ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEK 1.7 A biogáztermelés és -felhasználás környezeti hatásai Tárgyszavak: biogáz; környezeti hatás; ökológiai mérleg; villamosenergia-termelés; hőtermelés. A megújuló energiák bővebb felhasználásának általában kiemelkedő jelentőséget tulajdonítanak a környezeti vonatkozású energiaellátási gondok két legkényesebb területén: a fenyegető éghajlati hatások leküzdésében és az ásványi energiahordozók készleteinek kímélésében. Ezért a regenerálódó energiaforrásokból kiinduló hő-, áram- és üzemanyag-termelés európai, Németországban pedig mind szövetségi, mind tartományi szinten a politikai támogatás különböző fajtáit élvezi. E programokban a biogáznak kitüntetett helye van, mivel viszonylag olcsó, évszakoktól független, tárolható és decentralizált jellegénél fogva vidéki térségekben értékteremtésre fokozottan alkalmas. Negatív hatások a környezetre A biogáz sem mentes azonban káros környezeti hatásoktól, bár az elégetésekor képződő szén-dioxidot klimatikusan semlegesnek tekintik a növényi alapanyagból csak annyi CO 2 jut a légkörbe, amennyit a növény vegetációs periódusa folyamán szövetei felépítésére elnyelt, felhasznált belőle, de ártalmas emissziók itt is keletkeznek részben egyes komponensek elégetésekor kén-dioxid és nitrogén-oxidok ugyanúgy képződnek, mint a fosszilis fűtőanyagokkal való tüzeléskor részben a szubsztrátumok kezelése és szállítása alkalmával. Végül figyelembe kell
venni a biogázüzem létesítésével, üzemével és lebontásával járó környezeti hatásokat is. Összegezve tehát, biológiai elemzés alapján meg kell vonni a biogáztermelés és -felhasználás, másfelől a nemtermelés ökológiai mérlegét. Német kutatók elsősorban a különböző alapú áramfejlesztés részletes tanulmányozása nyomán végezték el a hagyományos és újabb választási lehetőségek több szempontú összehasonlítását. A biogáztermelés helyi ökológiai szempontjai A biogáztermelés helyi ökológiai szempontjait nagyrészt a szubsztrátum határozza meg. Állati trágya, szerves melléktermékek, valamint élelmiszer- és agráripari hulladékok fermentálása, megújuló energiaforrás feltárása mellett egyszersmind környezetkímélő kis emissziójú hulladékkezelő eljárás. Un. energianövények termelésének fő előnye ezzel szemben a termények sorának bővítése és évelő növények ültetésével a talaj megóvása eróziótól és tápanyagkiviteltől. A felsorolt nyersanyagoknak rendszerint valamilyen keverékét erjesztik. Az elérhető helyi környezeti előnyök elsősorban egyes szerves komponensek anaerob lebontására, nitrogénvegyületek mineralizálására és a csíraterhelés csökkentésére vezethetők vissza. A kezeletlen hígtrágya felhasználásakor a szag- és kórokozó csíraemissziókkal okozott környezetszennyezés, valamint a nitrátkilúgozás elkerülhető a biogázüzemben végzett anaerob kezeléssel. A tároláskor és szántóföldi alkalmazásakor képződő üvegházhatású metán- és dinitrogén-oxid kibocsátásokat szintén