A BIOGÁZ KOMPLEX ENERGETIKAI HASZNA Készítette: Szlavov Krisztián Geográfus, ELTE-TTK
I. Bevezetés Ha a mai módon és ütemben folytatjuk az energiafelhasználást, 30-40 éven belül visszafordíthatatlanul válságos helyzet alakul ki a földön. A jelenlegi energiaigényünk 96%-át a kényelmesen felhasználható, könnyen hozzáférhető és a megújuló (tiszta)energiaforrásoknál gyakorta olcsóbb hagyományos energiahordozók adják.
ENERGIAFÜGGŐSÉG A hazai fajlagos energiafogyasztás 1987-es pazarló értékének(341mj/fő/nap) jelentős csökkenése(napjainkban ~285MJ/fő/nap) ellenére a nyugati országok GDP-jéhez viszonyított energiafogyasztásának a ~dupláját használjuk el, gyengébb enrgiahatékonyságunk miatt. 2001-ben hazánk energiaimport-függősége 72,6% volt, s a hazai fosszilis energiahordozók termelése 1990 óta 1,3MtOE-kel csökkent. Tetemes és dinamizálódó energiaimportunk fékezése/helyettesítése csak megújulókkal lehetséges.
BIOMASSZA Alapvetően háromféle biomassza létezik: száraz, folyékony és légnemű. A gazdaságosság fő összefüggése, hogy a keletkező szerves mellékterméket, hulladékot úgy kell energetikailag hasznosítani, hogy a legkisebb legyen a járulékos energiaráfordítás. A biomassza mennyiségét tekintve a potenciális lehetőségek naturális számbavételénél sokkal pontosabb képet nyújt a 100ha-os(szállítási költségek szempontjából is kezelhető, gyakorlatilag helyi felhasználást lehetővé tevő területnagyság) területegységre vonatkoztatott érték(ez az elméleti érték országos átlagban 10,1TJ). A legjobban hasznosítható szántóföldi energianövények, pl. silókukorica, cukorcirok, energiafű termelése az alacsony villamos-áram átvételi ár végett, önállóan nem finanszírozható, ezért van szükség a mezőgazdasági melléktermékekre és hulladékokra is.
BIOGÁZ-GENEZIS A biogáz szerves anyagok anaerob erjedése során képződő, a földgázhoz hasonló rendkívül sokoldalúan felhasználható légnemű anyag. Előállítására az élelmiszer-gazdaságban és a kommunális szférában képződött szerves anyagok alkalmasak, kivéve a cellulóz- és lignintartalmú anyagok (hosszú ideig elhúzódó lebontásuk gazdaságtalan), és magas kén és üledéktartalmú toll, szőr, csontmaradványok (rontják a gáz minőségét). Spontán módon is lejátszódik mélyvízi tengeröblökben, mocsarakban és hulladéktároló telepeken.
RECEPTÚRA A nyers biogáz és a folyamat melléktermékeként képződött híg biotrágya minősége kizárólag a felhasznált alapanyagoktól függ. Jó receptúrában a szén nitrogén arány megközelíti a 20-30%-ot, az állati hulladék pedig max. 30-40% lehet. A biogáz-hasznosítás számításához ismernünk kell a különböző nyersanyagféleségek átlagos biogázhőértékét(22mj/m3)
BIOGÁZ ÖSSZETÉTELE A mikrobák együttműködésével nyert gáz mintegy 50-70%-a éghető metánt, 28-48%-a éghetetlen CO2-ot és 1-2%-a egyéb gázt, elsősorban kénhidrogént és nitrogént tartalmaz. Egy kg szerves szén normál feltételek közti teljes elgázosításával ideális esetben 1,868m3 gázt szolgáltat. A metántartalom függvényében a földgáz fűtőértékének 50-70%-át teszi ki(18-25mj/nm3), mely sűrítéssel, ill. a CO2 leválasztásával növelhető. A tisztított biogáz a földgázzal gyakorlatilag megegyező összetételű, ráadásul a nehezen leválasztható gázok kisebb aránya miatt értékesebb termék 1m3 biogáz hőenergiája tisztítás nélkül ~0,5 liter tüzelőolajat, v. 1kg feketeszenet képes helyettesíteni. 1kg szerves szárazanyagból 230-400l biogáz nyerhető, a legkedvezőbb fajlagos biogáz-források a cukorrépa, kukorica, az exoterm trágyák és élelmiszeripari melléktermékek. Legmagasabb a metántartalma a szennyvíziszapokból erjesztett biogáznak(70%), ezt követi a mezőgazdasági melléktermékekből(60-65%), majd a szilárd települési hulladékokból(50%) nyerhető gáz metántartalma.
