezik, illetve el nem égetett gázok is maradnak. Ezek a gázok tercier levegő hozzáadása mellett az utánégető térben égnek el. A lángtérben a bevezetett levegő nitrogénjének egy része oxidálódik, és a füstgázban megjelenik a NOx is. Ez a füstgázalkotó károsítja a környezetet, éppen ezért a lehető legkisebb arány létrejöttét, illetve a kéménybe való távozását kell biztosítani. Modern berendezések esetében úgy történik, hogy a füstgáz egy részét visszavezetik az utánégető térbe, ahol a füstgázban még jelenlevő CO reagál a NOx-dal, és a CO-ból CO2, a NOx-ból N2 jön létre, majd távozik a berendezésből.
41
A biomassza égése közben az alapanyagban levő kevés kénből kén-dioxid is képződik. A biomassza sajátossága, hogy a nem éghető alkotók között kálium és kalcium is megtalálható. Ezek az elemek oxigén hatására erősen bázikus hamut/szállóport képeznek. Ezek a parázságyban illetve a lángtérben reakcióba lépnek a SO 2-al, és annak jelentős részét szulfátok formájában megkötik. Így a kén egy része a kamrahamuban, másik része a porleválasztóban visszamarad, jelentősen csökkentve a SO2-emissziót.
6.2 Kazánok A továbbiakban a különböző kazánok bemutatása a célom. Minden típusnak megvannak az erősségei, illetve gyengeségei, nem mindegy mennyi költséget emészt fel, illetve ez mennyi idő alatt térül meg. A biomassza eltüzelésére sokféle megoldás ad lehetőséget. Két nagy csoportra bonthatjuk a tüzelőberendezéseket. Vannak úgynevezett direkt tüzelők, és előtéttüzelők, azaz elgázosító kazánok. Az égetés hatásfoka a következő tényezőktől függ: a hőcserélők teljesítményétől, a keletkezett hő hasznosítási módjától, és az égetés tökéletességétől. A direkttüzelők általában kisebb teljesítményű berendezések, egy tűzterük van. Ide sorolhatjuk a háztartási kályhákat, kandallókat, ezeknek a hatásfoka körülbelül 40-60 % lehet. Az előtéttüzelők pedig osztott tűztérrel rendelkeznek, ahol először tökéletlen égés megy végbe a primer levegő hozzákeveréssel, és ez pirolízis gázok keletkezéséhez vezet. Ezt követően a második tűztérben már tökéletes égést biztosít a szekunder levegő bevezetése. Hatásfokuk sokkal jobb, mint a direkttüzelőknek, akár 90-95 % is lehet. Az égetés hatásfokát befolyásolja a keletkezett hő hasznosítása. Ha a megtermelt hőt csak fűtésre használjuk, abban az esetben 70-80 % a kapott érték. Viszont, ha a hőből villamos energiát termelünk generátorokban, akkor a hatásfok 30 %-nál nem lehet több. A legjobb hasznosítása, a kapcsolt hő, illetve elektromos áram termelése, hiszen ezzel közel 90 %-os a teljesítmény [19].
6.2.1 A faelgázosító kazán felépítése A faelgázosító, ahogy már említettem egy dupla tűztérrel rendelkező kazán. A felső tűztérben (ez a tüzelőanyagnak a tere) a fa elégetése, illetve elgázosítása, míg az alsó tűztérben (ez az égéstér) pedig a keletkezett gázoknak az elégetése történik.
42
23. ábra: Faelgázosító kazán részei A kazán begyújtását követően, a felső tűztérben a fa kiszárítása történik 300 °C alatti hőmérsékleten. Ahhoz, hogy a fa légszegény környezetben elégjen 200÷700 °C az ideális, ekkor már gázok, és faszén is keletkezik. A két tűztér közötti rostélyon széndioxid képződik, a faszén elég, viszont a fagáz a még légszegény környezet miatt nem tud. Emiatt ventilátor (ami lehet nyomó, vagy szívó) segítségével az égőtér átömlőn keresztül jut az alsó égéstérbe. Itt már megfelelő mennyiségű levegő hozzáadásával történik a gázok, és a faszén miatt kialakult szénmonoxid elégetése. Ebben a kazánban a fő égést gyakorlatilag a keletkezett gázok elégetése jelenti, ennek hőfoka akár 1.200 °C is lehet. [24]
24. ábra: Faelgázosítás
43
Ezeknek a kazánoknak körülbelül 89 %-os a hatásfoka, valamint ennek köszönhetően a környezetszennyezés mértéke nem éri el az EU-ban megengedett mérték 10 %-át sem.
25. ábra A faelgázosítás folyamata
Több éves mérés eredménye azt mutatja, hogy a faelgázosító kazánnal való fűtés esetén a megtakarítás a földgázhoz képest 40-43 %, míg a hagyományos kazánban történő fa égetéséhez képest közel 50 %. Tartályos gázhoz képest a jelenlegi megtérülés ideje 1-2 év [9].
6.2.1.1 A faelgázosítás előnyei és hátrányai Előnye, hogy nagyon magas a hatásfok, így azonos mennyiségű hőenergia eléréséhez kevesebb fára van szükségünk. A tökéletes égésnek köszönhetően minimális mennyiségű hamu keletkezik. Viszonylag könnyű és gyors takarítani. Az égés teljesen szabályozott, és környezetbarát. Ennek köszönhetően akár 12 óráig is eltarthat a folyamatos hőtermelés, nem úgy, mint a hagyományos kazánoknál, ahol összesen 2-3 óra az égési idő egy töltettel. Nagyon hatékony, de a helyes használatának vannak feltételei. Hátránya, hogy a fa nedvességtartalma nem lehet több 15-20 %-nál, mert akkor ecetsav keletkezne, ami szétmarná a kazán falát, illetve elkátrányosodna. Ez nagymértékben lecsökkentené a kazán hatásfokát. Erre az a megoldás, hogy a gázosítani kívánt fákat, egy teljesen száraz, páramentes helyen 44
kell tárolni egy-két évig. Továbbá, kötelező egy puffertartály beépítése, ez szolgál a fából felszabaduló hatalmas hőmennyiség eltárolására. A faelgázosító kazán működtetését nem lehet automatizálni, kézzel kell a fát pakolni. Összegezve, ez a kazán egy eléggé költséges beruházás, viszont a kevesebb tüzelőanyag felhasználása miatt viszonylag rövid idő alatt megtérül [25].
6.2.2 A pellet tüzelésű kazán felépítése A pellet tüzelés modern technológiájának köszönhetően egy ház fűtése az ökológiai és megújuló fa-tüzelőanyaggal éppolyan komfortos, mint az olaj-, vagy gázfűtés. A pellet kazán teljesen automatikus fűtést tesz lehetővé. A modulációs égőnek köszönhetően a fűtési teljesítmény fokozatmentesen igazodik az igényekhez, 30-100 %-os teljesítményt produkálva. Az üzemelés teljesen automatikusan történik [9].
