HU BIOMETÁN REGIÓK A biogáz, a biometán és az anaerob erjesztés jellemzői Tájékoztató magyar felhasználóknakg With the support of
1 BIOMETÁN REGIÓK A biogáz, a biometán és az anaerob erjesztés jellemzői Tájékoztató magyar felhasználóknak VM Mezőgazdasági Gépesítési Intézet
2 A biogáz és a biometán A mezőgazdaság (elsősorban a növénytermelés és az erdőgazdálkodás) kedvező pozíciót foglalhat el a fosszilis energiaforrások kiváltásának piacán, a biomassza termelés révén. A megtermelt biomassza ugyanis többféle transzformációval alakítható át az igényeknek megfelelő energiahordozóvá. A szerves anyagok anaerob (oxigén jelenléte nélküli) lebontásával állítható elő a biogáz, mint gáznemű, égetéssel hasznosítható energiaforrás. Biogáz kifejezés alatt értendő minden, szerves anyag tartalmú biomasszából keletkező, tisztítatlan és tisztított éghető gáz, mely döntő hányadában metánt tartalmaz. Hivatalos definíció szerint, a biogáz, szénhidrát-, illetve cellulóz tartalmú, valamint fehérjéket és zsírokat tartalmazó szerves anyagok (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- főként metánból áll. A biogáz kifejezés használatos minden, szerves anyagokból, különböző eljárásokkal előállított, éghető gázra. Számos szakember véleménye szerint, a biogáz hő- és áramtermelési célú használata hozzájárulhat az Európai Unió azon vállalásához, hogy 2020-ra, a megújuló energiaforrások részaránya, a teljes energiafogyasztás legalább 20 %-t fedezze. Az Európai Parlament (EP) és Tanács 2009/28/EK irányelve, az EP állásfoglalásából a következőket vette át: A mezőgazdasági anyagok, így pl. a trágya, a szennyvíziszap, az állati eredetű
3 és egyéb szerves hulladékok, biogáz előállításra történő használata, az üvegházhatású gázkibocsátás mérséklés, a kapcsolódó hő és villamos energia előállítás, valamint a bioüzemanyagként történő felhasználás lehetősége miatt, jelentős környezeti és energetikai előnyökkel jár. Decentralizált és regionális jellege következtében, a biogázt előállító és hasznosító beruházások meghatározó módon hozzájárulhatnak a fenntartható fejlődéshez a vidéki térségekben, ugyanakkor a mezőgazdasági termelők számára új jövedelemszerzési lehetőséget is teremtenek. Mint tudjuk, a magyar mezőgazdaság, a hazai élelmezési és takarmányozási szükségletet meghaladó mennyiségben képes, fenntartható módon biomasszát termelni, amely potenciális lehetőség, jelentős mennyiségű biogáz előállítására. A biogáz, különböző szektorokban, különböző módokon, de fontos szerepet játszhat az energiaellátásban. A biogáz ugyanis felhasználható: - villamos energia előállítására, - hőtermelésre, - vegyes tüzelésű CHP (kapcsolt hő és energiatermelő) erőművekben. A tisztított és sűrített biogáz viszont közlekedési eszközök üzemanyagaként használható vagy a földgázhálózatba is betáplálható. Az adott területen szolgáltatott földgáz minőségére tisztított, valamint jelentős metán térfogathányaddal rendelkező biogázokat, biometánnak nevezzük. Biometán Régiók Projekt A Biometán Régiók /Bio-methane Regions/ elnevezésű K+F projekt, az Intelligens Energia Europe (IEE) program támogatásával és a program részeként 2011. májusában indult, az MGI részvételével. A három éves időtartamra szóló, nemzetközi projekt teljes címe: Biometán technológiák fejlesztése a piaci elterjedés ösztönzése, helyi és regionális partnerséggel /Promotion of bio-methane and its market development through local and regional partnerships/. A K+F projekt konzorciumának 11 európai országból 15 résztvevője van. A Severn Wye Energia Ügynökség által vezetett projektben résztvevő cégek, intézetek a következő országokból valók: Nagy-Britannia, Németország, Ausztria, Franciaország, Belgium, Olaszország, Szlovénia, Svédország, Dánia, Horvátország és Magyarország. A projekt célja röviden: - az anaerob fermentációs technológiák és biogáz tisztítási eljárások legkorszerűbb
