Biomassza energetikai célú hasznosítására szolgáló technológiák életciklus-elemzése

Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Műszaki menedzser alapszak Rendszertechnika szakirány Energetikai és Vegyipari Gépészeti Intézet Vegyipari Gépészeti Intézeti Tanszék Biomassza energetikai célú hasznosítására szolgáló technológiák életciklus-elemzése Készítette: Kádas Kitti Neptun kód: IUW9N7 Tankör: G4BRe Tervezésvezető: Bodnár István, PhD hallgató Miskolc 2014 1

Tartalom 1. Előszó...4 2. Bevezetés...4 2.1 A biomassza fogalma...4 2.2 Biomassza, mint megújuló, de kimeríthető energiaforrás...5 3. Miből áll össze a biomassza...6 3.1 Az elsődleges biomassza...7 3.2 A másodlagos és harmadlagos biomassza...8 3.3 A biomassza származási ágazatai... 10 3.4 Felhasználás szerinti csoportosítása... 11 4. Biomassza potenciál Magyarországon... 13 5. A biomassza hasznosítása... 14 5.1 Bioüzemanyagok... 15 5.1.1 Az első és második generációs bioüzemanyagok... 16 5.2 Biodízel... 18 5.3 Biogáz... 19 5.3.1 A biogáz felhasználása... 21 5.3.2 A biogáz képződésének szakaszai, és fázisai... 22 5.4 Biomassza eltüzelése... 23 5.4.1 A biomassza tüzelésének műszaki feltételei... 24 5.4.2 Aprítás... 25 5.4.3 Tömörítvények előállítása... 28 5.4.4 Bálázás... 29 5.4.5 Brikettálás... 31 5.4.6 Pelletálás... 34 5.4.7 Biomassza alapanyagok felhasználási módozatai... 36 6. Tüzelőberendezések... 37 6.1 Mi az égés?... 37 6.1.1 Tűzfejlődés zárt térben... 38 6.1.2 Tüzeléshez kapcsolódó fontosabb fogalmak... 38 6.1.3 A tüzelés veszteségei... 39 6.1.4 Szilárd biomasszák égése... 40 2

6.2 Kazánok... 42 6.2.1 A faelgázosító kazán felépítése... 42 6.2.2 A pellet tüzelésű kazán felépítése... 45 6.2.3 Vegyes tüzelésű kazán... 46 6.2.4 Faapríték kazán... 47 6.2.5 Szalmatüzelő berendezés... 48 6.3 A tüzelőanyagok tárolása... 50 6.3.1 Hasábfa tárolása... 50 6.3.2 Pellet tárolása... 51 6.4 Környezetvédelmi követelmények... 53 7. Életciklus-elemzés... 54 8. Biomasszából előállított energia életciklus-elemzése... 60 8.1 Gázosítás és égetés, hőenergia előállításával... 60 8.2 Gázosítás, villamos energia előállítása... 63 8.3 Égetés, csak villamos energia előállítása... 66 8.4 Gázosítás, kapcsolt energiatermeléssel... 69 8.5 Égetés, kapcsolt energiatermeléssel... 72 9. Összefoglalás... 75 Irodalomjegyzék... 77 3

1. Előszó Szakdolgozatom témájaként a biomasszát választottam, és szeretném bemutatni a különböző hasznosításának módozatait. Napjainkban egyre több helyen találkozhatunk a megújuló energiahordozók, a bioenergia, és a fenntartható fejlődésnek a fogalmával. Sokkal nagyobb jelentőséget kellene biztosítani ezeknek az energiahordozóknak a megismertetésére, hiszen használatukkal a fosszilis energiahordozók kiválthatóak lennének, mint például az olaj, a földgáz, vagy a szén, amelyek nem tudnak megújulni, csak évmilliók alatt. Számunkra fontos, hogy a növényi eredetű biomassza oxigént termel, és szén-dioxidot köt le. Céljaim közé tartozik, hogy bemutassam a biomasszában rejlő lehetőségeket. Számos felhasználása létezik, az általam kedvelt az eltüzelés, erre dolgozatomban részletesebben fogok kitérni. 2. Bevezetés A biomassza egy sokoldalúan hasznosítható energia alternatíva, amely egyben az egyik legnépszerűbb megújuló energiaforrás is. Éppen ezért sokféle területen, többféle formában hatékonyan lehet hasznosítani. A hasznosítása történhet közvetett, illetve közvetlen formában egyaránt. A gyakoribb megoldás, hogy a biomasszát energiaforrásként közvetett módon alkalmazzák, ennek köszönhetően éghető gázként, vagy folyékony üzemanyagként tudjuk hasznosítani. Egy speciális, viszont költséghatékony kémiai eljárással valósítható meg, amely során cseppfolyósítják, vagy elgázosítják a masszát. Energiaforrásként közvetlen formában a biomassza előkészítést követően, vagy a nélkül csak egyféleképpen hasznosítható, ez a tüzelés [1]. 2.1 A biomassza fogalma A biomassza kifejezése egy nagyon tág értelemben meghatározott fogalom, ami a Földön megtalálható összes élő tömeget jelenti. Más nézetből, az energetikailag hasznosítható növényekre, a termésre, a melléktermékekre, valamint a növényi és állati hulladékokra használják. Hazánkban egyelőre még elég friss, de a megújuló energiák előtérbe kerülése okán egyre szélesebb körben ismertebbé váló fogalom [2]. Magyarországon jogi fogalmát a 2010. évi CXVII. törvény a megújuló energia közlekedési célú felhasználásának előmozdításáról és a közlekedésben felhasznált energia üvegházhatású gázkibocsátásának csökkentéséről szóló jogszabály határozza meg (1. 3.)) [3]: 4

biomassza: a mezőgazdaságból - a növényi és állati eredetű anyagokat is beleértve, erdőgazdálkodásból és a kapcsolódó iparágakból, többek között a halászatból és az akvakultúrából - származó, biológiai eredetű termékek, hulladékok és maradékanyagok biológiailag lebontható része, valamint az ipari és települési hulladék biológiailag lebontható része [4]. 2.2 Biomassza, mint megújuló, de kimeríthető energiaforrás Két nagy csoportra bonthatjuk a primer energiaforrásokat. Beszélhetünk megújuló, illetve nem megújuló energiaforrásokról. A meg nem újuló energiaforráshoz tartozik a szén, a kőolaj, a földgáz és a hasadóanyag, míg megújuló a nap-, a víz-, a szélenergia, illetve a biomasszából nyerhető energia. Kimeríthetőség szerint is tovább lehet bontani ezeket. A meg nem újuló energiák nyilvánvalóan kimeríthetők, viszont a megújulók közül a nap-, és a szélenergián kívül a biomassza kimeríthető. A primer energiaforrásokból szekunder energiahordozók előállítása lehetséges. Villamos energiát, üzemanyagot nyerhetünk különböző energiaátalakítási eljárások eredményeivel. Viszont ezek az eljárások nagymértékben különböznek egymástól az átalakítás hatásfokában, és környezeti hatásaiban. A világ negyedik legelterjedtebb energiaforrása a biomassza; a szén, a kőolaj, és a földgáz után [5]. 35 30 25 20 15 10 5 0 1. diagram Az energiaigények megoszlása 5

A világ energiaigénye folyamatosan növekszik. 1980 és 2000 között a világon az összes energiafelhasználás 308 exajoulról 417-re emelkedett. A teljes energiaigényt 2002-2004 közötti értékekből kiindulva, amely 513-545 EJ/év volt, 2030-ban 750-800 EJ/év-nek, míg 2050-ben 600-1.000 EJ/év-nek becsülik [6]. A szárazföldi biomasszában raktározott energiamennyiség becslések szerint 25.000 exajoule, ebből évente 3.000 exajoule újul meg. A jelenlegi, magyarországi megújuló energia döntő hányadát a biomassza felhasználás teszi ki. Ebből a legjelentősebb a tüzelési célú energetikai növényeknek a közvetlen elégetése, főként a tűzifa, a többi egyéb növényi melléktermék, valamint az organikus eredetű hulladék [5]. 1. táblázat MTA felmérése az energiapotenciálról [5] Megújuló energiahordozó típus Lehetőség MTA Megújuló Energia Albizottság felmérése [PJ] Jelenleg hasznosított [PJ] Napenergia 1.838 0,1 Vízenergia 14,4 0,7 Geotermia 63,5 3,6 Biomassza 203-328 49,2 Szélenergia 532,8 0,16 Összesen 2.600-2.700 53,8 3. Miből áll össze a biomassza A biomassza, mint energiaforrás gyűjtőfogalmába a következők tartoznak: 1. Növényi eredetű biomassza: Hagyományos mezőgazdasági termények és melléktermékei, hulladékai (szalma, kukoricaszár, repce, napraforgó stb.) Erdőgazdasági, illetve fafeldolgozási hulladékok (faapríték, nyesedék, fűrészpor stb.) Energetikai célra termesztett növények (fűfélék, fák: akác, nyárfa, fűzfa, takarmánynövények: cukorrépa, köles, rozs, repce stb.) 2. Állati eredetű biomassza: elsődleges: zsírok, fehérjék, szénhidrátok másodlagos: állattartás melléktermékei 3. Vegyes eredetű biomassza: amikor állati és növényi biomasszák keverten találhatók (trágya, kommunális hulladék stb.) 6

