A biogázok földgáz közszolgáltatásban történő alkalmazásának minőségi feltételrendszere Magyarországon

Átírás

1 Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Mikoviny Sámuel Földtudományi Doktori Iskola A doktori iskola vezetője: Prof. Dr. Lakatos István egyetemi tanár, az MTA levelező tagja A doktori iskola alapítója: Dr. h.c.mult. Dr. Kovács Ferenc egyetemi tanár, az MTA rendes tagja A biogázok földgáz közszolgáltatásban történő alkalmazásának minőségi feltételrendszere Magyarországon Doktori (PhD) értekezés Szerző: Szunyog István okleveles gázmérnök Kutatóhely: Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Kőolaj- és Földgáz Intézet Tudományos vezető: Dr. Csete Jenő, PhD, tanszékvezető egyetemi docens június

2 Tartalomjegyzék Bevezetés 1 1. Előzmények, a téma lehatárolása A témaválasztás indoklása Az értekezés célkitűzése Műszaki és tudományos előzmények 3 2. Biogáz potenciál Biogáz energiamérleg az Európai Unióban A hazai földgázrendszerbe betáplálható biogáz mennyisége A számítási eljárás A növénytermesztési melléktermékekből kinyerhető biogáz Az állattenyésztési melléktermékekből kinyerhető biogáz A kommunális hulladékokból kinyerhető biogáz Az eredmények értékelése Biogáz és földgáz minőség A biogázok definiálása Biogáz alapanyagok Gázminőségi tartomány Földgázminőségű biometán előállítása A magyarországi hálózati betáplálási vizsgálatokhoz használandó jellegzetes biogáz és földgáz összetételek A gázminőség jellemzése További számítási összefüggések Betáplálásra vonatkozó műszaki-szabályozási feltételrendszer Nem-konvencionális gázok földgázhálózati betáplálására vonatkozó minőségi előírások A gázminőséggel szemben támasztott követelmények A földgázra vonatkozó gázminőségi paraméterek európai követelményrendszere A magyar földgázminőségi követelmények összevetése a biogázokra jellemző értékekkel A biogáz minőségéből adódó kockázati tényezők A földgázokra jellemző összetevők A biogázokra jellemző összetevők A biogázok mellék- és kísérő összetevőiből adódó betáplálási peremfeltételek Szennyezőanyag-tartalom Egyéb jellemzők 53 Tartalomjegyzék I

3 6. Betáplálási peremfeltételek Magyarországon A biogázok földgázhálózati betáplálásának mennyiségi korlátai Az egyes biogáz típusok betáplálásának minőségi korlátai az MSZ 1648: 2000 szabványnak megfeleltetve (cseregáz) Betáplálás teljes értékű cseregázként az előtisztított biogáz minőségének kereskedelmi propánnal történő javítása esetén (cseregáz) A minta biogáz típusok kereskedelmi propánnal történő keverése utáni betáplálásának korlátai a minta földgáz típusokat szolgáltató hálózatokba (cseregáz) A minta biogáz típusok minőségjavítás nélküli betáplálásának mennyiségi korlátai Magyarországon (adalékgáz) A földgázokra kidolgozott, és leggyakrabban alkalmazott cserélhetőségi eljárások alkalmazhatóságának vizsgálata biogázok esetében A Wobbe-szám módszer SRG módszer (Sommers-Ruhrgas) Az A.G.A. index módszer Szénhidrogén-egyenérték módszer (British Gas) Francia módszer Weaver-index módszer Új tudományos eredmények Az eredmények gyakorlati hasznosítása Összefoglalás 94 Summary Befejezés A szerző témában közreadott publikációi időrendben 97 Irodalomjegyzék 98 Tartalomjegyzék II

4 Bevezetés Mottó: Gondolkodj globálisan, mérlegelj lokálisan, cselekedj ésszerűen... (ismeretlen szerző) A földgáz, mint energiahordozó minden európai ország primer energia mérlegében megjelenik. A felhasználási igény fokozatosan növekedik, miközben a rendelkezésre álló források -az újonnan felfedezett földgázmezők számának növekedése mellett iscsökkennek. A földgáz importfüggőség kérdése Magyarországon a legsúlyosabb Európában, mivel primer energia mérlegünkben ez az energiahordozó 40,4 %-ot (!) képviselt 2007-ben a Magyar Energia Hivatal legfrissebb adatai szerint. Ennek az éves szinten 452 PJ gáz alapú energiának csupán 19,5 %-a volt hazai termelés. A teljes importált mennyiség orosz forrásokból érkezik, tehát az ellátás nem diverzifikált. A kérdést tovább súlyosbítja a 2006, illetve 2009 januárjában felszínre került orosz-ukrán gázárvita, mely éppen a leghidegebb téli napokban okozott komoly import mennyiség kiesést az ország gázellátásában. A probléma megoldására többféle lehetőség áll rendelkezésre, melyeket a nyugat-európai országokban már több éve alkalmaznak. Ilyen lehetőség a már említett forrás-diverzifikálás (lásd. Nabucco és Déli Áramlat projektek), stratégiai gáztározók kialakítása, a földgázfogyasztás növekedési ütemének visszaszorítása kormányzati intézkedésekkel (pl. panelprogram), és természetesen, ahol lehetséges, a földgáz bizonyos hányadának kiváltása megújuló energiahordozókkal. Az utóbbi módszer elsősorban ott alkalmazható gazdaságosan, ahol a legkisebb átalakításokkal lehet a már meglévő rendszereket megújuló forrásból származó energia továbbítására és hasznosítására igénybe venni. Kézenfekvő lehet tehát a biogázok földgázhálózaton keresztül történő szállítása. A biogázok ilyen módon történő hasznosításának Magyarországon még nem, de Európában is csak néhány helyen van működő példája. A 2003/55/EC direktíva, valamint a hazai jogrendbe illesztését végző évi XLII. törvény a földgázellátásról biztosította ugyan a biogáz és biomasszából származó gázfajták megkülönböztetéstől mentes földgázhálózati betáplálásának lehetőségét, azonban a tényleges, magyarországi viszonyokhoz illeszkedő betáplálási minőségi követelményekre máig sincs kidolgozott hazai előírás. A téma aktualitását mutatja, hogy minden földgázzal vagy energetikával foglalkozó szakmai konferencián megjelenik a biogáz, gyakran önálló szekcióba szervezve. Mindezek mellett látni kell azt is, hogy a biogáz hazai viszonylatban, önmagában nem képes orvosolni a földgáz importfüggőség kérdését, viszont a környezetvédelmi törekvéseket is előtérbe helyezve alkalmas lehet a hazai megújuló energia potenciál egy szeletének kiaknázására. Jelen munkámban megkíséreltem összegyűjteni és elemezni azokat a műszaki kérdéseket, melyek előmozdíthatják a megtermelt biogázok ily módon való hasznosítását Magyarországon. Bízom benne, hogy az itt vázolt új eredményekkel sikerül hozzájárulnom a hazai biogáz- és földgázipar együttműködéséhez, valamint a betáplálás műszaki-szabályozási algoritmusának minél előbbi kidolgozásához. a szerző Bevezetés 1

