TARTALOMJEGYZÉK. Bevezetés... 4 Az anaerob biodegradáció rövid története... 4 A környezet és az anaerob biodegradáció... 5

Átírás

1 TARTALOMJEGYZÉK Bevezetés... 4 Az anaerob biodegradáció rövid története... 4 A környezet és az anaerob biodegradáció A biogáz-technológia célja, fontosabb jellemzői A biogáz termelés alapanyagai... 9 Mezőgazdasági termékek, termesztett biomasszák... 9 Másodlagos biomasszák Tercier biomasszák A biogáztermelést gátló anyagok Győr-Moson-Sopron megye mezőgazdasági termelésének főbb mutatói A biogáz termelés kémiai és mikrobiológiai alapjai A biogáz-előállítás kémiai alapjai A biogáz-előállítás mikrobiológiai alapjai A biogáz-előállítást befolyásoló külső tényezők Tápanyagellátás Kémhatás Szárazanyagtartalom Hőmérséklet A biogáztermelés technológiai és technikai kérdései A biogáz előállításának legelterjedtebb módszerei Az alapanyag előkészítés Tárolás, takarás A nyersanyag előkészítése A biogáz üzem létesítése és üzemeltetése Biogáz berendezés felállításának feltételei Biogáz berendezés felépítése Fogadótér Aprítóberendezés Keverő és elő-tartály (csőfermentáló esetén) Átemelő szivattyúk Fermentálók Tartályos fermentáló Csőfermentáló Utófermentáló Keverő berendezés Átemelő szivattyúk Biogáz tárolása Épület a gázmotorok, kazán, elektromos elosztók, stb. részére Nyersanyagtároló Daraboló (mezőgazdasági hulladék részére) Daraboló (veszélyes hulladékok részére) Előtároló-keverő, érlelő (hígtrágya és mezőgazdasági hulladék részére) Előtároló-keverő, érlelő (állati hulladék részére) Hőcserélő (hígtrágya és mezőgazdasági hulladék részére) Hőcserélő (veszélyes hulladékok felfűtésére) Autokláv (veszélyes hulladékok felfőzésére) Hőkezelő tartály (veszélyes hulladékok higienizálására)

2 Hőcserélő (felfőzött veszélyes hulladékok lehűtésére) Tartályos fermentáló Csőfermentor részletes bemutatása Utófermentor Végtároló Víztisztító Gázérékelők Fáklyázó berendezés Kéntelenítés Kazán Elektromos kapcsolószekrények Transzformátor Gázmotor Kazán Elektromos kapcsolószekrények Transzformátor A fermentor üzemeltetése Laboratórium által végzendő vizsgálatok A biogáztelepen végzendő karbantartási tevékenységek A kezelők által végzendő ellenőrzések Rendkívüli műveletek, TMK vizsgálatok A biogáz hasznosítása A biogáz energetikai jellemzői A biogáz-hasznosítás lehetőségei A biogáz előkészítése hasznosításhoz Széndioxid-leválasztás Kénmentesítés Biogáz termikus hasznosítása Főzés-sütés Melegvíz-szolgáltatás biogázzal Lakások fűtése biogázzal Istállók fűtése Hűtés biogázzal Terményszárítás biogázzal Növényház, üvegház, fóliasátor fűtése biogázzal A biogáz az élelmiszer feldolgozásban A biogáz átalakítása földgáz-minőségűre Biogáz, mint hajtóanyag Belsőégésű motorok üzemeltetése biogázzal (benzin-diesel motorok) A mezőgazdasági gépek és gépkocsik üzemeltetése biogázzal Elektromos áram termelése biogázzal Kisteljesítményű biogáz-üzemű gázturbina blokkok A biogáz-telepek járulékos technológiái A biogáz üzemek ökonómiája A beruházás költségösszetevői Bevételek-kiadások elemzése: Bevételek: Elektromos áram: Hőenergia: Biogáz értékesítés: CO 2 redukció (metán egyenértékkel): Bevétel nyersanyagból:

3 Kiadások: Nyersanyag költség: Üzemanyag költség: Fajlagos termékárak Biogáz kazánokban történő felhasználása: Biogáz motorok: Biogáz földgáz rendszerbe történő betáplálása: A biogáz üzemek ellátásának logisztikai kérdései Az alapanyag beszállítás logisztikája környezetvédelmi vonatkozásai A végtermék kijuttatásának logisztikája környezetvédelmi vonatkozásai Biztonságtechnika Biogáz telepek létesítésének és működésének szabályzása Németországban Gázcsatlakozó vezetékek és fogyasztói berendezések műszaki-biztonsági szabályai itthon.. 79 Alkalmazási terület Általános követelmények A gázvezeték és szerelvények kialakítása, elhelyezése Villamos berendezések A készüléktelepítés műszaki-biztonsági előírásai Az égéstermék elvezetésével kapcsolatban ki kell emelni: Üzembe helyezés, üzemeltetéssel kapcsolatban kiemelendő: A gázfogyasztó készülékek és szerelvényeik Építészeti biztonságtechnikai előírások A tervezés jogi háttere A biogáz előállító üzem létesítményeivel kapcsolatos fontosabb építészeti előírások A biogáz-üzem tűzvédelme, biztonsági felszerelései A keletkező melléktermékek hasznosítási lehetőségei Biotrágya (kierjesztett hígtrágya) Komposzt Présvíz A biogáz fenéktermék hasznosítása az ökológiai gazdálkodásban Jogi háttér Hazai jogszabályi környezet A szennyvizek és a szennyvíziszap mezőgazdasági elhelyezésének jogi háttere Hulladékok besorolása Környezeti hatásvizsgálat Tüzelőberendezések kibocsátási határértéke Villamos energia átvétele Vonatkozó EU szabványok (EN, DIN) Képzés és tanácsadás Célcsoportok meghatározása A tanácsadók kiválasztása Tájékozató fórumok Tájékozató fórumok potenciális erőmű üzemeltetők számára Tájékoztató fórum potenciális beszállítók számára A tájékoztató fórumok előkészítése és lebonyolítása Felhasznált irodalom

4 Bevezetés 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. 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. 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 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 fermentorok működnek világszerte. Az itt keletkező biogázt főként főzésre, világításra használják változó sikerességgel. Európában igen jó eredményeket sikerült elérni az anaerob biodegradációval az ipari, városi, mezőgazdasági hulladékok kezelése területén. 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 4

5 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. A környezet és az anaerob biodegradáció 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. Jelenleg nincsenek egységek nemzetközi irányelvek, standardok arra vonatkozóan, hogy hogyan kell az állattartó telepeken keletkező trágyát kezelni. Az Amerikai Egyesült Államokban 130-szor több állati trágya keletkezik, mint amennyi az emberi tevékenység során a környezetbe kerül. Ezen problémát jól szemlélteti a következő példa: Egy átlagos méretű amerikai farmergazdaságban több szerves hulladék keletkezik, mint Los Angeles városában. A fő problémát az jelenti, hogy az állattartó telepeken a haszonállatok koncentráltan vannak elhelyezve, ezáltal a szerves szennyeződések is koncentráltan jelennek meg, nincs lehetőség arra, hogy a talaj természetes sterilizáló tevékenységét kifejtse. A szerves hulladék kis területen hatalmas mértékben felhalmozódik, lebomlására nincs elegendő idő. Ily módon nem csak a talaj, hanem a közelben található földfelszíni és föld alatti vízkészletek is szennyeződnek. Csak 1992-ben 20 esetben érte a folyókat szerves szennyeződés Minnesotában és Missouriban 1997-re a probléma súlyosbodott, ekkor már 40 esetben történt szennyeződés megölve halat. Ezen szomorú tény egyenes következménye annak, hogy az állattartó telepek száma fokozatosan növekszik, 15 év alatt számuk az Egyesült Államokban megháromszorozódott. A telepek számának növekedésével azonban a trágya szétszórására alkalmas területek nagysága nem növekszik párhuzamosan, a meglévő területek pedig már nem képesek befogadni a megemelkedett szervesanyag terhelést. A probléma további súlyosbodásának megelőzése érdekében 1998-ban az EPA bejelentette, hogy tervek készülnek az állattartó telepek működésnek szabályozására vonatkozóan. Hasonlóan az ipari üzemek, és más környezetszennyező tevékenységek szabályozásához szigorú keretek közé kívánták szorítani az egyes telepek szervesanyag kibocsátását. Az olyan telepek működéséhez nélkülözhetetlen lesz az engedély, melyek 1000 "haszonállat egység"-nél többel rendelkeznek. (1.000 haszonállat egység marhát, sertést és baromfit jelent) Azonban az ennél kisebb telepeknek is szükséges az engedély, melyek környezetvédelmi szempontból érzékeny helyen találhatóak. Ezzel természetesen nem szakad meg a szabályozások sora a jövőben egyre inkább szigorú keretek közé fogják szorítani az állattartást, a környezetvédelem egyre inkább előtérbe kerül. A fenti példa az Amerikai Egyesült Államokra vonatkozott, azonban természetesen más országokban, főként az Európai Unióban is napirenden van a kérdés. 5

6 1. A biogáz-technológia célja, fontosabb jellemzői A biogáz technológia egyrészt a szerves hulladékok által okozott környezetterhelést csökkenti, másrészt jelentős mennyiségű megújuló energiaforrás kihasználását eredményezi. Mindkét szempont rendkívül fontos, hiszen a biológiai eredetű hulladékok mennyisége a jövőben jelentősen nő, mert a Hulladékgazdálkodási Törvény előírásai szerint a kommunális hulladékban a szervesanyag-hányadot jelentősen csökkenteni kell, az élelmiszertermelésben és az étkeztetésben keletkező hulladékokat a hagyományos módon (Pl. moslék) a jövőben már nem lehet felhasználni, az energiagazdálkodás területén pedig jelentősen nő a megújuló energiahordozók szerepe. Az ország energiamérlegében a megújulók arányát a jelenlegi 3.4%-ról 2010-re 6%--ra, 2015-re 12%-ra kell növelni. Ebben programban jelentős szerep juthat a biogáz termelésnek. Hazánkban a legnagyobb mennyiségű biohulladék az állattartásból származó trágyából keletkezik. Az állati trágya, ezen belül elsősorban a sertés hígtrágya a jelenlegi trágyakezelési technológiák mellett még jelentős környezetszennyezést okoz. A helytelen trágyakezelés költséges és a felszíni és felszín alatti vízkészletek fő szennyezője. A településeken keletkező kommunális hulladék 30-40%-a biológiailag bontható szerves anyag. Ennek döntő többségét ma még közvetlen talaj, talajvíz és levegőszennyezést okozó szeméttelepeken helyezzük el. A csapadék hatására kioldódó anyagok talaj, talajvíz ezen keresztül pedig felszíni és felszín alatti vízkészlet szennyezést okoznak. A hulladék hegyekben lejátszódó szervesanyag lebontási folyamatok révén igen jelentős a keletkező depóniagáz ( metán CH4, széndioxid CO2), melyek a legerőteljesebb üvegház-hatást okozó gázok. A kommunális szennyvizek jelentik a biohulladékok következő nagyságrendjét. A biológiai szennyvíztisztítás során keletkező úgynevezett fölösiszap igen magas szervesanyag tartalmú. A szennyvíztelepek iszapkezelése ma még jelentős arányban megoldatlan. Az élelmiszeripar, ezen belül elsősorban a vágóhidak termelik a biohulladékok igen jelentős volumenét, melyek gyakorlatilag veszélyes hulladéknak minősülnek. Ártalmatlanításuk így jelentős költséget igényel. Különös figyelemmel kell lenni a vágóhídi hulladékok és az állati hullák ártalmatlanítása során az állategészségügyi problémák megelőzésére. A biohulladékoknak, keletkezési helyüktől és körülményeiktől függetlenül közös tulajdonságuk, hogy biotechnológiai eljárásokkal a költséges ártalmatlanítás helyett energiatermelésre és a mezőgazdaságban tápanyag utánpótlásra hasznosíthatók. A biológiai hulladékok levegőtől elzárt, úgynevezett anaerob körülmények között, megfelelő hőmérsékleten baktériumok segítségével fermentálódnak. A fermentáció során nagy mennyiségű biogáz (CH4, CO2) keletkezik, melynek energiatartalma, mintegy 2/3-a (23 MJ/m3) a földgáznak. 6

7 A Magyarországon évente keletkező állati trágya, vágóhídi hulladék, kommunális biohulladék, kommunális szennyvíziszap, és az azokból előállítható biogáz mennyiségét az alábbiak szerint becsüljük: Biogáz Megnevezés millió m3/év Állati trágya Kommunális biohulladék 500 Kommunális szennyvíziszap 80 Vágóhídi hulladék 20 Összesen A téma további értékelését illetően elfogadjuk Bai A. adatait, mely szerint a biomasszák elméleti energiatartalma Magyarországon a következők szerinti: megnevezés almostrágya 31,5 hígtrágya 13,6 Élelmiszerip. Hull. 0,3 Települési szennyvíz 406,7 Települési szilárd szerves 31,7 Kommunális összesen 438 Potenciál (PJ/év) Ez a hatalmas energiatartalom igen kismértékben hasznosul, és teljes mértékben energetikai hasznosítás ajövőben sem képzelhető el. Az almostrágya biogáz előállítására alkalmas, de fontos növénytermesztési alapanyag is (szervestrágya a tápanyagutánpótláshoz) ezért csak kis hányadát vehetjük számításba az energiatermelésben. A hígtrágya nagy mennyiségben keletkezik, kezelése és tárolása az EU csatlakozást követően jelentős technológiai fejlesztéseket és beruházásokat tesz szükségessé. A tárolással kapcsolatos létesítmények viszonylag nagy beruházási költségekkel létesíthetők, ezért méretük csökkentése gazdasági előnyt jelent. A tárolók mérete abban az esetben csökkenthető, ha a hígtrágya hagyományostól eltéró és folyamatos hasznosítására van lehetőség. Ez lehet a biogáztermelés. Az élelmiszeripari hulladékok többnyire a harmadlagos biomasszák közé sorolhatók, ezért a biogáztermeléssel megvalósuló ártalmatlanításuk az energiatermelés mellett hulladékhasznosítást és hulladékártalmatlanítást is eredményeznek, tehát a lehető legnagyobb részt biogáztermelésben célszerű ártalmatlanítani. A települési folyékony hulladék (szippantott szennyvíz) igen jelentős környezetvédelmi gondokat okoz, ezért a biogáztermeléssel megvalósuló ártalmatlanításához jelentős érdekek fűződnek A szennyvíztisztításból származó fölösiszap ártalmatlanításának környezetvédelmi szempontból is megfelelő és egyben gazdaságos megoldása a biogáztermelés. 7

8 A szennyvíziszapok biogáz termelésben történő ártalmatlanítása illetve hasznosítása a megfelelő C:N arány biztosítása céljából növényi anyagok hozzákeverését is igényli, ezért ezek a technológiák lehetőséget biztosítanak a kommunális szerves hulladékok (szelektív hulladékgyűjtés esetén) enegetikai hasznosítására is. Az élelmiszeralapú veszélyes hulladékok (ételmaradék, moslék, sütőolajok, stb.) ártalmatlanítása elsőleges érdek, ezért a teljes mennyiségük számításba vehető a biogáz termelésben. A másodlagos és harmadlagos biomasszák energetikai hasznosítását illetően a szakemberek véleménye nagyon megoszló. Annak tudatában, hogy a biogáz termelés és annak energetikai hasznosítása nagy beruházási tőkét igényelnek, csak egy mértékletes fejlesztés valószínűsíthető, annak ellenére, hogy a legjelentősebb kapacitások éppen ebben a kategóriában jelentkeznek. megnevezés Energetikai hasznosításra (PJ/év) Almos trágya 5 hígtrágya 7 Élelmiszeripari hulladék 0,3 Települési szennyvíz 10 Települési szilárd szerves 7 Élelmiszeralapú veszélyes hull. 2 8

