Biogáz hasznosítás Magyarországon

Átírás

1 Biogáz hasznosítás Magyarországon Levegő és vízvédelem c. tárgy kiselőadás 2013 Készítette: Kordisz Virág

2 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés A biogáz áttekintése - fogalma, anaerob biodegradáció története, felhasználása, környezeti hatás 2. A biogáz szerepe Környezetvédelem, szerves hulladékkezelés 3. Biogáz termelés technológiája, erőművek Legfontosabb részek, üzemeltetés 4. Biogáz erőművek Magyarország egész területén, a nyírbátori Bátortrade Kft. biogáz erőmű bemutatása 5. Engedélyezéssel, környezetvédelemmel kapcsolatos jogszabályok, határértékek 6. Felhasznált irodalom 2

3 1. Bevezetés A biogáz áttekintése - fogalma, anaerob biodegradáció története, felhasználása, környezeti hatás A levegő és vizek szennyezése a világ minden táján folyamatosan növekszik. A fő szennyező források az ipar, a mezőgazdaság, valamint a városi tevékenység. A különböző országok kormányai, ipari üzemek vezetői egyre inkább tudatában vannak ezen problémának, így támogatják olyan új technológiák kifejlesztését melyek segítségével hatékonyan és gazdaságosan lehet eltávolítani a káros anyagokat környezetünkből. Az egyik kiváló technológia, mellyel sikeresen lehet kezelni a szennyezések szerves frakcióját az anaerob kezelés. Ezen eljárás arra nem alkalmas, hogy a szennyeződések kialakulását, környezetbe kerülését megakadályozza, de annak eltávolítására kiválóan használható, lehetőséget nyújt zöld energia előállítására. Ily módon a környezetre káros anyag felhasználásával számunkra fontos produktum - energia - nyerhető. Az anaerob kezelés ezáltal kulcseljárás lehet a szennyezések eltávolításában, lebontásában, újrafelhasználásában, megújuló energia előállításában, egyéb technológiákkal kombinálva pedig további értékes melléktermékek nyerhetőek. Biogáz főként baktériumok aktivitása során keletkezik, habár néhány gomba illetve alacsonyabb rendű állati szervezet is részt vesz a szerves anyagok lebontásában. A mikrobák szaporodása és a biogáz képződése a természetben igen lassan megy végbe. A folyamat spontán beindul olyan területeken, ahol nagy koncentrációban, oxigénmentes környezetben van jelen nedves szerves anyag. Ezen feltételek adottak például tavak üledékében, mocsarakban, tőzeges területeken, állatok bélrendszerében. A lebontási folyamat igen bonyolult, számos baktérium törzs szimbiotikus kapcsolatán keresztül történik. Hidrolitikus baktériumok bontják a nagy molekulájú szerves vegyületeket extracelluláris enzimeikkel, mely eredményeként rövid szénláncú zsírsavak, szén-dioxid és hidrogén gáz keletkezik. A baktériumok második csoportja ezt követően a rövid szénláncú zsírsavakat alakítja át szerves savakká, többnyire ecetsavvá. A folyamat során újabb széndioxid és hidrogén gáz keletkezik. Végül a metanogének állítják elő a biogázt ecetsavból és hidrogénből. A biogáz metán, szén-dioxid és számos más vegyület keveréke. A biogáz képződés szempontjából igen fontos, hogy az egyes lépések számára megfelelőek legyenek a körülmények, valamint igen fontos paraméter a hidrogén termelés illetve felhasználás aránya, ugyanis ez a lebontási folyamat egyik fő sebesség-meghatározó komponense. Szulfátredukáló baktériumok is megtalálhatóak a rendszerben, melyek szulfátból és egyéb különböző kén vegyületekből hidrogén-szulfidot állítanak elő. A hidrogén-szulfid reakcióba lép a vas és egyéb nehézfém sókkal, azokkal oldhatatlan szulfidokat képez, mindezek ellenére állandóan megtalálható egy kevés hidrogén-szulfid a biogázban. A metanogén mikroorganizmusoknak igen sok törzse létezik, ezáltal lehetségessé válik, hogy az anaerob biodegradáció széles hőmérsékleti tartományban létrejöjjön, 15 C-tól 55 C-ig, 60-99% víztartalom esetében is. 3

