Szennyvíztisztításkor keletkező gázok hasznosítása tüzelőanyag-cellákban

Átírás

1 HULLADÉKOK ENERGETIKAI ÉS BIOLÓGIAI HASZNOSÍTÁSA 8.1 Szennyvíztisztításkor keletkező gázok hasznosítása tüzelőanyag-cellákban Tárgyszavak: szennyvíztisztítás; takarékosság; metánhasznosítás; átalakítás; tüzelőanyag-cella; ipari alkalmazás. A korszerű szennyvíztisztítók energetikai problémái A privatizáció fokozódása miatt a szennyvízkezelők működtetésének gazdasági hatékonysága egyre fontosabb kérdés. Mivel a személyzetet a legtöbb helyen a szükséges minimumra csökkentették, a legtöbbet az felhasználás csökkentésével lehet nyerni. Az energetikai piac liberalizációja ugyan valamelyest csökkentette az árakat, a politikai akarat hosszú távon ennek ellene dolgozik, hiszen a korlátozott mértékben rendelkezésre álló energiával takarékoskodni kell, és ezt legjobban az árak növelésével lehet elérni. Az ökoadók bevezetésével a kormány ösztönözni kívánja a takarékos felhasználást és büntetni a pazarlást. A gazdasági szempontok mellett természetesen a környezetvédelmiek is döntőek. Itt a rendszerszemlélet a legfontosabb: környezetkímélő melléktermék-felhasználással próbáljuk meg csökkenteni a szennyvízkezeléssel okozott károkat. A környezeti károk egyenlegének kiszámítására nincs ugyan mindenki által elfogadott módszer, de az felhasználást mindenképpen a hátrányok között számolják el. Ezért a nyersanyagokkal lehetőleg takarékosan és környezetkímélő módon kell bánni. Ez utóbbinak része, hogy lehetőleg minél kisebb legyen a széndioxid-kibocsátás. A Kiotói Egyezményben az ipari országok arra vállalkoztak, hogy felére csökkentik szén-dioxid-kibocsátásukat. Másik oldalról viszont a villamos atomenergiából történő megtermelését, ami ugyancsak csökkentené a szén-dioxid-kibocsátást, egyre kritikusabban kezelik. A megoldást az jelentené, ha a tüzelőanyagokat egyre inkább megújuló forrásokból fedeznék. A jövőben bizonyára nőni fog a kisebb szén-dioxid-kibocsátású termelési technológiák jelentősége. Tekintettel a fönti, ellenmondásos követelményekre, a tüzelőanyag-cellás termelés mindenképpen figyelemre méltó, mert az alábbi előnyökkel rendelkezik:

2 nagy kihasználás, vagyis viszonylag kis tüzelőanyag-igény, csekély szén-dioxid-kibocsátás (hidrogén tüzelőanyag esetében nulla), lehetőség nyílik az energetikai önellátásra (a víztisztító művek a saját területükön keletkező gázokat alakíthatnák energiává). A szennyvízkezeléskor keletkező gázok jelenlegi hasznosítási lehetőségei A szennyvíztisztításkor keletkező iszapot általában (az esetek mintegy 85%-ában) anaerob módszerekkel stabilizálják, aminek során főként metángáz képződik. Az így keletkezett gázt a technika jelenlegi állása szerint az alábbi módokon hasznosítják: elégetés hőkinyerő üstökben (a cél a hőfejlesztés), elégetés csatolt villamos- és hőhasznosító rendszerekben, földgázzal azonos minőségű gáz kinyerése. A termikus hasznosítás esetében a gázt elégetik, és ezt a hőt részben az iszap felmelegítésére, részben más termikus célokra hasznosítják. Ezt a módszert főként kisebb szennyvíztisztítókban használják, ahol a keletkezett gáz mennyisége nem elegendő a gazdaságos villamos energetikai célú hasznosításhoz. A legelterjedtebb hasznosítási módszer a vegyes termikus és villamos energetikai célú hasznosítás. Itt egy gázmotorral generátort forgatnak, és villamos