9 2. A biogáz termelés alapanyagai A biogáz termelés alapanyagait tágabb értelemben három nagy csoportra (alapanyagok, a folyamat élő szervezetei, a biotechnológia segédanyagai) oszthatjuk. Alapanyag lehet minden olyan biomassza, amely megfelelő C-tartalommal rendelkezik, amelynek alkotói nem gátolják a biológiai folyamatokban meghatározó élő szervezetek elszaporodását, illetve életfolyamatait, és nem tartalmaznak olyak egyéb anyagokat, amelyekből eredően a biogázban, vagy a visszamaradó vizes keverékben káros anyagok (mérgező anyagok, nehézfémek, stb.) jelennek meg. A biomasszákat három nagy csoportra osztjuk: Elsőleges biomasszák Növényi eredetű anyagok (lignocellulózok), melyek közvetlenül a növénytermesztésből származnak, anyaguk jól ismert, bennük semmilyen kémiai vagy biológiai elváltozás nem történt. Eredetük szerint lehetnek melléktermékek (növénytermesztés vagy feldolgozás melléktermékei, illetve a biogáztermelés céljára termesztett energianövény) Másodlagos biomasszák Az állattartással kapcsolatos melléktermékek (pl. trágyák), melyek összetétele ismert, melyekben idegen anyagok nincsenek, csak a az állattartás biológiai melléktermékei (széklet, vizelet) az almozás lignocellulózai és nem meghatározó mértékben az etetéssel kapcsolatban elkerülhetetlen eselékek jelennek meg. Harmadlagos biomasszák az elsőleges és a másodlagos biomasszák esetszerűen megjelenő keverékei, egyéb, a biomasszák feldolgozásával kapcsolatos hulladékok, illetve az élelmiszertermelés és hasznosítás valamint hulladékgazdálkodás szervesanyagai találhatók. A kevert összetétel és a meginduló spontán biológiai folyamatok, valamint a gyakran ismeretlen mikróba állomány miatt a harmadlagos biomasszák potenciális veszélyes hulladékok Az elsőleges biomaszák csoportjába soroljuk a hagyományos mezőgazdálkodás lignocellulóz melléktermékeit, és a termesztett lignocellulózokat. Mezőgazdasági termékek, termesztett biomasszák Az utóbbi időben a lignocellulózok biogáztermelési célból történő termesztése is terjed. Ennek több oka van, melyek közül kettőt ki kell emelni. a. energianövény termesztése célültetvényen, a nem lignocellulóz eredetű rothasztandó anyagokhoz keverés céljával. Ez olyan esetben következhet be, ha a begyűjtött szervesanyagok zömmel zsírt, illetve fehérjét tartalmaznak (állati hullák, vágóhidi hulladékok, éttermi hulladékok, ételmaradványok, stb.) és a hatékony fermentáció érdekében az alapnyag carbon-tartalmát akarjuk növelni. Ez esetben a nagyhozamú, intenzíven termeszthető növények (silókukorica, energiafű (Agropyron), energianád (Miscanthus), kender, szudáni fű) jönnek számításba. Ezekkel a növényekkel t/ha biomassza-hozam érhető le, ezért egy biogáztelep viszonylag kis területről is ellátható lignocellulózzal. 9

10 b. Az energianövény termesztése célültetvényen folyhat azzal a céllal is, hogy a biogáztelepen keletkező, és elhelyezési problémákat okozó biogáztelepi szennyvíz (vagy iszap) elhelyezésére olletve hasznosítására teremtsenek lehetőséget. Ilyen esetben két alapmegoldás ismert. Az egyik megoldás az, hogy a szennyvízzel öntözik az ültetvényt, és (a szennyvíz elhelyezése mellett) ezzel jelentősen növelik annak lignocellulóz-hozamát is. A termesztett lignocellulózt aprítást követően a biogáz-technológiában hasznosítják. A másik meguldás az, hogy a biogáztelep közelében energiaültetvényt (energetikai faültetvény) létesítenek. A szennyvízzel illetve az iszaeppal az ültetvények öntözését illetve tápanyag-utánpótlását végzik,, ezért annyak hozama igen jelentős lesz. Az ültetvényeken betakarított faanyagot mint energiahordozót értékesítik hőtermelő központokban vagy fabázisú erőművekben. Mezőgazdasági eredetű, melléktermék jellegű szerves anyagok fajlagos gázhozama. Kiegészítő anyag Zöld növényi részek: Fű Lóhere Kukorica növény Cukorrépa levél Burgonyaszár Szilázs: Fű szilázs Kukoricaszilázs Szalma: árpaszalma zabszalma repceszalma rozsszalma (3 cm) rozsszalma (0,2-0,5 mm) búzaszalma (3 cm) búzaszalma (0,1-2,0 mm) Fajlagos gázmennyiség [m3/kg org.sz.a.] 10 nap 20 nap 30 nap 0,48 0,40-0,50 0, ,19 0,24 0,15 0,12 0,21 0,11 0,22 0,55 0,44 0,75 0,50 0,56 0,56 0,62 0,27 0,32 0,20 0,20 0,33 0,17 0,33 0,56 0,45-0,50 0, ,31 0,35 0,24 0,26 0,40 0,23 0,37 A termesztett lignocellulózok főtermékek, ezért fajlagos költségeik (Ft/t) jelentősen eltérhetnek a melléktermékek árától. Mezőgazdaségi termékek költségénél figyelembe kell venni a termelt mennyiség mellet a vetőmag árát, szükséges energiaigényt munkabért és a járulékos költségekett valamint a hasznot. 10

11 Az alábbi táblázat bemutatja néhány mezőgazdasági termék költségösszetevőit. mezőgazdasági termékek nyersanyag mennyisé ár g [t/ha] [HUF/ha] energiaigén y [HUF/ha] munkabé r [HUF/ha ] haszon + járulékos költségek [HUF/ha ] összesen [HUF/ha ] egységá r [HUF/t] silozott fű széna lucernaszéna gabona szalma kukorica szár 10, siló kukorica csicsóka napraforgó szár cukorrépa hulladék Állat neve Száma Keletkező. trágya mennyiség Száraz anyag Szerves anyag Összes trágya Gázmennyiség Gázmennyiség [db] [kg/nap/db] [%] [%] [kg/nap] [l/kg] [m 3 /nap] Tehén 1 46, ,6 Borjú 15, ,0 Növendék 32, ,0 Sertés 8 15, ,6 Malac 3, ,0 Hízó 7, ,0 Ló 45, ,0 Juh 2, ,0 Nyúl 1, ,0 Baromfi 20 0, ,2 Össz.: 167 A keletkező biogáz mennyisége: 32,4 Ebből felhasználható (60 %): 19,5 Energiatartalma [MJ/nap]:

12 Másodlagos biomasszák Másodlagos biomasszák közé sorolhatók a jól ismert tulajdonságú élelmiszeripari melléktermékek. Ezek tágabb értelemben hulladékok, de nem veszélyes hulladékok, ezért akár a primer, akár a szekunder biomasszákkal együtt kezelhetők. Összetételül igen változatos, ezért minden esetben egyéb, biogáz előállítására alkalmas anyagokkal keverve hasznosítják őket. Erjesztésre alkalmas ipari hulladékok főbb jellemzői. Száraz Org. száraz anyag anyag % % (sz. a.) (org. sz. a.) N % sz. a. C/N Nyersglicerin > ,69-0,72 Sörtörköly , ,6-0,7 Komlótörköly ,2 12 0,5-0,55 Kovaföld (sör) 30 6,3 0,7 5 0,3-0,35 Száraz kenyér , ,7-0,75 Burgonyamoslék ,55 Gabonamoslék ,6 Melasz , ,3 Savó , ,3 Gyümölcshulladék ,1 50 0,4 Olajosmag-présmaradék , ,58-0,62 Extrahált repcedara ,6 8 0,45-0,55 Gázkihozatal m 3 CH 4 /kg org. sz. a. A harmadlagos biomassszák a legkülönbözőbb területekről származnak. Itt jelennek meg az állattartás veszélyes hulladékai, az élelmiszeripar veszélyes hulladékai, és a jövőben egyre nagyobb mennyiségben kerülhetnek felhasználásra a szelektív hulladékgyüjtésből származó kommunális szerves hulladékok. Általános jellemzőjük az, hogy valamilyen szinten veszélyes hulladékok, ezért ezen anyagok biogáztermelésben történő felhasználása nem csak hasznosítást, egyben ártalmatlanítást is jelent. Fontos jellemzőjük az, hogy egyes, különösen veszélyes fajtáit (pl. állati tetemek, gyűjtött éttermi ételmaradékok) csak előzetes sterilizálást követően lehet biogáztermeléshez felhasználni Tercier biomasszák A vágóhidi hulladékok. Megsemmísítésükről, osztályba sorolásukról 71/2003 FVM rendelet rendelkezik. A rendelet értelmében az 1 osztályba sorolt veszélyes hulladékot csak égetéssel lehet megsemmísíteni. A 2-es és 3-as osztályba sorolt hulladékokokat hygenizálás után komposztálni és biogáz berendezésekben felhasználni lehetséges. A komposztálás jelentős mennyiségü energia befektetést igényel a levegőztetés miatt. A metán képződés miatt terheli a környezetet és a folyamata instabil. Jelenleg a vágóhidi hulladékot az ATEV veszi át. A vágóhidak, húsfeldolgozó üzemek a hulladékuk elszállításáért HUF/kg + Áfa-t fizetnek a szállítási költség függvényében. 12

13 Állati tetemek Az állatnevelőkben elhullott állatok tetemeit az ATEV veszi át. Az állatnevelő üzemek a tetemek elszállításáért HUF/kg + Áfa-t fizetnek a szállítási költség függvényében. Trágya, szennyvíz iszap Az állattartásból származó trágyákat, illetve a szennyvíztelepek iszapját az 50/2001 korm. rendelet szabályozza. A szabályzat 3 sz. -a értelmében a kezelt iszapot kémiai, illetve hőkezeléssel, tartós tárolással (legalább 6 hónap) vagy más kezeléssel (biogáz berendezés) lehet mezőgazdasági területre kihordani amennyiben e rendeletben előírásainak megfelel. Jelenleg Magyarországon a trágyák illetve szennyvíz iszapok biogáz berendezésekben nem lesznek felhasználva és így költségük nincs meghatározva. Kommunális biológiai hulladék A hulladékgazdálkodásról szóló évi XLIII. törvény és a 98/2001. (VI. 15.) korm. Rendelet rendelkezika biológiai hulladékokról. Jelenleg a szelektált szerves anyagok a szemétgyüjtők területén komposztálva lesznek és így külön ármeghatározás nincs. Ipari szerves hulladék Az iparban (konzervipar, cukorgyárak stb.) keletkező szerves hulladékok jelenleg komposztálva lesznek, vagy ha ezt rendeletek megengedik állatok etetésére lesz felhasználva. Erjesztésre alkalmas Száraz Org. száraz N C/N Gázkihozatal ipari hulladékok főbb anyag anyag % m 3 CH 4 /kg org. sz. jellemzői. % % sz. a. a. (sz. a.) (org. sz. a.) Szennyvíziszap ,6-0,8 Gyomortartalom ,5-2, ,2-0,3 (sertés) Bendőtartalom ,3-2, ,28-0,4 Bendőtartalom , ,6-0,7 (kezelt) Húspép , ,5-0,6 Zsír (fölözött) ,5-3,6-0,7(1,0) Zöldség hulladék ,4 Biohulladék ,5-0,6 13

14 A biogáztermelést gátló anyagok A metánképződésben résztvevő mikroorganizmusok érzékenyek a mérgezésre. Az alapanyagban előforduló toxikus anyagok hatására jelentős aktivitáscsökkenés következhet be. A kisebb toxikus hatást rövid ideig azonban elviselik, a tápanyag kicserélése vagy felhígulása után újra aktivizálódnak. Néhány konkrét érték, amelyet a 80-as években irányadó koncentrációként kezeltek: - Alkáli és földkáli fémionok toxikus hatása rendszerint nagy dózis mellett jelentkezik. Na +, K +, Ca +, Mg ++ 3, esetén kg/dm 3 ez az érték. 6 - Nehézfémek (ólom, réz, kadmium) 5 10 kg/dm 3 koncentrációnál már késleltetik a metánképződést. A nehézfémionok lekötése ferroszulfid vagy nátriumszulfid adagolással megoldható (a szulfidok képződése révén kicsapódnak). 3 - Ammóniát korábban mérgezőnek tartották. Bebizonyosodott, hogy 4 10 kg/dm 3 + NH n értékig problémát nem okoz. - A klórozott szénhidrogének (pl. kloroform, széntetraklorid stb.) különösen 6 veszélyesek, kg/dm 3 koncentrációnál már megszüntetik az erjedést. Hasonlóan veszélyes a cianidion jelenléte is. 6 - A szulfátionok jelenléte kg/dm 3 koncentráció felett késleltetheti a metános erjedést. Ilyenkor a szulfátredukáló mikroorganizmusok elnyomják a metanogéneket, ugyanis termodinamikailag több energiát tudnak felszabadítani. 3 Ezért a kg/dm 3 nél több szulfátot tartalmazó tápanyag nem alkalmas metán előállítására. - Az oxigént már nem tekintették mérgező anyagnak, mivel a fakultatív anaerob mikroszervezetek is jelen vannak, melyek azt gyorsan felhasználják. A gátlóanyagokkal kapcsolatban a legújabb kutatások eredményei részben eltérnek a fent ismertetettektől. Általános megállapítás hogy az erjesztési folyamatot gátló hatás a koncentráción kívül függ az alapanyag összetételétől, a baktériumok alkalmazkodóképességétől, stb. is ugyanakkor egyidőben jelen vannak olyan anaerob baktériumok is, melyek különböző toxikus hatóanyagok lebontására képesek. A legfontosabb gátló anyagok és azok toxikus koncentrációja a 3. táblázatban összefoglalva látható. Meg kell jegyezni, hogy az irodalomban a maximálisan megengedhető határértékre vonatkozóan sok, de részben ellentmondásos adatok jelentek meg. Az erősen különböző határérték-koncentráció azzal magyarázható elsősorban, hogy nem egységes megfigyelésen alapulnak (eltérő alapanyag és külső körülmény hatására különböző baktériumpopuláció alakulhat ki, melyek nem egyformán viselik el az egyes gátló anyagokat). Táp- és folyamat-befolyásoló anyagok A mikroszervezetek aktív működéséhez a következő életfeltételt elsősorban determináló külső tényező optimális megléte szükséges: tápanyag, kémhatás, víz, hőmérséklet, Redox-potenciál, szárazanyag tartalom stb. Tápanyagellátás lásd a következő fejezetben Kémhatás - lásd a következő fejezetben 14

15 Győr-Moson-Sopron megye mezőgazdasági termelésének főbb mutatói A megye a növénytermelés és állattenyésztés tekintetében is az élenjárók közé tartozik. A földterület művelési ágak szerinti megoszlását a 11. táblázat szemlélteti. A megye mezőgazdasági termelésére jellemző az adottságokhoz igazodó sokrétűség. Az állatállomány létszáma a rendszerváltás előtt meghaladta az országos átlagot (szarvasmarhánál 43,3 db/100 ha és sertésből 169 db/100 ha). Az állatlétszám és vele együtt az alomszükséglet az utóbbi években a felére csökkent ban a megyében a gazdasági szervezeteknél összesen szarvasmarha volt, melyből volt a tehén. A sertések összes darabszáma , az anyakocáké közel A juhágazat nem jelentős, 8893 összes darabszámmal szerepelt. A földterület művelési ágak szerint (ha) Művelési ág Szántó Kert Gyümölcs Szőlő Gyep Mezőgazdasági terület Erdő Nádas Halastó Termőterület Művelés alól kivett terület Összesen: A 3 kiemelt növénytermelési adatait és a várható melléktermékek mennyiségét (átlagadatok) a 12. táblázatban foglaltuk össze. Búza, kukorica, napraforgó termelési adatai Megnevezés Átlagos Várható Betakarítható melléktermék termőterület termésátlag eha T/ha t/ha Össz. (et) Búza ,6-5, Kukorica ,0-6, Napraforgó ,0-2,2 2, A szalma és kukoricaszár egy részét az állattenyésztésben alomként, ill. takarmányként használják fel, bizonyos hányadára a talajerő visszapótlásnál van szükség. Kb. 1/3-a az a mennyiség, amit energetikai célra külön is figyelembe lehet venni. A biogáz-előállítás alapanyagaként szalmára elsősorban, mint alomanyag (mélyalom, almos hígtrágya) lehet számítani, kisebb mennyiségre a C:N arány beállítása miatt lehet szükség. A kukorica és napraforgószár felhasználását a betakarítási és tárolási nehézségek egyenlőre hátráltatják. Ugyanez vonatkozik néhány egyéb melléktermékre, mint pl. a leveles répafejre is. 15

16 A legújabb (2004. május 31.) adatok szerint is a megye 229 eha szántóterülettel (54,4 %) rendelkezik. 18%-ot foglal el az erdőterület, 2,2% a kert, gyümölcs és szőlő, 7,4% a gyep és 2,6% nádas és halastó. A szántóterület mintegy 70%-án gabonaféléket termeltek ez évben ha-on kukoricát, ha-on vetettek évben. Miután a megye jelentős erdőterülettel rendelkezik, így az erdőgazdálkodás és fafeldolgozás területén jelentős mennyiségű melléktermék, hulladék keletkezik. A megyei fakitermelés, pl ben bruttó m 3 (nettó m 3 ) volt, így a vágástéri melléktermékek mennyisége kereken m 3 volt. Kistérségek szerinti megoszlását az erdőgazdálkodásból származó biomassza potenciálnak a 13. táblázat tartalmazza. Győr-Moson-Sopron megye kistérségeiben az erdőgazdálkodásból származó biomassza potenciál Kistérségek Erdő terület Összes fatömeg Energetikai célú biomassza Energia tartalom (ha) (em 3 ) (em 3 ) (t) (PJ) Csornai ,137 Győri ,319 Kapuvári ,193 Mosonmagyaróvári ,202 Soproni ,224 Összesen: ,075 Az elsődleges- és másodlagos feldolgozás nettó kihozatala általában csak 50% körüli, így további kb t feldolgozási melléktermék is keletkezik. Biogáz-előállítás céljára az erdőgazdálkodásból és fafeldolgozásból származó melléktermékek egy része, mint biohulladék kiegészítő anyagként vehető figyelembe. A mezőgazdasági jellegű biogáz-üzemek legfontosabb alapanyagát az állattartásnál keletkező különböző konzisztenciájú szervestrágyák jelentik. Itt figyelembe kell venni azt a tényt is, hogy az EU csatlakozás kapcsán az állattartással járó hulladékok ártalmatlanítása környezetvédelmi feladat is egyben. E feladatot biogáz-előállítási technológiával célszerűbben lehet megvalósítani, mert nem csak költséggel jár, hanem energetikai hasznot is hoz. Győr-Moson-Sopron megye kistérségeiben keletkező szerves állati hulladék (trágya) mennyiségét a 14. táblázat, az ebből nyerhető biogáz mennyiséget a 15. táblázat tartalmazza. 16

