Dendromassza-hasznosításon alapuló decentralizált hőenergia-termelés és felhasználás komplex elemzése. Németh Kornél

Átírás

1

2 Pannon Egyetem Állat- és Agrárkörnyezet-tudományi Doktori Iskola Dendromassza-hasznosításon alapuló decentralizált hőenergia-termelés és felhasználás komplex elemzése című Ph.D értekezés Németh Kornél Témavezető: Dr. Pályi Béla, egyetemi docens Társtémavezető: Dr. László Alfréd, címzetes egyetemi tanár Keszthely 2011

3 Dendromassza-hasznosításon alapuló decentralizált hőenergia-termelés és felhasználás komplex elemzése Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében Írta: NÉMETH KORNÉL Készült a Pannon Egyetem Állat- és Agrárkörnyezet-tudományi Doktori Iskola programja keretében Témavezető: Dr. Pályi Béla, egyetemi docens Elfogadásra javaslom (igen / nem). (aláírás) A jelölt a doktori szigorlaton... % -ot ért el, Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom: Bíráló neve: igen /nem. (aláírás) Bíráló neve: igen /nem. (aláírás) A jelölt az értekezés nyilvános vitáján...% - ot ért el. Veszprém/Keszthely,. a Bíráló Bizottság elnöke A doktori (PhD) oklevél minősítése... Az EDT elnöke

4 TARTALOMJEGYZÉK KIVONAT... 6 ABSTRACT... 7 AUSZUG BEVEZETÉS A TÉMA IDŐSZERŰSÉGE A KUTATÁS CÉLJA Hipotézisek SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS A TÉMA ÁLTALÁNOS BEMUTATÁSA AZ ENERGIAFELHASZNÁLÁS TENDENCIÁI A ZÖLD REMÉNY TÜZELÉSI CÉLÚ BIOMASSZA-FÉLESÉGEK ÉS HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEIK Tüzeléstechnikai jellemzők Tüzelési célú biomassza-féleségek felhasználása TÜZELÉSI CÉLÚ BIOMASSZA-FÉLESÉGEK SZABVÁNYOSÍTÁSA Az európai műszaki szabályzás helyzete Nemzeti szabványok összehasonlítása FÁSSZÁRÚ ENERGIAÜLTETVÉNYEK Fásszárú energiaültetvényekkel kapcsolatos nemzetközi kutatások Fásszárú energiaültetvények hazánkban Fásszárú energiaültetvényekre vonatkozó aktuális magyar szabályozási rendszer Energetikai célból termesztett, fásszárú növények telepítéséhez nyújtott támogatások A VIZSGÁLATOK ANYAGAI ÉS MÓDSZEREI A FŰTŐMŰ VIZSGÁLATÁNAK ANYAGAI ÉS MÓDSZEREI FÁSSZÁRÚ ENERGIAÜLTETVÉNYEK VIZSGÁLATÁNAK ANYAGAI ÉS MÓDSZEREI ENERGETIKAI TÖMÖRÍTVÉNYEK HASZNOSÍTÁSÁNAK, JELLEMZŐINEK ÉS GAZDASÁGOSSÁGI VIZSGÁLATAINAK ANYAGAI ÉS MÓDSZEREI A SAJÁT VIZSGÁLATOK EREDMÉNYEI A PORNÓAPÁTI FALUFŰTŐMŰ VIZSGÁLATA A beruházás megvalósítása, a rendszer műszaki jellemzői A fűtőmű üzemeltetésének vizsgálata A fűtőmű alapanyagellátása A rendszer üzemeltetési, energetikai jellemzőinek vizsgálata Az összefüggés vizsgálatok eredményei, a rendszer üzemeltetési tapasztalatai Környezeti, társadalmi, gazdasági hatások értékelése Környezetre gyakorolt hatás Gazdasági és társadalmi hatás FŰTŐMŰVEK TÜZELŐANYAG ELLÁTÁSA FÁSSZÁRÚ ENERGIAÜLTETVÉNYEKBŐL A vizsgált fűtőmű tüzelőanyag ellátása fásszárú energiaültetvényből Az ültetvény telepítési, fenntartási műveletei és költségei Rövid vágásfordulójú energiafűz ültetvény gazdasági adatai, érzékenység vizsgálatok Az ültetvény telepítésének és fenntartásának ütemezése ENERGETIKAI TÖMÖRÍTVÉNYEK JELLEMZŐINEK VIZSGÁLATA, MINŐSÍTÉSE, GAZDASÁGOSSÁGI VIZSGÁLATOK Pellet és brikett tüzelő rendszerek vizsgálata Pelletek és brikettek fontosabb tüzeléstechnikai tulajdonságai, minősítése Gazdaságossági vizsgálatok ÚJ KUTATÁSI EREDMÉNYEK ÖSSZEFOGLALÁSA ÉS AZOK HASZNOSULÁSA, ÚJ KUTATÁSI FELADATOK KIJELÖLÉSE ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK ÖSSZEFOGLALÁSA KÖVETKEZTETÉSEK ÉS JAVASLATOK, A GYAKORLAT SZÁMÁRA HASZNOSÍTHATÓ EREDMÉNYEK ÚJ KUTATÁSI FELADATOK KIJELÖLÉSE

