Mezőgazdasági hulladékok és energianövények helyi elgázosítása

Korszerű energetikai berendezések

BME OMIKK

ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG VILÁGSZERTE 45. k. 10. sz. 2006. p. 62–70.


Mezőgazdasági hulladékok és energianövények helyi elgázosítása A megújuló energiaforrások felhasználása Németországban lendületesen fejlődött az elmúlt néhány évben, így mára részarányuk a teljes elsődleges energiamixben elérte a 3,6%-ot. Ezen belül a biomassza dominál a maga 61,4%-os részvételével. A rendelkezésre álló potenciál nagyságát mi sem mutatja jobban, mint hogy annak csak 22%-t használják ki egyelőre. A hallei Martin Luther Egyetem kutatói a biomassza energetikai hasznosításának komplex vizsgálatára kísérleti berendezést építettek. A rendszer a növényi eredetű nyersanyag termokémiai elgázosításával a villamos energia mellett hő- illetve hűtési energiát is előállít. Összeállításunk bemutatja a rendszer felépítését, a kísérleti eredményeket és a megoldás gazdaságosságát.

Tárgyszavak: mezőgazdasági hulladék; energianövény; termokémiai elgázosítás.

A megújuló energiaforrások felhasználása

nagysága és a biomassza semlegessége (nulla

Németországban lendületesen fejlődött az el-

egyenlege) az atmoszféra szén-dioxiddal való

múlt néhány évben, így mára részarányuk a

szennyezése terén egyaránt hozzájárulnak a

teljes elsődleges energiamixben elérte a 3,6%-

fosszilis tüzelőanyagok biomasszával való

ot. Ezen belül a biomassza dominál a maga

helyettesítésére irányuló kutatások kiteljesedé-

61,4%-os részvételével. A rendelkezésre álló

séhez.

potenciál nagyságát mi sem mutatja jobban, mint hogy annak csak 22%-t használják ki

A biomassza jó hatásfokú felhasználását teszi

egyelőre. A még felhasználásra váró potenciál

lehetővé a kapcsolt hő- és villamos energia 62


A biológiai eredetű nyersanyagok tulajdonságai

termelése. A hagyományos égetéses megoldások csak nagy teljesítmény esetén jönnek szóba, azoknál viszont a szükséges nagy mennyiségű biomassza megszerzése és odajut-

Az energianövények és a mezőgazdasági hul-

tatása jelentős logisztikai problémákat vet fel.

ladékok a fa mögött a második legnagyobb

Kisebb teljesítménynél a decentralizált meg-

energetikai potenciált képviselik, ezért haté-

oldásra kedvező alternatívát kínál a biomasz-

kony felhasználásuk jelentősége igen nagy. Az

sza termokémiai elgázosítása láng nélküli el-

ebbe a csoportba tartozó különféle anyagok

járással. Ennél a megoldásnál nemcsak fa, ha-

fűtőértéke (energiatartalma) kevéssé függ azok

nem mindenféle mezőgazdasági hulladékok

fajtájáról, sokkal inkább az anyag víztartalmá-

vagy termékek és energianövények is szol-

tól. A többi tulajdonságok ezzel szemben je-

gáltathatják a folyamat nyersanyagát. A vil-

lentősen eltérnek (1. táblázat).

lamos energia mellett a berendezések hő- illetve hűtési energiát termelnek, ami jelentő-

A termokémiai folyamatok szempontjából

sen növeli a rendszer hatásfokát. A követke-

különösen a hamu-, a klór- és a kéntartalom,

ző összeállítás kísérletekkel megalapozott ku-

illetve a hamu megolvadásának paraméterei

tatási eredmények révén mutatja be a német

játszanak fontos szerepet. A folyamat nagy

kutatók eredményeinek műszaki és gazdasági

hőmérséklete miatt fizikai változások követ-

vetületeit.

keznek be a hamuban, ezek az összesüléstől a

1. táblázat Biológiai eredetű tüzelőanyagok tulajdonságai Fűtőérték, MJ/kgsz

Hamu, tömeg%

Ca, tömeg%

K, tömeg%

Cl, tömeg%

S, tömeg%

P, tömeg%

Fenyőfa

18,8

0,6

0,70

0,13

0,005

0,015

0,03

Jegenyefa

18,5

1,8

0,51

0,35

0,004

0,031

0,09

Búzaszem

17,0

2,7

0,05

0,46

0,040

0,120

0,39

Triticale (búza és rozs hibridje)

