Hulladékalapú energiagazdálkodás megvalósítása

Átírás

1 Kádár Márton Gábor, Kovács István Soma Hulladékalapú energiagazdálkodás megvalósítása Napjaink egyik legnagyobb megoldatlan problémája a hulladékkezelés, hiszen óriási mennyiségű hulladékot termelünk minden nap, és bár vannak törekvések a hasznosításra, például az Európai Unió részéről, mégis a hulladékok igen nagy része Magyarországon jelenleg lerakásra kerül. Éppen ezért fontos lenne, hogy a hulladékhasznosítás terén előrelépést érjünk el. Az egyik lehetséges irány az energetikai hasznosítás, mellyel megoldhatunk energiaellátási problémákat, illetve csökkenthetjük a deponálandó mennyiséget is. Az alapötlet Természetesen nem érdemes az összes keletkező hulladékot energetikailag hasznosítani, tehát egy ilyen rendszernek alapvetően a különböző hasznosítás módjait kell ötvöznie a kinyerhető energia maximalizálása mellett. Egy hasonló tanulmány elkészítéséhez először a hulladékgazdálkodást kell megvizsgálnunk, például a keletkező hulladék összetételét. Egy településen a lakosság kétfajta hulladékot termel: szilárd háztartási hulladékot, illetve szennyvizet. A szennyvíz egyre több városban hasznosításra kerül, több szennyvíztelepen is létesítettek az elmúlt években biogáztermelő üzemeket. Ez egy jó alapötlet, hiszen a szennyvíz, mint alapanyag egész évben folyamatosan rendelkezésre áll, mennyisége az időben kevéssé változik, valamint nem kell megvásárolni senkitől, azonban nagyrészt a telep saját energiaellátására fordítják, egyéb alkalmazása ritka. Fontos megjegyezni, hogy ezek a biogáztermelő egységek alkalmasak egyéb fermentálható alapanyag felhasználására is megfelelő előkezelés után, azonban ez a szükséges együttműködés hiányában ritkán valósul meg. Egyéb fermentálható melléktermék lehet egy jelentős mezőgazdasággal rendelkező ország, például Magyarország esetében a mezőgazdasági melléktermék. Adódik a kérdés, miért ne használnánk fel a többi, helyben fellelhető alapanyagot, például a településen keletkező szemetet, és a környéken keletkező mezőgazdasági melléktermékeket energiatermelésre? Fontos tudni, hogy a háztartásokban keletkező szilárd hulladéknak több része van, a legnagyobb ezek közül a szerves hulladékok részaránya, ami megközelítőleg 30%. A többi a papír, műanyag, fém, üveg és az egyéb anyagok. Tehát egy olyan rendszert kéne megalkotnunk, mely a hulladéktípusok energetikai szempontból legelőnyösebb hasznosítását valósítja meg. Ahogy fent leírtuk, a szennyvizet biológiailag fermentálják, és biogázt állítanak elő belőle. Ugyanezt megtehetjük a lakásokban keletkező szerves hulladékokkal is, ezek szintén fermentálhatók. A teljes hulladékmennyiséget azonban nem tudjuk fermentációval hasznosítani, illetve a keletkező hulladék mennyisége sem csökken jelentősen, ezért egy másik alrendszer is szükséges. Ez a másik lehet egy tüzelő egység, vagyis a nem fermentálható, de éghető hulladékokat villamosenergiatermelés céljából elégethetjük. A fermentáció során keletkező iszap szintén sok éghető anyagot tartalmaz, ezért szárítás után hasznosítható ebben az alrendszerben a megfelelő szárazanyag tartalom biztosítása, tehát szárítás után.

