HULLADÉKOK ENERGETIKAI ÉS BIOLÓGIAI HASZNOSÍTÁSA
8 8.1 8.2 8.3
A biomassza energetikai hasznosítása Tárgyszavak: biomassza; égetés; anaerob emésztés; pirolízis; elgázosítás; cseppfolyósítás; fahulladék; vágóhídi hulladék.
A biomassza mint megújuló energiaforrás A biomassza egyike a manapság divatos “megújuló” energiaforrásoknak. „Megújulónak” tekintjük a rövid távon regenerálódó energiaforrásokat, amelyek a fenntartható gazdaságot szolgálják, szemben az évmilliók alatt kialakuló, de viszonylag rövid idő alatt elfogyasztható fosszilis energiaforrásokkal, mint amilyen a szén, kőolaj, a földgáz, urán stb. Az Egyesült Királyságban folyó, megújuló energiaforrások kutatására irányuló projektek az alábbi területekre koncentrálnak: a) bio-tüzelőanyagok és biomassza (beleértve a szilárd települési hulladékot, a deponálás melléktermékeként képződő gázt, mezőgazdasági hulladékokat és energetikailag hasznosítható növényeket) b) fejlett tüzelőanyag-cellák (amelyek szigorú értelemben nem számítanak megújuló energiaforrásnak, csak korszerű energiaátalakító berendezésnek) c) napenergia (passzív, aktív és fotoelektromos) d) víz (vízenergia, árapály, hullámerőmű és víz alatti áramlások hasznosítása) e) szélenergia (parti és vízi) f) geotermikus. A megújuló és hulladék tüzelőanyagok részben hasonlók, részben átfedést mutatnak egymással. Azt is mondhatnánk, hogy a valóban megújuló energiaforrásokat pazarlás nem ilyen módon hasznosítani, és az is igaz, hogy a települési hulladék valójában energiaforrás, még ha eredeti felhasználói számára értéktelen is. Bár sokféle definíció létezik a megújuló energiaforrásokra, valamint a biomasszára, itt „biomassza” és „biológiai eredetű tüzelőanyag”-on mezőgazdasági eredetű hulladékokat értünk, „hulladék”-on pedig emberi felhasználásból eredő (városi vagy ipari) hulladékokat. A különféle, energetikai célra felhasznál-
ható hulladékokat az 1. táblázat foglalja össze a fenti felosztásnak megfelelően. Az olyan hatékony energiahasznosítási módszerek, mint a kombinált hő- és energiatermelés (CHP) vagy a kombinált ciklusú gázturbina (CCGT), általában jól integrálhatók ezekkel az energiaforrásokkal. 1. táblázat Gyakran felhasznált „megújuló” és „hulladék” energiaforrások Megújuló, fenntartható biomassza tüzelőanyagok
Hulladék tüzelőanyag források
Cukornádhulladék
Szennyvízemésztő gáz
Fűrészhulladék, fűrészpor
Deponáláskor képződő gáz
Erdészeti és kertészeti hulladék
Bányagáz
Energetikai célú fatermelés
Finomítói és feldolgozói hulladék gáz
Rizshéj és kávéhéj
Kondenzátumtól megtisztított nyers gáz
Szalma
Települési szilárd hulladék
Földimogyoró- és egyéb csonthéjas héj
Veszélyes és vegyi hulladék
Pálmaolaj és kókuszdió maradék
Szennyvíziszap
Hús- és csontmaradvány
Kórházi és klinikai hulladék
Baromfihulladék
Autógumi hulladék
Állattartási hulladék
A biomassza energetikai hasznosításának módszerei Égetés Annak ellenére, hogy a többi, később említendő technológia is sokat fejlődött, még ma is leggyakrabban égetéssel alakítják át a biomasszát hasznos energiává. A legtöbb, 1. táblázatban említett biológiai eredetű tüzelőanyagot közvetlenül fel lehet használni hagyományos kazánokban. A tűzifa mellett, amely az emberiség legrégibb tüzelőanyaga, de amelyet ma is a világ számos részén használnak (kis hatékonyságú) tüzelőanyagként szobafűtésre vagy főzésre, a cukornádhulladék (bagassz) volt az egyik legkorábbi példa a biomassza energetikai hasznosítására. A cukorgyárakban ezt a hulladékot ma is gőzfejlesztésre használják. A 19. század végén rájöttek, hogy bár a cukornádhulladék kalóriaértéke jóval kisebb, mint a kőszéné (2. táblázat), de sok van belőle, és pl. gőzfejlesztésre kiválóan alkalmas. A gőzre szükség van a cukorfinomításnál, és felhasználható a gépek mozgatására is. Éveken át változó irányú gőzgépeket használtak – eleinte a törőmalmok hajtására, majd, a technológia fejlődésével a zúzógépek és a vágókések hajtására. Az 50-es évektől azonban a gőzmeghajtás helyett gőzturbinás áramtermelést végez-
nek, és az áramot használják a berendezések hajtására. Eleinte a cukornádhulladékot csak kiegészítő tüzelőanyagként használták a szén mellé, de később, a rostélytechnológia fejlődése lehetővé tette a teljesen hulladékalapú energiatermelést is. Mivel a termesztési idény hossza nő, ennek egyre nagyobb a jelentősége, és ma már szenet csak akkor használnak, ha nem áll rendelkezésre elég hulladék az energiatermeléshez. 2. táblázat Különböző tüzelőanyagok kalóriaértéke Tüzelőanyag
Kalóriaérték (MJ/kg)
Kőszén
23,0–32,0
Fűtőolaj
40,0–45,0
Földgáz
50,0–55,0
Műanyag
27,0–34,0
Szilárd települési hulladék
8,5–11,0
Kórházi és klinikai hulladék
17,5–22,5
Vegyi hulladék
18,5–23,0
Szennyvíziszap
7,0–13,0 (nedvességtől függő)
Autógumi
32,0–40,0
Fa
17,0–20,0
Szalma
14,0–15,5
Hús- és csonthulladék Baromfihulladék
20,0–28,0 (zsírtartalomtól függően) 13,0–14,0
Számos egyéb biomassza is könnyen elégethető, bár a kazán és a rostély szerkezete függ az égetendő anyag jellemzőitől. A legtöbb esetben adagolórostélyt használnak, de már terjednek a mozgórostélyos, automatizálható berendezések. Ha azonban rizshéjat akarunk égetni, gondolni kell arra, hogy a magas kvarctartalom miatt gyorsan lerakódás képződhet a rendszerben, és nagyobb a korrózió is, ezért ezeket a kazánokat egészen másképpen kell tervezni, mint más biológiai hulladékok esetében. Az autógumik égetésére kifejlesztett ciklonos égetőművek igen alkalmasak rizshéj égetésére, de ezeket a bonyolultabb berendezéseket túlzás lenne más biológiai hulladék égetésére használni. A szalmaégető berendezésekben különlegesen megtervezett rostélyt használnak egy sugárzásos/konvektív vízcsöves kazán alatt, a vágóhídi hulladékok esetében viszont többnyire fluid ágyas kazánt használnak (1. ábra). A cirkuláló fluid ágyas rendszerekben külön hulladékhő-hasznosító kazán van, amelyet általában nagy fűtőértékű tüzelőanyagokhoz használnak.