energiát termelnek. A motor hőjét és az égésgázok hőjét az iszap előmelegítésére hasznosítják. Egy további hasznosítási lehetőség az, hogy az eredetileg elég sok szén-dioxidot és kéntartalmú gázokat tartalmazó, mindöszsze 65% metántartalmú gázt földgáz minőségűre javítják, azaz a metántartalmat 95% fölé növelik. Az első két esetben a nyers véggázokat hasznosítják, a harmadik esetben viszont a feljavított gázt adják el a helyi hálózatnak. Az utóbbi esetben a víztisztításhoz és a gázfeldolgozáshoz szükséges energiát nem helyben termelik meg, hanem az ellátó rendszerből vásárolják. Az átalakítás módszerei A tüzelőanyagokban rejlő kémiai hasznosításának több lehetséges módja is van. Lehetséges a gőzgépben, robbanómotorban vagy turbinában történő hasznosítás. Az átalakítás itt több lépcsőben történik: a tüzelőanyagban levő vegyi energiát, amelyet az égéshővel lehet mennyiségileg jellemezni, égetéssel hőenergiává alakítják, majd ezt a hőenergiát hőerőgépek segítségével mechanikai energiává alakítják. Az utolsó lépés a mechanikai villamos energiává való átalakítása. A tüzelőanyag-cellákban (amelyek működését a későbbiekben részletesen bemutatjuk) a kémiai energiát közvetlenül villamos energiává alakítják (1. ábra). Ezt az eljárást néha hideg égetésnek is nevezik. A módszer legnagyobb előnye az, hogy a hőener-

3 gia mechanikai energiává történő (rossz hatásfokú) átalakítását el lehet kerülni. A hő mechanikai munkává való átalakításának hatásfokát ugyanis a termodinamika második főtétele (Carnot-ciklus) jócskán 100% alá korlátozza. Az ún. magasabb rendű formák (a mechanikai, villamos vagy vegyi ) egymásba jobb hatásfokkal alakíthatók, mint ha előbb hőenergiává alakítanánk őket. A cél az, hogy a vegyi energiát minél nagyobb hatásfokkal mechanikai vagy villamos energiává alakítsuk. A vegyes villamos energetikai és termikus hasznosítás esetén a hatásfok 45% körüli, ami megközelíti az elméleti maximumot. Ha a hőkinyerés hatásfokát is beleszámítjuk, a teljes hatásfok 80% körüli. Ha tüzelőanyag-cellát használunk, hasonló hatásfokkal alakíthatjuk a vegyi energiát közvetlenül villamos energiává. hagyományos átalakítás vegyi hő mechanikai villamos vegyi tüzelőanyag-cella villamos 1. ábra A hagyományos átalakítási módszer összehasonlítása a tüzelőanyag-cellában történő kinyeréssel A szennyvíztisztító művek igénye A szennyvíztisztító művek igénye függ az alkalmazott technológiától, de számos helyi körülménytől is (földrajzi elhelyezkedés, infrastruktúra, csatornahálózat, tisztított víz mennyisége stb.), ezért jelentős eltérések adódhatnak az irodalmi adatoktól. A szennyvíztisztításban elsősorban villamos- és hőenergiára van szükség. Villamos energiára van szüksége a gépeknek (szivattyúk, kompresszorok, levegőztetők), valamint a mérő szabályzó vezérlő berendezéseknek. A hőre az iszap felmelegítéséhez, meg természetesen az épületek fűtéséhez van szükség. A villamos-szükséglet az év folyamán többé-kevésbé állandó, míg a hőszükséglet természetesen évszakok szerint hullámzást mutat. Az irodalmi adatok szerint az átlagos villamos teljesítmény igény 25 kw/(lakos nap), a termikus teljesítményigény nyáron 22, télen 25 kw/(lakos nap). Nyáron tehát a villamos-igény nagyobb, télen a kettő kb. megegyezik. Ezért általában a vegyes hasznosítású, hő- és villamos energiát is termelő rendszerek telepítését szorgalmazzák.