2 1. ábra. Az alapötlet Egy ilyen rendszerrel a megtermelt hulladékokból állíthatunk elő villamos energiát, illetve biogázt, amely akár hálózati tisztaságúvá is tehető, vagyis megfelelő megállapodást követően akár a gázhálózatra is rátáplálható lenne. Ezzel egyrészt mérsékelnénk a lerakásra kerülő hulladékok mennyiségét, másrészt megújuló, illetve részben megújuló energiaforrásból termelnénk energiát helyben fellelhető anyagokból. A hulladékhasznosítóban a villamos energia mellett keletkező hulladékhővel pedig a működtetés során fellépő hőigényt fedezhetjük. A fent leírt energiatermelés alapötletét szemlélteti az 1. ábra. Energiaigény Persze fontos kérdés, hogy pontosan mekkora potenciál rejlik a különböző hulladékokban. A Központi Statisztikai Hivatal adataiból meghatározható, hogy egy fő egy évben mennyi áramot, gázt fogyaszt, ha ezt megszorozzuk egy adott település népességével, akkor körülbelül megkapjuk a lakosság részéről jelentkező energiaigényt. Természetesen az egy évben keletkező háztartási hulladék, és a szennyvíz mennyisége is meghatározható egy főre levetítve. Ezek alapján kiszámítható, hogy a lakosság energiaigényének mekkora része fedezhető a saját maga által megtermelt hulladékok energetikai hasznosításával. Ezek alapján elvégezhetjük számításainkat, melyek végén az évi villamosenergia-igényre a következőket kapjuk: Háztartási villany-fogyasztás Összes villany-fogyasztás 1073 kwh 3515 kwh Másik fontos tétel a villamosenergia-termelés értékelésénél, hogy figyelembe vegyük a rendszer villamos önfogyasztását. Ennek több összetevője van: Az alapanyagok előkészítése. A fermentorból kikerülő, égetésre szánt anyagok centrifugálása és szárítása. A biomassza homogenizáló medence és a fermentor(ok) fűtése. A biogáz és füstgáz tisztítása.

3 Különböző számítások és szakirodalmi adatok alapján 16%-os villamos önfogyasztással számolhatunk, ez alapján vizsgálhatjuk meg az ellátottsági értékeket. Az egy főre jutó gázfogyasztásra is hasonló statisztikai adatokból kiindulva kaphatjuk meg a következő értéket: Évi földgázigény 312 m 3 A rendszer üzemeltetésének véleményünk szerint nincs különösebb gázigénye. Hulladékégetőnk az előzetes számítások alapján inkább tekinthető biomassza erőműnek, mivel az égés szempontjából előnyös szárított fermentált anyag jóval több, mint a kommunális hulladék, mely égése sokszor csak pótlólagos tüzelőanyag adagolásával tartható fenn. Természetesen sok városban távhőszolgáltatás is van, azonban az üzemeltetésnek, főleg a biogáztermelésnek számottevő hőigénye is van, jelen esetben csak ezt fedezhetjük a villamosenergiatermelés során keletkező hővel. Energiakihozatal Miután meghatároztuk az igényeket, a következő tétel, amit meg kell vizsgálnunk az a rendelkezésre álló alapanyagok mennyisége és az azokból nyerhető energia mennyisége. Először tekintsük a biogáztermelést. Egy ember egy nap közel ugyanannyi szennyvizet termel, bárhol él is az országban, kb. 120 litert. Ismert továbbá a befolyó, friss szennyvíz szárazanyagtartalma, ez nagyságrendileg 0,3 g/dm 3 körül alakul. Azt is tudjuk, hogy a szennyvíziszap szárazanyag-tartalma körülbelül 3%, ami 30g/dm 3 szárazanyag-tartalmat jelent, ha az iszap sűrűségét a vízével egyezőnek tekintjük (jó közelítéssel megtehetjük). Ez alapján meghatározható, hogy egy fő egy napi szennyvizéből 1,2 dm 3 iszap keletkezik. Ahogy azt fent már említettük, az iszap sűrűsége a víz sűrűségével egyenlő, tehát körülbelül 1000 kg/m 3, így kiszámolható az iszap tömege. Ezután pedig a keletkező biogáz mennyisége szakirodalmi adatok (1 tonna szárazanyag-tartalomból 370 m 3 fejlődik) alapján számolható, a termelt biogáz körülbelül 162 m 3 /fő/év. A lakossági kommunális hulladékból termelhető biogáz mennyiségét is meg kell határoznunk, ehhez azonban a hulladék összetételét is tanulmányoznunk kell, hiszen az alapján határozható meg a biogáz-hozam. A szemét mennyiségére találunk statisztikát a KSH oldalán, ezek alapján egy ember egy évben 457 kg hulladékot termel, ennek 29 %-a szerves hulladék, melyből a termelhető gáz mennyisége a szakirodalom alapján 280 dm 3 /kg. Az egy főre jutó éves biogáz nagyjából 37 m 3 -nek adódik. Végül pedig a mezőgazdasági hulladék gáztermelését számolhatjuk ki, azonban ebben az esetben egy más megközelítést alkalmazhatunk, hiszen a mezőgazdasági termelés nem úgy függ a népességtől, mint a fenti kettő. Kíváncsiak lehetünk arra, mennyi mezőgazdasági hulladék szükséges ahhoz, hogy a lakosság földgázigényét fedezni, energiafüggőségét jelentősen csökkenteni tudjuk. Tehát a szükséges biogáz mennyisége adott lesz miután a gázelegy tisztításának mértékét meghatároztuk, ebből számolhatjuk ki a szükséges melléktermék mennyiségét.