ELŐNYÖK A biogáz előállítása élelmezésre és takarmányozásra általában alkalmatlan, egyébként sokszor veszendőbe menő alapanyagokat felhasználva történik. A biogáz-hasznosítás előnye az intenzív biomassza-termeléssel szemben, hogy így nem kell tartani a gyakorta agresszív, rugalmatlan vetésű, általában kis energiasűrűségű, így nagy termőterületeket igénylő energianövények drasztikus és kockázatos vetésszerkezet váltásától. További előnye, hogy a tárolás anaerob körülmények közt nem jár tüzelési minőség rosszabbodással, sőt javulás tapasztalható. A biomassza egyszerű elégetésével keletkező hamu talajjavító funkciója messze elmarad az erjesztés után visszamaradó híg biotrágyáénál. Míg a biomassza-energetikai eljárások többségében főterméket használnak fel, ily módon önálló/autonóm vertikumot, termőterületet igényelnek, addig a biogáz alapanyagai kifejezetten melléktermékek és hulladékok.
II. Felhasználás Ez az a biomassza-felhasználási mód, mely a legsokoldalúbb módon elégítheti ki a felhasználók igényeit: a (tisztított) biogáz fűtésre(biogázégőkkel, blokkfűtővel)), hűtésre, gázmotorok meghajtására alkalmas. a biotrágya a szerves trágyánál, kommunális hulladéknál értékesebb talajjavító. a melléktermék CO2 pl. üvegházi növények hozamfokozására, fejlődésének serkentésére alkalmas. a biogáz generátorral történő átalakításával elektromos áram ( blokkfűtővel, tüzelőanyagcellás berendezéssel) állítható elő.
TECHNOLÓGIAI CSOPORTOSÍTÁS A biogáz hasznosítási lehetőségei, technológiai oldalról: a.) termikus hasznosítás - gázmelegítők - gázégők b.) komplex hasznosítás - elektromos és termikus: gázmotor/turbina generátorral és hőcserélő - mechanikus és termikus: gázmotor/gázturbina és hőcserélő c.) mechanikus hasznosítás - gázmotor - gázturbina A gyakorlatban jelenleg elsősorban villamos- és hőenergiát állítanak elő a biogázból. Amennyiben a hőenergiát maradéktalanul felhasználjuk, átlagosan ~22% energia értékesíthető villamos energiaként (a felhasználható melegvíz mértékének megfelelő mértékben). Azonban villamosenergia-termelésnek az energiaveszteség mellett magas az átalakítási költsége is.
HAZAI VISZONYLAT A biogáz megtisztítása után a kapott bioföldgáz ma már az országos(vagy helyi) földgázvezetéken keresztül értékesíthető, a hazai gáztörvény minőségi kritériumai által szabályozva. Elvileg a kilencvenes évek közepén az ország területének >80%-án célszerű és gazdaságos a gázhasznosítás, mivel e települések >10km-re voltak találhatók az országos földgáz-vezetékrendszertől. Leggyakoribb eljárás a villamos energia előállítása gázmotorban, mely piacképes termék, mivel 2006-tól már kedvező áron (éves átlag, 100kW teljesítmény felett: 23,6Ft/kWh) köteles átvenni a területileg illetékes villamosenergia-szolgáltató. Ráadásul a biogáz kopáscsökkentő hatása végett növeli a gázmotor élettartamát. A CO2- trágyázásssal, növényfajtól függően 15-40% terméstöbbletet eredményez. A biogáz-előállítás jövedelme nemcsak az előállított termékekben rejlik, hanem az ilyen módon megmaradó, a biogáz nélkül környezetszennyező ágazatok nyereséges működtetésében is.
