Hústermelés zöld energiával! Alternatív lehetőség a mezőgazdasági állattartás önfenntartó energiaellátására 1
1 Előzmény. Az állattartó mezőgazdasági üzemekben keletkezett hulladék és trágya környezeti ártalmatlanítására megfelelő megoldást biztosítanak a különböző technológiákra épülő biogáz üzemek. Az üzemek további előnye, hogy a keletkezett biogáz felhasználásával nemcsak az üzem működéséhez szükséges energiák biztosíthatók, hanem komoly energia felesleg is keletkezik. A jelenlegi rendszereknél a technológiát oly módon próbálják összehangolni, hogy a keletkezett energiafelesleg hordozója a közvetlen környezetben fellelhető fogyasztói igényekhez igazodjon és így értékesíthető legyen. Az értékesítés leggyakoribb formája a biogáz villamos energiává alakítása egy gázmotor hajtotta generátor segítségével és a keletkezett villamos energia feltáplálása a területileg illetékes áramszolgáltató hálózatára. A módszer előnye, hogy a villamos hálózat egyben puffertárolóként is szolgál az üzem részére, így abból mindig annyit vételezhet, amennyi energiára adott időpontban szüksége van. Evvel biztosítható az üzem folyamatos stabil működése! A módszer hátránya, hogy sokszor nem áll rendelkezésre olyan kiépítettségű hálózat, mely képes lenne fogadni a megtermelt energia mennyiséget. Sok esetben éppen az energia nem értékesíthetősége az oka, hogy egy üzem nem valósul meg! Hisz, a bevétel fedezné az üzem alapanyag igényéhez szükséges inputanyagot előállító állatok tartásához szükséges egyéb energia költséget! Valamint hozzásegítene a gazdaságosabb állattartáshoz. Ez pedig egy piacképesebb termék előállítást eredményezhetne! 2
2 A projekt célja Nevezett projekt célja, bemutatni egy a valóságban is létrehozandó olyan húsmarha tartást, mely minden vonatkozásban független minden energiaszolgáltatótól. Az üzem önmagában képes megoldani az állattartásból keletkezett hulladék ártalmatlanítását. Biztosítani tudja egy modern nagyüzemi állattartás működéséhez szükséges energia mennyiséget. Továbbá biztosítani tudja igény esetén, az állatok feldolgozásához szükséges un. mobil vágóhíd üzemeltetéséhez szükséges energiát. Egy ilyen módon modernizált mezőgazdasági üzem a neveléstől a piac kész feldolgozott húsig egymagában lefedi az eddig megszokott többlépcsős folyamatot. Kiiktatja az állatszállítást, ami az állatokra ható stressz miatt bizonyíthatóan rontja a hús minőségét. Csökkennek a szállítási költségek, így áttételesen ez is hozzájárul a termelés gazdaságosságához. A feldolgozásból keletkezett állati hulladék felhasználható inputanyagként az üzem energia ellátásához. 3 A projekt megvalósításához szükséges kutatások, fejlesztések, beruházások. - Az üzem energiaigényének ellátása a hálózattól független formában a lentebb vázolt technológia alkalmazásán keresztül. - Egy olyan biogáz üzem megépítése, amely ezen energia mennyiséget elő tudja állítani. - A keletkezett hulladékból előállítandó energia feletti energiaigény lefedésére egyéb, a telep lehetőségeinek legjobban megfelelő megújuló energia alternatíva kiválasztása. - A rendelkezésre álló energiahordozó, inputanyagok pontos felmérése és annak megállapítása, hogy a 3