4 Ezzel a biogáz termelés energiatermelő potenciáljához szükséges legfontosabb feltételeket meghatároztuk, a következő lépés a hulladéktüzelő hasonló adatainak felvétele. A fent már említett egy főre vonatkoztatott éves termelt hulladékmennyiségből és a hulladéktípusok eloszlásából kiszámítható, hogy egy fő körülbelül egy évben 290 kg olyan szemetet termel, melyet érdemes elégetni egy hulladékégetőben. Fontos azonban, hogy milyen összetételű is pontosan ez a 290 kg. Ideális esetben egy fő összesen 457 kg keletkező hulladékának 64 %-a ez a mennyiség, mely nem tartalmazza a szerves hulladékot, az üveget és a fémhulladékot sem. Mint ahogy már a cikk elején szó volt róla, ennek a rendszernek a célja az energetikai szempontból legoptimálisabb felhasználás a különböző hulladéktípusok esetében. Egy olyan energiatermelő egység, mely az üveget, vagy a fémet elégeti, ezt a célt nem tudja teljesíteni, éppen ezért egy megfelelő ösztönzési rendszer kiépítésével ezen hulladékok kezelését az újrafelhasználás, anyagi újrahasznosítás felé kell elmozdítani. Szakirodalmi adatok szerint a hulladékégetés során a fűtőérték kedvező összetétel esetén körülbelül 8000 kj/kg, tehát az egy főre jutó energiamennyiség kiszámítható (2,32 GJ/fő/év). Ahogy már említettük, ezt az energiamennyiséget villamos energiává szeretnénk alakítani. Erre egy gőzturbinás egység a megfelelő, ezek hatásfoka (kb. 30%) segítségével megkaphatjuk a fogyasztók által felhasználható energia mennyiségét, ami körülbelül 193 kwh/fő/év. Háztartási villanyfogyasztás Összes villanyfogyasztás Energiaigény 1074 kwh 3515 kwh Lakossági földgázigény 312 m 3 Önfogyasztás 16% Biogáztermelés(m 3 ) Termelés Villamos energiatermelés (kwh) Szennyvíziszap 162 Lakossági szilárd hulladék 194 Szerves lakossági szilárd hulladék 37 Fermentált anyag 1209 Mezőgadzasági meléktermék 313 Összesen 512 Ebből biometán 312 Összesen 1403 Hálózati gáz 100 Ellátottság (%) Villamos energia Háztartási fogyasztáshoz viszonyítva A villamosenergia-termelés szempontjából jelentősebb tétel a szárított fermentált anyag. Ezzel a hazai szakirodalom keveset foglalkozik, azonban nagy potenciál rejlik benne, hiszen angol nyelvű szakirodalmi adatok alapján 15 MJ/kg-os fűtőérték is elérhető 90%-os szárazanyag tartalom mellett. 109 Összes fogyasztáshoz viszonyítva 33,5

