Biogáz-üzemi algarendszerek méretezése Algae systems combined with biogas plants

Átírás

1 Bai, Attila Bigáz-üzemi algarendszerek méretezése Algae systems cmbined with bigas plants Debreceni Egyetem, GTK, egyetemi dcens Bevezetés A szennyvíztisztítás két, skféle végtermék előállítására képes innvatív lehetősége a bigáz-előállítás, illetve az algatermesztés. A két eljárás külön-külön is megfelelő ártalmatlanításra alkalmas, ám együttesen skkal hatéknyabb módn képesek tisztítani a bevezetett szennyvizet. Ennek magyarázata, hgy az anaerb mikrrganizmusk elsősrban a szennyvízben található szerves anyagk lebntására képesek, az algák visznt a szervetlen (bigázüzem által jbban felvehető frmába átalakíttt) tápanyagk hasznsítására alkalmasak, így szennyvíztisztítási szempntból kiegészítik egymást. Ugyanakkr az algák több más felhasználási mód mellett akár bigáz-előállításra is felhasználhatók, ilyen módn lehetővé téve akár teljesen zárt tisztítórendszerek létrehzását is, aminek elsősrban a szántófölddel nem rendelkező bigáz-üzemek működtetésénél lehet jelentősége. A bigáz-üzem és az algatelep külön-külön is képes bármilyen fajtájú (hő, villams áram, hajtóanyag) megújuló energia előállítására. 1. A bigáz- és alga-rendszerek jelentősége A bigáz-előállítás környezetvédelmi és energiatermelési szempntból is figyelemre méltó eljárás, melynek hatéknysága aznban új módszerekkel és újszerű piackkal még jelentősen fkzható. A megújulókn belül az EU-ban éppen a bigáz-eljárás az, amely a legdinamikusabban terjed, 2013-ban 10 %-s vlt az iparág növekedése, az EU-ban mintegy bigázüzem működött és 70 ezren közvetve, vagy közvetlenül a bigázszektrban dlgztak az EBA becslése alapján (I-1, 2014). A bigáz energetikai jelentőségét aláhúzza, hgy napjainkban az EU-ban 14 Mrd m3 földgáz helyettesítésére alkalmas bigázt állítanak elő, ami 2020-ra várhatóan megduplázódik és ebből a várakzásk szerint Mrd m3 földgáz-egyenértéknyi mennyiség üzemanyagként lesz felhasználva (NGVA, 2009; EBA, 2014), ami hzzávetőleg megfelel hazánk teljes éves földgáz-fgyasztásának. Hazánkban 2012-ben 50 üzemben mintegy 80 kte (mintegy M Nm3) bigázt állítttak elő (EurObserver, 2013), melynek megszlása: 47 kte mezőgazdasági eredetű, 19 kte szennyvíztelepen képződött, 14 kte depóniagáz. A bigáz-üzemekben keletkező kierjedt szennyvíz tvábbi gázsításra már nem alkalmas, visznt jelentős mennyiségben tartalmaz makr- és mikrelemeket (elsősrban nitrgént, fszfrt és káliumt), valamint kierjedt szervesanyagt, melyek közvetlenül élővizekbe nem vezethetők. A kierjedt és a ki nem erjesztett szennyvíz tisztítására ugyanakkr igen hatékny rendszerként működhetnek az algák is. Napjainkban az xidáció hagymánys flyamata (a bigáz esetében is) jelentős mechanikai energiát 16