4 A tüzelőanyag-cella működési elve A tüzelőanyag-cella a vegyi energiát közvetlenül villamossággá alakítja anélkül, hogy előbb hővé és mechanikai energiává alakítaná. Összesen ötféle tüzelőanyag-cella fejlesztése folyik, amelyek eltérő fejlettségi stádiumban vannak. Az üzemi hőmérséklet alapján a tüzelőanyag-cellákat három csoportba lehet sorolni: alacsony hőmérsékletű tüzelőanyag-cellák ( o C), közepes hőmérsékletű tüzelőanyag-cellák (200 o C), magas hőmérsékletű tüzelőanyag-cellák ( o C). A különböző hőmérsékleten működő tüzelőanyag-cellák működési elve bizonyos mértékig eltérő, de vannak közös vonásaik. A tüzelőanyag-cellák két porózus, a reakciótermékek ill. a reagensek számára átjárható, katalitikusan aktív elektródot tartalmaznak, amelyeket egy elektrolit köt össze. Az anódhoz (a tüzelőanyag oldali elektródhoz) kívülről folyamatosan oxidálható gázt (általában hidrogént vagy egy hidrogénben gazdag gázelegyet) vezetnek. A katódhoz (a levegő oldali elektródhoz) oxigént vagy levegőt vezetnek. A kémiai reakció során a villamos mellett hasznosítható hő is képződik, amelynek mértéke a működési hőmérséklettől is függ. kibocsátás, mg/m ,7 6,7 7,6 NOx CO CxHy határértékek vegyes ciklusú generátor tüzelőanyag-cella 2. ábra Egy tüzelőanyag-cella és egy vegyes ciklusú hőt és villamos áramot termelő generátor közepes gázkibocsátása a törvény szerinti határértékekkel összehasonlítva A 2. ábrán egy foszforsavas (PAFC) tüzelőanyag-cella működési elve látható, amelyik a közepes hőmérsékletű tüzelőanyag-cellák közé tartozik. A ve-

5 gyes hasznosítású célokra ezt a tüzelőanyagcella-típust fejlesztették ki legjobban, szinte már piacérett termékről van szó. Az anódon egy H 2 molekuláról két elektront szakítanak le, és az így keletkezett protonok az elektrolitban átvándorolnak a katódhoz. Az elektronok a vezetékekben áramlanak, ezt villamos áramként hasznosítjuk. A katódon minden oxigénatom két elektront és két protont vesz fel, és vízmolekulává alakul. A tüzelőanyag-cella egyetlen égésterméke a víz, de a hidrogén előállításakor (ami történhet pl. földgázreformálással) szén-dioxid is képződik. (További információ található német és angol nyelven az egyéb tüzelőanyag-cellákról is a honlapon). A szennyvíztisztítókból származó gáz hasznosítása A szennyvíztisztítókban keletkezett gáz átlagos összetétele a következő: 65% metán (CH 4 ), 34% szén-dioxid (CO 2 ) és 1% kén-hidrogén (H 2 S). Néha nyomokban egyéb gázok is előfordulnak, pl. halogénezett vagy fluorozott szénhidrogének. A helyi adottságok miatt egyes helyeken ettől lényegesen eltérő összetétel is adódhat, de a legnagyobb problémát a kén-hidrogén jelenti, ugyanis ez a reformálásnál használt platinával szemben katalizátorméregként viselkedik. Hasonlóan a gázmotorokban használt tüzelőanyagokhoz, itt is gondoskodni kell arról, hogy a kéntartalom 0,2 ppm alá csökkenjen. Az egyéb szennyezőket, pl. a fluorozott szénhidrogéneket, fenolokat, benzolt stb. ugyancsak gondosan el kell távolítani. Szerencsére az ehhez szükséges technológia rendelkezésre áll, mert a gázmotoroknál hasonló előkészítésre van szükség. Ennek ellenére azt kell mondani, hogy