5 1. Előzmények, a téma lehatárolása 1.1. A témaválasztás indoklása Az emberiség számára létfontosságú kérdés bolygónk energiakészleteinek hasznosítása, és egyben kötelességünk is a lehető legnagyobb mértékben való takarékoskodás velük. Mindezt a növekvő népesség, és elsősorban a fejlődő országok egyre növekvő energiaintenzitási mutatói csak akkor teszik lehetővé, ha a hagyományosnak titulát fosszilis energiahordozók egyre nagyobb hányadát tudjuk megújuló energiaforrásokkal kiváltani. Ezt a közös érdeket az Európai Unió már a 90-es években felismerte, és fokozatosan egyre nagyobb prioritást is ad nekik, lásd. például a 3x20 néven elterjedt Megújuló energia útitervét. Magyarország vonatkozásában ezek a célkitűzések bár nem tűnnek jelentősnek (2020-ig 13 %-ra kell növelni a megújuló energiák részarányát a teljes energiafogyasztási mérlegünkben), mégis komoly erőfeszítéseket kell az országnak tennie, hogy elérje ezt a 186 PJ éves szintű energiát. A hazai megújuló energiaforrások között a nap-, és a szélenergia, valamint a biomassza képviseli a legnagyobb potenciális lehetőségeket. (MTA felmérés) A szilárd és folyékony biomasszából reálisan előállítható biogáz mennyiségét a legpesszimistább szakértői becslések sem teszik PJ/év érték alá. Ennek ismeretében Magyarország közötti időszakra vonatkozó megújuló energia politikai koncepciója méltán szán nagy szerepet a mezőgazdaságból származó biomassza, biogázok és bioüzemanyagok tudatos felhasználásának. Látva a biogázban rejlő potenciális lehetőségeket, kézenfekvőnek tűnik annak minél szélesebb körű hasznosítása. Jelenleg a biogázokból hő és villamos áram előállítása történik -betudhatóan a jogi-szabályozási környezetnek (kötelező zöldáram átvétel)-, mely mellett az európai piacokon már megjelentek a biogázok földgáz minőségre való tisztításához szükséges technológiák. Mindez azt jelenti, hogy egy kedvezően változó jogszabályi környezetben hamarosan hazánkban is megjelenhet a biogázok földgázhálózati betáplálásának igénye. A biogáz, mint megújuló energiaforrás, összetételéből és fizikai tulajdonságaiból adódóan nagyon hasonló a csővezetékben szállított fosszilis tüzelőanyaghoz, a földgázhoz. A hasonlóságot kihasználva így gyakorlatilag a földgázzal megegyező minőségű megújuló energiaforrás táplálható be a meglévő hálózatba, és hasznosítható a földgázra beszabályozott készülékekben. A téma aktualitását többek között az jelentette számomra, hogy 2006-tól részese lehettem annak a 30 hónap futamidejű, 8 ország 15 intézményét felvonultató európai uniós kutatási projektnek, amely a megújuló forrásból származó éghető gázok elterjedését, illetve földgázhálózati betáplálásuk előtt álló, elsősorban adminisztratív akadályok feltárását és feloldását tűzte ki célul. (Redubar, EIE 06/221/SI ) Ebben a kutatásban lehetőségem volt Európa egyes országainak biogáz helyzetét megismerni és összevetni a magyarországi helyzettel. Kutatási feladataim között szerepelt a potenciálisan rendelkezésre álló biomassza mennyiségre alapozott biogáz potenciál becslésére alkalmas számítási eljárás kifejlesztése, valamint a kutatásban résztvevő európai országok (Csehország, Görögország, Hollandia, Lengyelország, Litvánia, Magyarország, Németország, Olaszország) földgázrendszereinek vizsgálata a biogáz betáplálhatóság minőségi oldaláról. Előzmények 2

6 Ezzel párhuzamosan számos más tanszéki kutatási-fejlesztési munkában is részt vettem között folyt az a tanszéki kutatás, mely a földgáz és megújuló energiák közötti kapcsolatokat hivatott feltárni és értékelni. Ebben a jelentésben a biomasszák energetikai hasznosítását kellett feldolgoznom, megjelölve azokat a lehetséges pontokat, ahol ezek a források kapcsolódhatnak egy földgáz elosztói engedélyes technológiai-fejlesztési igényéhez. Szintén 2004-ben kezdődött a Kőolaj és Földgáz Intézetben az a 3 éves kutatás, mely a biogázok, csatornagázok, szeméttelepi gázok és bányagáz források hasznosítási lehetőségeit vizsgálta a feriberg-i DBI Gastechnologisches Institut ggmbh vezetésével között készült az a kutatási jelentés, mely kifejezetten a biogázok földgázhálózati betáplálásával foglalkozott. Ebben a kutatásban feladatul kaptam a biogázok minőségi paramétereinek jellemzését, földgázokkal való összevetését. Foglalkoztam továbbá a földgázokra vonatkozó európai és hazai gázminőségi előírásokkal, elemeztem az Európai Unió egyes tagállamaiban a földgázhálózati betáplálásra vonatkozó műszaki követelményeket és tapasztalatokat, valamint megvizsgáltam és javaslatokat dolgoztam ki a magyar földgázrendszerbe történő biogáz betáplálás egyes műszaki kritériumaira. Elsősorban a fenti kutatások során felmerült műszaki kérdéseket látva, illetve azok közeljövőben várható súlyát érzékelve, egyértelművé vált számomra, hogy az addig elért eredményeket tovább bontva újra meg kell vizsgálnom a le nem zárt kérdéseket, valamint célszerűen választott gázkeverék modellekkel alá kell támasztanom, vagy éppen korrigálnom eddigi kutatási eredményeimet Magyarország vonatkozásában Az értekezés célkitűzése Az értekezés fő célkitűzése egy olyan gázminőségi követelményrendszer felállítása, mely alkalmas a különböző forrásból származó megújuló gázok földgázhálózati betáplálhatóságának megítélésére Magyarországon. A minőségi követelményeken túl, bizonyos nem biometán minőségre előkészített gázok esetében a maximálisan betáplálható mennyiségek is meghatározásra kerülnek az adott hálózatrészen szolgáltatott földgáz minőségének függvényében. A kidolgozandó követelményrendszer további eleme az így előállított és szolgáltatásra kerülő gázminőségek végfelhasználói berendezésekre gyakorolt hatásának átfogó elemzése. Az értekezés további célja vizsgálat alá vonni a nemzetközi gyakorlatban alkalmazott, földgázra kidolgozott cserélhetőségi eljárásokat, abból a szempontból, hogy alkalmazhatók-e a földgázok és biogázok tüzeléstechnikai paramétereinek egyidejű modellezésére. A téma komplexitása érdekében az értekezés további célkitűzéseként szerepel a magyarországi elméleti biogáz potenciál, a rendelkezésre álló források összegzésén alapuló meghatározása, valamint a biogázok összetételéből adódó, a földgáztól eltérő komponensek a földgázrendszer egyes elemeire gyakorolt hatásának elemzése Műszaki és tudományos előzmények Magának a biogáznak (mocsárgáznak) a felfedezése már 1677-ben megtörtént (Shirley), melyről 1776-ban Volta állapította meg, hogy éghető gáz, metántartalmát 1804-ben Dalton mutatta ki. Az első működő biogáz berendezést 1857-ben Bombay-ban állították üzembe. A biogáz szerves anyagokból való előállításának technológiáját Pasteur is kikísérletezte, mely eredményeképpen 1888-ban már saját fejlesztésű éghető gázát mutatta be a Francia Tudományos Társaság ülésén. Innen kezdve a biogázok elterjedése igen gyorsan haladt, 1896-ban Angliában már közvilágításra használták, 1937-ben pedig 7 német nagyváros szemétszállító autói használtak biogáz motorhajtóanyagot. A mai Előzmények 3