17 Győr-Moson-Sopron megyei kistérségekben keletkező szerves állati hulladék mennyisége Kistérségek Szarvasmarha Sertés Baromfi ürülék (t/év) ürülék (t/év) tyúk broyler összesen Csornai Győri Kapuvári M.móvári Soproni Tét-Pannoh.-i Összesen: A Győr-Moson-Sopron megyében potenciálisan kinyerhető biogáz mennyisége és energiatartalma Kistérség Kinyerhető biogáz e. m 3 /év Energia sz.marha sertés baromfi összesen tartalom ürülékből TJ Csornai ,7 Győri ,2 Kapuvári ,6 M.móvári ,8 Soproni ,5 Tét-Pannoh.-i ,2 Összesen: A növénytermesztési, erdőgazdálkodási, élelmiszeripari stb. melléktermékek hozzáadásával a biogáz mennyisége tovább növelhető. Ugyanakkor a kevert alapanyagból történő biogáz-előállítás degradációs hatásfoka is magasabb lesz. Külön ki kell emelni azt a tényt, hogy a biogáz előállítás alapanyagaként a különböző állati szövetek (vágási hulladékok, húspép, húsliszt, zsír, stb.) is figyelembe vehetők. A megyében is működik egy állati tetem feldolgozó üzem, melynek termékeit mint veszélyes hulladékok problémát jelent jelenleg hasznosítani, ill. elhelyezni. 17

18 Metán képződési szakasz Fermentációs szakasz 3. A biogáz termelés kémiai és mikrobiológiai alapjai A biogáz-előállítás kémiai alapjai A biogáz előállításra valamennyi szerves anyag felhasználható. Alapanyagként a különböző növényi és állati eredetű produktumok, melléktermékek ill. hulladékok jöhetnek szóba. A hulladékok szerves anyaga főleg növényi anyag, kémiailag cellulóz, különböző hemicellulózok, cellulózszármazékok, összetett és egyszerű cukrok, amelyeket összefoglalóan szénhidrátoknak nevezünk. A növényi eredetű anyagokban kisebb, az állati eredetű anyagokban nagyobb arányban vannak jelen a fehérjék és peptidek, továbbá a zsírok és olajok. Ezekhez képest jelentéktelen mennyiségű bonyolultabb összetételű vegyületek is jelen vannak a hulladékokban (pl. vitaminok, hormonok, enzimek) és természetesen a fő alkotórészek lebomlásából származó egyszerű szerves vegyületek. Tehát a biogáz-előállítás szempontjából a legfontosabb három fő vegyületcsoport: a szénhidrátok, fehérjék, és zsírok. Ezeknek a nagy molekulájú polimer anyagoknak a lebontásához összetett, mikroorganizmusok és enzimek közreműködését igénylő biokémiai folyamatra van szükség. E folyamat biokémiája és mikrobiológiája még ma sem teljesen tisztázott, leírása csak nagyfokú általánosítással lehetséges. A biogáz képződés teljes folyamata a 1. ábrán követhető nyomon. Polimer anyagok (hosszúláncú vegyületek) Fehérje, szénhidrát, zsír Enzim, Fermentatív baktériumok Hidrolízis Aminosav cukor Hosszúláncú zsírsav Savas fázis Zsírsav, alkohol tejsav Fermentatív baktériumok Acetogén baktériumok Ecetsavképző fázis Ecetsav Hidrogén, CO 2 Metanogén baktériumok Metán fázis Metán A biogázképződés szakaszai és fázisai. A biogáz képződés alapvetően két szakaszra (fermentációs és metánképződési) oszlik, melyeken belül 2-2 fázis különíthető el. Az első két fázisban (hidrolízis és savas fázis) enzimek és fermentációs baktériumok közreműködésével a nagymolekulájú szerves anyagok lebontása, feltárása következik be. A második szakasz ecetsavképző fázisában 18

19 az acetogén baktériumok, a fermentatív szakasz, hidrogénben gazdag vegyületeit ecetsavvá és hidrogénné alakítják. A metánképző fázisban a metanogén baktériumok az ecetsav és hidrogén reakcióba hozásával metánt és CO 2 -t állítanak elő. A második szakasz ecetsavképző fázisának elkülönítése azonban inkább elméleti jelentőségű, mert ehhez a közbeeső folyamathoz szükséges acetogén mikroszervezetek csak a metánképzőkkel szimbiózisban tudnak élni. Így ezt a közbülső fázist a második szakasz részeként foghatjuk fel. A biogáz képződési folyamat csak kifejezetten anaerob körülmények között megy végbe. Mindkét folyamatszakasz többlépcsős biokémiai átalakítás-sorozatból áll. Ezeket a biokémiai folyamatokat az erjesztésre kerülő anyag összetételétől, minőségétől függően meghatározott mikroorganizmusok közreműködésével lehet végrehajtani. A mikroszervezetek tevékenysége szigorú rendben követi egymást. E szigorú rendet az az automatizmus vezérli, amely a mikroszervezetek életfeltételeihez kapcsolódik. Például a tejcukor-molekula metángázzá transzformálódása során először egy olyan speciális baktérium tevékenysége zajlik le, amely a laktózt tejsavvá alakítja. Eközben a baktérium annyi energiát von el, amennyi saját életfunkciójához szükséges, és biztosítja fejlődését, szaporodását. Egy másik baktériumtípus ezt követően végrehajtja a tejsav ecetsavvá alakítását, közben az előbbihez hasonlóan felhasználja a szükségletének megfelelő mennyiségű energiát. A metános erjedés tehát olyan folyamat, amelyben a szerves molekulák lépésként bomlanak le. Minden lépést más speciális mikroszervezet hajt végre. A különböző típusú speciális mikroorganizmusok eszerint egymásra utaltak és egymással összehangoltan működnek. Egy-egy specializált mikrobacsoport csak saját molekulatípusát dolgozza fel. A komplex nagy szerves molekulák metánná alakítása csak akkor lehet sikeres, ha kialakul a baktériumok asszociációja, amelyben mindegyik meg tud élni, hátrahagyva egy olyan terméket, amelyet a következő baktériumcsoport hasznosítani tud. Ahogy egyszerűbb vegyületekké válik a szerves molekulalánc, csökken energiaértéke, és egyre kevesebb baktériumtörzs számára nyújt elegendő táplálékot. Végül ez egyedül a metánképző baktériumtörzsek számára lesz elegendő. Ez a metánbaktériumok egyik jellemző, speciális tulajdonsága. Példaképpen a poliszacharidok degradációja során keletkező glükóz (egyszerű cukor) metánná alakításának kémiai folyamatát mutatjuk be: A glükózból főleg vajsav, széndioxid és hidrogén képződik: 2C H O CH CH CH COOH + CO + H A vajsavból ecetsav és metán: CH CH CH COOH + CO + H O CH COOH + CH Az ecetsavból metán és szén dioxid: 4CH COOH CH + CO Illetve a szén-dioxidból és a hidrogénből metán és víz képződik: CO2 + 4 H 2 CH4 + 2H2O

20 Összesítve: A jelenlegi ismeretek szerint a szerves anyagok vagy hulladékok három fő vegyületcsoportjának anaerob lebontása a 2., 3., és 4. ábra szerint megy végbe. Szénhidrátok I. Szakasz Sötét és oxigénhiányos környezet Gombák Tejsavbaktériumok Propionsav-bakt. Kólibaktériumok Vajsavbaktériumok Butilbaktériumok stb. Gázok Széndioxid Hidrogén Alkoholok Etilalkohol n-propilalkohol n-butilalkohol stb. Zsírsavak Hangyasav Ecetsav Propionsav n-vajsav stb. Egyéb savak Tejsav Borostyánkősav Pirosszőlősav stb. II. Szakasz Sötét, oxigénmentes közeg Metánbaktériumok Szulfát-redukáló bakt. Denitrifikáló bakt. Széndioxid Metán Szénhidrátok anaerob lebontásának vázlata Szénhidrátok anaerob lebontásának egyszerűsített kémiai képlete: I. 3 C 6 H 12 O 6 4 CH 3 CH 2 COO 2 CH 3 COO 2 HCO 3 8 Glükóz Propionsav Ecetsav H + II. 4 CH CH + 3 CH 2 COO 3 H 2 O 4 CH 3 COO HCO 3 H 3 6 CH + + CH 3 COO 6 H 2 O 6 HCO CH CO + 3 CH 2 COO 2 CH 3 COO 2 HCO 3 8 H 9 CH

21 A zsírok anaerob lebontásának egyszerűsített kémiai képlete: I. ( C H COO) + H O C3H ( OH ) + C H COOH C H Tri-sztearin Glicerin Sztearinsav II. ( CH ) COOH + H O CH ( ) 3 13CH + CO CH 3CH 2CH 2COOH + 2H 2O 5CH 4 + 3CO2 Vajsav 4C H OH 2H 2O + 7CH 4 + 5CO2 25CH CO 2 :1 2 2 Zsírok I. Szakasz Sötét és oxigénhiányos környezet Zsírbontó baktériumok és gombák Zsírsavak Glicerin Kólibaktériumok Propionsav-bakt. Vajsav baktériumok stb. Gázok Széndioxid Hidrogén Savak Hangyasav Ecetsav Propionsav Vajsav Tejsav Borostyánkősav stb. Alkoholok Etilalkohol Butilalkohol II. Szakasz Sötét és oxigénmentes közegben Metánbaktériumok Denitrifikáló bakt. Szulfát-redukáló bakt. Széndioxid Metán Zsírok anaerob lebontásának vázlata 21

22 Fehérjék I. Szakasz Sötét, oxigénhiányos környezet Fehérjebontó mikroorganizmusok Tri- és Dipeptidek Ammónia Széndioxid Kénhidrogén (Fe 3+ -hoz kötve) Aminósavak Zsírsavak II. Szakasz Sötét, oxigénmentes közeg Metánbaktériumok Széndioxid Metán Ammónia Fehérjék anaerob lebontásának vázlata Fehérjék anaerob lebontásának egyszerűsített kémiai képlete: I. Fehérje Aminósavak + Zsírsavak II. ( 4CO ) 4CH + NH 2NH 2COOH + 2H 2O 3CH 4 + CO Glicin 3 Alanin 6CH + CO :1 2 ( 2CO ) 2CH + NH 3CH NH 2 COOH + 2H 2O 3CH 4 + CO Olyan anyagok esetében, amelyeknek kémiai összetétele ismert, az előállítható metán mennyiségét a Buswell-képlet alapján lehet meghatározni: C + a b n a b n a b n H aob N c n c H 2O c CH 4 c CO2 + cnh 3 22

23 Pl. egy 147-es molekulasúlyú glutaminsav esetén: C 1 CO + NH 5H 9O4 N +,5H 2O 2,25CH ,25 22,41 vagyis 1 kg glutaminsav = = l CH 4 és ,25 22,41 = 305 l CO 2 gáz. 147 Buswell-képletet továbbfejlesztette Boyle, a nitrogén mellett a S tartalmat is figyelembe vette a következők szerint: C a H b O c N d S e + (4a b 2c + 3d 2e) H O = 1/ 8(4a + b 2c 3d 2e) CH / 8(4a b + 2c + 3d + 2e) CO 2 + dnh 3 + eh 2 S A fenti formulával kalkulált gázösszetétel a három szervesanyag féleségnél az 1.táblázat szerint alakul. Számított gázösszetétel különböző szerves anyagoknál Szervesanyag CH 4 CO 2 NH 3 H 2 S Szénhidrát (Glukoz) 50 % 50 % - - Zsír (Tripalmitin) 71 % 29 % - - Fehérje (átlag) 38 % 38 % 18 % 6 % A kevert városi hulladék tapasztalati képlettel kifejezve (az alkotók többségének képletéből súlyozott átlagot véve) C 30 H 48 O 19 N 0,5. A nitrogént elhanyagolva a Buswell képlet szerint: C H O + 8 H O CH + CO, vagyis ,5 2 16, , 75 1 kg szilárd kommunális hulladék egyenlő 511 l CH 4 -gyel és 432 l CO 2 -vel. A különböző erjesztőberendezések hatásfokát 45 65%-ra becsülik, átlagosan 50%-kal számolhatunk. Így elméletileg egy tonna kommunális hulladék száraz szerves anyagát figyelembe véve mintegy 470 m 3 biogáz előállítása érhető el. A gyakorlatban ennél kevesebb, mert nem mindig biztosíthatók az optimális feltételek. A képletből az is kiderül, hogy a kommunális hulladékból képződő biogáz mintegy 45% CO 2 -t és 55% CH 4 -t tartalmaz. 2 23

24 A biogáz-előállítás mikrobiológiai alapjai A metán előállításához a mikroorganizmusok jelenléte nélkülözhetetlen, és jelenlegi ismereteink szerint életfeltételeiknek szabályozása a döntő tényező. Az optimális életfeltételek biztosítása mellett a mikroszervezetek ugyanis mértani haladvány szerint, gyorsan elszaporodnak. Jelenlétük különösen hulladékok esetén a gyakorlatban szinte kizárhatatlan. Egyfajta hulladékanyagban nagyon sokféle mikroorganizmus van jelen egyidejűleg, amelyek közül azok szaporodnak gyorsabban és válnak döntő többségűvé, amelyek számára az életfeltételek kedvezőbbek. A kedvezőtlen életfeltételek közé kerülő mikroorganizmusok vagy elpusztulnak, vagy anabiotikus, latens állapotba húzódnak vissza, és biológiai aktivitásuk megszűnik. A latens inaktív állapotban levő mikroszervezetek a körülmények kedvező alakulása esetén ismét biológiailag aktívakká válnak. A biogáz előállítása szempontjából, tehát jól kell ismernünk a folyamatban részt vevő baktériumokat, és azok életfeltételeinek optimális értékét. A fementatív folyamatok jelentősebb mikroorganizmusai: Lactobacillus sp., Propioni-bacterium, Salenomonas, Clostridium, Proteus sp-ek Alcaligenes és Enterobacter. Ezek a baktériumok exo-enzimeket választanak ki a szerves molekulaláncok szétbontása és elválasztása céljából, és az egyszerűbb molekulák intracelluláris (sejten belüli) leépítését végzik endoenzimekkel. Ezáltal ezek a baktériumok a szerves anyagokat oldható zsírsavakra, alkoholokra, széndioxidra, hidrogénre, kénhidrogénre stb. alakítják, amely anyagokból a metanogén baktériumok metángázt hozhatnak létre. A leírt folyamatok végtermékei vagy az acetogén baktériumok közbelépésével, vagy közvetlenül a metanogén baktériumok révén kerülnek tovább a metánképződés biokémiai folyamatába. Ez a folyamat játszódik le a kérődző állatok bendőjében is, ezért a bendőtartalom kivonatából más fermentív mikroszervezeteket is sikerült izolálni. A metanogén baktériumok kizárólag anaerobok (a redox-potenciál 330 mv alatt). Négy morfológiai típust különböztetünk meg: metanobaktériumok (pálcika-, ill. fonalszerű sejtek), metanococcusok (gömb alakú sejtek), metanosarcinák (gömb alakú sejtek köbös kapcsolatban), metanospirillumok (spirál alakú sejtek). A metanobaktériumok (beleértve mind a négy típust) sejtfala más baktériumokkal ellentétben nem peptidszármazékokból épül fel. A metánbaktérium-sejtek nukleinsavakat és koenzimrészecskéket is tartalmaznak, s ebben minden más baktériumtól eltérnek. E sejtek citoplazmatikus membránképződményeket is tartalmaznak; ezek az intracelluláris membránok a metánszintézis szervei. Az acetogén baktériumokra vonatkozó információk még nagyon korlátozottak. Igen lassan és csak nagyon kis hidrogéngáz-koncentráció mellett képesek szaporodni. Jelentőségük az, hogy a hidrogéngazdag vegyületeket, mint pl. az etanolt, tejsavat, propionsavat, vajsavat stb. a metanogének számára előkészítik, ecetsav és hidrogéngáz formájában. 24

