ÚTMUTATÓ BIOGÁZ ÉS BIOMETÁNÜZEMEK KOOPERATÍV ÜZEMELTETÉSÉHEZ KÉSZÍTETTE VIENNA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY (AUSTRIA), Institute of Chemical Engineering Research Division Thermal Process Engineering and Simulation Promotion of bio-methane and its market development through local and regional partnerships A project under the Intelligent Energy Europe programme Szerződés szám: IEE/10/130 Feladat szám: 3.1.2 Elkészítés ideje : 2012 December The sole responsibility for the content of this report lies with the authors. It does not necessarily reflect the opinion of the European Union. Neither the EACI nor the European Commission are responsible for any use that may be made of the information contained therein.
Tartalomjegyzék 1. Bevezetés... 3 2. Mobil biogáz tisztítási megoldások... 6 3. Nyers biogáz szállító vezeték és központosított biometán előállító... 14 4. Együttműködésen alapuló biogáz tisztítási kezdeményezések... 19 TUV Oldal 2
1. Bevezetés A nyers biogáz káros összetevőktől való megtisztítása valamint a biometán előállítás napjainkban már egy széles körben elterjedt gázszeparációs eljárásnak számít. Nagyszámú technológia áll rendelkezésre, amelynek segítségével előállítható a megfelelő minőségű biometán gáz, földgázhálózatba történő betápláláshoz és/vagy alternatív üzemanyagként való hasznosításhoz. Műszaki színvonalukat tekintve már megfelelően kidolgozottnak és gazdaságilag rentábilisnak számítanak ezen eljárások, ettől függetlenül jelenleg is kutatás-fejlesztési munkák sokasága irányul a biometán termelés további fejlesztési lehetőségeinek feltárására. A jelenleg is alkalmazott eljárásoknak több előnye és hátránya is létezik, amelyek közül a gazdaságilag optimális változat kiválasztása nem teljesen egyértelmű minden üzem vonatkozásában. A tématerületet érintő tudástranszfer elősegítése érdekében számos program valamint tanulmány készült el az IEE Biomethane Regions pályázaton belül. Ezek közül két jelentős anyagokat külön ki kell emelni:,a biometán előállítási technológiákat és az ún.,,biometán Kalkulátor-t. Jelen dokumentum célja az ezen anyagokban fellelhető információk, adatok minél szélesebb körben való elterjesztése és egyfajta útmutató adása, a biogáz és biometán üzemek lehetséges együttműködési megoldásaira. Mint minden technológiánál, a biogáz tisztítás esetén is lényeges eltérések tapasztalhatók az üzemek teljesítményében a termelt gáz fajlagos költségét figyelembe véve. Ennek eredményeként az 1 m 3 -re eső biometán előállítási költsége szignifikánsan növeli az összes biogáztisztítási technológia árát azon üzemeknél, ahol 70m 3 /h vagy annál kevesebb nyers (tisztítatlan) biogázt állítanak elő. Összességében elmondható, túlzottan kis üzemmérettel nehézkesen vagy sehogy sem érhető el gazdaságos üzemmenet. Az 1. ábrán látható néhány biogáz tisztítási technológia összehasonlítása, feltételezve egy átlagos nyers biogáz összetételt (végcél a földgázhálózatba történő betáplálás). A nyers biogáz előállítás költsége nem került figyelembe vételre, a grafikon elkészítéséhez szükséges kalkulációban. A számításokhoz felhasznált adatok a projekt keretein belül elkészített,,biometán Kalkulátorból kerültek kinyerésre. TUV Oldal 3