5 6. THESES ÖSSZEFOGLALÁS KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS FELHASZNÁLT IRODALOM MELLÉKLETEK

6 KIVONAT Az energiaellátás és a környezetvédelem számos országban központi témává vált. A megújuló energiaforrások térnyerését a fosszilis energiahordozók hasznosítása által kiváltott gazdasági és környezeti problémák, valamint a nemzetközi vállalások is sürgetik. Hazánkban egyre több háztartásban, településen merül fel az energiatakarékosság kérdése. Jelentős törekvések indultak a környezeti adottságokhoz igazodó, kisebb hálózatokba szervezett helyi, autonóm energiatermelésre. A helyi forrásokra való nagyobb támaszkodás még inkább felértékeli a vidéki térségek szerepét. Magyarországon a megújuló energiaforrások közül a biomassza rendelkezik olyan potenciállal, amely lehetőséget ad a fosszilis energia részleges kiváltására. Disszertációmban a szilárd biotüzelőanyagokat hasznosító hőenergia-termelő berendezések működését, és az egyes tüzelőanyagok jellemző tüzeléstechnikai tulajdonságait tekintem át. Vizsgálom egy faaprítékkal üzemelő falufűtőmű kiépítésének jellemzőit, üzemeltetését figyelembe véve a működtetés gazdasági, környezeti és társadalmi hatásait. A fűtőművekben felmerülő tüzelőanyag-igények kielégítésére lehetőségként kínálkozik a fásszárú, rövid vágásfordulójú energiaültetvények telepítése, ami hozzájárulhat a termőföldek ésszerű hasznosításához, kiegészítő tevékenységként biztosíthatja a termelők több lábon állását. Vizsgálataim kiterjednek a fűtőművek alapanyagellátásának fásszárú energiaültetvényekből való kielégítésének lehetőségeire. Vizsgálom a pellet- és brikett-tüzelő rendszerek jellemző tulajdonságait, az energetikai tömörítvényekre vonatkozó hazai és nemzetközi szabványosítás folyamatait. Összehasonlítom az egyes fűtési megoldások költségeit, előtérbe helyezve a vásárlói döntéseket befolyásoló tényezőket. A doktori értekezés hozzájárulhat a dendromassza bázison alapuló energiaellátó rendszerek tervezéséhez, működtetéséhez, valamint az alapanyag-ellátásuk biztosításához kapcsolódó kérdések tisztázásához. Segítheti a területet érintő nemzetiés helyi vidékfejlesztési stratégiák kialakítását. 6

7 ABSTRACT Energy supply and environmental protection have become central subjects in many countries. International obligations, economic and environmental problems caused by the use of fossil energy sources demand the spread of renewable energy sources. More and more households and settlements take energy-saving measures in Hungary. Local communities make considerable efforts to set up independent power generation systems organised in smaller networks and adjusted to the natural endowment. The dependence on local resources enhances the function of micro-regions. In Hungary biomass has the potential to partially replace fossil sources. In my thesis I will describe the operation of heat generating devices fed with biomass and review the combustion related properties of fuels. I will analyse the construction and operation of a wood chip burning plant considering its effect on economy, society and the environment. Heating plants can burn short-rotation woody crops and the introduction of plantations of this kind may lead to a profitable exploitation of agricultural lands, furthermore help the farmers become multifaceted. My research includes the possibilities of feeding heating plants with the products of woody plantations. I will also give the characteristics of pellet/briquette furnaces in detail and examine the international and Hungarian standardisation process of agglomerates. I will compare the costs of various heating solutions laying emphasis on the factors that influence consumers decisions. My thesis may contribute to designing and operating dendromass-based power systems and answer the questions regarding their supply of material. It will help further elaborate national and rural development strategies on the utilisation of biomass in energetics. 7

8 AUSZUG Die Energieversorgung und der Umweltschutz sind in vielen Ländern zum Hauptthema geworden. Die, durch die Ausnutzung fossiler Energieträger entstandenen Probleme und die internationale Verpflichtung drängen zur Platzgewinnung der sich erneubaren Energien. In immer mehr Haushalten, Ortschaften in unserer Heimat tritt die Frage nach Energiesparsamkeit auf. Den örtlichen Gegebenheiten anpassend, begann in kleineren Netzen, die organisierte, örtliche, autonome Energieproduktion. Bei der größeren Stützung auf örtliche Quellen spielt eher das ländliche Gebiet eine aufwertende Rolle. Unter den in Ungarn vorkommenden sich erneuernden Energiequellen besitzt die Biomasse ein solches Potenzial, welche die teilweise Herauslösung fossiler Energie ermöglicht. In meiner Dissertation gebe ich einen Einblick in die Wirksamkeit von Wärmeproduzierenden Einrichtungen, die mit festem Biobrennstoff betrieben werden, und ich gebe einen Überblick über die charakteristischen Eigenschaften der einzelnen Brennstoffe. Ich untersuche die Eigenschaften des Baues einer Dorf- Heizungsanlage, die mit Holzspänen betrieben wird, und deren Betrieb unter Rücksichtsnahme von der vorhandenen Ökonomie, Umgebung und des Einflusses der Gesellschaft. Um in den Heizanlagen auftretende Heizstoffansprüche zu erfüllen, bietet sich die Holzproduktion, die Anpflanzung von schnell wachsenden Energieplantagen, an, welche zur vernünftigen Nutzung der Ackererde beitragen und gleichzeitig als zusätzliche Beschäftigung dem Produzenten als sichere Existenz dient. Meine Untersuchungen beschränken sich auf die befriedigende Versorgung eines Heizwerkes mit Rohstoffen, welche aus holzartigen Energieplantagen stammen. Ich untersuche die charakteristischen Gegebenheiten von Pellet- und Brikett- Heizungsanlagen, die energetische Dichtung im Bezug auf die heimischen und internationalen Standartverläufe. Ich vergleiche die Kosten der einzelnen Heizungsmöglichkeiten; im Vordergrund liegend: die beeinflussbaren Fakten bei der Wahl des Kunden. Die Dissertation kann zur Planung des Energieversorgenden Systems, dass auf der Basic von Dendromasse liegt, deren Wirksamkeit, sowie zur Reinigung der Fragen betreffs Rohstoffversorgung, beitragen. Sie trägt zur Entwicklung der staatlichen und ländlichen Entwicklungsstrategie bei. 8