szükséges energiaigény milyen és mekkora mennyiségű egyéb inputanyagot igényelne ahhoz, hogy a technológia működőképes egyensúlyba kerüljön. - Olyan növényi inputanyagok felkutatása, melyek további feldolgozással, vagy anélkül,továbbértékesíthetők, vagy feldolgozhatóak egyéb célokra, és a termesztésükből keletkezett hulladék alkalmas biogáz előállításra. - Vagy alkalmas helybeni takarmányozásra és így áttételesen növeli az inputanyagok mennyiségét - Olyan tenyészállat fajta kiválasztása, mely legjobban alkalmas a mobil vágóhídon történő feldolgozásra úgy, hogy egyben az EU-s előírásoknak is messzemenőkig megfelel. 4 Az alkalmazni kívánt technológiák. 4.1 Biogáz termelés Az állattartó telepeken felhalmozódó trágyából általánosságban mezofil fermentációval nyerhető ki a szükséges metán. A mezofil technológia előnye a termofil technológiával szemben a kisebb hőigény és a stabilabb, jobban kezelhető biológia. Hagyományos Biogáz üzem elrendezése A mezofil technológiához szükséges hőmennyiség a megtermelt metán egy részének, vagy egészének valamilyen formában történő hővé alakításával érhető el. Jelen leírásban 4
nem térünk ki a fermentációhoz szükséges fermentorok, adagolók, keverők, gáztárolók részletes bemutatására, mivel ebben a projektben nem a biogáz előállításának módját kívánjuk megváltoztatni. Az alkalmazni kívánt biogáz előállítási technológia egy a már évtizedek óta bevált, trágyafeldolgozásra és egyéb mezőgazdasági hulladék inputanyagra épülő biogáz üzem. Mely általánosságban a következőket tartalmazza: - aprító és adagoló berendezés az almos trágya és egyébszálas, növényi eredetű inputanyag továbbítására a bioreaktorba. - 100-200 m 3 térfogatú vasbeton tartály keverőberendezéssel a folyékony alapanyagok tárolására, a telephelyen keletkezett hígtrágya és egyéb folyékony halmazállapotú anyagok tárolása is megtörténhet itt. - 2.000-2.500 m 3 névleges térfogatú, állóhengeres, monolit vasbeton szerkezetű, fermentor (bioreaktor) gázkupolával, hőszigeteléssel, fűtéssel, szivattyúval és keverő berendezéssel. - 4.000-5.000 m 3 térfogatú, állóhengeres, monolit vasbeton szerkezetű, gázkupolával ellátott fermentációs maradék tároló, szivattyúval és keverő berendezéssel. A projektben a biogáz üzem, csak, mint az önfenntartáshoz szükséges komplex technológia egyik, a gázelőállításért felelős része. 5
4.2 Hő és villany termelés 4.2.a Az eddigi gyakorlat A fermentációból keletkezett metánt az eddigi gyakorlat szerint egy belsőégésű motorban un. gázmotorban eltüzelik. A motor egy generátort hajt. Az így előállított elektromos áram fedezi az üzem működéséhez szükséges villamos áramot. A motor üzeméből keletkezett hő a fermentáció hőigényét fedezi. Az eddigi gyakorlat szerint a gázmotor teljesítményét úgy választották meg, hogy lehetőleg minél nagyobb mennyiségben lehessen elektromos áramot a piacon értékesíteni. Általánosságban elmondható, hogy a megtermelt hő, illetve villany aránya 55/45%. Mivel a hőkicsatolás részben a motor hűtéséből, részben a füstgázokból kinyert hőből tevődik össze, és a füstgázokból nyert hő részben, vagy egészben kizárható ebből, így a technológiai hőigény szabályozható úgy, hogy közben a villamos termelés továbbra is maximális! Fordított esetben ez nem igaz! Amennyiben a villamos fogyasztást kell csökkentenünk, -az átvevő korlátozza a feltáplálást, nincs csatlakozási lehetőség, stb- a generátor teljesítményét csökkentjük, így áttételesen a gázmotor teljesítményét, ami automatikusan kevesebb hőtermeléssel jár! Amennyiben a technológia alapból nem igényli a teljes rendelkezésre álló hőmennyiséget, akkor bizonyos szintig ez megoldható, de ebben az esetben a drágán megtermelt gázunk egy részét dobjuk ki. Összességében kijelenthető, hogy ebben a rendszerben a 2 energiafajta mennyisége nagyban függ egymástól. Nem megoldható, hogy bármelyiket a másiktól függetlenül megváltoztassuk. Amennyiben az üzem nagy áramfogyasztóinak üzeme éppen nem szükséges és az áramfogyasztás egy minimális szintre áll be, a hőtermelés is lecsökken. 6
