Horváth Dóra Schiller Ottília. Biogáz

Átírás

1 Horváth Dóra Schiller Ottília Biogáz

2 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés Biogáz jellemzői Biogáz előállítása A lebontás során keletkező anyagok A biogáz termelés jelentősége, szerepe, felhasználása A biogáz hátrányai és veszélyei A biogáz termelés helyzete Biogáz termelés Magyarországon

3 1. Bevezetés Napjaink legnagyobb problémái közé sorolható a környezetszennyezés, a túlzott energia felhasználás és a fenntarthatóság kérdése. A fenntarthatóság fogalmát az Egyesült Nemzetek Szervezete 1987-ben kiadott Brundtland-jelentésében a következőképpen fogalmazta meg olyan fejlődési folyamat, ami kielégíti a jelen szükségleteit, anélkül, hogy csökkentené a jövendő generációk képességét, hogy kielégítsék szükségleteiket. Látszólag a világpolitika más irányba tart, a laikusok általában csak az ellenkező oldalról hallhatnak, amely szerint kérdéses a fosszilis energiahordozók megmaradt mennyisége és, hogy ennek a mennyiségnek mekkora része bányászható ki gazdaságosan. Az élet természetes velejárója a temérdek hulladék keletkezése és ezek kezelése állandó problémát jelent a társadalomnak. A növekvő népesség igényeinek megfelelően egyre nagyobb mennyiségű élelmiszerre lenne szükség, amely a mezőgazdasági területek kiaknázása és túlzott műtrágya felhasználás, azaz talajszennyezés mellett valósítható csak meg. A közlekedés fejlődésének hátránya, a levegőszennyezés. A kipufogó gázokban található széndioxid elősegíti az üvegházhatás kialakulását, amelynek komoly következménye a globális felmelegedés. Ezen problémák mellett vajon megvalósítható-e a fenntarthatóság? Szerencsére nem csak a problémák fejlődnek, hanem a tudomány is. A felsorolt problémák egyik lehetséges megoldása az alternatív energiák használata. Ezek összhangban vannak a fenntartható fejlődés alapelveivel. Az alternatív energiákat megújuló energiáknak is szokták nevezni. A földgázzal, szénnel, kőolajjal és az uránnal ellentétben ezek az energiahordozók rövid időn belül újra termelődnek. Ebbe a csoportba sorolhatjuk a napenergiát, szélenergiát, vízenergiát, geotermikus energiát és a biomasszát. A biomasszán kívül a többi energiahordozó hasznosításához különböző természeti adottságok szükségesek pl.: a napenergiát befolyásolja a napsütéses órák száma, szélerőművek létesítéséhez szeles és sík területek szükségesek. Biomasszát ezzel ellentétben bárhol hasznosíthatunk, mivel minden szerves anyag alkalmas biomassza előállításra. Biomassza energetikai felhasználásai közül a legelterjedtebb a közvetlen elégetés, brikettálás, pirolízis, amelyből hőenergiát állítunk elő. Jelentős az agroüzemanyagok előállítása (biodízel, bioetanol), a komposztálás illetve a biogáz előállítás. 3