KOMPLEX HASZNOSÍTHATÓSÁG A komplex hasznosíthatóság eldöntése végett vizsgálni és értékelni kell a kistérségeket az alábbi szempontok szerint: A társadalmi és gazdasági jellemzőket A mezőgazdasági melléktermékek mennyiségét. A környezetvédelmi követelményeket. A terület energetikai adottságait. A kiválasztás után vizsgálni kell a hulladékfelhasználási technológia költségét, a megtérülési időt, az élettartamot, a gazdasági hatékonyságot és a pénzügyi eszközök előteremthetőségét. A kilencvenes évek első felében végzett ilyen felmérések szerint az ország településeinek 40%-ánál elméletileg reálisnak bizonyult a biogáz-hasznosítás.
LOKÁLIS SZEREP Az egyéni farmgazdaságok esetében az állati trágyát, a kerti szerves hulladékot, valamint a szerves konyhai szemetet fermentálva a lakóház fűtési, főzési, és melegvíz-szolgáltatási energiaigénye (részben) fedezhető, 1,5-3Nm3/nap átlagos hozammal számolva. Települési szinten központi biogáz-biotrágya előállító üzemmel a fenti alapanyagokkal lakosság megtakaríthatja a szennyvíztisztító berendezést. Nagyüzemi állattartó egységek, élelmiszeripari és más energiaigényes létesítmények energiaigényének biztosítására érdemes kialakítani, ha az év folyamán a környező területekről biztonsággal begyűjthető szükséges mennyiségű és minőségű nyersanyag. Így a biogáz szolgáltatás mértéke 1000-5000Nm3 lehet.
III. Szennyvíztelepek SZENNYVÍZTISZTÍTÁS Az EU környezetvédelmi szabályozásának teljes átvétele mintegy 2,5 billió Ft-os beruházási költségtöbbletet jelentene hazánknak, ennek a legnagyobb tétele a mintegy 800Mrd Ft-ot kitevő szennyvíztisztítás. A települési szennyvíziszap mennyisége évente közel 700 ezer tonna, átlag 25-30%-os szárazanyag-tartalommal. A víztelenítést a telepek háromnegyed részénél végzik el. Az elhelyezésnél dominál a lerakás(60%) döntően a települési hulladéklerakókon, mezőgazdasági hasznosításra ~40%, míg rekultivációra ~2% kerül. Egy lakos átlagosan 0,2-0,3m3/nap szennyvizet termel naponta. Hazánkban még mindig csak a városi lakások 75%-a, a teljes lakásállomány 50-60%-a van csatornahálózatba kötve, s ezek mindössze ~felét tisztítják biológiailag, pedig a biogáz-előállítására alkalmas szervesanyag-tartalmú városi szennyvizek ~1-1,5%-a szennyvíziszap. A szennyvíziszap mennyisége a szennyvízelvezetési és tisztítási program előrehaladtával növekedni fog. Azonban a nagyvárosok szennyvízét feldolgozó üzemek nem képesek feldolgozni a jól hasznosítható kommunális hulladéktól a nem élelmiszeripari üzemek, gyakorta nehézfémekkel is terhelt szennyvizét, melyek rontják a gázfejlődés hatásfokát, a kierjesztett iszap felhasználhatóságát.
ÁLTALÁNOS JELLEMZÉS Az anaerob kezelés(=légmentes rothasztás) igen jelentős beruházást igénylő, de az egyéb szennyvízkezelési eljárásoknál környezetvédelmi szempontból hatékonyabb technológia. Az anaerob oxidáció ráadásul az üzemköltségek csökkentését/bevételek növelést is lehetővé teszi, hő- és villamos energia előállításának köszönhetően, így tisztítás költsége (részben) megtérülne. Az eljárás beiktatása 80-90W/m3 energiamegtakarítással jár, különösen tömény élelmiszeripari szennyvizek ártalmatlanításakor, ráadásul a szennyvíziszap anaerob elgázosítása után olcsóbban elhelyezhető, s így a tárolás költségei csökkennek. További előnyt jelent a szennyezőanyagok átmosásához bőségesen rendelkezésre álló víz.
TECHNOLÓGIAI ELVÁRÁSOK A fejlett technológiákra szabott elvárások: Fajlagos biogáz-termelés: min.25 l/nap/leé Beépített teljesítmény: min. 50kW Szennyvíztisztító energiaigénye: cca. 2,5W/LEÉ(ma hazánkban 4W/LEÉ!) Alternatív biogázüzem, megfelelő tárolókapacitás Az anaerob iszaprothasztás a magas állandó költségek miatt legalább 10000lakosegyenértéknyi szennyvizet ígényel(így a melegvíz-ellátás gazdaságos), de a komplett(villamos & hőenergia) célú hasznosítás csak nagyobb(min. 20000LEÉ) telepek esetén javasolható.