7 értelemben vett fermentációs eljárások csak a második világháború után terjedtek el széles körben. (Bai, 2007; Barótfi, 1994) Magyarországon az 1950-es években kezdődött el a biogázok állati trágyából, anaerob módon történő erjesztése. A biogáz termelés jellemző célja akkoriban a külterületi, villanyárammal és városi gázzal el nem látott állattenyésztési telepek energiaellátása volt (Szécsény, Dunavarsány, Tiszaföldvár, Dömsöd, Füzesgyarmat) (Barótfi, 1994) Ezen üzemek egyike sem működik. Jelenleg 7 db biogáz üzem van az országban (Hódmezővásárhely, Kaposvár, Kecskemét- Talfája, Kenderes, Klárafalva, Nyírbátor, Pálhalma), 5 db jelenleg is építés alatt áll (Bonyhád, Csenger, Fadd, Kaba, Sarkad), és legalább még további 20 biogáz üzem projektterve létezik a Magyar Biogáz Egyesület adatai szerint. A biogázzal kapcsolatos hazai szakirodalom nem túl bő. Két könyv jelent meg az elmúlt 10 évben csupán, mely kifejezetten a biogázok keletkezésével, illetve hasznosításával foglalkozik (Bai, 2007; Schulz-Eder, 2005). Ezek a szakirodalmak elsősorban a biogázok keletkezésével, annak technológiai hátterével és a biogáz üzemek gazdasági összefüggéseivel foglalkoznak. Bár több szakkönyv is foglalkozik a kérdéskörrel (Cerbe, 2007; Göőz, 2007; Bai, 2002; Barótfy, 1994; Quallich, 1983; Kaltwasser, 1983), azonban ezek vagy csak bizonyos részterületeket elemeznek, vagy a kiadás évéből adódóan többé-kevésbé elavultak. Rendelkezésre állt viszont a világháló igen széles körű szakirodalmi adatbázisa, amelynek segítségével több, teljes terjedelemben hozzáférhető kutatási jelentés, és szakirodalmi publikáció eredményeit tekintettem át magyar, angol és német nyelvű portálokon. (Thrän et al.: Möglichkeiten einer europäischen Biogaseinspeisungsstrategie, 2007; Kilinski et al.: Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz, 2006; Theißig et al.: Biogas Einspeisung und Systemintegration in Bestehende Gasnetze, 2006; Hornbachner et al.: Biogas-Netzeinspeisung, 2005; Ramesohl et al.: Analyse und Bewertung der Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse, 2005; Biocomm ) A világhálón keresztüli irodalmi kutatásaimat főként szakmai alapokon szerveződő portálok segítségével végeztem (EurObserv ER, IEA-Biogas, Biogas Netzeinspeisung, Marcogaz, British Petrol, European Commission, stb.) Az elmúlt években a gáziparból szerveződött nemzetközi szervezetek is felismerték a biogázok és a földgázrendszer kapcsolatának fontosságát és jövőbeli szerepét. Ennek hatására a Brüsszeli székhelyű Marcogaz, az európai földgáz társaságok műszaki szervezete 2006-ban megalkotta a WG-Biogas jelzésű ajánlását Injection of Gases from Non-Conventional Sources into Gas Networks címmel (26 oldal), melyben összefoglalták a betáplálás szempontjából figyelembe vehető nem-konvencionális gázminőségeket, azok veszélyeit, valamint összegyűjtötték azon európai országok ide vonatkozó határérték követelményeit, melyekben valamilyen szintű szabályozás már adott a betáplálás feltételeire. Hasonló elvek alapján 2007-ben a holland Kiwa N.V. is elkészítette GT sz. jelentését (21 oldal), melyben már működő betáplálásokról szerzett tapasztalatokat is megosztott a szakmával. A biogázok földgázhálózati betáplálásának hátterére visszatérve, igen szűkös hazai szakirodalmat találunk. Az egyetlen időszerű szakkönyv (Bai, 2007), melyben szó esik ilyen lehetőségről, az osztrák Pucking-ben megvalósult mintaprojektet mutatja be, elsősorban a biogáz minőségi kérdéseire koncentrálva. Az 1994-ben megjelent Energiafelhasználói Kézikönyv Biogáz fejezete ( o.) is tartalmaz már utalást a biogázok kisebb településeken való hasznosíthatóságára, illetve földgázhálózatba történő betáplálhatóságára. Az egyik bekezdés A biogáz földgáz minőségűre való átalakítása címet viseli. A szerző (Barótfi) már akkor, a 90-es években lehetőséget látott a megtermelt biogázok ily módon történő hasznosításában, olyan esetekben, ha a jelenlegi palackos gázra való igényt biogázzal lehet kielégíteni. Továbbá ott, ahol az Előzmények 4

8 országos földgáz-vezetékrendszer vezetékeitől km-es sávon kívül esik a település Sajnos ez ma még országunk területének több, mint 80 %-a. Mára ez az arány, a földgázhálózat elmúlt évtizedekben bekövetkezett rohamos léptékű fejlődése eredményeképpen csupán 8 %! A szerző a bioföldgáz minőségi követelményeinek a már akkoriban is létező MSZ 1648: 1990 Közszolgáltatású, vezetékes földgáz c. szabvány előírásait nevezi meg. Ezek a követelmények többé-kevésbé megegyeznek a jelenleg is érvényben lévő MSZ 1648: 2000-es szabvány előírásaival, mely a hazai földgázipar egyik legfontosabb, a minőségre vonatkozó, minden gázipari fél által elismert alapdokumentuma. Mivel tanulságos, ide kívánkozik a szerző bioföldgáz forgalmazására vonatkozó megállapítása: A területileg illetés gázközszolgáltató vállalatoknak meg kell határozniuk a bioföldgáz átvételének módját, idejét és műszaki feltételeit. Az energiaárakat megállapító hatóságoknak meg kell határozniuk az átvételre kerülő bioföldgáz térítési árát,, ami a biogáz-berendezés üzemköltségét csökkenti. Ezek a megállapítások még közel 15 év elteltével is megoldatlan kérdések maradtak! A földgázhálózati betáplálásra vonatkozó európai szakirodalmak, melyek elsősorban kutatási jelentések, illetve azok alapján összeállított szakkiadványok, főként német nyelvűek. (Hornbacher, 2005; Ramesohl, 2005; Theißig, 2006) A biogáz betáplálás minőségi követelményeként mindegyik a német DVGW G 262 sz. munkalap ide vonatkozó követelményeit tekinti alapkritériumnak. Ez az előírás csoportokba szedi a biogáz típusokat, és példákkal mutatja be az egy-egy csoportra jellemző összetételeket, tüzeléstechnikai paramétereket. Az A jelű függeléke a földgázhálózathoz való csatlakozás elvi sémáját is megjeleníti a teljes értékű cseregázként, valamint az adalékgázként való betáplálás esetére is. Tulajdonképpen ez az előírás, illetve az elődje (ATV-Merkblatt M ) teremtette meg azokat az elvi műszaki csatlakozási feltételeket, melyek alapján a biogáz földgázhálózati injektálása minden fél számára kezelhetővé vált Németországban. A bekezdés elején említett kutatási jelentések jellemzően Németország egyes területein vizsgálták a hálózati betáplálás lehetőségeit H, E és L gázminőséget szolgáltató területeken, a betáplálható mennyiségeket a tüzeléstechnikai paraméterek határfeltételként meghatározva. Nagy hangsúly helyeződött a betáplálás kiépítésének, valamint a folyamatos üzemelés gazdasági feltételeinek kalkulációjára. Az egyes alapanyagtípusok, az azokból kinyerhető biogáz mennyiségek, valamint a nyers biogázok földgázminőségűre történő tisztításnak technológiái is teret kaptak a beszámolókban. Bizonyos anyagok a biogázt már környezetvédelmi szempontok szerint is elemezték, főként a légkör emisszióját tekintették kulcsparaméternek. A legrészletesebb tanulmány (Kilinski, 2006) részletesen foglalkozik a biogáz termeléssel, - előkészítéssel, és -betáplálással. A németországi ide vonatkozó DVGW technikai előírások (G 260: Gasbeschaffenheit, G 262: Nutzung von Gasen aus regenerativen Quellen in der öffentlichen Gasversorgung, G 488: Anlagen für die Gasbeschaffenheitsmessung - Planung, Errichtung, Betrieb, G 261: Prüfung der Gasbeschaffenheit, G 685: Gasabrechnung - munkalapok), valamint az országban szolgáltatott gázminőségek figyelembe vételével elemzésre került a teljes értékű cseregázként és az adalékgázként való betáplálás lehetősége is. A betáplálható mennyiségek meghatározása érdekében az egyes német területek biogáz potenciáljai is meghatározásra kerültek. Részletes pénzügyi számítások és elemzések mutatják az egyes termelési eljárások költségigényét. A biogázok közszolgáltatásban történő alkalmazásának komoly határt szab a gáz végfogyasztó készülékekben történő eltüzelésekor végbemenő tüzeléstechnikai viselkedése. Ennek vizsgálatára alkalmazhatók az un. cserélhetőségi eljárások. A gázok cserélhetőségének kérdése igazából már az 1950-es években is jelentősséggel bírt Európában és Amerikában egyaránt. A cserélhetőségi eljárások tudományos és gyakorlati összefüggéseinek keresését az indokolta, hogy eleinte a szenek kigázosításából, majd elgázosításából, később a földgáz- és olajbontók termékeiből kellett a városi gázt Előzmények 5