overall specific costs of biomethane production [ ct/m³ biomethane] 300 250 200 150 100 50 0 Gaspermeation PSA Amine scrubbing 0 50 100 150 200 250 raw biogas capacity [m³/h] 1. ábra.: Gazdaságosság - a biometán előállítás összesített fajlagos költsége, a nyers biogáz előállítás függvényében különböző gáztisztítási technológiáknál Az ábrán szereplő abszolút számoktól elvonatkoztatva, nyilvánvaló a kisebb biogáz üzemek nem képesek megfelelő gazdaságossággal üzemeltetni egy biogáz tisztító egységet. Mint láthatjuk számos hasonló üzemmérettel vagy kisebbel rendelkező üzem létezik, így felmerül a kérdés a közös biometán előállítás érdekében történő szövetkezés, lehetővé teszi-e a gazdaságos üzemet? Több biogázüzem által közösen megtermelt biogáz mennyiség hasznosítása méretgazdaságossági előnyöket realizálhatunk, ami megteremti a lehetőséget a gáztisztítási technológiák szélesebb köréből való választásra. Megjegyezendő továbbá a karbantartási és javítási tevékenységek egy központosítottan működtetett gáztisztító egységnél lényegesen költséghatékonyabb módon kivitelezhetők. Rengeteg eltérő megoldás létezik centralizált biogáz tisztító egységeknél: Egy nagyobb méretű mobil gáztisztító egységet juttatnak el a rendszerben résztvevő biogázüzemekhez, üzemről üzemre szállítva azt. Természetesen rendelkezni kell a megfelelő tárolási kapacitással a nyers biogázhoz az üzemeken belül is valamint mobil tároló rendszerrel is a biometánhoz, sőt ez a megoldás jelentős követelményeket támaszt az alkalmazott logisztikai rendszer irányába is. A biogáz összegyűjtése csővezetéken keresztül történik a decentralizált biogázüzemekből, majd továbbításra kerül a központosított biometán előállító egységhez. Ebben az esetben legalább egy kezdetleges tisztítási eljárást el kell már végezni a biogázüzemeken belül, annak érdekében, hogy megóvjuk a csővezetéket a korróziótól, eltömődéstől és szennyeződésektől. TUV Oldal 4
Harmadik lehetőségként mutatkozik a decentralizált kis méretű biogázüzemeknek egy nagy központosított üzembe történő egyesítése, azonban ezt jelen dokumentum keretein belül nem tárgyaljuk. Gazdaságossági számításokat figyelembe véve került elvetésre, a biogáznak mobil tároló tankba történő bevezetésének lehetősége a decentralizáltan működő üzemek szintjén, majd a tároló egységnek az elszállítása a központosított biogáz tisztító erőműbe. A nyers biogáz magas szén-dioxid tartalma miatt a tárolási nyomás igen korlátozott, annak érdekében, hogy elkerülhető legyen a nem kívánt szén-dioxid kondenzáció. Ennélfogva a szállításhoz szükséges térfogat mérete túlságos nagy. TUV Oldal 5
2. Mobil biogáz tisztítási megoldások Az első lehetőség kisebb biogázüzemek számára, hogy közösen alkalmazzanak egy biogáz tisztítót, így megteremtve va egy hordozható gáz feldolgozó egységet, amelynek segítségével a gázt tovább lehet szállítani egyik üzemtől a másikig. A gáztisztító miután csatlakozott a nyers biogáz tárolóhoz megtörténik a káros, nem kívánt összetevők eltávolítása a biogázból, majd az egység továbbszállításra kerül a sorrendben következő üzemhez. A 2. ábra ismerteti a vázlatos ábrázolását egy mobil biogáz tisztító egységnek, amellyel központosított biometán előállítás a végcél. Az ábrán a decentralizált biogázüzemek saját nyers biogáz tároló tartállyal rendelkeznek, a biogáz tisztító egységet pedig egymás után hozzácsatlakoztatják a rendszerben együttműködő biogázüzemekhez. A hordozható biometán tároló tartály biztosítja a lehetőséget, hogy a termelt gázt el tudják juttatni távolabbi felhasználási