9 1. BEVEZETÉS 1.1 A téma időszerűsége A természet hatalmas, az ember parány. Ezért az ember léte attól függ, milyen kapcsolatot tud teremteni a természettel, mennyire érti meg és használja fel erőit a saját hasznára. Szent-Györgyi Albert Az általános iskola alsó tagozatos éveiben egy olajkályha biztosította az osztályterem melegét. Meg voltunk vele elégedve. Néhány kisdiák köpenye megolvadt, ha túl közel mentek hozzá, de ettől eltekintve részünkről nem volt rá panasz. A felső tagozatos éveimben az olajkályhákat széntüzelésű kazánra cserélték, igazodva a modern kor követelményeihez. Az új megoldást dícsérő ezzel nem lesz gond egy darabig mondatok már feledésbe merültek, amikor szakközépiskolai éveim végéhez közeledve egykori iskolám gázfűtésre váltott. A kényelmes megoldás bevált, a mai napig működik, de a gázárak folyamatos emelkedése és az ellátás jövőbeni bizonytalansága miatt elképzelhető, hogy hamarosan megint valami új megoldásra lesz szüksége egykori iskolámnak. Egyetemi éveim alatt az előzőekben bemutatott, korábban természetesnek tűnő változások számos kérdést vetettek fel bennem. Az energiaellátásban egy kis kitérő után tényleg visszatérünk a természethez? Ha igen, hogyan, milyen módon? Számos kutató, mérnök, tervező, közgazdász, aktivista és üzletember dolgozik a kérdés megválaszolásában. Kutatásommal én is szeretnék részt venni ebben a feladatban. Az emberiség történetének fejlődésére jellemző, hogy egyre több energiát próbált egyre hatékonyabban a maga szolgálatába állítani. A tűzifa lehetővé tette a sütést, a főzést, az állatok erejének hasznosítása megkönnyítette a szállítást és a földek megművelését. Később a tűz hasznosításával kezdetét vette a fazekasság, az emberek megtanulták, hogyan kell az ércekből tűz segítségével fémeket olvasztani, kialakult a kovácsmesterség. A népességnövekedés és a fejlődés egyre több energiát igényelt. A bányászat és a szén széles körű felhasználása beindította az ipari forradalmat Angliában. A felgyorsult technikai fejlődés további új energiaforrások, a kőolaj és a földgáz kiaknázását tették lehetővé. Az energiaellátás decentralizált, önellátó egységei a világ fejlett országaiban fokozatosan megszűntek. Napjainkban a fosszilis energiahordozók felhasználása a fejlett országok gazdasági működésének alapja. Lehetővé teszi az áruk gyors, hatékony megtermelését és a globális kereskedelmet. Ma már sokan egyetértenek abban, hogy a jelenlegi energiaellátás az ismert mennyiségi és környezeti problémák miatt hosszú távon nem fenntartható. Az elmúlt években többször bebizonyosodott, hogy a centralizált energiaellátó rendszerek jelentős politikai és gazdasági hatalmat koncentrálnak. A jövőben a csökkenő készletekért folyó versengés erősödése és az árak emelkedése várható. Az energiaellátás és a környezetvédelem számos országban központi témává vált. Az európai országok többségében egyre inkább előtérbe kerülnek a megújuló energiaforrások, köztük a 9

10 biomassza energetikai hasznosítása. Az energiatermelésre hasznosítható melléktermékek felértékelődtek, megjelent az energianövények termesztése. A biomassza-hasznosítás környezetre, élelmiszerárakra gyakorolt hatása szakmai körökben számos vitát vált ki. Egyre több példa bizonyítja, hogy a jól megtervezett és megfelelő szakértelemmel üzemeltetett biomassza bázison alapuló korszerű decentralizált energiaellátó rendszerek gazdaságos és környezetbarát energiatermelésre adnak módot. Hall és House (1995) szerint 2050-ig várhatóan megtízszereződik a biomassza energia célú felhasználása Európában. Egyes kutatók szerint ez a nagymértékű növekedés újabb környezeti és társadalmi problémákhoz vezethet, hiszen a közeljövő energetikai biomassza igénye várhatóan magasabb lesz a környezetbarát módon megtermelhető biomassza potenciálnál (Gyulai, 2006). A bioenergia-hasznosítás tekintetében az egyes országok lehetőségei eltérőek. Hazánk megfelelő adottságokkal rendelkezik, a jelenlegi felhasználásnál lényegesen nagyobb volumenben van lehetőség a biomassza eredetű energiaforrások hasznosítására. A hazai éves gázfogyasztás 15 milliárd m 3 körüli, az ország évente körülbelül milliárd m 3 földgázt importál, mintegy 1000 milliárd forint értékben (Szilágyi, 2008). Ezen összeg jelentős része itthon tartható lenne, ha a földgáz importot részben kiváltva a hazai, helyi lehetőségeket használnánk fel az energiatermelésre, és energetikailag korszerűsítenénk épületeinket. Az energiaár-emelések, a földgáz-ellátás bizonytalanságai és áralakulása, a sok esetben elavult és pazarló energetikai megoldások miatt számos önkormányzat, vállalat és háztartás keresi az új lehetőségeket energiaigényének fedezésére. A biomasszahasznosítás perspektívájában, hazánkban is lehetőségként kínálkozik a szilárd biomassza-tüzelésén alapuló decentralizált (kisebb méretekben, több helyen, a felhasználókhoz közel megvalósuló) energiaellátás. A nagyobb teljesítményű faaprítékkal üzemelő rendszerek a vidéki települések nagyobb fogyasztóinak (pl.: falufűtés, közintézmények, ipari és mezőgazdasági létesítmények) a korszerű fatüzelésű, vagy energetikai tömörítvényekkel (pellet, brikett) üzemelő rendszerek pedig a kisebb fogyasztóknak, háztartásoknak kínálnak alternatívát. A mezőgazdasági eredetű biomassza termelésnek kulcsfontosságú szerepe lehet a tüzelési célú biomassza-hasznosítás alapanyag ellátásának biztosításában, és a hazai megújuló energia felhasználás részarányának növelésében. Az erőművek, fűtőművek, energetikai tömörítvényeket előállító üzemek közelében telepített fásszárú, rövid vágásfordulójú energiaültetvények hosszabb időszakon keresztül biztosíthatják a beruházások tüzelőanyag ellátását, munkalehetőséget és jövedelmet biztosítva a termelőknek. Szerepük a helyi energiaellátásban és a vidékfejlesztésben kiemelkedő lehet. Az energiatermelés és -felhasználás változtatásának szükségességében az egész világon egyetértenek a szakemberek, de a változás módjában eltérőek a vélemények. Dolgozatomban a már elindult, és a jövőben várhatóan felgyorsuló változások egyik hazai lehetséges irányát tekintem át a tüzelési célú biomassza-féleségek hasznosítási és alapanyagellátási lehetőségeinek vizsgálatával. 10