gőzhenger
kazántest
túlhevítő
vízhenger
meghajtott motor
fluidizáló levegő
1. ábra Biomasszaégetéshez használt modern, fluid ágyas kazán
A kazán szerkezetét befolyásoló legfontosabb tényezők a következők (3. táblázat): 1. Leginkább a nedvességtartalom befolyásolja a kazán szerkezetét. A nagy nedvességtartalmú tüzelőanyag szállítása és tárolása problémát jelent, pl. cukornádhulladékot nem tárolhatunk a kazán tárolójában, különben a kazán eltömődhet. Az ágyhőmérséklet fenntartása is problémát jelent a nagy nedvességtartalmú tüzelőanyagok esetében, viszont ilyenkor el lehet kerülni az ágy belső hűtését belső vízhűtésű csövekkel. 2. Hamutartalom. A kis hamutartalmú tüzelőanyagokat mozgórostélyon nehéz égetni, mert a nagyon vékony hamuréteg túlmelegedést okoz. A fluid ágyon égetett, alacsony hamutartalmú tüzelőanyagoknál homokot kell hozzáadni
az ágyhoz, mert a keletkező hamu mennyisége nem elegendő a fluid ágy fenntartásához. A nagy hamutartalmú tüzelőanyagok (50–60%) azonban kitűnően égethetők fluid ágyon. 3. Ha a hamu kvarcot is tartalmaz, akkor nagy az eróziós hatás, és a kvarcleválás a kazáncsövekre elszennyeződést okozhat. Mint már előbb említettük, a rizshéj pl. sok kvarcot tartalmaz, és ezt a kazán tervezésekor figyelembe kell venni. 4. Az alkálisó-tartalom a hamuban csökkenti a hamu lágyulási hőmérsékletét, ami eltömheti a kazán magas és alacsony hőmérsékletű zónáit (pl. a túlhevítőt és a gazdaságos üzemeltetést biztosító zónát). A csőemelkedéseket ennek megfelelően kell megtervezni. 5. A hamu fémsótartalma (nátrium- és káliumsók) alacsony hőmérsékleten olvadó eutektikumot alkot, ami a kazán magas hőmérsékletű zónájában (pl. a túlhevítő belépő szakaszán) salakkiválást okoz. Ennek elkerülésére adott esetben szénnel való együttégetést kell alkalmazni. A rizshéj pl. 750 oC-os olvadáspontot mutat, ami különleges tervezési módszereket igényel égetéskor. 6. Részecskeméret. A fluid ágy alkalmazásához arra van szükség, hogy a részecskeméret a 10–20 mm tartományban legyen, mivel a fluid ágy sebessége és a részecskeméret között szoros összefüggés van. A cukornádhulladékot pl. nem megfelelő részecskeméret-eloszlása miatt nem lehet fluid ágyon égetni, viszont mozgó vagy adagolórostélyon jól lehet égetni. A rizshéjat, a rizsszalmát vagy a kávéhéjat pl. jól lehet fluid ágyon égetni magában, vagy megfelelő tüzelőanyag hozzáadásával. 7. A finomrészecske-frakció aránya. Bizonyos mennyiségű finomfrakció elégethető a fluid ágyban. Ha a szükségesnél kevesebb tüzelőanyagot juttatnak a fluid ágyba, akkor a finomrészecskék is elégnek. Mozgórostély esetében a finomfrakció aránya legfeljebb 20% lehet, fluid ágy esetében viszont tüzelőanyag aluladagolással ennél több is elégethető. A rizshéj fluid ágyon jól égethető mind tüzelőanyag túladagolással, mind aluladagolással. 3. táblázat Biomasszából származó tüzelőanyagok fontosabb jellemzői Biomassza
Nedvességtartalom (%)
Hamutartalom (%)
Kalóriaérték (MJ/kg)
Cukornádmaradék
50
1–2
9,2
Cukornád belső héj
40
2
7,5–8,4
Elhasznált cukornádmaradék
40
10
12,5
Fűrészpor
35
2
11,3
10–15
15–20
12,6–13,8
6
16
14,7
Rizshéj Rizsszalma
3. táblázat folytatása Biomassza
Nedvességtartalom (%)
Hamutartalom (%)
Kalóriaérték (MJ/kg)
16
16
11,3
11–14
2–5
15,0–17,5
Földimogyoróhéj
10
2–3
16,75
Kókuszhéj
10
1
18,8
Kókuszszál
8
15
16,75
Bambuszpor
9–12
7
7,5–14,7
Dohánypor
8
30
11,7
Gyapotszár
7
3
18,4
Szójaszalma
8–9
5–6
15,5–15,9
Olajmentesített rizskorpa Kávéhéj
ipari hő, lakásfűtés, vízmelegítés gázégő/ fűtőanyag kazán
villamosság kombinált hő- és villamos energia
motor/ generátor
szállítás
biogáztárolás
járműmotor
szeparátor (választható)
szálas anyag komposztálás
biogáztisztítás
EMÉSZTÉSI TERMÉK emésztő
szálas anyag (deponálható)
folyadéktárolás és -elosztás
tárolás és esetleges előkezelés (pl. különböző anyagok keverése, szűrés és darabolás) BEJÖVŐ ANYAGOK
2. ábra Az anaerob emésztés folyamatábrája