4 eljárásainak feltárása, rendszerezése; - hozzájárulás a biometán, mind szélesebb körű elterjedéséhez, gépjárművekben történő felhasználással, ill. földgázhálózatba való betáplálással. A tervek szerint, a K+F téma keretében elemzésre kerülnek a már létező gyakorlati példák, megoldások, az új fejlesztések továbbá az elterjedést akadályozó jogi, gazdasági tényezők. Az előzőek birtokában, a résztvevő országok várhatóan képessé válnak saját stratégiai, cselekvési tervük kidolgozására, a biometán technológiáik fejlesztésére. Biogáz-képződés folyamata A biogáz-képződés folyamata alapvetően két szakaszra oszlik; az első egy fermentációs biokémiai folyamat, amely a nagy molekulájú szerves anyagok lebontását, feltárását jelenti, a második szakasz pedig, a metánképződés biokémiai folyamata. Metán (CH 4) molekula térbeli képe A nyers biogáz (gázkeverék) főbb összetevői A gázkeverék összetevői Fajlagos mennyiség [%] Metán CH 4 50-75 Szén-dioxid CO 2 25-45 Oxigén O 2 nyomokban Nitrogén N 2 1-5 Hidrogén H 2 0-3 Vízgőz H 2 O 1-2 Szén-monoxid CO 0-0,3 Hidrogén-szulfid H 2 S 0,1-0,5 Forrás: AEBIOM (2009) A biogas road map for Europe Az anaerob bomlási folyamat fázisai: hidrolízis (hosszú láncú polimerek bontása kisebb molekulákká), acidogén fázis (hidrogén és illó zsírsavak keletkezése), acetogén fázis (alkoholok, és hosszabb láncú zsírsavak, az ecetsav-baktériumok segítségével átalakulnak ecetsavvá, széndioxiddá és hidrogénné), metanogén fázis (metán, szén-dioxid és vízgőz képződése).
5 A biogáz képződés 0 70 C közötti hőmérséklet tartományban megy végbe. A fermentorokban alkalmazott hőmérséklet, és annak pontos szabályozása, kulcsfontosságú tényező a biogázüzem életében. Nagy általánosságban elmondható, hogy a biogázüzemek nagy százalékában mezofil hőmérsékleti tartományban (körülbelül 35 o C) üzemelő fermentorokat alkalmaznak. Ezen hőmérséklet tartományban, az eljárás mikrobiológiai szempontból sokkal stabilabb, ezért könnyebb is irányítani azt. Termofil (körülbelül 55 o C) eljárás esetén, nagyobb gázkihozatalt érhetünk el (fokozódik a kémiai reakció sebessége, így csökkentve a teljes fermentációs folyamat időigényét.), de ebben az esetben a fermentor energia igénye is jelentősen megnő, továbbá a mikrobiológiai rendszer igen érzékeny a hőmérsékletváltozásokra (1-1,5 o C-nál nagyobbakra), ezért az üzemvitelben megbízható hőmérséklet szabályzás és nagy tapasztalat szükséges. Az optimális fermentációs folyamatban a ph 6,5-7,5 közötti értéket vesz fel, 55 és 65 % közötti metántartalom mellett. A gázképződési folyamat sebessége nagyban függ az alapanyag összetételétől. A fermentációs idő elhúzódhat, lehet: - szinte végtelen hosszú (lignin faanyagok), - néhány hetes (cellulóz), - néhány napos (hemicellulóz, zsír, protein), - vagy csak pár órás (kis molekulájú cukrok, illó zsírsavak, alkoholok) időtartamú is. Az anaerob fermentációból származó biogázhoz hasonló tulajdonságokkal rendelkező, metántartalmú gáz állítható, fás, ill. fásszárú növények termikus elgázosításával. A fásszárú technológia esetén is, megújuló forrásból keletkezik a metántartalmú gáz, amelyet gyakran szintetikus földgáz (SNG - Synthetic Natural Gas) néven említenek. Alapanyagok A biogáz előállításra, szinte minden szerves hulladék, melléktermék felhasználható (kivéve a szerves vegyipar termékeit), így az állati trágya, az élelmiszeripar melléktermékei és hulladékai, a feldolgozóipar szerves hulladékai (beleértve a vágóhídi hulladékokat), kommunális szennyvíziszapok, energianövények stb. Kerülendő a fermentorban, a toxikus hatású anyagok (pl. nehézfémek) jelenléte, mert ezen anyagok káros hatással lehetnek a reaktorban lévő baktériumok élettevékenységére. Fontos, hogy a bekerülő anyagok összetétele (recepturája) közel állandó legyen, mert a biogáztermelő baktériumok nehezen vagy egyáltalán nem képesek alkalmazkodni a nyersanyag összetételének hirtelen változásához, amely csökkentést okozhat a gáztermelésben.