11 1.2 A kutatás célja Az energia-előállítás terén számos országban indultak törekvések a környezeti adottságokhoz igazodó, kisebb hálózatokba szervezett, autonóm energiatermelésre. Ez követendő példa lehet hazánk számára is. Magyarország energiahordozókban szegény, ezért is fokozottan fontos a felhasználás minden ágában a takarékosság, az ésszerűbb energiafelhasználás elősegítése. A rendelkezésre álló hazai biomassza-potenciált nem szabad kihasználatlanul hagyni. Az Európai Unió erre a területre vonatkozó elvárásaival, valamint a nemzeti környezetvédelmi és energiapolitikai célkitűzésekkel összhangban meg kell teremteni a biomassza energetikai hasznosításának hazai lehetőségét a vidéki térségekben. A kedvező adottságok kihasználásához fel kell tárni azokat az összefüggéseket, melyeket nem szabad figyelmen kívül hagyni a területet érintő döntések meghozatalakor. Ez inspirált arra, hogy ezt az értekezést megírjam, és választ próbáljak adni a vizsgált területet érintő kérdésekre. Ennek szellemében jelöltem ki az alábbi kutatási célkitűzéseket: - A faapríték-tüzelésen alapuló fűtőművi hőenergia-termelés hazai környezetben való alkalmazásának áttekintése, értékelése, alkalmazástechnológiai követelményeinek vizsgálata, alapanyagok, végtermékek anyagjellemzőinek vizsgálata. A kutatások eredményeként lehetőség nyílik mérési módszerek, hatásfok javító megoldások kidolgozására, fejlesztésére, valamint a hazai környezetben megvalósult biomassza bázisú energiatermelés komplex elemzésére. - Fűtőművekre vonatkozó környezeti hatásvizsgálatok, gazdaságossági elemző vizsgálatok elvégzése, figyelembe véve a vidékfejlesztési és környezetvédelmi szempontokat. - Fűtőművi hőenergia-termelés fásszárú, rövid vágásfordulójú ültetvényekből történő alapanyagellátásának vizsgálata, gazdaságossági, logisztikai kérdéseinek feltárása. Fásszárú energiaültetvények szerepének, termesztési lehetőségeinek, jogszabályi környezetének elemző értékelése. - A hazai biotüzelőanyag-piac megfelelő működéséhez szükséges EU normatívák, szabvány-ajánlások áttanulmányozása, feldolgozása és rendszerezése, elemző értékelése. - Hazai kereskedelmi forgalomban kapható pelletek és brikettek jellemző tüzeléstechnikai tulajdonságainak, minősítésük lehetséges módjainak vizsgálata, figyelembe véve a rendelkezésre álló nemzeti szabványokat, európai uniós műszaki irányelveket. - Háztartási energiaellátást biztosító korszerű biomassza-tüzelő berendezések üzemeltetési, beruházási költségeinek vizsgálata, a vásárlói döntéseket befolyásoló tényezők számba vétele, a legjobb alternatívák keresése. A megfogalmazott célkitűzésekhez kapcsolódó kutatások egymásra épülve új tudományos eredmények és gyakorlati megoldások feltételeit teremthetik meg. Hozzájárulhatnak, hogy a biomassza energetikai hasznosítása szélesebb körben lehetővé tegye energiaszükségletünk fedezését, valamint a vidéki térségek revitalizációját. A vizsgálatok tapasztalatainak összegzése, lényegi elemeinek kiemelése segíti a biomassza-bázison alapuló energia előállítási módok hazai elterjedését. Megkönnyítheti a későbbi hasonló beruházási döntéseket, lerövidítheti a tervezés és a kivitelezés időigényes folyamatát. 11

12 1.2.1 Hipotézisek A témához kapcsolódó szakirodalom elemzését követően felállítottam az empirikus vizsgálat kiinduló hipotéziseit. H-1 A megfelelő adottságokkal rendelkező települések faapríték-felhasználáson alapuló decentralizált energiatermelő rendszerei hazai viszonyok között is alkalmasak fosszilis energiahordozók helyettesítésére és versenyképes áron történő energiatermelésre, valamint pozitív hatással vannak közvetlen környezetük fejlődésére. A helyben keletkező biomassza-féleségek hasznosításával az energiahordozókra kiadott pénz egy része a térségben marad, és annak további fejlődését eredményezi, továbbá hozzájárul az energiaimport-függőség csökkentéséhez. H-2 A helyben megtermelt és hasznosított, fásszárú, rövid vágásfordulójú energetikai faültetvényekből származó faanyag biztonságosan és gazdaságos módon elégítheti ki az aprítéktüzelésű fűtőművekben felmerülő tüzelőanyag-igényeket, megteremtve az energetikai önellátás és a vidéki térségek felzárkóztatásának új és hatékony módját. H-3 Verseny már nemcsak a fosszilis és a megújuló energiaforrások felhasználása között van jelen, hanem az egyes megújuló energiaforrásokat hasznosító megoldások között is. A gázfűtés alternatíváiként kínálkozó fűtési módok (pellettüzelés, faelgázosító kazán hasábfával és/vagy brikettel üzemeltetve, hőszivattyú) versenyképes megoldást jelentenek a háztartások hőenergia-ellátására. Egy-egy korszerű megoldás komfortfokozata megközelíti a gázfűtés által biztosított kényelmet alacsonyabb, vagy közel azonos költségek mellett. 12