2. ábra Pellet kazán felépítése
A pellet tüzelésű kazánok az utóbbi tizenöt évben fejlesztett, és egyre körszerűbb berendezések. A pellet jellemzőiből következik, hogy jól tárolható, automatizáltan és szabályozottan adagolható, könnyen gyújtható, és így az égetéséhez kifejlesztett berendezésekben a gázkazánok komfortosságát megközelítő kényelmi szinten használhatók.
45
Lehetővé teszi a városi körülmények között is a biomassza tüzelésének terjedését. A pellet tüzelők alternatívát jelentenek a gázkazánokkal szemben, mivel használatukkal a lakossági és a kommunális szférában a gáz hőtermelésre történő használatának csökkentését kívánják elérni. A pellet tüzelő kiskazán tüzelőanyagát a pellet tárolóban tárolják, ahonnan a betápláló csiga (8) juttatja el az égetőtérbe. A csiga az égetőtér alatt ellentétes menetemelkedésű szakaszokból áll, így a pelletet feltolja az égetőserlegbe. A töltöttséget egy szintszabályozó (4) határozza meg, amelyet a feltolt pellet megemel addig, amíg az érzékelő karja által működtetett kapcsoló az előtolást le nem állítja. A pelletet elektromosan, izzítószállal gyújtják be. Az égéshez szükséges primer levegő, amit a ventillátor (6) szállít, az égetőserleg peremén levő furatokon keresztül jut be. Az égéstermékek felemelkedve az égetőgyűrűn (5) át áramlanak, ahol a fúvókasoron át a szekunder levegőt nyomják be. Az égéstermékek az alsó tűztér boltozatát képező terelőelemek (10) átvezető nyílásain (folyamatos és intenzív keveredéssel) jutnak az utóégető térbe (9), ahol kellően magas hőmérséklet és elegendően hosszú égésidő áll rendelkezésre ahhoz, hogy az égés megfelelően végbemenjen, és jó minőségű füstgáz távozzon a kéménybe. Az égetőtereket hőcserélő (2) vízköpeny veszi körül. A keletkező hamut hamuzócsiga (1) automatikusan eltávolítja a hamukamrából. A kazán működését
PC
vezérli,
amely
jeladókból
származó
legfontosabb
környezeti
és
rendszerjellemzőket figyelembe véve szabályozza az égési és tüzelőanyag-betáplálási folyamatokat, különös tekintettel a füstgázminőségre, amelyet a füstgáz oxigéntartalmát érzékelő lambdaszonda szabályoz [20].
6.2.3 Vegyes tüzelésű kazán A vegyes tüzelésű kazánokat elsősorban arra tervezték, hogy egyszerű megoldást kínáljanak szilárd, megújuló illetve megújítható tüzelőanyagokkal való környezetbarát fűtésre. Széles körben elérhető fűtési alternatívát nyújt, amely különösebb műszaki ismeretek nélkül, egyszerűen és egészen hatékonyan üzemeltethető. Szilárd tüzelőanyag szükséges hozzá, ez lehet fűrészpor, faapríték, brikett, szén, tűzifa, építési faanyag, kerti hulladék, valamint feldolgozatlan fahulladék.
46
27. ábra Vegyes tüzelésű kazán
A vegyes tüzelésű kazánoknak a tűztere típustól függően különböző nagyságú lehet, akár méteres faanyag is behelyezhető. Az adagolás manuálisan történik. A faanyag égési ideje pár órára redukálódik, ritka esetekben akár 8 óráig is eltarthat. Puffertartály alkalmazásával a fűtési szükségletekhez jobban lehet igazodni, ezzel a kazán hatásfokát is tudjuk javítani, mivel folyamatos a fűtés. A kazán közvetlenül ráköthető fűtési rendszerre, illetve megoldható vele a használati melegvíz-ellátás is [26]. Meglévő gázfűtés esetében kombinálható a rendszer, ezzel elérhetjük, hogy gázkazánunkkal temperáló fűtést biztosítunk, és amikor otthon vagyunk, csak fával tüzelünk, kiváltva ezzel a gázfelhasználást. Hátrányaihoz tartozik, hogy gyakran kell utántölteni, illetve felügyeletet igényel. A tüzelés során a nagy mennyiségű égési salakanyagot rendszeresen el kell távolítani a tűztérből. És nem utolsó szempont, hogy erre az alternatívára az áttérés magasabb bekerülési költséggel jár [27].
6.2.4 Faapríték kazán A faapríték nem annyira homogén, mint a pellet, emiatt az automatizált adagolásnál könnyebben elakadhat. Drágább adagolómechanizmus szükséges hozzá, ezt kisebb rendszereknél nem lehet költséghatékonyan megoldani. Ezeket a faapríték kazánokat nagyobb társasházaknál, középületeknél, illetve épületcsoportoknál célszerű alkalmazni. Jellemző teljesítménytartományuk 35-7.000 kW. Legnagyobb előnyük, hogy folyamatos a tüzelés, megszakítás nélkül. Programozott logikai szabályzók, (úgynevezett PLC) szabályozzák a gyújtást, és a működést. A teljesítmény 30-100 %-os tartományban szabályozható, 87- 90 %os hatásfok mellett. Megvalósítható a teljesen automatizált működés, nincs szükség tisztításra,
47
illetve hamueltávolításra. Persze az olcsóbb rendszereknél ez még nincs teljesen automatizálva, hetente szükséges manuálisan a hamugyűjtőt üríteni [26].