helyekre is. Decentralised AD plant raw biogas P-9 raw biogas storage Mobile biogas upgrading plant Mobile biomethane storage Decentralised AD plant raw biogas P-8 raw biogas storage Decentralised AD plant Decentralised AD plant raw biogas raw biogas P-7 raw biogas storage P-10 raw biogas storage Mobile biomethane storage Biomethane utilisation 2. ábra.: Egy lehetséges megoldás a mobil biogáz tisztító alkalmazására centralizált biometán előállításnál, ahol mobil biometán tárolótartályt alkalmaznak; Forrás: Vienna University of Technology Először is egy olyan technológiát kell találni, amely: Önálló, mobil tárolóból áll, kis súllyal, könnyű kezelhetőséggel és kompakt kialakítással bír Képes ellenállni a szállítás során fellépő káros hatásoknak (rázkódás, hőmérséklet) és elbírja a sokszori összeszerelhetőséget Képes a gyors indulás és leállás kivitelezésére. Start/stop funkcióval rendelkezik, emellett nagy hatékonyságú akár alacsony hőmérsékleti viszonyok közt is Költséghatékonyan működtethető Képes megbirkózni különböző nyers biogáz összetételi jellemzőkkel (metán, egyéb szennyezők) TUV Oldal 6
gas analysis electric control cabinet Útmutató biogáz és biometánüzemek kooperatív üzemeltetéséhez Ezen korlátok igen magas igényeket támasztanak, de napjainkban még nem áll rendelkezésre elegendő technológia, amely képes kielégíteni a mobil biogáz tisztító egységgel szemben támasztott előírásokat. Általánosságban a mosáson alapuló tisztítási technológiák eleve kizárhatóak, összetettségük, abszorbens kezelésük és üzemeltetési hőmérsékletük okán. Ugyanez elmondható a kriogén és a biológiai/biokémiai technológiák esetén is. Ennek eredményeképpen műszaki szempontból marad az adszorpció és a membrán technológia. A költségszerkezet és a start/stop képesség végett megállapításra került, hogy a legmegfelelőbb technológia mobil alkalmazások esetén a membrános gáztisztítás (gázpermeáció). Rendkívül költséghatékonynak (különösen kisméretű egységek esetén) és erős felépítésűnek számít ezen módszer. A nem túl komplex kialakításnak köszönhető az egyszerű üzemeltetés, az automatizáció, a nagyfokú robosztusság és üzembiztonság. A szerzők egybehangzó véleménye alapján a gázpermeáció biztosítja a legversenyképesebb mobil gáztisztítási megoldást. Komplett biogáz tisztító egységek léteznek már, melyek képesek magukba foglalni egy 20 láb hosszú konténeren belül a kompresszió, a szárítás, a záró kéntelenítés és a gázpermeációs szén-dioxid eltávolítás folyamatához szükséges eszközöket is ( továbbá a magas nyomású kompressziót). Egy ilyen üzem látható a 3. ábrán. Az üzemet 300m 3 /h nyers biogáz kapacitásra tervezték, amely már viszonylag nagy értéknek számít mobil eszközökhöz. Látható, a berendezés két legjelentősebb részét adja a két lépésből álló gázkompresszió. A teljes súlya a berendezésnek elérheti a 13 tonnát. Hasonló elven működő (bár nem hordozható) üzemek már léteznek Ausztriában és Németországban is. 20-foot standard-container (6058mm) Horizontal projection: membrane modules H 2 S-adsorption refrigerate drying 2438mm filter high pressure compressor upgrading compressor high-pressure biomethane outlet raw biogas inlet offgas outlet cooling 3. ábra.: A 300 m 3 /h nyers biogáz teljesítményű mobil biogáz tisztító egység vázlatos képe, az alkalmazott gázpermeációs technológia egy 20 láb hosszúságú szabványos tartályba került beszerelésre; Forrás: Vienna University of Technology TUV Oldal 7