13 2. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS 2.1 A téma általános bemutatása A természetben, illetve a mező- és erdőgazdaságban számtalan formában előforduló biológiai eredetű anyagokat az emberiség ősidők óta hasznosítja. Ma a biomassza, mint definíció rendkívül összetett, többféle alapanyagot és hasznosítási technológiát takar. A biológiai eredetű anyagokból több termékcsoportot lehet előállítani és felhasználni (1. ábra): élelmiszert és takarmányt, ipari nyersanyagot, energiahordozót valamint talajerőgazdálkodásban hasznosított szerves trágyát (Láng, 1984, 1985; Bai et al., 2002). Ezek a termékcsoportok többszörösen összefüggenek egymással, hiszen előállításukban a legtöbb esetben lényeges szerepet játszanak az egyes csoportok fő és melléktermékei. A biomassza hasznosítás változatai Élelmiszer és takarmány termelés Energetikai célú hasznosítás Talajerő gazdálkodás Ipari hasznosítás 1. ábra: A biomassza-hasznosítás változatai Forrás: Saját szerkesztés Bai et al., 2002 adatai alapján A biomassza energetikai célú felhasználása csak egy-egy ország alapvető szükségleteinek kielégítése után jöhet szóba. Elsődleges cél az élelmiszer előállítás és a hozzá kapcsolódó takarmánytermelés. Ehhez nélkülözhetetlen a talajerő fenntartása, vagyis a talajok szerves- és tápanyagainak utánpótlása és a körforgalmukhoz nélkülözhetetlen feltételek megteremtése. Az ipari hasznosítás elsősorban piacképes alapanyagok és végtermékek előállítására irányul. A fenti célokra felhasználható alapanyagok mennyisége és térbeli eloszlása nem egyenletes a földön, biotikus és abiotikus tényezők függvényében alakul. Az egyes országok saját maguk döntenek arról, hogy a környezet adta lehetőségeiket milyen módon használják ki, milyen növényeket termelnek, milyen állatokat tartanak, a létrejött szerves anyag mennyiségét hogyan hasznosítják. Az egyensúly fenntartása érdekében hozott döntéseiket a legtöbb esetben gazdasági és politikai helyzetük befolyásolja (Grainger, 1981; Barótfi, 1993). A biomassza energetikai célú hasznosítása -sokoldalú felhasználási lehetőségének köszönhetően- az elmúlt időszakban az egész világon az érdeklődés középpontjába került. A rendelkezésre álló biológiai eredetű melléktermékekből, vagy termelt biomasszából a különböző hasznosítási eljárások során előállíthatunk hőt, villamos energiát és 13

14 mechanikai energiát közvetlenül, vagy kapcsoltan. Az egyes biomassza-féleségek az energiaellátó rendszerekben hő- és villamos energia termelés lehetőségéből adódóan szén, földgáz és atomenergia helyettesítésére, a hajtóanyag (mechanikai energia) előállítás lehetőségéből adódóan kőolaj helyettesítésére alkalmasak (Büki, 2007). Megfelelő szemlélettel, az élelmiszer- és takarmánytermelés, illetve az egyéb hasznosítási lehetőségek arányainak szem előtt tartásával a biomassza ez irányú hasznosítása egy energetikai részlehetőség a kedvező adottságokkal rendelkező országok számára a gazdaságos és környezetbarát energiatermelésre és az energiafüggőség csökkentésére. A biológiai eredetű energiahordozók hasznosítására ma már számos technológia áll rendelkezésre, és több megoldás van a fejlesztés szakaszában, egyre nagyobb hangsúlyt fektetve a hatékonyság javítására és a költségek csökkentésére. Elterjedésüket a rendelkezésre álló mezőgazdasági területek, az éves termésátlagok és a melléktermékek felhasználhatósága befolyásolja (Ragossnig, 2007; Réczey, 2007). A bioenergiahordozók halmazállapot és az átalakítási és felhasználási módok szerint az alábbi csoportokba sorolhatók. I. Szilárd halmazállapotú energiahordozóként használt biomassza ( biotüzelőanyagok ): - közvetlen (átalakítás nélküli) eltüzeléssel, - valamilyen átalakítást (pl.: aprítás, tömörítés) követően, tüzelőanyagként. II. Folyékony halmazállapotú energiahordozóként használt biomassza ( bioüzemanyagok ): - olajos növényekből sajtolással kinyert olaj formájában átalakítás nélkül, vagy kémiai átalakítást követően, - fermentáció útján etanol és metanol formájában. III. Gáz halmazállapotú energiahordozóként használt biomassza ( biogáz ): - anaerob fermentáció útján metántartalmú gázként (Rákosi-Sági, 1982; Barótfi, 2000). Az eltérő gazdasági jellemzők miatt energianyerés céljára alkalmas biomasszaféleségeknél célszerű a melléktermékként vagy főtermékként történő hasznosítás megkülönböztetése (2. ábra). Energianyerésre alkalmas biomasszaféleségek Melléktermékek Főtermékek Növénytermesztés, állattenyésztés Élelmiszeripar Erdőgazdálkodás és faipar Szennyvíz, kommunális hulladékok Lágy szárú energianövények Fásszárú energianövények Korábban is termesztett növények Új, korábban nem termesztett növények 2. ábra: Energianyerésre alkalmas biomassza-féleségek Forrás: Saját szerkesztés Tar et al., 2005; Ivelics, 2004; Gergely, 2009 adatai alapján 14