4 2. Biogáz (metángáz) jellemzői A 19. század eleje óta hasznosítunk biogázt, amely szerves anyagok anaerob erjedése során képződő légnemű anyag. Felhasználását tekintve sokoldalú, főként hő- és villamos energia előállítására alkalmazzák, de hajtóanyagként is felhasználható. Termelésére felhasználható a mezőgazdaságban, az élelmiszertermelésben és a kommunális szférában keletkezett szerves anyagok, hulladékok. Az előállított biogáz környezetre gyakorolt hatását tekintve kedvező, mivel felhasználásakor csak annyi széndioxidot juttat a környezetbe, mint amennyi az alapanyagában jelen volt. Ezen kívül a termelés során folyamatosan keletkező hulladékok kezelésének is megoldást jelent a biogázként történő hasznosítás. Természetes úton keletkező biogázt először valószínűleg az asszírok hasznosították fürdővíz melegítésére i.e. 10. század környékén, de jelen volt a perzsák életében is. A században tevékenykedő Van Helmont, Shirley, Faraday, Volta, Dalton munkássága lehetővé tette, hogy a következő század közepén 1856-ban Indiában, Mantungában létrejöjjön az első, mesterséges körülmények között előállított biogázt termelő üzem. (SCHULZ és EDER 2005.) Hazánkban azonban csak 1950 után kezdtek el komolyabban foglalkozni. (BAI 2002.) Mikrobák együttműködésével nyert biogáz beltartalmát tekintve 50-70% éghető metánból, 28-48% égésre képtelen szén- dioxidból és 1-2% egyéb gázból áll, amely főként kénhidrogént és nitrogént tartalmaz. A legmagasabb metántartalma a szennyvíziszapoknak van, 70% körüli, a mezőgazdasági hulladékoknak 60-65%-kal rendelkeznek, míg a szilárd települési hulladék csak 50% metánt tartalmaz. A biogáz fűtőértéke a földgázhoz képest jóval kisebb lesz, mivel a földgáz gyakorlatilag teljes égészében metánból áll. A biogáz metán tartalmát, azaz fűtőértékét növelhetjük sűrítéssel illetve szén- dioxidtól való megtisztítással, így akár a földgázzal egyenértékű biogázt hozhatunk létre. (BAI 2007.) 2.1.Biogáz előállítása A biogáz nyerés előfeltétele, hogy rendelkezésre álljon szerves anyag és metánbaktérium, egy levegőtől (oxigéntől) elzárt környezetben. Ilyen körülmények jelenléte mellett már végbe mehet a biogáz képződés, azonban ha intenzíven akarunk biogázt termelni, szükségünk van még állandó és kiegyenlített hőmérsékletre, folyamatos keverésre, a szerves anyag megfelelő mértékű aprítottságára illetve a metanogén és acidogén baktériumok 4

5 szimbiózisban tevékenykedő törzseinek megfelelő arányára. Ezen felsorolt feltételek mellett végbe menő biogáz képződést négy fő fázisra bonthatjuk (1. ábra). 1. ábra A biogáz képződés fázisai Az első fázis a hidrolízis. Ezen folyamat során a komplex makromolekulák monomerekre bomlanak. A kiindulási anyagok általában polimerek vagy ezek származékai, amelyeket az első szakaszban a fakultatív anaerob baktériumok lebontják a makromolekuláris szerves anyagokat egyszerűbb vegyületekre, oligo-, monomerekre mint pl.: egyszerű cukorra, zsírsavra vagy vízre. A második fázis a savas fázis, itt az oldható monomerek illékony zsírsavakká alakulnak át, azaz a savképző fakultatív és obligát anaerob baktériumok bontási folyamatai következtében rövid szénláncú szerves savak, alkoholok, hidrogén és szén- dioxid keletkezik. A folyamat során ammónia szabadul fel. A harmadik fázis az ecetsavképző fázis, ennek során az acetogén baktériumok az előző fázis anyagait ecetsavvá alakítja át, olyan módon, hogy az anyagcsere-végtermékeket a metanogén baktériumok számára alkalmas szubsztrátokká alakítja. Zsírsavak és egyéb szerves savak képződnek, amelyek közül az ecetsav a legfontosabb. 5

6 Az utolsó fázis során metanogén baktériumok hatására metán, szén-dioxid és víz képződik. Az első és második fázist összefoglalóan fermentatív erjesztésnek a harmadik és a negyedik fázist metános erjesztésnek szokták nevezni. Az alapján, hogy a fermentatív és a metános erjesztést külön lépésben valósítják meg, a folyamat lehet egy vagy két lépcsős. Az egy lépcsős erjesztés során az előbb meghatározott négy fázis egy rothasztó tartályban megy végbe, míg a kétlépcsős eljárásnál térben elkülönülnek a fázisok. A biogáz előállítás eljárásait 3 típusra oszthatjuk (2. ábra). Száraz, félszáraz és nedves eljárásra, amelyek közül az utóbbi a legelterjedtebb. Ezeket a típusokat az alapanyag szárazanyagtartalma alapján különböztetjük meg. Nedves eljárásnak nevezzük az 1-15% közötti, félszáraznak a 15-30% közötti és száraz eljárásnak a 30-35% közötti száraz- anyagtartalmat. 2. ábra Biogáz előállító eljárások csoportosítása Nedves eljárás Az eljárás alapanyaga általában hígtrágya vagy élelmiszeripari szerves anyag tartalmú folyadék. Halmazállapotából adódóan a mozgatása szivattyúkkal történik a fermentorba, itt folyamatos vagy szakaszos keverést kell biztosítani, mivel nélküle a folyadék leülepedne. A nedves eljáráson belül megkülönböztetünk folyamatos illetve szakaszos eljárást. A folyamatos eljárás során híg fázisú alapanyagot használunk fel, ezt folyamatosan vezetjük az erjesztőbe, ahonnét a bevezetett mennyiséggel megegyező mennyiségű, már 6

