HULLADÉKOK ENERGETIKAI ÉS BIOLÓGIAI HASZNOSÍTÁSA
8.1
Szennyvíztisztításkor keletkező gázok hasznosítása tüzelőanyag-cellákban Tárgyszavak: szennyvíztisztítás; energiatakarékosság; metánhasznosítás; energiaátalakítás; tüzelőanyag-cella; ipari alkalmazás.
A korszerű szennyvíztisztítók energetikai problémái A privatizáció fokozódása miatt a szennyvízkezelők működtetésének gazdasági hatékonysága egyre fontosabb kérdés. Mivel a személyzetet a legtöbb helyen a szükséges minimumra csökkentették, a legtöbbet az energiafelhasználás csökkentésével lehet nyerni. Az energetikai piac liberalizációja ugyan valamelyest csökkentette az energiaárakat, a politikai akarat hosszú távon ennek ellene dolgozik, hiszen a korlátozott mértékben rendelkezésre álló energiával takarékoskodni kell, és ezt legjobban az árak növelésével lehet elérni. Az „ökoadók” bevezetésével a kormány ösztönözni kívánja a takarékos energiafelhasználást és büntetni a pazarlást. A gazdasági szempontok mellett természetesen a környezetvédelmiek is döntőek. Itt a rendszerszemlélet a legfontosabb: környezetkímélő melléktermék-felhasználással próbáljuk meg csökkenteni a szennyvízkezeléssel okozott károkat. A környezeti károk egyenlegének kiszámítására nincs ugyan mindenki által elfogadott módszer, de az energiafelhasználást mindenképpen a hátrányok között számolják el. Ezért a nyersanyagokkal lehetőleg energiatakarékosan és környezetkímélő módon kell bánni. Ez utóbbinak része, hogy lehetőleg minél kisebb legyen a széndioxid-kibocsátás. A Kiotói Egyezményben az ipari országok arra vállalkoztak, hogy felére csökkentik szén-dioxid-kibocsátásukat. Másik oldalról viszont a villamos energia atomenergiából történő megtermelését, ami ugyancsak csökkentené a szén-dioxid-kibocsátást, egyre kritikusabban kezelik. A megoldást az jelentené, ha a tüzelőanyagokat egyre inkább megújuló forrásokból fedeznék. A jövőben bizonyára nőni fog a kisebb szén-dioxid-kibocsátású energiatermelési technológiák jelentősége. Tekintettel a fönti, ellenmondásos követelményekre, a tüzelőanyag-cellás energiatermelés mindenképpen figyelemre méltó, mert az alábbi előnyökkel rendelkezik:
– nagy energiakihasználás, vagyis viszonylag kis tüzelőanyag-igény, – csekély szén-dioxid-kibocsátás (hidrogén tüzelőanyag esetében nulla), – lehetőség nyílik az energetikai önellátásra (a víztisztító művek a saját területükön keletkező gázokat alakíthatnák energiává).
A szennyvízkezeléskor keletkező gázok jelenlegi hasznosítási lehetőségei A szennyvíztisztításkor keletkező iszapot általában (az esetek mintegy 85%-ában) anaerob módszerekkel stabilizálják, aminek során főként metángáz képződik. Az így keletkezett gázt a technika jelenlegi állása szerint az alábbi módokon hasznosítják: – elégetés hőkinyerő üstökben (a cél a hőfejlesztés), – elégetés csatolt villamosenergia- és hőhasznosító rendszerekben, – földgázzal azonos minőségű gáz kinyerése. A termikus hasznosítás esetében a gázt elégetik, és ezt a hőt részben az iszap felmelegítésére, részben más termikus célokra hasznosítják. Ezt a módszert főként kisebb szennyvíztisztítókban használják, ahol a keletkezett gáz mennyisége nem elegendő a gazdaságos villamos energetikai célú hasznosításhoz. A legelterjedtebb hasznosítási módszer a vegyes termikus és villamos energetikai célú hasznosítás. Itt egy gázmotorral generátort forgatnak, és villamos energiát termelnek. A motor hőjét és az égésgázok hőjét az iszap előmelegítésére hasznosítják. Egy további hasznosítási lehetőség az, hogy az eredetileg elég sok szén-dioxidot és kéntartalmú gázokat tartalmazó, mindöszsze 65% metántartalmú gázt földgáz minőségűre javítják, azaz a metántartalmat 95% fölé növelik. Az első két esetben a nyers véggázokat hasznosítják, a harmadik esetben viszont a „feljavított” gázt adják el a helyi hálózatnak. Az utóbbi esetben a víztisztításhoz és a gázfeldolgozáshoz szükséges energiát nem helyben termelik meg, hanem az ellátó rendszerből vásárolják.