9 előállítani. Ma már az egész világon túlnyomórészt földgázt használnak, azonban ezek eltérő gázminőséggel rendelkeznek, tehát a cserélhetőség továbbra is megválaszolandó kérdés maradt, nem is beszélve az egyéb éghető gázok földgázhálózati szolgáltatásáról. Cserélhetőségi eljárásokkal több kutató, illetve intézet is foglalkozott a 20-as évektől kezdődően. Csak néhány közülük: Wobbe, 1926; 1946; Weaver, 1951; Delbourg, 1953; Holmquist, 1957; Schustre, 1957; Van der Linden, 1970; Sommers, 1973; Dutton, Az éghető gázok cserélhetőségének kérdése már a 70-es években megjelent a hazai gáziparban. Az 1984-ben megjelent Gáztechnikai kézikönyv (Vida, 1984) már tartalmazza a Meszléry Celesztin által írt, A gázok cserélhetősége c. általános elveket tartalmazó fejezetét. A legfrissebb ide vonatkozó hazai szakirodalom két német nyelvű szerző magyarra fordított gázipari szakkönyve. A 2005-ben megjelent kiadvány (Joos, 2005) a háztartási és kisfogyasztói gázfelhasználással foglalkozik, melynek 8-as fejezete 22 oldalon elemzi a gázok kicserélhetőségére vonatkozó legfontosabb nemzetközi gyakorlatban alkalmazott eljárásokat: Weaver-számok, Delbourg-diagram, Van der Linden-diagram, bővített Wobbe-szám, valamint a Sommers módszerére alapozott, és a német Ruhrgas által továbbfejlesztett SRG módszert. A másik könyv (Cerbe, 2007) A gáztechnika alapjai címet viseli. Ennek egyes fejezetei már potenciális gázipari termékként kezelik a megújuló gázokat (csatornagáz, depóniagáz, biogáz) a földgázok és cseppfolyósított gázok mellett. A cserélhetőség fogalma az előző irodalomban is megjelölt Delbourg, Weaver és SRG módszerek segítségével került benne bemutatásra. Előzmények 6

10 2. Biogáz potenciál 2.1. Biogáz energiamérleg az Európai Unióban Annak érdekében, hogy teljes kép alakuljon ki Magyarország jelenlegi biogáz termelési állapotáról, el kell helyezni azt az Európai Unió biogáz energiamérlegében. A 2.1. ábra az Unió egyes tagállamaiban 2007-ben termelt biogázok mennyiségét mutatja PJ mértékegységben (EurObserv ER: Biogas Barometer, July 2008). Biogáz termelés [PJ/év] DE UK IT 0,85 PJ 10,7 PJ ES FR NL AT DK BE CZ PL GR FIN IR SE HU PT SL LU SK EST LT CY EU átl. Depónaigáz Csatornagáz Mezőgazdasági és egyéb biogázok 2.1. ábra Biogáz termelés az EU tagországaiban 2007-ben A 27 tagú Európai Unió 2007-ben összességében 247,1 PJ energiának megfelelő biogázt termelt meg. A évi 179,1 PJ megtermelt biogáz alapú energiát 100 %-nak tekintve 2005-ben 110,1 %, 2006-ban 125,0 % és 2007-ben 138,0 %-nak adódik a termelés. Ebből két ország emelkedik ki csupán, Németország és az Egyesült Királyság. Kettejük biogáz termelése az uniós termelés 78,7 %-át adja! Míg az angolok elsősorban a szeméttelepen keletkezett depóniagázokat hasznosítják, addig a németek jelentős mennyiségben hasznosítanak egyéb, például mezőgazdasági eredetű biogázokat is. Az EU összes biogáz termelése folyamatosan növekedett az elmúlt években. Lényeges növekedés elsősorban a mezőgazdasági biogázok csoportjában volt tapasztalható. Mennyiségük 3,9- szeresére növekedett 2004 óta. A depóniagázok mennyisége jellemzően kis mértékű növekedést produkál évente, a csatornagázok mennyisége pedig, közel állandó értéket mutat ben a teljes termelt mennyiség 49,3 %-a származott a hulladéklerakó Biogáz potenciál 7

11 telepekről, 35,7 %-a a mezőgazdasági és egyéb biogázokból, és 15,0 %-a a szennyvíztisztító telepekről. (EurObserv ER: Biogas Barometer, July 2008). Számszerűleg kifejezve, az uniós átlagnak 2004-ben csupán 1,6 %-át, 2005-ben 3,2 %-át, 2006-ban 4,1 %-át és 2007-ben 7,9 %-át sikerült elérnie országunknak. Ahhoz, hogy legalább az EU átlagot (10,7 PJ) elérjük, legkevesebb 535 millió m 3 20 MJ/m 3 energiatartalmú biogázt kellene Magyarországnak megtermelnie évente. Reálisabb kép adódik azonban, ha a megtermelt biogáz mennyiségek fajlagos egységekre bontva, például az adott ország 1000 főre jutó egységében kerülnek megjelenítésre. Magyarország az ezer főre jutó biogáz termelési mutatószámban is jelenleg az utolsó helyek egyikén áll Európában (2.2. ábra). Ahhoz, hogy elérjük az ezer főre jutó biogáz termelésben csupán az EU átlagot, legalább 6-szorosára kellene növelnünk a jelenlegi biogáz termelő kapacitásokat. A fajlagos tekintetében az EU átlag feletti országok: Németország, Egyesült Királyság, Luxemburg, Dánia és Ausztria. Fajlagos biogáz termelés [GJ/1000 fő] ,23 GJ ,74 GJ 0 DE UK LU DK AT NL IR CZ BE ES FIN IT SL FR GR EST SE HU PL SK PT LT CY EU átl ábra Ezer főre jutó biogáz termelés 2007-ben A teljes megtermelt biogáz mennyiség (247,1 PJ) 29,0 %-a villamos energia, 6,05 %-a pedig hő formájában került felhasználásra. A hőtermelés és a villamos áram termelés egymáshoz viszonyított aránya 1:4,8-hoz. A legnagyobb arányban biogáz alapú elektromos áram termelés Németországban (34,27 PJ) és az Egyesült Királyságban (19,08 PJ) valósult meg. Németországban a teljes mennyiség CHP egységek segítségével került megtermelésre, míg Angliában a teljes termelt mennyiségnek csupán 9,5 %-a származott kombinált hő- és áramtermelő egységekből 2007-ben. Az Uniót tekintve ez az arány 58,4 %. Az Európai Unió számos országa már fejlettnek mondható biogáz szektorral rendelkezik. Az elmúlt évtized egyik legnagyobb fejlődését Németország tudhatja magáénak, ahol az elmúlt 10 év alatt meghatszorozódott a biogáz üzemek száma tól azonban a növekedési ütem megtorpant, vélhetően a biogáz alapanyagok és az élelmiszerek rohamosan emelkedő árainak köszönhetően. A biogáz telepek számának növekedésében Biogáz potenciál 8

12 jelentős szerepe volt a német kormány intézkedéseinek, mely egy igen kedvező jogszabályi környezettel (a megújuló energiaforrásokra vonatkozó német törvény évi módosítása) segítette a biogáz termelést és a létesítmények beruházási költségeit. A termelés oldaláról létrejött egy garantált, kiszámítható és tervezhető zöldáram átvételi ár, mely a hazai szabályozással szemben jóval differenciáltabb megoldást jelent a biogázból termelt áram átvételi árára. Az átvételi ár nem csak a betáplált villamos energiának a függvénye, hanem az üzem nagysága, az alapanyagok típusa, és az áramtermelés technológiája is szerepet játszik benne. További jelentős fordulat következett be 2008 év elején, amikor is a német szövetségi kormány elfogadta a biometán földgázrendszerbe történő betáplálásának elősegítéséről szóló törvény-tervezetet. Az ebben szereplő cél 2030-ig a földgázfelhasználás 10 %-ának biometánnal történő helyettesítése. A biogázok ilyen formában történő hasznosítása megoldást jelenthet a jellemzően kombinált áram- és hőtermelésre berendezkedett üzemek számára, melyek a megtermelt hő jelentős hányadát nem vagy nem mindig tudják felhasználni, jelentősen csökkentve ezzel a rendszer hatásfokát. Kis üzemek esetén viszont a tisztítási technológia és az üzemeltetési költség aránytalanabb lenne, mint ha CHP egységekkel áramtermelés történne. Az energetikai és gazdasági vonatkozások mellett nem szabad azonban elfeledkezni arról sem, hogy ezek a megújuló gázok nem csupán energetikai, hanem környezetvédelmi értékeket is képviselnek. Bármilyen formája legyen is a biogáz hasznosításának (áram, hő, éghető gáz) csak akkor lehet versenyképes a többi energiahordozóval szemben a piacon, ha megbízható áruvá sikerült tenni. (EurObserv ER, 2008; Szunyog, 2007) 2.2. A hazai földgázrendszerbe betáplálható biogáz mennyisége Az Európai Bizottság, felismerve az energiapolitika megnövekedett kihívásait, 2007 év elején nyilvánosságra hozta a Bizottság hosszú távú elképzeléseit tartalmazó Megújuló energia útiterv című közleményét. Többek között ennek hatására is január 23-án napvilágot látott a háromszor 20 % néven ismert intézkedéscsomag, mely 2020-ra ilyen mértékben kívánja csökkenteni az Európai Unió energiafelhasználását, az üvegházhatású gázok kibocsátását, és ilyen mértékben kívánja növelni a megújuló energiahordozók részarányát. Az elérendő célértékeket ennek függvényében tagországonként határozták meg. Magyarország vonatkozásában a megújuló energiafajták felhasználását 13 %-ra kell növelni a teljes energiafogyasztásunk mérlegében 2020-ra (ez 186,3 PJ/év a 2148/2008. (X.31.) Korm. határozat értelmében), a 2007-es 56 PJ értékről. (Bohoczky, 2008) A megújuló energiaforrások becslésére számos tanulmány készült az elmúlt években. Az egyik legalaposabb felmérést a Magyar Tudományos Akadémia Megújuló Energetikai Technológiák Albizottsága végezte között. A felmérés a magyarországi teljes, elméleti megújuló energia potenciált határozta meg, mely PJ/év nagyságúra tehető a számítások értelmében. Ehhez az elméleti potenciálhoz képest lényegesen alacsonyabb a reálisan kihasználható potenciál, a mindenkori alapanyag, technológia és gazdasági szempontokból következően. A ténylegesen hasznosítható mennyiségnek elég széles intervallumát határozzák meg az egyes szakértői becslések, mivel az egyes potenciálszámítások más-más feltételezéssel veszik figyelembe a hazai energiafelhasználás alakulását, az alapanyagok összetételét és mennyiségét, és az elkövetkező évtizedek technológiáinak gazdaságosságát. A teljes elméleti megújuló potenciálból PJ/év becsülhető a biomassza mennyiségére (szilárd biomassza, biogáz, bioüzemanyagok). (Bohoczky, 2008; Németh, 2008) Más szerzők hasonló számértéket valószínűsítenek a technikai biomassza potenciálra. A magyarországi teljes biogáz potenciálra hasonlóan sok számérték és becslés készült az elmúlt évtizedben. Ebben a szemléletben egyrészt meg kell különböztetni az elméleti értékre vonatkozó, a hasznosítható, és a ténylegesen hasznosított potenciálokat. Ezek az Biogáz potenciál 9