15 A főtermékek energetikai hasznosításakor az alapanyag-költségek teljes egészében az energiatermelést terhelik. A melléktermékek hasznosításakor viszont a felmerülő kezelési, logisztikai és egyéb költségek nagy részét a főtermék árában érvényesítik. Amennyiben a felhasználásra kerülő alapanyag melléktermék, akkor az egész növénytermesztés költségét a főtermék előállításának költsége fedezi. Ebben az esetben a melléktermék előállításának költsége csak marginális és attól a ponttól számoljuk, amikor a fő- és a melléktermék elválik egymástól. Ha a termesztésre kerülő növény elsődlegesen energia alapanyag, akkor az input oldalon jelentkezik a termesztés során felmerülő összes költség és energiaigény (Bai et al., 2002, Réczey, 2007). Az energetikai célra hasznosítható, biológiai eredetű melléktermékek a mezőgazdaság (növénytermesztés és állattenyésztés), az élelmiszeripar, az erdőgazdálkodás és faipar területéről, valamint a kommunális szilárd és folyékony hulladékkezelés területéről származhatnak. A főtermékek közé az energianyerés céljából termesztett lágy és fásszárú növények tartoznak (Sembery - Tóth, 2004). A növénytermesztésben és az erdészetben, valamint a faiparban keletkező melléktermékek mindegyike átalakítható valamilyen formájú energiává. Az állattenyésztés melléktermékei közül a különböző trágyaféleségek, vágóhídi hulladékok biológiai elgázosítása környezetvédelmi jelentőséggel is bír (pl.: hígtrágya elhelyezés, veszélyes hulladék ártalmatlanítása). A kommunális és élelmiszeripari hulladékok, szennyvizek anaerob elgázosítása lehetővé teszi ezen anyagok kezelésén keresztül megvalósuló energiatermelést. Ma az energetikai célra termesztett növények (főtermékek) közül a lágyszárúak közt megkülönböztethetjük a jelenleg is termesztett növényeket, amelyek hasznosítási irányváltást követően energiatermelésre igénybe vehetők (pl.: silókukorica, napraforgó, cukorrépa stb.). A másik alcsoportba pedig azok a növények tartoznak, amelyek eddig a köztermesztésben nem fordultak elő, és célirányosan biomassza alapú energiaforrásként alkalmazhatók (pl.: energiafű, miscanthus stb.). Megkülönböztethetjük továbbá az egyéves növényfajokat (pl.: a gabonafélék, kender, repce, napraforgó stb.) és az évente aratott évelő fajokat (pl.: miscanthus és egyéb nádfajok). A fásszárú növények közül már számos országban jelen vannak a gyorsan növő fafajták (pl.: nyár, rezgő nyár, akác, fűz stb.) állandó aratási ritmussal (short rotation, vagy cutting cycle SRC) és a hosszú rotációs ciklusú fafajok (Fogarassy, 2001). Az energianövények termesztését célzó, első iparszerű mezőgazdasági energiatermelést körvonalazó konkrét elképzelések a 90-es évek elején kerültek publikálásra. El Bassam és Dambroth (1992) Az energianövények termesztésének koncepciója című publikációja még több vitát váltott ki, de a 90-es évek közepén már számos program indult a témában. Az 1995-ben elindított JOULE és THERMIE program a negyedik Európai Uniós Kutatás-Fejlesztési keretprogram része volt. A programok elsődleges célja megújuló energia technológiák fejlesztése. Előbbi a kutatás-fejlesztést, utóbbi a tiszta energiatechnológiák szemléltetését és piaci fejlesztését támogatta. Ezen programok új kutatási és fejlődési hullámokat indítottak meg. Napjainkra nyilvánvalóvá vált, hogy sem a melléktermékek energetikai célú hasznosításának, sem az energetikai célú növénytermesztésnek a megítélése nem 15

16 történhet kizárólag közgazdasági alapon. Biewinga és van der Bijl (1996) szerint három kritériumon keresztül lehet csak ésszerűen áttekinteni az energetikai növénytermesztés sokrétű gazdasági hatását: árak és gazdaságosság, környezetvédelem, munkahelyteremtés. Véleményem szerint ez utóbbi helyett célszerűbb -a fenntarthatósági értékelések során ma már gyakran alkalmazott- társadalmi hatás komplex vizsgálata. Ennek fontos részét képezi a munkahelyteremtés, de magában foglalja az energetika területén napjainkban nem elhanyagolható ellátásbiztonsági és szemléletváltásbeni kérdéseket. Melléktermékek esetében az egyes alapanyagok árának meghatározása azért nehéz, mert legtöbbször olyan termékről van szó, melynek mindaddig nincs értéke, nincs ára, míg fel nem akarják használni tüzelésre. Amint azonban ez az igény jelentkezik, jelentős értéket képviselnek. Általában a mezőgazdasági termelésből származó tüzelésre használható anyag felhasználása annak olcsó, akinél keletkezik, hiszen a nagy tömegű és/vagy térfogatú anyagokat nem éri meg messzire szállítani (Barótfi, 1998). Energianövények termesztése során az árak alakulása Lawson (1995) szerint a termelési költségek, a nettó árrés (amelyet a termelőknek szükséges realizálniuk) és az adott tevékenységhez kapcsolódó támogatások függvénye. A biológiai eredetű energiaforrások hasznosításának környezetre gyakorolt és társadalmi hatásának értékelése szakmai körökben rendkívül ellentmondásos. A referált szakfolyóiratokban évente körülbelül 7000 olyan közlemény jelenik meg a világon, melyek valamilyen szempontból foglalkoznak a témával (Várhegyi, 2007). A hasznosítás melletti legfőbb érv a fosszilis energiahordozók által felvetett problémák enyhítése helyben előállított energiahordozókkal. A kutatók között egyetértés van abban, hogy a biomassza-termeléssel és hasznosítással nem célszerű túllépni egy szintet, hiszen a természeti erőforrások termelési és megújulási lehetőségei korlátozottak. Általános az a vélekedés is, hogy az energetikai célú biomassza-előállítás a környezeti szempontok tekintetében kedvezőbb, mint a hagyományos árutermelő tevékenység. Gyakran a legfontosabb előnyök között kerül említésre a vidéki térségek revitalizálása (McKay, 2006; Hillring, 2002; Domaca et al., 2005). Egyes nézetek szerint a biomassza-hasznosítás környezetvédelmi vonatkozásai talán jelentősebbek, mint az energianyerés (Vágvölgyi - Szesztai, 2003). Sokan a munkahelyteremtést tartják a kialakulóban lévő megújuló energia-ipar legfontosabb hatásának. Problémát jelenthet azonban a jövőben, hogy jelenleg meglehetősen kevés zöld munkahely jön létre az elmaradott országok leginkább kiszolgáltatott rétegei számára. Ahol munkahelyek jönnek létre (pl.: mezőgazdasági eredetű bioenergia-hasznosítás) ott a fizetések rendkívül alacsonyak (UNEP, 2008). A hasznosítás előnyei mellett természetesen a hátrányokról is szólni kell. A magas beruházási költségekből adódóan a megtérülési idő sok esetben hosszú, bár az energiaárak növekedésével csökken. Az egyes alternatívák bevezetését megakadályozza, vagy lelassítja a már meglévő infrastruktúra. A különböző biomasszaféleségek energiakoncentrációja általában alacsony, ebből adódóan nagy térfogatot kell belőle begyűjteni. Ez szállítási és tárolási problémákat vet fel. A bio-energiahordozók közül a folyékony halmazállapotúak energiasűrűsége a legkedvezőbb. A nem megfelelő munkaszervezés, a környezetvédelmi előírások be nem tartása azt eredményezheti, hogy egységnyi zöld energia előállítása drágább, és nagyobb környezetterheléssel jár, mint az általa kiváltott fosszilis energiahordozóké. 16