A termelési-felhasználási láncban elfoglalt helyük alapján a biomassza lehet elsődleges, másodlagos és harmadlagos [7]. 3.1 Az elsődleges biomassza 2. táblázat Az elsődleges hazai biomassza, és ebből az energetikai potenciál Elsődleges biomassza Teljes biomassza PJ/év Energetikai potenciál %; *GJ/ha, év PJ/év Erdőterület 160 62 főtermék 140 40 % 56 melléktermék 20 30 % 6 Energiaültetvény 250* 75 Növénytermesztés 780 132-265 főtermék 410 10-20 % 40-80 melléktermék 370 25-50 % 92-185 Összesen 940 269-402 % 100 28,6-42,8 Az elsődleges biomassza magába foglalja a természetes vegetáció fő- és melléktermékeit (erdei-, szántóföldi-, réti-, kerti növényeket). A főcsoportokon belül a legjelentősebbek a sokfunkciós erdőgazdálkodás energetikai szempontból számításba vehető fő-, és melléktermékek. A jövőben az energetikai fa- és növényültetvények termesztésére lehet számítani, illetve ezeknek a fő- és melléktermékeknek az energetikai hasznosítására. Az erdőterület majdnem a harmadát borítja a Föld felszínének, így az összes erdőterület 3,8 milliárd hektárnál nagyobb, amelyen évente mintegy 4 milliárd m 3 fa terem. Magyarországon az erdők közel 20 %-os részt képviselnek, egész Európa területének a 45 %- át fedik erdők. Hazánk 1,9 millió hektár erdőterület faállománya mintegy 330 millió m 3, ennek köszönhetően évente közel 11 millió m 3 a fanövekmény, és 160 PJ az energiahozam. Erdőink nagyobb részét, körülbelül 86 %-át lombhullató fák képzik- akác, cser, tölgyek, bükk, gyertyán, és egyéb lombos fák. A fenyők aránya csak 14 %. Az energiatermelésre hasznosítható faanyag (energiafa) a kitermelt lombos fáknak a felét, a fenyőknek alig a 20 %- át teszi ki. Az évente kitermelhető energiafa 4-4,5 millió m 3 -re becsülhető. A fa fűtőértéke 17.000-20.000 kj/kg között van. Ezen számok alapján a hazai erdők évi energiafa-potenciálja 56 PJ-re becsülhető. A fakitermeléskor körülbelül 20 % apadék keletkezik, viszont ennek egy része faaprítékként még tüzelési célokra alkalmazható, a becsült évi értéke 6 PJ. 7

A mezőgazdaság hagyományos tevékenységektől mentesülő területein a jövőben célszerű energiaültetvényeket termeszteni. Ezek lehetnek: fás ültetvények (energetikai faültetvény, energiaerdő), energianád, és lágyszárú ültetvények (energiafű, energiakender, cirok). Az energiaültetvények hozama, és az erre fordítható területnek a nagysága még nem alakult ki, a táblázatban szereplő értékek pozitív becslést mutatnak. Ennek a kedvező megítélésnek az alapján az energetikai célú fa- és növényültetvények évi fajlagos anyaghozama 10-25 t/ha, évre tehető, fajtánként. Fajlagos energiahozamuk pedig elérheti az erdők fajlagos energiahozamának 6-10-szeres értékét, amely 200-350 GJ/ha évente. Kisebb energiahozammal számolnak a negatív megközelítések miatt, illetve jelentős károsodást tételeznek fel az érintett mezőgazdasági területeken. Ha országosan mintegy 300 ezer hektár mezőgazdasági területet szánnánk az energiaültetvényekre, akkor ennek az évi energiahozama összesen 75 PJ lehetne, ez azonos nagyságrendű az erdőink energiahozamával. A növénytermesztés elsősorban az élet fenntartását célozza, viszont a fő-, és melléktermékeinek bizonyos része energetikai célokra is használható. A növénytermesztés főtermékeinek évi energiatartalma 410 PJ-ra tehető, amelynek energetikai felhasználása 10-20 %, ez évente 40-80 PJ lehet. A melléktermékek évi energiatartalma közel 370 PJ, ebből energetikai célokra hasznosítható akár 25-50 % is, ami évente 92-185 PJ. Mindent összevetve, 940 PJ a hazai elsődleges biomassza évi energiatartalma. A teljes elsődleges biomasszából 269-402 PJ-ra tehető az energetikai célokra fordítható potenciál, ami 30-40 %-os energiahasznosítási arány [8]. 3.2 A másodlagos és harmadlagos biomassza Az elsődleges biomasszából eredeztethető a másodlagos és a harmadlagos biomassza is. A másodlagos biomassza az állattartás fő-, és melléktermékeit, illetve az állatvilág hulladékait jelenti. A harmadlagos biomassza pedig a különböző területek, mint például az élelmiszeripar, a könnyűipar, a faipar, és az emberi települések hulladékait, melléktermékeit, takarja. Az állattenyésztés évente közel 17,8 millió tonna elsődleges biomasszát használ fel, és ebből 7,1 millió tonna másodlagos biomasszát állít elő. A másodlagos biomassza kisebb része a főtermék, ez 1,4 millió tonnát fed le, amely elsősorban hús, ebből energetikai célokra kevés hasznosítható. Nagyobbik része melléktermékként keletkezik, ez 5,7 millió tonna. A harmadlagos biomassza az elsődleges és másodlagos biomasszáknak a feldolgozásakor keletkező különböző hulladékokat, és melléktermékeket foglalja össze. Évi potenciálját 8

helyileg és országosan egyaránt becsülik. A különböző állatfajoknál évente keletkező fajlagos trágyamennyiség a következőképpen alakul: 3. táblázat Néhány állatfaj évi átlagos trágyatermelése Szarvasmarha (625kg) Sertés (6 hízó) Baromfi (100 tojó) Évenkénti mennyiség *[m 3 /év]; **[t/év] 22,5* 15* 6,3** Szárazanyag-tartalom [%] 9 7-8 22-23 Száraz szervesanyag [kg/év] 1.760 840 1.070 Az állati és települési eredetű, évente keletkező biomassza mennyiség a következő táblázat alapján becsülhető éves szinten: 4. táblázat Éves hulladék országosan becsülve Eredet Állomány Bio-hulladék mennyisége [millió t/év] Szarvasmarha 700.000 db 11 Állattenyésztés Sertés 4.200.000 db 31 Baromfi 41.000.000 db 0,9 Vágóhíd 0,4 Település Folyékony 7.000.000 fő 5 Szilárd 10.000.000 fő 5 Összesen 53,3 A harmadlagos biomassza az elsődleges biomasszának mintegy felét teszi ki, ezt mutatja a következő táblázat: 5. táblázat Harmadlagos biomassza éves potenciálja Harmadlagos biomassza Éves energiapotenciál [PJ/év] Trágya 45 Almos trágya 31,5 Hígtrágya 13,5 Élelmiszeripari hulladék 0,3 Települési hulladék 438 Szennyvíz 406 Szilárd szerves 32 Összesen 483 9

Az energetikai célokra fordítható biomasszát számos tényező befolyásolja. Legfőképpen a mezőgazdasági termelés struktúrájától, és piacától függ az energetikai potenciál. Ha az állatállományt csökkentjük, akkor kevesebb állati eredetű hulladék keletkezik, viszont a csökkenő takarmányigény egyidejűleg mezőgazdasági termőterületet szabadít fel az energiaültetvények számára. Ha az élelmiszeripar mezőgazdasági termékek iránti kereslete csökkenne, akkor azt részben energetikai célokra lehetne fordítani. A kimerülő energiaforrások árnövekedése és beszerzési nehézségei, kockázatai fokozzák az energetikai jelentőségét a biomasszának. Nyilvánvaló, hogy biomassza energetikai hasznosításában a mezőgazdaság és az energiaellátás jövője nagymértékben összefügg [8]. Az utóbbi években az iparilag fejlett mezőgazdasággal rendelkező országokban az élelmiszer túltermelést a közvetlen energiatermeléssel tervezik levezetni. Így nő az energiacélra termesztett repce, energetikai fa, burgonya, gabonafélék termelése, sőt a kifejezetten energetikai célra nemesített növények (kínai nád, elefántfű) termelése is. Ilyen megoldás a magyar mezőgazdaság számára is kibontakozási lehetőséget kínál, hiszen jelentős területek szabadultak fel az állatállomány sajnálatos csökkenése és a rosszabb adottságú szántók művelésének felhagyása következtében [9]. 3.3 A biomassza származási ágazatai Erdőgazdálkodásból származó biomassza: 1. Energiatermelésre felhasznált, az erdőkből és más erdős területekről származó közvetlen fabiomassza-ellátás 2. Energiatermelésre felhasznált közvetett fabiomassza-ellátás Mezőgazdaságból és halászatból származó biomassza: 1. Energiatermelésre közvetlenül felhasznált mezőgazdasági termények és halászati termékek 2. Energiatermelésre felhasznált mezőgazdasági melléktermékek; feldolgozott maradványok és halászati melléktermékek 10

Hulladékból származó biomassza [10]: 1. Szilárd települési hulladék biológiailag lebontható része (kertekből és parkokból származó biológiailag lebontható hulladék, háztartási fa, konyhai hulladék, éttermi, vendéglátó-ipari és bolti létesítmények hulladéka, és az élelmiszer-előállító üzemek hasonló hulladéka), hulladéklerakó-gáz 2. Ipari hulladék biológiailag lebontható része (papír, karton, raklapok is) 3. Szennyvíziszap 3.4 Felhasználás szerinti csoportosítása 1. ábra A biomassza hasznosításának lehetőségei Tüzelhető biomassza: A tüzelhető biomasszák nagy általánosságban alacsony nedvességtartalmúak, és ennek megfelelően magas fűtőértékűek. A szilárd bioanyagok eltüzelésénél a nyert füstgázt, a termelt gőzt, vagy a forró vizet legcélszerűbb hő ellátásra, villamosenergia-termelésre, illetve kapcsolt energiatermelése hasznosítani. A tüzelhető biomasszákkal szemben fontos követelmény, hogy az éghetetlen hamutartalmuk olyan vegyi összetevőkből álljon, amelyek a kazánberendezést nem károsítják, illetve nem olvadnak rá a fűtőfelületekre, és nem okoznak jelentős levegőszennyezést. 11