4 (Forrás: Hajdú, 2009) Az anaerob biodegradáció alacsony hőmérsékleten, pszikrofil körülmények között is végbemegy (25 C alatt), mindezek ellenére a hagyományos anaerob fermentorok, melyek később részletesen is be lesznek mutatva a legtöbb esetben mezofil hőmérsékleten (30-35 C) illetve termofil hőmérsékleten (50-55 C) működnek. Ezen ténynek két fő oka van: Magasabb hőmérsékleten a reakciók gyorsabban játszódnak le, ezáltal adott idő alatt nagyobb mennyiségű szerves anyag betáplálásra van lehetőség, tehát csökken a retenciós idő, végeredményben növelhető a fermentor kapacitása. A másik ok pedig az, hogy magasabb hőmérsékleten a patogén mikroorganizmusok túlélési esélye jelentősen csökken. A biogáz csoportosítás a legegyszerűbb a termelés helye szerint. Ezek alapján három nagy csoportot tudunk megkülönböztetni: depóniagáz (szeméttelepi gáz, a kommunális hulladékban lévő szerves anyag lebomlásából képződik) szennyvíztelepi gáz (a szennyvíztelepeken képződő biogáz) biogáz mezőgazdasági mellék/termékekből és egyéb szerves anyagokból (a biogáz szó alatt általában ezt értik) 4

5 Az anaerob biodegradáció rövid története Írásos emlékek találhatóak arról, hogy biogázt használtak fürdővíz melegítésére Asszíriában időszámításunk előtt a 10. században és Perzsiában a 16. században. Van Helmont a 17. században felfedezte, hogy gyúlékony gáz nyerhető bomló szerves anyagokból. Alessandro Volta 1776-ban kimondta, hogy összefüggés van a bomlásban lévő szerves anyag mennyisége és a keletkezett gáz mennyisége között ban Sir Humphry Davy meghatározta, hogy metán tartalmú az a gáz, mely állati trágya bomlása során keletkezik. Az első biogáz fermentor 1859-ben épült Bombay-ban egy lepratelepen. A mikrobiológia fejlődése lehetővé tette Buswell és mások számára, hogy 1930-ban meghatározzák az anaerob baktériumokat és a körülményeket, melyek szükségesek a metán képződéshez. Ma a legelterjedtebbek a kis, egyes farmergazdaságokat ellátó biogáz reaktorok; 6-8 millió ilyen családi méretű, alacsony technológiai színvonalú fermentor működik világszerte. Az itt keletkező biogázt főként főzésre, világításra használják változó sikerrel. Európában igen jó eredményeket sikerült elérni az anaerob biodegradációval az ipari, városi, mezőgazdasági hulladékok kezelése területén. Európában az első fermentor 1895-ben épült meg Angliában, Exeterben, ahol a biogázt egy szennyvízkezelő üzemben állították elő, és az utcai lámpákban használták világításra. A rendszer egyre szélesebb körben terjedt el a II. Világháborút követően, mikor a hagyományos energiahordozók nehezen voltak hozzáférhetőek. Dánia rendelkezik a legnagyobb tapasztalattal a nagy léptékű biogáz fermentáció terén. Az országban 18 centralizált telep működik, mely annak vonzáskörzetében keletkező szerves hulladékokat dolgozza fel. Sok esetben úgynevezett kofermentáció zajlik, mely azt jelenti, hogy az állati trágya ipari és kommunális szennyvízzel együtt kerül felhasználásra. Dánia a kilencvenes években komoly célokat tűzött ki maga elé, egy megállapodás született, mely eredményeként 2000-re megduplázták az ország biogáz produkcióját, 2005-re pedig további jelentős növekedést szeretnének elérni. A növekedés azért lehetett ilyen gyors ütemű, mert bevezették az úgynevezett green pricing rendszert, mely azt jelenti, hogy megújuló energiaforrásból előállított zöld áramot a helyi áramszolgáltató a szokásos árnál magasabb összegért veszi meg. Ipari szennyvizek kezelésére kidolgozott anaerob fermentáló rendszerek a 90-as években fejlődtek a legütemesebben. Ma világszerte több mint 1000 ilyen rendszer működik, vagy van építés alatt. Becslések vannak arra vonatkozóan, hogy Európában a teljes biogáz produkció 44%-át ipari szennyvizekből állítják elő. Észak-Amerikában a telepített anaerob fermentáló rendszerek mindössze tizennégy százaléka ilyen üzem, ott többnyire a farmergazdaságokban működő kisméretű rendszerek dominálnak. Számos példa ismert arra vonatkozóan, hogy anaerob fermentort használnak igen sokféle szerves szennyeződés (rostos anyagok, ételmaradék, hús, tej) előkezelésére, ily módon a végső kezelés költségeit jelentősen csökkenteni lehet. Hazánkban elsőként a Hőtechnikai Kutató Intézet (HŐKI) 1950-ben kezdte meg kísérleteit és elméleti felkészülését a trágyahasznosítás anaerob formájára. Ezzel egy időben a Mélyépterv a nagyüzemi sertésállattartás szennyvizeinek anaerob erjesztéses kezelési kísérleteivel foglalkozott a szennyvíztisztításnál bevált iszapstabilizálási módszerrel. A HŐKI 1954-ben állította üzembe a Pécsi Állami Gazdaság Danicz-pusztai 872 m³-es félszáraz eljárással működő erjesztőberendezését, mely 3 évig kifogástalanul működött. 5