III. Depóniatelepek HULLADÉKHELYZET A kommunális hulladék hatalmas és növekvő tömege jelentős biogázforrásként szolgálhat. Magyarországon jelenleg mintegy 23millió m3(4,6millió tonna) települési szilárd hulladék keletkezik évente, melynek 62%-a lakossági eredetű, s évente 2-3%-al nő. A begyűjtött települési szilárd hulladéknak mindössze 3%-át hasznosítják. Az ártalmatlanítás jellemző formája a lerakás(83%). Hazánkban a települési szilárd hulladékkezelési díjak az elmúlt években radikálisan növekedtek (átlag 8900Ft/háztartás/év), s így már gyakorlatilag fedezik az üzemelési költségeket. Az egyes településeken alkalmazott díjak közötti jelentős(akár ötszörös!) eltérések a korszerű, regionális rendszerek kiépülésével, várhatóan 3-4év alatt megszűnnek. Hazánkban az 1996 után épült kommunális hulladéklerakók depóniagáz-hasznosításának a feltételei biztosítottak.
JELLEMZŐK A konyhai hulladék évi egy főre jutó mennyiségének energiatartalma ~300MJ, és (reálisan) 30%-os hatásfokkal átalakítva 25kWh/lakosegyenérték/év villamos energiának felel meg A gázképződés sebessége a hulladék tömörítésével(0,25 1t/m3) növelhető, mely a lerakó élettartamát (kapacitását) is bővíti(a hatvanas években a hulladéksűrűség 300kg/m3 volt, mely napjainkra Bp.-en 180kg/m3-re csökkent). A hulladékban felhalmozódó gáz (Tátl.=15 C) 15-20éves stabil gáztermelés esetén 183m3/tonna, így a depóniagáz hozama átlag 1m3/h/1000m3. Nagy viszonylagos metánkoncentrációja(50-65tf%) végett önállóan is jól ég (csak 30% alatt problematikus), számottevő káros égéstermék nélkül! Komolyabb problémát csak a fűtőérték ingadozása jelenthet, ennek kiküszöbölésére az égőt ehhez illeszteni (pl. atmoszférikus helyett ventillátoros gázégő) kell.
HASZNOSÍTÁS A hulladék lerakását követő hónapokban a hőmérséklet 60-65 C-rta emelkedik, így elpusztulnak a patogén, kórokozó baktériumok Megfelelő körülmények esetén viszonylag rövid időn belül(~hat hónap elteltével) megindul a depóniagáz képződése, így már a lerakó kiépítésekor gondoskodni kell elvezetéséről.. Gyakorlati tapasztalatok igazolják, hogy ~15-20 éves aktív gazdaságosan hasznosítható: a gáztermelés ~3/4része lezajlik időszakkal számolni. Költségnövelő tényező viszont, hogy 8-10 év után a rentábilis kitermelés folytatásához a csőrendszert át kell telepíteni. A gazdaságos működés érdekében ~100000 lakos kezelésére alkalmas telepeken érdemes a kútrendszert kiépíteni/fenntartani. Az üzemeltetés jellemző költségei 4-5millió Ft/évre tehetők függetlenül a lerakott hulladék mennyiségétől.
IV. Biotrágya A talaj szervesanyag készletének fenntartásánál alapvető kitétel, hogy a növénytermesztés során képződő melléktermékek kétharmadát rendszeresen vissza kell juttatni a talajba, lehetőleg kiegészítve hígtrágya bedolgozásával(~400-600m3/ha). Az anaerob erjesztés alatt a komposztálással szemben tápanyagveszteségek lénygesen kisebbek(pl. N esetében komposztálással 40%, míg így csak ~2%!). A biogáz előállítása és a képződő híg trágya a közvetlen trágyakijuttatásához képest, a technológia függvényében csökkentheti a metán és az ammónia kibocsátását, a magas hőmérséklet sterilizáló hatása miatt a szaghatást, valamint a gyomok(csírázóképesség 95-97%-al csökken) és paraziták életképességét. Szerkezete és morzsalékos összetétele révén a biotrágya különösen a rossz, köves, homokos vagy parlagon hagyott talajok humuszképződését fokozza, a talaj víz- és tápanyag-visszatartó képességének javításával, baktériumainak aktivizálásával. További előnye, hogy mértéktaró használat esetén lényegesen kisebb szaghatása mellett, semmilyen káros hatása sincs az élő és élettelen környezetre, növekedéserkentő hormonokat és enzimeket is tartalmaz. Egyetlen jelentős hátránya az alacsony szárazanyag-tartalma, mely megdrágítja a kijuttatását.