A legelterjedtebb tüzelhető biomassza-fajták: tűzifa apríték (erdei lágy vagy keménylombos erdőkből, fűrészüzemi hulladékokból, lágyfa-energiaültetvényekből (például nyárfa) előállítva, fűrészpor (fűrészipari melléktermék), szalma, energiafű, és ezek végtermékeként a pellet. Elgázosítható biomassza: A biológiailag elgázosítható biomassza nagyobb nedvességtartalmú növényi hulladékból, vagy állati hulladékból áll. Például: cukortartalmú növények, zöld növényi hulladék, állati szennyvíziszap, trágya. Biomassza elgázosítás történhet elgázosító kazánban is, ahol tökéletlen égés során nyerünk úgynevezett generátorgázt. Gépjármű üzemanyagként hasznosítható biomassza [11]: Ezeket a biomasszákat két alapvető csoportra bontjuk a helyettesített tüzelőanyag fajtája szerint: a) Benzin (bioetanol): magas cukortartalmú (cukorrépa, cukornád), magas keményítőtartalmú (kukorica, burgonya, búza) vagy magas cellulóztartalmú (szalma, fa, nád, energiafű) növények, amelyekből etanol gyártható. b) Dízel (biodízel): magas olajtartalmú növények, amelyből az olaj kisajtolható, és egyszerűbb vegyszeres kezelések után a diesel olajhoz hasonló anyag nyerhető (például repce, olíva, napraforgó). A biomassza energiahordozók energetikai átalakításának célja, hogy közvetlenül hasznosítható energiahordozókat nyerjünk. Ezen belül a cél lehet hőtermelés, villamos energiatermelés vagy motor hajtóanyag előállítása. Minél kevesebb lépésben történik az átalakítás annál nagyobb a nettó energia hozam, viszont ezzel együtt annál helyhez kötöttebb a nyert energia felhasználása. Ellenben minél több lépcsős az átalakítás annál kisebb a nettó energia hozam, és annál kisebb fokú a felhasználás helyhez kötöttsége. Az átalakítási módok körül a legegyszerűbb a tüzelés, viszont ezt drágítja a brikettálás, és a pelletálás, azonban csökkenti a szállítás költségeit a tömörítés révén, ugyanakkor a tüzelés automatizálásában is előnyt jelent. Továbbá ezek a műveletek csökkentik a nettó energia kinyerési arányát is. A gázosításhoz, illetve biogáz termeléshez már bonyolultabb, és fajlagosan költségesebb berendezések szükségesek. A legtöbb átalakítást a metanol-, az etanol, az alkohol-, és a 12

növényi olaj termelése tartalmazza. Ezeknek a legkisebb a nettó energia hozama, a növényi olaj kivételével, ezen felül az így létrehozott energiahordozó hasznosítási lehetősége, és a felhasználási helyhez kötöttsége is a legkisebb fokú. Környezetvédelmi szempontból a biogáz termelés kiemelkedik, mivel ez kifejezetten csökkenti a környezetterhelést, azáltal, hogy olyan szerves anyagokat használ fel, amelyek komoly környezeti terhelést jelentenének, ha nem termelnénk belőlük biogázt [9]. 4. Biomassza potenciál Magyarországon A teljes biomassza készlet Magyarországon 350-360 millió tonnára becsülhető. Ebből a mennyiségből 105-110 millió tonna elsődleges biomassza évente újratermelődik, ennek nagy része felhasználásra is kerül. Az évente képződő növényi biomassza bruttó energiatartalma 1.185 PJ, ez meghaladja az ország teljes éves energiafelhasználását úgy, hogy a hazánk területére jutó napenergiának csak 0,3 %-át hasznosítják a növények. A növénytermelés és erdőgazdálkodás hazánkban a befektetett összenergia négy-ötszörösét termeli meg biomasszaként, vagyis ennyi az energiahatékonysági mutatója. A mezőgazdasági fő- és melléktermékek közel 58 millió tonnával járulnak hozzá Magyarországon az évente megújuló biomassza készlethez. Az elsődleges biomasszának csak kis része 4,5-5 millió tonna kerül emberi fogyasztásra közvetlenül, míg az állatok takarmányozására 16-17 millió tonna fordítódik. Ipari feldolgozásra további 6-7 millió tonna jut. Az erdők 9 millió tonna biomasszát biztosítanak évente, a teljes élőfában meglévő mennyiség 250 millió tonnára becsülhető. A biomassza egy része a talaj szerves anyag készletét gyarapítja elsődleges, vagy másodlagos formában. A növényi biomasszából, ami az elsődleges, a talajt gazdagítják (7-8 millió tonna). A másodlagos biomasszaként pedig az állati trágyákat hasznosítják (5-6 millió tonna). A megújuló energiák a magyarországi energiafelhasználásnak körülbelül 3,2-3,6 %-át (34-38 PJ/év) adják. A növényi eredetű biomassza ebből mintegy 2,8 %-ot tesz ki, ennek túlnyomó részét az erdeinkből kitermelt tűzifák adják [12]. 13

6. táblázat: A magyarországi biomassza potenciál számokban [13] Primer produkció Millió t Szekunder produkció Ezer db Ezer t Tercier produkció Gabonaféle 13,7 Szarvasmarha 800 640 szilárd szerves 5 Ebből búza 5,2 Sertés 4.900 560 Kukorica 6,5 Juh 1.100 80 Olajnövény 1 Baromfi-féle 19.400 80 Egyéb ipari 3,3 Ló 70 60 Szálastakarmányok 7 26.300 1.420 Zöldség 2 710 Gyümölcs 1 trágya* 7.000-8.000 Melléktermék 28-30 almos trágya 3.900 Gyökérmaradvány 8-10 hígtrágya* 4.000-5.000 Gyep, nádas 3 állati termékek 3.000-35.00 Erdő 9 Összesen 75-77 Mindösszesen 105-110 Teljes élőfa-készlet 250 Jelmagyarázat: *szalma, illetve víz hozzáadása nélkül 10.000-11.000 kommunális szennyvíz veszélyes hulladék élelmiszeripari melléktermék Millió t 17 0,5 1 23,5 5. A biomassza hasznosítása 7. táblázat: Biomassza hasznosítási lehetőségek és volumenek Sorszám Hasznosítható biomasszaféleségek [t/év] [PJ/év] Mennyiség ezer Nyerhető energia 1. Gabonaszalmák 2.400-2.800 28-34 2. Kukoricaszár 4.000-5.000 48-60 3. Szőlővenyige, gyümölcsfanyesedék 350-400 5-6 4. Szarvasi energiafű 500-600 6-7 5. Energetikai faapríték 1.200-1.800 25-30 6. Biogáz szubsztrát 8.000-10.000 7-9 7. Repce RME-nek 220-250 3,5-3,8 8. Kukorica ETBE-nek 2.000-3.000 24-27 14

Magyarország ökológiai adottságai nem a legmegfelelőbbek a repcetermelésnek. Elfogadható hozamok mellett körülbelül 250-270 ezer tonna repcemag állítható elő, amelyből 100-110 ezer tonna biodízel nyerhető. Ez még nem fedezi teljes egészében a hazai dízelüzemanyagok bekeverési igényét, amely 120-130 ezer tonna évente. A hazai energetikai célú repcetermelés területét meg lehet duplázni és így a motorüzemanyag gyártók RME igényét legalább 80 %-ban célszerű hazai forrásból fedezni. A biodízelnél kedvezőbb feltételek mellett állítható elő bioetanol, ennek az alapanyagát a hazai kukoricatermés egy része képzi. Évente átlagosan 6-7 millió tonna kukorica terem. Takarmányozásra kevesebbet használunk fel az állatlétszám csökkenése miatt. Ennek hatására nő az export, és az ipari feldolgozásra kerülő kukorica mennyisége is. Évente akár a 2-3 millió tonnát is elérheti az ipari feldolgozásra felhasználható kukorica volumene. Ebből a bioetanol gyártása használhat fel a legtöbbet, mennyisége akár a 700-800 ezer litert is elérheti évente. A jelenlegi magyarországi bioetanol gyártó kapacitás az élelmiszeripar, az italgyártás, a gyógyszergyártás, illetve a vegyipar igényeit elégíti ki. A következő évek feladata a minél több, 50-100 ezer tonna/év kapacitású, napi 150-250 tonna bioetanolt gyártó kapacitás kiépülése [12]. 5.1 Bioüzemanyagok 2. ábra: A bioüzemanyag előállítása, és hasznosítási rendszerkapcsolata [14] 15

A növényi fotoszintézis során keletkezett zsírsavakból vagy szénhidrátokból üzemanyagok állíthatók elő, megfelelő eljárásokkal. A bio- előtag elterjedt használata arra utal, hogy mezőgazdasági termékeknek a felhasználásával készültek ezek az üzemanyagok. A bioüzemanyagoknak két csoportja van. Az egyik a növényi alapú nyersanyagokból alkoholt- (bioetanol), és a növényi olajokból észterezéssel nyert biodízel. A világon a legnagyobb mennyiségben bioetanolt állítanak elő bioüzemanyagként. Ez egy szerves vegyület, az etilalkohol. Cukortartalmú növényi anyagok erjesztésével készül, ez a benzint helyettesítheti. A növényi alapanyagok a következők lehetnek: cukornád, cukorrépa, kukorica, búza, burgonya, fa, fűfélék, szalma stb. Az alkohol előállítása cukorból viszonylag egyszerű folyamat. Egy közönséges élesztőgomba levegőtől elzárt környezetben a cukrot alkohollá alakítja át. Az erjesztés során alacsony alkoholtartalmú (10-18 %), szilárd maradványanyagokat is tartalmazó cefrét kapunk. Az alkohol kivonását a cefréből több fokozatú desztillációval érhetjük el. A tiszta alkoholt denaturálják, a végfelhasználástól függően, vagy a benzinbe keverik közvetlenül. A bioetanol hátránya, hogy könnyen elegyedik a vízzel, illetve a benzin üzemű autókban maximálisan 20-22 % arányban keverhető be. Magyarországon 2007 óta kapható E85 üzemanyag keverék, ami 15 % benzint, és 85 % bioetanolt tartalmaz. Ezt az úgynevezett FFV (Flexible Fueled Vehicle) motorokkal rendelkező járművekkel lehet használni. A bioüzemanyagok másik csoportja a biodízel, amely növényi olajt tartalmazó alapanyagokból (repce, napraforgó, szójaolaj, pálmaolaj), illetve sütésre használt étolajból, és állati zsiradékokból állítják elő metanollal vagy etanollal való átészterezéssel. Ez azért fontos, hogy a nehéz viszkózus növényi olajok és zsírok folyási minőségét javítsák, lehetővé téve üzemanyagként való alkalmazhatóságát. Az így előállított biodízel fűtőolajként is használható [15]. 5.1.1 Az első és második generációs bioüzemanyagok Az első generációs bioüzemanyagokat egyszerű technológiák, valamint kémiai folyamatok segítségével nyerik ki a gabonából (kukoricából), és a cukornádból. Ezek az első generációs üzemanyagok a hagyományos üzemanyagokkal alacsony arányban keverve ma már a legtöbb járműben használhatók, illetve a már jelen lévő infrastruktúrára támaszkodva forgalmazhatók. 16