6 Biogáz összetétel Szerves biomasszából valóban nyerhető metán mennyisége nagyban függ a környezeti feltételektől. A végső biogáz hozam számos körülménytől függ, melyek közül említhetjük a felhasznált biomassza összetételét, lebonthatóságát, a fermentációban szerepet játszó mikroba populáció összetételét, a fermentációs hőmérsékletet. A fermenetáció során keletkező gáz jelentősen eltérő összetétellel rendelkezik, mint a természetes gáz, melyet a földgáz kutakból nyerünk. Ezen gáz számos szénhidrogén tartalmaz a metánon kívül, pl.: etán, propán, bután, így nagyobb kalorikus értékkel rendelkezik, mint a tiszta metán. Metán % Széndioxid % Oxigén 0 2 % Hidrogén 0 1 % Nitrogén 0-7 % Kénhidrogén 0-1 % Mely anyagokat lehet biogáz-termelésre használni? Biogáz minden a baktériumok által könnyen bontható szerves anyagból képződhet. A mezőgazdasági biogáz üzemekben többnyire a hígtrágyát és almos trágyát használják, mint alapanyagot (szubsztrátumot). A szarvasmarha hígtrágyája nagy pufferkapacitása miatt a biológiai folyamatokat optimális körülmények (ph) között tudja tartani. Ezért a németországi biogázüzemek több mint ⅔-a ezt a trágyaféleséget használja. Emellett más anyagokat is felhasználhatunk a biogáz-termelés növelésére. Így a mezőgazdaságból származó termékeket, mint például a kukoricát, gabonaféléket vagy a gyepet. Lehetőség nyílik az ugaroltatott területeken energianövények termesztésére, amit szintén a biogáz üzem tud hasznosítani. Az élelmiszeriparból származó melléktermékek is feldolgozásra kerülhetnek (pl. vágóhídi hulladék, zsírleválasztó maradék, törköly, cukorrépaszelet, stb.). A területgondozásból származó zöld vágási hulladék, a válogatott kommunális hulladékok szerves része, az éttermi hulladék és a szennyvíziszap (ld. 2. ábra ) is alkalmas biogáz-termelésre. Érdemes a tisztítószerek, fertőtlenítőszerek és egyes gyógyszerek (főleg antibiotikumok) biogáz üzembe történő kerülését megakadályozni, mert azok a lebontási folyamatokat zavarják. A túlzottan magas ammónium koncentrációt is meg kell előzni, mert az a metánképződést károsan befolyásolja. Ezért a baromfi és sertés trágyát csak hígítva szabad felhasználni. Ha a bejuttatott anyagok szárazanyag tartalma a 15-20%-ot meghaladja, szintén hígítani kell azokat, mert szivattyúzhatóságukat elveszítik. A hígtrágya mellett tehát a következő szerves anyagok dolgozhatók fel jó eredménnyel a biogáz üzemekben: gyümölcs és zöldség feldolgozási hulladékok (pl. krumpli héj, gyümölcslé gyártás maradéka, kukorica és egyéb keményítő tartalmú zöldség feldolgozás maradéka, szennyvize, stb.), vágóhídi és húsfeldolgozási hulladékok (pl. bendőtartalom, gyomortartalom, béltartalom, nyesedék, lejárt szavatossági idejű hústermékek, stb.), 6

7 konyhai és éttermi szerves hulladékok (pl. használt étolaj és zsír, leválasztott zsiradék, ételmaradékok, lejárt felhasználási idejű termékek stb.), nagybani piacok zöldséghulladéka, növénytermesztés hulladékai (pl. répalevél, krumpli zöld része, stb.), levágott fű, szilárd kommunális szerves hulladék, szennyvíziszap, erre a célra termesztett energianövények (pl. silókukorica, szudáni fű, csicsóka, stb.). A fontosabb biogáz alapanyagok (szubsztrátok) és a belőlük nyerhető biogáz, ill. metán mennyisége (Forrás: Hajdú, 2009) A táblázatból létszik, hogy a legfontosabb szubsztrát összetevők az állati hígtrágyák, a gáztermelésük azonban alacsony (30-70 m3/t), a belőlük keletkezett biogáz metántartalma (CH4) viszonylag magas %. Magas gázkihozatalt biztosítanak a növényi eredetű (kukorica, cukorcirok, teljes gabonanövény, cukorrépa) szubsztrát komponensek ( m3/t), a metántartalom pedig %. Ugyancsak magas gázképződés érhető el különböző élelmiszeripari törkölyökből és vágóhídi zsíros melléktermékekből ( m3/t), amelyeknek a metántartalma is kedvező %. 7