25 Az acetogén és metanogén baktériumok szimbiózisáról korábbiakban említettek magyarázhatók azzal, hogy a metanogének nagy hidrogénigénye és átalakító képessége következtében az acetogén baktériumok számára a kis hidrogénkoncentrációt csak a metanogének jelenléte tudja biztosítani. (Ezért nem sikerült az acetogéneket tiszta tenyészetben vizsgálni.) E szoros kapcsolat miatt technológiai szempontból együtt kezelhetők és tárgyalhatók a metanogénekkel, metánképződési folyamatokkal. A metánképző membrános baktériumok külsőhőmérséklet-igénye szerint általában három csoportba sorolhatók: a pszichrofil-, a mezofil- és a termofil tulajdonságúakra. A pszichrofil baktériumok 25 C alatti hőmérséklet tartományban működnek. Pl. a Methanosorcina methanica a hőmérséklet-ingadozásra legkevésbé érzékeny baktérium. Viszonylag kevés, de magas metántartalmú gázt állítanak elő. Mozdulatlan, spórátlan, Gram-labilis, átlagosan 0,002 mm nagyságú baktériumok, amelyek már +5 C felett életműködésre képesek. A jellegzetesen mezofil baktériumok 30 C feletti hőmérsékleten háttérbe szorítják ezeket. Egy ideig vitatott volt hovatartozásuk. A mezofil metánképző mikroorganizmusok hőmérsékleti tartománya C között van. Jellemző alakja a Methanococcus Mazei nevű, 0,001 mm-nél kisebb, spóramentes, mozdulatlan, Gram-labilis baktérium, amely nagyon érzékeny a hőmérsékletingadozásra. A termofil metánképzők jellemző baktériumai a Methanobacterium Loehngenii és a Methanobacterium Omelianski. Zárt, megfelelően kialakított tartályokban, C hőmérsékleten végzett erjesztésnél a legproduktívabb gázképzők, azonban a közeget fűteni kell, szintén mozdulatlanok. Gram-negatívak, vékony pálcika alakúak. A biogáz-előállítást befolyásoló külső tényezők A mikroszervezetek aktív működéséhez a következő életfeltételt elsősorban determináló külső tényező optimális megléte szükséges: tápanyag, kémhatás, víz, hőmérséklet, redox-potenciál, szárazanyagtartalom stb. Tápanyagellátás A mikroorganizmusok tápanyagellátására mindenféle szerves anyag alkalmas, az anyag pontos összetétele nem fontos. Az a fontos, hogy a betáplált szerves tápanyagkeverék összetétele viszonylag állandó legyen, hogy abban kiegyensúlyozott mikrobiológiai populáció alakuljon ki, amely arányaiban megfelel a lebontandó szerves anyag összetételének. Az alapanyag jellemzőiként az összetétel függvényében a C/N arányt is figyelembe kell venni. Ismert tény hogy a sejtfehérjék felépítéséhez nitrogénre van szükség. Ha kicsi a nitrogéntartalom, akkor nem lehet nagyobb szénmennyiséget feldolgozni, ha túl nagy, akkor az ammónia felhalmozódást okoz. Ez utóbbi különösen a metánképződést akadályozza. A kívánt értékre állítás ( C / N = /1) legegyszerűbb módja a különböző alapanyagok keverése. Keveréssel aránylag egyszerű a megfelelő C/N arány biztosítása amint ezt a 2. táblázat tájékoztató értékei is mutatják. Ha valamilyen okból a C/N aránya 3:1 értékre esik, külön beavatkozással kell biztosítani, hogy az ammóniatartalom ne emelkedjen 3 4 g/l fölé. 25

26 Hasonlóan lényeges a szén-foszfor arány, amelynek optimális aránya 150:1. Egyéb tápelemek, mint például a kén, a kalcium, a magnézium, a kálium, a cink, a kobalt, nem okoznak problémát, mivel a szükséges mennyiség minden erjesztésre szánt anyagban jelen van. Kémhatás A korábbi ismeretek szerint úgy tartották, hogy a fermentatív és metanogén szervezetek egyaránt a semleges, ph=7 körüli értéken fejtik ki a legkedvezőbb hatásukat. Újabban a hidrolizáló és fermentatív baktériumoknál 4,5-6,3, a metanogén baktériumoknál 7-7,5 optimális értéket adnak meg. A nagytömegű szupsztráton belül a ph értékek kiegyenlítődnek és a folyamat során beáll a semleges körüli ph érték. A degradációs folyamatok során a gyakorlatban előfordul, hogy a felhalmozódó közti termékek (szabad savak) hatására a ph érték oly mértékben lecsökken (ph= 4 5 ) aminek hatására a mikroszervezetek működése teljesen lelassul. Ilyenkor beavatkozásra van szükség, lugos kémhatású anyagokkal (mésztej, szódaoldat) kell semlegesíteni. Szárazanyagtartalom A tápanyag szárazanyagtartalma a mikroszervezetek (az anyagcseréhez víz kell), valamint a technológia kialakítása, annak gazdaságossága szempontjából is fontos. Kísérletek alapján tág határok között (0,1-60% szárazanyagtartalom) végbe mehet az erjedési folyamat. Technológia szempontjából fontos, hogy a szárazanyagtartalom ( 6 15) % között legyen, amennyiben nedves (hidraulikus anyagmozgatású) eljárást kívánunk alkalmazni. Félszáraz eljárásnál %, száraz eljárásnál %(hulladéklerakó helyeken ennél nagyobb is lehet) az alapanyag szárazanyagtartalma. Hőmérséklet Az anaerob fermentáció hőmérséklettartományát 5 66 C között adják meg. A metanogén baktériumok ismertetésénél utalnunk kell rá, hogy a mezofil baktériumok 5 40 C közötti (optimum C), a termofilek C közötti (optimum 57 C) hőmérséklettartományban tevékenyek. (5. ábra). Általánosan megállapítható, hogy magasabb hőmérsékleten gyorsabban és hatékonyabban megy végbe a szerves anyag lebontása. A 6. ábrán mezofil és termofil tartományban láthatók a fajlagos biogázképződés izotermáit eltérő alapanyagnál idő függvényében. Termofil eljárásnál általában 15-20%-al több biogáz állítható elő ugyanolyan szerves anyagból a mezofil eljáráshoz képest, ugyanakkor a folyamat rövidebb idő alatt zajlik le. Ennek viszont az az ára, hogy a hőmérséklet optimum fenntartása pontosabb szabályozást, nagyobb energia felhasználást igényel, ugyanis a termofil baktériumok érzékenyebbek a külső körülményekre. 26

27 A gázhozam alakulása a hőmérséklet függvényében 2 kísérletnél (eltérő alapanyag, eltérő vetítési alap) a., b., A hőmérséklet és a fajlagos biogázképződés jelleggörbéi az idő függvényében, termofil (a) és mezofil (b) hőmérséklet-tartományban 27

28 Az erjesztési folyamat megindításánál a hőmérsékletet csak lassan szabad emelni, maximálisan napi 2 C-kal. Az optimum elérése után az egyenletes hőmérséklet fenntartása a folyamat hatékonysága szempontjából nagyon fontos. Az optimumtartományon belül bekövetkező hőingadozás is a metánképződés csökkenéséhez vezet, a gyakori hőmérsékletingadozás pedig a biokémiai egyensúly felbomlását eredményezheti (elsavanyodás, a biogáz víz- és széndioxid-tartalmának emelkedése stb.) A hőmérséklet 4, ill. 15 C ig történő csökkenése a metántermelés leállítása esetén nem okozza a mezofil, ill. termofil mikroorganizmusok pusztulását, csak tevékenységük erősen lecsökken, latens állapotba kerülnek. Ebből következik, hogy akár egy év múlva is, fokozatos melegítéssel a folyamat ismét beindítható, külön oltóanyag adagolása nélkül. Ennek elsősorban a szezonális hulladékok feldolgozása estén van jelentősége. Technológiai szempontból nagy jelentőségű az erjedési folyamat hatásfokára az alapanyag folyamatos keverése. Fentiek miatt a táblázat adatai megközelítő pontosságúak, és messzemenően figyelembe kell venni a következőket: - Adaptációs idő: Túlnyomórészben olyan gátló anyagok mutatnak normál esetben visszafordítható hatást, melyek egy adott adaptációs időn túl eltűnnek. Az eredeti biomassza összetételétől is függ, hogy milyen gyors a baktérium alkalmazkodó képessége. - Hozzáadás jellege: Egy beadott gátlóanyag hatása eltérő lehet a biogázelőállítási folyamatra, attól függően, hogy egyszeri (rövid idő alatt) vagy folyamatos (hosszú ideig tartó) hozzáadásról van-e szó. Egy rövid idő alatti hozzáadás csak akkor okoz visszafordíthatatlan állapotot, ha a hatásidő elég hosszú, és a koncentráció elég magas volt. - Fermentortípus: A gátló anyagok toxikus hatása függ a fermentor üzemi technológiájától. A hatást befolyásolja többek között az, hogy történik-e végtermék visszatartás ill. visszaoltás, vagy a keverés milyen módon történik. - Antagonisztikus/synergikus hatások: A különböző gátló anyagok a biomasszában levő bizonyos komponensek jelenlétében eltérően hatnak. A gátló hatás csökkenhet ill. erősödhet. Pl.: A nehézfémek gátló hatása függ az egyidőben jelenlévő anionoktól. Egyes fémek a kénhidrogén jelenlétében kiesnek, vagy komplex kötésbe kerülnek. A magas szulfidion tartalom toxikus hatást mutathat, mely függ a hőmérséklettől és ph értéktől is. Az adott károsanyag hatásának csökkentése ellentétes hatású anyagok hozzáadásával lehetséges. Ez azonban különböző problémákat vethet fel. Fentiek ellenére legtöbb anaerob folyamat a gátló anyagokkal szemben viszonylag érzéketlen, és az esetek nagy részében ehhez az alkalmazkodóképesség is hozzásegít (a gátlóanyag tartalom az eredeti toxikus koncentrációnál lényegesen nagyobb is lehet. 28

29 4. A biogáztermelés technológiai és technikai kérdései A biogáz előállításának legelterjedtebb módszerei Külföldön (elsősorban Kínában és Indiában) legnagyobb számban kis, családi méretű biogáztermelő aknák létesültek. Az infrastruktúrával nem rendelkező régiókban a 3. számú ábrán bemutatott kis berendezésből több, mint 10 millió darab üzemel. Biogáztermelő akna. A nagyobb szennyvíztisztító telepeken évtizedek óta alkalmazzák az un. folyékony biogáztermelő technológiát. A biológiai tisztítás során keletkező fölösiszapot 4-6% szárazanyag-tartalomra besűrítve iszaprothasztóba vezetik. A keletkező biogázt a szennyvíztisztító telep saját energiaellátására hasznosítják. A kirothadt iszapot víztelenítés után komposztálják, a csurgalékvizet tisztításra visszavezetik a szennyvíztisztítási technológiára.. Folyékony (sz.a. < 6%) biogáz-technológia Az elmúlt két évtizedben Európa szerte igen dinamikusan terjed az állattartó telepeken keletkező trágya hasznosítására az un. nedves eljárás, amit a 4. számú ábra szemléltet. 29

30 Az eljárás lényege, hogy speciális, aprítókéses szivattyúkkal és keverőkkel 12% szárazanyag tartalmú trágya homogenizálása, szállítása és keverése is megoldható. A magasabb szárazanyag tartalmú trágya hasznosítása kisebb fermentor térfogatot igényel. A keletkező biotrágyát 180 napos tározás után a termőföldön tápanyag-utánpótlásra hasznosítják. A technológia elsősorban a híg sertéstrágya és az ezzel együtt kezelt magasabb szárazanyagtartalmú biomassza hasznosítására alkalmas. Nedves (sz.a. < 12%) biogáz-technológia. Világszerte erős a törekvés az un. száraz 25-50% szárazanyag-tartalmú biomassza hasznosítására alkalmas technológiák fejlesztésére. Ebben élenjáróak a magyar mérnökök. A 6. számú ábra az erre a célra alkalmas, Dr. Bartha István által kifejlesztett technológiát mutatja. Az eljárás lényege, hogy az almos állattartás során keletkező trágyából állít elő biogázt és biotrágyát. A biogáz hasznosítása megegyezik az előzőekkel. A keletkező biotrágya a hagyományos trágyaszóró gépekkel juttatható ki a mezőgazdasági területre. 30

31 Száraz (sz.a. < 50%) biogáz-technológia. A bemutatott eljárások tipikusak. Világszerte számos változatuk létezik, melyek lényege közös, nevezetesen az, hogy a biomasszában rejlő energiát és tápanyagot minél hatékonyabban hasznosítsák. Európában és a világ fejlett országaiban rendkívül dinamikusan fejlődik a megújuló energiaforrásokból ezen belül a biomasszából származó villamos energia felhasználása. Ennek megfelelően főként a villamosenergia-termelést szolgáló biogáztechnológiákat fejlesztik. Az alapanyag előkészítés Tárolás, takarás Nyersanyag tárolása: Biogáz berendezések nyersanyagai keletkezésük és beszállításuk szerint: Folyamatos beszállítás: szennyvíziszap trágya és trágyalé élelmiszer hulladék vágóhídi hulladék Szakaszos beszállítás: fű, széna lucerna energiafű konzervgyári hulladék Éves beszállítás: kukorica napraforgó szár cukorrépa levél és hulladék burgonya levél csicsóka szalma Folyamatos beszállításnál nagyobb tároló kapacitásra nincs szükség. Általában 7-8 napos tartalék tárolása elegendő. 31

32 Szakaszos (évenként 2-4 szeri beszállítás főleg nyári és kora őszi időben) és éves beszállításnál tárók kapacitását úgy kell megválasztani, hogy az egész éves biogáz berendezés nyersanyaga biztosított legyen. Tárolás formái Siló (fű, lucerna, cukorrépa levél, burgonya levél stb.) A fű, lucerna, cukorrépa levél, burgonya levél zárt silóban történő tárolására azért van szükség, hogy lehetőleg az aratási állapotot őrizzük meg a jobb biogáz termelés érdekében. Tárolás takarással (energiafű, kukorica, szalma, napraforgó szár, stb.) Az anaerob erjesztés számára az ártalmatlanító helyre beszállított anyagot takarással kell ellátni a környezetvédelmi előírásoknak megfelelően. Erre azért van szükség, mert a mezőgazdasági hulladékok (elsődleges, másodlagos, és harmadlagos biomassza) már a hulladékká válás pillanatában rengetek mikroorganizmust (baktériumot, gombát, ezek petéit) tartalmazhatja, aminek következtében a szerves bomlási folyamatok elkezdődnek. A bomlási folyamatok alkalmával még a tároló területen megváltozhatnak a nyersanyag tulajdonságai, állaga, halmazállapota. A bomlás és a rövid tárolás időtartama alatt szaghatások (bűzhatás) elterjedésének, a nedvességtartalom változásának a rágcsálók, rovarok, és egyéb férgek hozzáférésének megakadályozása a cél. Az üzem kialakításakor környezetvédelmi hatástanulmányt ill. létező üzem esetén időszakos felülvizsgálatokat kell tartani és a elérhető legkorszerűbb technikákat kell alkalmazni a nyersanyag elzárására a környezettől. Az alapanyag tároló vízzáró szigetelését is meg kell oldani vízzáró betonréteg kialakításával, hogy a szerves anyag bomlástermékei, az abból kiáramló csurgalékvíz ne szennyezze az altalajt, és ezen keresztül a felszíni (patakok, folyók, tavak) és felszín alatti vizeket (talajvíz, rétegvíz, karsztvizek). A hidrogeológiai áramlások során a szennyezett vizek vízkivételi művekbe (kutak, galériák) juthatnak, szennyezhetik a mezőgazdasági, erdőgazdasági kultúrákat, védett növényeket, állatokat, embert épített környezetet. A takarással meg kell akadályozni a könnyen illó szerves savak légkörbe kerülését, mert ez savas esők kialakulásához is vezethet, mely visszahullva károsítja a természetes és mesterséges környezetet. A nyersanyagtárolót és az egész üzemet övárok rendszerrel külső és belső övárkokkal kell körülvenni, hogy a telepre a környezetből ne érkezzen fölösleges víz mennyiség, mai elszennyeződve kikerülhet a telepről ill. a telepen keletkező vizek se kerülhessenek ki a környezetbe. Az élelmiszer és vágóhídi hulladékok tárolásánál figyelembe kell venni, hogy ezek a veszélyes hulladékok (2-és 3-as osztály) közé tartoznak (lásd EU 1774/2002 előírást, valamint a 71/2003 FVM rendeletet). A veszélyes hulladékokat higienizálni kell, és zárt tartályokban kell tárolni. Az említett EU előírás értelmében veszélyes hulladékok beszállítása csak külön úton történhet. Biztosítani kell a beszállító útvonal és a szállító jármű fertőtlenítésének lehetőségét. Nyersanyag lefejtése csak zárt jól átszellőzött térben lehetséges. Meg kell akadályozni megfelelő szellőző berendezés és légszűrő segítségével a nyersanyag bűzének épületből való kijutását. (Depressziós szellőzés) 32