3. ábra Hargassner faapríték tüzelésű kazán szállítószalagos adagolással
6.2.5 Szalmatüzelő berendezés
4. ábra Bálatüzelésű kazán
A szalmaégetés tüzeléstechnikai vonzata, hogy a folyamatos hőtermelés megvalósítható, viszont a teljesítmény csak kisebb mértékben változtatható. Ennek az oka az, hogy a szalma összetételéből következően az égéshez szükséges oxigén nagy mennyiségben már a szárban van, és így utólag oxigénadagolással az égés folyamata kevésbé módosítható, szemben a
48
fatüzeléssel. A komfort szempontjából a szalma sem marad el más biomassza tüzelő berendezésektől, mivel itt is automatikusan megoldható az adagolás, valamint a hamu ürítése. A hőtermelés szabályozásának az alapvető módja itt is az adagolás, erre többféle módszer ad lehetőséget. Az automatikus beadagolás egyik módja, hogy a szalmabálák egy futószalagon érkeznek egy bálabontóba, itt a szalmát felaprítják, és ez az apríték egy csigás adagolón keresztül jut a tűztérbe. Ezt a szalmatüzelést a nagy tároló igénye miatt inkább csak farmokon, gazdaságokban, vagy esetleg fűtőerőművekben alkalmazzák. A decentralizált energiatermelés egyik fontos technológiája a szalmatüzelés [26]. A bálafűtésű kazánok telepítése, valamint üzemeltetése, a környezeti előnyök mellett gazdasági előnyökkel is járnak. A beruházások teljes mértékben megvalósíthatók. A felhasználók véleménye szerint a kazán megtérülési ideje 2 és 5 év. Attól függően, hogy mekkora a kazán és a működés intenzitása. A legjövedelmezőbb befektetni ott, ahol a felhasználók saját szalmával tudnak fűteni, például a mezőgazdasági termelők, ez esetben a megtérülés 1-3 év. Azoknál a felhasználóknál, akiknek a szalmabálákat meg kell vásárolni a megtérülés 2-5 év. A kazán kifejlesztésének célja, hogy a drága és bizonytalan földgázt, teljes egészében kiváltsa. A kazán hasznosítani tudja a hengeres és szögletes bálát egyaránt (szalma, nád, kukoricaszár bála, venyige, vagy ágbála, raklapos papír, textilbálák, sőt hasábfával is üzemeltethető). A gabona és egyéb szalmafélék tüzelése nagyon hatékony módon történik az új műszaki technikáknak köszönhetően. A szalma kazán működésével kapcsolatosan végzett kutatások azt bizonyították, hogy a szalmatüzelés magas hatékonysága mellett kitűnő környezetkímélő tüzeléstechnikával rendelkezik. A bálafűtésű kazán belseje általában úgy van kialakítva, hogy hasáb és henger alakú bála is egyaránt tüzelhető legyen benne. Ez a típus olyan ventilátorral van felszerelve, amely a primer levegőt juttatja közvetlen a kazán tűzkamrájába, a szekunder levegőt pedig az égéstér belsejébe. A szalma kazán tűzterében nagyfokú levegőadagolás történik, ami lehetővé teszi, hogy az égés folyamata fentről lefelé haladjon. A szekunder levegő elősegíti az égés során felszabaduló gázok elégetését a hátsó kamrában. A távozó égéstermékek hőfokának, valamint a kazánban lévő víz hőmérsékletének alapján egy pillangószelep szabályozza a beáramló levegő mennyiségét, így optimalizálva az égést. Ennek a megoldásnak köszönhetően, a szalma kazán teljes mértékben alkalmazkodik a felhasználók különböző, fűtéssel kapcsolatos igényeihez. Az ideális tüzelőanyag víztartalma 15-20 %.
49
A bálatüzelésű kazán előnyei:
Energiatakarékos. A bálafűtésű kazán esetében egy akkumulációs tartály gondoskodik a hőenergia folyamatos felhasználásáról, amit a gyűjtőtér segít elő. Így az aktív működés során felszabadult hőenergia, maximális mértékben ki lesz használva, ennek köszönhetően, a tüzelés szüneteltetésekor is zavartalanul fog üzemelni a kazán.
A bálafűtésű kazán felhasználási területe széles felhasználási területtel rendelkezik. Ez a
fűtőipari
termék
egyaránt
alkalmas
kisebb
lakóházak
és
nagyobb
épületkomplexusok, mezőgazdasági létesítmények fűtésére is [28].
6.3 A tüzelőanyagok tárolása 6.3.1 Hasábfa tárolása Egy liter víz gőzzé válása 0,7 kWh hőt igényel. Ez ugyanekkora veszteséget jelent, ha a tüzelőanyag nincs kiszárítva, és az égés endoterm fázisában kell a kiszáradásnak megtörténnie.
Ez
vezethet
többek
között
elégtelen
égéshez,
hatásfokromláshoz,
koromképződéshez, és magas károsanyag-kibocsátáshoz. A hasábfát használat előtt két évig ajánlott szárítani, száraz, szellős helyen. Az eredetileg 40 % körüli nedvességtartalom 15-20 %-ra csökken a két év alatt, szóval a fa még így sem tud tökéletesen kiszáradni. A tűzifának a fűtőértéke körülbelül 18 MJ/kg. Az éves tüzelőanyag-igényt az épület éves hőenergia-igénye alapján számolhatjuk. Ha egy 100 m2-es családi házat veszünk alapul, akkor ennek a fajlagos fűtési-, és hőenergia-igénye összesen 150 kWh/m2/év (tehát 15.000 kWh/év = 150 MWh/év = 54.000 MJ/év). Ez lesz az épület hőigénye, viszont ezt osztani kell a fűtési rendszer hatásfokával, hogy megkapjuk a tényleges tüzelőanyag-igényt. A rendszerhatásfok rosszabb, mint a kazán névleges hatásfoka, mivel figyelembe veszi a részterhelést, a tárolási-, szállítási-, és szabályozási veszteségeket. Ha 70 %-ra vesszük a rendszernek a hatásfokát, akkor az éves tüzelőanyag-igény 77.142 MJ/év. Az éves tüzelőanyag igény pedig 4.285 kg/év, azaz 4,3 tonna. A tüzelőanyag tárolót érdemes másfél évre méretezni, a szárítás miatt.
50
Ha kívül történik a tárolás, a tárolót a következőképp érdemes kialakítani [26]:
20 cm-es légrés kialakítása a tárolóépület alatt.
5-10 cm függőleges hézag hagyása a hasábok mögött, a jó szellőzés, a penészedés, és a korhadás elkerülése miatt.
Az eső, és a csapóeső elleni védelemről gondoskodni kell.
A fát nem szabad légtömören betakarni.
Biztosítani kell a szellőzést. Az épületnek a falai, és az alja legyen hézagos
6.3.2 Pellet tárolása A tűzipellet tárolására számos technológia alakult ki. A legegyszerűbb, de nagy élőmunkaigényű megoldás a zsákos tárolás. Ebben az esetben a tároló helyiség kapacitásának függvényében betárolhatjuk az általában 15-20 kg kiszerelésű zsákokat, amiket a kezelőnek kell meghatározott időközönként a kazán napi tartályába tölteni. Ezt a h) ábra szemlélteti.