4.2.b A hálózatfüggőség feloldása Abban az esetben, ha nincs lehetőségünk a villamos energia eladására, és a valós fogyasztó, csak a mezőgazdasági, illetve a biogáz üzem és az azt közvetlen kiszolgáló periféria, akkor a technológiai hő megtermeléséhez szükséges gázmotorüzem tekintélyes felesleges villamos energiát termel. Nagyvonalakban kijelenthető, hogy egy biogáz üzem hőigényét kielégítő gázmotor által megtermelt villamos energia mennyiség 20-25%-a szükséges az üzem önfogyasztásának fedezésére. 7
Így könnyen belátható, hogy egy ilyen technológiára épített üzem hálózat független üzemeltetése nem megoldható azon egyszerű okból, hogy merő energiapazarlás! Amennyiben a pazarlás helyett a teljesítménycsökkentést választjuk, akkor számolnunk kell avval, hogy a biogáz üzem hőigényét nem fogjuk tudni pótolni, mivel, mint az előbbiekben az már említésre került, a villamos teljesítmény csökkentése automatikusan magával vonja a hőtermelés csökkenését is. A fenten vázolt probléma megoldására kínálkozik egy olyan lehetőség, melynek lényege az, hogy a kétféle energiaigényt nem komplexen, hanem külön-külön kezeljük! Az egyik lehetséges megoldás, hogy a rendelkezésre álló input anyagokból megállapítjuk, mennyi energia áll rendelkezésünkre. Általánosságban elmondható, hogy egy állattartásra berendezett mezőgazdasági üzem által megtermelt, fermentálásra és ezen keresztül gáztermelésre alkalmas anyagok mennyisége fedezi egy ilyem üzem teljes energiaszükségletét. Kiegészítve avval a lehetőséggel, hogy a közelben gazdálkodó, más, kisebb hasonló jellegű üzemek által produkált inputanyagok is felhasználhatók egy ilyen erőműben. Itt elsősorban olyan mezőgazdasági kisüzemek jöhetnek szóba, melyek önállóan nem tudnának egy ilyen méretű üzemet kiszolgálni inputanyaggal. Így az általuk megtermelt hulladék ártalmatlanítására jó lehetőség egy közeli biogáz üzembe való beszállítás lehetősége. Gazdaságilag előnyösebb lehetőség, mint a törvényileg előírt fél éves tárolási ciklus betartásához építendő tároló kapacitás megteremtése. A rendelkezésre álló energia nagyságának meghatározása után el kell végezni egy összesítést arra vonatkozólag, hogy a teljes komplexumnak mekkora lesz a csúcs áramfelvétele. Itt mindenképpen komoly tervezést kell végezni, hogy a nem folyamatosan üzemelő berendezések üzemidejét, üzemi időpontját úgy határozzuk meg, amennyiben ez lehetséges, hogy lehetőleg minél kiegyensúlyozottabb áramfogyasztást kapjunk és a drasztikus áramcsúcsok elkerülhetők legyenek. 8
Az eredményben érdemes figyelembe venni, olyan, még nem megépített fogyasztókat is, melyek a közeljövőben kerülnének beüzemelésre. 4.2.c A szükséges villamos teljesítmény A kapott eredmény alapján meghatározható a beépítésre szánt generátor villamos teljesítménye! A piacon jelenleg több gyártó is kínál jól bevált üzembiztos berendezéseket. Ha egy gyártó önmagában nem is, de több együttesen lefedi a teljes szóba vehető teljesítmény palettát. 