Kecskeméti Humán Középiskola, Szakiskola és Kollégium Kocsis Pál Mezőgazdasági és Környezetvédelmi Szakközépiskola és Szakiskolája A biomassza energetikai hasznosítási lehetőségei Unokáink is látni fogják Készítette: Virág Zsófia Felkészítő: Gyuricza Gyuláné Nedelkovics Judit Kecskemét 2010
Tartalomjegyzék: 1. Bevezetés 3 2. Irodalmi feldolgozás 4 2.1 A környezet állapota 4 2. 1. 1 Hazánk környezeti állapota 4 2. 1. 2 Hulladékgazdálkodás 6 2. 2 Alternatív energiák 10 2. 3 Biomassza energia 12 2. 3. Biomassza energetikai hasznosításának lehetőségei 13 3. Biobrikett 17 3.1 A szalma brikett- gyáráts technológiája 20 4. Következtetések 24 Mellékletek 25 Irodalomjegyzék 26 Ábrák jegyzéke 27-2-
1. Bevezetés A mindennapi életünk és tevékenységünk elválaszthatatlan az energiától, hiszen létünk fenntartásához (táplálkozás), környezetünk élhetővé-tételéhez (fűtés, ruházkodás), a társadalom létéhez és tevékenységéhez (közlekedés, kommunikáció, közvilágítás, ipari termelés, stb.) és még számos más területen is folyamatosan energiát használunk fel. Az energia-felhasználás jelenleg a fosszilis (ásványi eredetű) energiahordozók felhasználására alapozott. A fosszilis energiahordozók készletei fogynak, az ismert készletek is egyre nehezebben és költségesebben termelhetők ki, illetve a nagy és növekvő kereslet miatt egyre drágábban szerezhetők be. A használatukból adódó környezetszennyezést (elégetésük közben a korábban megkötött CO 2 felszabadul, és egyéb káros emissziók pl. SO 2, NO x, vegyületek is keletkeznek), és a kitermeléssel járó környezeti károkat a környezeti és természeti rendszerek nem tudják regenerálni. A CO 2 kibocsátás mértéke meghaladja a Föld élővilágának CO 2 -megkötő képességét, és ezért a légkörben ennek a gáznak a mennyisége folyamatosan emelkedik, mellyel igen szoros kapcsolatot mutat az átlaghőmérséklet emelkedése (üvegházhatás). Mai ismereteink szerint ugyanis a CO 2 több mint 60%-ban felelős ezért a folyamatért, melynek a következménye a napjainkban is érzékelhető klímaváltozás. Az Európai Unió új agrárpolitikai irányzata egyenrangúan fontosnak tartja a mezőgazdaság termelési, környezeti és szociális feladatait. Olyan gazdálkodási rendszerek elterjedését támogatják, melyek elősegítik mind az agrárium, mind a vidék környezetbarát fejlesztését, az élhető vidék megteremtését és felhasználását. Magyarország energiában, és nyersanyagban szegény, ezért ki kell használni az éghajlatunkból adódó-, és talajainkban lévő adottságainkat. A hagyományos kisparaszti gazdaságokban a megtermelt termékeket teljesen (hulladékmentesen) felhasználták, a mai gazdálkodási rendszerekben problémát jelent az évente újratermelődő biomassza hasznosítása. A mezőgazdasági hulladékok nagy része biomassza, amely csak részben kerül ki a természetes körforgásból, így kezelésük és hasznosításuk ma is megoldott. A biomasszát a hagyományos használatukon kívül energiatermelésre, és különböző ipari anyagok előállítására lehet felhasználni. Dolgozatomban, a növénytermesztésben melléktermékként keletkező szalma energetikai -3-
hasznosítási lehetőségét vizsgáltam. 2. Irodalmi feldolgozás 2.1. A környezet állapota 2.1.1. Hazánk környezeti állapota Nemzetközi összehasonlításban Magyarország környezetének állapota közepesnek mondható. Az előző évtizedekben kevésbé volt hangsúlyos a környezetet súlyosan terhelő iparágak erőltetett fejlesztése, illetve a rendszerváltás során ezen iparágak visszaesésével, a termelési struktúra átalakulásával és a fogyasztás átmeneti csökkenésével a környezet állapota javult. Az elmúlt 15-20 évben lejátszódott gazdasági átalakulások, a személyes és az ország energiafogyasztásának csökkenése kedvezően hatott a környezetre. A 90-es évek első felében számottevően csökkent az ország energiafogyasztása is, amelynek ugyancsak a környezeti terhelést mérséklő hatása volt. A levegő minősége a volt ipari területeken javult. A közlekedés környezetre gyakorolt hatásában