3. ábra Cukornád Az Európai Unió a jelenlegi és jövőbeli lehetőségek maximális kihasználása érdekében kötelezettséget vállalt az első generációs bioüzemanyagok piacának ösztönzésére. Ez új technológiák megjelenését jelenti. A kukorica kedvezőbb alapanyag a búzánál, mivel egy tonna bioetanol előállítására kevesebb mennyiséget kell felhasználni. A kukoricának további előnye, hogy magasabb a termésátlaga. Így egységnyi termőterületen több mint másfélszeres mennyiségű bio- alkohol állítható elő kukoricával. 4. ábra Kukorica, mint bioetanol alapanyag Az életciklus-elemzés, a gazdasági számítások és a földrajzi adottságok miatt az első számú bioetanol alapanyag Magyarországon a kukorica. Az exportálandó termékfelesleg és a mezőgazdasági hulladéknak minősülő szárak és csutkák kiváló alapanyagot jelentenek. 17

5. ábra Bioetanol alapanyagok A második generációs bioüzemanyagok előállítására szolgáló biofinomító egy új technológia. Ezzel nagyon sok, és értékes vegyület nyerhető ki a biomassza átalakításából minimális hulladék mellett. A környezetre nézve a károsanyag-kibocsátása is elenyésző. Ez az új technológia lignocellulóz átalakításával állít elő etanolt, tehát energia felszabadítással járó folyamat. A második generációs üzemanyagok előállításához az alapanyagot a cellulózban gazdag zöldenergia hordozó szolgáltatja. Kutatások szerint ennek a technológiának a használata lényegesen nagyobb arányban járul hozzá az üvegházhatást okozó gázoknak a csökkentéséhez [9]. 5.2 Biodízel A korszerű mezőgazdasági technológiák kialakulása, a magas hozamú fajták elterjedése és a törekvés a termelési optimumra ahhoz vezetett, hogy a mezőgazdaság jóval többet tud termelni Európában, mint amekkora a kereslet. Az Európai Unió agrárpiaci rendtartása ezt a problémát úgy orvosolja 1992-től, hogy ösztönzi, és anyagi eszközökkel támogatja a termőterületek 5-15 %-ának egy-egy vegetációs periódusra történő parlagon hagyását. Ez a rendtartás engedélyezi a parlagon hagyott földeken az ipari nyersanyagok termesztését, köztük az energetikai nyersanyagokét is. A repce, a napraforgó, a szója és egyes pálmafajták azok az olajnövények, amely a legkedvezőbb tulajdonságokkal rendelkező biodízel alapanyagok. Európai kontinenseken leginkább a repce, és a napraforgó termeszthető. Hazánk déli részén, illetve Dél-Európában a szóját is termesztenek. Közvetlenül felhasználható motorikus üzemanyagként a repcéből, és a napraforgóból kinyert olaj, ez a triglicerid. 18

Hátrányaihoz tartozik, hogy a motorokat át kell alakítani, mivel a dízelhez képest magas az üzemanyag viszkozitása, ezáltal megnő a motor fogyasztása, bonyolult a szabványosítása, és az oxidációs katalizátor használata nehézségekbe ütközik. Ezeknek a hátrányoknak a kiküszöbölése átészterezéssel történik. A folyamat során a repce-, és a napraforgó olajat lúgos közegben metanollal reagáltatják. A kapott termék repce, és napraforgó olaj-metilészter (RME), és glicerin. A repceolaj-metilészter (RME) nem más, mint a biodízel [9]. 5.3 Biogáz 6. ábra Repce tábla A biogáz különböző szerves anyagokból anaerob erjedés során képződő gáz, azaz oxigénmentes környezetben végbemenő folyamat. Összetétele függ a kiindulási szerves anyag alkotóelemeitől, illetve az erjedési folyamattól. Elsősorban a mezőgazdaságból származó másodlagos biomasszából, leginkább állati eredetű szerves trágyából állítható elő. Mesterségesen előállított, vagy spontán reakciók következtében létrejött biogáz 50-70 % metánt, 28-48 % szén-dioxidot, valamint 1-2 % egyéb gázt (kénhidrogén, nitrogén) tartalmaz [16]. 2005-ben az FVM és az MTA Megújuló Energetikai Technológiák Albizottság által készített tanulmány szerint 25-48 PJ/év értékre becsülhető a teljes biogáz potenciál [17]. 19 7. ábra: A biogáz körforgása

A következő alapanyagokat lehet használni a biogáz előállításához: mezőgazdasági melléktermékek, élelmiszeripari melléktermékek, lejárt szavatosságú élelmiszerek, biomassza céljára termelt növények, kommunális hulladék szerves része, települési szennyvíziszap. Ha célirányosan feldolgozzák őket, gáz halmazállapotú energiahordozók előállására alkalmasak. Ezeket két nagy csoportba lehet osztani: biokémiai (anaerob fermentációs) eljárások eredményeként képződő biogáz. Ez az értékesebb. termokémiai (pirolízis, gázosítás) folyamatokban keletkező gázok. Mind a pirolízis és elgázosítás technológiai tőkeigényes, leginkább települési hulladékok feldolgozására javasolhatók. A biogáz termelési technológia pedig a mezőgazdasági üzemekben, farmgazdaságokban alkalmazhatók [17]. A biogáz üzemek a kor technikai színvonalán a kérődzőkben lejátszódó folyamatokat utánozzák, gyengébb hatásfokkal. 8. ábra Biogáz üzemi technológia, szarvasmarhán bemutatva 20

A biogáz képződés előfeltételei: a szerves anyag, a levegőtől, oxigéntől elzárt körülmény, a metanogén baktériumok jelenléte, állandó és kiegyenlített hőmérséklet, folyamatos keveredés, kellően aprított szerves anyag, a metanogén és acidogén baktériumok különböző, s egymással szimbiózisban tevékenykedő törzsei is szükségesek. A biogáz keletkezése: Elméletileg 4 98 C között lehetséges. Minden hőmérsékleti tartományban a metanogén baktériumok más-más törzse tevékenykedik. A különböző technikai szintet jelentő biogáz telepeken a szokásos lebontási hőmérséklet a következőképp alakul: pszichofil zóna, azaz a környezeti hőmérsékleten termelő biogáz berendezés, mezophil, azaz 28 36 C között termelő biogáz telep, termophil, azaz 48 53 C hőmérsékleten termelő telep. A biogáz gyártáshoz alkalmazható technológia meghatározó tényezője a feldolgozandó szerves anyag szárazanyag-tartalma. Szükség van a folyékony szennyvizek, és a hígtrágyák biogázos kezelésére, amelyek lényegesen más technikai feltételrendszert kívánnak, mint a nedves, a félnedves, vagy a szilárd (kommunális) szemét. Az emberi tevékenység során, a hulladéklerakókon, szennyvíztelepeken, állattartó telepeken spontán mennek végbe a természetes metángáz képződési folyamatok. A biogáz üzemben szabályozott körülmények között termelt metán elégetésekor szén-dioxid, víz és jelentős mennyiségű energia keletkezik [18]. 5.3.1 A biogáz felhasználása Lehetőség nyílik a termelőüzemen belüli eltüzelésre és áramtermelésre gázmotorban. Az előállított áramot ekkor értékesíteni lehet zöld áramként, betáplálva a villamos hálózatba. Ez esetben minimum a kénhidrogéneket és a vízgőzt el kell távolítani, mert azok a motor élettartamát jelentősen lecsökkentik. Ha az üzemen belül kívánják felhasználni a biogázt, mód van kazánban való eltüzelésre, mellyel az üzem részeit fűtik. Gázüzemű hűtőgépben való 21

eltüzelésre is mód nyílik, amelynek segítségével technológiai vagy kommunális hűtést valósítanak meg. Ezekben az esetekben a gázt már jobban meg kell tisztítani, azaz el kell távolítani a szén-dioxid nagy részét, különben a fűtőérték nagyon alacsony lesz. További lehetőség, a gázt alaposan megtisztítva, gépjárművek meghajtására használni. Ekkor a biogázt már lehet közvetlenül is értékesíteni. A legfejlettebb lehetőség, hogyha a biogázt teljesen, földgáz minőségűre megtisztítva, a gázelosztó rendszerbe táplálják. Ekkor viszont már nem biogáznak hívják, hanem biometánnak, mivel metán tartalma minimum 95 %, fizikai és kémiai jellemzői megegyeznek a földgázéval. A betáplálás megvalósításához a biometánt szagosítani kell, a megfelelő nyomásra kell komprimálni, és a csatlakozó Elosztói Engedélyes rendszeren lévő földgázzal megegyező fűtőértékre kell beállítani. Nem kell attól tartanunk a közeljövőben, hogy elfogyna a kitermelhető földgáz, esetleg nem lehetne villamos energiát előállítani más forrásból. A megújuló energia mivoltáért szükségünk van a biogázra. Hazánk kötelezettséget vállalt a többi Európai Uniós tagállammal a termelt energiában lévő megújuló energiák részarányára. Ebben szerepet tudnak vállalni a már megépült, illetve a közeljövőben épülő biogáz üzemek. Továbbá a fenntartható fejlődéshez, és a fenntartható környezethez szükség van mindenféle megújuló energiára rövid, és hosszú távon is [16]. 5.3.2 A biogáz képződésének szakaszai, és fázisai 9. ábra A biogáz képződése [17] 22

A biogáz egy megújuló energiaforrás. Technológiája környezetkímélő hatású, továbbá csökkenti a légkörbe kerülő üvegházhatású gázok mennyiségét. Víztelenített, kéntelenített biogáznak 1 köbméter energiatartalma (körülbelül 60 % metántartalommal), megegyezik 0,6 liter fűtőolajéval, vagy 0,6 köbméter földgázéval. A lebontási maradéka egy nagyon jó minőségű homogén trágya, ami talajerő-utánpótlásra teljes mértékben alkalmas, ezáltal az energiatermelés után- szintén -, mint tápanyag visszakerülhet a földekre. A biogáz-üzemek alkalmasak a szerves hulladékok feldolgozására, átalakítására, illetve megsemlegesítésére, miközben energiát termelnek [19]. 10. ábra: Biogáz-üzem, Pécs 5.4 Biomassza eltüzelése A tüzelés a legegyszerűbb módja a biomassza energetikai hasznosításának. A tüzelés során nyert hőt a hőellátásban értékesítik. A biomassza tüzelőanyagok tüzelési jellemzői lehetnek azonosak, illetve eltérőek. A melléktermékek fűtőértéke függ a környezetet befolyásoló tényezőktől, - ez lehet a nedvességtartalom, tárolási feltételek -, továbbá a kiinduló anyagtól, és a széntartalomtól. 8. táblázat: Biomasszák tüzeléstechnikai jellemzői 23 Biomassza Illó Kémiai összetevők [%] Fűtőérték Hamu éghető C H O N S MJ/kg % % Búzaszalma 45 6,0 43 0,6 0,12 17,3 5,28 74 Kukoricaszár 44 5,8 40 1,3 0,12 17,5 8,78 76 Fa 47 6,3 46 0,16 0,02 18,5 0,52 85 Kéreg 47 5,4 40 0,40 0,06 16,2 7,14 76 Fa, kéreggel 47 6,0 44 0,30 0,50 18,1 2,65 82 Repceolaj 77 12,0 11 0,10 0 26,9 0 100 Etanol 52 13,0 25 0 0 26,9 0 100 Metanol 38 12,0 50 0 0 19,5 0 100