csökkenti a kezelés. Az állati trágya és a szerves hulladékok kellemetlen szagát okozó zsírsavak, fenolok és fenolszármazékok részben ugyancsak lebomlanak, ezáltal a szag erőssége 60%-kal is csökkenhet és pozitív irányba fordulhat. Az erjedés a szervesen kötött nitrogén nagy részét a növények által felszívható ammónium-nitrogénné alakítja át. Ezáltal kevesebb és kiszámítható trágyamennyiségre van szükség. Csökken a nitrogén immobilizálása a talajban, s ezzel a nitrátkimosódás veszélye is. A szervesen kötött nitrogén mineralizálása csökkenti az ammóniagáz kijutása okozta veszteség kockázatát is. Trágya és szerves hulladék tárolásakor idővel ellenőrizetlen erjedés indul meg, amelynek során a szén-dioxidéhoz képest kb. 21-szeres éghajlatváltoztatási hatású metán fejlődik. Ezt a folyamatot megelőzi és a
vad metánt, mint biogázt hasznosítja a kidolgozott technológia. Ugyancsak kiküszöböli a szabályozott biogázgyártás a hígtrágyából a talajban denitrifikálás nyomán dinitrogén-oxid képződését, amelynek klímahatása a CO 2 -ének 310-szerese, emellett részt vesz a sztratoszférikus ózonréteg lebontásában is. Végül az anaerob kezelés az üzemi hőmérséklettől és a biogázreaktorban való tartózkodási időtől függő szelektív csíracsökkentő hatást is kifejt. Mezofil üzemmódban is inaktiválódik az életképes baktériumok és vírusok egy része, de ennek járványhigiéniai szempontból jelentős mértékét csak 55 C-os hőmérsékleten 22 24 órás tartózkodással lehet elérni (bár a Salmonella baktériumok már 1 2 óra alatt inaktiválódnak). Ökológiai mérleg elkészítése Az ökológiai mérleg lényeges eleme, hogy a vizsgált termék teljes életciklusát fel kell ölelnie, annak minden közvetlen és közvetett hatásával. Fő lépései ennek megfelelően célkitűzés, vizsgálati keretek kijelölése, tárgyi mérleg, vagyis a termék előállításakor fellépő input- és output-áramok leltárának felállítása, hatásbecslés: az anyagmérleg egyes tételeinek összevonása bizonyos hatáskategóriákba (antropogén üvegházhatás, talajsavasodás), végül az eredmények értékelése és értelmezése. A megújuló energiákból kiinduló villamosenergia-termelésnek a vizsgált erőművek, ill. konverziós üzemegységek létesítésétől, azok üzemeltetésén át lezárásukig, majd teljes felszámolásukig húzódó ökológiai mérlege felöleli a felhasznált anyagokon kívül a szükséges szállítások, infrastruktúra és szolgáltatások (tervezés, karbantartás stb.) környezeti vonatkozásait. A német kutatók az 1997. és 1999. évi adatokat elemezték, mégpedig az energia- és anyagáramokat egységesen szemlélő, ún. hibrid mérlegkészítés módszerével; az elemzés egységeként 1 GWh villamos energia előállításával és szolgáltatásával a kivezető kapcsolótól számoltak (1. táblázat). Mivel az egyes energiafajták hasznosításának ökológiai hatásai nagymértékben függnek az átalakítási eljárástól és a üzemmódtól, célszerű kiválasztani a biogáz-felhasználás összehasonlítását is szolgáló referenciatechnikáit.