A bemutatott egyszerűsített rajza az üzemnek figyelmen kívül hagyja, a maradékgáz (offgas) metántartalmának hasznosítási lehetőségét. Jellemzően az alacsony fűtőértékű égetést vagy a katalitikus oxidációt alkalmazzák, a metán visszanyerésétől függően a biometán egységben a hasznosításra. 4.ábra: Alacsony nyomású gáztároló rendszer: ballon tipusú gáz tárolás (felső sor balra); Párna típusú gáz tároló (felső sor jobbra); fermentor tetőn lévő membrános gáz tároló (also sor balra); külső dupla membrános tároló rendszer (also sor jobbra) Forrás: Sattler AG és Panaqua AG Szakaszosan működtetett biogáz tisztító egység esetén, egy alacsony kapacitással működő biogázüzemben szükséges a nyers biogáz számára egy tároló tartályt rendszeresíteni. A együttműködő biogázüzemektől és a biogáz tisztító egység nagyságától függően meg kell határozni az optimális tároló tartály nagyságát. A tároló tartály üzemeltethető alacsony vagy emelkedett nyomásszint mellett ezzel elősegítve a tárolási térfogat változtatását. A nyers biogáz tárolása magas nyomásszint mellett nem javasolt, mivel a szén-dioxid már közepes nyomásszint mellett is elkezd kondenzálódni. A kapott kétfázisú keveréknek igen hátrányos következményei lehetnek mindenfajta tárolási megoldás esetén. Akárhogy is az alacsony nyomásszint gazdaságilag kedvezőbb közepes nyomású rendszer felett. Néhány kereskedelmi forgalomban már kapható nyers biogáz tárolására alkalmas rendszer látható a 4. és 5. ábrákon. A megtermelt, tisztítatlan biogáz tárolása alacsony nyomásszint mellett igen általánosnak számít és számos üzem példáját figyelembe véve nem okoz alapvető problémát. Mindazonáltal a szükséges térfogat, amely nélkülözhetetlen egy mobil, szakaszos működésű tisztító egységhez sokkalta nagyobb. TUV Oldal 8
5. ábra: Nyers biogáz tároló rendszer emelt szintű nyomásszint mellett: gáz tároló tartály (balra); kompressziós és tágulási egység (jobbra); Forrás: Panaqua AG A biogáz tárolás költsége igen széles tartományban változhat még hasonló koncepciók esetén is. Az alacsony nyomású tároló rendszerek ára 20 /m³ -től (egyszerű párna típusú tároló rendszerek - BAUR GmbH) kezdődően felmehet akár 180 /m³-es (ballon és párna típusú rendszerekig - LIPP GmbH, MUCHE GmbH, ENTEC BIOGAS GmbH és AAT GmbH )szintre is. A tárolási kapacitás 500 és 2000 m 3 között változik általánosságban. A fermentor vagy a kierjedt anyag tároló tetején található membrános gáztároló 25 -től 55 /m³ -es árszintig változhat adott régión belül is (BAUR GmbH). A magas nyomású tárolókról elmondható (50.000-250.000 m³stp), sokkal nagyobb méretűek, ami jelentősen megnöveli a beruházási költségeket. A kiszámított fajlagos költségek 25-35 /m³stp között változhatnak. Az általános megvalósíthatóság kérdését jelentősen befolyásolja a nyers biogáz tárolásának költsége. Olyan esetekben, amikor a biometán előállítás és hasznosítás helye nem egy és ugyanaz, szükség van egy tároló tank alkalmazására. A tároló rendszernek mobilisnek kell lennie a gyakori szállítás végett. A hasznosítás helye lehet egy földgázhálózati csatlakozási pont, ahová betáplálásra kerül a termelt biometán. Másik lehetőséget jelentheti egy tankoló állomás, ahol (bio-) CNG (sűrített-földgáz) üzemű gépjárművek tankolását az előállított biometánnal végzik el. Annak érdekében, hogy gyors, hatékony és egyszerű legyen a megtermelt biometán logisztikája, a mobil tároló rendszer kialakítását alkalmassá kell tenni a gyors ki és betárolásra egyaránt. Jó néhány kereskedelmi forgalomban kapható rendszer létezik már, amely képes túlnyomásos gáztartályok szállítását megfelelő módon kezelni. 6. ábra bemutat egy lehetséges példát, a Wab-rendszert, amelyet flexibilis karosszéria kialakításokhoz terveztek. Ezen rendszerek viszonylag olcsók és széleskörűen alkalmazhatóak. TUV Oldal 9