7 kierjedt biotrágya fog távozni. Ez az alapanyag konzisztenciájából adódóan jól keverhető és automatizálható, de nehezebben kezelhető illetve nagyobb tárolóteret és szeparálást igényel. A szakaszos eljárásnál ki-, majd betárolásról beszélhetünk. A nagy szárazanyag tartalmú alapanyagokkal feltöltik a rothasztó teret, majd lezárják és csak a fermentáció végén nyitják ki. A kierjedt anyagot kiveszik, majd újra feltöltik. Az így kapott biotrágya térfogategységre vetítve nagyobb biogáz hozammal rendelkezik, mint a hígtrágyából nyert biotrágya. Hátránya, hogy összetétele változó, így eltérő a biogáz előállítás hatékonysága, illetve hosszabb érlelési időt igényel. A leggyakrabban alkalmazott szakaszos eljárás a Batch eljárás. Ez három fázisra bontható: ürítés, adagolás és erjesztés. A folyamat során lassan indul meg a gáztermelődés, a teljes időtartam nap. A folyamat végén a tartályt ki kell üríteni, de a tartály alján hagyni kell egy kis kirothasztott anyagot, hogy az előző folyamatban résztvevő baktériumokkal beoltsuk a következő adagot. (BAI) Félszáraz eljárás Alapanyaga több szárazanyagot tartalmaz, ezért előre eltervezett összetételű anyagokat adagolunk a fermentorba. Általában a megfelelő konzisztencia beállításra mezőgazdasági melléktermékeket pl.: szalmát használunk fel. Száraz eljárás Ez utóbbiakat elsősorban az állattenyésztéssel nem foglalkozó gazdaságok részére fejlesztették ki. A száraz eljárásnál fontos megemlíteni, az úgy nevezett második generációs biogáz előállítási fejlesztéseket, melyeknél a nagy cellulóztartalmú melléktermékek kierjesztése hatékonyabban és gyorsabban megoldható, mert a cellulóz lebontását nagy nyomáson és magas hőmérsékleten, vagy enzimek segítségével végzik. Ezáltal a főtermék helyett a nagy mennyiségű melléktermék (szalma, kukoricaszár stb.) használható fel alapanyagként. 7

8 2.2. A lebontás során keletkező anyagok A bomlás során keletkező anyagok szántóföldi kijuttatása során biztosítja a talaj szerves anyag tartalmának utánpótlását. A visszamaradó anyag anaerob kezelés során a nitrogén tartalmát megőrzi, savassága csökken, 7-ről 8-ra emelkedik, foszfor és kálium tartalma a növények számára felvehetővé válik és hatására a gyommagok csírázása csökken. A hulladék elhelyezésénél kevésbé kell számolni közegészségügyi problémákkal, mivel az anaerob fermentáció során az emberre veszélyes patogén baktériumok jelentős része elpusztul. Környezetszennyezés szempontjából is kedvező, mivel a fermentáció során a környezetre káros anyagok koncentrációja csökken. 3. A biogáz termelés jelentősége, szerepe, felhasználása Összefoglalóan a biogáz technológiák jelentősége abban rejlik, hogy alkalmasak a biomassza hulladékok energiatermelésre, környezetbarát ártalmatlanítására és nyersanyagként történő tovább hasznosítására. Az üzem számára csökkenti az energiafüggést a szolgáltatókkal szemben és javítja az ellátást. A gazdaságok számára helyben felhasználható vagy értékesíthető tápanyagot biztosít a mezőgazdasági művelés alatt álló földeknek. A fenntarthatóság és a környezetszennyezés mérséklésére kialakított programok keretei közé jól beilleszthető a biogáz előállítás, mivel környezetvédelmi szempontból előnyös tulajdonságokkal rendelkezik. A biogáz csökkenti a légkörbe jutó üvegházhatású metán gáz mennyiségét. Nagy szerepe van Magyarország megújuló energia használatának biztosításában. Az Európai Unió a fosszilis energiahordozók és a környezet védelmének érdekében a tagországok számára kötelezővé tette a megújuló energiák felhasználásának és előállításának mértékének növelését. Magyarországnak, ennek érdekében 13%-os megújuló energia felhasználást kell produkálnia 2020-ig, amelyet a megújuló cselekvési terv keretein belül próbál elérni.(az EU célja, hogy 2020-ig a tagországok átlagban elérjék a 20%-os megújuló energia felhasználást.) A magyar célkitűzések, azonban nagyobbak, mint a vállalt arány. A cél az, hogy az 5 megújuló energiaforrás (biomassza, geotermikus energia, napsugárzás, szél, víz) az összes energiarészesedés, közel 15%-a legyen. A 1. táblázatban látható, hogy a növekedés nem történik olyan ütemben, mint ahogy a kitűzött célok elérésében szükséges lenne. Reálisan nézve, jobb megoldás az, ha az eredetileg vállalt mennyiség elérésére koncentrálnának. 8