műszakilag ugyan lehetséges a gáz előtisztítása, de a gazdaságosság nem mindig kielégítő. Mivel a tüzelőanyag-cellák alapvető tüzelőanyaga, a hidrogén nem áll rendelkezésre a Földön, ezért azt más anyagokból kell előállítani. A földgáz reformálása jelenleg a standard megoldás a tüzelőanyag-cellák üzemanyagának előállítására, de egyes esetekben fel lehet használni pl. a szennyvíztisztításnál keletkező gázokat is, amelyek metántartalma alacsonyabb a földgázénál. A reformálás endoterm reakció, amit figyelembe kell venni a hatékonyság számításánál. A jelenlegi tüzelőanyag-cellák villamos áramra nézve 40% körüli hatásfokot érnek el, de mivel nagyon fiatal tudományágról van szó, nagy továbbfejlesztési tartalékok vannak szemben pl. a belsőégésű motorokkal, ahol közel járunk az elméleti hatásfok maximumához. A gyártók szerint a jövőben 50%-nál nagyobb villamos hatásfokot mutató tüzelőanyag-cellák is előállíthatók lesznek. A magas hőmérsékletű tüzelőanyag-cellák esetében, ha turbinákat is alkalmaznak a melléktermékként keletkező hő hasznosítására, a 70%-os összhatásfok is elképzelhető. A tüzelőanyag-cellák előnye a kisebb gázkibocsátás és a kisebb üvegházhatás. A tüzelőanyag-cellák gázkibocsátását egy vegyes ciklusú, hőt és villamos áramot termelő generátorral és a jelenleg hivatalos határértékkel összehasonlítva a 2. ábra mutatja.

6 A tüzelőanyag-cellák alkalmazási lehetőségei A tüzelőanyag-cellák fejlesztése minden területen igen intenzíven folyik, ezért a legtöbb gyártó nem szívesen ad ki információt legújabb termékeiről és megoldásairól. A főbb alkalmazási területek a tüzelőanyag-cella működési hőmérsékletétől függenek. Az alacsony hőmérsékleten működő polimer elektrolit tüzelőanyag-cellák (PEFC) rugalmas működésűek és elég nagy az sűrűségük, ezért viszonylag kis eszközök készíthetők belőlük akár mobil alkalmazásra is. Éppen ezért az autóipar erősen érdeklődik ez iránt a típus iránt. A kereskedelmi bevezetéshez és sorozatgyártáshoz még sok problémát kell megoldani, köztük a gépkocsik hidrogénnel való ellátásának biztonsági problémáit. Az autóiparra azonban igen nagy nyomás nehezedik, hogy minél kisebb károsanyag-kibocsátású járműveket állítsanak elő, ezért várható, hogy a tüzelőanyag-cellás kocsik hamarosan megjelennek a piacon. Az alacsony hőmérsékletű tüzelőanyag-cellák a 100 kw-nál kisebb villamos teljesítményű berendezések esetében jönnek számításba alternatív forrásként. Az ilyen aggregátokat gazdaságosan lehet sorozatban gyártani, a fejlesztés meg nem oldott kérdései inkább arra irányulnak, hogy a tüzelőanyag tiszta hidrogén legyen-e, vagy esetleg reformált metanol a földgáz helyett. Ennél az alkalmazásnál a rendszer dinamikus tulajdonságai fontosak, de pl. a hosszú élettartam kevésbé jelentős, mint a letelepített termelő egységek esetében. Az alacsony működési hőmérséklet és a reformálási lépés miatt azonban arra nem lehet számítani, hogy a PEFC tüzelőanyag-cellák villamos hatásfoka elérné a PAFC típusúakét. A szennyvíztisztítók esetében a viszonylag kismértékű hőtermelés nem teszi kedvezővé a polimerelektrolitos rendszert. Mint már említettük, a legjobban kifejlesztett típus