33 A nyersanyag előkészítése Biogáz berendezések nyersanyagának előkészítés Veszélyes hulladékok: élelmiszer maradék vágóhídi hulladék 2-es, 3-as osztály állati hullák 2-es, 3-as osztály Veszélytelen hulladékok: mezőgazdasági hulladék konzervipari hulladék szennyvíziszap trágya, hígtrágya Veszélyes hulladékok 2004.május 1 óta Magyarország EU tagságát követően az EU előírásai a mérvadók. A 71/2003 (VI.27.) FVM rendeletben foglaltak így nem érvényesek. FVM közlése alapján a veszélyes hulladékok kezelésére az Európa Parlament által október 3.-án hozott 1774/2002 rendelet a kötelező. A fenti rendelet a nem emberi fogyasztásra szánt állati melléktermékeket szabályozza és 3 osztályba sorolja. Az első osztályba sorolt szarvasmarha, juh és kecskék tetemeit, vágóhídi hulladékát, vadállatok hulláit, valamint a nemzetközi forgalom ételmaradékát és konyhai hulladékát csak égetéssel lehet megsemmisíteni. A 2-es és 3-as osztályba sorolt hulladékot lehet higienizálás után biogáz berendezésben felhasználni. Higienizálás hőfoka és ideje a hulladék, darabolás előtti nagyságától függ: darabok 50 mm nagyságot meghaladja: perc darabok 150 mm nagyságot meghaladja: 133 C 125 perc darabok darabolás után 30 mm nagyságot nem haladja meg: 100 C 95 perc 110 C 55 perc, 120 C 13 perc darabok darabolás után 20 mm nagyságot nem haladja meg: 80 C 120 perc 110 C 60 perc A beszállított veszélyes anyagokat amennyiben tárolásra szükség van, úgy zárt tárolóban hűteni kell. Veszélyes hulladékot higienizálás előtt max. 5 mm nagyságra darabolni kell. A feldarabolt hulladékot autoklávokban a fenn említett hőmérsékleten és időtartalomig főzni kell. Általában a főzést 3 bár nyomású 133 C-u telitett gőzzel végzik. Az élelmiszer maradékok higienizálása 70 C-on 1 óra idővel történik. A higienizált nyersanyagot rozsdamentes ellenáramú hőcserélővel le kell 55 C-ra hűteni (termofil baktériumok) és csak ezek után lehet a biogáz berendezésbe adagolni. Többnyire szükség van egy közbenső tároló tartályra is mivel a higienizálás nem folyamatos, de a biogáz berendezésbe való adagolás folyamatosságot igényel. A veszélyes hulladékok savas bomlása általában a rothasztóban (fermentáló) történik 33

34 Veszélytelen hulladékok A veszélytelen hulladékokat hasonlóan 5 mm nagyságra kell feldarabolni. A feldarabolt nyersanyag egy föld alatti érlelő keverő tartályba kerül, ahol víz hozzáadásával állandó keverés mellett a savas lebomlás megindul. Amennyiben hígtrágya (2-3% szárazanyag tartalom) vagy szennyvíztelepek végterméke ( 3-5% szárazanyag tartalom) rendelkezésre áll, úgy a hígítás ezzel történik. 34

35 5. A biogáz üzem létesítése és üzemeltetése Biogáz berendezés felállításának feltételei Biztosítani kell kb. 1 ha területet Biztosítani kell megfelelő burkolattal ellátott közlekedési utat Biztosítani kell a biogáz berendezés végtermékének az elhelyezését Amennyiben elektromos áram eladása a fő cél úgy a biogáz berendezés közelében szükség van egy 10 vagy 20 kv-os vezetékre, amire rá lehet csatlakozni. Biztosítani kell a gázmotor hőjének felhasználását Biogáz berendezés helyigénye általában 1 ha. Ez a terület elegendő a biogáz berendezés felállításához, a nyersanyag és a végtermék tárolásához. A terület lehetőleg sík legyen, hogy a beszállítás és a műtárgyak elhelyezése könnyű legyen. Lehetőleg a kijelölt terület ne legyen lakóházak közelében és az uralkodó szélirány ne a lakóházak felé fújjon. A biogáz berendezés területét megfelelő kerítéssel kell körülvenni. A biogáz berendezés építéséhez és a nyersanyag beszállításához megfelelő burkolatú aszfalt vagy beton út álljon rendelkezésre. Amennyiben a biogáz berendezésben veszélyes hulladék is feldolgozásra kerül, úgy a biogáz berendezés veszélyes hulladékot feldolgozó részéhez külön csatlakozó utat, valamint szállítójármű-mosó helyet kell kialakítani. Ennek útszakasznak a csapadékvízét külön kell elvezetni, és zárt tartályba gyűjteni. Biogáz berendezés a nyersanyag szerves anyagát 85-98%-ban lebontja. A végtermék kiválóan megfelel a földekre való kihordásnak. A nagy mennyiségre való tekintettel a kihordáshoz nagy területigény szükséges. Amennyiben a közelben szennyvíztisztító létezik, úgy a szennyvíztisztító iszapját a biogáz berendezésben fel lehet használni, és a biogáz berendezés végtermékét a szennyvíztisztítóba visszavezetni. Ebben az esetben nincs szükség kihordó földterületre. Gazdaságosan biogáz berendezést jelenleg csak úgy lehet üzemeltetni, ha biogáz motor által termelt elektromos áramot a közhálózatba tápláljuk. Nagyobb energia mennyiséget nem lehet az alacsony feszültségű hálózatba táplálni. A betáplálási feszültség általában 10, vagy 20 kv. Betápláláshoz szükség van egy transzformátor állomás kiépítésére. A csatlakozás feltételeit a helyi áramszolgáltatóval kell egyeztetni. Az 52/2002 (XII.31) GKM rendelet előírta, hogy csak abban az esetben jogosult a termelő a KÁP-pal támogatott elektromos áram eladási árára, ha a gázmotorok összhatásfoka évenként és havonként a 65%-ot eléri. Ezt a határt a 105/2003 (XII.31) rendelet felemelte 75 %-ra. Jelenleg szó van róla, hogy ezt a határt az EU szintjére 65%- ra csökkentik. Mivel a biogáz motorok elektromos hatásfoka 30 és 42% között mozog, így a hő hasznosításra mindenképp szükség van. A biogáz berendezések hőjét fel lehet használni fűtésre, melegvíz termelésre, illetve abszorpciós berendezéseken keresztül hűtésre is. Célszerű a biogáz berendezést ott létesíteni, ahol télen nyáron hőigény jelentkezik. Ilyen helyek például konzervgyárak környéke, hűtött tárolók vagy üvegházak közelsége. Lehetséges megoldás az is, hogy a gázmotort nem a biogáz berendezés helyén, hanem a fogyasztóknál állítják föl. Ennek a feltétele a biogáz szállítása. A szállítás megoldható gázvezetékkel vagy gáztartállyal. 35

36 Biogáz berendezés felépítése Fogadótér A beérkezett nyersanyagok elhelyezéshez olyan területre van szükség, amely nem engedi a nyersanyagok csurgalékait az talajba és ezen keresztül a talajvízbe, felszíni vizekbe szivárogni. Aprítóberendezés Az aprítóberendezés célja, hogy a nyersanyag, a szerves biomassza, mely a legkülönbözőbb szerves anyagokat tartalmazhatja minél kisebb szemcsenagysággal kerüljön az előerjesztő tartályba. Biogáz berendezések nyersanyagát általában 5 mm nagyságra szokták feldarabolni. A meghatározott szemcseméret elérésének célja a minél hatékonyabb feltárás. Az aprítóberendezés mozgó vágóelemeket (forgó késeket és álló vágóéllel kialakított felületeket) tartalmaz, melybe pl. csigás, szállítószalagos, elevátoros, vagy kanalas megoldással történik a szerves feladás. Keverő és elő-tartály (csőfermentáló esetén) A már felaprított nyersanyag egy vízzáró betonból készült tartályba kerül. Állandó keverés mellet itt megkezdődik a savas lebomlás. Általában a nyersanyag 2-3 napot tartózkodik az előerjesztő-tartályban. A savas előerjesztés során a lebontás folyamata olyan fázisba került, ahol a rothasztókba átemelve az anyagot már megkezdődik a metanogén fázis és a biogáz képződés. Átemelő szivattyúk Feladatuk, hogy az előerjesztő tartályból, átemeljék az előerjesztett zagyot a rothasztó fermentáló tartályokba. Fermentálók Biológiai hulladékok lebontására két egymástól különböző típusú rothasztó fermentáló berendezést használnak: tartályos fermentáló csőfermentáló Tartályos fermentáló Tartályos fermentálók nagysága változó. Létezik nagyobb háztartások biológiai hulladékát feldolgozó acéllemezből készült fermentáló berendezés. Nagyobb fermentáló berendezések víz- és gáztömör vasbetonból készülnek. Tartályos fermentáló lényege, hogy egy álló tartályba közvetlenül a tárolóból táplálják a nyersanyagot. Előnye: olcsó beruházási költség nagyobb felület miatt könnyebb a kigázosodás Hátránya: Savas lebomlás (ezen a helyen még nem keletkezik biogáz) itt történik Nagy felület miatt az ülepedés és felúszás veszélye nagyobb Friss anyag keveredik a már lebomlott anyaggal 36

37 Csőfermentáló Csőfermentáló egy közel vízszintesen fektetett acéllemezből készült tartály. Előnye: Folyamatos egyirányú anyagmozgás, így a friss anyag nem keveredik a lebontott anyaggal Állandó folyamatos keverés mellet csekély a felúszás és ülepedési veszély. Veszély esetén könnyebb beavatkozás. Magas szintű lebomlás mellet jobb gáztermelés. Hátránya a magas beruházási költség. Utófermentáló Már részben lebomlott nyersanyag a fermentáló berendezésekből a víz- és gáztömör vasbetonból készül utófermentorba kerül. Az utófermentorban a lebomlás folytatódik. A szerves anyag típustól függően 85-98% bomlik le. Keverő berendezés A keverés célja a homogén anyag eloszlás biztosítása. A minél változatosabb összetevőkből álló alapanyagot a legnagyobb hatásfokkal egyenleteses eloszlásban kell mozgatni, hogy az egyenletes hőmérsékletei és ph tartományok kialakuljanak ill. a beoltásra szolgáló baktérium kultúra egyenletes elkeveredését biztosítani lehessen. A keverést villanymotorral meghajtott forgólapát végzi, melynek különféle a célnak megfelelő profilt alakíthatunk ki az igényeknek megfelelően. A keverés kivitelezése megoldható olyan formában, hogy a keverőfej függőleges és vízszintes irányban elmozgatható legyen, így a keverés kielégítő hatásfoka biztosítható. Átemelő szivattyúk Feladatuk, hogy az előerjesztő tartályból, átemeljék az előerjesztett zagyot a rothasztó tartályokba. A savas előerjesztés során a lebontás folyamata olyan fázisba került, ahol a rothasztókba átemelve az anyagot már megkezdődik a metanogén fázis és a biogáz képződés. Az átemelő-szivattyúnak megfelelő mélységből fel kell tudnia venni az átemelendő zagyot. A szivattyúk jelleggörbéiből, térfogatáramaiból, nyomatékából, fordulatszámából, emelőmagasságából ki kell tudni választani a célnak megfelelőt. Célszerű különleges acélból készült terméket választani a gyártók szakkatalógusaiból, hogy a savas esetleg lúgos környezet ne tegyen kárt a felépítményben, valamint a megfelelő tömítő és védőanyagokról burkolatokról érintésvédelemről gondoskodni. Biogáz tárolása A rothasztókból ill. az utófermentálóból kikerülő biogázt egy különleges anyagból készült gáztárolóban gyűjtik. A gáztároló kialakítása egy műanyag ballonszerű szerkezeti egység. A keletkező gáz ebben a ballonban kerül tárolásra. A ballon alakváltozó falazattal a rendelkezik. A gáztárolóban kialakuló nyomást pontos ellenőrzés alatt tartjuk, úgy, hogy az megfelelő előnyomást idézzen elő. Így a felhasználásra kerülő biogáz a motortípustól és igényeitől függően adott előnyomással jut el a gázmotor tüzelőanyag ellátó rendszeréhez. 37

38 Ha a gázmotor üzemen kívül van ill. nem termel mert mélyvölgy, vagy völgy időszakban vagyunk de a gáztartály azonban megtelt, tehát kialakult benne a maximális nyomás, melyet még biztonságosan tud tartani, akkor a biztonsági berendezéseken keresztül a fölösleges biogáz mennyiség elfáklyázásra kerül. Biogáz berendezések létesítésénél legfőbb szempont a biológiai nyersanyag minőségének és mennyiségének meghatározása. A biogáz berendezés meghatározásánál feltétlenül ügyelni kell arra hogy a nyersanyag folyamatos, legalább 15 éves biztosítása lehetséges legyen. Feltétlenül szükséges ezt előszerződésekkel, szerződésekkel rögzíteni. Nyersanyag függvényében kell eldönteni a biológiai rothasztók fermentálók típusát. Épület a gázmotorok, kazán, elektromos elosztók, stb. részére A lapos tetejű épület hagyományos módon lesz felépítve. Nagy gond lesz a gázmotorok zajának csökkentésére fordítva. Itt kerülnek elhelyezésre: gázmotorok, kazán, kapcsoló szekrények, iroda, szociális helyiségek. Nyersanyagtároló A mezőgazdasági hulladék tárolására egy aszfaltozott terület lesz kijelölve, ahol a biogáz berendezéséhez szükséges anyagot tároljuk. Daraboló (mezőgazdasági hulladék részére) A biológiai hulladék a fermentáló épület előteteje alatt elhelyezett daraboló segítségével kb. 0,5 cm nagyságra lesz feldarabolva és az előtároló-keverőbe adagolva. Daraboló (veszélyes hulladékok részére) A veszélyes hulladéknak számító állati hulladékot a 71/2003-as FVM illetve 1774/2002 EU rendelet értelmében teljesen külön kell kezelni. A beszállított nyersanyag a beszállítást követően fel lesz darabolva és hőkezelve. Előtároló-keverő, érlelő (hígtrágya és mezőgazdasági hulladék részére) Vízzáró vasbetonból épített előtárolóba került nyersanyag időszakosan, egy sínre szerelt merülésében állítható keverő segítségével lesz homogenizálva. Az előtárolóból a nyersanyag az érlelőbe kerül. Itt kezdődik a nyersanyag savas erjedése. Az előtárolóban még metán nem képződik. Az előtárolóban az anyag kb. 4-5 napig tartózkodik. Az előtároló és érlelő mellet lesz egy szivattyú akna kiépítve, úgy hogy az előtároló és az érlelő hozzáfolyással üríthetők legyenek. A szivattyú akna a keletkező CO 2 elszívására megfelelő szellőzéssel lesz ellátva. 38

39 Előtároló-keverő, érlelő (állati hulladék részére) Vízzáró vasbetonból épített előtárolóba került nyersanyaga darabolás után fel lesz hígítva és időszakosan, egy sínre szerelt merülésében állítható keverő segítségével lesz homogenizálva. Innen a nyersanyag szivattyú segítségével a hőcserélőn keresztül a hőkezelő tartályba kerül. Hőcserélő (hígtrágya és mezőgazdasági hulladék részére) A nyersanyag a mezofil metán baktériumok által kívánt 38 C-ra való felmelegítésére egy rozsdamentes acélból készített ellenáramú hőcserélő lesz felállítva. A hőcserélő hőszigeteléssel lesz ellátva. A hőcserélő fűtéséhez szükséges energiát a gázmotor szolgáltatja. Hőcserélő (veszélyes hulladékok felfűtésére) A nyersanyag a higienizáláshoz szükséges 70 C-ra való felmelegítésére egy rozsdamentes acélból készített ellenáramú hőcserélő lesz felállítva. A hőcserélő hőszigeteléssel lesz ellátva. A hőcserélő fűtéséhez szükséges energiát a gázmotor szolgáltatja. Autokláv (veszélyes hulladékok felfőzésére) Amennyiben a veszélyes hulladék nyersanyagot a 71/2003 FVM illetve 1774/2002 EU rendelet értelmében 133 C hőmérsékleten főzni kell, úgy az 3 bár nyomású gőz segítségével autoklávban történik. Hőkezelő tartály (veszélyes hulladékok higienizálására) A felváltva dolgozó két tartály acéllemezből készül, e mellett szigetelve van. Hőcserélő (felfőzött veszélyes hulladékok lehűtésére) A higienizált nyersanyag hűtésére egy rozsdamentes acélból készített ellenáramú hőcserélő lesz felállítva. A hőcserélő hőszigeteléssel lesz ellátva. A hőcserélő hűtéséhez szükséges energiát a friss nyersanyag szolgáltatja. Tartályos fermentáló Tartályos fermentor vasbetonból készült zárt tartály. Várható űrtartalma m³. Tartályos fermentor falfűtéssel 10 cm vastag szigeteléssel készül. A fermentorban két darab keverő van beépítve. A tartályos fermentorban a lebontandó anyag az adalék függvényében napig tartózkodik. 39

40 Csőfermentor részletes bemutatása A csőfermentorok 3,0 m átmérővel 25,0 m hossban acéllemezből készülnek. A tartályban fűtött keverők állandóan keveri az anyagot. A tartályon 2 db búvónyillás, töltő-, lefejtő és mintavételi csonkok vannak. A tartály szigetelve van. Utófermentor A hengeres utófermentor gáz- és vízzáró vasbetonból készül. Térfogata m³. Tartályos fermentor falfűtéssel 10 cm vastag szigeteléssel készül. Az utófermentorba csatlakozik a fermentorokból kijövő erjesztett anyag, illetve a keletkezett biogáz. Az utófermentorban két darab keverő van beépítve. Az utófermentorban még kigázosodó anyag hőmérséklete 38 C. Hőmérséklet tartása miatt az utófermentor kívülről 10 cm vastag szigeteléssel van ellátva. Az utófermentorból kikerülő anyag szagtalan! Végtároló Nyitott hengeres végtároló víztömör vasbetonból készül. Nagysága a keletkezett végtermék mennyíségétől és a min. 90 napos kihordási tilalomtól függ. Nagyságát befolyásolhatja továbbá a végtermék szeparálása, illetve a végtermék elhelyezhetősége, pl. Szennyvíztisztító. 40