6 A tehenészet, mint folyamatos trágya-előállító, a biogázüzem alapanyag termelője lehet Az ideális receptura tartalmaz, szénhidrátot, proteineket és zsírt is egyaránt. A különböző trágyafélék hasznos alapanyagként szolgálhatnak, még ha energiatartalmuk (gázkihozataluk) korlátozott is. Az alapanyagok egyes jellemzőit (szárazanyag-tartalom, szerves szárazanyag-tartalom, C/N/P/S arány, szénhidrát, zsír, fehérje és könnyű fémion tartalmat), elengedhetetlenül fontos megvizsgálni, a biogázüzemi felhasználás előtt. Laboratóriumi mérésekkel (tételes bemérésű,,batch típusú vagy folyamatos üzemű mérőeszközökkel), ezen jellemzők meghatározhatók. Az alapanyag jellemzők ismeretében tervezhetővé válik: - a szubsztrát lebontásához szükséges idő, - az alapanyagok szükséges előkezelése számbavehető, - kalkulálható a fajlagos gázkihozatal, stb. Biogázüzemi alapanyagok jellemzőinek mérésére szolgáló un. Biogáz Laboratóriummal rendelkezik, a gödöllői, VM Mezőgazdasági Gépesítési Intézet is. A VM MGI Biogáz Laboratórium egy részlete Az anaerob fermentáció előnyei Nemzetgazdasági szinten a biogázüzemek talán legfontosabb feladata, azon nyersanyagok feldolgozása (hasznosítása, ártalmatlanítása), amelyek mint termelési hulladékok keletkeznek (pl. a tejtermelési folyamat hulladéka a trágya), és amelyek
7 feldolgozás nélkül szennyezhetik a környezetünket és problémát jelenthet az elhelyezésük. Tápanyagok újrahasznosítása műtrágya kiváltás Kissé leegyszerűsítve, a biogáz előállítás (a szerek alkalmazhatók. Amennyiben fermentoros anaerob erjesztés) annyiban lehetőség van a fermentlé fázisbontására tér el az aerob komposztálástól, hogy a (folyékony halmazállapotú fermentlé fermentorban a tápanyagok zártan kerülnek felhasználásra. A fermentoros anaerob valamint szilárd halmazállapotú fermentlé, röviden folyékony fázis és szilárd fázis erjesztési folyamat végeredményeként előállítására), akkor a nagy szárazanyagtartalmú kapott anyagban (a kierjedt fermentlében szilárd fázis közvetlenül vagy ill. más néven a biogáztrágyában), ezáltal tárolás után, tengelyen trágyaszóró koncentráltan vannak jelen a tápanyagok. kocsikkal kiszállítható. A kis szárazanyagtartalmú A fermentlevek kedvezőbb beltartalmi folyékony fázis közvetlenül értékekkel rendelkeznek, mint a tartálykocsival vagy csővezetéken műtrágyák, így képesek, a növénytermelés juttatható el az adott földterületre. igényei szerint, a műtrágyák kedvező helyettesítésére. A bennük található foszfor és kálium a növények számára könnyen Alternatívát kínálhat a fermentlé egy részének hasznosítására, a szilárd fázis komposztálása vagy adalékolása, majd felvehető formában van jelen, ill. zsákolva, kerti földként történő csírázásgátló hatásuk miatt, a értékesítése. fermentlevek, a gyomok ellen, mint,,zöld Üvegházhatású gázok kibocsátásnak csökkentése Az állati trágyák biogázüzemi A széndioxid után a metán a második alapanyagként való felhasználása számos legnagyobb mennyiségben előforduló környezetvédelmi előnnyel jár, amellyel: üvegházhatású gáz, ugyanakkor a metán csökkenthetjük a metán hatása tizenegyszer nagyobb, mint a emissziót a trágyatárolás széndioxidé. A biológiailag lebomló során, anyagok égetése során, szennyezőanyagok fosszilis tüzelőanyag kerülnek a légkörbe, beleértve a biogázzal történő makrorészecskéket valamint a nitrogént és helyettesítése, pedig kén-dioxidot. csökkenti a szén-dioxid kibocsátást.