Az égetés során az égési levegőigény és a keletkező füstgáz mennyisége kisebb, mint a szenek égestésénél, az oxigéntartalom miatt. A nedvességtartalom csökkenti a fűtőértéket, a keletkező füstgáz mennyiségét növeli, és ez a kondenzációs jelenségek miatt az elvezetés során gondot okozhat. Fontos jellemző a magas illótartalom. Gabonaszalmát vizsgálva az éghető anyagok 82-86 %-os részarányából 70-80 % illó alkotó. Ezek 250 300 o C hőmérsékleten szabadulnak fel nagy mennyiségben az égés folyamán. Az eltüzelendő anyaghoz alkalmazkodó tűzteret kell kiépíteni, mivel a tökéletlen égésnél mérgező CO keletkezik, kevesebb hő szabadul fel, a füstgázok éghető alkotórészeket tartalmazhatnak. A tüzelési célra hasznosítható faféleségek széles választékot adnak: tűzifa, hasábfa, erdei aprítékfa, fűrészelési melléktermék. A fából nyerhető energia mennyisége a fűtőértékkel jellemezhető, amely a függ a fa fajtájától, és nedvességtartalomtól. A fa kitűnik különösen alacsony hamutartalmával és magas fűtőértékével, valamint kedvező égési tulajdonságaival [17]. 9. táblázat: Különböző fafajták fűtőértéke Fenyők Lágyfák Fafajta Fűtőérték [kj/kg] Fafajta Fűtőérték [kj/kg] Jegenyefenyő 17.648 Akácfa 17.485 Lucfenyő 19.478 Cserfa 18.135 Vörösfenyő 16.612 Gyertyánfa 17.464 Lágyfák Fűzfa 17.012 Juharfa 17.774 Nyárfa 17.497 Kőrisfa 18.125 Nyírfa 18.439 Tölgyfa 18.176 5.4.1 A biomassza tüzelésének műszaki feltételei A bio-tüzelőanyagok elégetése előtt különböző megmunkálásokra van szükség. Ezek a következők lehetnek: aprítás (szecskázás, hasítás, forgácsolás, őrlés), és tömörítés (bálázás, pelletálás, brikettálás). A pelletálást és a brikettálást a szárítás előzi meg, mivel a tüzelőanyagok víztartalma általában magasabb, mint amit a technika megkövetel (20 % alatt) [17]. 24

5.4.2 Aprítás Az aprításra tervezett gépek különféle szerkezeti megoldással készülhetnek. Lehet kézi működtetésű adapter, és akár egy bonyolult aprítógép is. Az aprításnál fellép, az úgynevezett vágási ellenállás, amely a faanyagok esetében a fafajtól, a fa nedvességi állapotától, az apríték hosszától, a vágókés él szögétől és él vastagságától, a vágási szögtől és a vágási sebességtől függ. 11. ábra: Aprító gépek; elektromotoros és traktorhajtású Az aprítógép fajlagos energiafelhasználása az üzemi teljesítményből és a tényleges energiafelhasználási értékekből számítható. A tüzelésre kerülő alapanyag aprítása történhet hasítással, darabolással, és forgácsolással [17]. Az aprítás tágabb értelemben olyan művelet, amelynek végzése közben a hasznosítás szempontjából túl nagyméretű, vagy nagyon eltérő megjelenési formájú darabokból álló nyersanyag elemeinek nagyságát a kívánt méretűre csökkentik. A növények esetében az aprítandó alapanyagot két fontos paraméter jellemzi. Ez a hossz (L) és az átmérő (D). Aprítással a nagyobb darabokból kisebb, illetve közel azonos méretű részecskék előállítása történik. A létrejött darabméretek alapján megkülönböztethetünk: elődarabolást méretre darabolást előaprítást és aprítást (durva, normál, finom, és nagyon finom). 25

Az elődarabolást a nagy darabméretű nyersanyagoknál kell elvégezni. Ez történhet különböző speciális daraboló gépekkel (fűrészes darabolók, hidraulikus vágógépek). A darabolás a nagy átmérőjű és hosszú alapanyag egységes hossz-méretűre vágását jelenti. Egységes tűzifa 1 m-es, vagy a tüzelőberendezésekhez előállított 0,4-0,5 m-es kandallófa előállítására szolgál. A hasítás a nagy átmérőjű faanyag darabolásának másik fontos változata. A hengeres farészeket a rostokkal megegyező irányban hasítva kisebb szelvényű, de a kiinduló mérettel megegyező hosszúságú részekre hasítják. Az így előállított darabok kézzel is könnyen mozgathatóvá válnak. A hasítás többnyire hasítóékkel felszerelt alternáló főmozgást végző gépekkel oldják meg. Nagy a különbség az aprítás közben végbemenő folyamatokban annak függvényében, hogy egynyári lágyszárú növényeket, vagy többéves fákat, fás hajtásokat aprítunk. Az aprítógép funkcionális eleme az aprítórész. Ez a működési elv szerint lehet: tárcsa (a), dob (b), vagy csiga (c). 12. ábra Aprítógép működési elv szerint A tárcsás aprítógép funkcionális egysége az aprítótárcsa (1) a rajta levő késekkel (2) és a vázra szerelt ellenkés (3). A tárcsa forgása közben a kés-ellenkés alkatrészpár hozza létre azokat a vágó-nyíróerőket, amelyek hatására az apríték létrejön. A tárcsa aprítóházban forog. A keletkezett aprítékot az aprítóházból dobosszállítással, dobólapáttal (4) távolítják el. A vágásirány és a rostok által bezárt szög a forgácsolás közben állandó, ezért tömör fa aprításakor az aprítékrészecskék rostirányban mért hossza elvileg állandó. 26

A dobtengelyes aprítógép forgórésze az aprítódob (3). A vágás és a nyírás a dobon elhelyezett kés és az ellenkés között megy végbe. A vágásirány és a rostok által bezárt szög a késél íves pályán történő mozgásának következtében a forgácsolás közben változó, ezért az aprítékrészecskék rostirányban mért hossza is változó. A csigás aprítógépben az aprítást egy kúpos csiga (2) végzi folyamatos vágással úgy, hogy közben a faanyagot (5) folyamatosan behúzza az aprítógaratba (6). A vágás egyszerre több szelvényben folyik, folytonos, ezért az ilyen gépekben lényegesen kisebb dinamikus hatások lépnek fel. Az aprítógépek töltése kézzel, manipulátorral illetve egyéb anyagmozgató géppel történhet. Az aprítógépek a meghajtás (energiaforrás) fajtája szerint lehetnek: traktorhajtásúak saját motorral (belsőégésű vagy elektromotor) hajtottak. A munkahelyhez kötöttség szerint az aprítógépek lehetnek: mobil (szerelt, függesztett, vontatott, önjáró) áttelepíthető és stabil. 13. ábra Apríték A faapríték a kitermelt fák törzséből, az ágakból, a fafeldolgozás különböző munkafolyamatai során keletkező hulladékból, az erdők ápolása közben kivágott kisméretű teljes fákból, a mezőgazdasági fás melléktermékekből (nyesedék, venyige) készül, aprítógép alkalmazásával. Energetikai hasznosítás esetén a faapríték minősége a tüzeléstechnikai jellemzőktől függ, amelyek az alábbiak: a nedvességtartalom, az aprított fa fajtája, és annak égéshője, az aprítás minősége, a hamu- és idegenanyag-tartalom. A frissen készült apríték 27

nedvességtartalma 45-50 %. Ilyen nedvességtartalom mellett a faanyag már égethető, és energiát szolgáltat, viszont fűtésre felhasználni nem célszerű, mert nagyon sok vizet kell égés közben elpárologtatni. Ez energiát igényel, így az energiatartalom hasznosulásának hatásfoka kicsi. Az aprítékot tárolással szárítani kell, illetve szellőztetéssel, és átforgatással javítani a hatásfokon. A fa fűtőértéke minimális mértékben függ a fafajtól (4-5 %), de sokkal nagyobb mértékben befolyásolja azt a nedvességtartalom [20]. 5.4.3 Tömörítvények előállítása A biomasszák energetikai hasznosításához alkalmazott előkészítő technológiák között nagyon fontos a tömörítvények előállítása. Ezeknek az eljárásoknak célja a biomasszák olyan formába hozása, amelyben a felhasználó a leghatékonyabban tudja hasznosítani. A biomasszák különböző formái: Az aratás végén a szalma a renden található, szálas, laza formában. A fakitermelés befejezésekor a gallyanyag a vágástéren szórtan, vagy kisebb halmokban található. Az energetikai ültetvények betakarítását követően a biomassza többnyire apríték formájában jelenik meg a gyűjtőhelyen. A fafeldolgozáskor fűrészpor, faforgács keletkezik. A felhasználó a tüzelőberendezésének működési jellemzőitől függően igényelhet: aprószemcsés, homogén, nagy energiasűrűségű tüzelőanyagot, könnyen kezelhető és adagolható, kis tárolási helyet igénylő anyagot, homogén aprítékot, nagyberendezésekhez méretes bálát. A két technológiai folyamatot és állapotot a logisztika kapcsolja össze, így fontos: a jól tárolhatóság, a tárolás kis helyigénye, a rakodáshoz optimális alaki és tömegjellemzők, a szállítógépek kapacitásának jó kihasználtságát biztosító alaki és sűrűségi méretek. Mindez a rendelkezésre álló biomassza tömörítését teszi szükségessé [20]. 28