8 Felhasználás A metán a legegyszerűbb szénhidrogén, kiválóan felhasználható számos területen. Alkalmazható mindazon energiatermelő rendszerekben, melyek természetes gáz alkalmaznak. Azt a tényt azonban figyelembe kell vennünk, hogy a biogáz energia tartalma csekélyebb, valamint olyan összetevőket is tartalmaz, melyet a természetes gáz nem, így a legtöbb alkalommal a rendszer kisebb módosításra szorul. Ma leggyakrabban gázmotorban égetik el a biogázt, mely eredményeként elektromos áramot állítanak elő. A biogázt épületek, mezőgazdasági létesítmények (üvegházak) fűtésére is fel lehet használni, közvetlen elégetéssel. A biogázt szintén sikeresen alkalmazzák mint alternatív üzemanyagot személyautókban, teherautókban, buszokban egyaránt. A felhasználás előtt azonban meg kell tisztítani a benne található hidrogén-szulfidtól, szén-dioxidtól és a vízgőztől. Indiában és Kínában több tízezer családi biogáz termelő rendszer működik, a keletkezett gázt fűtésre és világításra használják. A nagyobb berendezésekben keletkező biogázt (elsősorban Európában, Amerikában és Japánban) kezdetben melegvíz előállítására kazánokban égették el. Az utóbbi években azonban már túlsúlyba került a kogenerációs (egyidejűleg elektromos áramot és hőt termelő) berendezésekben történő elégetés. A modern kogenerációs berendezések energiaátalakítási hatásfoka eléri a 85%-ot, ezen belül mintegy 40%-ban elektromos áramot, 60%-ban hőenergiát termelnek Lehetséges a biogáz betáplálása a földgázvezeték rendszerekbe is, ehhez azonban először meg kell tisztítani. A biogáz viszonylag kis mennyisége, a tisztítás és nyomásfokozás magas költségei következtében az ilyen felhasználás ritkán gazdaságos. Svédországban előnyben létesítik a biogáz motorhajtó anyagként történő felhasználását, ami megfelelő tisztítás után műszakilag megoldható, azonban ártámogatás nélkül ma még nem versenyképes. A biogáz felhasználásának ígéretes távlati lehetősége az üzemanyagcellák fűtőanyagaként várható. Bizonyos típusú üzemanyagcellák a széndioxidot is hasznosítani tudják, ezek nem igénylik a széndioxid eltávolítását. A világ számos országában folynak intenzív kutatások a biogáz üzemanyagcellában történő hasznosítása területén, ahol a gáz energiatartalmát kiváló hatásfokkal elektromos árammá alakítják. (Forrás: Dr. Szunyog István, 2010) 8

9 Környezet Az állattartó telepen számának növekedése világszerte környezetvédelmi problémákat vet fel, ily módon szükségessé válik olyan alkalmas technológiák bevezetése, melyekkel a marha, sertés és baromfitelepeken keletkező nagy mennyiségű trágya eltávolíthatóvá válik. A potenciális szennyező faktorok a szerves nitrogén, az ammónia, a metán, és ne feledkezzünk meg a patogénekről sem. Ezen anyagok egyaránt veszélyt jelentenek a felszínen, a talajvízben, a bomlás során keletkező ammónia káros vegyület, a szaghatás igen kellemetlen lehet. Szintén gondot jelent a metán légkörbe kerülése, mivel erősen üvegházhatást fokozó gáznak tekinthető. Mindezek figyelembevételével elmondhatjuk, hogy igen fontos ezen szennyeződések eltávolítása, lebontása, tehát az ezt lehetővé tevő technológiák vonzóvá válhatnak a jövőben. 9

10 2. A biogáz szerepe Környezetvédelem, szerves hulladékkezelés A biogáz-termelés környezetünkre, gazdaságunkra, valamint társadalmunkra is jelentős hatásokat gyakorol. Ezen tényezőket figyelembe véve különböző csoportosítások léteznek. A következőkben a csoportosítás a környezetvédelmi hatások, a szerves hulladék-kezelés, valamit a megújuló energiaforrás-kiváltás témakör szerint történik. Környezetvédelmi hatások A biogáz-termelésnek hatalmas előnye, hogy ez egy környezetbarát energianyerési forma, melynek végeredménye tiszta energia. Így ennek előállítása kevésbé terheli a környezetet, amellett, hogy széles felhasználási körrel rendelkezik. Sokkal kedvezőbb tulajdonságokkal rendelkezik (CO2 semleges, kevesebb ózonkárosító anyag, pozitív járulékos hatások), mint más fosszilis eredetű energiaforrás. A biogáz-termelés legfontosabb ökológiai előnyei a következők: Csökkenti az üvegházhatást okozó gázok (metán, nitrogénoxid, szén-dioxid) kibocsátását a levegőbe. A biogázból történő energiatermelés CO2 semleges, mert csak annyi szén-dioxid kerül vissza a levegőbe, amennyit korábban a növények életfolyamataik során szervezetük felépítéséhez megkötöttek belőle. A metán légkörbe történő kikerülése is megszűnik (pl. a trágya érése során). Fosszilis erőforrások hatékony kiváltó eszköze azzal, hogy a szerves anyagok lebomlása során keletkező fermentációs maradékok műtrágyát váltanak ki. Ezáltal pedig közvetetten csökken a szükséges műtrágyamennyiség, így a műtrágyagyártáshoz szükséges fosszilis energiahordozók használata is (egy kg nitrogén műtrágya előállításához 1 liter fűtőolajra van szükség). Segít a vidékfejlesztésben, mert általa növekszik a vidék gazdasági tevékenysége. A biogáz üzem és az energiacélú biomassza-termesztés bevételi forrásnövekedést eredményez, helyi munkaerőigényt generál a termeléshez, az előkészítéshez, sőt a tároláshoz és a szállításhoz kapcsolódva is. Ezáltal növelheti az adott térségben az ott lakók önértékelését, javíthatja a vidék attraktivitását, csökkentheti az elvándorlást, ösztönözheti új kisüzemek létrehozását. Javítja a mezőgazdaság összképét. Új feladatok megjelenésével, korszerű technológiákkal való szoros kapcsolattal a mezőgazdaság új megvilágításba kerülhet. Általa ez az ágazat az élelmiszertermelés mellett energiaszállító feladatokkal is bővülhet. Hatást gyakorol a tájra. Azon területeken, amelyeken energianövényt termesztenek, a parlagon hagyáshoz képest előnyösen változik a tájképi érték. Jelentős gazdasági impulzust adhat. Lokális energiaforrásként az energiaellátás biztonságát, az energiahatékonyság javítását szolgálja. 10