30. ábra Tüzelőanyag-tárolók kialakítási lehetőségei 51
Egy következő speciális megoldás, az i) ábrán, egy flexibilis tartály. Ez nem helyhez kötött, fűtési időszakon kívül akár le is bontható, méretétől függően a rövid üzemidejű kazánoknál jól alkalmazható. Nem igényel speciális épületet, akár a kazán mellett is telepíthető. Leginkább fűtéskorszerűsítés során alkalmazható, ahol korábban nem terveztek tárolókapacitást. A hosszú üzemidejű berendezéseknél alkalmazott megoldásokat mutatják a)tól g)-ig az ábrák. Számos megoldás kínálkozik, de ezeket épületgépészetileg is tervezni kell, vagy utólagos költségesebb beruházásokat igényelnek. A tárolót tölthetik közvetlenül tartálykocsiból, teherautóból, gépi rakodóval vagy befúvatásos módszerrel. Nagyon fontos paraméter a tüzelőanyag-tároló méretezése, és mérete a fűtési rendszer egészének szempontjából. Egy átlagos családi házat vegyünk alapul, amelybe egy 40 kW névleges teljesítményű pellet tüzelő kazánt építettek be kizárólag hőellátásra. Tüzelőanyagként jó minőségű, 18 MJ/kg fűtőértékű fapellettel, és egy átlagos pellet tüzelő berendezés 80 %-os hatásfokával számoljunk. Ezeknek a paramétereknek megfelelően, a gyakorlati tapasztalatok alapján 900 óra/év üzemidő, és 8.000 kg/év tüzelőanyag-szükséglet adódik. Az ömlesztett pellet tüzelőanyag sűrűsége 600-700 kg/m3, ebből könnyen számítható, hogy az éves mennyiséget befogadó tüzelőanyag-tárolónk szükséges kapacitása 12-13 m3 körül lesz. Nem szükséges egyszerre betárolni az összes tüzelőanyag-mennyiséget, az csak az automata tüzelőberendezéseknél indokolt. A pellet tárolásához a következő szempontokat kell figyelembe venni [29]:
A pelletszállító tartálykocsi szivattyútömlőinek hossza korlátozott, ezért gondoskodni kell arról, hogy tárolót a lehető legegyszerűbben meg lehessen közelíteni.
A pellettároló töltőcsonkjának kívülről hozzáférhetőnek kell lennie.
A pelletnek az épületben való tárolásánál előnyös, ha a ház egyik külső fala határos a tároló helyiséggel a közvetlen szellőzés miatt.
Ha a szállítást szállítócsiga végzi, a pellettároló helyiség közvetlenül a kazánházzal legyen határos. Pneumatikus szállításnál a maximális szállítási távolság 20 méter lehet.
Gondoskodni kell az elektromos áramról, amely a biztonsági és műszaki szerelvényekhez szükséges.
A tároló alja adott szögben lejtsen a szállítócsiga felé, a könnyű ürítésről gondoskodva.
52
Fűtő-, és tároló helyiség építésénél figyelni kell arra, hogy a határolófalak, és az emeletközi födém az F 90-es tűzvédelmi osztály követelményeinek feleljenek meg.
Az ajtóknak, és a bebúvónyílásoknak kifelé kell nyílniuk, és tömítettnek kell lenniük. Az ajtónyílás belső oldalát, minimum 3 cm vastag deszkával védeni kell, hogy a pellet ne gyakoroljon nyomást a tűzvédelmi ajtóra.
A tüzelőanyag befúvatása esetén figyelembe kell vennünk, hogy a tárolótartályok nyomástartó edényeknek is tekinthetők.
A pellettároló helyiségben nem lehetnek elektromos berendezések tűzvédelmi okokból. Robbanásvédett világító berendezést kell alkalmazni.
A pelletet a tároló helyiség keskeny oldaláról kell befúvatni, és a töltőcsonkkal szembeni oldalra a faltól 5 cm távolságra ütközőszőnyeget célszerű felszerelni.
A pellettároló helyiség legyen száraz, és portömített.
6.4 Környezetvédelmi követelmények A biomassza tüzelésekor az emisszió értékei általában sokkal kedvezőbben alakulnak, mint a
hagyományos
fűtési
rendszereknél.
Továbbá
egyes
szennyezőanyagoknál
többletkibocsátással is kell számolni. Meg kell különböztetni egymástól a korszerű, jó hatásfokú berendezéseket, és a hagyományos fatüzelésű készülékeket, ahol nem hasznosul a tüzelőanyag fűtőértékének nagy része, hanem az a füstgázzal együtt távozik. A füstgázoknak a környezetszennyező anyagtartalma a hagyományos fatüzelésnél még ekkor is kisebb, mint a széntüzelésnél, viszont sokkal rosszabb, mint a korszerű készülékeknél. A biomassza kazánok telepítésénél a kéményekre vonatkozó szabályok szerint kell eljárni. A következő táblázat a különböző fűtési rendszerek emisszió kibocsátásának az összehasonlítására szolgál. A táblázat a mérési eredményeknek a középértékeit tartalmazza, 1 TJ nettó hőenergiára vonatkoztatva [26]. 12. táblázat Károsanyag-kibocsátás [kg/TJ] [26] SO2 NOx CO CO2 Por CxHy 53
Olajtüzelés
Gáztüzelés
Hagyományos faapríték tüzelés
Modern faapríték tüzelés
140 40 50 78.000 5 10
0 40 50 52.000 0 5
10 91 366 0 14 9
10 91 16 0 4 2
A következő diagramban különféle anyagok szén-dioxid kibocsátását
láthatjuk
összehasonlításként egy új építésű, és egy hagyományos építésű lakóház esetében. Megfigyelhető, hogy a fűtőolajjal szemben a fapellet, vagy faapríték alkalmazásával 8,3 tonnával csökkenthető a szén-dioxid-emisszió évente. Ha ezeket a mérési eredményeket levetítjük hazai viszonyokra, és a Magyarországra jellemző földgázbázisú fűtést vesszük alapul, megdöbbentő eredményt kapunk.
Fapellet 10
Faapríték
9
Földgáz
8
Fűtőolaj
7 6 5 4
Fűtőolaj
3 2 1 0
Földgáz Faapríték Fapellet Új építésű lakóház
Hagyományos építésű lakóház
2. diagram CO2-kibocsátás különböző fűtési rendszereknél [t/év]
Földgázról pellet tüzelésére való átállással 90 %-os emisszió csökkentést érhetnénk el. Ez környezetünk állapotát jelentősen javítaná [29].
7. Életciklus-elemzés Az életciklus-elemzés (Life Cycle Assessment, LCA), vagy más néven életciklus-becslés, életciklus-értékelés, életciklus-vizsgálat egy termék, technológia vagy szolgáltatás teljes életútjára vizsgálja a környezetre gyakorolt potenciális hatásait. 54
Az életciklus-elemző tanulmányok elterjedése a kilencvenes évek elejétől gyorsult fel. A jelenlegi fejlesztések elsősorban az adatok hozzáférhetőségének és minőségének a javítására, szélesebb körű adatbázisok létrehozására, és az elemzés megbízhatóságának a növelésére irányulnak. Egy termék életútjának nevezzük azt a szakaszt, ami a szükséges nyersanyag bányászatától és előkészítésétől, a termék gyártásán keresztül a termék használatáig, és a használat után keletkező hulladék hasznosításáig terjed. Folyamat és szolgáltatás esetében az anyagnak- és energiafelhasználásnak, valamint magának a folyamatnak a környezeti hatásait vizsgálják. Gyakran végeznek életciklus-elemzéseket. Akkor érdemes megtenni, amikor választani lehet az azonos funkciójú, viszont a környezetre eltérő mértékben ható termékek, folyamatok, szolgáltatások, és rendszerek között. A környezeti hatások értékelésekor figyelembe kell venni az ökoszisztémára, az emberi egészségi állapotra, és az erőforrások felhasználására gyakorolt hatásokat [30].