Anaerob emésztés Az anaerob (légmentes) emésztést egyre gyakrabban alkalmazzák folyékony vagy félfolyékony zagyokkal kapcsolatban, mint amilyenek az állati hulladékok, ugyancsak használják emberi eredetű szennyvizeknél, de csak korlátozottan alkalmazzák egyéb hulladékok vagy biomassza esetében. Az anaerob emésztés ugyanazokat a folyamatokat használja, mint amelyek talajba történő eltemetésnél (deponálás) történnek, csak itt ellenőrzött körülmények között, emésztőben hajtják végre őket. Az emésztőtartály egy melegíthető, lezárt, légmentes tartály, amelyben a baktériumok oxigénmentes környezetben fermentálják a hulladékot, és biogáz képződik (2. ábra). Összetételét tekintve ez a biogáz nagyon hasonlít ahhoz, ami a földbe lerakott hulladékból képződik. A keletkező biogáz mennyiségét alapvetően az emésztő mérete határozza meg, ezért azt nagyrészt elégetik, vagy hagyományos gázforralóban a közeli épületek fűtésére, vagy egy nagyobb generátorban villamosenergia-termelésre használják. Pirolízis A pirolízis során a hulladékot légmentesen hevítik, és kokszot, olajokat és égethető gázokat állítanak elő. Annak ellenére, hogy a pirolízis igen régen ismert (többek között a kokszgyártásból), biomasszára és hulladékokra való alkalmazása viszonylag új fejlemény (3. ábra). A pirolízis helyett használható a termolízis is, amely inkább oxigénben szegény, mint oxigénmentes környezetben történő hevítést jelent, és ez az energetikai hasznosítás szempontjából kedvezőbb. Bár a pirolízis minden terméke hasznosítható, tüzelőanyagként leginkább a pirolízisolaj használható. Az eljárástól függően ezt az olajat vagy kazánokban égetik el, vagy dízelolaj helyett használják forgómotorokban. Bár a pirolízis a jövő nagy ígérete, eddig kevés aktuális működési tapasztalat gyűlt össze ezzel az eljárással kapcsolatban. Elgázosítás Az elgázosítás abban különbözik a pirolízistől, hogy levegőben levő oxigént, vizet vagy tiszta oxigént reagáltatnak magas hőmérsékleten a hulladékban levő szénnel, aminek eredményeként gáz, hamu vagy salak és kátrány képződik. Bár a gázosítás hulladékokra vagy biomasszára való alkalmazása viszonylag új, annak alapjai és szénre való alkalmazásuk igen alaposan ismertek. A biomassza gázosításának fő előnye, hogy a termékként keletkező gázt közvetlenül fel lehet használni turbinás generátorban. A fő hátrány, hogy több nagy berendezés miatt a tőkeigény is nagyobb, a megtérülést gondosan mérlegelni kell.
előkészített biomassza gyors pirolízis folyadékká extrakció vagy reakció
250 kW-os kettős üzemanyagú, biodízellel is működtethető motor (Ormrod Diesels, Egyesült Királyság)
stabilizáció vagy továbbalakítás
forraló
2,5 MW-os gázturbina (Orenda, Kanada)
hő
motor
villamosság
bioolajból készített fenolformaldehidgyantából készült faipari termékek (NREL, USA)
teljes bioolajból készült, lassú hatóanyagleadású műtrágya
turbina
benzin vagy dízel
vegyszerek finomvegyszerek
bioolajból származó fenolformaldehidgyantából készült termékek (ARI, Görögország)
3. ábra A hulladék pirolízisének folyamatábrája
„Gazohol”-termelés A 20. század vége felé több országban a kőolaj és a benzin magas ára miatt bevezették a „gazoholt”, amely általában 90% ólommentes benzint és 10% alkoholt (általában etanolt) tartalmaz. A gazohol jól égethető belső égésű benzinmotorokban, és kívánatos helyettesítő üzemanyag bizonyos alkalmazásokban, hiszen alkoholt (metanolt vagy etanolt) viszonylag könnyen elő lehet állítani megújuló nyersanyagforrásokból, például biomasszából. A hígítatlan metanol és etanol ugyancsak jó üzemanyagok a gépkocsimotorokban, mert nagy az oktánszámuk és kicsi a károsanyag-kibocsátásuk, bár oldó hatásuk miatt problémát okozhatnak a üzemanyag-ellátó rendszer egyes műanyag
komponenseiben – a gazoholt viszont változtatás nélkül fel lehet használni a legtöbb meglévő motorban is. A metanol (metil-alkohol, faszesz, karbinol – CH3OH) a legegyszerűbb alkohol. A metanol nagy oktánszámú, tisztán égő üzemanyag, ami fontos helyettesítője lehet a benzinnek járművekben és helyhez kötött motorokban is. Az etanolt (CH3CH2OH) már a történelem előtti idők óta gyártják – főként gyümölcsök nedveiből, de elő lehet állítani más szénhidrátokból (pl. gabonából vagy akár burgonyából) is. Égetési és üzemanyag-helyettesítő funkciójában a metanolhoz hasonlóan kedvező tulajdonságokat mutat, és jól használható, ha a szénhidrogénektől eltérő oldékonysági tulajdonságait figyelembe veszik az üzemanyag-ellátó rendszer tervezésekor. A gazoholhoz hasonló üzemanyag-helyettesítő a biodízel, amelyet természetes zsírokból és olajokból metanol vagy etanol felhasználásával lehet előállítani. A legtöbb eddig használt eljárásban metanolt alkalmaztak alkoholkomponensként. Európában a biodízelt használják 100%-os formában (B100) és kőolajalapú dízellel keverve is. Európában a biodízelt rendszerint repceolajból állítják elő. Az USA-ban a biodízel-program inkább a szójaolajra épül, hiszen az Egyesült Államok