41 Keverő Elő-tartályokba, tartályos fermentálókba, illetve utófermentálóba került anyagot az ülepedés és felúszás valamint a jobb kigázosodás érdekében állandóan vagy szakaszosan keverni kell. A keverő magasságágát lehet automatikusan vagy kézzel változtatni. A keverő fermentálók tetején történő átvezetés gáztömör kivitelbe készül. Az átvezetés, illetve a nyílás fedlapját úgy kell kialakítani, hogy kezelés és karbantartás végett ez könnyen oldható legyen. A keverés célja a homogén anyag eloszlás biztosítása. A minél változatosabb összetevőkből álló alapanyagot a legnagyobb hatásfokkal egyenleteses eloszlásban kell mozgatni, hogy az egyenletes hőmérsékletei és ph tartományok kialakuljanak ill. a beoltásra szolgáló baktérium kultúra egyenletes elkeveredését biztosítani lehessen. Szeparátor Biogáz berendezés végtermékét célszerű a földekre kihordani. Ezzel a megoldással műtrágyát lehet megtakarítani. Télen keletkezett végterméket célszerű besűríteni a tároló kapacitás csökkentése érdekében. Az utófermentorból kikerülő fermentált anyagból centrifugál szeparátor segítségével a száraz anyagot ki lehet választani. A szeparált végtermék földnedves (25-30% szárazanyag tartalmú). Az így besűrített anyagot márciusban trágyaszóróval ki lehet juttatni. Műanyag gáztároló A műanyag fóliából készült biogáz tároló az utófermentor tetején készült acélszerkezetű felépítményben kerül elhelyezésre. A biogázban lévő pára kicsapódásának meggátlására egy páraleválasztó lesz a gázvezetékbe építve. A gáztárolóban lévő gáz nyomása max. 200 Pa. 41

42 Víztisztító A szeparátorból kikerülő vizet egy szűrőn vezetjük át, és így a maradék szennyeződéstől megtisztítjuk. Gázérékelők Minden olyan helyen, ahol biogáz kerülhet a környezetbe, gázérzékelőket kell szerelni, így a: csőfementáló csarnokba, gáztároló környékére gázmérő helyiségbe gázmotor helyiségbe Megfelelő magasságú vízzár biztosítja 200 Pa nyomás tartását. Amennyiben a gáznyomás túllépi ezt a határt, úgy automatikusan beindul a gázfáklya és a fölösleges biogázt elégeti. Fáklyázó berendezés 1 lángvédő 2 láng 3 gyújtó elektróda 4 visszagyúlás-gátló 5 tartó 6 kábel 7 kapcsoló szekrény Ha a kazánházi és gázmotorgépház fogyasztók bármely ok miatt nem tudják elhasználni a termelődő biogázt, és a gáztároló megtelt, akkor lép működésbe az elfáklyázó berendezés. A fáklyázó a gáztároló szintjéről vezérelten automatikus működésű. Az automatikusan elektromosan működő gázfáklya 5 másodpercenként 1 másodperc gyújtási idővel üzemel A biztos gyújtás garantálására hálózat kimaradás esetére akkumulátor lesz beépítve. A fáklyázás technológiailag abban az esetben indokolt, amikor a gázmotor valamilyen oknál fogva nem használja fel a termelődő biogázt. A fáklyázó berendezés mindaddig üzemel, amíg a gáztartály meghatározott alsó szintig nem ürül. Ebben a helyzetben a fáklyázó automatikusan leáll és a biogáz felhasználási körbe a gázmotorok, illetve a kazán automatikusan kapcsolódik be. Az automatikus üzemű biogáz fáklyázó berendezést a gázáram (m3/h) és az üzemi nyomás (mbar) jellemzi. A berendezést ellátják gázelzáró szakaszoló gömbcsappal és az automatikus működés összes szerelvényeivel és berendezéseivel. A gázfáklya előtti visszarobbanás gátló berendezésrészben kondenzvíz gyűlhet össze, ennek időszakos leengedéséről gondoskodni kell, mert különben hibát jelez az automatika. 42

43 Kéntelenítés A keletkező biogáz kéntelenítése érdekében a biogázhoz a gázmérő vezérletével levegő lesz vezetve. A bevezetett levegő mennyisége töredéke a robbanáshatárnak. (bevezetett levegő mennyisége 4%-a biogáz mennyiségének. (Robbanáshatár 85-95%) 1 Gázmérő 2 Mágnesszelep 3 Visszacsapó szelep 4 Nyomáscsökkentő 5 Gáznyomásszabályzó Gáz nyomásfokozó Amennyiben gáz szállítása szükséges, úgy a keletkezett biogázt bár nyomásra emeljük. A 20 bár nyomás az általában használt propán-bután gáztárolók esetén célszerű. Nagyobb gáznyomást gázpalackok felhasználásánál alkalmazunk. Gáz ilyen arányú sűrítése azonban jelentős elektromos energiát igényel. Célszerű ilyen esetekben az elektromos energiatermelésre egy kisebb gázmotor felállítása. Biogáz helybeli felhasználása eseten nem szükséges nagyobb gázsűrítők alkalmazása. Kazán A biogáz berendezés elindításához szükséges hőenergia előállításához, illetve a biogáz motorok szerviz üzeme alatt szükséges hőenergia előállításához egy könnyű olaj tüzelésű kw teljesítményű felállítása szükségeltetik. Elektromos kapcsolószekrények A szükséges elektromos berendezések részére kis és középfeszültségű kapcsoló szekrények lesznek egy külön helyiségbe felállítva. 43

44 Transzformátor A gázmotorok által termelt elektromos áram áramszolgáltató részére történő átadásához egy transzformátor felállítása szükséges. Gázmotor A keletkező biogáz felhasználására egy vagy két biogázmotor és azokhoz csatlakoztatott generátorok kerülnek felállításra. Gázmotorok előtt a biogáz sűrítve lesz. Sűrítés folyamán a vízgőz tartalmú biogázból nagy részben a gőz kondenzvíz formában kiválik. Biogáz víztelenítése feltétlenül fontos, mert a vízgőz a gázmotorokban gőzütés idéz elő és így a gázmotorokat tönkreteszi és a hatásfokot rontja. Gázmotorok előtt általában tisztításra még aktív szénszűrőt is alkalmaznak. A sűrített biogázt nyomáscsökkentők segítségével a gázmotorok kívánt nyomására lesz csökkentve. A gázmotorok tengelyével közös generátor elektromos áramot szolgáltat. A termelt elektromos áramot saját felhasználásra illetve transzformátoron keresztül az áramszolgáltatónak át lehet adni. Gázmotorok elektromos hatásfoka a gyártmánytól és nagyságtól függően 30-42%. Gázmotorok hője fűtésre vagy abszorpciós hűtőgép segítségével hűtésre is felhasználható. Gázmotorok kipufogó gázvezetékébe hővisszanyerés érdekébe egy hőcserélőt lehet beépíteni. A kipufogógáz távozó hőmérséklete C. zajcsökkentés céljából egy hangtompító kerül beépítésre. Gázmotorok élettartalma a gyártmánytól függően óráig terjed. Gázmotorok szervizére általában üzemóra után van szükség. Kenőolaj részére külön nagyobb olajtartályokat szokás a gázmotorok mellé telepíteni. Gázmotor helyiségek zaj- és rezgéscsillapítására szükség van mivel a gázmotorok zajszintje db(a) között van. Gázmotor helységet megfelelő szellőzéssel kell ellátni. Gázmotorok szabályzására a gyártó szállítja a kapcsoló és vezérlő elektromos szerkezetet. Gázmotorokat lehet a kezelő épületbe vagy konténerbe telepíteni. 44

45 Szükség visszahűtő A biogáz motorok folyamatos üzemelése érdekében motoronként szükséges visszahűtés, erre a célra ventillátorok lesznek beépítve. Szabályzás Biogáz berendezés folyamatos üzemének és egyes berendezésének ellenőrzésére központi vezérlő rendszert kell kiépíteni. A vezérlő rendszer folyamatosan figyeli a gáz termelődést és ennek megfelelően adagolja a nyersanyagot. Figyeli és szabályozza a fermentáló hőmérsékletet. Riaszt a beállított paraméterek eltérésénél. Kazán A biogáz berendezés elindításához szükséges hőenergia előállításához, illetve a biogáz motorok szerviz üzeme alatt szükséges hőenergia előállításához egy könnyű olaj tüzelésű kw teljesítményű kazán. Elektromos kapcsolószekrények A szükséges elektromos berendezések részére kis és középfeszültségű kapcsoló szekrények lesznek egy külön helyiségbe felállítva. Transzformátor A gázmotorok által termelt elektromos áram áramszolgaltató részére történő átadásához egy transzformátor felállítása szükséges. 45

46 A fermentor üzemeltetése Az egyes szerves anyagok anaerob erjesztésekor a fajlagos gáz (metán) kihozatal elsősorban az alapanyag minőségétől, a hőmérséklettől és a reaktorban töltött időtől függ, a szárazanyagtartalomnak kisebb a jelentősége ebből a szempontból. Az alapanyag minőségétől való függésre mutat példát a következő ábra. Jelölés: 1. szennyvíziszap 2. fű 3. bendőtartalom 4. sertés hígtrágya 5. rozsszalma 6. szarvasmarha-ürülék, 7. szemét szervesanyagfrakció 1. ábra Gázképződés 32 C-on különböző nyersanyagoknál a reaktorban töltött idő függvényében A fajlagos gázproduktumot újabban nem a szárazanyagtartalomra, hanem annak a szerves anyagtartalmára adják meg (pl. liter vagy m 3 gáz/kg szervesanyag). Ritkábban az 1 t bevitt alapanyagból nyerhető biogáz mennyiséggel is találkozni lehet az irodalmi hivatkozásoknál Marha trágya Sertés trágya Tejipari melléktermék Répaszelet Sörtörköly Szeszmoslék Zöldhulladék Biohulladék Konyhai hulladék Hulladék zsír Használt olaj, zsír Az 1 t alapanyagból nyerhető gáz mennyiség m 3 -ben. A mezőgazdasági biogázüzemek legfontosabb alapanyagának tekinthető hígtrágyák (sertés hízó- és tejelő szarvasmarha trágya) erjesztési kísérletei (3. ábra) jól mutatják, hogy a biogázproduktum az erjesztés idejétől nagymértékben függ. Az ábra azt is jól szemlélteti, hogy az értékek nagy szórást mutatnak. Mindez a változó külső tényezőkkel magyarázható. 46

47 Tartózkodási idő befolyása a gázkihozatalra mezofil hőmérsékleti tartományban Labor és kisminta-kísérletek azt mutatták, hogy a szárazanyagtartalomtól a gáztermelés csak az erjesztés első időszakában függ, 20 nap körül a különbség eltűnik.(4. ábra) Fajlagos gázhozam (l/kg org.sz.a) Erjesztési idő (nap) A) Fajlagos gázhozam (l/kg org.sz.a) Erjesztési idő (nap) B) A gázkihozatal alakulása a szárazanyagtartalom és erjesztési idő függvényében A) Sertés hígtrágya B) Hízómarha hígtrágya. Félfolyamatos labor- és kisüzemi kísérletek, C erjesztési hőmérsékleten 47

48 Laboratórium által végzendő vizsgálatok A biogáztermelés csak állandó és pontos üzemellenőrző vizsgálatok mellett mehet jól Az üzemellenőrző vizsgálatok feladata a telep anyagmérlegének naponkénti meghatározása részben azért, hogy az egyes műtárgyak paramétereit a mindenkori terhelés optimális lebontására folyamatosan lehessen módosítani, részben azért, hogy a kezelés eredményességét - a kijelölt mért paraméterek naplóban történő rögzítésével - a hatóság számára naprakészen dokumentálni lehessen. A rothasztó üzemének legfontosabb makroszkópikus jellemzői (az adatok naponta rögzítendők): a betáplált kevert anyag minősége mennyisége, (Nem lehet a terhelési értéket, mint szivattyúteljesítményt mérni, mivel a mértékadó a szárazanyag terhelés. Tehát csak a mennyiség és koncentráció együttesen ad kielégítő terhelési adatot.) és a keletkező gáz mennyisége (ezen belül az elfáklyázott, illetve a fűtésre elhasznált biogáz mennyisége) A feladott anyag és a rothasztóban tartott biomassza szárazanyag-tartalmát 2-3 naponta célszerű meghatározni, hetente pedig a szerves anyag tartalmat is meg kell mérni. A rothasztás közben a szervesanyag-tartalomnak a betáplálthoz képest legalább 40 %-kal kell csökkennie. A naponta elvégzendő mérések közé tartozik még: a nyerslé hőfokának hőcserélő előtti és utáni folyamatos mérése.( A kirothadt iszap hőfokát iszapleengedéskor kell mérni.) a fűtés időtartama, a ph, amelyet a nyers és kirothadt iszapnál egyaránt naponta ellenőrizni kell. (A rothasztóban a ph 7 körül legyen, de 6,8-nál kevesebb nem lehet.) a biogáz összetétele (ebből naponta a H 2 S tartalom és hetente az egyéb gázösszetétel) Hetente célszerű a szerves illósav tartalmat, illetve a HCO 3 lúgosságot valamint az ezzel összefüggő ammónium ion koncentrációt meghatározni. Ha az illósav koncentráció 1000 mg ecetsavegyenérték/l alatt van vagy a lúgosság 1500 mg/l HCO 3 értéknél nagyobb, akkor a rothasztó üzeme megfelelő. Az ammónium ion koncentráció helyes értéke g/m 3 között van. A mért értékeket - természetesen a mennyiségi adatokkal együtt - a naplóban vezetni kell. A biogáztelepen végzendő karbantartási tevékenységek. A biogáztelep hatékony és biztonságos működéséhez annak állandóan üzemkész állapotban tartásáról, részegységeinek beállításáról, kipróbálásukról TMK keretében kell gondoskodni. A berendezéseket általában a szállítócégek, gyártóművek utasításai alapján kell karbantartani, illetve kenőanyaggal ellátni. Üzemből kiiktatott műtárgyak, gépek, csővezetékek, szerelvények, készülékek kimosatásáról, szennyeződések eltávolításáról gondoskodni kell. 48

49 A TMK terjedjen ki: a telep minden részére, a telep műtárgyaira, a telep épületeire, a telep úthálózatára, közműveire, világítására, a telepen működő gépekre, berendezésekre, a dolgozók egészségügyi berendezéseire. A műtárgy vizsgálata terjedjen ki: a vakolatok épségére, élek menti repedésekre, a vízzáró vakolat feltáskásodására, a szigetelések állapotára, a műtárgyak épségére, süllyedésére, repedések vízzáróságára, műtárgyak billenésére, a nyílásokat elzáró fedlapok épségére, a bukóélek pontos állására (vízmentességére), a fémes részek korróziójára, a falakon való csőátvezetésekre, esetleges átszivárgások vizsgálatára, a megkerülő vezetékek elzárására, a csővezetékek tömítetlenségeire, állapotára, a villamos gépekre és gépi berendezésekre, a gáztömörségi ellenőrzésekre a szükséges helyeken. A kezelők által végzendő ellenőrzések A karbantartás időszakosságára nincs egységes előírás, azt az üzemeltetőnek ütemeznie kell a technológia folyamatossága alapján. A megadott időpontok az üzemi tapasztalatok alapján módosulhatnak. Az üzemeltetést kiegészítő kisebb karbantartási műveletek az üzemvitel folytonosságát nem zavarják és a létesítmény egészét nem érintik (pl. zsírzások, tömszelence tömítés, csere, stb.) Napi ellenőrzések során ellenőrizni kell a tömszelencék csöpögését, a csapágyak hőmérsékletét. Ha a tömszelence csöpögése nagyobb a megengedettnél (percenként 60 csöpp), akkor enyhén és egyformán kell húzni a szorítópersely csavarját. Ha ez nem segít, akkor a tömítőkarikákat ki kell cserélni. A csapágyakat kézrátevéssel ellenőrizzük. A csapágy hőmérséklete 60 C foknál nagyobb nem lehet, melyet kezünk már nem bír el. A kopott csapágyakat zajos, kopogó hangjukról is felismerhetjük. Időszakos ellenőrzés Az alábbi vizsgálatokat szükség szerint, de legalább évente kétszer el kell végezni: Ellenőrizni kell a tömszelecében futótengelyrészt, illetve tengelyvédő hüvelyt, hogy nincs-e berágódás, vagy nagyobb méretű kopás. A zárófolyadékos tömszelencével 49