ellentétes folyamatok játszódnak le, a gazdasági visszaesésből következő közlekedési teljesítménycsökkenés és a jobb minőségű üzemanyag kedvező hatású, másrészt viszont a motorizáció előretörése, a vasút és a tömegközlekedés visszaesése fokozza a környezeti ártalmakat. A természetvédelem területén hazánk jelentős eredményeket mondhat magáénak. Az élővilág gazdagsága, a természetes élőhelyek és társulások magas száma példaértékű Európában. Egységes, az egész országra kiterjedő nemzeti parki hálózat működik, amely több évtizedes múltra tekint vissza. Magyarországon kb. 42 000 állatfaj és kb. 2200 magasabb rendű növényfaj él, közülük több száz kizárólag, vagy nagyrészt csak hazánkban honos. Tehát vannak viszonylag nagy kiterjedésű, jó természeti kondíciókkal bíró területek, ahol az élővilág gazdag, a természetes élőhelyek és társulások száma magas. Jelenleg az ország 7,53 % - a áll természetvédelmi oltalom alatt. -4-
Egy ország környezeti állapota szorosan összefügg az egészségi állapottal. Ez legszembetűnőbben a krónikus légzőszervi betegségek egyre növekvő, magas arányaival bizonyítható. Ennek fő oka a levegő rossz minősége. Hazánk területének "csak" 3,9 %-a tartozik az erősen szennyezett kategóriába, viszont itt él a lakosság majd 30 % - a! Ehhez járul még a gyakori (18 %-os) zajszennyezés, mely szintén nem hosszabbítja életünket. Az ország minden lakosára több mint 8 tonna hulladék jut évente. Ezek felhasználása, újrahasznosítása - többségében - nem megoldott, így elhelyezésük sok újabb probléma forrása lehet. Talajvízkészletünk hatalmas - de erősen veszélyeztetett - elsősorban a felszíni szennyezések miatt. Kritikus a talajvízszint folyamatos csökkenése a Szigetközben és a Duna-Tisza közi hátság területén. A felszíni vizek - elsősorban a Duna, Tisza, Balaton és a Velencei-tó - állapota, biológiai vízminősége folyamatosan romlik. A lejtős területekről átlagosan 1,5 millió tonna szerves anyagot mos le a vízerózió, ezt a természetes talajképződés nem tudja pótolni. A talajok szikesedése (közel 1 millió hektár) és savanyodása (2, 3 millió hektár) is tovább tart. A környezet viszonylag jó állapotának megőrzéséhez hozzájárult a mezőgazdaságban használt vegyi anyagok utóbbi években használt mennyiségének jelentős csökkenése is, mely elsősorban a mezőgazdasági termelés visszaesésének köszönhető. Magyarország legfontosabb környezetvédelmi teendői három területre koncentrálódnak, ezek a levegőminőség-védelem, a vízminőség-védelem és a hulladékgazdálkodás. -5-
2. 1. 2. Hulladékgazdálkodás A hulladék káros környezeti hatása elleni védelemnek a hulladék teljes életciklusára kiterjedő gyakorlati megvalósítása, amely a hulladék keletkezésének megelőzését, csökkentését és hasznosítását, a nem hasznosítható hulladék környezetszennyezés nélkül átmeneti tárolását és ártalmatlanítását foglalja magában. Mit is nevezünk hulladéknak? A hulladék a termelő, szolgáltató vagy fogyasztói tevékenységek során vagy ezek következtében keletkező- tulajdonosa által fel nem használt, illetve a keletkezés folyamatában vissza nem vezetett vagy adott formájában arra alkalmatlan elhasználódott selejtté vált termék. A hulladékgazdálkodásról szóló 2000. évi XLIII. Törvény alapján a hulladékkategóriák valamelyikébe tartozó tárgy vagy anyag, amelytől tulajdonosa megválik vagy megválni köteles. Magyarországon 21 millió m 3 szilárd hulladék termelődik a háztartásokban és munkahelyeken. Éves szinten hazánkban 109 millió tonna az ipari, mezőgazdasági és szolgáltató tevékenységből származó hulladék. A termelési hulladéknak 2%-a veszélyes. A települési hulladék 90%-át lerakással ártalmatlanítják a hulladéklerakókban. Mezőgazdasági hulladékok csoportjába tartoznak a mezőgazdasági, kertészeti, vízkultúrás termelésből, erdőgazdaságból, vadászatból, halászatból, élelmiszer előállításból származó hulladékok (1. ábra). 