16,9

2,1

0,06

0,62

0,070

0,110

0,35

Búzaszalma

17,2

5,7

0,31

1,01

0,190

0,082

0,10

Miscanthus (kínai nád)

17,6

3,9

0,16

0,72

0,220

0,150

0,07

Mezei széna

17,4

5,7

0,50

1,49

0,310

0,160

0,19

63


teljes megolvadásig terjedhetnek. A DIN51730

viszont éppen ellenkező hatással bír. Nagy

szabvány írja le a az egyes részfolyamatok és

kalciumtartalmú adalékok hozzáadásával ezért

paramétereik értelmezését, a legfontosabbak

a salakosodás veszélye csökkenthető, illetve a

ezek közül az összesülés kezdetének, a lágyu-

kritikus hőmérséklet emelhető.

lásnak, a félgömb (csepp) keletkezésének és a megfolyásnak a hőmérséklete. Ha az összesü-

Fa használatával a salakosodás veszélye cse-

lés alacsony hőmérsékleten megkezdődik, az

kély, mivel annak hamutartalma kicsi, kalci-

anyag hamar ráéghet a felületre, ami megvál-

umtartalma viszont nagy, ezért az összesülés

toztatja az áramlási viszonyokat, sőt a reakció

kezdetének hőmérséklete viszonylag magas,

összes feltételeit is, ez pedig az állandósult

kb. 1200 oC. A mezőgazdasági szalma estében

üzemelés zavaraihoz vezethet. Leginkább az

viszont az összesülés már alacsony hőfokon

anyag kálium-, kalcium- és magnéziumtartal-

megkezdődik. A legproblematikusabbak a

ma befolyásolja ezt a jellemzőt. A magas káli-

gabonamagvak, ezeknél már 650 oC körül be-

um- és magnéziumtartalom csökkenti az ösz-

következik az összesülés.

szesülés kezdetének hőmérsékletét, a kalcium

salakosodás kezdetének hőmérséklete, °C

1600 1500 1400 1300

fa

1200 1100 1000

szalma

900 800 700

gabonamagvak

600 500 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

hamutartalom, m/m(%)

1. ábra a salakosodás kezdete a hamutartalom függvényében mezőgazdasági hulladékoknál

64

15


A korrózió szempontjából lényeges kén- és

szárításához, a pirolízishez és a levegő előme-

klórtartalom szempontjából sem kedvezőek a

legítéséhez. A gáz eközben 270 oC-ra hűl le, a

növényi magok és szárjellegű nyersanyagok. A

további felhasználás előtt centrifugális porlevá-

klór egy része beépül a szálló hamuba, a ma-

lasztóval és gázmosóval tisztítják. Az így előál-

radék a füstgázba jut, és a szabadba távozik. A

ló gáz nagyobbik részét egy távfűtőműben

kéntartalomból a termikus folyamatok során

használják fel, ahol azt elégetve öngyulladásos

zömmel kéndioxid keletkezik, ez szintén kike-

robbanómotor meghajtására használják fel. A

rül a környező levegőbe. Az összesülés kezdeti

motor elektromos generátort hajt meg, ennek

hőmérsékletének és a hamutartalomnak az

energiáját betáplálják a helyi hálózatba. Az égés

összefüggését mutatja be az 1. ábra.

során keletkező hőt fűtésre vagy abszorpciós hűtőgép segítségével klimatizálásra használható hideg előállítására használják fel. A gáz fenn-

A BENA 200 kísérleti berendezés

maradó részét helyi utánégetőben égetik el. A rendszer sémáját a 2. ábra mutatja be.