17 A megújuló energiaforrásokkal -és így a biomassza hasznosítással- kapcsolatos várakozások és elvárások esetenként túl nagyok és gyakran egymásnak ellentmondóak (pl.: egy-egy tüzelőberendezés legyen a kor követelményeinek megfelelően teljesen automatizált, de legyen gazdaságosan üzemeltethető, az alapanyag termelés és a gyártás teremtsen sok munkahelyet, megfelelő bevételeket biztosítson a termelőknek, de a végtermék legyen olcsó). Véleményem szerint minden térségnek, településnek meg kell találnia a helyi adottságaihoz illeszthető fejlesztési irányt. Amennyiben ebben szerepet kaphatnak a megújuló energiaforrások -és a bioenergia hasznosítása- akkor az egyes megvalósítási lehetőségek vizsgálata során célszerű a társadalmi, környezeti és gazdasági hatások mérlegelése, melyben az utóbbi nem minden esetben kell, hogy a főszerepet játssza, hiszen az élhető, egészséges környezet, a tiszta levegő és víz értéke pénzben nem mérhető. 17

18 2.2 Az energiafelhasználás tendenciái a zöld remény Az energia iránti növekvő kereslet, a magasba szökő olaj- és gázárak, az ellátási bizonytalanság és az éghajlatváltozás napjaink megoldásra váró problémái. Starzacher (2001) szerint az energiaellátás a világban egyre több feszültségtől terhes problémát vet fel a jövőben az importfüggőségtől a környezetszennyezésig, mely bizonytalanná teszi a jövőt. Ebből adódóan a fejlett országok egyik legfontosabb feladata a következő években, hogy törekedjenek saját nemzeti energiaellátásuk biztosítására. Az 1973-as olajválság után az egyes országok kormányai -felismerve az alternatív energiaforrásokban rejlő jövőbeni lehetőségeket- hozzáláttak az adottságaiknak megfelelő programok kidolgozásához. Az akkori elképzelések és tervek (Hall, 1979; Abelson, 1980; Platz-Chartier, 1980) szinte mindegyikében megjelenik a bioenergiahasznosítás valamelyik formája. A klimatikus viszonyoktól, földrajzi helyzettől, gazdasági fejlettségtől és az energia ellátottságtól függő biomassza-programok sokrétűségükkel arra mutattak rá, hogy mindenütt megtalálható az a változat és módszer, amellyel az adott biomassza potenciált a lehető legoptimálisabban lehet hasznosítani. Az első olajválság elmúltával már nem volt sürgető a fosszilis energiahordozók helyettesítése. A kutatások, bár korántsem akkora lendülettel, de számos helyen tovább folytak. Ennek eredményeként a következő évtizedekben a megújuló energiaforrások felhasználási technológiája tökéletesedett. Ez megmutatkozott a teljesítményben, megbízhatóságukban és a csökkenő árakban. Értékes tapasztalatok gyűltek össze a fejlesztésben, gyártásban, forgalmazásban és a szervizelésben (Schultz, 2006; Fogarassy, 2001). Az IPCC első tudományos felmérő jelentése 1990-ben egy máig tartó tárgyalássorozatot indított el. A kutatók többségében egyre inkább egyetértés alakult ki abban, hogy a melegedést okozó szén-dioxid növekedés oka a fosszilis energiahordozók használata (Morel, 2004). Az ezredforduló, és az azt követő évek szakirodalmaiban egyre gyakrabban jelentek meg becslések a világ szűkülő energiavagyonáról. A geológiailag feltáratlan területek nagysága és a kitermelési technológiák fejlődésének kérdései miatt ezek az adatok sok esetben még bizonytalanok, jelentős eltéréseket mutatnak (Bauquis, 2002, Appenzeller 2004, Legett, 2005). Az azonban egyre inkább nyilvánvalóvá vált, hogy a szén, a kőolaj és a földgáz százéves megjelenése után a megújuló energiaforrások és köztük a biomassza jelentősége ismét növekedni fog. Barótfi (2006) szerint az energetika egyedüli járható útja a meglévő készletekkel való következetes takarékoskodás és a szükségletek minél nagyobb mértékben megújuló energiaforrásokból történő biztosítása. Ezt az elképzelést támasztja alá az energiahatékonyságról szóló 2010-es Európai Uniós Irányelv (2010/31/EK) is. A körülmények megváltozása a mezőgazdaságot is az energetikai szemlélet megváltoztatására kényszeríti. Bai (2005) szerint EU agrárpolitikájának következtében a gyengébb adottságú szántóterületek folyamatosan kikerülnek a termelésből, amelyek energianövények termesztésére alkalmasak, sőt javasoltak. Az energetikai felhasználásban rejlő lehetőségek pedig gyakorlatilag korlátlanok. Napjainkban a világ energiafelhasználása rendkívül aránytalan, 2-2,5 milliárd ember ma még egyáltalán nem fér hozzá a vezetékes energiaszolgáltatáshoz. Fűtéshez és 18