1. ábra: Mezőgazdasági eredetű hulladékok (Hartman M. Alexa L. Dér S. Schád P. nyomán) Hulladék, melléktermék Állattartás, állattenyésztés almos trágya hígtrágya elhullott állatok Tetemei Lehetséges környezeti problémák fertőzőképesség, szaghatás, talaj- és vízszennyezés fertőzőképesség, szaghatás, talaj- és vízszennyezés veszélyes hulladék, fertőzőképesség Kezelés kazlas trágyakezelés, érlelés, komposztálás ülepítés, szétválasztás, biogáz előállítás, Hasznosítás szántóföld, kertészet, 30-40 t/ha négyévente, 10-50 m 3 /ha komposzt öntözés, injektálás, biogáz előállítás, energetikai hasznosítás komposztálás nyilvántartási és bejelentési kötelezettség, kezelőnek átadás -6-
gyógyszerek, veszélyes hulladék fertőtlenítőszerek, koncentrátumok göngyölegei, maradványai Növénytermesztés, kertészet tarló- és Növény egészségügyi gyökérmaradványok, probléma, szármaradványok, tág C: N arány, levágott ágak, mérgező növényi gallyak, szőlő anyagok venyige műanyagok nehezen bomlanak, lejárt szavatosságú vegyszerek, maradékok, göngyölegek, fel nem használt csávázott vetőmag Karbantartás, javítás fáradt olaj, olajos rongy tájkép rontó veszélyes hulladék, települési szilád hulladék veszélyes hulladék nyilvántartási és bejelentési kötelezettség, kezelőnek átadás aprítás, talajba keverés (N kiegészítéssel!), komposztálás bálázás, préselés tápanyag-gazdálkodás, talajtakarás, takarmányozás, energetikai hasznosítás hulladékgyűjtés, hasznosítás, energetikai hasznosítás, ártalmatlanítás nyilvántartási- és bejelentési kötelezettség, kezelőnek átadás, ártalmatlanítás nyilvántartási- és bejelentési kötelezettség, kezelőnek átadás Használt alkatrész olajjal szennyezett Hulladékgyűjtés vegyszer- és festékmaradványok, göngyölegeik veszélyes hulladék oldószerek, üzemanyag maradékok veszélyes hulladék nyilvántartási- és bejelentési kötelezettség, kezelőnek átadás nyilvántartási- és bejelentési kötelezettség, kezelőnek átadás Számos olyan melléktermék, maradvány keletkezik (növényi maradványok vagy az állati trágyák), amelyek megsemmisítése helyett célszerűbb lenne más megoldást alkalmazni. A mezőgazdasági hulladékok mennyisége nehezen meghatározható, az elmúlt években folyamatosan csökkent, elsősorban a mezőgazdasági termelés visszaesésének következményeként. Ma Magyarországon mintegy 100 millió tonna melléktermék és termelési hulladék keletkezik, ebből a mezőgazdaság részaránya 60%-os (Thyll 1996). Az 2. sz. ábra a Magyarország mezőgazdasági hulladékainak megoszlási arányát szemlélteti Thyll (1996) nyomán. -7-
2. ábra: Mezőgazdasági melléktermékek %-os megoszlása. Mezőgazd asági m ellékterm ékek arányai Állati melléktermék 45,5 millió t Gabonaszalmák 13,05 millió t Növényi melléktermék 14,5 millió t Egyéb növényi melléktermék 1,45 millió t Egy másik (1980-ban készült) tanulmányban kimutatták, hogy biomassza produkciónk évi 53,4 millió tonna, aminek 86,9%-a (46,4 millió tonna) származik a mezőgazdaságból (Láng 1985). A növényi eredetű biomassza tömegben meghatározó szerepe van a gabonaféléknek, mivel az összes főtermék közel 60%-át, a melléktermékek csaknem 90%- át a gabonafélék termékei teszik ki. -8-
Az 3. sz. ábra: Gabonaszalma hasznosítási lehetőségei Megnevezés Búzaszalma Árpaszalma Tavaszi szalmák Összesen Mennyiség ezer ezer ezer ezer % % % t/év t/év t/év t/év % Takarmányként 259 7 187 37 273 67 710 15 Alomként 3263 87 296 65 137 33 3696 80 Ipari felhasználás 234 6 1 - - - 235 5 Összesen 5756 100 475 100 410 100 4641 100 Az előzőekben leírtak, és a táblázat adataiból is kitűnik, hogy melléktermékként legjelentősebb szerepe a gabonafélék szárának van. Hulladékok káros környezeti hatásai A víz, a levegő és a talaj természetes öntisztulása során hosszú időn át feldolgozta az odakerült hulladékot anélkül, hogy azok közvetlenül, vagy a különböző kölcsönhatások során keletkező bomlás- vagy szintézistermékei a növényekre, az állatokra, és rajtuk keresztül közvetve vagy közvetlenül az emberre károsan hatottak volna. Az elmúlt évtizedekben az ember és környezete közötti