Az energiaátalakítás módszerei A tüzelőanyagokban rejlő kémiai energia hasznosításának több lehetséges módja is van. Lehetséges a gőzgépben, robbanómotorban vagy turbinában történő hasznosítás. Az energiaátalakítás itt több lépcsőben történik: a tüzelőanyagban levő vegyi energiát, amelyet az égéshővel lehet mennyiségileg jellemezni, égetéssel hőenergiává alakítják, majd ezt a hőenergiát hőerőgépek segítségével mechanikai energiává alakítják. Az utolsó lépés a mechanikai energia villamos energiává való átalakítása. A tüzelőanyag-cellákban (amelyek működését a későbbiekben részletesen bemutatjuk) a kémiai energiát közvetlenül villamos energiává alakítják (1. ábra). Ezt az eljárást néha „hideg égetésnek” is nevezik. A módszer legnagyobb előnye az, hogy a hőener-
gia mechanikai energiává történő (rossz hatásfokú) átalakítását el lehet kerülni. A hőenergia mechanikai munkává való átalakításának hatásfokát ugyanis a termodinamika második főtétele (Carnot-ciklus) jócskán 100% alá korlátozza. Az ún. magasabb rendű energiaformák (a mechanikai, villamos vagy vegyi energia) egymásba jobb hatásfokkal alakíthatók, mint ha előbb hőenergiává alakítanánk őket. A cél az, hogy a vegyi energiát minél nagyobb hatásfokkal mechanikai vagy villamos energiává alakítsuk. A vegyes villamos energetikai és termikus hasznosítás esetén a hatásfok 45% körüli, ami megközelíti az elméleti maximumot. Ha a hőkinyerés hatásfokát is beleszámítjuk, a teljes hatásfok 80% körüli. Ha tüzelőanyag-cellát használunk, hasonló hatásfokkal alakíthatjuk a vegyi energiát közvetlenül villamos energiává. hagyományos energiaátalakítás vegyi energia
hőenergia
mechanikai energia
vegyi energia
villamos energia villamos energia
tüzelőanyag-cella
1. ábra A hagyományos energiaátalakítási módszer összehasonlítása a tüzelőanyag-cellában történő energiakinyeréssel
A szennyvíztisztító művek energiaigénye A szennyvíztisztító művek energiaigénye függ az alkalmazott technológiától, de számos helyi körülménytől is (földrajzi elhelyezkedés, infrastruktúra, csatornahálózat, tisztított víz mennyisége stb.), ezért jelentős eltérések adódhatnak az irodalmi adatoktól. A szennyvíztisztításban elsősorban villamos- és hőenergiára van szükség. Villamos energiára van szüksége a gépeknek (szivattyúk, kompresszorok, levegőztetők), valamint a mérő – szabályzó – vezérlő berendezéseknek. A hőre az iszap felmelegítéséhez, meg természetesen az épületek fűtéséhez van szükség. A villamosenergia-szükséglet az év folyamán többé-kevésbé állandó, míg a hőszükséglet természetesen évszakok szerint hullámzást mutat. Az irodalmi adatok szerint az átlagos villamos teljesítmény igény 25 kW/(lakos · nap), a termikus teljesítményigény nyáron 22, télen 25 kW/(lakos · nap). Nyáron tehát a villamosenergia-igény nagyobb, télen a kettő kb. megegyezik. Ezért általában a vegyes hasznosítású, hő- és villamos energiát is termelő rendszerek telepítését szorgalmazzák.