Tömörítvények lehetnek [20]: bálák, hasábbálák hengerbálák brikettek valódi brikettek tojásbrikettek hasáb brikettek henger brikettek extrudátumok pelletek fapelletek agripelletek ökopelletek speciális pelletek. 5.4.4 Bálázás A bálázás egy olyan technológia, amit szalma vagy fiatal fás szárú növények esetében alkalmazhatunk. Biomasszából főként a könnyebb kezelhetőség, tárolhatóság, illetve szállíthatóság miatt készítik. Kis-, illetve nagy hasábbálák, kötegbálák, hengeres bálák, szögletes bálák, körbálák készíthetőek, a sűrűség és a súly meghatározó paraméterek. Figyelembe kell venni bálázásnál a gép energiaigényét, hatásfokát, illetve teljesítményét [19]. Manapság már sok az olyan tüzelőberendezés, amelyik tüzelőanyagként bálát használ, úgy, hogy a betáplálás bála formájában történik, és csak közvetlenül a tűztér előtt történik meg a bálaaprítás. Létezik még teljes bálát fogadó és égető berendezés is. 29 14. ábra: Bálázás

A kötegbála viszonylag egy új termék, az előállítása is speciális technikával történik. Az alapanyag vékony fa, vágástakarítási hulladék, energetikai faültetvények faanyaga lehet. Az eljárást azért fejlesztették ki, mivel a fakitermelés közben, vagy nevelővágásokban viszonylag vékony, nagyon elágazó gallyanyag képződik. Ezeknek a szállítógépre rakása, aprítása nehezen és magas költségekkel oldható meg [20]. 15. ábra Kötegbála 5.4.4.1 A bálázók üzemeltetése A hengerbála-készítők egy egyszerű felépítésű préselő egységből, és kötözőegységből állnak. Az anyagot úgy alakítják henger alakú bálákká, hogy a rendre vágott, és száradó biomasszát a bálázó gép felszedő szerkezete felszedi a talajról, és egy anyagmozgató berendezés a felszedett anyagból összeálló paplant egy állandó, vagy változó terű tömörítőgépbe juttatja, ahol ez a paplan a tömörödés közben felcsévélődik. Ezeket a rendfelszedő berendezéseket munkahelyzetben csúszó talpak, vagy görgők támasztják alá. Működési magasságuk szabályozható. Valamennyi típus esetében a munkahelyzetbe állítás, és a kiemelés a traktor hidraulika hálózatáról működtetett munkahengerekkel történik. Ha a bála a megfelelő tömörséget elérte, egy kötöző szerkezet bálazsineggel több helyen átköti, vagy rögzítőhálóval lezárja. A kész bálát a gép kidobja a tarlóra, ezt később szállítógéppel viszik el. A tömörítés erősségétől függően lehetnek kisnyomású-, és nagynyomású kockabálázók. A kisnyomású kockabálázók esetében a préskamra és a felszedő berendezés szélessége megegyezik. A bálázók a begyűjtött anyagot hasáb alakú bálákká alakítják. A bálák sűrűsége 40-100 kg/m 3 között lehet. 30

Manapság már csak kevés helyen használják ezeket a bálázókat, de kisteljesítményű-, nagytűzterű kazánoknál szükség van rájuk. A nagynyomású hasábbálázók esetében a bálák sűrűsége elérheti a 200 kg/m 3 -t is. A préskamra keresztmetszetének méretétől függően ezek a bálázók két további alcsoportra oszthatók: a kisméretű bálákat készítőkre (a préskamra keresztmetszete körülbelül 0,18 m 2 ) és a nagyméretű bálázókra, ahol a préskamra keresztmetszete körülbelül 0,7 m 2. 16. ábra Bálázók üzemeltetése A rendfelszedő (1) felszedi a tömörítendő anyagot. A felhordó szerkezet a dugattyú (3) előtti tömörítő térbe (4) tolja, ahol zárt fenéklap mellett folyik a tömörítés. Ha a bála létrejött, egy hidraulikus rendszer nyitja a fenéklapot, és a bála a bálakocsira (6) kerül [20]. 5.4.5 Brikettálás Ennél a folyamatnál a már aprított állapotban lévő növényi részeknek a préselése történik. Tömörítés közben jelentősen nő az anyag sűrűsége, ez a brikettálásnál 20-30 %-os sűrűségnövekedést okoz. A porszerű, faipari hulladékok esetében hatékony eljárás, hiszen a hulladék térfogata akár a tizedére is csökkenhet. A brikettek átmérője körülbelül 100-155 mm lehet. Fűtőértéke 17-18 MJ/kg, ez magasabb, mint a hasábfa, és egyes hazai szénfajtákra jellemző érték. Viszont hátránya a szénnel szemben, hogy csapadék, vagy egyéb nedvesség hatására szétesik. A folyamat hatásfoka 98-99 %-os lehet, amely azt eredményezi, hogy a tömörített anyag energiatartalmának csupán 1-2 %-a használódik el brikettáláskor [19]. 31

17. ábra: Brikett A biomassza-bázisú brikettálás, egy olyan tömörítő eljárás, amelyet olyan tüzelőberendezések tüzelőanyaggal történő ellátásához fejlesztették ki, amelyeket elsősorban darabosfa vagy faapríték elégetésére terveztek. A brikettálás során az energetikai tömörítvényt fafeldolgozási hulladékokból, mezőgazdasági melléktermékek őrleményeiből készítik. A biomasszából készülő tűzi brikett (biobrikett) fák vagy más lignocellulóz tartalmú anyagok finom aprítékából, fűrészporából esetleg forgácsából készül. A tömörítvények előállítása tömörítő gépekkel történik. A brikettálásból származó tömörítvények lehetnek: valódi brikettek, tojásbrikettek, hasáb brikettek, henger brikettek, és extrudátumok. Valódi brikett: Jellemzője, hogy a tömörítő gép meghatározott térfogatú és alakú brikettet állít elő. A gépek tömörítő részének befogadóképessége szintén meghatározott méretű, ezért a brikett sűrűsége [g/cm 3 ] nagymértékben függ az alapanyag halmazsűrűségétől. Tojásbrikett: két forgó préshengerrel készíthető, ezek palástján szimmetrikusan összeforgó fél tojás formájú kimarások vannak. A gépre jellemző tömörítési viszonyszám kicsi, így viszonylag nagy sűrűségű anyagok brikettálására alkalmas. A szénbrikett-gyártók használják. Ezzel a megoldással nem célszerű biomassza-bázisú brikettet kötőanyag használata nélkül előállítani. A faszénpor kivétel, ezt melegített hengerekkel, és keményítő adagolásával sikerülhet biobriketté préselni. 18. ábra Tojásbrikett 32

Hasáb brikett: határozott alakú, többnyire téglatest formájú tömörítvény. Előállításánál az alapanyagot meghatározott térbe sajtolják. A teret lezárhatja fenéklap, vagy másik présfej. Ez a megoldás alkalmas biomasszák brikettálására, mivel nagy tömörítési viszonyszám jellemzi. Henger brikett: kétféle technológiából származhat. A valódi henger brikett a hasábbrikettkészítő technológiára jellemző módon állíthatják elő. Az extrudátumként előállított termékből darabolással készül [20]. 1. ábra Henger brikett Extrudátumok: Folyamatos tömörítéssel hozhatók létre, szakaszos vagy folyamatos tömörítvény-mozgás mellett. A tipikusan extrudátomot előállító présgép csigás, és a préscsiga hozza létre azt az anyagmozgást, amely eredményeként a gépből tömörítvény lép ki. A megjelenő terméket utólag a kívánt hosszméretre darabolják. A működés hasonló a háztartási húsdarálókéhoz. Kandalló brikett: 60-75 mm átmérőjű, 250-300 mm hosszú, és 1,1-1,25 g/cm 3 sűrűségű, kis hamutartalmú (0,2-3,5 %) termék. Ha fából készül, ideális cserépkályhavagy kandalló tüzelőanyag. 5.4.5.1 Biobrikett gyártási technológiái A brikettálandó alapanyagot aprítógépekkel kis méretre (1-5 mm) felaprítják, vagy már eleve kis frakciókból, fűrészporból áll. A tömörítést megfelelő gépek felhasználásával, kötőanyag alkalmazása nélkül végzik. A présgépben fellépő 800 1600 bar nyomás, a préselés közben képződő vagy bevitt hő és a túlnyomásos vízgőz hatására megfelelő hatásidő alatt a farészecskék kapcsolatba kerülnek egymással. Eközben az alapanyag térfogata jelentősen csökken (ezt jellemzi a tömörítési viszonyszám 1:4-1:12). A térfogati sűrűség jelentősen nő, meghaladja a természetes fa térfogatsűrűségét (r=1,00-1,4 g/cm 3 ) az alapanyag a kívánt idomú briketté alakul. A brikettgyártás alapvetően két technológiában folytatható. Ezek beruházási és üzemeltetési költségei alapvetően eltérnek egymástól. 33

Brikettet elő lehet állítani a már szárított faanyagot feldolgozó üzemek por- és finomforgács hulladékaiból, szalmaőrleményből, és az elsőleges fafeldolgozás változó nedvességtartalmú, után aprítást, szárítást, osztályozást és technológiai anyagmozgatást igénylő fűrészpor- fa- és kéreg-hulladékaiból, mezőgazdasági melléktermékekből, termesztett energianövényekből. A legegyszerűbb és legolcsóbb megoldás a száraz, utánkezelést már nem igénylő faanyagok brikettálása. Ha por, vagy finomforgács áll rendelkezésre, akkor csak az alapanyag-tárolásra, présgépre és termék-kezelésre van szükség. Ilyen hulladék brikettálásához 50-2.500 kg/h áteresztésű gépek állnak rendelkezésre. Egyszerű technológiával végezhető a brikettálás abban az esetben is, ha darabos biomassza áll rendelkezésre. Ekkor egy speciális aprítógép gépsorba állításával valósítható meg a technológia. Ha nedves az alapanyag, akkor a brikett előállítása lényegesen összetettebb feladat. Ebben az esetben gondoskodni kell az alapanyag aprításáról, szárításáról, majd ezt követően történhet a brikettálás [20]. 5.4.6 Pelletálás Ez az eljárás is a tömeg-, és a térfogat javítására szolgál. A pellet átmérője 6-12 mm között mozog, fűtőértéke pedig 17,3-18 MJ/kg. A pelletálás teljes energiaigényét nézve a rendelkezésre álló adatok nagyon különbözőek. Sok minden múlik az alapanyagnak a nedvességtartalmán. Egyes vizsgálatok szerint 16 MJ/kg is lehet az energiaigény, ez viszont a pelletált fa 80 %-os energiatartalmát felemészti. A tömörítési eljárások akkor lesznek hatékonyak, hogyha a nem hasznosított hulladékok energetikai felhasználását eredményezik, mivel ebben az esetben a szárítás és az aprítás energiaszükséglete elmaradhat [19]. 20. ábra: Pellet 34