250kW generátor teljesítménytől egészen 1.500kWe-ig jól alkalmazhatóak a Jenbacher által forgalmazott JMS sorozatú gázmotorok. A jelenlegi projektben az előzetes kalkulációk alapján ekkora villamos teljesítményre nem lesz szükség. Így itt a MAN által gyártott 40-250kWe teljesítményű gázmotor jöhetnek szóba, mivel ebben a teljesítmény szegmensben ez a márka az egyik piacvezető. Az így meghatározott generátor teljesítmény független az üzem hőigényétől. A generátor teljesítményét közvetlen az üzem áramfelvétele határozza meg. A gázmotor üzeméből keletkezet hő nem fedezi a biogáz üzem biológiájának hőigényét. Így összességében az mindig 100%-ig felhasználható a fermentorok fűtésére. Evvel biztosítható, hogy a gázmotor által megtermelt mindkét energiaforma folyamatosan felhasználásra kerül! A kalkulációnál figyelembe kell venni, hogy lehetséges e olyan szituáció, amikor az általános fogyasztás tervezhetően nagyságrendben megváltozhat. A projekt elméleti alapját képező MarhaFarm például havi ciklusokban üzemeltetné a mobil vágóhidat. Ez azt jelenti, hogy a vágóhíd havonta csak egy-két napig üzemel maximális energia felvétellel. Ez elérheti, de akár meg is haladhatja azt a teljesítményt, amire a hónap többi napján szüksége van a komplexumnak. Amennyiben felmerülhet az a helyzet, hogy a vágóhít üzemszüneti periódusában a generátor teljesítményének csak a felére, vagy netán kisebb részére van szükség, javasolt a villamos teljesítmény ilyen formában 2db 9
generátorra elosztani. Nem szabad figyelmen kívül hagyni, hogy egy ilyen vágóhíd üzeméhez szükséges plusz energiát a keletkezett állati hulladék fermentációjából fedezni lehet! 4.2.d A szükséges hő energia. A következő feladat a teljes komplexum hőigényének meghatározása. A tenyésztett állatok tartási módjai eltérőek, amiből következik, hogy a tartásukhoz szükséges hő mennyisége sem egyforma. Egy a továbbiakban majd bemutatásra kerülő példaprojekt esetében szereplő húscsirke tartásának körülményei hőigény szempontjából nagyon ideálisak. Az épületek folyamatos szellőztetése történhet hőcserélő rendszereken keresztül, így a kivezetett levegőben lévő hőmennyiség nagy százalékban visszanyerhető és felhasználható a friss levegő előfűtésére. Az így kiépített rendszeren keresztül fordított esetben a levegő hűtése, vagyis a helység klimatizálása is megoldható. A tartás nem igényel túlméretes csarnokokat, így a meglévő épületek külső hőszigetelése sem jelenthet akadályt. Mivel a vázolt tartási mód nem különösebben igényli a mezőgazdasági gépek folyamatos kül- illetve beltér közötti forgalmát, az épület hőn tartása jó hatásfokkal, kisbefektetéssel megoldható. Természetesen van olyan folyamatosan kültéri állattartási forma is, ahol az épületek mindössze az időjárási viszontagságok elleni közvetlen védelemre szolgálnak, azok nem igényelnek semmilyen formájú hő bevitelt vagy elvételt. Az üzem tervezésekor fokozottan figyelembe kell venni azt, hogy az állattartás gazdaságosságát nagyban befolyásolja az állatok komfort érzete. Így az energetikai tervezés folyamán nagy hangsúlyt kell helyezni arra, hogy ezeket a feltételeket a megvalósíthatóságban, amennyiben ezek még nem valósultak meg már korábban, az új rendszer ne korlátozza. 10