31. ábra: A biomassza körforgása Az életciklus elemzés hozzájárul [31]:
azoknak a lehetőségeknek az azonosításához, amelyek a termékek környezeti hatásának növeléséhez az életciklusuk különböző pontjain,
az ipari, kormányzati és nem kormányzati szervezetek döntéshozóinak informálásához (stratégiai tervezés, prioritások meghatározása, a termék vagy a folyamat tervezése, illetve újratervezése),
a környezeti hatások releváns mutatóinak kiválasztásához, beleértve a mérési technológiákat, és
a marketinghez (egy ökológiai osztályozási séma kidolgozása, a környezeti igénybevétel, vagy a környezeti termék meghatározásának kifejezése).
55
Az életciklus-értékelés, avagy a bölcsőtől a sírig tartó elemzés a környezeti aspektusokat és a lehetséges környezeti hatásokat irányítja (ez lehet az erőforrásoknak a felhasználása, illetve a forgalomba hozatal környezeti következményei). A termék egész életciklusán keresztül megy, a nyersanyag beszerzésétől a termelésen, használaton, a feldolgozáson és az újrafelhasználáson keresztül az eldobásig. A következő szabványok segítik az életciklus-értékelés folyamatát: 13. táblázat: Szabványok az életciklus-értékelésben Szabvány száma (honosított változat) ISO 14040:2006
ISO 14044:2006
ISO 14041:2006
ISO 14042:2001
ISO 14043:2001
ISO 14045:2012
56
Szabvány megnevezése Környezetközpontú irányítás. Életciklus-értékelés. Alapelvek és keretek. Környezetközpontú irányítás. Életciklus-értékelés. Követelmények és útmutatók. Környezetközpontú irányítás. Életciklus-értékelés. A cél és a tárgy meghatározása és leltárelemzés. Környezetközpontú irányítás. Életciklus-értékelés. Az életciklus alatti hatások értékelése. Környezetközpontú irányítás. Életciklus-értékelés. Az életciklus értelmezése. Környezetközpontú irányítás. Termékrendszerek ökológiai hatékonyságának értékelése. Alapelvek, követelmények és útmutatók.
Három szint különböztethető meg az alkalmazási területek, és az életciklus-elemzés értékelése között:
Fogalmi LCA szint: ez a legegyszerűbb mód, az életciklusban való gondolkodást jelenti. Korlátozott, minőségi lista alapján történik a hatások becslése.
Egyszerűsített LCA szint: az életciklus egészét átfogó mód. Általános adatokkal, standard modellekkel dolgozik. A becslés egy-egy preferált területre, hatásra összpontosít.
Részletes LCA szint: a legteljesebb mód. Minden életciklus-szakaszra kiterjed, saját modellekkel dolgozik. Alkalmazása idő- és költségigényes.
LCA-vizsgálatának szakaszai:
A cél és a rendszer határok kijelölése, meghatározása.
A leltár analízis.
A hatásbecslés.
Az értékelés, és értelmezés.
32. ábra: Életciklus-elemzés vizsgálata [31] Az életciklus-értékelés alkalmazási területe (ebbe beletartoznak a rendszer határai és a részlet szintjei), függ az alanytól és a tanulmány felhasználásától. Az LCA mélységét és kiterjedését jelentősen megkülönböztetheti egy egyedi LCA célja. Az életciklus leltárelemzési szakasza (LCI) az életciklus-értékelés második szakasza. Ez a bemeneti/kimeneti adatoknak a jegyzéke, amely a vizsgált rendszerre vonatkozik. 57
Magába foglalja a szükséges adatok összegyűjtését, amelyek a tanulmány céljaihoz kapcsolódnak. Az LCIA a harmadik szakasz, ez az életciklus hatását értékeli. Az LCIA célja, hogy biztosítsa a további információt a termelési rendszer életciklus-értékelésének a megállapításához, ennek eredményeként jobban megérthetjük a környezeti jelentőségüket. Az életciklus értelmezése az utolsó fázis, amelyben az LCI, vagy egy LCIA eredményeit, vagy éppen mindkettőét összefoglalja és megvitatja a következtetések. Javaslatok alapján segít a döntéshozatalban, a célok és az alkalmazási területek meghatározásában. Vannak esetek, amikor elegendő a leltár vizsgálata és az értékelés. Ezeket általában LCI tanulmánynak nevezik. Az ISO 14004:2006-os szabvány kétféle vizsgálatot foglal magába: az életciklus-értékelési vizsgálatok (LCA vizsgálatok) és az életciklus leltárvizsgálatait (LCI vizsgálatok). Sok esetben az LCA-, vagy LCI-vizsgálat során megszerzett információkat fel lehet használni egy átfogóbb döntési folyamat részeként. A különböző LCA vagy LCI tanulmányok eredményeit csak akkor lehet összehasonlítani, ha minden egyes tanulmány előfeltevése és felépítése egyforma. Így ez a nemzetközi tanulmány néhány követelményt és javaslatot tartalmaz arra, hogy biztosítsa ezeknek az eredményeknek az átláthatóságát. Az életciklus-értékelés egyike a néhány környezetközpontú irányítási technikának (ez lehet például kockázati értékelés, környezeti becslés, környezeti vizsgálat és a környezetre gyakorolt hatás értékelése), viszont nem minden esetben helytálló ez a technika. Az életciklus-értékelés általában alkalmazható a termék gazdasági vagy társadalmi aspektusának vizsgálatára, de az életciklus-megközelítés és azok a módszerek, amelyeket ez a nemzetközi szabvány leír, más szempontok esetében felhasználhatóak lehetnek. 14.1 táblázat: Környezeti hatáskategóriák [32] Hatáskategóriák megnevezése
Globális felmelegedési Potenciál (GWP) Savasodási Potenciál (AP)
58
Hatáskategóriák értelmezése A különböző üvegházhatású gázok globális felmelegedéshez való hozzájárulásának a mértéke egységnyi CO2-hoz viszonyítva. (pl.: CH4=23 kgCO2-e, N2O=296 kg CO2-e) A savasodási potenciált SO2hoz viszonyított savasodással adják meg SO2 egyenértékben.