harmonikus kapcsolat megbomlott. Az emberi tevékenység a megváltozott szükségletek kielégítése érdekében egyre nagyobb mértékben alakítja át a természetből kitermelt anyagokat, a természetes anyagoktól eltérő összetételű termékeket állít elő. A természetidegen anyagok termelésével, illetve elhasználódásával létrejött hulladék egyre nagyobb mennyiségben és térben koncentráltan kerül ki az ökoszisztémákba. A hulladék egyrészt szennyezi valamelyik környezeti elemet (vizet, levegőt, talajt), ezáltal nagy népességet érint, és a hatása sok esetben-időben elhúzódó. Másrészt a hulladék egyes alkotórészei beépülnek a növényi és állati szervezetekbe, és a táplálkozási láncon keresztül végső soron az embert károsítja (környezetre káros, mérgező hatású anyagok bioakkumulációja és toxicitása). -9-
A hulladékok csökkentése korunk egyik legfontosabb környezetvédelmi feladata. A leghatékonyabb megoldás a hulladékok keletkezésének megelőzése a hulladékmentes, tiszta termelés révén. Ha mégis keletkezik hulladék, akkor mindig vannak olyan alkotórészek, melyek megfelelő ártalmatlanításával csökkenthetjük a lerakóba, azaz a környezetbe kerülő hulladék mennyiségét. Ilyen eljárás lehet például a tüzelőanyag előállítása, komposztálás. 2.2. Alternatív energiák Alternatív energiaforrás, azaz energiahordozó, amelyből a jelenleg használatos szénhidrogének alternatívájaként valamilyen energiát tudunk kinyerni. Alternatív energia a napenergia, szélenergia, vízenergia, geotermikus energia, atomenergia. Az alternatív energiaforrások jelentősége, hogy használatuk összhangban van a fenntartható fejlődés alapelveivel, és nem okoznak környezetszennyezést. Az alternatív energiaforrások tulajdonsága, hogy környezetkárosító hatásuk elenyésző a fosszilis energiahordozókhoz képest és folyamatosan, akár generációkon át kinyerhetők a természetből. Vannak viszont olyan energiafajták, melynek folyamatosan újratermelődnek. Ezek a megújuló energiák. Megújuló energiaforrásoknak nevezzük azokat a természeti jelenségeket, amelyből energia nyerhető ki úgy, hogy jelentősebb emberi beavatkozás nélkül legfeljebb néhány éven belül az újratermelődik. Hazánkban a megújuló energiaforrások közül a legjelentősebb mértékben a tűzifa kerül felhasználásra. -10-
4. ábra: A megújuló energiaforrások hasznosítási részaránya Magyarországon 1999-2003 között (www.cegnet.hu [2005]) A legkorábbi bioenergia az igavonó állatok erejéből származott és még ma is hasznosított energiaforrás, a legnagyobb arányban, a fejlődő országokban, ahol leginkább a kis farmokon ez a legelérhetőbb energiaforrás, 80-90%-ban Afrikában és Ázsiában ez a legjellemzőbb. A megújuló energiaforrások alkalmazásával foglalkozó kutatások az 1970- es évek végén a második energiaár-robbanást követően kezdődtek el. A kifejlesztett, korszerű nagyüzemi biomassza tüzelési rendszerek az egyes országok agrártermelési, helyi ipari, illetve kommunális szféráiban, széles körben elterjedtek. Az elmúlt évtizedekben előtérbe került a megújuló energiaforrásokat hasznosító technológiák fejlesztése, a világszerte egyre nagyobb gondot okozó környezetvédelmi problémák miatt. A fejlesztések előtérbe- kerülésének másik oka a Nyugat- Európában termelésből kivont termelőterületek hasznosításának és a falusi lakosság helyben tartásának célja volt. Jelenleg az európai agrárágazatok hozzávetőleg 1, 7 millió toe megújuló energiát használnak fel, melynek legnagyobb részét a tűzifa és az erdészeti, valamint faipari melléktermékek teszik ki 1,2 millió toe mennyiséggel, ezen kívül a szalma 0,3 millió toe közvetlen tüzeléssel történő hasznosítása. Egyes források szerint az EU területének egy tizedét lehetne energetikai rendeltetésű biomassza termelésre hasznosítani. Ez körülbelül évi 80 millió toe-nak felel meg, amely a régió jelenlegi villamos energia szükségletének 20%-át fedezné. Stájer tartományban a biomassza energetikai hasznosítása a primer energiafelhasználáson belül 1980-ban még csak 7% volt, míg a fosszilis energiahordozóké 79%. Ekkor még egyetlen -11-