A tüzelőanyag-cella működési elve A tüzelőanyag-cella a vegyi energiát közvetlenül villamossággá alakítja anélkül, hogy előbb hővé és mechanikai energiává alakítaná. Összesen ötféle tüzelőanyag-cella fejlesztése folyik, amelyek eltérő fejlettségi stádiumban vannak. Az üzemi hőmérséklet alapján a tüzelőanyag-cellákat három csoportba lehet sorolni: – alacsony hőmérsékletű tüzelőanyag-cellák (80–120 oC), – közepes hőmérsékletű tüzelőanyag-cellák (200 oC), – magas hőmérsékletű tüzelőanyag-cellák (650–1000 oC). A különböző hőmérsékleten működő tüzelőanyag-cellák működési elve bizonyos mértékig eltérő, de vannak közös vonásaik. A tüzelőanyag-cellák két porózus, a reakciótermékek ill. a reagensek számára átjárható, katalitikusan aktív elektródot tartalmaznak, amelyeket egy elektrolit köt össze. Az anódhoz (a tüzelőanyag oldali elektródhoz) kívülről folyamatosan oxidálható gázt (általában hidrogént vagy egy hidrogénben gazdag gázelegyet) vezetnek. A katódhoz (a levegő oldali elektródhoz) oxigént vagy levegőt vezetnek. A kémiai reakció során a villamos energia mellett hasznosítható hő is képződik, amelynek mértéke a működési hőmérséklettől is függ.
kibocsátás, mg/m3
650 500
700 600 500
250
400 300 200 100
150
120 50 2,7
6,7
7,6
határértékek vegyes ciklusú generátor tüzelőanyag-cella
0 NOx
CO
CxHy
2. ábra Egy tüzelőanyag-cella és egy vegyes ciklusú hőt és villamos áramot termelő generátor közepes gázkibocsátása a törvény szerinti határértékekkel összehasonlítva A 2. ábrán egy foszforsavas (PAFC) tüzelőanyag-cella működési elve látható, amelyik a közepes hőmérsékletű tüzelőanyag-cellák közé tartozik. A ve-
gyes energiahasznosítású célokra ezt a tüzelőanyagcella-típust fejlesztették ki legjobban, szinte már piacérett termékről van szó. Az anódon egy H2 molekuláról két elektront szakítanak le, és az így keletkezett protonok az elektrolitban átvándorolnak a katódhoz. Az elektronok a vezetékekben áramlanak, ezt villamos áramként hasznosítjuk. A katódon minden oxigénatom két elektront és két protont vesz fel, és vízmolekulává alakul. A tüzelőanyag-cella egyetlen égésterméke a víz, de a hidrogén előállításakor (ami történhet pl. földgázreformálással) szén-dioxid is képződik. (További információ található német és angol nyelven az egyéb tüzelőanyag-cellákról is a http://www.innovationbrennstoffzelle.de honlapon).