5 Mivel a fermentorból kijövő anyag szárazanyag-tartalma csupán kb %, ezért ezt szárítanunk kell. Ez nyilván energiaigényes folyamat, azonban a villamosenergia-termelés közben termelődő hő, illetve egyéb alternatív technológiákkal könnyedén megvalósítható. A szárazanyag-tartalom a különböző alapanyagok esetében különböző, ezért ezeket tömegarányukkal súlyozva megkaphatjuk az abszolút szárazanyag-tartalmát a fermentorba kerülő anyagnak. A távozó biogáz tömegének kivonásával pedig kiszámolható, mekkora tömeg kerül a kazánokba 9,5%-os végső víztartalmat feltételezve. A fenti számításokat elvégezve 0,97 t/fő/év értéket kapunk az égetett mennyiségre, melyet a 15 MJ/kg-os fűtőértékkel szorozva, megkapjuk az elméleti 14,5 GJ/fő/év energiamennyiséget. Ennek fogyasztó oldalon realizálható része kb kwh/fő/év a figyelembe vett hatásfokkal. A termelői és fogyasztói oldal számszerűsített kapcsolatát, számításaink eredményét az Hiba! A hivatkozási forrás nem található.ban összegeztük. Ellátottság Az elméletileg kinyerhető energia mennyiségét ezek alapján meghatározhatjuk, azonban meg kell vizsgálnunk, hogy ez milyen formában használható fel lakossági oldalon. Legfontosabb talán a fenti szekunder energiahordozók közül a gáz, hiszen a gázvezetékek végén földgáz égetésére alkalmas berendezések vannak, melyek a gázelegy nem megfelelő égési tulajdonságai miatt, a biogáz égetésére nem alkalmasak. Azonban, ha a célunk az energiafüggőség csökkentése, akkor a hálózati gázra kell nekünk alternatívát nyújtani, ez pedig a biogáz minőségének javításával oldható meg. Ez a javítás az inert anyagok leválasztását jelenti, mint például a szén-dioxid. A biogáz metántartalmát olyan értékre kell hoznunk, mely alkalmassá teszi a gázelegyet a földgázzal való együttégetésre, rövid számítások segítségével meg is kaphatjuk az optimális metántartalmat. Ez az érték minimum 93,6 % (a földgázra feltételezett 97% metántartalom mellett). Számításainkat arra alapoztuk, hogy a lakosság teljes háztartási gázfogyasztását fedezzük, így nem meglepő, hogy az igény és a termelt mennyiség egyenlő. Másik termelt szekunder energiahordozó a villamos energia. Ez esetben, ha figyelembe vesszük az önfogyasztást, akkor kiszámolható, hogy hányad részét állítjuk elő a fogyasztásnak. Ez az érték a háztartási fogyasztás esetében 109%, az összes fogyasztás esetében pedig 33,5 %. A működtetés feltételei és a felmerülő kockázatok Az egyik elsődleges feltétele egy ilyen rendszer működtetésének a megfelelő együttműködés kialakítása. Mivel egy ilyen projekt nem csak energiagazdálkodási igényeket és követelményeket kíván teljesíteni, hanem a hulladékgazdálkodás számos problémáját is kezelni kívánja, így több kompromisszumra és a szereplők nagymértékű együttműködésére van szükség. Minden beruházás esetében elsődlegesek a fogyasztók. Itt különösen nagy befolyással lehet a lakosság az eredményre, hiszen nemcsak mint fogyasztó van jelen, hanem a termelésben is fontos szerep jut nekik. Éppen ezért az embereket megfelelően ösztönözni kell arra, hogy 4 hulladéktípust is szelektíven gyűjtsenek. Jelenleg nincs sok példa ez utóbbira, de a szemétdíj csökkentése például elegendő motivációt nyújthat. Felmerülhetne az energia árának csökkentése is, azonban ez az energiafogyasztás növekedését okozhatja, mivel nem ösztönöz az energiatakarékosságra.

6 Fontos, hogy a szelektív gyűjtéshez megfelelő infrastruktúrát tudjunk biztosítani, hiszen a legkisebb kényelmetlenség is nagyban csökkentheti a hajlandóságot a programban való részvételre. Tehát minden lakos számára lehetővé kell tenni, hogy szelektíven gyűjthesse saját szemetét, és azt az otthonából el is szállítsák. További infrastrukturális szükségletet jelent a városban megfelelő szennyvíztelep működése. Ennek egy olyan telephelynek kell lennie, melyen a 2. ábra berendezései egy helyen felépíthetőek, hiszen például a füstgáz hulladék hőjének hasznosítása csak így valósítható meg, illetve a működtetést egyszerűsíti és olcsóbbá teszi, ha a berendezések egy helyen üzemelnek, hiszen így a szállítási költséget jelentősen csökkentjük. 2. ábra. Részletes folyamatábra Végül pedig a rendszer szempontjából döntő a megfelelő együttműködés a gázhálózat és a villamos hálózat üzemeltetőjével. Az utóbbira már léteznek törvényi keretek, azonban a biogáz átvételére mindmáig nincs példa hazánkban, még tisztított állapotban sem. Értékelés A fentiek alapján jogosan adódik a kérdés, hogy milyen feltételek mellett érdemes alkalmazni egy ilyen rendszert, illetve milyen előnyei, hátrányai vannak. Rendszerünk sarkalatos pontja a mezőgazdasági melléktermék mennyisége, mely nem függvénye a népességnek, éppen ezért a rendelkezésre álló mennyiség olyan értelemben nem korlátozott, mint a többi alapanyag esetében. Azonban a hasonló, biomasszával foglalkozó energetikai tervezetek előnyeit sok esetben a begyűjtő terület nagysága miatt jelentkező többlet környezeti terhelés teszi semmissé, éppen ezért ügyelnünk kell a terület nagyságának ésszerű keretek között tartására. A teljes gázellátás biztosításához szükséges begyűjtő terület nagyságát a népesség függvényében rövid számításokkal meghatározhatjuk, néhány egyszerűsítés után (például a szántóföldek és az azokon termesztett gabonafélék homogén területi eloszlása Magyarország területén belül). A 2.