11 Szerves hulladék-kezelés A biogáz termelés szerepe a szerves hulladék-ártalmatlanítás területén Ma világszerte több tízezer 'háztáji' és több ezer ipari méretű szerves hulladék feldolgozó telep üzemel. Újrahasznosítható szerves hulladék az emberi tevékenység velejárójaként sok helyen keletkezik, kezelésük, eltakarításuk az emberi társadalomban fontos környezetvédelmi és közegészségügyi feladatként jelentkezik. Táplálékaink előállításakor ilyen hulladék keletkezik az állattartó telepeken óriási tömegben felhalmozódó trágya formájában, az élelmiszer feldolgozóiparban a vágóhídi és a növényi termékeket feldolgozó konzervgyárakban, az ipari és kommunális szennyvíztisztító telepeken és a szilárd kommunális hulladéklerakókban. Minden szerves hulladék, legyen az növényi vagy állati eredetű, veszélyes hulladék, elbomlásakor talajvíz és levegőszennyezés lép fel. Ezen kívül a szerves hulladékok szaporító helyei a betegséget terjesztő szúnyogoknak és legyeknek. Ezeknek a hulladékoknak az eltakarítása, ártalmatlanítása óriási erőfeszítéseket igényel világszerte és rengeteg költséggel jár. A nagy költségeket és energiát felemésztő fizikai megsemmisítés (égetés) mellett gyakorlatilag az egyedüli lehetőség a mikrobák segítségének, a biotechnológiai eljárásoknak az igénybe vétele. A mikrobákból álló konzorciumok tápanyag és energia forrásként használják az ember által 'hulladéknak' tekintett, valójában értékes és újrahasznosítható másodlagos szerves anyagot. A hasznosítás nélkül veszélyes hulladékként kezelendő anyagokból a mikrobiológiai közösségek megújuló energiát (biogáz, hő) és műtrágyát kiváltó, értékes biohumuszt állítanak elő, ellentétben az aerob rothasztással, mikor a fehérjék bomlásából keletkező kénhidrogén és ammónia a levegőbe távozik és büdös. A biogáz üzem azért az egyik leghatékonyabb környezetvédelmi beruházás, mert anaerob környezetben végzi el a rothasztást talajvíz és levegőszennyezés nélkül úgy, hogy a metántermelő baktériumok tüzelőanyagot állítanak elő. Az erjedés után visszamaradt hígtrágya a bomló anyagtól mentes, könnyen felvehető tápanyagként kerül vissza a talajba. Anaerob rothasztásnál a kénhidrogén az iszapban visszamarad, és oldott vasszulfidot képez. A metán baktériumok mérgező hatású antibiotikus hatással rendelkeznek és a biomasszában megtalálható gyommagokat, lárvákat elpusztítják. Megújuló erőforrások A földi élőlények kialakulásától, az emberiség fejlődése során az egyre nagyobb és magasabb szintű igények kielégítésére a technikai és technológiai fejlődés (különösen az utóbbi ötven évben) gyors ütemben, olyan utat tett meg, amelynek mérlegelése során rá kell döbbenni, hogy ezzel együtt az emberiség és a környezet pusztulását idéztük elő. A világ természeti erőforrásainak jelentős részét használja, formálja az emberiség az ipari termelés vagy az energiatermelés kapcsán. A megújuló energiaforrások a következőképp foglalhatóak rendszerbe: 11