A hallei Martin Luther Egyetem kutatói a biomassza energetikai hasznosításának komplex

A folyamatok minden lényeges jellemzőjét,

vizsgálatára kísérleti berendezést építettek. A

így a hőmérsékleteket, áramló mennyiségeket,

rendszer a növényi eredetű nyersanyag termo-

anyagösszetételeket mérik és számítógépen

kémiai elgázosításával a villamos energia mel-

tárolják. A adatgyűjtés és -tárolás révén az

lett hő- illetve hűtési energiát is előállít. A név-

energetikai és exergetikai hatásfok kiszámítha-

leges bemenő termikus teljesítmény 200 kW, a

tó, illetve a folyamatoptimalizálás elvégezhető.

kimeneten 135 kW hőteljesítmény, 35 kW hűtési teljesítmény és 30 kW villamos teljesít-

Kísérleti eredmények mezőgazdasági hulladékok alkalmazásával

mény vehető le. A többlépcsős feldolgozási folyamat a nedves biomassza szárításával kezdődik, ezt követi a kb. 550 oC-on beinduló pirolitikus elbontás, majd az anyag elgázosítása,

A biomassza energetikai hasznosítása során

amihez 400 oC-ra melegített levegőt adnak be a

fellépő, korábban már vázolt problémák tanul-

reakciótérbe. Ennek hőmérséklete az alkalma-

mányozására és megoldásának kikísérletezésére

zott nyersanyag függvényében az 1200 oC-ot is

kiválóan alkalmasnak bizonyult a BENA 200

elérheti. A keletkező forró gázok hőjét használ-

rendszer. A legnagyobb kihívást a hamutar-

ják fel a folyamat fenntartásához, így az anyag

talom, illetve annak odasülése, salakosodása 65


2. gázmérő szonda

tartály

hűtővíz

elgázosító

1. gázmérő szonda

hűtőtorony

centrifugális porleválasztó

2. ábra A hallei Martin Luther Egyetem BENA 200 kísérleti rendszerének sémája jelenti. A legkézenfekvőbb megoldásként a re-

eszközöket vízhűtéssel kellett ellátni, az anya-

akcióhőmérséklet csökkentése kínálkozott, még-

gokat érő termikus terhelés korlátozására célsze-

pedig az összesülés kezdetének hőmérséklete

rűnek mutatkozott a 800 oC-t nem túllépni. Mi-

alá. Az alacsony reakcióhőmérséklet azonban

vel a hőmérséklet eloszlása nem egyenletes, a

növeli a reakcióidőt, és károsan befolyásolja a

salakosodás a melegebb helyeken indul be. En-

keletkező gáz minőségét. A gázok kátránytar-

nek elkerülésére a reakcióágyon levő biomasz-

talma megnövekszik, ezt pedig egy külön szű-

szát és a már keletkezett hamut folyamatos me-

rővel el kell távolítani, mivel jelenléte jelentősen

chanikai mozgásban tartották, így a már salako-

csökkentené a gázzal meghajtott motor üzem-

sodásnak indult hamurészecskék nem tudtak

biztonságát. Emiatt a kísérletek során magas

letapadni. A folyamat paramétereit változtatták,

hőmérsékletekre törekedtek, ekkor ugyanis a

illetve a biomassza fajtájához is hozzáhangolták.

hosszabb szénhidrogén-láncok felbomlanak. A

A vizsgált gabonajellegű anyagokat és a folya-

magas hőmérséklet miatt a gáztérbe beépített

mat paramétereit a 2. táblázat tartalmazza.

66


2. táblázat Gabonamagvak és -szalmák kísérleti paraméterei Víztartalom, %(m/m)

Hamu, %(m/m)

Teljesítmény, kW

Tágy, o C

Tgáztér, o C

Rozsmag

11,1–14,3

1,5–1,7

82–155

272–617

867–1111

Zabmag

12,4

2,55

111

347

938

Kukoricamag

20

1,36

125

460

1027

Repcemag

9,6

3,2

76

455

1017

9,27–17,6

6

66–134

468–663

826–1007

23

2,05

147

397

1010

10,1–12

5,43–6,3

104–203

275–731

906–1007

Szalma Miscanthus (kínai nád) Szénapellet

A vázolt hőmérsékletoptimalizálási és techno-

Az EEG szerint ugyanis különbséget kell tenni

lógiai erőfeszítések eredményeként sikerült

a közönséges biomassza és az újratermelődő

stabil üzemi viszonyokat és a hideg gázra vo-

biológiai nyersanyagok között, ez utóbbiak 6

natkoztatva 75%-os hatásfokot elérni.