a világ legnagyobb szójagyártója. Cseppfolyósítás A feljövőben levő technológiák közül a cseppfolyósítás potenciálisan minden biológiai eredetű anyagra használható, de leginkább fára. Amit a természet évmilliók alatt végzett el, az megtehető egy cseppfolyósító üzemben is, ahol a nedves, kezdetben száraz tömegre vonatkoztatva akár 50% oxigént is tartalmazó szerves anyagból 10% alatti oxigéntartalmú szénhidrogéneket lehet nyerni. Elvben háromféle módszerrel készíthetünk szénhidrogént a biomasszából – amelyek közül a harmadik a már tárgyalt gázosítás. A hidrotermikus feljavítás technológiáját a Shell fejlesztette ki. Ennek során a biomassza oxigéntartalmának 75%-át nagy nyomáson, magas hőmérsékleten távolítják el, de hidrogén hozzáadása nélkül. A hidrogént csak ezután adják hozzá, hogy jó minőségű benzint kapjanak. Az egész eljárás hatékonysága legfeljebb 50%. Az ún. flash (impulzus) pirolízis hatékonysága jobb, mintegy 67%. Ebben az eljárásban viszont biológiai nyersanyag keletkezik, amelynek összetétele megegyezik a kiindulási száraz biomasszáéval, ezért a kapott üzemanyag minősége valamivel rosszabb, mint a hidrotermikus módszer esetében. Ha mégis jó minőségű benzint akarunk kapni, egy második, katalitikus átalakítást is be kell iktatni, és akkor már a teljes folyamat hatásfoka kisebb, mint a hidrotermikus eljárásé. Az utolsó módszer az oxigénnel történő elgázosítás, amelyet FischerTropsch vagy metanolszintézis követ a jó minőségű benzin kialakítása érdekében. A Fischer-Tropsch szintézissel jó minőségű repülőbenzint lehet előállí-
tani, de a teljes eljárás hatásfoka nem éri el az 50%-ot, szemben a metanolszintézis 60%-os hatásfokával.
Az energetikai célra felhasználható biomassza típusai Cukornádhulladék A cukornád-feldolgozás során a cukornádat mozgó táblákra öntik, amelyek azt a forgó vágókésekhez juttatják. A darabolás után, miután a szövetek hozzáférhetővé váltak, következik a cukor kioldása. A vágás után következik az aprítás, majd a zúzás forgómalomban. Itt történik a növényi nedv kipréselése is. Az őrölt nádat vizes ellenárammal kezelik (macerálás), amelynek során kivonják a cukrot. A kipréselt növényi nedvet és a macerátumoldatot egyesítik, később ebből nyerik ki a cukrot. A cukor kivonása után visszamaradó cukornádhulladék más biomasszákhoz hasonlóan kitűnő tüzelőanyag. Bár az alábbiakban leírt gőzturbinák specifikusan a cukorfeldolgozási maradék hasznosítására készültek, hasonló szerkezetek állnak rendelkezésre más, biológiai eredetű hulladékok esetében is. Mint korábban említettük, az 50-es évektől a cukorgyárakban elterjedtek az egylépéses, impulzusszerű gőzturbinák a különféle berendezések közvetlen hajtására. A gyakorlatban a Curtiskerékkel dolgozó turbinák bizonyultak a legmegbízhatóbbnak. A percenként 6000–8000 fordulatszámú turbinák különböző fogaskerék-áttételekkel különböző berendezéseket hajtottak meg. Az áttétel esetenként nagy is lehetett, hiszen pl. a zúzómalmok 4–6 fordulat/min sebességgel működnek. Az egyszerű szerkezetek vezérlése mechanikus úton történt. A gőznyomás viszonylag alacsony volt (10–15 bar), és általában ma sem alkalmaznak 30 bar-nál nagyobb nyomást a cukorgyárakban. A gőz kimenő nyomása 2–3 bar volt, ami még mindig elég a gőz további hasznosításához a finomítás során. Annak ellenére, hogy ez a tüzelőanyag szinte ingyen van, a hatásfok kérdése fontossá vált, amikor a gőzturbinákat egyre inkább csak cukornádhulladékkal kívánták működtetni a korábbi gyakorlattal szemben, amikor a nád-hulladék csak kiegészítő tüzelőanyag volt. A 70-es és 90-es évek között a cukorgyárak technológiája ugrásszerűen javult, és egyre inkább a villamos meghajtás vált meghatározóvá, a cukornádhulladékból termelt hőt pedig egyre inkább villamos energia termelésére fordították. Ehhez nagyobb, többlépéses turbinákra van szükség. Ahogy javult a cukorgyártás technológiája, több hulladék képződött, mint amire magának az üzemnek szüksége volt. Mivel a cukorgyárak általában a városoktól távolabbi (de nem szükségszerűen alacsony népsűrűségű) területeken vannak, lehetőség kínálkozik arra, hogy a cukorgyárak generátorait bekapcsolják a közellátásba, vagy akár ezek váljanak az adott terület fő erőműveivé (pl. Indiában, DélAfrikában vagy Ausztráliában). Ezekben az esetekben már nincs is szükség arra, hogy nyomás alatti gőzt vegyenek ki a turbinákból, kondenzációs turbinákat lehet használni az ellennyomásosok helyett, ami javítja az