50 ellenőrizni kell, hogy az elosztógyűrű a furat alatt helyezkedik el és hogy a zárófolyadék nincs-e megtömődve. A csapágyakból az olajat és a zsírt el kell távolítani. A futófelületeket benzinnel vagy megfelelő másmódszerrel (petróleummal nem szabad) le kell mosni. Ellenőrizni kell, hogy nincs-e repedés, törés vagy túlzott kopás. A hibás alkatrészeket ki kell cserélni, majd újból fel kell tölteni az előírt kenőanyaggal. A zsírkenésű csapágy terét csak kb. 1/3-áig szabad feltölteni. Az olajkenésű csapágyakat az olajállás mutatón bejelölt szintig kell az előírt minőségű és viszkozitású olajjal feltölteni. Időnként ellenőrizni kell a hajtómotor és a szivattyú forgórészeinek egytengelyűségét. Ehhez oldani kell a tengelykapcsolót, ellenőrizni és megtisztítani kell az erőátviteli elemeket és felületeket. A sérült gumi vagy bőrdugókat kicseréljük, a csapágyat megzsírozzuk. Ellenőrizzük a tengelykapcsoló felek egymáshoz viszonyított helyzetét. Ez a tengelykapcsolóra erősített mérőórával lehetséges. Az ellenőrző mérést lehetőleg a szivattyú üzemi állapotában kell végezni. A villamos berendezések karbantartását a következő módon kell végezni: Hetente ellenőrizni kell a jelzőlámpák, kapcsolók üzemét. Havonta pormentesíteni kell a berendezéseket és ellenőrizni kell a vezérlési funkciókat. Évente ellenőrizni kell nagytakarítás keretében a teljes rendszert és ki kell tisztítani. A kontaktusokat szükség szerint kell karbantartani. A földelési ellenállásmérést a vonatkozó szabványoknak megfelelően el kell végeztetni és bizonylatolni. A karbantartási műveleteket és az üzemvitelt egyeztetni kell. A leürített, kikapcsolt stb. állapotot az összes hozzáférhetővé váló gépészeti, építményi, stb. részletek felülvizsgálatára és a javítására ki kell használni. A leszerelésre kerülő berendezések felülvizsgálatával, javításával a szállító vagy más szakcéget kell megbízni, a kívánt munkát időben meg kell rendelni. A vízügyi, gépészeti és acélszerkezeti berendezések nagyobb karbantartási, javítási, sőt cserélési részleteinek jelentős hányadát a korrózió miatti elhasználódás teszi szükségessé. Ezért a korrózió elleni védelemre különös gondot kell fordítani. A kezelési utasításban nem szabályozott teendők: A kezelési utasítás tartalmazza a működtetéssel, kezeléssel és karbantartással kapcsolatos teendőket, valamint a vízügyi és egészségügyi hatósági előírásoknak főbb pontjait. Az üzemeltetés közben előfordulhatnak azonban olyan problémák, amelyekre az utasítás egyértelműen nem rendelkezik. Ilyen esetben az alábbiak szerint kell eljárni: az üzemeltetés vezetőhöz kell fordulni, aki a problémát saját hatáskörében megoldja, házilag nem javítható meghibásodás esetén a gyártómű közvetlenül értesítendő, a tervezőhöz kell fordulni. 50

51 A jelen kezelési utasítás a tervdokumentáció részét képezi, hivatalos okmányként kezelendő. Egy-egy példányt a kezelő személyzet illetékes tagjainak és az üzemeltető vállalat illetékes vezetőjének rendelkezésére kell bocsátani. A kezelési utasítás egyes példányát állandóan a próbaüzemet irányítónál kell tartani. Medenceszerű műtárgyak leürítése, ellenőrzése a leürítést követően először mindig rövid ideig tartó száraz próbaforgatást kell végezni az eredeti állapot vizsgálata, szemrevételezése céljából, a felületvédelem állagát a víz alatti elhelyezésű gépi szerkezeteken (vízsugaras lemosatás mellett, hiba esetén javítani kell, a hegesztett szerkezetek a hegesztési varratok épségét, esetleges doformációkat. (Rendellenesség esetén feltétlenül javítás szükséges!) kotrólapátok gumirészének épségét, szükség esetén cserélni kell a gumilemezt (gumilemezek a fenéklemezhez ne érjenek, ne súrlódjanak, vályú bukóéleket és vályúfelületeket tisztítani kell. (Ha szükséges, akkor a vízszintes síkra történő utánállítást el kell végezni. Ennek szükségességét még leürítés előtt kell mérlegelni a V-bukók alsó csúcsának magassági ellenőrzésével, vízátfolyás ellenőrzéssel.) Rendkívüli műveletek, TMK vizsgálatok Valamely gépészeti berendezést huzamosabb meghibásodása esetén ki kell iktatni. A meghibásodásnál szükség lehet a megfelelő medence leürítésére is. A medencék leürítése gravitációs úton, vagy szivattyúval történhet. Ürítés után a medencét vízsugárral ki kell mosni. Ahhoz, hogy a telep mindenkor üzemképes legyen, szükséges, hogy minden műtárgy, berendezés, gépszerkezet tervszerű megelőző karbantartását megszervezzük. A hiba bekövetkezését megvárni nem szabad, a javításokat tervszerűen kell végrehajtani. A javítások ütemezését időszaki vizsgálatok előzzék meg. A vizsgálatok végrehajtásának módját úgy kell előírni, hogy a dolgozók egészsége, testi épsége minden körülmények között védve legyen. A vizsgálatok végrehajtásához szükséges védőeszközöket, szerszámokat, biztonsági berendezéseket az üzemeltetőnek be kell szereznie. A berendezések üzemképességéről a telep vezetője köteles gondoskodni. A vizsgálatok végrehajtásánál törekedni kell arra, hogy akkor végezzék, amikor a berendezés valamilyen okból nem üzemel, illetve amikor ezzel a legkisebb mértékben gátolják a telep üzemét. 51

52 6. A biogáz hasznosítása A biogáz energetikai jellemzői A biogáz összetétele és mennyisége több tényezőtől függ, de a gyakorlatban előforduló biogáz összetételét a táblázat adataival lehet figyelembe venni. Biogáz összetétele Gáz féleség Képlete Koncentráció (%) Metán CH (80) Széndioxid CO Víz H 2 O 2 (20 C) 7 (40 C) Kénhidrogén H 2 S ppm (2%) Nitrogén N 2 < 2 Hidrogén H 2 < 1 A biogáz fűtőértékét a metántartalma határozza meg, és mértékadó értéke MJ/m 3 (a fűtőértéket normál állapotú gázra 0 C, 1013 mbar nyomás tengerszint magasság adják meg.) A biogáz közvetlen elégetésénél a gázégők kialakítása és üzemeltetése tekintetében figyelemmel kell lenni a földgáz és biogáz égési tulajdonságbeli különbözőségére. A normál állapotú gázokra vonatkozó fontosabb értékeket a 2. táblázat tartalmazza. A földgáz és biogáz égéstechnikai jellemzői Földgáz Fűtőérték (MJ/m 3 ) 36,14 Sűrűség (kg/ m 3 ) 0,82 Gyulladási hőmérséklet ( C) 620 Max. égési seb. levegőben (m/s) 0,39 Elméleti levegő szükséglet 9,53 Max. CO 2 tartalma a füstgáznak 11,90 (térf. %) 59 Harmatpontja a füstgáznak ( C) Biogáz (60% metán) 21,48 1, ,25 5,71 17, A biogáz-hasznosítás lehetőségei A biogáz energetikai hasznosításának lehetősége megegyezik a földgáz, vagy a pb gáz felhasználásával. A felhasználás célszerűsége azonban azt követelné meg, hogy a felhasználás lehetőleg alkalmazkodjon a biogáz termelés ritmusához. A felhasználás másik szempontja, hogy lehetőleg ne kelljen, vagy ne jelentős mértékben kelljen átalakítani a keletkezett gázt, mert ezek a műveletek költséget és energiát igényelnek. A biogáztermelés komplex használatának lehetőségeire mutat példát az. 1. ábra. A biogáz felhasználása szempontjából az volna a legkedvezőbb, ha a keletkezést követően tárolás nélkül fel lehetne használni. Ezt a gyakorlatban azonban általában nem lehet megvalósítani, ezért kisebb-nagyobb gáztárolóról kell gondoskodni. A megtisztított és tárolt gáz felhasználásának elsődleges területei: háztartásban és mezőgazdasági tevékenységeknél a fűtés, főzés, melegvíz-előállítás, hűtés, stabil munkagépek közvetlen hajtása, biogázból villamosenergia-termelés (a termelt áram felhasználása világítási célokra, vagy ipari munkagépek hajtására sziget üzemben, vagy hálózatra való csatlakozással). 52

53 A biogáz-gyártás hasznosítás egy komplex lehetősége Kisebb településeken, ill. település-részeken a felhasználás lehetősége ugyanaz, mint a háztartásokban, de itt a felhasználók közötti vezetékhálózat megépítésével további alkalmazások és fogyasztási területek adódhatnak. Nagy biogáz termelő telepeken a felhasználás közvetlenül gázenergia-formában, eltüzeléssel, gázból villamosenergiatermelés, gáztisztítás és mosás után a földgázhálózatba való betáplálás, folyékony motorhajtó üzemanyag (metanol) előállítása lehet. A biogáz hasznosításánál azonban az energiaátalakító berendezések üzembiztonsága és élettartama miatt azonban többnyire mindenképen indokolt a keletkezett gáz tisztítása. A gáztisztítás a felhasználás pozícióit javítja, a fűtőértékét növelik. A biogáz energiasűrűségének növelése előnyös a szállítás, a tárolás és nem utolsó sorban a felhasználás szempontjából is. A minőség javításban a metánon kívüli gázok eltávolítását kell megoldani. A biogáz lehetséges összetételének ismertetésénél láttuk, hogy különböző gázféleségek keletkeznek az erjesztésnél. Ezek egy része a biogáz felhasználása során kellemetlen mellékhatásokat, főleg korróziót okoz a biogázt 53

54 hasznosító vagy kezelő készülékben és tartályon. Az esetleges tisztítási igényeket a különböző felhasználási módoknál a 3. táblázat mutatja. Tisztításkor a biogáz kénhidrogén (H 2 S), a víz (H 2 O) és széndioxid (CO 2 ) tartalmát csökkentjük vagy teljesen meg is szüntetjük. Tisztítási szükséglet a felhasználás módjától függően Hasznosítás módja H 2 S H 2 O CO 2 Gázégetés >0,1 térf. % nem nem Kapcsolt hő- és villamos >0,05 térf. % nem nem áram termelés Járműgáz (palackos) Igen igen igen Gázhálózatba táplálás Igen igen igen Fáklyázás Nem nem nem A biogáz előkészítése hasznosításhoz Széndioxid-leválasztás A biogáz termelése során legnagyobb mennyiségben a CO 2 keletkezik, melynek eltávolítása az elsődleges tisztítási feladat. A CO 2 eltávolítása feltétlen szükséges, ha biogázt komprimálni akarjuk, vagy ha biogázt minőségileg a földgázhoz kívánjuk közelíteni. Az eljárás viszonylag költséges, energiaigényes. A CO 2 eltávolítását végezhetjük abszorpcióval, adszorpcióval és membrános gázszétválasztással. Az első két megoldás függ a gáztisztaság szükséges mértékétől, a leválasztó-berendezés üzemmódjától, a nyers, ill. a tiszta gáz nyomásviszonyától, a megengedhető üzemköltségektől, a megkövetelt biztonságtechnikai felszerelésektől. A CO 2 abszorpció alatt annak a folyadékban való oldását értjük. Maga az oldás lehet fizikai vagy kémiai (vegyi úton történő) oldás. Fizikai abszorpció esetén az oldószer és az abszorbeáló komponens egyensúlyban van. A biogázt zárt tartályban lévő vízen kell átbuborékoltatni. A vizet célszerű nátrium- vagy kálium-hidroxiddal, esetleg mésszel lúgosítani. Így ugyanis a CO 2 karbonátot alkotva reakcióba lép ezek valamelyikével, és visszamarad a vizes közegben. Az egyszerű kémiai adalék nélküli átmosás is megfelelő lehet. Előbbi akkor szükséges, ha egész pontos gázminőség beállítás szükséges. Itt iszapeltávolításról kell gondoskodni. Ismeretes még a nyomás alatti mosás módszere. Ezt normál kompresszorral végre lehet hajtani, ugyanis a technológia elve a gázok különböző oldhatóságának nyomáshatár-különbségére támaszkodik. Az így dúsított gáznak a fűtőértéke 34 MJ/m 3 lehet, amely már benne van abban a sávban amely az országos hálózatban szállított gázok minőségi szabványában szereplő fűtőértéknek megfelel. A mosóvizet a gáztalanító toronyba vezetik amelyben a víz nagy felületen érintkezik a szabad levegővel, és így a CO 2 a víztől el tud válni. A leválasztott CO 2 több célra is hasznosítható. Az egyik ilyen lehetőség a un. levéltrágyázás. Ez olyan eljárás, amellyel a korai időszak zöldségtermelése gazdaságosan fokozható. A termesztett növények szárazanyaguk kb. 88%-át, tehát a túlnyomó részt a levegőben levő CO 2 -ből biztosítják. A szabad levegő CO 2 tartalma 0,03% körül ingadozik, tehát rendkívül kis koncentrációjú közegből kell a növények a testük felépítéséhez szükséges szenet kibányászniuk biotechnikai úton. Zárt térben (üvegház, fóliasátor, stb.) történő termesztés esetén a levegő természetes CO 2 tartalma annyira csökkenhet, hogy az asszimiláció lelassul, majd le is állhat. CO 2 -adagolással komoly eredményre lehet számítani már akkor is, ha csak a szabad levegőhöz viszonyított hiányt pótolják. 0,007-0,1 térfogat % CO 2 trágyázási tömörséggel (a levegőhöz képest) további mennyiségi- és minőségnövekedés érhető el, természetesen 54

55 akkor, ha a növény számára fontos élettényezők (hő, fény, víz, ásványi anyagok) egyébként optimális szinten tarthatók. Üvegházakba óránként és alap m 2 -enként 6 g, fóliasátrakba 1,822 g CO 2 bejuttatásáról kell gondoskodni az optimális eredmény eléréséhez. A számok azt mutatják, hogy az üvegházi termesztésnél hatékonyan használható a leválasztott CO 2. A jelentősége különösen nagy, ha az így megtermelt CO 2 adagolása az üvegházakban, a fűtött fóliasátrakban megfelelő műszerezés mellett, automatikusan megy végbe. A mezőgazdaság további területein (élelmiszeripari, ill. gyümölcs- és zöldségtározó hűtőházak, stb. ) ún. szárazjég is előállítható CO 2 -gázból. Kénmentesítés A vegyiparban használt kénmentesítő eljárások majdnem mindegyike közül a következő eljárások jöhetnek szóba: abszorpciós eljárás, melynek folyamán a H 2 S mint kénhidrogén regenerálódik (karbonátos eljárások, triaethalominnal való elnyeletés), mérgező anyagokkal folytatott eljárás (arzén-oxidos eljárás), az aktív szenes elnyeletési eljárás, amelynél szénszulfid keletkezés során robbanásveszély áll fenn, Clauss-féle eljárás (redukció a felszabadult elemi kénig, ezért nagyon drága). A régi katalízises, száraz eljárás tulajdonképpen jól alkalmazható, amely a Fe(OH) 3 -mal, mint katalizátorral dolgozik. Az egyszerűen, házilag is készíthető kénmentesítés vasreszeléket tartalmazó anyagon való átvezetéssel oldható meg. A kén reakciója vasszulfidot képez és csapadék formájában kiválik. A vasreszelék faforgácsra telepítve elfogadható eredményt nyújt. A szakirodalomban beszámolnak arról, hogy gazdaságilag előnyösebb a biogázt ammóniás oldaton is átvezetni, mivel akkor ammónium-szulfokarbonát csapódik ki, ami kinyerhető és az erjesztésnél, mint serkentőanyag, avagy a biotrágyában, mint tápértéknövelő komponens is értékesíthető. Biogáz termikus hasznosítása Főzés-sütés Főzésre-sütésre a biogáz ugyanúgy megfelel, mint a pb-gáz és a földgáz. Ez utóbbi gázfajtákhoz már rendelkezünk főzőlapokkal egybeépített sütőkkel. Ezek égőfejét biogáz üzemnél úgy kell beállítani, hogy a 22 MJ/m 3 fűtőértékű biogáz min. 4 mbar üzemi nyomástól felfelé legyenek működőképesek. A biztonságosabb égési feltételek mbar nyomásnál mutatkoznak, ezzel ugyanis kifogástalanul higiénikus az égés. Melegvíz-szolgáltatás biogázzal A melegvíz-szolgáltatás a személyi tisztálkodáson kívül a mosás és konyhai mosogatás melegvíz-igényét is tartalmazza. Ha központi melegvíz-szolgáltatás is van, a melegvíz-használat átlagosan 17%-kal nagyobb, így az energiaszükséglet: központi melegvíz-szolgáltatás egyedi melegvíz-szolgáltatás felnőttekre 5225 MJ/év, gyermekekre 2670 MJ/év. 55