EURcent/kWh többlettámogatást érdemelnek. A törvény német precizitással definiálja, milyen anyagok érdemlik ki ezt a preferált hely-

Az elgázosító berendezés gazdaságossága

zetet, ennek vázlatos összefoglalását a 3. táb-

A gazdaságosság erősen függ az alkalmazott

A gázosító berendezés csak a kapcsolt hő- és

nyersanyagtól és az energetikai felhasználás-

villamosenergia-termelés (KHV) alkalmazásá-

tól. A tüzelőanyag lehet viszonylag drága

val lehet kellő hatásfokú. Ezt a törvény is tá-

pellet, vagy ingyen is hozzáférhető szalma

mogatja, további 2 EURcent/kWh áramfelárat

vagy erdei nyesedék, sőt negatív költség (be-

írva elő erre az esetre. A termokémiai elgázo-

vétel) is keletkezhet a nyersanyagbeszerzés

sítás innovatív energetikai technológiának mi-

során, ha annak mint hulladéknak a begyűjté-

nősül, mint ilyen további 2 EURcent/kWh

séért az előállítója fizet. A gazdaságosságot

áramfelárra jogosít. Mindezek a felárak első-

továbbá jelentősen befolyásolja a hatályban

sorban a decentralizált, kisebb teljesítményű

levő

energiatörvény”

berendezéseket kedvezményezik, ezért a telje-

(Erneubare Energiegesetz, EEG) sokféle sza-

sítmény növekedésével csökkennek. Nem egy-

bálya, amelyek a megtermelt villamos energia

szerű … A 4. táblázat segít annak megértésé-

árában érvényesíthető különféle kedvezmé-

ben, mi lesz egy hasonló berendezés működte-

nyeket szabályozzák.

tése esetén az átvételi tarifa.

német

„megújúló

lázat mutatja be.

67


3. táblázat Egyes biológiai nyersanyagok jogosultsága az „újratermelődő” többlettámogatásra Jogosult

Nem jogosult

Növények és növényi részek

Olyan teljes növények, amelyeket nem csak energetikailag lehet hasznosítani (szántóföldi takarmánynövények, gabona, olajnövények, répa, répa-levél, szalma, gabonaszemek, burgonyaszár, gumók)

Olyan teljes növények, amelyeket csak energetikailag lehet hasznosítani (kiselejtezett gabonarészek, olajpogácsa, répaszelet, zöldséghulladék)

Szeszcefre

Mezőgazdasági szeszfőzdékből

Nem mezőgazdasági szeszfőzdékből és bioetanolgyárakból

Trágya, vizelet

Haszonállatoktól (szarvasmarha, sertés, szárnyas …)

Háziállatoktól, állatkerti és cirkuszi állatoktól

4. táblázat A biomasszából megtermelt villamos energia német átvételi árai (EURcent) 150 kWel-ig Alaptarifa

500 kWel-ig

5 MWel-ig

5 MWel fölött

9,9

8,9

8,4

11,5

Újratermelődő

6

6

4

–

KHV

2

2

2

2

Techológiai felár

2

2

2

–

Hogy a (valószínűleg) teljesen összezavart

EURcent/kWh nagyságú, 20 évre rögzített

Olvasónak mégis valami konkrét fogalma le-

áron köteles a hálózat üzemeltetője átvenni.

gyen az ilyen rendszerek gazdaságosságáról,

Kb. 925 EUR/kW beruházási és 185 EUR/kW

következzék itt egy konkrét esetre vonatkozó

évi üzemeltetési költséget feltételezve már a

kalkuláció. Tegyük fel, hogy a BENA-

negyedik évben megtérül a beruházás, ameny-

rendszerű berendezés termikus bemenő telje-

nyiben a tüzelőanyag ingyen rendelkezésre áll

sítménye 600 kW, amellyel 150 kW betáplált

és a leadott hőért 5 EURcent/kWh térítést lehet

elektromos teljesítmény érhető el. Feltehető,

kapni. A hőszolgáltatásért kapott térítés szere-

hogy kizárólag a törvény szerinti újraterme-

pe jelentős, a megtérülés ideje 11 évre nő, ha

lődő nyersanyagot használnak fel, és a gene-

ingyen kell átadni. A gazdaságossági viszo-

rátort meghajtó motor által leadott hulladék-

nyokat ingyen rendelkezésre álló nyersanyag

hőt hasznosítják. Ha a berendezést 2006-ban

esetén a 3. ábra szemlélteti. Ha a tüzelőanyag-

helyezik üzembe, akkor az EEG törvény alap-

ért fizetni kell, az a kiadási oldalt is módosítja

ján a megtermelt villamos energiát 21,33

a 4. ábra szerint. 68


4000

pénzmozgás, EUR/kW

3500

bevételek, A eset

3000

bevételek, B eset

2500 2000 1500

bevételek, C eset

kiadások 1000 500 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

üzemévek A eset: áram 21,33 EURcent/kWh, hő 5 EURcent/kWh B eset: áram 21,33 EURcent/kWh, hő 2,5 EURcent/kWh C eset: áram 21,33 EURcent/kWh, hő 0 EURcent/kWh