másosok helyett, ami javítja az entalpiaesést és a teljesítményt. Manapság éppen ezért 40–50 MW-os turbinák működhetnek a cukorgyárakban a korábbi 10–20 MW helyett. A gőzturbina-fejlesztés másik fontos lépése az egylépcsős turbinák „tandembe” történő vagy ikerkapcsolása. Faipari hulladék A fafeldolgozók mindenképpen nagy mennyiségű fahulladékot szolgáltatnak – akár fűrészpor, akár használhatatlan forgács formájában, amelyet hagyományosan hulladékként elégettek. Mivel a fa fűtőértéke elég magas, könynyen lehet segítségével helyben gőzt vagy villamos áramot termelni. Az erre a célra szolgáló gőzgenerátorok hasonlóak a széntüzelésűekhez: mozgórostélylyal, természetes cirkulációval és kazános forralóval működnek. Ha a faipari hulladékra úgy tekintünk, mint megújuló energiaforrásra és nem mint hulladékra, javul a hasznosítás gazdaságossága is. Mivel a faipari feldolgozó üzemek általában az erdők és nem a városok közelébe épülnek, gyakran nem éri meg a telepet bekötni az országos villamos hálózatba. Az áramot gyakran helyben, dízelmeghajtású generátorokkal termelik, és a dízelellátás esetenként logisztikai nehézségeket okoz. Ezért a legcélszerűbbnek az látszik, ha a faipari hulladékot helyben kondenzációs gőzturbinák meghajtására és villamos áram termelésére használják. Ha az üzem elég közel van az erdőhöz, a keletkező szén-dioxid nagy részét a növekvő fák megkötik, és egy közel „szénsemleges” ciklust lehet megvalósítani. A faipari hulladékok hamutartalma általában kicsi (<2%), szinterezési hőmérsékletük magas, és kicsi a nitrogén- és klórtartalmuk. Néhány faipari hulladék hasznosítására szolgáló erőmű adatait a 4. táblázat foglalja össze. 4. táblázat Néhány, faipari hulladék feldolgozására szolgáló gőzturbinás generátor adatai Maine, USA (1985) Teljesítmény (kW) Belépő nyomás (abszolút) (bar) Belépő hőmérséklet (oC) Kilépő nyomás (abszolút) (bar) Fordulatszám (1/perc)
800 9,6 177 0,086 9250
Ghana (1988) 2x1250 21,7 316 0,105 9250
Fiji (1986) 3000 42,3 400 0,101 7035
Finnország (1994) 3700 42,0 480 0,65 9000
5. táblázat Iparilag megvalósított biomassza-elgázosító üzemek Gyártó
Megvalósítás helye
Ahlstrom
Varnarno (Svédország) Wisa erdőség, Pietasaari, Finnország Burlington, Vermont, USA
Ahlstrom Battelle FERCO (USA Energetikai Minisztérium) DASAG EPI EPI EPI IGT Renugas Lurgi Lurgi Lurgi
Pyrocycler (Pyrovac International) Rossano Calabro TPS TPS
Svájc North Power, Oregon, USA Bloomfield, Missouri, USA Sacramento, California, USA
Eljárás
Biomasz- Betáplá- Villamos sza típusa lás (t/h) teljesítmény (MW) Pyroflow, atmoszfé- fahulladék 3,0 6,0 rikus CFB Pyroflow, atmoszfé- fahulladék 6,4 0,0 rikus CFB Atmoszférikus indi- fa biorekt fűtésű FB, massza CCGT Lefelé szellőztetett, fahulladék egyenáramú, légbeszívásos ágy Atmoszférikus FB fahulladék
8,3
Termikus teljesítmény (MW) 9,0
15,0
34,0 (mészégető kemencébe) 40,0
6,0
0,0
Atmoszférikus FB
fahulladék
16,0
0,0
Atmoszférikus FB
mezőgazdasági hulladék cukornád hulladék roncsolt fa
30,0
0,0
4,2
5,0
0,0
Egy széntüzelésű, atmoszférikus FB üzem átalakításával Atmoszférikus CFB fahulladék Atmoszférikus CFB, erdei hulCCGT ladék, olajbogyó és szőlőmag Jonquiére, Kanada Alloterm vákuumáltalános pirolízis, CCGT biomassza
20,0
27,3
0,0
4,5 6,2
11,9
3,5
5,0
0,0
Cosenza, Olaszország ARBRE Energy, Eggborough, Egyesült Királyság Mucuri, Bahia, Brazília
4,5
4,0
0,0
5,8
8,0
0,0
Maui sziget, Hawaii, USA Amergas, Geertruidenberg, Hollandia Pol AG, Ausztria Bioelettrica SpA, CAscina, Pisa, Olaszország
Nagynyomású FB
Atmoszférikus FB, 4 fahulladék gázerőmű Atmoszférikus FB, SRC CCGT (fűzfa)
27,0
Atmoszférikus CFB SRC
Rövidítések: CFB: cirkulált fluid ágyas, FB: fluid ágyas, CCGT: kombinált ciklusú gázturbina, SRC: vágott sarjak
32,0
Az égetés mellett egyre nagyobb érdeklődést tanúsítanak a fahulladék olajjá alakítása iránt is pirolitikus módszerrel. Több kísérlet folyik pirolízisolajjal működővé átalakított dízelmotorokkal és kisebb gázturbinákkal. A kísérletek sikerrel zárultak, de egyelőre még nincs arra vonatkozó információ, hogy vannak-e olyan ipari létesítmények, ahol ezt az eljárást kereskedelmi léptékben alkalmaznák. A gázosítás esetében több ipari léptékű alkalmazás is ismert (5. táblázat). Erdészeti és kertészeti hulladékok Egy olyan erdőt, amelyet fakitermelés céljából telepítenek, nem lehet hagyni egyszerűen természetesen növekedni. Ha pl. villanypóznákat akarnak készíteni a fából, nem lehet hagyni, hogy túl sok ág nőjön a törzsön. Ezeket a levágott hajtásokat is valamilyen módon hasznosítani kell. A nem megfelelően növekvő fákat ugyancsak el kell távolítani, hogy ne foglalják el a helyet a jobban növekvők elől. Ezért az erdészetek mellett sokszor célszerű egy kis generátort beállítani, amely a fahulladékot hasznosítja. A kazán és a gőzturbina hasonló az előző szakaszban leírtakhoz. Mivel ezek a hulladékok kevésbé érettek, mint a faipari hulladékba jutó fa, alacsonyabb a zsugorodási hőmérséklet és nagyobb a klór-, valamint nitrogéntartalom (emissziós prekurzorok). 