biomassza hasznosítású fűtőmű sem volt, 1985-ben pedig már 74 működött. Az összes alternatív energia felhasználás 1992-ig 23%-os részarányt ért el, és ezen belül a biomassza 15%-ot tett ki. 2. 3. Biomassza energia A biomassza biológiai eredetű szerves anyag tömeg. Nagy lehetőség van a biomassza energetikai célú felhasználásának növelésében. A biomassza a megfelelő kezelés esetén megújuló energiaforrásként szerepelhet, többségük 1 éven belül újból megtermelődik. Használatuk esetén bányászott energiahordozók takaríthatók meg, így a megtakarított fosszilis energiahordozók nem fokozzák a levegő szennyezettségét. A biomassza származhat: - növénytermesztésből, - állattenyésztésből, - erdészetben képződő melléktermékből, - élelmiszeriparból, - ipari hulladékokból. A vidékfejlesztésen is nagyot lendíthet, mivel mezőgazdasági hulladékok és melléktermékek hasznosításával, energianövények termelésével jövedelemforrásként szerepelhet, és a talajnak a jelenleginél nagyobb része is gondozott állapotban tartható. A megtermelt biomassza feldolgozására alkalmas gépeket, eszközöket gyártó ipar is kialakult. A megújuló energiaforrások, és ezen belül a biomassza fokozott alkalmazására nem csak a fenntartható fejlődés miatt van szükségünk, hanem nemzetközi vállalásaink is erre köteleznek. Magyarországon adott a jó termőtalaj, a jó környezet a biomassza termeléséhez. -12-
Elsődleges biomasszák: A növényzetet alkotó anyag, amely a napenergia megkötésével létrejövő, a megkötött napenergiát szénhidrogén vegyületekben, kémiai kötésben tartalmazó szerves anyag. Létrejötte közben történik meg a napenergia megkötése, és válik lehetővé a megkötött energia tárolása. A másik kettő (szekunder, tercier) ebből a biomasszából származható. Másodlagos és harmadlagos biomasszák: A hagyományos mezőgazdálkodásra főként a primer biomasszák előállítása jellemző, de jelentős mennyiségben keletkezik másodlagos és harmadlagos biomassza melléktermék, illetve hulladék is. Másodlagos biomasszák: Asszimilálni nem tudó élő szervezetek közreműködésével jönnek létre. A másodlagos biomasszák az állati fehérjék, zsírok és szénhidrátok, Speciális szerepük van az állatvilág létében, és az emberi élet fenntartásában is. Hagyományosan természetben jönnek létre úgy, hogy az azokat előállított állatok szaporodnak, növekednek, és közben szerves anyagtömegük gyarapszik, majd életciklusok végén újabb fogyasztók tápanyagául szolgálnak. Harmadlagos biomasszák: A harmadlagos biomasszák a primer és a szekunder biomasszák feldolgozásával, hasznosításával összefüggően keletkeznek. Három fontos keletkezési területe különböztethető meg: Mezőgazdasági és állattartási Élelmiszer-termelési És az emberi léttel kapcsolatos (kommunális) 2.4. Biomassza energetikai hasznosításának lehetőségei A biomassza, mint energiaforrás gyűjtőfogalmába a következőket sorolják: - hagyományos mezőgazdasági termények melléktermékei és hulladékai (szalma, kukoricaszár, stb.), - erdőgazdasági és fafeldolgozási hulladékokat (faapríték, -nyesedék, fűrészpor, stb.), -13-
- energetikai célra termesztett növények (fűfélék, fák: akác, nyárfa, éger, fűz, takarmánynövények: cukorrépa, köles, rozs, repce, stb.); - másodlagos (állati) biomassza (trágya, stb.). A biomassza energetikai célú hasznosításának lehetőségeit az előállított energiahordozó halmazállapota szerint csoportosíthatjuk. Ez alapján az alábbiakat különíthetjük el: - Biomassza, mint szilárd energiahordozó (hőenergia termelés) - Folyékony energiahordozó kinyerése biomasszából (bioetanol) - Gáz halmazállapotú energiahordozó kinyerése biomasszából (biogáz) Energiahordozóként a biomassza tulajdonságai: - a fotoszintézist fenntartó napsugárzásnak köszönhető megújulás, - az energetikai hasznosítás lehetősége a légkör széndioxid-koncentrációjának növelése nélkül. Gépjármű-üzemanyagként hasznosítható biomasszák: - Magas cukortartalmú, magas keményítőtartalmú vagy magas cellulóztartalmú növények, melyekből etanol gyártható. - Olajtartalmú növényekből az olaj kisajtolható, és egyszerűbb vegyszeres kezelések után a diesel olajhoz hasonló anyag nyerhető (napraforgó). Mechanikai kezelés: - nagy nyomással végzett folyadékkinyrés. - Egyszerű kinyerés egy préselési eljárás. A célja olyan anyagok kinyerése a biomasszából, amelyek közvetlenül vagy további feldolgozást követően válnak energiahordozóvá. Ez a technológia alkalmazható olajos magok esetében növényi olaj kinyeréséhez, vagy cukorcirokból cukortartalmú préslé előállításához. A kisajtolt növényi olaj közvetlenül, speciális motor hajtóanyagként vagy -14-
olajégőkkel elégetve hőtermeléshez is alkalmazható, de leginkább egy további kémiai átalakítást követően biodízel előállítására használható. A biomasszák felhasználási lehetőségei: A növényi biomassza az alábbi területeken használható fel: Az emberi fogyasztásra szánt élelmiszer előállítása, Az állatok takarmányozása, Az ipari (és energetikai) felhasználás, Talajok tápanyag-utánpótlása Ebből a felsorolásból következik, hogy korábban élelmiszernövényeket, takarmánynövényeket és ipari növényeket különböztettek meg. Napjainkban a növények hasznosítási lehetőségei összetettebbek, ezért célnövényeket, és kettős hasznosítású növényeket különböztetünk meg. Ezek alkotják a primer biomasszák nagy csoportját. Oxidációs (égetéses) energetikai hasznosítás A növények szerves anyagát alkotó szerves vegyületekben, meghatározó mennyiségben a szén, a hidrogén és az oxigén van jelen. Emellett kisebb mennyiségben egyéb éghető anyagok, mint a kén, illetve hamuképző elemek, úgymint a kalcium, a kálium, a szilícium, a magnézium valamint más, a hasznosítás lehetőségeit és korlátait befolyásoló anyagok, a nitrogén, a klór, a foszfor számos nyomelem is megtalálható. Mechanikai kezelés: A mechanikai kezelésekkel a biomasszában lévő anyagcsoportokat választjuk szét. Ilyen eljárás pl: a nagy nyomással végzett folyadékkinyerés. Az egyszerű kinyerés egy préselési eljárás. A cél olyan anyagok kinyerése a biomasszából, amelyek közvetlenül vagy további feldolgozást követően válnak energiahordozóvá. Ez a technológia alkalmazható olajos magok esetében növényi olaj kinyeréséhez, vagy cukorcirokból cukortartalmú préslé előállításához. -15-
Erjesztés: Erjesztéssel hagyományosan cukor- vagy keményítőtartalmú magokból állítanak elő alkoholt, ami fogyasztási cikk, vegyipari alapanyag és a biobenzin alapanyaga vagy benzinadalék lehet. Újabban már ligno-cellulózókból közvetlenül is tudnak alkoholt előállítani, de ennek az eljárásnak gazdaságos nagyüzemi technológiája még nem alakult ki. A szeszgyárilag történő előállításánál általában két folyamatot különböztetünk meg: Az alkoholt tartalmazó folyadék előállítása (erjesztés) A szesz elkülönítése és tisztítása a folyadék többi alkotórészeitől (lepárlások). Az alkoholt, tartalmazó folyadékot mindig cukor erjesztés által nyerik. A cukros oldat készítése azonban a feldolgozandó nyersanyagok szerint igen különböző. Ilyen nyersanyagok: Azok az anyagok, amelyek a cukrot, mint szerves vegyületet készen tartalmazzák (cukorrépa, csicsóka, cirok), továbbá a cukorgyártás hulladékanyagai, mint pl. a melasz, szirup stb. A keményítőt tartalmazó anyagok, melyek maláta behatása által maltóz-cukorrá változtathatók át. Idetartózik különösen a burgonya, a gabonafélék közül főleg a kukorica, rozs, melyekből nálunk a legtöbb szeszt gyártják. A nyers szesz az erjedéssel jön létre, elméletileg az alábbi folyamat során: 5. ábra: A nyers szesz előállítása C 6 H 12 O 6 2C 2 H,OH + 2 CO 2 Szőlőcukor Alkohol + Széndioxidgáz 180g 92g 88g = 44,2 norm dm 3 A biodízel és a bioetanol (alkoholként) jövedéki termék, ezért előállítása, forgalmazása, bekeverése és birtoklása kizárólag a mindenkor hatályos jövedéki szabályok, betartásával történhet! 6. ábra: Alkohol tartalom -16-