19 főzéshez hagyományos tüzelési célú biomassza-féleségeket használnak. Számuk 2030-ra a 2,7 milliárd főt is elérheti (IEA, 2006). A megújuló energiaforrások szerepe világ energiafelhasználásán belül egyre bővül, 2007-ben 16 %-ot tettek ki a globális energiafelhasználásból. A felhasználás döntő hányadát a kőolaj (34%), a szén (26%) és a földgáz (21%) adta. Az atomenergia 3%-os részarányt képviselt (IEA, 2009, Lakatos, 2009). Mára már világosan látható, hogy az olaj és a szén nem biztosít szilárd alapot egyetlen ország gazdasági jövőjének megalapozásához sem. Az előrejelzések szerint a földgáz szerepe egyértelműen növekedni fog. Ez a növekedés sem lehet azonban megoldás a világ energetikai problémáira, de feltehetően átmeneti megoldást jelenthet egy új energiarendszerhez (Roberts, 2004). Az atomerőművek számának növelése indokolt lehet a jövőben, de a közvélemény jelentős ellenállása miatt erre csak korlátozott mód adódik. Szőnyi (2005) szerint az elkövetkező évtizedekben az emberiség nemhogy nem mondhat le a nukleáris energiáról, hanem éppen annak nagyobb részesedésével kell számolnia az energiafelhasználás összetevői között. Az atomerőművek népszerűségét jelentősen visszavetheti a márciusi földrengés hatására bekövetkezett japán atomkatasztrófa. A megújuló energiaforrások közül a biomassza jelentős részarányt képvisel. A világ energiafelhasználásának 13%-át adja, melynek nagy része egyelőre még a hagyományos biomassza felhasználásából (pl.: tűzifa) származik. A fejlett országokban az energiaellátás 3-4%-át a fejlődő országokénak pedig 35 %-át teszi ki. Az emberiség felének biztosítja az elsődleges energiaforrást (Demirbas 2004; Zeng et al., 2007). Az elmúlt néhány évben a napenergia- és a szélenergia-hasznosítás, valamint a bioüzemanyag előállítás is jelentős növekedést produkált, de hasznosításuk a világ energiafelhasználásában egyelőre alacsony, 1% alatti (IEA, 2009). Roberts (2004) szerint, ha az Egyesült Államok csak egy szerényebb lépést tenne a nagyobb energiahatékonyság és a tiszta energia felhasználás irányába, akkor ez óriási lökést adhatna az egész világ ez irányú törekvéseinek. Előremutató, hogy az elmúlt időszakban számos kezdeményezést jelentettek be ezen a területen (pl.: cellulóz-bázisú energiaforrásra irányuló kutatási és gyártási tevékenység támogatása). Kína és India egyre növekvő energiaéhsége is lökést adhat a megújuló energiaforrások terjedésének, de megvan az esélye, hogy ezen országok növekvő igényük kielégítésére a lehető legolcsóbb energiaforrást (esetükben a szenet) veszik igénybe. Optimizmusra adhat okot, hogy Kínában, 2007-ben átfogó energetikai programot hirdetettek meg. A program célja, hogy rövidtávon 10%-kal csökkentse az ország károsanyag-kibocsátását. Ennek egyik fontos eleme a biomassza energetikai célú hasznosítására irányuló beruházások támogatása. Oroszországnak szintén óriási szerepe van a világ energiapolitikájában. A világ földgázkészletének egyharmadával rendelkezik, földgáztermelése a világ termelésének egynegyedét, az olajkitermelése pedig egynyolcadát teszi ki (Kormos, 2006). Az Európai Unió tagországainak gázellátásában nagyon jelentős, 60% körüli az orosz részesedés (Bíró Nagy, 2009). Az elmúlt évek gázbotrányai jelentős hatással voltak az európai gázimport diverzifikálási törekvésekire, a gáztároló-kapacitás bővítésére, az alternatív fűtőanyagok előtérbe kerülésére és az energiahatékonysági intézkedésekre. Fentiek ellensúlyozására Oroszország a Déli Áramlat elnevezésű gázvezeték kiépítését szorgalmazza. A Fekete-tenger alatt építendő gázvezeték Bulgárián, Szerbián, Magyarországon keresztül haladva garantálná a biztonságos gázellátást. 19

20 Az Európai Unió a Nabucco-terv megvalósítását szorgalmazza, melynek lényege, hogy Oroszország megkerülésével lehessen földgázt juttatni a Közép-Keletről (Azerbajdzsán, Türkmenisztán, Irán) Közép-Európába. Az elképzelés célja a térség jelenlegi kiszolgáltatottságának enyhítése. Ezt szolgálja az az európai uniós stratégia (EK/2004/67) is, amely szerint a tagországok számára az alternatív földgázforrások és szállítási irányok biztosításán túl kiemelt szempont a földgáztárolási kapacitások jelentős bővítése és a cseppfolyós földgáz (LNG) nyújtotta lehetőségek kihasználása. Véleményem szerint a hatalmas költségekkel megvalósuló Déli Áramlat és Nabucco program megvalósítása enyhítheti, de hosszabb távon nem oldaná meg az Európai Unió problémáját. Fennáll a veszélye, hogy a közép-ázsiai lelőhelyekről Európának szánt földgáz szállítását a későbbiekben Kína növekvő energiaéhsége megakadályozza. Az Európai Unióban a megújuló energiaforrások számos az éghajlatváltozásra, az energia ellátás biztonságára, munkahelyteremtésre gyakorolt hatásait és a gazdaság hosszú távú érdekei szempontjából vett előnyeit széles körben elismerik. Az Európai Unió az új energiagazdaságért folytatott küzdelem élharcosa, különösen a klímapolitika és az alternatív energiák terén. Európában az egyre növekvő energiafüggőség és a magas energiaárak miatt könnyebb volt elmozdulni az új technológiák felé, melyek leggyorsabban bővülő piacait Németország, Dánia, Nagy- Britannia és a Skandináv országok jelentik (Roberts, 2004). Mivel a környezetvédelem és az ellátásbiztonság, a versenyképesség biztosításával együtt az európai energiapolitika legfőbb célkitűzései közé tartoznak, érthetővé válik a megújuló energiaforrások fejlesztésének jelentősége (Bányai, 2008). A megújulókkal kapcsolatosan az Európai Unióban az elmúlt időszakban számos megállapodás, jogszabály és stratégia született (1. melléklet) és a 2000-es évek elején a szektor támogatásának növelése érdekében több program indult el Európa-szerte. Többek között ennek is köszönhetően az energiafelhasználás tekintetében az elmúlt évtizedben Európa számos országa elmozdult a megújuló energiák felé. Mára az Európai Unió vezető szerepe az új energiagazdaságért és klímapolitikáért folytatott küzdelemben megkérdőjelezhetetlen. Az EU primerenergia-felhasználásának struktúráját szemlélteti a 3. ábra. 40,0% 35,0% 30,0% 25,0% 20,0% 15,0% 10,0% 5,0% 0,0% 8,4% Megújuló energiaforrások Földgáz 24,5% Atomenergia 13,4% 36,5% Olaj 17,0% Szén 3. ábra: Az Európai Unió energiafelhasználásának struktúrája 2008-ban Forrás: Saját szerkesztés Böhme et. al., 2010 adatai alapján 20