1988-ban Újfoundlandban üzembe helyeztek egy 5 MW-os erőművet ilyen hulladék égetésére, amelynél a belépő gőznyomás 59,6 bar, a hőmérséklet 480 oC, a kondenzátornál a gőz nyomása pedig 0,08 bar. Egy ennél jóval nagyobb üzem épül Minnesota államban (USA), amely 25 MW villamos energiát és 73 MW hőenergiát fog termelni, ami a közeli város energiaszükségletének mintegy 80%-át fedezni fogja. Energetikai célú fatermelés (rövid rotációs idejű sarjlevágás = SRC) A két említett fahasznosítási módszer mellett létezik egy harmadik megközelítés is, amelyben a fát energetikai céllal (elégetésre) termesztik, nem pedig szerkezeti anyagként való hasznosításra. Ez analóg a Brazíliában az energetikai céllal ültetett növények termesztésével (ld. a „gazohol” eljárást). Az SRC eljárás lényege, hogy a gyorsan növekvő fafajtákat 3-4 évente learatják és elégetik. Erre a célra ideálisak az olyan fafajták, amelyek nagy fűtőértékűek, lehetőleg jól éghető olajokat vagy gyantákat tartalmaznak, és jól termeszthetők. Ideális lenne az eukaliptusz, de ez Európában vagy ÉszakAmerikában csak nehezen termeszthető, a fűzfa és a berkenye ezen az éghajlaton jobban használható. Délkelet-Ázsiában és Ausztráliában az ipil-ipil fát használják ilyen célra. Ha 4 évente aratják le a fát, egy 500 hektáros területről kb. 1000 kW teljesítmény biztosítható. Az erőmű hamuját trágyázására lehet használni, a szén-dioxidot pedig megkötik a növekvő fák. Ezeknél az erőműveknél gondot jelenthet a nagy területről való begyűjtés és a szárítás, ami logisztikai problémákat vet fel. Spanyolországban pl. a
problémákat vet fel. Spanyolországban pl. a bogáncsot termesztik, és 10 MWos erőműveket táplálnak vele. Egy tanulmány szerint egy 6000 ha területű ültetvényen évi 105 E t/év bogáncsot lehet megtermelni, a tőkeigény mintegy 10,5 M GBP. Szalmaégetés A szalma a gabonabetakarítás maradéka, hiszen csak a termény fejét dogozzák fel, a szár és a levelek megmaradnak. Amikor még a kézi betakarítás volt szokásos, a szalmát sokféle célra felhasználták (állatok táplálása, alom, építőanyag, tetőfedés stb.), de manapság a nagyobb hatékonyságú termelés és a fokozódó urbanizáció következtében nagyobb a szalma kínálata, mint az iránta mutatkozó igény, ezért sokszor a mezőn elégetik. Ez a gyakorlat azonban környezetvédelmi szempontból nem elfogadható, az USA-ban és más fejlett országokban pl. törvény tiltja a szalmaégetést. A szalma egy része beszántható a talajba, de más alkalmazásokat is kell találni, pl. az építőiparban. Mivel a szalma energiatartalma nem túl alacsony (15 MJ/kg, nagyobb, mint pl. a cukornádhulladéké), nyilvánvalónak tűnik az energetikai hasznosítás. Próbálkoztak a szalmának mind az égetésével, mind a pirolízisével. Mivel a szalma kevés klórt és ként tartalmaz, a kazán magasabb hőmérsékleten és nagyobb nyomáson működtethető, mint a legtöbb hulladékégetőé. A legnagyobb gondot a szalma kis halmazsűrűsége jelenti, egy kilogramm szalma nagyon nagy térfogatot foglal el, és gondot jelent a szállítása. Ugyanez a laza szerkezet gondot jelent az égetésnél, a rostély konstrukciójánál is. Egy angol energetikai cég 2000 végére tervezett egy 36 MW-os erőművet évi 200 E t szalma égetésére. Az üzem építési költsége 60 M GBP volt. Rizs- és kávéhéj A rizshéj, rizsszalma és a kávéhéj fűtőértéke elég hasonló a szalmáéhoz, mégis egészen másképp kell kezelni nagy kvarctartalmuk miatt. Ha azonban ezeket az anyagokat begyűjtik és szakszerűen elégetik, nemcsak villamos energiát és gőzt nyernek, hanem jó minőségű hamut is, amelyet építőanyagként vagy ipari csiszolóanyagokhoz lehet használni. Ezt a lehetőséget különösen a fejlődő országokban érdemes megfontolni. A Fülöp-szigeteken működik egy ilyen erőmű, amely 2 MW-os teljesítményű, 14,8 bar nyomású és 343 oCos gőzzel működik, a kondenzáló gőz nyomása 0,12 bar. Costa Rica-ban a kávéhéjból biogázt fejlesztenek, és azt használják fel energetikai célra. Földimogyoró és egyéb csonthéjasok héja A földimogyoró föld alatt nő, és nem is tartozik a csonthéjasok közé. Eredetileg Dél-Amerikában őshonos, de később az Egyesült Államok, India, Kína és Nyugat-Afrika lettek a legnagyobb termelők. A földimogyorót leginkább olaj-