a közepes hőmérsékletű foszforsavas tüzelőanyag-cella. Ezen belül az amerikai ONSI cég teljesítménye figyelemre méltó, hiszen 1998-ig már 144 db PC-25 típusú, villamos áramot és hőt egyaránt termelő berendezést adtak el. Az évek során a földgázzal működő berendezés mellett kifejlesztették a biogázzal működő variánst is. A közepes hőmérsékletű tüzelőanyag-cellák tehát már versenyben vannak az egyéb, hőt és villamosságot szolgáltató, hagyományos generátorokkal. Ezen az alkalmazási területen a szennyvíztisztítók komoly piaci szegmenset képviselnek. Villamos hatásfokuk összevethető a hagyományos berendezésekével, és működési hőmérsékletük is megfelel a szennyvíztisztítók igényeinek. A magas hőmérsékletű tüzelőanyag-cellák területén még sok fejlesztésre van szükség. Viszonylag kevés üzemi kísérletekre alkalmas berendezést építettek fel, ezért a kereskedelmi bevezetés még távolinak tűnik. A magas működési hőmérséklet miatt rendkívüli igények merülnek fel a szerkezeti anyagokkal szemben. A nagyléptékű, telepített termelés területén viszont úgy tűnik, hogy a tüzelőanyag-celláknak vannak a legnagyobb lehetőségei. Feltehető, hogy az ilyen berendezéseket közvetlenül is táplálni lehetne a

7 szennyvíztisztítókban keletkező biogázzal, természetesen csak a kéntartalmú szennyezések eltávolítása után. A lehetőségek áttekintése Az eddigiek alapján elmondható, hogy a szennyvíztisztítók és a tüzelőanyag-cellás, vegyes üzemű termelő berendezések szimbiózisára jó lehetőség kínálkozik. Mindkettőnek szüksége van a másikra, mindkét esetben rendelkezésre állnak a környezeti szempontból fejlett és gazdaságosan megvalósítható műszaki megoldások. Az együttes alkalmazás műszaki és gazdasági szempontból is jó elképzelésnek látszik, és egy lépést jelentene a felelősségteljes környezetgazdálkodás irányába. A szennyvíztisztítók ellátása jó lehetőséget jelentene a tüzelőanyagcella-gyártók számára, hogy megjelenjenek a piacon és jó referenciákat szerezzenek. A hagyományos berendezésekkel szembeni versenyben a tüzelőanyag-cellák előnye (ez domináns pozíciót jelenthet a számukra), hogy a szennyvíztisztítók esetében az igény legalább fele villamos formájában jelentkezik. Természetesen nem tekinthetünk el a még fennálló nehézségektől sem. Maguknak a celláknak az élettartama még nem kielégítő, és sok a beruházási és működtetési költség is. E problémák megoldásán gőzerővel dolgoznak, úgyhogy várhatóan rövid vagy középtávon rendelkezésre fognak állni a megfelelő gazdaságosságú berendezések. Mivel a szennyvíztisztító ipar bejelentette érdeklődését a tüzelőanyagcellák iránt, várhatóan részt fognak venni a fejlesztésben, és ennek ellentételezéseként valószínűleg jobb vételi pozíciót tudnak kiharcolni maguknak a tényleges piaci bevezetés idejére. (Bánhegyiné Dr. Tóth Ágnes) Schoppe, I.; Wendler, D.; Linneman, C. stb.: Die Brennstoffzelle-Option zur nachhaltigen Erzeugung von Wärme und Strom auf Kläranlagen. = KA-Wasserwirtschaft, Abwasser, Abfall, 49 k. 4. sz p Midilli, A.; Dogru, M. stb.: Hydrogen production from sewage sludge via a fixed bed gasifier product gas. = International Journal of Hydrogen Energy, 27. k. 10. sz p