13 értékek nagyságrendben különböznek egymástól. Addig, míg a tényleges technológiai hasznosítható mennyiség PJ körüli érték (Bai, Bartha, Marosvölgyi, Barótfi), amiből jelenleg 0,85 PJ-t hasznosítunk a Biogas Barometer 2007-re vonatkozó adatai szerint, addig az országban rendelkezésre álló növény és állattenyésztési melléktermékek és szervesanyag tartalmú hulladékok akár PJ energiatartalmú, fermentációra alapozott biogáz megtermelésére is lehetőséget adnak évente. (Szunyog, 2008) Ahhoz, hogy a hazai földgázrendszer szempontjából értékelni lehessen a betáplálható biogáz mennyiség részarányát, elsősorban az elméleti, tehát a legkedvezőbb esetben rendelkezésre álló mennyiségeket kell meghatározni. A kidolgozott számítási eljárás elsősorban olyan input adatokra épül, melyek nyilvános úton, pl. statisztikákból hozzáférhetőek (pl. KSH, ) A számítási eljárás Az eljárás bemutatásának elején hangsúlyozni kell, hogy a kapott eredmények arra az esetre értendőek, amikor az országban található összes, biogáz előállítására alkalmas, biomassza alapanyag figyelembe vételre kerül, és feltételezett, hogy annak teljes mennyiségéből fermentációs úton biogáz előállítása történik! Az elméleti biogáz mennyiség előállításához csak a mezőgazdaságban és állattenyésztésben tovább már nem hasznosított melléktermékek, illetve a kommunális folyékony és szilárd hulladékokból kinyerhető mennyiségek lettek figyelembe véve. A kifejezetten energetikai célú növénytermesztéssel előállítható biogáz mennyiség, valamint az iparban (elsősorban élelmiszeriparban) keletkező szervesanyag tartalommal rendelkező hulladék mennyisége jelen számítási algoritmusban nem került figyelembe vételre. A kiszámított, rendelkezésre álló potenciáltól, a ténylegesen hasznosítható, illetve hasznosított potenciál nagyságrendekkel kisebbnek adódik! A számított érték az elméleti maximumot reprezentálja! Az egyes biogáz előállítási technológiák sorában nem került feltüntetésre a termikus kigázosítási eljárásokon alapuló bio-szintézisgázok mennyisége sem. A számítási eljárás újszerűségének tekintendő, hogy bemenő adatait olyan nyilvános statisztikákban feltüntetett adatok képviselik (növénytermesztési főtermékek mennyisége, állatállomány, lakosság száma, stb.), melyek mindenki számára gyorsan és ingyenesen hozzáférhetőek. Ezekből 20 db került megadásra. Bizonyos mennyiségeknél már as, másoknál még csak 2007-es adatok voltak elérhetők a Központi Statisztikai Hivatal nyilvánosan hozzáférhető adatbázisában 2009 júniusában. Az egyes alapanyag típusokból előállítható biogáz mennyiségek a szakirodalmakban (Bai, 2007; Schulz-Eder, 2005; Barótfi, 1994) előforduló fajlagos biogáz kihozatali mutatószámokra épülnek. Mivel ezek a mutatószámok minden esetben egy értéksávot fednek le (a keletkező biogáz minősége erősen függ az alapanyag minőségétől, és a fermentációs eljárás típusától), ezért egy minimum és egy maximum teoretikus potenciálérték került meghatározásra minden lehetséges alapanyag tekintetében. Ezen bizonytalansági okokból következőleg a minimum és a maximum érték közötti sáv jelentősen ingadozik az egyes alapanyag típusoknál. A végső érték ezek számtani átlagából származtatott. A számítási eljárás egyes elemei követik a biogázok szakirodalomban fellelhető csoportosítását az alapanyag fajták függvényében. A három fő, biogáz előállítására alkalmas biomassza alapanyag a következő csoportokba sorolt: növénytermesztési fő és melléktermékek, állattenyésztési melléktermékek, kommunális hulladékok. A számítás alapját az egyes biomassza forrásokból kinyerhető elméleti nyers biogáz potenciálok képezik. Minden esetben egy, a szakirodalmakra alapozott minimum és maximum fajlagos, és ebből következő biogáz mennyiségek lettek meghatározva. Az egyes alapanyag típusokból ez alapján meghatározásra került az adott biomassza Biogáz potenciál 10