Az ökológiai mérlegbe bevont paraméterek 1. táblázat Hatáskategória A hatás indikátora Vegyületek, termékek Antropogén üvegházhatástöbblet CO 2 -egyenérték szén-dioxid, metán, dinitrogén-oxid, SF 6, CF 4, C 2 F 6 Talaj- és élővíz-savasodás SO 2 -egyenérték kén-dioxid, nitrogén-oxid, klór-hidrogén, ammónia Fosszilis energiahordozók kumulált felhasználása primer energia kőolaj, feketeszén, barnaszén, földgáz, urán* * Az atomenergiából termelt áramot a primer energia átalakításának 33%-os hatásfokával vették figyelembe A biogázüzem jellemzői Az elemzés a Németországban ma biogáz termelésére általánosan elterjedt típusra épül, amely térfogatra számítva 75% marha hígtrágyát és 25% kukoricaháncsot, összesen napi 27 m 3 alapanyagot dolgoz fel; ebből mintegy 20 m 3 a 400 állat által termelt hígtrágya. A biogáztermelés 1 m 3 fermentálható anyagra számítva 61 m 3. A biogázból tömberőműben 200 kw teljesítményű gázmotorral fejlesztenek áramot. Katalizátoros füstgáztisztítást nem alkalmaznak, a biogáz kéntartalmát a reaktorba levegő befúvásával csökkentik 250 ppm kén-hidrogénnek megfelelő értékre. Az egység elektromos és hőhasznosítása 33, ill. 57%. A termelt villamos energiából az erőmű élettartama, teljes kapacitáskihasználással évi 6000 üzemórát számítva öt év, a fermentoré 20 év, az alkatrészeké, ill. részegységeké 10 év. A biogáztermelés fő energiahordozója a hígtrágya voltaképpen hulladék, tehát a termeléséhez szükséges ráfordítás, így az állatok etetése stb. nem része a biogáznyerésnek, és az ökológiai mérleg elkészítésében hasonló meggondolás érvényes a kukorica hulladékára. A biogáztermelés ökológiai mérlegének pozitív oldalára kerül, hogy a hígtrágyát nem kell a szokásos módion gyűjteni, tárolni és teríteni az ezzel járó környezetterheléssel, továbbá a fermentált hígtrágyában sokkal több a növények által hasznosítható nitrogén, ami által műtrágyát lehet megtakarítani. A nyers trágyából és az erjesztés utáni maradékból fejlődő gázokról nem áll rendelkezésre sem mennyiségileg kielégítő, sem minőségileg megbízható adatbázis. Ezért az ökológiai mérleg megvonásakor metán-
és dinitrogén-oxid-fejlődés tekintetében a két erjedéses szubsztrátum között nem tettek különbséget ( nettó emisszió = 0), az ammóniagázt illetően pedig elfogadva a Svájci Szövetségi Energiahivatal egy 2001. évi tanulmányának adatait, a kezeletlen hígtrágya emisszióját 1,1 1,4-es faktorral (tárolás, ill. terítés) szorozva kapták meg és vették számításba a fermentálási maradékot. A fermentorban nem ér teljesen véget a folyamat, az utóerjedés terméke további 15% metán. Ezt az utóerjesztő medence lefedése által megmenthető többletet is figyelembe véve a kutatók a biogázból kiinduló áramtermelés környezeti hatásait három esetre vetítve elemezték: A) kizárólagos áramfejlesztés: letakaratlan utóerjesztő medence B) a termelt hő 20%-ának mezőgazdasági hasznosítása fűtőolaj helyett, letakaratlan utóerjesztő medence, C) kizárólagos áramfejlesztés, a lefedett utóerjesztőből nyert többletgázzal együtt. Viszonyítási erőművek A megújuló energiákon alapuló áramtermelésnek az itteni vizsgálatba bevont további változatai: geotermális erőmű, amely mélyebb, száraz kőzetrétegek hőjét hasznosítja (normális geotermális gradiens mellett), szélerőmű (a szárazföld belsejében), napelemek multikristályos szilíciumalapú egységekből, vízerőmű, fakitermelési hulladékkal üzemelő áramfejlesztő (2. táblázat). Eredmények, összehasonlítások Hozzájárulás az üvegházhatáshoz Az összes klímakárosító emisszió az A, B, C változatokban egyaránt kevesebb, mint biogáztermelés nélkül. A gázüzem építésével és működésével összefüggő fajlagos üvegházhatású emisszió csupán 25 t/gwh, ez nagyrészt a fermentor és a tömberőmű építésével kapcsolatos. Az üzemeltetésre kereken 7 t/gwh jut. A tárolás és a trágyázásos terítés együttesen CO 2 -egyenértékben kifejezve sokkal több káros gázt bocsát a légkörbe, mint a biogázüzem, de ez a fermentálás maradékára is vonatkozhat.