2 igényel, ami az algák esetében a nap energiájával valósítható meg, amelyek számára egyes szennyezőanyagk tápanyagként is hasznsíthatók naps algakezelés segítségével a vizsgált szennyvizek nitrgén-tartalma %-kal, fszfr-tartalma %-kal, kémiai xigénigénye %-ával csökkenthető (Wang et al, 2010, Li et al, 2011) A kársanyag-megkötésben is jelentős szerepük lehet az algáknak. Mivel a levegőben nrmál esetben mindössze 0,039 térf% (390 ml/l) a széndixid-kncentráció és ebből is mindössze 0,7 ml (1,4 g)/l diffundál a vízbe egyensúlyi állaptban, ezért terméskrlátzó tényezőként sk esetben a széndixid hiánya jelentkezik. ezért ennek pótlására akár a bigázüzem által kibcsáttt CO 2-gáz is alkalmas lehet. A bigáz erre önmagában alkalmatlan, mert a széndixid mellett képződő metán és kén-hidrgén az algákra kárs hatással van. Az algatermesztés legfntsabb jellemzői a szántóföldi növényekkel összehasnlítva: Rendkívül gyrs a szaprdásuk és mivel nem tudják hsszabb ideig raktárzni a tápanyagkat, tömegük jellemzően napnta megduplázódik. Ennek köszönhetően a betakarítás akár hetente elvégezhető, ami flyamats bevételt jelent és a feldlgzóipari üzemek flyamats üzemelését is lehetővé teszi rövid készletezési idővel. Igen jó (5-7 %) hatásfkkal hasznsítják a fényenergiát, aminek eredményeképpen egységnyi területről a szárazföldi növények többszörösét kitevő bimassza takarítható be (akár t/ha). Nem léteznek vetésváltási prblémák, illetve egymástól eltérő befektetett eszközök beszerzése, hiszen a gazdasági hasznsításra szánt algafajk termesztésének a technlógiai flyamatai megegyeznek. Egyedül az adtt algafaj specifikus környezeti igényeit (fény, hőmérséklet, tápanyag, széndixid) kell figyelembe venni, melyek megfelelően kiépített technlógia esetén könnyedén megváltztathatóak. Ebből adódóan könnyen át lehet térni energiacélú algatermesztésről takarmánycélúra, illetve lehetséges bármilyen frmában előállítani az energiát A bigáztelepen megvalósíttt alga-előállítás tehát több szempntból is indklt lehet: Kgenerációs eljárásnál a gázmtrk füstgáza az algatavakban megtisztítható, a hulladékhő pedig az algatavak fűtésére hasznsítható. Bimetán előállításánál a leválaszttt széndixid közvetlenül a tavakba vezethető. A kierjesztett trágyából származó nitrgén, fszfr és nymelemek (megfelelő hígításban) szintén algává nemesíthetők. A megtermelt algatömeg egy része, vagy egésze a fermentrban is hasznsítható. A többi, számításba vehető eljáráshz képest az algaalapú szennyvíz-tisztítás ugyan költségesebb, de képes hsszú távn, a leginkább környezetbarát módn megldani a bigázüzem szerves anyagktól megtisztíttt, de szervetlen anyagkban gazdag kierjedt szennyvizének tisztítását, egyúttal kellő rugalmasságt biztsít az alga, mint végtermék jövőbeni hasznsítására (bigáz-alapanyag, takarmány, bi-üzemanyag, esetleg ezek kmbinációja) is. Az algatechnlógia egy bigáztelep szerves részét képezi, mely az alapanyag biztsításában (csurgaléklé), a termésfkzásban (hulladékhő és széndixid) és a végtermék felhasználásában (az alga-bimassza elgázsításában) is fnts szerepet játszik. Az algaalapú szennyvíztisztítás visznt lehetővé teszi a bigázüzem egyébként veszendőbe menő, vagy kárs végtermékeinek teljeskörű hasznsítását és ártalmatlanítását. Mindezen tényezők indklják a fermentlé hasznsításának algák segítségével történő megldását