Egyenérték
kg CO2-egyenérték
kg SO2-egyenérték
14.2 táblázat: Környezeti hatáskategóriák [33] Hatáskategóriák megnevezése
Hatáskategóriák értelmezése
Egyenérték
Eutrofizációs Potenciál (EP)
Az eutrofizáció mértéke a foszfátra vonatkoztatva került meghatározásra. Természetesen más emissziók is okozhatnak eutrofizációt, mint pl.: a nitrogén- oxidok, vagy az ammónium vegyületek.
kg Foszfát-egyenérték
Humán Toxicitási Potenciál (HTP)
Az emberi szervezetre mérgező hatású anyagokra vonatkozó, maximálisan megengedett koncentráció mértéke 1,4 diklórbenzol (DCB) egyenértékben.
kg DCB-egyenérték
Fotokémiai Ózonképződési Potenciál (POCP)
Az illékony szerves vegyületek ózontermelő képessége. Az etilénre ez az érték egységnyi. A legtöbb egyéb komponensre ez az érték kisebb egynél.
kg Etilén-egyenérték
Ózonréteg elvékonyodás (ODP)
Főként a halogénezett szénhidrogének rovására írható, referens összetevőként az R11 került kiválasztásra.
kg R11-egyenérték
Földi öko-toxicitás (TETP) Tengervízi öko-toxicitás (MAETP) Édesvízi öko-toxicitás (FAETP)
Növény és állatvilágra vonatkozó mérgező anyagok, DCB egyenértékben.
kg DCB-egyenérték
Abiotikus kimerülő források (ADP)
Magába foglalja a nagyszámú kimerülő fémércet.
kg Sb-egyenérték
Abiotikus kimerülő fosszilis források (ADP)
Magába foglalja a kimerülő fosszilis energiaforrásokat.
MJ
59
8. Biomasszából előállított energia életciklus-elemzése A továbbiakban azt fogom vizsgálni, hogy mekkora lesz a környezetterhelés mértéke, ha 1 MJ hőenergiát, illetve 1 MJ villamos energiát állítunk elő a következő biomasszákból: erdeifenyő, bükkfa, nyárfa, tölgyfa, akác, energiafűz, kínai császárfa, búzaszalma, kukoricaszár. Az előállítás módja alapján kitérek a gázosító erőművekre, a hagyományos égető erőművekre, a kapcsolt energiatermelésre vonatkozóan pedig a gázosításra, és az égetésre. Technológiák vizsgálata: 1. típus: Gázosítás és égetés csak hőenergia előállítása. 2. típus: Gázosítás, csak villamos energia előállítása. 3. típus: Égetés, csak villamos energia előállítása. 4. típus: Gázosítás, gázmotor erőgéppel. Kapcsolt energiatermelés, villamos-, és hőenergia előállítása. 5. típus: Hagyományos égetés, gőzturbina erőgéppel. Kapcsolt energiatermelés, villamos-, és hőenergia előállítása.
8.1 Gázosítás és égetés, hőenergia előállításával Biomassza gázosítás 1 MJ hőenergia kinyerése során. Az így kapott eredmények és a biomassza égetés 1 MJ hőenergia kinyerése során különbség alig tapasztalható.
HTP 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
60
1,775287 1,774192 1,774192 1,776449 1,798548 1,775818 1,775808
1,13E-01 1,16E-01
3. diagram
AP 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0
0,082173 0,081244 0,081244
0,088383
0,081914 0,084835 0,084834
5,24E-03 5,38E-03
4. diagram
EP 8,00E-03
7,00E-03
7,07E-03 6,98E-03 6,98E-03
7,56E-03
7,03E-03 7,30E-03 7,30E-03
6,00E-03 5,00E-03 4,00E-03 3,00E-03 2,00E-03 4,51E-04 4,64E-04
1,00E-03 0,00E+00
5. diagram
61
GWP 30
25,63539
25 20
17,1428
15,33601 16,20487 16,20487
16,96688
15
10
7,968816
5
9,78E-01 1,00E+00
0
6. diagram
ADP fossil 2,00E-02 1,80E-02 1,60E-02 1,40E-02 1,20E-02 1,00E-02 8,00E-03 6,00E-03 4,00E-03 2,00E-03 0,00E+00
1,76E-02 1,76E-02 1,76E-02 1,76E-02 1,78E-02 1,76E-02 1,76E-02
1,12E-03 1,15E-03
7. diagram
62
8.2 Gázosítás, villamos energia előállítása Villamos energia előállítása során 1 MJ villamos energiára vonatkoztatva. Gázosító erőmű esetében 35 %-os nettó villamos hatásfok esetén. Csak villamos energiának a termelése, hőenergia hasznosítás nélkül.
ODP 6,00E-10 5,00E-10
4,49E-10 4,37E-10 4,37E-10
4,74E-10 4,77E-10 4,57E-10 4,57E-10
4,00E-10
3,00E-10 2,00E-10 1,00E-10
2,86E-11 2,94E-11
0,00E+00
8. diagram
HTP 6,00E+00
5,07E+00 5,07E+00 5,07E+00 5,08E+00 5,14E+00 5,07E+00 5,07E+00
5,00E+00 4,00E+00 3,00E+00 2,00E+00 1,00E+00
3,23E-01 3,31E-01
0,00E+00
9. diagram
63
AP 3,00E-01 2,50E-01
2,35E-01 2,32E-01 2,32E-01
2,53E-01
2,34E-01 2,42E-01 2,42E-01
2,00E-01 1,50E-01 1,00E-01 5,00E-02
1,50E-02 1,54E-02
0,00E+00
10. diagram
EP 2,50E-02 2,00E-02
2,02E-02 1,99E-02 1,99E-02
2,16E-02
2,01E-02 2,09E-02 2,09E-02
1,50E-02 1,00E-02 5,00E-03
1,29E-03 1,33E-03
0,00E+00
11. diagram
64
GWP 8,00E+01 7,00E+01 6,00E+01 5,00E+01 4,00E+01 3,00E+01 2,00E+01 1,00E+01 0,00E+00
7,32E+01 4,90E+01 4,85E+01
4,38E+01 4,63E+01 4,63E+01 2,28E+01
2,79E+00 2,86E+00
12. diagram
ADP fossil 6,00E-02
5,03E-02 5,03E-02 5,03E-02 5,03E-02 5,09E-02 5,03E-02 5,03E-02
5,00E-02 4,00E-02 3,00E-02 2,00E-02 1,00E-02
3,20E-03 3,29E-03
0,00E+00
13. diagram
65
8.3 Égetés, csak villamos energia előállítása Villamos energia előállítása során 1 MJ villamos energiára vonatkoztatva, hagyományos égető erőmű esetében, 15 %-os nettó villamos hatásfok esetén. Csak villamos energiatermelés, hőenergia hasznosítás nélkül.