12 (Forrás: biogas.hu) A megújuló energiaforrások főképp a biomassza energia - felhasználásának tekintetében Magyarországra vezető szerep vár. A mezőgazdasági terményekre, hulladékokra és kommunális melléktermékekre alapozott biogáz termeléssel, a főképp gabona és keményítő alapú benzint kiváltó bioetanol előállítással, és a leginkább repcetermesztésre alapozható biodízel gyártással kiváló lehetőség kínálkozik hazánk gazdasági pozíciójának erősítéséhez. Európa keleti régiójának éghajlata és mezőgazdasági potenciálja kiváló alapot ad a széles körű energiacélú biomassza termeléshez, egyúttal az ország folyamatosan egyre függetlenebbé válhat a nemzetközi fosszilis energiahordozó piactól. A környezetszennyezés, és az üvegházhatású gáz kibocsátása csökkenthető. Nem utolsó sorban pedig az energetikai célú termelés kitörési pont lehet hazánk mezőgazdaság és a vidék fejlesztésében. 12

13 Magyarország EU s vállalásai és teljesítései a megújuló energiák hasznosításában: (Forrás: biogas.hu) 13

14 3. Biogáz termelés technológiája, erőművek Legfontosabb részek, üzemeltetés A biogáz átlagos fűtőértéke 6 kwh/m³ (21,6 MJ/m³), 1 m³ biogáz 0,6 liter fűtőolajat képes helyettesíteni, az összetétele viszonylag állandó. A metánképződés időtartama a mezofil fázisban lassabban folyik le, mint termofil fázisban. Cellulóz alapú anyagok lebomlási ideje nagyon hosszú, nap, míg az állati eredetű anyagoké 8-20 nap. A gáztermelés is hasonló. A gyorsan lebomló arányos idő alatt nagyobb mennyiségű gázt termel. A biogáztermelésre többféle technológiai eljárás terjedt el a világban. Legelterjedtebbek a nedves fermentációs eljárások, ahol a szubsztrátok szárazanyag-tartalma 8-12 %, kevésbé elterjedtek a félszáraz (15-25 %) és a száraz (30-40 %) fermentációs technológiák. A szubsztrátumok áramlása alapján két nagy típusát különböztetjük meg az erőműveknek. 14

15 A folyamatos eljárás során a híg konzisztenciájú alapanyagot (hígtrágya, szennyvíziszap) folyamatosan vezetik az erjesztőtérbe, ahonnan egy túlfolyón keresztül azonos mennyiségű, de már kierjedt biotrágya távozik a rendszerből. Az előállított biogáz mennyisége állandó összetételű alapanyag esetén nem változik. Előnye az eljárásnak, hogy az alapanyag jól keverhető, könnyen üríthető, jól automatizálható. Hátránya, hogy kierjedt végtermék nehezebben kezelhető, nagyobb tárolóteret, ill. szeparálást igényel. A Batch-eljárás jellegzetessége az alapanyag egyszeri betáplálása az erjesztő tartályba. Elsősorban nagy szárazanyag-tartalmú alapanyagok (almos trágya, növényi maradványok) elgázosítására alkalmas. A biogáz reaktort feltöltése után lezárják és a fermentáció végén nyitják csak ki a kierjedt anyag kivétele és az újbóli feltöltés céljából. A biotrágya kitárolása után annak egy meghatározott részét, mint alapanyagot, illetve oltóanyagot a következő lebontási fázishoz megtartják. Az ebben az anyagban lévő baktériumkultúra adja az alapot a következő fermentációs ciklushoz az előzetesen összegyűjtött csurgaléklében található baktériumokkal együtt. Az eljárás előnye, hogy a nagy szárazanyag-tartalom miatt térfogategységre vetítve jóval nagyobb a biogáz-hozam és a szilárd konzisztenciájú biotrágya könnyebben felhasználható a hígtrágyánál. A fermentáció során a biogázreaktor tápanyaggal történő napi utánpótlása nem jelenik meg a feladatok között, ezért az üzem működtetésére fordítandó idő igen kevés. A betáplálás rövid időn belül megtörténik (kb. 5-6 óra 300 m3 anyag esetén), s ezután a teljes folyamatot számítógép irányítja. Ugyanakkor a biogáz-előállítás hatékonysága csökkenő, hiszen változik a fermentált végtermék összetétele is, ezért általában hosszabb érlelési idő szükséges a megfelelő gázkihozatalhoz, ami azonban az alapanyag jobb higienizálását is eredményezi (Bai, 2007). A rendszer hátránya, hogy a biogáztermelés nem folyamatos. A 28 napos ciklusok közötti minimum 3 napon nincs elektromos áram termelés, ami a gazdaságosságot befolyásolhatja. Az ingadozások kiküszöbölése végett egyszerre több fermentort is telepítenek, aminek köszönhetően a termelés kisebb kapacitással, de kvázi folyamatosan történik a friss anyagok betáplálása után is. A nedves biogáz-termelő eljárások lehetnek folyamatosak vagy szakaszosak, félszáraz és a száraz eljárások csak szakaszos technológiákkal valósíthatók meg. A gáztermelő fermentorok is többfélék lehetnek: a nedves esetében nagy átmérőjű tartályos, magasabb tornyos vagy csőfermentorok, a száraz eljárásnál kamrás vagy cellás megoldásúak. Alacsony fermentor 15