tartalmáért termesztik, bár az USA-ban kb. 300-féle egyéb terméket is gyártanak belőle. A csonthéjasok héját egyéb területeken is alkalmazzák, pl. turbomotorok „homokszórására”, ezért ezt az anyagot ritkán használják tüzelőanyagként annak ellenére, hogy magas a fűtőértéke. A földimogyoró héja lágyabb, ezért ilyen célra nem alkalmas, energiatermelésre használják. Gambiában pl. 1982ben helyeztek üzembe egy 1500 kW-os gőzturbinát, amelyben 32 bar-os, 400 oC-os gőzt használnak, amely 0,14 bar nyomáson kondenzál. Spanyolországban van egy kísérleti üzem, amely mandulahéjból elgázosítással készít fűtőanyagot. Mivel az elgázosítás után oxidatív és reduktív zónák váltogatják egymást, a gáz szinte kátránymentes. Az üzem teljesítménye 500 kg mandulahéj óránként, a gázt 6–8% dízelolajjal keverve két Volvo motorral hajtott generátorba juttatják, amelyek mindegyike 250 kW villamos energiát termel. A hatékonyság 21%. Pálmaolaj- és kókuszdió-hulladék Az afrikai olajpálmát elsősorban olajtermelés céljából termesztik Nyugatés Közép-Afrikában (ahonnan származik), valamint Malajziában és Indonéziában. A gyümölcs külső, húsos részét gőzzel kezelik, hogy elroncsolják a zsírbontó enzimeket, majd kipréselik a pálmaolajat, amely erősen színezett a karotinoidok jelenléte miatt. A magokat ugyancsak mechanikus préssel kipréselik, és kinyerik a pálmamagolajat, amely kémiailag meglehetősen különbözik a gyümölcs húsában levő olajtól. A pálmaolajat szappanok, gyertyák és kenőanyagok gyártására használják, valamint ónlemezek feldolgozásánál és vaslemezek bevonásánál. A magolajat az élelmiszeriparban használják fel, pl. margarin, csokoládé gyártásakor és a gyógyszeriparban. A préselés után viszszamaradó pogácsát takarmányként használják. Mivel a pálmaolaj és a pálmamagolaj iránti kereslet a világon óriási, a termesztési-kinyerési technológia is folyamatosan fejlődik. A pálmaolaj-termelés energiaigényes, hőt és mechanikai energiát igényel. Jelenleg a pálmaolaj-termelés 35 M t/év, ami mintegy 65 M hordó olajnak felel meg. A héjat és a szálas anyagokat általában elégetik, és gőzt termelnek vele. A fejlesztett gőz nagyobb nyomású és magasabb hőmérsékletű, mint amit a folyamat megkövetel, ezért először energiát lehet termelni vele, és a maradék „fáradt” gőzt még mindig fel lehet használni az olajgyártásnál. A gőzzel elsősorban villamos energiát termelnek, 18 bar-os, 260 oC-os gőzzel, amelynek kilépési nyomása 2,5 bar. Mivel a pálmaolajüzemek energiaigénye nem túl nagy, 500–1000 kW, a hulladék elégetése nagy segítséget jelent. A kókuszolajüzemek hasonló elven működnek. A kókuszdióból, a kókuszpálma terméséből nyerik a koprát, a szárított, extrahált magot, amelyből a kókuszolajat kipréselik. A kókuszolaj a világ legkeresettebb, legfinomabb növényi olaja. Az ehető magok mellett a zöld dióból italt nyernek, és kókuszros-
tot, amely ellenáll a tengervíz hatásának, kötelek, kosarak, filcek gyártásához használják. Mivel ez a folyamat nem igényel gőzt, nem volt különösebb ok a kókuszhéj elégetésére, bár néhány ilyen üzem épült már. Vágóhídi hulladék Európában – különösen a szivacsos agyvelőkór (BSE) megjelenése után – egyre nagyobb érdeklődést tanúsítanak a vágóhídi maradványok biztonságos ártalmatlanítása iránt. A fel nem használt maradványok nagy része nagy fűtőértékű, tehát elégethető, bár hagyományosan egyéb módokon dolgozták fel. Az égetés két kategóriában elfogadott eljárás: – azoknál a szarvasmarháknál, amelyeknél BSE kórt diagnosztizáltak, vagy olyan csordából származik, amelyben BSE kórt diagnosztizáltak, az egész tetemet el kell égetni, vagy ártalmatlanítani kell. Ezt szakaszos üzemben végzik, az energia-visszanyerés nem gazdaságos. – a BSE kór kiküszöbölése érdekében a 30 hónaposnál idősebb állatokat Angliában levágták, húsuk felhasználása tilos, csak a zsiradékok kozmetikai felhasználása megengedett. A BSE kór megjelenése előtt magas fűtőértéke ellenére fel sem merült a vágóhídi hulladék (különösen a hús) elégetése, mert sokkal értékesebben lehetett hasznosítani állati táplálékként. Mivel ez most tilos, jelenleg