8 A biogáz hasznosítás lehetőségei A nyers biogáz tisztítása, energetikai célú eljárás is, ugyanis az egységnyi gáztérfogatra jutó energiatartalmat tudjuk növelni, az inert gázkomponensek eltávolításával. A biogáz ma ismert hasznosítási lehetőségei a következők: a biogáz gázkazánban való égetésével, csak hőenergiát állíthatunk elő a kogeneráció, amelynél a biogázt gázmotorban elégetve, egy időben állítunk elő /a gázmotor által hajtott generátorral/ villamos energiát, valamint a gázmotor hőleadását hasznosítva hőenergiát. Az előállított villamos energiát, az átvételi kötelezettség értelmében, a biogáz erőművek, az országos villamos hálózatra táplálhatják. A hőenergia szállíthatósága korlátozott, ezért szükséges valamilyen lokális hőenergia felhasználási lehetőséget találni. A kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés kiegészíthető abszorpciós hűtéssel, így a villamos energiatermelés hulladék hőjét nemcsak fűtésre, hanem hűtésre is használhatjuk (hozzávetőlegesen a hűtési teljesítmény, a felhasznált hőteljesítmény 70 %-a). a nyers biogáz legmagasabb szintű előkészítése után kapjuk a biometán (bioföldgáz) elnevezésű gázt. A biometán felhasználható sűrítve gépjárművek üzemanyagaként, vagy betáplálható a földgázrendszerbe, teljes értékű cseregázként. Biogáztisztító és üzemanyagtöltő egység, a Zalaegerszegi Szennyvíztisztító Telepen A,,feljavított biogáz, a sűrítési eljárás után, hasonló jellemzőkkel rendelkezik, mint a sűrített földgáz (CNG), amelynek tankolása Magyarországon is elérhető már. A biometánnal üzemeltetett gépjármű károsanyag kibocsátása jóval alacsonyabb, mint a benzinnel vagy a gázolajjal üzemeltetetteké. Amennyiben összehasonlítjuk a biometánt és a többi bioüzemanyagot, azt állapíthatjuk meg, hogy fajlagosan (egy hektár termőterületre vetítve), a biometán konverzióval előállított üzemanyaggal működő gépjárművel lehet a legtöbb km-t megtenni.
9 Busz tankolása biometánnal Biometán tankolása személygépkocsiba A biogázüzemek felépítése Nem könnyű jellemezni egy tipikus függően. Európában, túlnyomó többségben biogázüzemet, ugyanis jelentős eltérések vannak, az úgynevezett,,nedves vannak az egyes üzemek kialakítása technológiával dolgozó üzemek, azonban a között, a felhasznált alapanyagoktól, a,,száraz technológia alkalmazására is gázhasznosítás módjától, az egyes gyártók számos példát találhatunk. eltérő berendezéseitől, terveitől stb. Tehenészet, és a szomszédságában lévő biogázüzem egy részlete Alapanyag fogadás és tárolás Jelentős eltérések tapasztalhatóak az egyes alapanyagok tulajdonságai között, ezért a különböző anyagok eltérő fogadási és tárolási megoldást igényelhetnek. A folyékony halmazállapotú alapanyagok tárolása jellemzően földalatti tartályokban történik. A felhasználandó energianövények, ill. egyéb mezőgazdasági eredetű alapanyagok tárolását általában falközi silóterekben vagy erre kijelölt épületekben valósítják meg. Az élelmiszeripari hulladékok feldolgozását, gyors lebomlásuk miatt, a biogázüzembe érkezés után, a lehető leghamarabb célszerű megkezdeni. A kellemetlen szaghatású, folyékony halmazállapotú alapanyagokat, a szállítójármű tartályából, tömlőzettel és szivattyúzással, az üzem zárt
10 tartályaiba töltik. A fogadó tartályok felhasználhatók, a szilárd és a folyékony halmazállapotú alapanyagok bekeverésére, így e tartályokban már elkezdődhetnek a lebontó mikrobiológiai folyamatok. A kapcsolódó kellemetlen szaghatások, biofilterek alkalmazásával elkerülhetőek, ill. csökkenthetők. Szalmás trágya fogadó garat biogázüzemben Beadagoló (etető) rendszer Az előkészített alapanyagok fermentorba adagolása napi szinten, rendszeres időközönként történik meg (pl. szállító csigarendszerrel), a szükséges mennyiségben. A heterogén alapanyagok előkezelése, aprítása szükséges, a fermentorba adagolás előtt, a közel azonos részecskeméret elérése érdekében. A jól aprított, megfelelően előkezelt alapanyagokhoz, a fermentorban lévő lebontó baktériumok, nagyobb felületen tudnak hozzáférni. A fermentorok Az anaerob fermentáció teljesen zárt fermentorokban zajlik le, amelyek általában acélból, vagy betonból készített, víz és hőszigetelt, keverővel és fűtéssel ellátott tartályok. Fontos, hogy a fermentorokban, az alkalmazott hőmérsékleti zónáknak megfelelő szinten tudjuk a hőmérsékletet tartani, ugyanis a tartályban fennálló hőmérséklet nagyobb fokú változása, már káros hatással lehet a biológiai folyamatokra. A szubsztrátumot naponta többször szükséges átkeverni, annak érdekében, hogy elkerülhető legyen a különböző fajsúlyú anyagrészek rétegződése, valamint a folyadék felszíni kéreg kialakulása. A keverés lehet mechanikus (keverővel), hidraulikus (szivattyúval), ill. pneumatikus (sűrítettlevegős). Előírás szerint, egyes alapanyagok (pl. a 3. veszélyességi kategóriába tartozó állati melléktermékek), a fermentorba táplálás előtt, szükséges, hogy egy szabványos pasztörizálási folyamaton menjenek át, amely lényegében egy hőntartás, min 70 o C-on, 1 órán keresztül. A hőntartásos eljárással, az alapanyagot, különböző kórokozóktól (pl. szalmonellától) tudjuk mentesíteni.