V. Hol érdemes biogázüzemet építeni? Ott ahol az alábbi feltételek közül minél több rendelkezésre áll: Legalább 1000m lakott területtől való távolság. Környezetvédelmi beruházás szükséges. A rendelkezésre álló alapanyag zöme(min.70-80%) helyben van, és min. évi 10000tonna A biogáz közvetlen hasznosítási lehetősége. Középfeszültségű vezetékre való csatlakozási lehetőség. Többlet melegvíz hasznosítás. A biotrágya közvetlen környéki elhelyezésének biztosítása. Alapanyag-tároló épületek, építmények Ideális telepítési tényező a szennyvíztelephez, vagy nagyméretű sertéstelep kapcsolódási lehetőség.
BERUHÁZÁSELEMZÉS A beruházás költségei összességében százmillió Ft-os nagyságrendűek, fajlagos nominál értéke, kizárólag biogáz előállítása esetén 120-150millió Ft/MW. Míg a biogáz közvetlen elégetésvel melegvíz biztosítható, melynek fogyasztókhoz történő továbbítása csővezeték hosszának függvényében 15-20%-al növeli a beruházásigényt, a CO2-tól való megtisztítás utáni gázszolgáltatást csak a gázhálózathoz csatlakozó gázvezeték költségei (+3-8%) terhelik. A kéntelenítésnél a tisztítandó kén mennyiségének növekedésével exponenciálisan növekszik a beruházási költség. Az elektromos áram előállítása és országos hálózatba táplálása viszont jelentős többletköltséggel(+20-25%) jár, de ezt a villamos energia előállításakor képződő hulladékhő részben kompenzálhatja. Az üzemelés eredményességét jelentősen befolyásolja a hőenergia, valamint a biotrágya teljes értékű hasznosítási lehetősége. A legígéretesebbek a magas erjedési hőmérséklettel(60-65 C) jellemzett modern technológiájú telepek, melyek a felére csökkentik az erjesztés időtartamát, ezáltal kisebb méretű üzemmérettel is elérhető egyazon éves kapacitás.
VI. Konklúzió GAZDASÁGI VONZATOK A biogáz eszményi tehermentesítő és hasznosítási funkciói ellenére hazánkban elenyésző a részesedése a megújuló energiák sorában(0,5%). A hazai összes biomassza 53%-a, míg a mezőgazdasági melléktermékek 35%-a vész kárba. A fosszilis energiahordozókkal csak akkor versenyképes a biogáztermelés, ha komplex előnyeivel veszik figyelembe. A biogáz-beruházás megtérülési ideje optimális esetben is a magas beruházási költség és a jelenlegi magas átvételi árak miatt rendkívül hosszú. Ezért szükséges a nonprofit szervezetek akár 100%-os, míg a profitorientált szervezetek max. 50%-os szanálása. A közhasznú szervezetek által működtetett nagyvárosi és regionális szennyvízkezelő telepek szennyvízdíjból származó bevételei általában meghaladják a költségeket, így valóban a környezetvédelem eszközei ill. a megújuló energia fő bázisai lehetnek. Vállalkozási formában viszont csak akkor érdemes biogázüzemet építeni a jelenlegi energiaárak mellett, ha ideálisak a beruházási és üzemelési feltételek és ha az üzem környezetvédelmi célokat is szolgál, ill. ha a vertikális integrációból kikerülő hulladékra és melléktermékekre épül. A megújulók villamos energia átvételi ára 24Ft/kWh(az EU országaiban 20-50Ft/kWh), mely általában nem elégséges a nyereségorientált biogázüzemek csak e célból való fenntartásához. Nagyon fontos, hogy már a beruházás előkészítési fázisában legalább a várható működési időszakra (min. 20 év) garantált legyen az átvétel. Az eljárások fokozottabb alkalmazása elősegítené az EU hulladékkezelési, energiapolitikai, vidékfejlesztési, és környezetvédelmi előírásának teljesítését is.