Energiafajta 2. táblázat A vizsgált áramtermelő technológiák néhány fontos adata Teljesítmény, kw villamos Nettó elektromos hasznosítás (hőtermelés mellett), % Teljes kapacitású üzemórák, h/év Élettartam év Biogáz 200 33 6000 5 a /20 b Geotermális 850 11 c 7500 30 Szélenergia 1 500 1550 20 Vízenergia 300 5000 70 d /40 e Napenergia 5 800 30 Szilárd biomassza 11 500 25 8000 35 Feketeszén 700 000 43 5000 35 Földgáz 400 000 56 5000 35 a erőmű b fermentor c a szállítószivattyú saját szükséglete nélkül d szerkezeti egységek e beépített gépalkatrészek Talaj- és vízsavasodás Ez esetben a hígtrágya biogázzá feldolgozásának emissziómegtakarítása kevéssé érvényesül, így az SO 2 -egyenértékben kifejezett összes fajlagos kibocsátás minden vizsgált változatban 4200 és 4630 kg/gwh közötti érték. A legnagyobb emissziós tétel a fermentálási maradék tárolásának és talajra terítésének többletemissziója a kezeletlen trágyáéhoz képest, mégpedig ammónia formájában, ezt követi a közvetlen SO 2 -kibocsátás. Kumulált fosszilis energiafelhasználás Az A és C változatban az N-műtrágya megtakarítása kiegyenlíti a biogáztermelő egység építési és üzemköltségét, a C változat jobb biogáz-hasznosítása csekély, a B változat, fűtőolajjal való fűtés pótlásával jelentősebb primerenergia-megtakarításra is módot ad. Az áramfejlesztés biogázból kiinduló és más eljárásainak összehasonlításából meggyőzően kiderül, hogy a káros klímahatású kibocsátásokat és a nem megújuló készletek kíméletét tekintve egyaránt a biogáz
ilyen célú felhasználása a legkedvezőbb. Ezzel szemben az SO 2 - egyenértékben kifejezett emissziók vonatkozásában a biogáz energetikai hasznosítása jár a legerősebb savanyító hatással, amely meghaladja még az ásványi fűtőanyagokét is (1 2. ábra). 3 500 3308 3 000 SO 2 -egyenérték, kg/gwh 2 500 2 000 1 500 1 000 500 0 1542 1293 927 474 334 498 88 biogáz (A) geotermia szélerő napelem vízerő biomassza földgáz feketeszén 1. ábra A vizsgált áramtermelő változatok SO 2 -egyenértékben kifejezett kibocsátásai primerenergia-felhasználás, GJ/GWh 10 000 9 000 8 000 7 000 6 000 5 000 4 000 3 000 2 000 1 000 0 9109 7180 3448 1048 649 203 580 7 biogáz (A) geotermia szélerő napelem vízerő biomassza földgáz feketeszén 2. ábra A vizsgált áramtermelő változatok primerenergia-felhasználása
Az is megállapítható, hogy a hő- és villamos energia egyidejű hasznosításával jelentősebb emissziócsökkenést lehet elérni, mint kizárólagos áramtermeléssel. Figyelemre méltó, hogy az ökológiai mérleg milyen erősen függ a nyers és a fermentált hígtrágya tárolásának és talajra terítésének kibocsátásaitól, relatív értelemben is. Az e téren még hiányos ismereteket pontosabb mérésekkel kell kiegészíteni, ameddig ilyenek nem állnak rendelkezésre, csak pesszimista ( worst case ) becslésekből lehet kiindulni. Összeállította: Dr. Boros Tiborné Nill, M.; Wilfert, R. stb.: Umweltaspekte einer Biogasgewinnung und -nutzung. = VDI- Berichte, 2003. 1751. sz. p. 43 53. Akinbami, J. F. K.; Ilori, M. O. stb.: Biogas energy use in Nigeria: current states, future prospects and policy implications. = Renewable and Sustainable Energy Reviews, 5. k. 1. sz. 2001. márc. p. 97 112.