Alapanyag Alkohol 100g szőlőcukorból 59-61 cm 3 100g nád- vagy malátacukorból 59-63cm 3 100g keményítőből 60-66 cm 3 7. sz. ábra Bioalkohol előállítás technológiája 3. Biobrikett A biomassza, mint energiaforrás régen jelentős helyet foglalt el, mert a kisparaszti gazdaságok törekedtek a biomassza teljes körű hasznosítására: - eltüzelték, - építőanyagként felhasználták, - takarmányozták. 3.1. A biobrikett - gyártás technológiái A biobrikett pl. gabonaszalmából, készül nagy nyomású préselési technika segítségével. Nem tartalmaz semmi féle kötőanyagot, így ez teljesen környezetbarát. A brikettgyártás alapvetően két technológiában folytatható. Ezek beruházási- és üzemeltetési költségei alapvetően eltérnek egymástól. -17-
A brikett előállítható: - a már szárított faanyagot feldolgozó üzemek por- és finomforgács hulladékaiból, szalmaőrleményből, - az elsőleges fafeldolgozás változó nedvességtartalmú, aprítást, szárítást, osztályozást és technológiai anyagmozgatást igénylő fűrészpor- fa- és kéreghulladékaiból, mezőgazdasági melléktermékekből, termesztett energianövényekből. Dolgozatom készítésekor egy kecskeméti vállalkozó 2009. őszén indult brikettáló üzemében tanulmányoztam a gyártás technológiáját. Az üzemben különböző szármaradványokból, elsősorban gabonaszalmából készítenek szalma brikettet. A szalma a szemes terményükért termesztett növények cséplése után visszamaradó szár, és szárrészek gyűjtőneve. Szűkebb értelemben csak a gabonafélék szárára vonatkoztatják. Energetikai célú felhasználása során a növényi szárban felhalmozódott magas energiatartalom felszabadulás a keményfával közel megegyező hőmennyiséget biztosít a fűtőberendezés számára. Az optimális hő leadása azonban megfelelő tüzelési technika alkalmazása mellett érvényesül. Előnyei: - bármilyen hagyományos tüzelőberendezésben felhasználható, - kellemes hőérzetet biztosít, - tiszta környezet, - könnyű kezelhetőség, - kis helyigény, - jó árérték arány: 2 kg szalma brikett 100 Ft, ami közel 1m 3 gáz hőenergiáját állítja elő, - megújuló energia, -18-
- magas fűtőérték (15-17MJ/kg) nedvességtartalma kicsi, kb. 7-8%, ezért nagyon jó hatásfokkal ég, - nem károsítja a kéményt és a fűtőberendezést, - hamutartalma is rendkívül kicsi, 1-2%, ami növényi tápanyagként kiskertekben hasznosítható, - pontosan mérhető, számolható, felhasználásra kész állapotban kerül megvásárlásra, - jól mutat a kandalló mellett és nem hagy maga után piszkot, - halmazsűrűsége: kb. 400kg/m 3, - egyenletes gyenge lánggal ég, ezért hosszantartó, szinte tökéletes fűtést biztosít, - a magas fűtőérték (8. ábra) a szalma brikett formájának köszönhető, mert a tömörítés miatt a reakcióra képes felület lényegesen lecsökken, így az égés lassabban és tökéletesebben megy végbe, ugyanakkor a magas fűtőértékéért a gabonaszalma nagy mennyiségű illóanyag alkotói is felelősek, melyek az égés során 250-300 C o hőmérséklet leadása mellett szabadulnak fel. 8.ábra A különböző tüzelőanyagok fűtőértékei BiTüzelőanyag megnevezése Fűtőértéke (MJ) 1 kg barnaszén - barnaszénbrikett 18-24 1 kg biobrikett (szalmából, nádból) 16-18 1 kg földgáz 36 1 kg légszáraz tűzifa 14-17 1 kg vastag fenyő 12-14 1 kg nyers tűzifa (nedves) 8 1 liter fűtőolaj 40-43 1 kg propán 46,3 1 kg bután 45,7 1 kg papír brikett 10-12 1 kwh villanyáram A továbbiakban, az üzemben alkalmazott technológiát kívánom bemutatni. -19-
3.2. A szalma brikett-gyártás technológiája A brikett alapanyaga a gabona szalma. Cseh gyártmányú brikettáló gépeket alkalmaznak. Az alapanyaggal szemben támasztott követelmények: nedvességtartalmának 10 14 % alatt kell lennie, a leggyakoribb frakció mérete 0, 5 1, 5 mm között kell, hogy legyen, 6 mm nél nagyobb méretű az anyagnak csak 10 15%-a lehet. A bálázott szalmát a felvásárlás után száraz helyen tárolják a felhasználásig (9.sz. ábra). 9. ábra: A betárolt szalmabálák A gyártás alapelve: az alapanyagot aprítógépekkel kis méretre (1-5 mm) felaprítják, a tömörítést megfelelő gépek felhasználásával és 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, az alapanyag térfogata jelentősen csökken (ezt jellemzi a tömörítési viszonyszám 1:12) a térfogati sűrűség jelentősen nő, az alapanyag a kívánt idomú briketté alakul. -20-