KÖRNYEZETVÉDELMI VONZATOK Magyarországon 2006 áprilisától 261 létesítményt érint a CO 2 kibocsátás-kereskedelem (a CO 2 -kibocsátás ~felét adják), s összesen 93,8 millió tonnás kvótát kaptunk. A környezetkímélő beruházások az EU-ban jóval drágábbak a hazaiaknál, ezért számukra megéri Magyarországtól megvásárolni a megtakarítást, ezáltal hazánk korszerű beruházásokhoz, munkahelyekhez juthat Az emisszió-értékesítésre felajánlott megtakarítást az eladónak ellenőrizhetően bizonyítania kell, ami alapján a környezetvédelmi minisztérium engedélyezi a maximális(2008-2012 időszakra vonatkoztatható) megtakarítás nagyságából az értékesítésre felajánlható mértéket, mely a beruházás költségének akár 10%-a is lehet.
TÁRSADALMI VONZATOK A megújuló energiahordozókra kiadott pénz nem a nagy energiaszolgáltatóhoz kerül ( ez okozza a tiszta energia fő kálváriáját is), hanem a térségek termelőihez. Napjainkban a falusi népesség mindössze 5-10%-a képes megfelelő gazdasági eredményeket elérni a saját gazdaságában, többségében mellékjövedelemmel kiegészülve képes talpon maradni. Ezek főfoglalkozású gazdává válása jelentősen csökkentené a kedvezőtlen térségekre jellemző munkanélküliséget, javítaná az árutermelési viszonyokat és segíti a vidék népességmegtartását is. Az ökogazdálkodás további térnyerése megteremtené a kölcsönös igényt a biotrágyával előállított takarmányokra, ill. a biotakarmányokkal táplált állatok trágyájára, melynek elgázosításával csökkenne a gazdálkodók energiaköltségeit, s így a farmméret változatlansága(!) mellett is növelné árbevételüket. Mindez lehetővé teszi az elmaradott régiók felzárkózását, a komplex értelemben vett életszínvonal(isew, GPI, HDI, ESI) növekedését. A jobb és kiegyenlített életszínvonal tovagyűrűző hatással jár, hiszen a növekvő vásárlóerő más típusú vállalkozásokat is vidékre vonz. A finanszírozási problémák megoldása esetén a kistelepülések ellátását szolgáló, komplex(élelmiszer-gazdasági + kommunális) hulladékkezelést lehetővé tevő, szelektív hulladékgyűjtéssel egybekötött, önkormányzatok által működtetett biogáz-biotrágya előállító üzemek jelentenék a legoptimálisabb megoldást a különböző társadalmi szinteken. A finanszírozási problémák megoldása esetén a kistelepülések ellátását szolgáló, komplex(élelmiszer-gazdasági + kommunális) hulladékkezelést lehetővé tevő, szelektív hulladékgyűjtéssel egybekötött, önkormányzatok által működtetett biogáz-biotrágya előállító üzemek jelentenék a legoptimálisabb megoldást a különböző társadalmi szinteken, MERT: 1. Az alapanyagbázis mennyiségileg is garantált. 2. Az összes termék helyben felhasználható lenne 3. Egyébként is megvalósítandó hulladékgazdálkodási és környezetvédelmi feladatokat(szemételhelyezés és kezelés, vízvédelem) is ellátná. 4. A képződött termékek önköltsége a fogyasztói árukhoz képest jóval alacsonyabb lenne. 5. A csőhálózatok közös nyomvonala is költség- környezetterhelési megtakarítást jelent. 6. Így harmonizálhatóak a gazdálkodók, energiafogyasztók és a település érdekei
A biogáz előállításának legfontosabb előnyei a makrogazdaságban környezetvédelem, vidékfejlesztés, energiapolitika, hulladékgazdálkodás jelentkeznek. Jelentős elterjedése kizárólag az energiatermelők, az energiafogyasztók, és az állami érdekek harmonizálásával képzelhető el. Felhasznált IRODALOM: Dr. Bai Attila(szerk., 2007): A Biogáz