A pellet kis méretei miatt ömlesztett anyagként kezelhető, ezért bármilyen méretű tüzelőberendezésbe megfelelő. Csigás betáplálás mellett jól szabályozottan adagolható, és így az égés minősége, ezzel a hőtermelés hatásfoka is kedvezően alakul. A pelletet finom aprítékból, fűrészporból, vagy őrleményből készítik, pelletáló gépsorral. 21. ábra Pelletálás A sok furatot tartalmazó matricára hull a pelletálandó anyag. A présgörgő haladás közben az alapanyag-paplant tömöríti, és megfelelő nyomás létrejötte után a furatokba préseli. A furatokban további tömörödés és maradandó alakváltozás megy végbe. A finom port a pelletálás előtt be kell vezetni egy kondicionáló berendezésbe, itt gőzt kell az alapanyaghoz adagolni, elősegítve ez által a pelletálást. Amennyiben nem megfelelő a pelletált anyag minősége, nem tapad össze eléggé, akkor a kondicionálóban lehetőség van különböző ragasztóanyag hozzáadására is. A ragasztóanyagok hozzáadására szigorú előírások vonatkoznak, ezek nem lehetnek a környezetre ártalmas anyagok és a pelletált anyag 3 %-ánál nem lehet több (EU norma). A fa pelletálása gőz addíciós folyamat nélkül is lehetséges, de kizárólag a gőz hozzáadásával érjük el, hogy a faanyag plasztikusabb és lágyabb legyen. Erre a célra nagynyomású forró gőzt alkalmazunk. A pelletálás során a fa hőmérséklete tovább hevül a matricában lévő súrlódás miatt. Ezt a hőmennyiséget a tárolás előtt feltétlenül el kell vonni. A hűtés levegővel történik egy megfelelő ellenáramú hűtő alkalmazásával. Végül a furatból pellet lép ki. A pelletáló gépeknek két alapváltozata ismert, a síkmatricás, és a hengermatricás. Mindkét esetben a munkavégző fődarab jellege alapján történik az elnevezés. A fapellet tiszta, kéregmentes faanyag poraiból készül. Az alapanyag nem tartalmazhat 0,5 %-nál több hamualkotót, és 0,2 %-nál több ként. Az agripellet szabványosítása folyamatban 35

van. Mezőgazdasági melléktermékekből, ami lehet gabonaszalma, vagy napraforgóhéj, és erdészeti anyagokból már készül pellet. További alapanyagokkal (energianövények, kukoricaszár, repceszár) még kísérleteznek. Az energianád, mint lágyszárú növény tulajdonságai a legközelebb állnak a fáéhoz, így ezt is lehet fapellet-tüzelőben hasznosítani. A többi lágyszárúból készült pellet égetéséhez már speciális agripellet-tüzelőre van szükség, a nagy hamutartalmuk miatt. Ez a hamutartalom 5-10 %-os lehet, és a bennük lévő viszonylag sok kálium, nátrium, és szilícium miatt a hamu alacsony tűztér hőmérsékleten lágyul. Az ökopellet előállítási technológiáinak és hasznosítási módjainak fejlesztése még folyamatban van. Az alapanyag egy része hulladék is lehet, de készülhet pellet speciális komposztból, szennyvíztisztítók iszapjából, biogázüzemek fermentiszapjából is. Ezeket a pelleteket főként nagy hőtermelők tudják eredményesen hasznosítani. A speciális pellet ipari melléktermékekből vagy azok biomasszával együttes keverékéből készülhet. A termék felhasználása is speciális körülmények között történhet [20]. 5.4.7 Biomassza alapanyagok felhasználási módozatai 5.1 táblázat: A biomassza alapanyagok felhasználása [19] Biomassza alapanyagok Lágyszárúak Fásszárúak Olajos növények Gabonanövények Szalma Feldolgozás technológia aprítás/ pelletálás/ fermentáció Nyert energiahordozó apríték/ pellet/ biogáz Halmazállapot szilárd/gáz Energiatermelés technológia apríték/ mellet-kazán/ gázmotor Nyert energia hő/ hő+ villamos energia Nád aprítás apríték szilárd kazán hő Hasábfa Napraforgó / repce Búza kukorica aprítás/ brikettálás/ pelletálás apríték/ brikett/ pellet szilárd faelgázosítás/ közvetlen tüzelés észterezés dízelolaj folyékony dízelmotor erjesztés +desztilláció etanol folyékony belső égésű motor hő/ hő+ villamos energia mechanikus hő/ hő+ villamos energia mechanikus /hő/ hő+ villamos energia 36

5.2 táblázat: A biomassza alapanyagok felhasználása [19] Biomassza alapanyagok Feldolgozás technológia Nyert energiahordozó Halmazállapot Energiatermelés technológia Nyert energia Magas keményítő tartalmú növények Magas cukortartalmú növények Burgonya Cukorrépa, cukorcirok erjesztés +desztilláció erjesztés +desztilláció etanol etanol folyékony folyékony belső égésű motor belső égésű motor mechanikus /hő/ hő+ villamos energia mechanikus /hő/ hő+ villamos energia 6. Tüzelőberendezések A biomassza legrégebbi felhasználási módja, amely szinte az emberiséggel egyidős, energetikai szempontból a tüzelés. A következőkben magát a folyamatot fogom bemutatni. 6.1 Mi az égés? Az égés a tűzvédelem értelmezése szerint a levegő oxigénjével történő egyesülés. Minden tűz égés, de nem minden égés tűz. A tűz nem irányított égés, általában káros következményekkel jár együtt. Az égés irányítható és hasznos [21]. Égésnek nevezzük azt a vegyi folyamatot, amelynek során valamely anyag magas hőmérsékleten hőfejlődés mellett egyesül a levegő oxigénjével [22]. Az égéshez, és így a tűzhöz is a következő feltételek együttes megléte szükséges: éghető anyag, oxigén, gyulladási hőmérséklet, gyújtóforrás. A különböző anyagok máshogyan égnek, legcélszerűbb a halmazállapot szerinti csoportosításuk. A szilárd anyagok változatos módon viselkednek égés közben, de a végtermék minden esetben gőz. Meggyulladásuk a gyulladásponton következik be. Maga a szilárd tüzelőanyag egy meddő és egy éghető részből áll. Az éghető részek a szén [C], a hidrogén [H], a kén [S], és a foszfor [P]. Továbbá nem éghető rész az oxigén [O], a nitrogén [N], a nedvességtartalom [H 2 O], és a hamu (különböző ásványi anyagok, karbonátok, szilikátok, foszfátok, szulfátok, oxidok stb.). 37

A folyadékok diffúz égéssel égnek, ez a jelenség a lobbanásponton következik be. Ez lehet nyílt-, valamint zárttéri lobbanáspont. Amennyiben a lobbanáspont felett emeljük a folyadék hőmérsékletét, úgy elérhetjük a folyadék gyulladási hőmérsékletét. A gázok pedig diffúz és kevert égéssel egyaránt égnek. 6.1.1 Tűzfejlődés zárt térben Három szakaszra bonthatjuk a tűz fejlődését: 1, Növekedési szakasz: A térben az átlaghőmérséklet viszonylag alacsony, illetve az égés a meggyulladás közvetlen környezetére korlátozódott. 10-25 perccel a meggyulladást követően gyors, és nagyméretű a tűzfejlődés. 2, Kifejlett tűz szakasz: A lángok átterjednek a térben lévő összes éghető anyagra, és kitöltik a zárt tér teljes térfogatát. 3, Hanyatlási szakasz: Akkor kezdődik, amikor az átlaghőmérséklet lecsökken a csúcshőmérséklet 80 %-ra [21]. 6.1.2 Tüzeléshez kapcsolódó fontosabb fogalmak Hőmennyiség: egy test hőmérsékletének változása függ a felvett, illetve leadott hő mennyiségétől. Különböző hőmérsékletű testek egymással való érintkezésekor hőkiegyenlítődés, termikus kölcsönhatás megy végbe. A hőmennyiség ennek a termikus energiacserének a jellemzésére szolgáló fizikai mennyiség. Ezáltal a hőfolyamatok során átadott energia ezzel jellemezhető. Jele: Q. Mértékegysége: Joule [J]. Függ a hőmérséklettől [T], a tömegtől [m] és az anyag minőségétől. Fajlagos hőkapacitás (fajhő): anyagminőségre jellemző állandó. Annak a hőmennyiségnek a számértékét jelöli, amely 1 kg tömegű anyag hőmérsékletének 1 C-kal történő emeléséhez szükséges. A nagyobb fajhőjű test azonos körülmények között lassabban, míg a kisebb fajhőjű test gyorsabban melegszik fel. Jele: c. Mértékegysége: [J/kgK]. Égéshő: az a hőenergia-mennyiség, amely 1 kg szilárd, illetve cseppfolyós, vagy 1 m 3 légnemű 293 K hőmérsékletű anyag tökéletes elégése során felszabadul. Jele: Hf. Mértékegysége [J/kg]. Gyulladási pont: az a hőmérséklet, aminek a hatására az adott anyag, az iniciáló gyújtóforrás elvétele után is ég. Ezáltal az anyag égése önfenntartóvá válik. 38