14 csoportból éves szinten elméletileg kinyerhető nyers biogáz mennyisége. Ezekhez az értékekhez került hozzárendelésre a DVGW G 262 számú német előírás egyes biogáz típusok metántartalmára vonatkozó ajánlása, mely alapján meghatározásra került az adott nyers biogáz mennyiség energiatartalma PJ mértékegységben. Ez a metántartalom a DVGW műszaki előírás szerint mezőgazdasági típusú üzemeknél %, szennyvíztisztító telepeknél % és a települési szilárd hulladékok esetében %. Az energiatartalom minden esetben kizárólag a nyers biogázban található metán felső hőértéke alapján került kiszámításra (37,706 MJ/m ,25 mbar nyomáson és 15 0 C hőmérsékleten; (N.V., 1988)). A számítás során meghatározott minimum potenciál az adott biomassza alapanyagból termelhető biogáz szakirodalmakban található minimum fajlagos értékének és a DVGW előírás adott csoportra vonatkozó minimum metán hányadának figyelembe vételével történt. Így ez az érték jelenti az adott alapanyag típusból a legkevésbé hatékony eljárással kinyerhető, de elméleti szinten rendelkezésre álló mennyiségeket. Másképpen úgy fogalmazható meg, hogy ez a mennyiség bizonyosan kinyerhető lenne, ha minden biogáz termelésre alkalmas biomassza mennyiséget csak és kizárólag biogáz előállítására használnánk fel. Az elméleti maximum érték a fenti logika alapján került meghatározásra a maximum elméleti fajlagos értékek és a DVGW előírás maximum metánhányadai alapján. A kapott eredményekből láthatóvá vált, hogy ez a két érték eléggé távol is állhat egymástól a fennálló bizonytalansági tényezők miatt. Mégis, ezeket az értékeket figyelembe véve számszerűsíthetők azok az arányok és nagyságrendek, melyek a hazai elméleti biogáz potenciált jellemzik. Az egyes alapanyag típusok külön-külön egységként szerepelnek, bár a tényleges biogáz termelés általában a különböző csoportokból származó biomassza alapanyagok keverékében megy végbe a legnagyobb hatékonysággal. Ennek ellenére az elméleti potenciálok becsléséhez ez az elv megfelelőnek bizonyult, hiszen az értékük így is összeadódik. A továbbiakban részletesen ismertetésre kerülnek az egyes alapanyag csoportokból kinyerhető biogáz mennyiségek A növénytermesztési melléktermékekből kinyerhető biogáz A növénytermesztési termékekből képezhető biogáz mennyiség meghatározásakor a legnagyobb problémát a növénytermesztési főtermékek, és a tovább nem hasznosított melléktermékek arányának a megállapítása jelenti. A számítások során a növénytermesztési főtermékek egyáltalán nem lettek figyelembe véve, mint biogáz alapanyagok. A munkahipotézis szerint termelhető biogáz csak a melléktermékekből és a célirányosan biogáz előállítására termelt energianövényekből lehetséges. Ez utóbbi forrás szintén nem került figyelembe vételre. Növénytermesztési főtermékként a kalászosok, a kukorica, a cukorrépa, a napraforgó, a repce, és a burgonya vehető számításba Magyarországon. Azon gabonafélék és szántóföldi növények, melyek termésátlaga éves szinten nem éri el a 100 ezer tonnát, nem lettek figyelembe véve. A növényi főtermékek számszerű arányaiból került meghatározásra az a melléktermék mennyiség, mely biogáz előállítására is felhasználható. Például a gabonanövényeknél gyakorlatilag közel azonos mennyiségben keletkezik melléktermék, mint főtermék (Bai, 2007; Bai, 2002; Barótfi, 1994). Ha ismert tehát a főtermékek mennyisége, a melléktermék becsülhető. Ismerve az 1 tonna növényi alapanyagból előállítható biogáz mennyiséget (kb m 3 ), a potenciál számítható. Az így képződő, % metán tartalommal rendelkező biogáz Magyarországon átlagosan 104,0 PJ-nak megfelelő energiatartalmú biogáz előállítására lett volna alkalmas 2008-ban, speciális energianövények termesztése nélkül. (2.1. táblázat) A számítási lépések a táblázat számozott sorai és oszlopai által nyomon követhetőek. Az egyes cellák számítási algoritmusát a felettük, vagy mellettük található, zárójeles utasítások tartalmazzák. Ha ehhez hozzávesszük, hogy 100 ezer hektáron speciális energianövényekből éves szinten mintegy millió m 3 biogáz (kb PJ) állítható elő, valamint a 100 ezer ha szántóföld nagyság mindössze csak egytizede az EU direktívák miatt az élelmiszer termelésből hazánkban kivonásra kerülő földterületnek Biogáz potenciál 11

15 látható, hogy ezekből az energianövények felhasználásával a számított potenciálérték akár meg is duplázható. (Kovács K.-Kovács A., 2007) (1) Növénytermesztési főtermékek 2008-ban (1A) (1B) (1C) (1D) (1.1) Kalászosok (búza, árpa, rozs, zab, triticale): ezer tonna/év Forrás: KSH, (1.2) Kukorica: ezer tonna/év Forrás: KSH, (1.3) Cukorrépa: 532 ezer tonna/év Forrás: KSH, (1.4) Napraforgó: ezer tonna/év Forrás: KSH, (1.5) Repcemag: 656 ezer tonna/év Forrás: KSH, (1.6) Burgonya: 646 ezer tonna/év Forrás: KSH, (1.7) Összesen: ezer tonna/év (2) Növénytermesztési melléktermékek 2008-ban (2A) (2B) (2C) (2D) (2E) (2F) (2G) a m 3 nyers biogáz 1 tonna melléktermék növényi anyagból mennyisége a (*szakirodalomból: Bai, o.) főtermékhez képest ezer tonna ezer tonna biogáz előállítására növényi alkalmas növényi szerves főtermék / év anyag / év min.* max.* (főtermék=100%) Melléktermékek (1C) (2C*2D) (2E*2F min.) (2E*2F max.) (2.1) Kalászosok szalmája: % ezer m 3 (2.2) Kukorica szár és csutka: % ezer m 3 (2.3) Cukorrépa és burgonya szár+levél: % ezer m 3 (2.4) Napraforgó szár: % ezer m 3 (2.5) Napraforgó maghéj: % ezer m 3 (2.6) Repce szár: % ezer m 3 (2.7) Összesen: ezer m 3 /év min. max. (2.8) A nyers biogáz metán koncentációja (DVGW G 262): % (2.7)*(Felső hőérték CH 4)*(2.8) GJ/év (2.9) A biogáz átlagos energiatartalma: 104,04 PJ/év 1) 2) 1) 2) 1) 2) 1) 2) 1) 2) 1) 2) 1) 2) mértékegyég 2.1. táblázat A magyarországi növénytermesztésből származó elméleti biogáz potenciál Az állattenyésztési melléktermékekből kinyerhető biogáz Az állattartásból származó biogáz potenciáljának becslése a növénytermesztési termékeknél is alkalmazott számítási elvre épül. Az ország XII. havi állatállományából (KSH, ) becsülhető az az éves trágyamennyiség, melyből biogáz termelés valószínűsíthető. Az állatállománynál a szarvasmarhák, a sertések, a juhok és kecskék, a lovak és a baromfifélék lettek figyelembe véve. Ismerve az adott fajta állatállományát, a szakirodalom alapján az egyes fajták átlagos napi trágyatermelését, valamint a trágya szervesanyag tartalmát, az összegzett biogáz előállítására alkalmas szerves szárazanyag tartalom meghatározható. Az egyes ürüléktípusok várható biogáz hozama a szakirodalomból került átvételre (pl. szarvasmarha liter/kg sze.sza.). A képződő biogáz metántartalma a növénytermesztésnél is alkalmazott % értékkel lett figyelembe véve. A DVGW G 262 előírás nem bontja külön a mezőgazdaságból és állattartásból származó biogázokat metánhányaduk tekintetében, hanem együttesen kezeli. A fermentáció során általában a két alapanyag típus megfelelő arányú keveréke jelenti a maximális kihozatalt, ezért külön-külön számítva is a végeredmény meg kell, hogy egyezzen a kofermentációs folyamatban keletkező biogáz mennyiségekkel. Az almostrágya lényegében kettébontásra került (nem a Zutavern képlettel került meghatározásra), az állati melléktermék része itt, a szalmamennyiség pedig a növénytermesztési melléktermékeknél került figyelembe vételre. A számítás alapján, Magyarországon átlagosan 29,1 PJ energiatartalomnak megfelelő állati trágya állt rendelkezésre 2008-ban. (2.2. táblázat) Biogáz potenciál 12