11 Hígfolyós, homogén alapanyagok esetén, a fermentorban kialakulhat u.n. passzív keverés, a belső hőáramlás és a felszálló gázbuborékok következményeként. Biogázüzemi fermentorok Végterméktárolók A fermentlé, a fermentációs folyamat végterméke, amelynek talajon történő hasznosítását, csak megfelelő időjárási és talajviszonyok mellett szabad megkezdeni. A fermentlé talajra vagy talajba kijuttatatását nem lehet a téli hónapokban végezni, ezért a biogázüzemnek 6 hónapi fermentlé mennyiségnek átmeneti tárolására szükséges felkészülni, ennek megfelelő térfogatú végterméktárolójáról gondoskodni. Gáztárolók A biogáz átmeneti, felhasználás előtti, gázhalmazállapotban történő, technológiai célú tárolására szolgáló (puffer) berendezések, a gáztárolók. Gáztároló lehet, a fermentor tartály fölötti fóliazsák, de lehet a fermentor mellett, egy különálló létesítmény is. A biogázüzemi gáztárolók általában nem robbanásveszélyesek. Gáztároló, a fermentor tartály fölötti fóliazsák
12 Biogáz hasznosító berendezések A biogázból villamos- és hőenergiát előállító berendezések, valamint a gáz tisztítására és előkészítésére szolgáló egységek, lényegében a biogázüzem kapcsolódó, a megtermelt biogáz hasznosítására szolgáló eszközei. Ezen eszközök, az üzemeltetés szempontjából, a kibővített az üzem részét képezik. Lényeges feltétel, hogy a biogáz hasznosító berendezések, megfelelően hangszigetelt építményekben kerüljenek elhelyezésre.,,száraz és nedves erjesztéses biogázgyártási rendszerek Teleszkópos rakodó, biogázüzemi alapanyag rakodás közben A nedves rendszerek esetén követelmény halmazállapotú alapanyaggal egy tételben,az előkészített (folyékony halmazállapotú) töltik meg a fermentort (pl. alapanyag szivattyúzhatósága. A,,száraz homlokrakodóval), így az alapanyag rendszerek esetén is alkalmazhatók (a magasabb szárazanyag-tartalmú alapanyag szakaszosan (nem pedig folyamatosan) kerül feldolgozásra. mellett is üzemelő) szivattyúk, így a száraz rendszer folyamatos üzeművé tehető, de nem ez az általánosan elterjedt megoldás. A,,száraz rendszerek esetén, a szilárd A gödöllői székhelyű, VM MGI (Vidékfejlesztési Minisztérium Mezőgazdasági Gépesítési Intézete) alapításának éve 1869. Az elmúlt 140 év során az MGI fontos szerepet töltött be a hazai mezőgazdasági
13 technológiák, a környezetipar, a mezőgazdasági gépipar, az élelmiszeripar, a környezetvédelem, a bioenergetika egyszóval a vidék fejlesztésében. Ma az intézet közel 50 fős, széleskörű tapasztalattal és tudással bíró, szakembergárdával rendelkezik. Biometán Régiók Projektben résztvevő partnerintézmények The sole responsibility for the content of this report lies with the authors. It does not necessarily reflect the opinion of the European Union. Neither the EACI nor the European Commission are responsible for any use that may be made of the information contained therein.
The sole responsibility for the content of this publication lies with the authors. It does not necessarily reflect the opinion of the European Union.