Az üzem hő igényének kielégítésére többféle módszer adódik. Ebből a biogáz üzem rész hőigényére mindenképpen célszerű egy a maximális értékre méretezett gázkazán beépítése. A jelenleg beszerezhető kazánok szinte minden teljesítménykategóriában kaphatók. Az újabb kondenzációs kazánok hatásfoka akár a 100%-ot is elérheti, mint pl. a Buderus gyártmányú Logano Plus sorozatú gázkazánok. Üzeme teljesen automatizált és beilleszthető egy az egész üzem vezérlését ellátó vezérlőrendszerbe. Az üzem többi részének hőigényét akár a meglévő helyi gázkazánokkal, akár egy központi hőközpontról melyet szintén a fenti kazán lát el, megoldhatjuk! Mindössze a teljesítmény helyes megválasztása a lényeg! Fontos, hogy a rendelkezésre álló hő nem függ a gázmotor üzemétől. A kazán (-ok) üzeméhez adott helyzetben elég egy szünetmentes tápegység is. Vagy egy kisméretű mobil aggregátor is. Természetesen a gázmotor üzeméből keletkezett hő teljességgel felhasználható marad. Az már egy központi vezérlés feladata, hogy a gázmotorról levett hőt a kazán üzemével kiegészítse a kívánt mennyiségre. De összességében a beépített kazánteljesítménynek önmagában is ki kell tudnia elégíteni a teljes üzem hőigényét! Az üzem hűtési igényeinek kielégítése történhet akár melegvíztámaszú abszorpciós hűtővel vagy akár földszondás hőszivattyúval. Míg az egyik módszerrel a hőigényünknél, a másiknál a villamos energia igényünknél kell komolyabban számolnunk! 11
4.3 Központi vezérlés A biogáz üzemek eddigi gyakorlatától eltérően az üzem központi vezérlését kompletten kell megvalósítani. Nem használható az a megoldás, amikor az üzem és a biogáz üzem vezérlése külön rendszert képez és az adatok, paraméterek összehangolása azok kézi úton történő bevitelével, módosításával történik. Az üzem minden elemének egy egységek kell alkotnia. Az üzem minden részlegének pillanatnyi energia igényét össze kell tudni hangolni. Ellenkező esetben az üzemeltetésben komoly egyensúlyvesztés léphet fel, ami a működés összeomlásához vezethet. Az üzem energetikai működését előre kell tudni tervezni. Ezt legalább 1 biológiai ciklus (35 nap) időtartamára garantálni kell. Evvel garantálható, hogy a tervezett nagyobb, vagy kisebb energiafelhasználásra fel lehet készíteni az üzemet. A nagyobb teljesítményhez igénybe lehet venni a fermentorok gáztároló kupolája mellé különálló un. gázballonok tárolókapacitását. Így minden nehézség nélkül akár annyi gáz is összegyűjthető egy hosszabb időszak alatt, ami lehetőséget biztosítana akár 2 gázmotor (lsd. 3.2.c) maximális teljesítményen való üzemeltetésére rövidtávon anélkül, hogy a biogázüzem alapkapacitását kellene nagyobbra tervezni. A központi vezérlésnek ezen igényeket alapból le kell tudnia vezérelni. A tervezés, kivitelezésbe, be kell vonni olyan nagy gyakorlattal rendelkező szoftverfejlesztőt, akinek komoly gyakorlata van üzemirányítási és vezérlési feladatok számítógépes adoptálásában. 4.4 Gáztárolás Az üzem zökkenőmentes működéséhez feltétlen szükséges a hagyományos biogáz üzemektől eltérő nagyobb gáztározó kapacitás. Ezen üzemeknél a folyamatos, egyenletes üzemhez általában 10-20 órás gázpufferolást alkalmaznak, ami jelen esetben nem elégséges, mivel az üzem részére nem áll rendelkezésre egyéb 12
külső energiaforrás. Célszerű a gázkupolás tárolási rendszert különálló tárolókkal kiegészíteni. 4.5 Mobil vágóhíd A komplett és önálló munkafolyamatok garantálják a magas színvonalú termelést, minimális emberi erőforrás alkalmazásával és a működési költségek maximális ellenőrzésével. KOMPAKT - Korlátozott méretek a rendelkezésre álló tereknek köszönhetően. HORDOZHATÓ - A roll-off kapcsoláson keresztül könnyen mozgatható és bármelyik irányban elhelyezhető. SOKOLDALÚ Speciális felszerelésekkel és jellemzőkkel lehet felruházni a napi használat követelményeinek megfelelően. BIZTONSÁGOS Minden szükséges munkavédelmi berendezéssel fel van szerelve, ami garantálja a kezelők biztonságát és megfelel a higiéniai-egészségügyi szabványoknak. 13