7 táblázatban látható, hogy például szélsőséges népességszám esetében ( lakos) elérheti az 1300 km 2 -t, de alacsonyabb népesség esetén reális lehet a megvalósítás. A mezőgazdasági hulladék mennyisége és begyűjtési területe a népesség függvényében Népesség (fő) Mennyiség (t) Terület (km 2 ) táblázat. A begyűjtőterület a népesség függvényében A fentiek alapján kijelenthetjük, hogy az alkalmazás kis és közepes méretű városok esetén lehet megvalósítható, ha nem akarjuk, hogy jelentős környezeti terheléssel járjon. Gazdasági szempontból vizsgálva viszont egyértelmű, hogy túl kicsi településeken sem érné meg a rendszert üzemeltetni méretgazdaságossági okokból. Lényegében tehát a méretgazdaságosság és a környezeti terhelés között kell megtalálnunk az optimális megoldást. Egy hasonló projekt mélyreható gazdasági elemzéséhez sokkal több konkrétumra lenne szükség, ezek közül is először egy pontos helyszínre, hiszen a megtérülés nagyon sok paraméter függvénye. Ebben a cikkben a gazdasági vonatkozásokat nem vizsgáljuk, csak a műszaki, logisztikai, és energetikai megvalósíthatóság lehetőségét. Az előző részben megvitattuk a beruházás és a működtetés során felmerülő lehetséges problémákat, végül pedig összegyűjtjük a lehetséges előnyeit egy megvalósuló projektnek. Először is a rendszer megújuló energiaforrásokat használ energiatermelésre, mely manapság gyakran hangoztatott szempont, másrészt a hulladékgazdálkodás problémáira is egy lehetséges megoldást kínál, hiszen nagy mennyiségű mezőgazdasági hulladék bevonása mellett is kevesebb a deponálandó hulladék (377 kg/fő/év), mint a rendszer alkalmazása előtt (egy fő által termelt 457 kg/év kommunális hulladék). Továbbá a hulladékhasznosítás növelhető a fém és műanyag hulladék újrafelhasználásának lehetőségeit kiépítve. Aktuális téma az energiafüggőség is, melyet a biometán előállításával jelentősen csökkenthetünk egy ilyen rendszer esetében, továbbá az ellátásbiztonság is javulhat, hiszen attól függetlenül, hogy a termelésünk ingadozó, a rendszerben több tartalék van jelen. Fontosabb felhasznált források: [1] Kádár M. G., Kovács I. S.: Hulladékalapú energiagazdálkodás megvalósítása egy kisvárosban. TDK dolgozat. BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék, 2012.

8 [2] Deublein, D. Steinhauser, A. (szerk.), 2008, Biogas from Waste. Weinheim: Wiley-VCH. [3] Kratzeisen, M. et al.,2009, Applicability of biogas digestate as solid fuel. Elérhető az interneten: [4] [5] [6] Dr. Örvös M., 2007, Termikus hulladékkezelés [7] Dr. Bai A. (szerk.), 2007, A biogáz. Budapest: Száz magyar falu könyvesháza Kht. [8] Központi Statisztikai Hivatal, 2011, A fenntartható fejlődés indikátorai. Budapest [9] [10] Barótfi I., 2000, Környezettechnika. Budapest: Mezőgazda Kiadó.