9 1. táblázat Megújuló energiák felhasználása és az előállítás mértékének növelése Magyarország nemcsak a megújuló energiák mennyiségére, hanem összetételének változására vonatkozóan is rendelkezik célkitűzésekkel (3.-4. ábra). Magyarországon az Európai Unió tagállamaihoz hasonlóan legnagyobb arányt a biomassza és legkisebb arányt a napenergia képviseli. A különböző energiaforrások különböző energiaigény ellátására alkalmasak, ezért fontos miből mennyit állítunk elő. Biomasszából villamos energia rossz hatásfokkal termelhető, de hőtermelésre kiválóan alkalmazható, a geotermikus energiához hasonlóan. Víz és szél energiából, azonban kizárólag villamos energia előállítás folyik. geotermikus energia 8% biogáz 1% napenergia 0% vízenergia 1% közlekedés 11% szélenergia 5% hőszivattyú 0% biomassza 74% 3. ábra Megújuló energiaforrások aránya 2010-ben 9

10 hőszivattyú 5% közlekedés 18% szélenergia 5% biomassza 50% geotermikus energia 14% biogáz 4% napenergia 3% vízenergia 1% 4. ábra Megújuló energiaforrások tervezett aránya 2020-ra A szerves anyagok eredete, felhasználása és minősége alapján biogázt hasznosítunk szemétlerakókról, szennyvizekből, állati és növényi eredetű hulladékokból és energia növények maradványaiból. Felhasználásának négy fő irányvonalát határozhatjuk meg (3. táblázat). (SZÚNYOG 2010.) 2. táblázat Biogáz felhasználási lehetőségei biogáz kéntelenítés gázfeldolgozás átalakítás komprimálás kazán CHP üzemanyagcella tartályban tárolás szagosítás hő hő villamos hálózat hő villamos hálózat üzemanyag gáz hálózat 10

11 3.1. A biogáz hátrányai és veszélyei A biogáz egyik legnagyobb jelentősége abban rejlik, hogy a földgázt helyettesíteni tudja. Előnye a földgázzal szemben az, hogy a készletek nem végesek és könnyen rendelkezésre állíthatók. Sajnos a valóságban ez a helyettesítés nem ilyen egyszerű, mivel a különböző típusú alapanyagokból előállított biogáz, legjobb esetben is csak 70% metánt tartalmaz, míg a földgáz 100%-ban metánból áll. Az energia tartalmuk így kisebb. Összetételüket tekintve nem felelnek meg a közszolgáltatású földgázokénak, jelentős mennyiségű inert komponenst (N 2, CO 2 ) és egyéb nem kívánatos összetevőket (H 2 S, NH 3 ) is tartalmaznak. Tisztítással elvonhatjuk a káros komponenseket illetve a széndioxidot, így földgáz értékű biometánt kapunk. A tisztítatlan biogázok veszélyt jelenthetnek a gázvezetékekre, szerelvényekre és a tüzelőberendezésekre. Csökkenthetik az égéshőt, korróziót segítik, reakciókba léphetnek, csökkentheti a lángterjedési sebességét, káros emissziót okoznak, ezen kívül az eszközök kopását, eltömődését segítik. Ezen problémák elkerülése érdekében törvény szabályozza a biometán minőségét, amelyet a földgáz hálózatba kívánnak betáplálni. (SZÚNYOG 2010.) Az Európai Unió 2003/55EC számú irányelve ad keretet a földgáztól eltérő eredetű és összetételű gázok földgáz vezetékbe való betáplálásához. A biztonságos betáplálás körülményeinek rendszere még nincs EU szinten kidolgozva, így az országok önállóan szabályozzák a földgázhálózatra csatlakoztatni kívánt biometán minőségét. Uniós szinten az European Association for the Streamlining of Energy Exchange-gas (EASEE-gas) kidolgozott egy ajánlást a tisztított biogáz paramétereit illetően, amelyet azok az országok, ahol biometánt táplálnak a földgáz hálózatba tovább szigorítottak. A legfőbb paramétereket 4. táblázat mutatja be, amely országonként eltérő.(kapros, CSETE, SZÚNYOG) 3. táblázat A tisztított biometán minőségi jellemzői a különböző országokban Műszaki paraméter A CH D F NL S Fűtőérték MJ/m 3 38,5-46,1 38,5-47,2 30,2-47,2 38,5-46,1 31,6-38,7 39,6-43,2 Wobbe szám MJ/m 3 47,9-56,5 47,9-56,5 46,1-56,5 38,5-46,1 43,5-44,4 45,4-48,6 Metán tf% >96 >96 >97 Hidrogén tf% ,5 Szénmonoxid tf% 2 1 Kén mg/m Víz mg/m 3 <32 Sziloxán mg/m 3 <