Fűtőérték: az a hőmennyiség, ami az éghető anyag súly-, vagy térfogategységének elégetésénél felszabadul. Az anyagok hőmérséklete az égés során azoktól a feltételektől függően változik, amelyek között az égési folyamat végbemegy [23]. A biomassza égéshője meghatározható kaloriméterrel (méréssel), vagy számítással: Szilárd anyagoknál: Hf = 338 C + 1420 (H-O/8) + 105 S [kj/kg] Gázok esetében: Hf = 124 CO + 1420 H + 420 CH4 + Egyéb [kj/kg] A biomassza fűtőértéke általában 15 MJ/kg értékkel számolható reálisan, 10 % körüli nedvességtartalom esetén. 6.1.3 A tüzelés veszteségei Füstgázzal távozó hőenergia A tökéletlen égés miatti veszteség A visszamaradt anyagok miatti veszteség Füstgáznak a tüzelés során keletkezett gáz halmazállapotú égésterméket nevezzük. Lehet elméleti és valóságos, azaz száraz, illetve nedves füstgázmennyiség, a légfelesleg-tényező függvényében: V fn = V fon + (λ-1) Vo, ahol V fn a valóságos, V fon az elméleti nedves füstgázmennyiség, λ a légfelesleg tényező, Vo pedig az elméleti levegőszükséglet. A biomassza égése során különböző égési szakaszok különíthetőek el: Száradás következik be, ha a hőmérséklet kisebb, mint 100 C, ekkor a nedvességtartalom különválik. Molekulák hasadása, és gázfejlődés megy végbe 100 C és 200 C között. Folyamatos égés jellemző 225 C felett. Exoterm folyamat spontán hőtermelés 260 C felett. Az összes gáz, és a visszamaradó karbon pedig 1.000 C körül már elég. A biomassza-alapú tüzelőberendezéseket általában úgy tervezik meg teljesítménytől függően, hogy a lehető legkisebbek legyenek az egyes szakaszok veszteségei, és a lehető legtökéletesebb, illetve legnagyobb hatásfokú legyen az égés. A szakaszos üzemű berendezésekhez képest a folyamatos üzeműekben biztosítani kell, a fenti fázisok kialakulásának esélyét, illetve a megfelelő hatásfok és károsanyag-jellemzők elérése érdekében kellő mennyiségű O 2 rendelkezésre állását. 39

A légfelesleg-tényezőnek az alakulása a tüzelés különböző fázisaiban: Begyújtási fázisban: 2,5-7 Égési főfázisban: 1,5-2,5 Leégési fázisban: 2,5-5 Többfajta hasznosítási lehetősége van a közvetlen eltüzeléssel keletkező hőenergiának. Ezek lehetnek technológiai célok, alkalmazható a direkt fűtéstől a forróvíz- vagy gőztermelésig, fűtésre és melegvízellátásra. A biomassza tüzelés közvetett módjai a gázosítás és a pirolízis. A pirolízis az oxidáló közegek kizárásával végzett hőbontás, ez nagy karbontartalmú anyagoknak a lebontását eredményezi, illetve depolimerizációját. Fa- és egyéb szilárd hulladékok pirolízise során az egyik termék a fagáz, ezt a gázmotor hajtására használva már kedvező hatásfokkal lehet kapcsolt hő- és villamosenergia termelést folytatni [22]. 6.1.4 Szilárd biomasszák égése A szilárd biomasszák égését a következő legfontosabb tényezők befolyásolják: Az éghető elemek minősége és aránya, Az illóanyagok aránya, A szemcseméretek (részecskeméret) A víztartalom A hamutartalom. Az égés közben az éghető anyagokból az oxidáció révén energia szabadul fel, és ez eredményezi a hőtermelést, de az égési folyamat nem csak kémiai reakciókból áll, hanem fizikai és fizikokémiai folyamatok is végbemennek. A szilárd biomassza égése bonyolult folyamat. Már egy kis égési gócban is az elgázosodás, a szenesedés egymásból folyó és egymásba átmenő folyamatai ismerhetők fel, illetve, hogy a különböző folyamatrészekben jelentős a hőmérséklet-különbség. A következő ábrán szemléltetett elemi égés folyamata láncreakció, és ez ismerhető fel a szabad tűzben, a tüzelőberendezésben és a pirolízis közben is. 40

22. ábra Energia felszabadulása tüzelőberendezésben A tüzelőberendezésbe bejuttatott hideg és nedves tüzelőanyag a rostély elején szétterül. A tűztérből származó sugárzó hő hatására először szárad, azaz vízgőz lép ki az anyagból, majd felmelegedve elkezdődik a kigázosodás. A rostély alá vezetett primer levegő a tüzelőanyagot égeti, de 1-nél kisebb légfelesleg (λ) miatt csak alacsony hőmérsékletű (750 800 C) parázságy jön létre. A kis λ miatt az égés tökéletlen, ezért a parázságyból a CO 2 mellett nagy mennyiségben távoznak CO és CxHy éghető gázok is. A rostélyon a folyamatos betolás hatására előre haladó tüzelőanyag egyre jobban kigázosodik, majd elszenesedik, végül az elgázosodást követően a hamu lehull a hamukamrába. Az alsó tűztérből kilépő éghető gázkeverék és vízgőz egy terelőtest mentén átlép a lángtérbe, itt a bevezetett szekunder levegő O 2 -jével és a vízgőzből keletkező oxigénnel táplált égés folyik 1.100 1.250 C-on. CO 2 és NOx keletkezik, illetve el nem égetett gázok is maradnak. Ezek a gázok tercier levegő hozzáadása mellett az utánégető térben égnek el. A lángtérben a bevezetett levegő nitrogénjének egy része oxidálódik, és a füstgázban megjelenik a NOx is. Ez a füstgázalkotó károsítja a környezetet, éppen ezért a lehető legkisebb arány létrejöttét, illetve a kéménybe való távozását kell biztosítani. Modern berendezések esetében úgy történik, hogy a füstgáz egy részét visszavezetik az utánégető térbe, ahol a füstgázban még jelenlevő CO reagál a NOx-dal, és a CO-ból CO 2, a NOx-ból N 2 jön létre, majd távozik a berendezésből. 41

A biomassza égése közben az alapanyagban levő kevés kénből kén-dioxid is képződik. A biomassza sajátossága, hogy a nem éghető alkotók között kálium és kalcium is megtalálható. Ezek az elemek oxigén hatására erősen bázikus hamut/szállóport képeznek. Ezek a parázságyban illetve a lángtérben reakcióba lépnek a SO 2 -al, és annak jelentős részét szulfátok formájában megkötik. Így a kén egy része a kamrahamuban, másik része a porleválasztóban visszamarad, jelentősen csökkentve a SO 2 -emissziót. 6.2 Kazánok A továbbiakban a különböző kazánok bemutatása a célom. Minden típusnak megvannak az erősségei, illetve gyengeségei, nem mindegy mennyi költséget emészt fel, illetve ez mennyi idő alatt térül meg. A biomassza eltüzelésére sokféle megoldás ad lehetőséget. Két nagy csoportra bonthatjuk a tüzelőberendezéseket. Vannak úgynevezett direkt tüzelők, és előtéttüzelők, azaz elgázosító kazánok. Az égetés hatásfoka a következő tényezőktől függ: a hőcserélők teljesítményétől, a keletkezett hő hasznosítási módjától, és az égetés tökéletességétől. A direkttüzelők általában kisebb teljesítményű berendezések, egy tűzterük van. Ide sorolhatjuk a háztartási kályhákat, kandallókat, ezeknek a hatásfoka körülbelül 40-60 % lehet. Az előtéttüzelők pedig osztott tűztérrel rendelkeznek, ahol először tökéletlen égés megy végbe a primer levegő hozzákeveréssel, és ez pirolízis gázok keletkezéséhez vezet. Ezt követően a második tűztérben már tökéletes égést biztosít a szekunder levegő bevezetése. Hatásfokuk sokkal jobb, mint a direkttüzelőknek, akár 90-95 % is lehet. Az égetés hatásfokát befolyásolja a keletkezett hő hasznosítása. Ha a megtermelt hőt csak fűtésre használjuk, abban az esetben 70-80 % a kapott érték. Viszont, ha a hőből villamos energiát termelünk generátorokban, akkor a hatásfok 30 %-nál nem lehet több. A legjobb hasznosítása, a kapcsolt hő, illetve elektromos áram termelése, hiszen ezzel közel 90 %-os a teljesítmény [19]. 6.2.1 A faelgázosító kazán felépítése A faelgázosító, ahogy már említettem egy dupla tűztérrel rendelkező kazán. A felső tűztérben (ez a tüzelőanyagnak a tere) a fa elégetése, illetve elgázosítása, míg az alsó tűztérben (ez az égéstér) pedig a keletkezett gázoknak az elégetése történik. 42

23. ábra: Faelgázosító kazán részei A kazán begyújtását követően, a felső tűztérben a fa kiszárítása történik 300 C alatti hőmérsékleten. Ahhoz, hogy a fa légszegény környezetben elégjen 200 700 C az ideális, ekkor már gázok, és faszén is keletkezik. A két tűztér közötti rostélyon széndioxid képződik, a faszén elég, viszont a fagáz a még légszegény környezet miatt nem tud. Emiatt ventilátor (ami lehet nyomó, vagy szívó) segítségével az égőtér átömlőn keresztül jut az alsó égéstérbe. Itt már megfelelő mennyiségű levegő hozzáadásával történik a gázok, és a faszén miatt kialakult szénmonoxid elégetése. Ebben a kazánban a fő égést gyakorlatilag a keletkezett gázok elégetése jelenti, ennek hőfoka akár 1.200 C is lehet. [24] 24. ábra: Faelgázosítás 43

Ezeknek a kazánoknak körülbelül 89 %-os a hatásfoka, valamint ennek köszönhetően a környezetszennyezés mértéke nem éri el az EU-ban megengedett mérték 10 %-át sem. 25. ábra A faelgázosítás folyamata Több éves mérés eredménye azt mutatja, hogy a faelgázosító kazánnal való fűtés esetén a megtakarítás a földgázhoz képest 40-43 %, míg a hagyományos kazánban történő fa égetéséhez képest közel 50 %. Tartályos gázhoz képest a jelenlegi megtérülés ideje 1-2 év [9]. 6.2.1.1 A faelgázosítás előnyei és hátrányai Előnye, hogy nagyon magas a hatásfok, így azonos mennyiségű hőenergia eléréséhez kevesebb fára van szükségünk. A tökéletes égésnek köszönhetően minimális mennyiségű hamu keletkezik. Viszonylag könnyű és gyors takarítani. Az égés teljesen szabályozott, és környezetbarát. Ennek köszönhetően akár 12 óráig is eltarthat a folyamatos hőtermelés, nem úgy, mint a hagyományos kazánoknál, ahol összesen 2-3 óra az égési idő egy töltettel. Nagyon hatékony, de a helyes használatának vannak feltételei. Hátránya, hogy a fa nedvességtartalma nem lehet több 15-20 %-nál, mert akkor ecetsav keletkezne, ami szétmarná a kazán falát, illetve elkátrányosodna. Ez nagymértékben lecsökkentené a kazán hatásfokát. Erre az a megoldás, hogy a gázosítani kívánt fákat, egy teljesen száraz, páramentes helyen 44