16 Tornyos fermentor A biogáz erőmű fontosabb részei Az előtárolóban a fermentorokba bekerülő hígtrágyát, szilárd szerves anyagokat keverik el egymással, itt megtörténhet az aprítás is. A biológiai folyamatok közül a hidrolízis itt már elkezdődik, melynek következtében a fermentorokban a biogázképződés folyamata felgyorsulhat. Ez a keverék a biogáz-reaktorba jut. Újabb rendszerekben a szubsztrátumokat közvetlenül a fermentorba juttatják be, s az egyes anyagok elegyítése itt történik meg. Ez a biogáz reaktor az erőmű egyik fő része. Készülhet betonból vagy fémből, lehet álló vagy fekvő típusú, téglatest vagy hengeres formájú. Meghatározó, hogy a bioreaktor jól tömített, víz és gázálló legyen. Egy keverő-berendezés segítségével a szubsztrátumok jól elegyíthetők, valamint a kiindulási anyagoktól függően nem képződik úszó- vagy ülepedő réteg. A fermentorban a folyadék felületén képződő úszó kéreg a biológiai folyamatok stabilitását veszélyezteti. Abban az esetben, ha sok szilárd anyag ülepszik le a fermentor aljára, azt onnan el kell távolítani. A fermentor fűtése gondoskodik a biológiai folyamatok megfelelő lefolyásához szükséges hőmérsékletről. A biogázképzésben résztvevő baktériumokat a számukra optimális hőmérséklettartományok alapján három csoportba osztjuk: a pszichrofil baktériumok kb. 25 C -ig működnek, a biogáztermelésük igen alacsony. A mezofil tartomány 32 és 42 C között helyezkedik el. Ebben a tartományban a baktériumok igen aktívak, képesek a nagyobb hőmérséklet-ingadozásokat is elviselni a gáztermelés csökkenése nélkül. A termofil tartományban, optimum C, a baktériumok gáztermelése nagyobb, mint a mezofilben, de az érzékenységük is a hőmérsékletváltozásra igen nagy. Az átlagos fermentorméret 100 számosállat esetén m 3 között alakul. 16

17 A kierjesztett anyagok az utótárolóba kerülnek. Abban az esetben, ha az utótároló fedett és fűtött, utóerjesztőről beszélünk. A még képződő biogáz felfogásra kerül, és az energiatermelés folyamatában vesz részt. Ennek előnye, hogy a még lebontható maradék szerves anyagok egy része hasznosításra kerül, hátránya, hogy a tároló fűtését meg kell oldani. Az utótároló méretét úgy kell kialakítani, hogy az a legalább 4 hónap alatt keletkező erjesztési maradék mennyiségét képes legyen befogadni (49/2001. Kormányrendelet). Biogáz üzem sematikus felépítése: ET Előtároló, EK Előkészítőtér, FT Folyadéktároló, KT Keverőtároló, MF Mezofil fermentor, TF Termofil fermentor, ÚT Utótároló, BF Blokkfűtőmű, Bi Biztonsági rendszer, GT Gáztároló, TR Transzformátor, V Vezérlő központ, VT Víztározó, D Depónia (szervesanyag) A reaktorokban képződött biogázt a termelés kiegyenlítetlensége miatt gáztárolóban ideiglenesen raktározzák. A gáztárolók a gázmotorok folyamatos gázellátását hivatottak biztosítani. Anyaguk gázt át nem eresztő fólia, amit zsákszerűen a fermentorok feletti tetőtérben vagy egy könnyűszerkezetes fémtoronyban helyeznek el, egyre több esetben a fermentorok légterét kettős fóliakupolával zárják le hermetikusan. 17