3. ábra 600 kW-os BENA berendezés gazdaságossága a hőenergia térítési díját figyelembe véve

6000

bevételek

pénzmozgás, EUR/kW

5000

kiadások, A eset

4000 3000

kiadások, D eset

2000 1000 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

üzemévek

A eset: áram 21,33 EURcent/kWh, hő 5 EURcent/kWh, tüzelőanyag 0 EURcent/kWh D eset: áram 21,33 EURcent/kWh, hő 5 EURcent/kWh, tüzelőanyag 0,9 EURcent/kWh

4. ábra 600 kW-os BENA berendezés gazdaságossága a hőenergia térítési díját figyelembe véve

69


A berendezés felállításának helye, körülményei

Összefoglalás A mezőgazdasági hulladékok és az energianö-

A kapcsolt hő- és villamosenergia-termelést

vények a fa mellett jelentős energetikai poten-

megvalósító, biomassza termokémiai elgázosí-

ciált képviselnek, ezért szerepük a helyi, elosz-

tására alapozott berendezések elsősorban a

tott energiatermelésben egyre nagyobb. A

helyi, decentralizált energiaellátás célját szol-

gabonamagvak és -szalma a termokémiai eljá-

gálják.

alkalmazások

rások során azonban sokkal kedvezőtlenebb

olyan mezőgazdasági üzemekben, ahol jelen-

tulajdonságokat mutatnak, mint a fa. Ennek fő

tős mennyiségű biomassza, növényi hulladék

ok a nagyobb hamutartalom, illetve a hamu

keletkezik, lehetőleg újratermelődő módon. Az

erősebb hajlama a salakosodásra és a megol-

elsődleges cél a telep saját hő- és villamos-

vadásra. A salak odaég a berendezés legfor-

energia-igényének legalább részbeni kielégí-

róbb helyein, és ez veszélyezteti az állandósult

tése, de a betáplálás is megcélozható a he-

üzemelést. A BENA 200 kísérleti berendezé-

lyi villamos hálózatba. A folyamat paramétere-

sen a német kutatók a legkülönfélébb kiinduló

it a rendelkezésre álló nyersanyag és az ener-

anyagokra vizsgálták meg a folyamat paramé-

getikai igények alapján minden helyszínen

tereit, és a jellemzők optimalizálásán túl szá-

külön kell meghatározni. A megtermelt hő-

mos technológiai módosítást is végrehajtottak

energiát az üzem folyamataiban, távfűtésre

a tüzelőanyagok hátrányos tulajdonságainak

vagy a nyári hónapokban légkondicionálásban

kivédése céljából. Ezek révén sikerült stabil

felhasználható hideg formájában lehet haszno-

működést elérni, a hideg gázra vonatkoztatott

sítani.

hatásfok elérte a fára jellemző 75%-ot.

A

legkézenfekvőbb

A helyoptimalizálás és a rugalmasság, mozgat-

Összeállította: Kis Miklós

hatóság céljából a rendszer részeit konténerbe Irodalom

célszerű beépíteni. A hallei Martin Luther Egyetem kísérleti rendszerét is már így építet-

[1] Hebecker, D.; Purr, K. stb,: Dezentrale Vergasung

ték meg. A tüzelőanyag-tároló természetesen a

von landwirtschaftlichen Reststoffen und Energie-

konténeren kívül található, innen az anyag szál-

pflanzen. = VDI-berichte 1924, 2006. máj. p. 45–56.

lítócsigával juttatható a berendezésbe.

[2] DENA Deutsche Energieagentur: Vergasung von Biomasse. = http://www.thema-energie.de/article/ show_article.cfm?id=441

70

Mezőgazdasági hulladékok és energianövények helyi elgázosítása

Recommend Documents