16 (3) Állattenyésztési melléktermékek XII. hó-ban (3A) (3B) (3C) (3D) (3E) (3F) (3G) (3H) ezer darab fajlagos trágyatermelés szervesanyag tartalom (*szakirodalom Bai, o.) mértékegység min. max. kg/nap/állat % (3C*3D*3E*3F) (3C*3D*3E*3F) (3.1) Szarvasmarha liter/kg KSH, ) ebből tehén és hízómarha ,00 15% ezer m 3 ebből növendékmarha (<1éves) ,00 15% ezer m 3 (3.2) Sertés liter/kg KSH, ) ebből anyakoca ,50 12% ezer m 3 ebből hízósertés (>50kg) ,00 12% ezer m 3 ebből malac és süldő (<50kg) ,00 12% ezer m 3 (3.3) Juh és kecske liter/kg Juh ,60 30% ezer m 3 KSH, ) Kecske 66 1,60 30% ezer m 3 KSH, ) (3.4) Ló liter/kg Ló 58 45,00 15% ezer m 3 KSH, ) (3.5) Barimfifélék liter/kg KSH, ) ebből tojó és húscsirke ,06 16% ezer m 3 ebből liba és kacsa ,08 30% ezer m 3 ebből pulyka ,00 30% ezer m 3 (3.6) Összesen: ezer m 3 /év min. max. (3.7) A nyers biogáz metán koncentációja (DVGW G262): % (3.6)*(Felső hőérték CH 4)*(3.7) GJ/év (3.8) A biogáz átlagos energiatartalma: 29,10 PJ/év 3) 4) 5) 6) 7) az ürülék mennyiség fajlagos és összegzett biogáz hozama éves szinten (*szakirodalomból: Bai, o.) megjegyzés 2.2. táblázat A magyarországi állattenyésztésből származó elméleti biogáz potenciál A kommunális hulladékokból kinyerhető biogáz A kommunális hulladékoknál két alcsoport került kialakításra, a kommunális szennyvíz, valamint a települési szilárd hulladékok. A települési szennyvíziszapból származtatható biogáz mennyiség meghatározásakor abból a feltételezésből célszerű kiindulni, hogy az a szennyvízmennyiség vehető alapul a számításokhoz, mely a kommunális szennyvízrendszeren keresztül a szennyvíztisztító telepekre juthat. Magyarországon jelenleg 522 db tisztító telep működik, melyek összesített kapacitása kb. 9,7 millió lakosegyenérték-re becsülhető. (Kulinyiné, 2009) Természetszerűleg a kommunális szennyvíz nagy hányada nem kerül a szennyvíztelepekre, általában megfelelő mechanikai tisztítás után az élővizekbe jut. További problémát vet fel, hogy a szennyvíziszapot több mint 50 %-ban megfelelő kezelés után a települési hulladéklerakóban helyezik el, amiből szintén biogáz képződik. Ez a kérdés úgy hidalható át, hogy a szennyvíziszapot a szennyvíztelepekből nyerhető elméleti biogáz hozamok meghatározásánál kell figyelembe venni, és a szeméttelepi depóniagázok mennyiségénél már nem kerül be a számításba. Elméleti szinten a két potenciál a főösszesítés során összeadódik. A számítás során a teljes, potenciálisan kiaknázható elméleti szennyvízmennyiség került figyelembe vételre. A szennyvíztelepre két módon kerülhet az alapanyag, a közcsatornán keresztül és közúti szennyvízszállító autókkal. Ha ismerjük azon lakások/intézmények arányát, melyek vezetékes ivóvízzel ellátottak (komfortfokozat), ismerjük az ország lakosainak számát, a lakos-egyenértékre (le) jutó napi csatornaiszap mennyiségét (0,10-0,14 kg/nap le) és a fajlagos biogáz kihozatalt ( m 3 /tonna szerves szárazanyag), akkor a keletkező nyers biogáz mennyisége meghatározható. Az így képződő, 65-70% metán tartalmat képviselő lakossági eredetű szennyvízből átlagosan 3,6 PJ energiatartalomnak megfelelő biogáz lenne termelhető Magyarországon. Biogáz potenciál 13

17 A kommunális hulladéklerakókban képződő biogáz mennyiség meghatározása mutatja a legsokrétűbb problémát. A biogáz ugyanis nem egyenletes ütemben szabadul fel a lerakott szerves anyagokból, hanem hosszú évek, sőt évtizedek alatt a lerakó életciklusának megfelelő intenzitással. Eközben a működő telepekre újabb és újabb depónia mennyiség kerül feltöltésre. A számítás így nem oldható meg egzakt módon. Egyszerűbb az eset, ha már egy lezárt, ismert korú, összetételű és térfogatú hulladéklerakóban kell meghatározni a várható keletkező biogáz mennyiségeket. További problémát jelent, hogy a hulladéklerakókban az eltelt évek alatt tömörödik az alapanyag, a sűrűsége akár az ötszörösére is növekedhet (egy újonnan lerakott telepnél a hulladék tömörsége 0,2 tonna/m 3 -re tehető, míg egy több évtizede működő lerakóban akár 1,5 tonna/m 3 is lehet). Ebből egyértelműen következik, hogy az egységnyi térfogatból kinyerhető biogáz mennyisége sem határozható meg pontosan. A felsorolt indokok alapján a települési szilárd hulladékból csak az egy év alatt felhalmozódó, hosszú évek alatt kinyerhető potenciális biogáz mennyiség becsülhető meg egzakt módon. Mivel a lerakott hulladékban jelenleg is keletkezik biogáz, és a most lerakott hulladékból az elkövetkező években is keletkezni fog, ezért joggal alkalmazható az az egyszerűsítő feltételezés, hogy megközelítőleg annyi biogáz keletkezik évente, mint amennyi felhalmozódik. A feltételezést továbbá az is alátámasztja, hogy a lakossági szektorban az egy főre jutó hulladék mennyisége az elmúlt évtizedben és jelenleg sem tükröz igen jelentős növekedést (legfeljebb 2-3% évente), sőt a lakosság fogyása miatt inkább stagnáló ütememet mutat. A szelektív hulladékbegyűjtés elterjedésével a lerakó telepekre jutó hulladékok mennyisége valószínűleg csökkenni fog. Ezzel a módszerrel a kiaknázható biogáz mennyisége a lakos-egyenértékek alapján jó közelítéssel becsülhető. Az elméleti potenciál meghatározásához csupán az ország lakosainak számára, az egy lakosra által termelt szilárd hulladék mennyiségére, és az egységnyi tömegű hulladékból keletkező várható depóniagáz hozamokra van szükség. Egy tonna települési szilárd hulladékból 6-12 m 3 /év biogáz termelődése feltételezhető a szakirodalom alapján (Bai, 2007). Egy lakos 456 kg-nyi szilárd hulladékot termel évente az EUROSTAT adata szerint. A keletkező nyers biogáz a DVGW G 262 előírás szerinti % metántartalmából következőleg átlagosan 0,8 PJ energiatartalomnak megfelelő szilárd hulladék áll rendelkezésre Magyarországon évente. (2.3. táblázat) (4) Kommunális hulladékok 2008-ban (4A) (4B) (4C) (4D) (4E) (4.1) Kommunális szennyvíz (4.1.1) Az ország lakossága*: ezer fő KSH, ) Vezetékes ivóvízzel ellátott háztartások (4.1.2) aránya*: 94,7 % KSH, ) (4.1.3) Lakosegyenérték (le): (4.1.1)*(4.1.2) min. max. (4.1.4) Fajlagos szárazanyag mennyiség: 0,10 0,14 kg/nap le (szakirodalomból: Bai, o.) (4.1.5) Éves szárazanyaganyag mennyiség: tonna/év (4.1.3)*(4.1.4)*365 (4.1.6) Fajlagos biogáz kihozatal: m 3 /tonna szárazanyag (szakirodalomból: Bai, o.) (4.1.7) A nyers biogáz mennyisége: ezer m 3 /év (4.1.5)*(4.1.6) min. max. (4.1.8) A nyers biogáz metán koncentrációja (DVGW G 262): % (4.1.7)*(Felső hőérték CH 4)*(4.1.8) GJ/év (4.1.9) A biogáz átlagos energiatartalma: 3,59 PJ/év (4.2) Települési szilárd hulladék (éves szinten akkumulálódó biogáz mennyiség számítása) (4.2.1) Az ország lakossága: ezer fő KSH, ) (4.2.2) A települési szilárd hulladék fajlagosa: 456 kg/fő/év 2007-es adat! EUROSTAT, ) (4.2.3) A hulladék éves mennyisége: 4,581 millió tonna/év (4.2.1)*(4.2.2) (4.2.4) Fajlagos gázkihozatali mutató: 6 12 m 3 /év biogáz / tonna települési szemét (szakirodalomból: Bai, o.) (4.2.5) A nyers biogáz mennyisége: ezer m 3 /év (4.2.3)*(4.2.4)*(4.2.5) (4.2.6) A nyers biogáz metán koncentrációja (DVGW G 262): (4.2.5)*(Felső hőérték CH 4)*(4.2.6) (4.2.7) A biogáz átlagos energiatartalma: 8) 9) 10) min. max % GJ/év 0,83 PJ/év 2.3. táblázat A magyarországi kommunális hulladékokból származó elméleti biogáz potenciál Biogáz potenciál 14