3 2. A bigáz- és algatelep egymáshz méretezésének szempntjai Cikkemben egy átlags méretűnek tekinthető 1 MWe kapacitású,kgenerációs technlógiájú állattartó telepi bigázüzemhez kapcslódó, félintenzív, medencés technlógiájú, egész éves működésű (üvegházban elhelyezett) algatelep méretezésének főbb szegmenseit mutatm be az alábbi alapadatk alapján: Bigázüzem teljesítménye: 1 MWe + 1,2 MWth Várható bigázhzam: 385 ezer Nm3/hó (50 % metán, 30 % CO2) Várható villamsáram-mennyiség: MWh/év ebből önfgyasztás (5 %): 390 MWh/év Várható hulladékhő-mennyiség: 29,3 TJ/év ebből önfgyasztás (30 %): 8,8 TJ/év veszteség (14 %): 4,1 TJ/év Az algaüzem által felhasználható utputk: Kierjedt szennyvíz (5 % szárazanyaggal): m3/év Az algaüzemben felhasználható hulladékhő: 16,4 TJ/év (4570 MWh/év) Várhatóan rendelkezésre álló széndixid: 231 ezer Nm3/év (458 t/év) Az algaüzemben felhasználható villams áram: MWh/év A méretezésnél az utputknál feltüntetett srrendet célszerű alkalmazni, a következő indkk miatt: Az algatelep (és a bigáztelep) létrehzásának elsődleges indka a szennyvíz-tisztítás. A kgenerációs erőművek hatéknyságnövelésének legfntsabb eszköze, egyben krlátja a hulladékhő minél nagybb részének hasznsítása. A széndixid hasznsítása környezeti szempntból szintén lényeges, az algáknál a legfntsabb termésfkzó tényező, ugyanakkr gazdasági értékkel is bír (támgatásk, tőzsde). A villams áram teljeskörű belső felhasználása elvileg lehetővé tehetné a szigetüzem alkalmazását, ami lényegesen magasabb megtakarítást tehetne lehetővé a zöld villams áram KÁT-n belüli értékesítésénél (kb. 31 Ft/kWh). A szükséges kapacitásk számításaim alapján: Szennyvíz-tisztítási szempntból: 3000 m3-nyi algató létrehzása (a gyakrlatban ez nyilván több, kisebb méretű tavat jelent), ami 0,7-0,8 ha tófelületnek felel meg. 18

4 Hulladékhő-hasznsítási szempntból (figyelembe véve a bigázüzem és az algatelep havnta eltérő mértékben jelentkező hőfgyasztását): m3 algató (1,8-2 ha), vagyis a szennyvíztisztítási szempntból indklt telepméret 2,45- szerese. Széndixid-hasznsítási szempntból (figyelembe véve azt, hgy a füstgáz széndixid-tartalmának csak egy része hasznsítható): m3 (5,4-5,7 ha) vagyis a szennyvíztisztítási szempntból indklt telepméret 7-szerese. Villamsáram-hasznsítási szempntból m3 (28-29 ha) vagyis a szennyvíztisztítási szempntból indklt telepméret 35,6-szerese. Knkrét beruházási számításk alapján az alapesetnek tekinthető, szennyvízkezelési funkció maradéktalan ellátására képes méretű, 0,7-0,8 ha összes medencefelülettel rendelkező algatelep beruházási költsége mintegy millió Ft-ra becsülhető, tehát a bigázüzemi beruházás bekerülési értékével megegyező nagyságrendet képvisel, ugyanakkr elfgyasztja (télen) a bigáz-üzem által megtermelt hulladékhő mennyiségének mintegy 41 %-át, a füstgáz hasznsítható széndixid-tartalmának mintegy 14 %-át, valamint a felhasználható zöldáram kb. 3 %-át. A bigázüzem részére csak az utóbbi jelent tényleges bevétel-csökkenést. A kmplex üzemben aznban bevételként jelentkezhet évente t szárazanyagnyi alga, melynek értékét a felhasználási mód szabja meg (bigázcélú hasznsítás és teljeskörű hőhasznsítás esetén mintegy 10 MFt/év). Megjegyzendő, hgy az alga bigázcélú hasznsítása egy környezeti szempntból kiváló, gyakrlatilag hulladék nélkül üzemelő, legkisebb tőke- és energiaigényű, külön marketingmunkát nem igénylő, piaci kckázatkkal nem terhelt alternatíva, amelynek aznban gazdasági eredményei hasnlóan a többi, kifejezetten hulladékkezelési eljáráshz szerények, jóval alacsnyabbak az ipari jellegű (takarmányzási, bidízelcélú, esetleg gyógyszeripari alkalmazásknál). 