ODP 1,20E-09
1,05E-09 1,02E-09 1,02E-09
1,11E-09 1,11E-09 1,07E-09 1,07E-09
1,00E-09 8,00E-10 6,00E-10 4,00E-10 2,00E-10
6,67E-11 6,87E-11
0,00E+00
14. diagram
HTP 1,40E+01 1,20E+01
1,18E+01 1,18E+01 1,18E+01 1,18E+01 1,20E+01 1,18E+01 1,18E+01
1,00E+01 8,00E+00 6,00E+00 4,00E+00 7,53E-01 7,73E-01
2,00E+00 0,00E+00
15. diagram
66
AP 7,00E-01 6,00E-01
5,48E-01 5,42E-01 5,42E-01
5,89E-01
5,46E-01 5,66E-01 5,66E-01
5,00E-01 4,00E-01 3,00E-01 2,00E-01 1,00E-01
3,49E-02 3,59E-02
0,00E+00
16. diagram
EP 6,00E-02 5,00E-02
4,71E-02 4,65E-02 4,65E-02
5,04E-02
4,69E-02 4,87E-02 4,87E-02
4,00E-02 3,00E-02 2,00E-02 1,00E-02
3,01E-03 3,09E-03
0,00E+00
17. diagram
67
GWP 1,80E+02 1,60E+02 1,40E+02 1,20E+02 1,00E+02 8,00E+01 6,00E+01 4,00E+01 2,00E+01 0,00E+00
1,71E+02
1,14E+02 1,13E+02
1,02E+02 1,08E+02 1,08E+02 5,31E+01
6,52E+00 6,67E+00
18. diagram
ADP fossil 1,40E-01 1,20E-01
1,17E-01 1,17E-01 1,17E-01 1,17E-01 1,19E-01 1,17E-01 1,17E-01
1,00E-01 8,00E-02 6,00E-02 4,00E-02 2,00E-02
7,47E-03 7,67E-03
0,00E+00
19. diagram
68
8.4 Gázosítás, kapcsolt energiatermeléssel Kapcsolt energiatermelés esetén 35 %-os villamos és 45 %-os hő hatásfoknál.
ODP 2,50E-12
2,00E-12
1,96E-12 1,91E-12 1,91E-12
2,08E-12 2,09E-12 2,00E-12 2,00E-12
1,50E-12 1,00E-12 5,00E-13
1,25E-13 1,29E-13
0,00E+00
20. diagram
HTP 2,50E-02
2,22E-02 2,22E-02 2,22E-02 2,22E-02 2,25E-02 2,22E-02 2,22E-02
2,00E-02 1,50E-02 1,00E-02 5,00E-03
1,41E-03 1,45E-03
0,00E+00
21. diagram
69
AP 1,20E-03
1,03E-03 1,02E-03 1,02E-03
1,10E-03
1,02E-03 1,06E-03 1,06E-03
1,00E-03 8,00E-04 6,00E-04 4,00E-04 2,00E-04
6,55E-05 6,73E-05
0,00E+00
22. diagram
EP 1,00E-04 9,00E-05 8,00E-05 7,00E-05 6,00E-05 5,00E-05 4,00E-05 3,00E-05 2,00E-05 1,00E-05 0,00E+00
8,84E-05 8,73E-05 8,73E-05
9,45E-05
8,79E-05 9,13E-05 9,13E-05
5,64E-06 5,80E-06
23. diagram
70
GWP 3,20E-01
3,50E-01 3,00E-01 2,50E-01
2,00E-01 1,50E-01 1,00E-01
2,14E-01 2,12E-01
1,92E-01 2,03E-01 2,03E-01 9,96E-02
5,00E-02
1,22E-02 1,25E-02
0,00E+00
24. diagram
ADP fossil 2,50E-04
2,20E-04 2,20E-04 2,20E-04 2,20E-04 2,23E-04 2,20E-04 2,20E-04
2,00E-04 1,50E-04 1,00E-04 5,00E-05
1,40E-05 1,44E-05
0,00E+00
25. diagram
71
8.5 Égetés, kapcsolt energiatermeléssel Kapcsolt energiatermelés 15 %-os villamos és 60 %-os hő hatásfoknál.
ODP 2,50E-10
2,09E-10 2,04E-10 2,04E-10
2,21E-10 2,23E-10 2,13E-10 2,13E-10
2,00E-10 1,50E-10 1,00E-10 5,00E-11
1,33E-11 1,37E-11
0,00E+00
26. diagram
HTP 3,00E+00 2,50E+00
2,37E+00 2,37E+00 2,37E+00 2,37E+00 2,40E+00 2,37E+00 2,37E+00
2,00E+00
1,50E+00 1,00E+00 5,00E-01
1,51E-01 1,55E-01
0,00E+00
27. diagram
72
AP 1,40E-01 1,20E-01
1,10E-01 1,08E-01 1,08E-01
1,18E-01
1,09E-01 1,13E-01 1,13E-01
1,00E-01
8,00E-02 6,00E-02 4,00E-02 2,00E-02
6,99E-03 7,17E-03
0,00E+00
28. diagram
EP 1,20E-02 1,00E-02
9,43E-03 9,31E-03 9,31E-03
1,01E-02
9,37E-03 9,73E-03 9,73E-03
8,00E-03 6,00E-03 4,00E-03 2,00E-03
6,01E-04 6,19E-04
0,00E+00
29. diagram
73
GWP 4,00E+01 3,50E+01 3,00E+01 2,50E+01 2,00E+01 1,50E+01 1,00E+01 5,00E+00 0,00E+00
3,42E+01 2,29E+01 2,26E+01
2,04E+01 2,16E+01 2,16E+01 1,06E+01
1,30E+00 1,33E+00
30. diagram
ADP fossil 2,50E-02
2,35E-02 2,35E-02 2,35E-02 2,35E-02 2,37E-02 2,35E-02 2,35E-02
2,00E-02 1,50E-02 1,00E-02 5,00E-03
1,49E-03 1,53E-03
0,00E+00
31. diagram A diagramokat összevetve, azt tapasztalhatjuk, hogy a gázosítás technológiáját használva, jelentősen csökkenthetjük a környezet terhelését. A búzaszalma, és a kukoricaszár mindenhol a legalacsonyobb értékekkel rendelkezik. Az ózonréteg elvékonyodását a legkevésbé befolyásolják a bükkfa, és a nyárfa értékei, a legnagyobb értékekkel pedig az akác rendelkezik. A Humán Toxicitási Potenciálnál szintén az akác értékei a legnagyobbak, a többi biomasszánál egyező adatokkal találkozhatunk. A Savasodási Potenciálnál, az Eutrofizációs Potenciálnál, valamint a Globális felmelegedési Potenciálnál a tölgyfa rendelkezik a legmagasabb értékekkel. Az Abiotikus kimerülő fosszilis forrásoknál nagy eltérésekkel nem találkozhatunk. 74
9. Összefoglalás A biomassza termelésnek az elsődleges célja az élet fenntartása, viszont energetikai célokra is kiválóan lehet alkalmazni. A bioenergia potenciál számszerűsíthetőségét nagymértékben befolyásolja, hogy milyen műszaki megoldásokkal, és energetikai-, illetve gazdasági hatékonysággal lehet az energiaellátásban hasznosítani. Már a múltban sem volt ismeretlen a biomassza energetikai felhasználása, és attól kezdve is számos országban kihasználják az általa nyújtott lehetőségeket. A biomasszából származó állati-, illetve növényi tápanyagok, ipari alapanyagok, és az energiának a felhasználása a mezőgazdaságon kívül, a gazdasági
élet
megtakarításokkal
egyéb
területein
járhat.