18 Abban az esetben, ha minden forrástípusnál a legrosszabb hatékonyságú biogáz termelés kerül feltételezésre 56,8 PJ, ha a legnagyobb hatékonyságú, akkor 218,3 PJ elméleti biogáz potenciált ad a számítás. Ez éves szinten átlagosan 137,6 PJ biogáz alapú, melléktermékekre alapozott potenciált jelent Magyarországon, melyből 2007-ben csupán 0,85 PJ-t hasznosítottunk! (Biogas Barometer, 2008) Ehhez az elméleti potenciálhoz adódik még hozzá az energianövényekből és a szerves ipari hulladékokból előállítható több száz PJ-ra tehető érték Az eredmények értékelése A Magyarországon érvényes, a fenti elvekre épülő számítással meghatározott, összesített elméleti biogáz potenciált a 2.4. táblázat szemlélteti a 2008-as év vonatkozásában. Látható, hogy a növénytermesztésből származó alapanyag jelenti a legnagyobb potenciális lehetőségeket, majd ezt követi az állattenyésztésből és a szennyvíziszapból kinyerhető biogáz mennyisége. A biomassza forrás típusa átlagosan 1. Növénytermesztési melléktermékek 104,04 PJ 2. Állattenyésztési melléktermékek 29,10 PJ 3. Szennyvíziszap 3,59 PJ 4. Kommunális szilárd hulladékok 0,83 PJ Fermentációra alapozott összesen: 137,56 PJ 25 MJ/m 3 felső hőértékű fermentációból származó millió m 3 /év nyers biogázban kifejezve: 37,9 MJ/m 3 felső hőértékű földgáz egyenértékben kifejezve (orosz import gáz): millió m 3 /év 2.4. táblázat Magyarország melléktermékekre alapozott elméleti biogáz potenciálja Még egyszer hangsúlyozni kell, hogy a táblázatban feltüntetett értékek a teljes magyar biomassza potenciál felhasználásával a legkisebb, illetve a legnagyobb hatékonysággal előállítható nyers biogáz mennyiségek átlagos értékeit szemléltetik. Az értékek átlagát véve ez kb. 140 PJ fermentációra alapozott biogáz energia potenciált jelent az országban éves szinten. Amennyiben az értékek nyers biogáz egyenértékben, illetve földgáz egyenértékben kerül kifejezésre akkor látható, hogy Magyarország elméleti biogáz (helyesebben biogáz előállításra is alkalmas biomassza) potenciálja átlagban 5,5 milliárd m 3 (25 MJ/m 3 energiatartalmú) nyers biogáz, illetve 3,6 milliárd m 3 (37,9 MJ/m 3 ) földgáz egyenértékével egyenlő. Az elmúlt 17 év magyarországi földgázfogyasztását a Magyar Energia Hivatal adatai alapján a 2.5. táblázat mutatja. Magyarország primerenergia igénye 2006-ban 1047 PJ, 2007-ben 1026 PJ volt a British Petrol statisztikája szerint. Ez azt jelenti, hogy ez az energiamennyiség (140 PJ átlagértéket figyelembe véve) a magyar primerenergia igényeknek 2006-ban 13,4 %-át, 2007-ben 13,6 %-át lett volna képes fedezni. A hazai éves földgázigényt alapul véve (481,1 PJ 2006-ban és 452,1 PJ 2007-ben) ez az érték 29,1-30,1 %-nak adódik!. Biogáz potenciál 15

19 Földgázfelhasználás 373,2 384,1 404,3 493,6 489,8 506,2 481,1 452,1 PJ összesen ebből villamosenergia 73,9 68,3 77,0 126,5 125,0 127,4 132,7 149,8 PJ termelésre Növekedés az 1990-es bázisévhez - 2,92% 8,33% 32,26% 31,24% 35,64% 28,91% 21,14% képest Belföldi felhasználás Mm 3 Csúcsnapi ezer fogyasztás m 3 /nap Forrás: MEH, táblázat Az elmúlt 17 év földgázfelhasználása A statisztikai adatokból látható, hogy Magyarország összes belföldi földgáz felhasználása a évi csúcs után mérséklődni látszik. Az elmúlt 15 év fogyasztási adatai, és a jelenlegi gazdasági recesszió mellett nem valószínűsíthető az ország földgázfogyasztásának jelentős növekedése 2020-ig. A fogyasztásban döntő szerepet játszik az időjárás is, azonban az eddigi legnagyobb csúcsnapi fogyasztást figyelembe véve (91,66 Mm 3 ), a csökkenő földgázfogyasztási volumen mellett nem valószínű annak jelentős mértékű növekedése. Mindez azt jelenti, hogy éves szinten nem valószínűsíthető egy PJ (15,0 15,4 milliárd m 3 ) éves földgázfogyasztás, illetve a millió m 3 csúcsnapi fogyasztás túllépése az elkövetkező években. Összehasonlítva ezeket az adatokat az elméleti biogáz termelésre kapott értékekkel látható, hogy az országban rendelkezésre álló 140 PJ fermentációra alapozott elméleti biogáz potenciál, ami millió m 3 orosz import földgáz egyenértéknek felel meg éves szinten, teljes mennyiségének földgázhálózatba való betáplálása sem érné el a hazai éves földgázfogyasztás kb %-át. A 95 millió m 3 /napos csúcsnapi teljesítmény esetén ennek a biogáz mennyiségnek az 1/365-öd része, azaz 9,94 Mm 3 /nap mennyiség lenne a rendszerbe táplálható. Ez a teljes csúcsnapi fogyasztás 10,46 %-át tenné ki. A fenti arányok az elméleti felső határértékeket szemléltetik. Az eredmények értékelésekor nem szabad figyelmen kívül hagyni azt a tényt sem, hogy egyrészt a technikai potenciálok is csak igen kis mértékben vannak jelenleg kihasználva, másrészt a megtermelt biogázok nem csak földgázhálózati betáplálásra, hanem közvetlenül áram és hő termelésre is alkalmazhatók, ez által tovább csökken az amúgy sem jelentős, reálisnak tekinthető betáplálási mennyiség. Biogáz potenciál 16

20 3. Biogáz és földgáz minőség 3.1. A biogázok definiálása A biomassza fogalmába minden olyan szilárd és folyékony halmazállapotú, szervesanyag tartalommal rendelkező növényi és állati eredetű anyag beletartozik, mely energiatermelésre alkalmassá tehető. Biogáz alatt értendő minden, szervesanyag tartalmú biomasszából keletkező, tisztítatlan és tisztított éghető gáz, mely döntő hányadában metánt tartalmaz. Hivatalos definíciója szerint, szénhidrát-, illetve cellulóz tartalmú, valamint fehérjéket és zsírokat tartalmazó szerves hulladékok anaerob szervezetek hatására végbemenő bomlásának (biodegradáció, rothadás, erjedés) gáznemű, rendszerint éghető terméke, amely -többek között ammónia, kén-hidrogén, szén-monoxid és szén-dioxid mellett- legnagyobbrészt metánból áll. ( Az adott területen szolgáltatott földgáz minőségére tisztított, jelentős metán térfogathányaddal rendelkező biogázokat biometánnak nevezzük. Bizonyos szakirodalmak a biogáz fogalomkörébe rendelik a biomasszából származó un. bio-szintézisgázokat is, melyek összetétele jelentősen eltér az anaerob körülmények között keletkezőkétől. Kémiai úton, megfelelő technológiai eljárással azonban ezek is metánban gazdag gázelegyekké alakíthatók. A továbbiakban csak a fermentációs forrásokból származó biogázokkal foglalkozik az értekezés Biogáz alapanyagok Biogáz előállítására minden, a metántermelő baktériumcsoportok által könnyen bontható szerves anyag alkalmas. A mezőgazdasági biogáz üzemekben növényi alapanyagot (kukorica, gabonafélék, gyep, stb.), hígtárgyát és almostrágyát használnak fel elsősorban. Az üzemek alkalmasak élelmiszeriparból származó melléktermékek feldolgozására is, de a kommunális eredetű szerves hulladékok is kitűnő alapanyagnak bizonyulnak. Energiatermelésre hasznosítható biogáz képződik még a kommunális folyékonyhulladék feldolgozásánál (szennyvíziszap) és a kommunális hulladéklerakó telepeken is. Összefoglalva, biogáz termelésre alkalmas alapanyagok lehetnek: a mezőgazdaságból származóak: almos- és hígtrágya, kukorica és fűszilázs, zöld növényi hulladékok, répa és burgonya, gabonafélék és melléktermékeik, az ocsú, a szalma és a széna; az élelmiszeriparból származóak: konyhai maradékok, tejsavó, sütési zsiradékok, repce és napraforgó pogácsa, törköly, konzervipari hulladékok, vágóhídi hulladékok; egyéb szervesanyag tartalmú anyagok: depóniagáz, szennyvíziszap, állati tetemek, növényi szerves hulladékok Gázminőségi tartomány A termelt, illetve önmagától képződő kezeletlen biogázok minősége az alapanyagok típusától és szervesanyag tartalmától, valamint a fermentációs technológiától függően széles tartományban változhat. Energiatartalmukat a bennük található metán térfogathányada határozza meg. A széndioxid és nitrogén, mint inert gázok csökkentik a Biogáz és földgáz minőség 17