12 3.2. A biogáz termelés helyzete Biomassza előállítható agrártevékenységből származó hulladékokból, melléktermékekből, de termelnek mezőgazdasági területeken növényeket, kizárólag biomassza előállítás céljából. Ez a tény szerte a világon vitatott kérdés, hogy szabad-e élelmiszer előállítás helyett energiát termelni a termőföldeken. (A FAO szerint 2012-ben 868 millió ember volt alultáplált.) Biogáz termelés Magyarországon Magyarországon 2010-ben 38 biogáz üzem működött, amelyek közül, 17 mezőgazdasági, állattartási és élelmiszeripari üzemekre, 13 szennyvíztisztítóra és 8 kommunális szemétlerakó telepre épült biogáz üzem működött. (KAPCSÁNDI 2011.) Az üzemek teljesítménye 20MW körüli. Ez a szám lehetne jóval nagyobb is, ha kihasználnánk a lehetőségeket illetve rendelkezésünkre állna a megfelelő kezdőtőke és támogatás. Általában külföldi technológia segítségével végzik a termelést. Jelenleg nincsenek nagy beruházások, az alapanyagot, azaz a biomasszát külföldre exportáljuk. A befektetők tartózkodnak, mivel rendkívül bonyolult az engedélyezési eljárás. (Harminc pecsét kell az engedélyezéshez). Nincsenek ezen a területen olyan támogatások, amelyek ösztönzően hatnának a vállalkozni vágyókra, illetve jelenleg kevés ember rendelkezik a megfelelő szaktudással ezen a területen. A megtermelt biogáz hasznosítása és felhasználása korlátozott. A villamos hálózathoz való kapcsolódás miatt teljesen kiszolgáltatott helyzetbe kerülnek a biogáz üzemek. A gázhálózathoz való kapcsolódás még nincs kidolgozva, így nem használunk hazánkban biogázból előállított biometánt földgáz helyett. Biogáz előállítás során keletkező fermentlé és fermentációs maradék kezelését a nem mezőgazdasági eredetű, nem veszélyes hulladék termőföldön történő felhasználása évi CXXIX. Tv. 49. f. bekezdés és az engedély köteles szerves trágya, komposzt, talajjavító anyag FVM 36/2006. (V. 18.) törvénykönyv és engedély szabályozza. (KOVÁCS) Magyarország legnagyobb biogáz üzeme Nyírbátorban található (5. ábra). A Biogáz üzem méreteit, technológiáját tekintve világszínvonalú, és egyedi a maga nemében. (PETIS 2007, 2008). 12

13 5. ábra A nyírbátori biogáz üzem Az üzem csővezetékekkel kapcsolódik egy szarvasmarha- és egy baromfi telephez. A telep a hígtrágya és vágóhídi szennyvíz feldolgozása mellett alkalmas a növényi és állati eredetű alapanyagok befogására. Higiéniai és környezetvédelmi szempontból problémát jelent a kockázatosnak ítélt állati hulladékok, tetemek elhelyezése, azonban a modern technológiának köszönhetően itt könnyen ártalmatlanítható. 13

14 Irodalomjegyzék - BAI A. (2007), A Biogáz -KACZ K.- NEMÉNYI M. (1999), Megújuló energiaforrás Internetes források ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ooperationsboersen/ _ee2012/praesentation_mbe.pdf ( ) ( ) tml ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 14