A szennyvíztisztítókból származó gáz hasznosítása A szennyvíztisztítókban keletkezett gáz átlagos összetétele a következő: 65% metán (CH4), 34% szén-dioxid (CO2) és 1% kén-hidrogén (H2S). Néha nyomokban egyéb gázok is előfordulnak, pl. halogénezett vagy fluorozott szénhidrogének. A helyi adottságok miatt egyes helyeken ettől lényegesen eltérő összetétel is adódhat, de a legnagyobb problémát a kén-hidrogén jelenti, ugyanis ez a reformálásnál használt platinával szemben katalizátorméregként viselkedik. Hasonlóan a gázmotorokban használt tüzelőanyagokhoz, itt is gondoskodni kell arról, hogy a kéntartalom 0,2 ppm alá csökkenjen. Az egyéb szennyezőket, pl. a fluorozott szénhidrogéneket, fenolokat, benzolt stb. ugyancsak gondosan el kell távolítani. Szerencsére az ehhez szükséges technológia rendelkezésre áll, mert a gázmotoroknál hasonló előkészítésre van szükség. Ennek ellenére azt kell mondani, hogy műszakilag ugyan lehetséges a gáz előtisztítása, de a gazdaságosság nem mindig kielégítő. Mivel a tüzelőanyag-cellák alapvető tüzelőanyaga, a hidrogén nem áll rendelkezésre a Földön, ezért azt más anyagokból kell előállítani. A földgáz reformálása jelenleg a standard megoldás a tüzelőanyag-cellák üzemanyagának előállítására, de egyes esetekben fel lehet használni pl. a szennyvíztisztításnál keletkező gázokat is, amelyek metántartalma alacsonyabb a földgázénál. A reformálás endoterm reakció, amit figyelembe kell venni a hatékonyság számításánál. A jelenlegi tüzelőanyag-cellák villamos áramra nézve 40% körüli hatásfokot érnek el, de mivel nagyon fiatal tudományágról van szó, nagy továbbfejlesztési tartalékok vannak – szemben pl. a belsőégésű motorokkal, ahol közel járunk az elméleti hatásfok maximumához. A gyártók szerint a jövőben 50%-nál nagyobb villamos hatásfokot mutató tüzelőanyag-cellák is előállíthatók lesznek. A magas hőmérsékletű tüzelőanyag-cellák esetében, ha turbinákat is alkalmaznak a „melléktermékként” keletkező hő hasznosítására, a 70%-os összhatásfok is elképzelhető. A tüzelőanyag-cellák előnye a kisebb gázkibocsátás és a kisebb üvegházhatás. A tüzelőanyag-cellák gázkibocsátását egy vegyes ciklusú, hőt és villamos áramot termelő generátorral és a jelenleg hivatalos határértékkel összehasonlítva a 2. ábra mutatja.
A tüzelőanyag-cellák alkalmazási lehetőségei A tüzelőanyag-cellák fejlesztése minden területen igen intenzíven folyik, ezért a legtöbb gyártó nem szívesen ad ki információt legújabb termékeiről és megoldásairól. A főbb alkalmazási területek a tüzelőanyag-cella működési hőmérsékletétől függenek. Az alacsony hőmérsékleten működő polimer– elektrolit tüzelőanyag-cellák (PEFC) rugalmas működésűek és elég nagy az energiasűrűségük, ezért viszonylag kis eszközök készíthetők belőlük akár mobil alkalmazásra is. Éppen ezért az autóipar erősen érdeklődik ez iránt a típus iránt. A kereskedelmi bevezetéshez és sorozatgyártáshoz még sok problémát kell megoldani, köztük a gépkocsik hidrogénnel való ellátásának biztonsági problémáit. Az autóiparra azonban igen nagy nyomás nehezedik, hogy minél kisebb károsanyag-kibocsátású járműveket állítsanak elő, ezért várható, hogy a tüzelőanyag-cellás kocsik hamarosan megjelennek a piacon. Az alacsony hőmérsékletű tüzelőanyag-cellák a 100 kW-nál kisebb villamos teljesítményű berendezések esetében jönnek számításba alternatív energiaforrásként. Az ilyen aggregátokat gazdaságosan lehet sorozatban gyártani, a fejlesztés meg nem oldott kérdései inkább arra irányulnak, hogy a tüzelőanyag tiszta hidrogén legyen-e, vagy esetleg reformált metanol a földgáz helyett. Ennél az alkalmazásnál a rendszer dinamikus tulajdonságai fontosak, de pl. a