A
is
jelentős,
biomassza
valamint
alapvetően
a
egyre
nagyobb
mértékű
növénytermesztésből,
az
állattenyésztésből, az élelmiszeriparból, az erdőgazdaságból, és a kommunális szférából származhat, és nagyon sokféle célra felhasználható. Az élelmiszer- és a takarmány előállítását a növénytermesztés, az állattenyésztés, és az élelmiszeripar szolgáltatja. A talajerőgazdálkodásban leginkább melléktermékeket használnak fel, amely az élelmiszergazdaságból, valamint az erdészeti melléktermékekből állhat össze. Az ipari hasznosítás során a növényekben található szénhidrátok származékainak kémiai, és biológiai átalakítása történik.
A biomassza energetikai célú hasznosítása pedig a legszéleskörűbb. A
növénytermesztésben, és az erdészetben képződő melléktermékeket valamilyen energiává alakítják, ez lehet energiaerdő, biodízel, bioetanol. Az állattenyésztésben a melléktermékeket biológiailag elgázosítják. Az élelmiszeriparban lehetőség van a mellékterméket gőzzé alakítani. A kommunális és ipari hulladékok anaerob erjesztésével pedig villamos-, elektromos-, és fűtőenergiát hozhatunk létre. Ezekből az anyagokból különféle eljárással állíthatunk elő hőenergiát, villamos áramot, vagy hajtóanyagot. Hazánkban a közvetlen eltüzelés (elgázosítás), a biobrikett, a biogáz, biodízel, és a bioetanol tekinthető a legígéretesebbnek [33]. Energetikai szempontból nézve, a biomassza komoly szerephez juthat a közeljövőben Magyarországon, hiszen jelentős készleteink vannak. Ez eredményezheti, hogy európai szinten, és akár a világ bioiparágában is meghatározóak legyünk.
75
Summary
The first aim of biomass production is to assure life, but it is also perfect for energetic purpose. The quantifying of bio energy potential is deeply depending on the technical solution, energetic and economic sufficiency. The usage of the bio mass was also known in the past, and the advantage of this technology was used by several countries around the world. The biomass is used as an animal-, vegetable nutrition, industrial material, and over the agriculture it is getting more important at several area of the economy due to the possible savings. The biomass is basically coming from the agriculture, food industry and forestry. The production of food and nutrition is mainly coming from agriculture, food industry. The manure is coming from the by-product of the food industry and forestry. During the industrial utilization we use the chemically and biologically modified carbohydrate derivatives. The biomass most extensively used in the energetic area. The by-product of the agriculture and forestry is modified for energy forest, biodiesel and bio-ethanol. The by-product of the livestock breeding is gasified biologically. In the food industry the by-product can be modified for steam. With anaerobic fermentation of the communal industrial waste we can gain electricity and heating energy. There are different ways to create propellant and electricity. In our country the most popular ways to use bio energy are the direct combustion with gas, biogas, biodiesel, bio-ethanol [33]. From energetically point of view the biomass is getting more and more important in the near future at Hungary because we have significant resources. Based on this Hungary can gets determinative position regarding bio energy within Europe or maybe in the world.
76
Irodalomjegyzék [1] Ebrand.hu- Mire jó a biomassza; 2012. július 13. [2] Ebrand.hu- Mi az a biomassza; 2012. november 25. [3] Net.jogtar.hu – Hatályos jogszabályok gyűjteménye; Copyright Wolters Kluwer Kft.; 2013 [4] Az idézet a 2010. évi CXVII. törvény 2012. március 8-án hatályos szövegéből származik [5] Gyulai Iván – A biomassza dilemma; harmadik, bővített kiadás; Miskolc; 2009. augusztus [6] Zsiborács Henrik, Dr. Pályi Béla, Dr. Demeter Győző – Napelemes rendszerek energetikai hasznosítása Magyarországon kiserőművi méretekben [7] Biomassza Erőművek Egyesülése- A biomasszáról általában [8] Büki Gergely – Kapcsolt energiatermelés; Műegyetemi Kiadó, 2007 [9] Dr. Gergely Sándor – Biomasszatüzelés; Károly Róbert Főiskola, 2012 [10] Nemzeti Fejlesztési Minisztérium- Magyarország megújuló energia hasznosítási cselekvési terve; A 2020-ig terjedő megújuló energiahordozó felhasználás alakulásáról, 2010. december [11] Kunszentmiklós.hu – Massza és etanol az erőművek országában, 2007.11.23. [12] Gőgös Zoltán bioenergetikai kormánybiztos- Biomassza potenciál és hasznosítása Magyarországon; 2005.08.25. [13] KSH, FAO: az 1999-2003 évek átlagadatai [14] EBP Európai Bioenergia Technológia Kft.- Bioüzemanyagok [15] Dr. Laczó Ferenc a közgazdaságtudomány kandidátusa, Környezettudományi Központ Bioüzemanyagok előállításnak lehetőségei Magyarországon; Budapest, 2008. [16] Carnation -Földgáz.hu – Biogáz [17] Dr. Tóth Péter, Dr. Bulla Miklós, Dr. Nagy Géza - Energetika – A biomassza energetikai hasznosítása, energiatermelés biomasszából; 2011 [18] Dr. Kocsis István – Komposztálás, biogáztermelés; 10. fejezet – Biogáz előállítás; Szent István Egyetem, 2011 [19] Kassai Zsolt- Zöld energiát okosan- avagy- A biomassza energetikai célú hasznosításának környezeti fenntarthatósági feltételei; 2008.június
77
[20] Bíró Borbála – Biomassza hasznosítás; EDUTUS Főiskola, 2012 [21] Tanfolyammester – Tűzvédelmi alapismeretek, Budapest [22] Energiacentrum – Biomassza tüzelés; 2009. szeptember 9. [23] Dragon.unideb.hu - Égéselmélet és oltóanyag ismeret [24] Natúr- Energia Kft. - Faelgázosító kazán [25] Defro tüzeléstechnika- Faelgázosító kazán áttekintés és jellemzők [26] Csoknyai Tamás, Kircsi Andrea, Kalmár Ferenc, Talamon Attila – Környezettechnika; Terc Kft., 2013 [27] Gaz-szer.hu – Vegyes tüzelésű kazán [28] Gepkereskedelem.eu – Bálafűtésű elgázosító kazánok; 2010. január 7. [29] Dr. Fenyvesi László, Ferencz Ákos, Tóvári Péter – A tűzipellet; Budapest, 2008 [30] LCA Center Egyesület- LCA; Miskolc [31] MSZ EN ISO 14040:2006-os és az MSZ EN ISO 14044:2006 szabványok alapján [32] CML 2001, 2010. novemberi módszer [33] Bai Attila, Lakner Zoltán, Marosvölgyi Béla, Nábrádi András – A biomassza felhasználása; Szaktudás Kiadó Ház ZRT.; Budapest; 2002
78