18 Mielőtt a gázt a motorokban elégetjük, a szennyező részecskéktől és anyagoktól meg kell azt tisztítanunk. A blokk fűtőerőművek jó állapotának megőrzése érdekében a gázból a kénhidrogént el kell távolítani. Ez a gáz a motorok korróziójához járul hozzá, a motorok alkalmazási ideje és hatásfoka a magas kénhidrogén tartalomtól nagymértékben romlik. A mezőgazdasági erőművekben gyakran alkalmazott technológia, hogy a fermentorok légterébe 3-5% levegőt juttatnak, aminek köszönhetően az ott élő baktériumok a kénhidrogént kénné alakítják, s a gáz megfelelő minőségű lesz a felhasználásra. A biogáz-reaktorokon kívül elhelyezett kéntelenítőkben is baktériumok segítségével történik a gázelőkészítés. Ezekkel a technológiákkal a kénhidrogén 95%-a is eltávolítható a biogázból. A biológiai folyamatok helyett még alkalmaznak gázmosásos és aktív szenes szűrési rendszereket is. A gáz nedvességtartalmának csökkentése érdekében a talajba lefektetett gázvezetékeken keresztül a gázt lehűtik, a víz kicsapódik belőle. A motorba juttatás előtt ismét felmelegítve megfelelően szárazzá válik a gáz és nem rongálja a motort. A biogáz termelési folyamat biztonsága érdekében bizonyos paraméterek mérése fontos a biogáz erőműben. Így a fermentorokban uralkodó hőmérséklet, ph, a képződött gáz mennyisége, metán és kénhidrogén tartalmának ismerete elengedhetetlenül fontos. Ezen értékek mérése elektromos eszközökkel folyamatosan és nagy pontossággal megoldható, kiértékelhető. További paraméterek mérése, mint például a felhasznált alapanyagok, a megtermelt elektromos áram pontos mennyisége és bizonyos laboratóriumi vizsgálatok rendszeres elvégzése, az előbbiekben felsorolt alapadatokon felül, a biztos termelés változását előre jelezhetik. A megtermelt, de fel nem használható és már nem is tárolható gáz elégetésére gázfáklya van felszerelve a biogáz erőművekre a környezet védelme érdekében. Az üzemek biztonsága miatt fontos, hogy a fermentortérbe juttatott levegő mennyisége ne legyen 10%-nál több, mert az robbanást okozhat. Egyéb alapvető biztonsági előírások betartása esetén a biogáz erőművek nem jelentenek a környezetükre veszélyt. A fermentorokban keveréssel meg lehet akadályozni, hogy felülúszó réteg, vagy alsó rétegződés alakuljon ki, amikor is a mikroorganizmusok a rothasztó alján koncentrálódnak és így a felsőbb rétegekben lévő szervesanyagok nem hozzáférhetőek számukra. Azonkívül a bomlás és anyagcseretermékek is feldúsulnak, amelyek gátolják a mikroorganizmusok életműködését. A felszíni szilárd kéreg kialakulása is rontja a reaktor működését, a zsírban gazdag réteg gátolja a rothasztó térben lévő iszap gázképződését és nem vesz részt a mikrobiális lebontásban, pedig pont a zsírszerű anyagokból képződik a legtöbb és a legnagyobb metántartalmú biogáz. A keverés típusa alapján három eljárást lehet megkülönböztetni mechanikus, hidraulikus és pneumatikus keverést. 18

19 (Kuhn, 1995) A biogáz üzem maradéka, amelyet általában biotrágyának neveznek homogén, patogénektől mentes, gyakorlatilag szagtalan szerves trágya, amelynek számos kedvező tulajdonsága van az eredeti trágyával szemben: - a szerves vegyületekben lekötött nitrogén egy része szervetlen vegyületekbe megy át, következésképpen a biotrágya a növények számára hatékonyabb tápanyag, - a szárazanyag tartalom csökkenése következtében a biotrágya folyékonyabb, egyenletesebb szerkezetű, gyorsabban felszívódik a talajban, így lényegesen csökken a szag- és savártalom, amely a hagyományos trágyázás velejárója, - a biotrágya felhasználása révén csökkenteni lehet a nitrogéntartalmú műtrágya kiszórást, ami jelentős költség megtakarítást jelent, - a biotrágya kiválóan alkalmazható biokertészeti termények termesztésére, - a biotrágya felhasználók védik a környezetet az energiaigényes és környezetszennyező műtrágyák kiváltásával 19

20 A maradékanyag hasznosításának számos módja van: - talajtrágyázás, - talaj-kiegészítés, - talajjavítás, - erózióvédelem, - zajvédelem. Az ipari biogáz üzemek mérete többféle paraméterrel is jellemezhető. A gyakorlatban legáltalánosabb a beépített elektromos teljesítmény megadása. Ebből a szempontból jellemző adat Németországból: a 2000-ben beindított biogáz üzemek átlagos mérete 70 kw, a 2002-ben átadott üzemeké 330 kw volt. A biogáz üzemek mérete jól érzékelhető a fermentorek térfogatának megadásával is m3 összes fermentor térfogat alatt kisebb méretű üzemről beszélünk, a 3000 m3-nél nagyobb össztérfogatú üzemek a nagy méretűek közé számítanak. A Bátorcoop nyírbátori biogáz üzeme Európa legnagyobb fermentor össsztérfogatával rendelkezik (9000 m3). A modern biogáz üzemek méretének alsó határát a biogázt elégető berendezések minimális mérete (10-15 kw elektromos teljesítmény) határozza meg. Ennek alapján az mondható, hogy GVE (szarvasmarha egység) alatti méretű gazdaságokban nem célszerű a trágya feldolgozására biogáz üzemet létesíteni akkor, ha nincs jelentős mennyiségű egyéb szerves hulladék. (Forrás: biogas.hu) 20