hosszú élettartam kevésbé jelentős, mint a letelepített energiatermelő egységek esetében. Az alacsony működési hőmérséklet és a reformálási lépés miatt azonban arra nem lehet számítani, hogy a PEFC tüzelőanyag-cellák villamos hatásfoka elérné a PAFC típusúakét. A szennyvíztisztítók esetében a viszonylag kismértékű hőtermelés nem teszi kedvezővé a polimerelektrolitos rendszert. Mint már említettük, a legjobban kifejlesztett típus a közepes hőmérsékletű foszforsavas tüzelőanyag-cella. Ezen belül az amerikai ONSI cég teljesítménye figyelemre méltó, hiszen 1998-ig már 144 db PC-25 típusú, villamos áramot és hőt egyaránt termelő berendezést adtak el. Az évek során a földgázzal működő berendezés mellett kifejlesztették a biogázzal működő variánst is. A közepes hőmérsékletű tüzelőanyag-cellák tehát már versenyben vannak az egyéb, hőt és villamosságot szolgáltató, hagyományos generátorokkal. Ezen az alkalmazási területen a szennyvíztisztítók komoly piaci szegmenset képviselnek. Villamos hatásfokuk összevethető a hagyományos berendezésekével, és működési hőmérsékletük is megfelel a szennyvíztisztítók igényeinek. A magas hőmérsékletű tüzelőanyag-cellák területén még sok fejlesztésre van szükség. Viszonylag kevés üzemi kísérletekre alkalmas berendezést építettek fel, ezért a kereskedelmi bevezetés még távolinak tűnik. A magas működési hőmérséklet miatt rendkívüli igények merülnek fel a szerkezeti anyagokkal szemben. A nagyléptékű, telepített energiatermelés területén viszont úgy tűnik, hogy a tüzelőanyag-celláknak vannak a legnagyobb lehetőségei. Feltehető, hogy az ilyen berendezéseket közvetlenül is táplálni lehetne a
szennyvíztisztítókban keletkező biogázzal, természetesen csak a kéntartalmú szennyezések eltávolítása után.
A lehetőségek áttekintése Az eddigiek alapján elmondható, hogy a szennyvíztisztítók és a tüzelőanyag-cellás, vegyes üzemű energiatermelő berendezések „szimbiózisára” jó lehetőség kínálkozik. Mindkettőnek szüksége van a másikra, mindkét esetben rendelkezésre állnak a környezeti szempontból fejlett és gazdaságosan megvalósítható műszaki megoldások. Az együttes alkalmazás műszaki és gazdasági szempontból is jó elképzelésnek látszik, és egy lépést jelentene a felelősségteljes környezetgazdálkodás irányába. A szennyvíztisztítók energiaellátása jó lehetőséget jelentene a tüzelőanyagcella-gyártók számára, hogy megjelenjenek a piacon és jó referenciákat szerezzenek. A hagyományos berendezésekkel szembeni versenyben a tüzelőanyag-cellák előnye (ez domináns pozíciót jelenthet a számukra), hogy a szennyvíztisztítók esetében az energiaigény legalább fele villamos energia formájában jelentkezik. Természetesen nem tekinthetünk el a még fennálló nehézségektől sem. Maguknak a celláknak az élettartama még nem kielégítő, és sok a beruházási és működtetési költség is. E problémák megoldásán gőzerővel dolgoznak, úgyhogy várhatóan rövid vagy középtávon rendelkezésre fognak állni a megfelelő gazdaságosságú berendezések. Mivel a szennyvíztisztító ipar bejelentette érdeklődését a tüzelőanyagcellák iránt, várhatóan részt fognak venni a fejlesztésben, és ennek ellentételezéseként valószínűleg jobb vételi pozíciót tudnak kiharcolni maguknak a tényleges piaci bevezetés idejére. (Bánhegyiné Dr. Tóth Ágnes) Schoppe, I.; Wendler, D.; Linneman, C. stb.: Die Brennstoffzelle-Option zur nachhaltigen Erzeugung von Wärme und Strom auf Kläranlagen. = KA-Wasserwirtschaft, Abwasser, Abfall, 49 k. 4. sz. 2002. p. 470–476. Midilli, A.; Dogru, M. stb.: Hydrogen production from sewage sludge via a fixed bed gasifier product gas. = International Journal of Hydrogen Energy, 27. k. 10. sz. 2002. p. 1035–1041.