56 Melegvíz-igény biogáz-szükséglete Háztartás típus jele Jellemzője: felnőttek száma, fő gyermekek száma, fő lakás alapterület, m 2 A 3-80 B C D Melegvíz-szolgáltatási energiaszükséglet, MJ/nap 42,9 50,3 71,9 93,5 Melegvíz-szolgáltatási biogázszükséglet, Nm 3 /nap 1,9 2,3 3,3 4,3 Lakások fűtése biogázzal A lakóépületek fűtéséhez szükséges energia a hőszigetelés mértékétől függ. Hőszigetelés szerint a lakóépületeket 3 osztályba sorolhatjuk: I. 116 W/m 2 korszerűen hőszigetelt épület, II. 128 W/m 2 szokásosan hőszigetelt épület, III. 191 W/m 2 régi, csekély hőszigetelésű épület. A típus-háztartások és családok által lakott épületek hagyományos gázkazánokkal való központi fűtésének biogáz szükségletét a táblázat mutatja. Fűtés biogáz-szükséglete Hőszig. fok Típus-család lakásfűtésének Energiaszükséglete, MJ/év Biogáz szükséglete, Nm 3 /év A B C D A B C D I II III Istállók fűtése Hazánkban az állatok tartásánál általában mesterséges szellőztetés jelentős villamosenergia igényt jelent, de a kisebb állatok számára az istállók téli fűtése is szükséges. A biogáz alkalmazása az állattartó létesítményeknél a hő és villamosenergia szükséglet energetikailag is előnyös. Baromfinál a téli időszakban jércénél és tojótyúknál átlagosan 10 C külső hőmérsékleten +18 C belső hőmérsékletű, 0,49 m 3 /h távozó levegőnél 1000 db-ra, 1,2 Nm 3 /h, ill. 29 Nm 3 /nap biogáz igénnyel lehet számolni. Sertésnél a kocaszállást, ill. a nevelőépületeket fűtik. Kocaszálláson a 200 kg átlagtömegű kocáknál 10 C külső hőmérsékleten 60 napig tartó fűtésnél a fajlagos hőszükséglet 1950 MJ/számosállat, nap, ami 1,8 Nm 3 számosállat,nap biogáz igényt jelent (1 koca = 0,4 számosállat). Az istállók korszerű energiatakarékos fűtési lehetőségei az infravörös hősugárzó. Ezeket a kismalacoknál, ill. a csibéknél és más baromfiaknál közvetlenül a keltetés utáni időszakban szokás alkalmazni. Az infravörös hősugárzók biogázra méretezett fúvókákkal biogázzal működtethetők. Alkalmasságuk feltétele, hogy a távozó gáz szén- 56

57 monoxidtól mentes legyen. A földgázzal és pb-gázzal működő infravörös hősugárzókat a biogázhoz is alkalmassá lehet tenni, és így alkalmazható az állattartó épületek fűtésére. Fejőház fűtésének biogáz igénye Fejőstehenek száma Síkvidéki klímájú terület energiaszükséglet biogázigény, Nm 3 /év Nm 3 /átl. fűtési nap Hegyi klímájú terület energiaszükséglet MJ/év biogázigény, Nm 3 /év Nm 3 /átl. fűtési nap Hűtés biogázzal , , , , , , , ,8 A mezőgazdaság területén a hűtőberendezések általában villamos energiával működnek. Az abszorpciós hűtőgépek elvben gázzal is üzemeltethetők lennének. A hazai nagyüzemi állattartásban a fejőházak tejhűtési igénye igen jelentős (400 tehén után 3,5 Nm 3 /nap). A nagyüzemi szarvasmarhatelepek rekonstrukciója során a tejhűtők hőenergia-igényét biogáz üzemmel lenne célszerű megoldani l/év átlagos tehenenkénti tejhozamnál a napi tejbegyűjtésre jellemző energiafelhasználás 7 MJ/100 l tej. Tejhűtés biogáz-igénye Tehénállomány (számosállat) Tejhűtés számosállatra (MJ/nap) 20 0,96 1,4 40 0,96 2,8 60 0,96 4,2 80 0,96 5, ,96 7,0 biogáz- SZükséges igény (Nm 3 /nap) Terményszárítás biogázzal A mezőgazdaságban (különösen a nagyüzemi gazdálkodásnál) az energia csúcsértékét a szárítás energiaigénye okozza. A meglévő terményszárítók rendszerint tüzelő olaj elégetésével működnek. Ezeket lehet átalakítani biogáz üzemre. A biogáz nagy előnye, hogy a biogáz elégetése során szennyező anyagokat nem termel, csak szén-dioxidot és vízgőzt ad le. A melegítés hatásfoka kb. 20%-kal javulhat az olajtüzeléshez képest. A berendezésből eltávozó hőenergiát hőcserélőkkel, hőszivattyúkkal vissza lehet vezetni a folyamatba újbóli hasznosítani. 57

58 Zöldtakarmány szárítás biogázigénye Szárított árú Biogáz szükséglet 80 % 14 %-os 10 h/nap 20 h/nap nedvesség-tartalommal szárítási idő esetén t/h t/h Nm 3 /nap Nm 3 /nap 2,31 0, Gabona-és kukoricaszárítás biogáz-igénye 10h/nap szárítási idő esetén Szárítandó Energiaigény Vízelvonás Biogáz szükséglet anyag, t/h MJ/h kg/h Nm 3 /nap Nm 3 /h Nm 3 /nap Gabona (kb. 4%-os nedvességelvonással) 0, Kukorica (kb. 25%-os nedvességelvonással) 0, Növényház, üvegház, fóliasátor fűtése biogázzal A különböző nagyságú növényházak, üvegházak energia- és várható biogáz igényének tájékoztató értékei 150 m 3 /év,m 2. Az éves igényből a kritikus téli biogáz igényt a lakásfűtésnél szerepelt havi bontás szerint alakul. Üvegházak fűtésének évi átlagos biogáz-szükséglete Fűtendő üvegfelület m Termosztátos hőkapcsolással MJ/h Biogáz-szükséglet Nm 3 /év Egy 1200 m 2 -es üvegház fűtési biogáz szükséglete havi bontásban Fűtőanyagigény-elosztás Biogáz-elosztás Hónap első- második- első- második- 1/2 hónapban, % 1/2 hónapban, m 3 /nap Január 9,8 10, Február 9,1 7, Március 6,5 5, Április 3,5 2, Május 1,8 1, Június 0,7 0, Július 0,2 0, Augusztus 0,2 0, Szeptember 0,8 1, Október 2,9 4, November 5,4 7, December 8,4 10,

59 A biogáz az élelmiszer feldolgozásban A mezőgazdasági üzemekben önálló ágazatként különböző élelmiszer-ipari üzemegységek is termelnek. Ezek a feldolgozott nyersanyag függvényében szezonálisak vagy folyamatosan üzemelők lehetnek. Hazánkban biogázzal üzemelő élelmiszer-ipari üzem még nem működik, pedig biogázzal való energiaellátásuk a hagyományos energiahordozókkal szemben kedvezőbb lehet. A húsipari- és konzervipari üzemekben is nagy lehetőség mutatkozik a biogáz hasznosításra. A biogáz átalakítása földgáz-minőségűre A hazai települések egy része az országos földgázhálózat közelében fekszik. Az ország településeinek legtöbbje pedig palackozott pb-gáz formájában kap háztartásában felhasználható gázt. Nyilvánvaló, hogy az országos földgázhálózathoz közel fekvő települések, ill. mezőgazdasági üzemek már huzamosabb ideje vezetékes csatlakozással élvezhetik a gáz adta előnyöket, a gáz használata tehát napjainkban már megszokott. A lakosság a palackos gázzal való ellátásáról szívesen áttérne a vezetékes gázfogyasztásra, hiszen így elmaradhat a palackok cseréjéből, házhoz- és visszaszállításból eredő többletmunkája. A helyi hulladékok feldolgozásával a biogáz-, biotrágya-előállító berendezésekkel ez ugyanilyen fogyasztási rendszerben és üzembiztonsággal megvalósítható. Hazánkban tehát olyan településeken, településekhez tartozó tanyákon (farmi gazdaságok), valamint a települések melletti nagyüzemi gazdaságokban célszerű és gazdaságos biogáz-, biotrágya-előállító berendezéseket telepíteni, ahol a jelenlegi palackos gázra való igényt biogázzal lehet kielégíteni. Továbbá ott, ahol az országos földgáz-vezetékrendszer vezetékeitől kb. 10 km-es sávon kívül esik a település, a tanya, vagy a mezőgazdasági üzem. Sajnos ez ma még országunk területének több, mint 80%- a. Adódhat olyan, az országos földgázhálózattól a 10 km-es sávon belül fekvő település, vagy mezőgazdasági üzem, amelynél a biomassza mennyisége és az abból előállítható biogáz több, mint a település biogázenergia-igénye. Biogáz, mint hajtóanyag Belsőégésű motorok üzemeltetése biogázzal (benzin-diesel motorok) A biogáz oktánszáma (ROZ<100, CZ 10, metánszáma 135), ez annyit jelent, hogy nagyon jól alkalmazkodik a nagyobb sűrítéssel rendelkező motorokhoz, ugyanakkor az öngyulladási tulajdonságaik rosszak. A szokásos sűrítése 8 és 11 között van. A robbanómotoroknál használt üzemanyagok megengedett kéntartalma 2,25 g/m 3, a mezőgazdasági eredetű biogáz jellemző átlagos kéntartalma 0,43 g/m 3. Igy külön a biogázt (a motor korróziója miatt) tisztítani nem kell, mivel a kén a motorolajban kicsapódik. A biogázzal hajtott motorokra a hazai és külföldi szennyvíztisztító telepeken már vannak tapasztalatok. Általában kétféle biogáz motoros égetési eljárást különböztetünk meg: a gáz-otto eljárás kombinációját, amelynél a gyújtás szikra segítségével történik, a gáz-dízel eljárás kombinációját, amelynél a gyújtás kompresszióval, dízelolaj befecskendezéssel vagy kellő bemelegedés után anélkül is végrehajtható. A biogáz nyomásának a motorokban legalább 4 barnak kell lennie. Ha a biogáz 60% metántartalmú, az üzemanyag szükséglet teljes terhelésnél 0,65 m 3 /kwh. Ez egy 50 kw-os motornál, tartós üzemeltetés esetén megközelítően 32,5 Nm 3 /h fogyasztást jelent. Közepes motorkihasználásnál 12 órára 60 Nm 3 -es fogyasztás várható. 1 Nm 3 biogáz közel 0,5 kg dízelüzemanyagnak felel meg. 1 kwh villamos energia előállítására 0,56 Nm 3 -t használtak fel. 59

60 A biogázzal üzemelő motoroknál azt tapasztalták, hogy az elhasználódás kisebb, mint a dízel üzemanyaggal való üzemeltetés során. A bevezetett biogázból a géptengelyről levett mechanikai munka 35%, hűtővízből visszanyert hőenergia 25%, a kipufogó gázból visszanyert hőenergia 23%, a géphelyiségben kisugárzó hőből az 5% többletenergia a beépített hőcserélőkkel tovább hasznosítható. Megállapították, hogy a biogázzal üzemelő motor hatásfoka közepes sebességen és nagy nyomatéknál ugyanolyan jó, mint a csak dízel hajtóanyagúé. Nagyobb sebességnél és kisebb nyomatéknál a kettős üzemanyagú motor teljesítménye nem érte el a csak dízelhajtóanyaggal üzemeltetett motorét. Tanácsosabbnak és gazdaságosabbnak ítélték a rendelkezésre álló hagyományos dízelmotorok átalakítását biogáz működtetésére, mint speciális, kettős üzemanyagú motorokat gyártani. A mezőgazdasági gépek és gépkocsik üzemeltetése biogázzal Az utóbbi évtizedben a személy- és tehergépkocsiknál a különböző gázféleségekkel így a biogázzal is nagy ütemben beindult a rendszeres üzemeltetés. A felhasznált gázféleségeket két csoportra oszthatjuk: 1. LPG = folyékony petróleum gáz (ami az olajfinomítás mellékterméke), 2. CNG = komprimált földgáz vagy biogáz. A folyékony gázféleségek emissziós értékei lényegesen kedvezőbbek, mint a benzin- vagy dízelolaj után származóak. összehasonlításul egy VW Golf GL típusú személygépkocsi benzin üzem esetén km-es úton 18t, míg biogázas üzem esetén 14t CO 2 -t bocsát ki. A dízelüzemű járműveknél a motort a kettős üzemre át kell állítani, a gázt a fojtószelep alá kell beadagolni. A biogázt a felhasználáshoz cseppfolyósítani kell. A biogáz cseppfolyósításának költsége a biogáz előállításának fajlagos üzemköltségéhez viszonyítva, annak további 54%-a. Egy-egy mezőgazdasági telepen a biogáz folyékony palackos tárolásával nemcsak a mobil traktorokat lehet jobb üzemanyaggal ellátni, hanem a stabil gépparkot is. Elektromos áram termelése biogázzal A keletkező biogáz egy része mindenképpen felhasználásra kerül a fermentor fűtésére. Ez azt jelenti, hogy állandó mennyiségű alapanyag betáplálása esetén is a hasznosítható gáz mennyisége szezonálisan változni fog: általában télen %-al kevesebb a hasznosítható gáz mennyisége mint nyáron. A változó hasznosítható gázmennyiség és a gázhasználat változó igénye csak jelentős gáztároló beépítésével jelenthet megoldást, ami a biogázüzem beruházási költségeit jelentősen megnöveli. Kedvezőbb lehetőségnek mutatkozik a keletkező gáztárolást nem igénylő felhasználása villamosenergia termelésre. Az így termelt villamosenergia kötelező hálózati átvételével az ilyen rendszerek, un. biogázerőművek kedvezőbb lehetőséget kínálnak a biogáz elterjesztéséhez. Biogázból villamosenergia alapvetően háromféle módon állítható elő, nevezetesen hagyományos rendszerrel, gázturbinával gázmotoros rendszerrel A hagyományos rendszereknél a gázból először nagynyomású gőzt állítanak elő, majd ezzel a gőzzel gőzturbinát meghajtva és erre generátort kapcsolva lehetett villamosenergiát előállítani. Az utóbbi években a földgáz előretörésével azonban egyre gyakoribb a gázgenerátoros rendszer, melynél a gáz elégetésével létrejövő térfogatváltozás közvetlenül mechanikai energiát eredményez, melyhez kapcsolható a generátor. A kifejlesztett gázmotorok biogázzal is működtethetők. A két rendszer közötti összehasonlításra szolgál a következő ábra. 60

61 Gázturbinás és gázmotoros villamosenergia-termelési rendszerek A gázturbinák alkalmazási formái és típus és teljesítményválasztéka széles határok között változik. Ismerünk kisebb teljesítményű, változó fordulatú un. Repülőgép gázturbinákat (Aeroderivates Gas Turbines ADGT) és állandó fordulatú nagy egységteljesítményű, un. Erőművi gázturbinákat ( Heavy Duty Gas Turbines- HDGT). Az erőművi gázturbinák lehetnek belső és küldő tüzelésűek., illetve nyitott és zárt körfolyamatúak. Földgáz és biogáz esetén a legegyszerűbb a belső égésű gázturbinák használata, melynél a komprimált levegőben égetik el a gázt és az égésterméket expandáltatjuk a gázturbinában. Az ilyen belső égésű gázturbina felépítése látható a 2. ábrán. Az ábrából is látható, hogy a belső égésű gázturbinák szükségszerűen nyitottak, mert a kompresszor a környezetből szívja a levegőt, és a gázturbina a levegőbe bocsátja az égésterméket. Belső égésű, nyitott gázturbina felépítése Jelmagyarázat: G - T 1 - T 2 - T 3 - T 4 - T h - P GT - Q 1 - A gázturbinából távozó égéstermék energiája ha hasznosítatlanul távozik a rendszerből, vagyis csak villamos energiát termelünk, akkor az energetikai hatásfok meglehetősen 61

62 alacsony. Az energetikai és üzemi tulajdonságok javítására általában a távozó gázokat hasznosítják. Ezzel az összhatásfok javul, de a villamosenergia mennyiség némileg kevesebb. Az ilyen un. kapcsolt hő és villamosenergia-termelő rendszerek energiafolyam ábrája a 3. ábrán látható. Fűtő gázturbina energiafolyam ábrája Jelmagyarázat: Q vü - Q v - G - η mü G +W K - Q f - P GT - W T - P V - W K - A kapcsolt energiatermeléssel magvalósított un. decentralizált energiatermelés a világon a kisebb berendezések irányában fejlődik. Akisebb teljesítményű gázturbinák a mini ill. a mikro-gázturbinák. Az ilyen kisebb teljesítményű (30-60kW) minigázturbinák szerkezeti kialakítását lényegesen leegyszerűsítették. Az egyszerű kompresszortüzelőtér-turbina-generátor kompakt egységet alkot, melyhez nem járulnak kiegészítő rendszerek, mint pl a hűtés, szivattyú hajtómű. Egyszerű felépítésüknél fogva üzemük megbízható, karbantartási igényük kicsi. A gázturbinák tüzelőtere a különböző minőségű kedvezőtlen tüzelési tulajdonságú tüzelőanyagokhoz jobban illeszthető, így jól használható olyan gázokhoz is, mint pl. a biogáz, melynek minőségi követelményei a gáztisztítástól függenek. A gázturbinára alapuló technológia egy viszonylag új fejlesztési irány. Terjedésének előfeltétele az volt, hogy olyan kisméretű berendezések kifejlesztése történjen meg, melyek beépítése és használata egyszerű, emellett hatásfoka a lehető legmagasabb legyen. Ma már megfelelő berendezések állnak rendelkezésre. Kisteljesítményű (28 kw) biogázt hasznosító gázturbina. 62