Az aprítást kalapácsos darálóval végzik, a várhatóan feldolgozásra kerülő napi mennyiséget egyszerre darálják le, nagy tartályokban tárolják, hogy a folyamatos üzem biztosítható legyen (10. sz. ábra). A szalma brikett előállítása nyomócsigás préssel történik. 10. sz. ábra Tároló tartályok A nyomó-csigás megoldásnál a nagy préserők miatt nagy súrlódások lépnek fel az anyagrészek között, és a brikett-csiga kapcsolatban, ezért kívánatos a préserők csökkentése. Ehhez a présfejet fűtik, aminek hatására az alapanyag felmelegszik. A hevítés hatására a lignin és a cellulóz lágyul, pirolízises folyamat indul meg, amelynek hatására különböző vegyi folyamatok kezdődnek, melyek növelik a brikett tömörségét. 11. ábra: A présfej -21-
Nyomócsigás présgépekkel végzett brikettálásnál a csiga folyamatos előtolással hozza létre a kompressziót és a kitolást. A csiga egy- vagy több-bekezdésű. A nyomócsiga végén csapágyazási lehetőség nincs, a préselés közben pedig oldalirányú erők is fellépnek, ezért a csigavégen egy kúpos csapot alakítanak ki. Ez a csap mélyen benyúlik a préscsatornába, ahol a csatornaszelvény csökkentésével nagyobb kereszt-irányú tömörítést tesz lehetővé, egyben a brikettben, mint siklócsapágyazásban megtámaszkodva az oldalirányú terheléseket is felveszi. 12. ábra: A présfej és a vezető sín működés közben A vezető sínen haladva biztosított a brikett hűtése. A csigacsap jelenléte miatt az előállított brikett a csapátmérőnek megfelelő üreggel készül (13. sz. ábra). -22-
13. ábra: Az elkészült szalma brikett Az előállított szalma brikettek 10-30 cm hosszúak és kb.50 mm átmérőjű tömör, henger formájúak. A legnagyobb szalmabálából (kb. 2500 kg) körülbelül 10 zsák (kb. 20 kg/zsák) szalma brikettet tudnak elő állítani. -23-
4. Következtetések A környezet degradációja arra vezethető vissza, hogy az emberiség a növekvő igényeit próbálja kielégíteni, és rövidtávon akar jelentős vagyonra szert tenni. A természet és a társadalom kapcsolatának el kell jutnia egy olyan szintre, hogy a nem megújuló természeti kincseink helyett a megújuló energiaforrásainkat racionálisan (gazdaságosan és takarékosan) használjuk fel, és ne, vagy minél kevesebb hulladékot termeljünk. A növény energiatartalma a napenergiából származik. A növényt alkotó szervesanyag (lignocellulóz) fotoszintézis során jön létre. A fotoszintézisben a növények a sejtekben jelen levő klorofillal, és a napenergia felhasználásával a levélzet által a levegőből felvett CO 2 -ból, valamint a talajból a növény egyéb részei által felvett és szállított vízből nagy molekulájú szénhidrogén-vegyületeket állítanak elő, melyek a kialakulásukhoz felhasznált napenergiát kémiai energia formájában kötik meg, azaz a beérkező napsugárzás energiája biokémiai folyamatok során (fotoszintézissel) tárolódik a növényekben (elsőleges biomassza). A folyamatok eredményeként nem csak biomassza jön létre, hanem O 2 is felszabadul. Ez azt jelenti, hogy létrejöttekor többlet oxigén szabadul fel, ami rövidtávon a légkör minőségének javítását eredményezi, és az élővilág oxigénigényének kielégítéséhez járul hozzá. Később, amikor a biomassza energetikai hasznosítása (égetés, táplálkozás) folyik, az égést táplálja. Így valósulhat meg - a fosszilis energiahordozókkal szemben - a CO 2 semleges energiatermelés. A megújuló energiaforrásokra, és ezen belül a biomassza fokozott alkalmazására nem csak a fenntartható fejlődés miatt van szükségünk, hanem nemzetközi vállalásaink is erre köteleznek. A mezőgazdasági tevékenységek során keletkezett szerves hulladékok és melléktermékek hasznosításának egyik lehetősége a szilárd tüzelőanyag előállítása, mely lehetővé teszi azok környezetbarát felhasználását. -24-