az egyetlen törvényes „feldolgozási” módszer a magas hőmérsékletű elégetés. A program keretében Angliában 400 E t hús várt elégetésre, és további évi 175 E t mennyiség képződik. Erre mindössze négy égetőüzem épült, amelyek közül egy eredetileg baromfihulladék elégetésére szolgált, a többi fluid ágyas égetőmű. Az 5–9 MW villamos energia termelésére alkalmas erőművek 45 bar-os, 350 oC-os gőzt használnak. Baromfitenyésztési hulladék Az Egyesült Királyságban a baromfitelepek évente mintegy 1,5 M t hulladékot termelnek, amely faforgácsot, szalmát és csirkeürüléket tartalmaz. Ez a hulladék, amely 250 futballpálya 2 m vastag beterítésére elegendő lenne, kitűnő tüzelőanyag. Az energetikai cégek megvásárolják ezt a hulladékot, és speciális raktárakban tárolják. Ez meggátolja a szag kijutását a környezetbe, a hulladék pedig közvetlenül az égetőkben kerül. Az égetési hőmérséklet 850 oC fölött van, hogy a szaganyagok és a szerves anyagok teljesen lebomoljanak. A keletkezett hővel 450 oC-os, 65 bar nyomású gőzt termelnek, amivel egy kondenzációs turbinát hajtanak meg. A 6. táblázat néhány ilyen tüzelőanyaggal dolgozó erőmű adatait tartalmazza. Az üzemek hamuját foszfortartalmú trágyaként eladják. Ezt azt jelenti, hogy az eljárás során hulladék tulajdonképpen nem is képződik.
6. táblázat Négy baromfitenyésztési hulladékot égető angliai erőmű adatai Üzembe helyezés dátuma
1992
1993
1998
2000
Kapacitás (t/év)
150,000
85,000
450,000
100,000
Teljesítmény (MW)
12,7
13,5
38,5
10,0
Állattenyésztési zagyhulladék Az állattenyésztés, élelmiszer-feldolgozás és üdítőital-gyártás során keletkező folyékony maradványokkal szemben a hatóságok egyre szigorúbb követelményekkel lépnek fel. Ha a szennyvíz nem üríthető a felszíni vizekbe, vagy az aerob körülmények közti derítés nem elegendő a szabványok kielégítésére, új kezelőberendezéseket kell üzembe helyezni, amelyek jelentős tőkebefektetést igényelnek. Az igazán előre tekintő üzemek azonban megpróbálják az ilyen szennyvizeket is energiatermelésre használni. Az aerob emésztők (AD) levegő jelenlétében a szerves anyagok természetes bakteriális lebontását próbálják meg elősegíteni. Az AD módszer segítségével az állattenyésztési hulladékokból a következő hasznos termékek készíthetők: a) metánban gazdag biogáz, amelyet hő és villamos áram termelésére lehet felhasználni b) szálas anyag, amelyet tápanyagokban gazdag talajkezelőként lehet alkalmazni c) folyékony trágya. Egy tipikus AD üzem által termelt biogáz 100 kW – 4 MW-os erőmű működtetéséhez elegendő. A mezőgazdasági üzemekben a biogázt épületek fűtésére is használják. Az eljárás akkor lesz gazdaságos, ha a biogáztermelést integrált mezőgazdasági hulladék-feldolgozó rendszer részeként valósítják meg. A nyersanyag főként a szarvasmarha-tenyésztés és a sertéstenyésztés hulladéka, de számításba jön a baromfitenyésztés mellékterméke is. Az emésztőtank melegített, légmentesen lezárt tartály, ahol a baktériumok oxigénmentes környezetben biogázt (elsősorban metánt és szén-dioxidot) termelnek. Az emészthető szilárd anyagok mintegy 30–60%-a alakítható át biogázzá. A biogáz hagyományos égetőrendszerekben elégethető, és épületek fűtésére vagy generátorok meghajtására használható. Az energiatermelésnél a CHP (kombinált hő- és energiatermelés) a kedvezőbb, mert a hő az emésztő fűtésére is felhasználható, a felesleget pedig más célokra is fordíthatjuk. Ha új nyersanyag érkezik, az emésztett adagot egy tárolóba szivattyúzzák át, ahol a biogáz még tovább termelődik. A biogáz elválasztása után viszszamaradó terméket vagy közvetlenül trágyaként a talajba juttatják, vagy
előbb szétválasztják a szálas anyagot és a folyékony komponenseket. A szálas anyagot vagy talajjavítóként használják, vagy komposztálják, a folyadékot pedig folyékony trágyaként használják. Eddig kevés energiatermelő üzemet létesítettek ilyen alapon, pedig a lehetőségek nagyok. A fenti példák is azt mutatják, hogy a környezetvédelmi problémákkal küszködő világban a hulladékok megfelelő hasznosítása hozzájárul mind a veszélyes hulladékok mennyiségének csökkenéséhez, mind az energetikai problémák csökkentéséhez. (Bánhegyiné Dr. Tóth Ágnes) Arbon, I. M.: Worldwide use of biomass in power generation and combined heat and power schemes. = Journal of Power and Energy, 216. k. A1. sz. 2002. p. 41–57. Rea, T.: Are the chips down for wood-fuelled power? = Electricity Review, 233. k. 5. sz. 2000. p. 60–70.