3. Következtetések Az állattartó üzemekben csak akkr célszerű bigázüzemek létrehzása, amennyiben a hsszú távú működés biztsítható, vagyis a vállalkzás és az állattartó telep is hsszú távn működni fg. Ez még inkább igaz az algatelepek létrehzatalára, hiszen leglcsóbb esetben is közel megduplázzák a bigázüzemi beruházás összegét. Létrehzataluk elsősrban a következő esetekben lehet megfntlandó: Ha a bigáztelep nem rendelkezik közeli, saját tulajdnú szántóterülettel, tehát a tisztíttt szennyvíz élővizekbe vezetése elkerülhetetlen. A bigáztelep ebben az esetben a szerves-, míg az algatelep a szervetlen anyagk ártalmatlanítását végzi. A jelentős beruházási költség miatt mindenképpen a kezelendő kierjedt szennyvíz mennyiségéhez kell igazítani az algatelep kapacitását, az egyéb bigáz-üzemben képződő melléktermékek teljeskörű hasznsítása csak igen kmly (többszörös) beruházással lenne elérhető. Ha az üzem anyagi (pályázati) lehetőségei megengedik magasabb hzzáadttértékű végtermékek előállítását az algákból (takarmány, bidízel, gyógyszeripar). Ezek ugyan tvábbi többletberuházással járnak, de jóval értékesebb módjai az alga felhasználásának. A takarmánycélú hasznsítás esetén például egy nagybb mezőgazdasági üzemben jellemzően meglévő saját szárító esetén nem jelentkezik többlet

5 beruházás, a bigázüzem hulladékhőjének felhasználása esetén pedig többlet működési költség sem, ugyanakkr a takarmányköltségekben kmly megtakarításk érhetők el. Figyelembe véve a jelentős beruházási költségeket, a kifrratlan termesztés-technlógiát és végtermék-hasznsítást, valamint az innvációs jelleget, az algatelepek megtérülése visznylag lassú, létesítésük kifejezetten jelentős támgatásk mellett javaslható. Felhasznált szakirdalmak 1. Bai A.: Helyi közlekedés és hulladékgazdálkdás. Magyar Energetika 22 (1) pp (2015) 2. Bai A.: Új piack és módszerek a bigáz-előállításban. Bimetán és alga. Őstermelő. Gazdálkdók Lapja. Primm SZSZB megyei Vállalkzásélénkítő Alapítvány, Vállalkzói Közpnt., ISSN X. Nyíregyháza, 2010, 3. szám (június-július), pp EBA: Bimethane Fact Sheet, pp Brussels, 2014, eurpean-bigas.eu 4. EurObserver: The State f Renewable Energies in Eurpe Editin. pp , Paris, Li Y et al. (2011) Characterizatin f a micralga Chlrella sp. well adapted t highly cncentrated municipal wastewater fr nutrient remval and bidiesel prductin Biresurce technlgy 102: di: /j.birtech NGVA: Factsheet. NG/bimethane used as vehicle fuel. Edited: P. Bisen, M. Lage. pp Madrid, 2009, 7. Wang L, Li Y, Chen P, Min M, Chen Y, Zhu J, Ruan RR (2010a) Anaerbic digested dairy manure as a nutrient supplement fr cultivatin f il-rich green micralgae Chlrella sp Biresurce technlgy 101: di: /j.birtech Internetes frrás: eurpean-bigas.eu/2013/12/20/eba-presents-latest-bigas-prductin-statistics-eurpe-grwth- I-1: cntinuus/ 20