6. ábra.: Nyomás alatt lévő gáztartályok szállítási rendszere WAB rendszer: gázszállító teherautó 150 palack egyenként 80 literes térfogat, 220 bar nyomás mellett (balra); csere pótkocsi rendszer (középen); könnyű tehergépjármű csere pótkocsival (jobbra) Forrás: Güssing Energy Technologies GmbH, Schoon Fahrzeugsysteme 7. ábra: Nyomás alatt lévő gázszállító rendszer Galileo rendszer virtuális csővezeték ; Forrás: Galileo SA Valószínűleg az egyik legkiforrottabb jelenleg rendelkezésre álló technológia a GALILEO SA vállalaté, akik jól ismertnek számítanak a gáz, CNG és az olaj piacon is. Az általuk forgalmazott rendszer elnevezése virtuális csővezeték, melynek kereskedelmi forgalomba történő bevezetése 1999.-ben történt meg. Kezdetekben ezt a fosszilis földgázellátástól távol eső területeknél, vagy ott alkalmazták, ahol a földgázhálózat még nem került kiépítésre. A 7. ábrán látható ábrák ismertetik a betöltő és kitároló egységeket. Egy ilyen modul 1.500 m³stp gázt képes elraktározni. A Galileo rendszere tökéletesen kielégíti a flexibilitás és a könnyű kezelhetőség kritériumait, amely széles körben alkalmazható biometán előállító üzemeknél. A modern logisztika az egyik kulcsa a mobil biogáz rendszerek sikeres üzemeltetésének. Egy egyszerű és szabványos szállítási tároló rendszer alkalmazásakor döntő jelentőséggel bír a térfogat, a nyomás, a szállítás gyakorisága és a biometán tároló tank. Ezen paramétereket az összes új üzem esetén szükséges optimális szintre hozni, ahhoz hogy elérhessük a maximális hatékonyságot és a kedvező gazdaságosságot is. Mivel a naponta felmerülő szállítási idő viszonylag alacsony, ajánlatos lehet a tevékenységet egy külső szállítási cég számára átadni. TUV Oldal 10
A nyomás alatti tartályok közúton történő szállításakor mindenkor figyelembe kell venni az adott országban, ill. területen hatályban lévő jogszabályokat és előírásokat. A jogalkotástól függően ezen feltételek magukba foglalhatják a szállító járművekre vonatkozó kezdeti tipizálást az ADR-t (Veszélyes Áruk Nemzetközi Közúti Szállításáról szóló Európai Megállapodás), időszakos felülvizsgálatát a jármű rendszereknek és az éves meghosszabbítását az ADR-nek, a gáz tartályok és csővezetékek ellenőrző és tanúsító vizsgálatának (pl. TUV) valamint az ADR szerinti, a járművek vezetőinek képzését és minősítését. Következtetés: A legversenyképesebb mobil biogáz tisztító egység kiválasztásakor mindenkor figyelembe kell venni a helyi környezet jellemzőit. Különösképpen ügyelni szükséges a rendszerben működő biogáz egységek teljesítmény szintjére, a termelési menetrendre, a központi biometán egység és az egyes biogázüzemek közötti távolságra. Ezt követően javasolt elvégezni egy széles körű műszaki-gazdasági elemzést, az egyes szóba jöhető változatok értékelése végett. Számítási példa: Az általunk fejlesztett biometán kalkulátor alkalmazhatóságának szemléltetésére négy kis méretű biogázüzemre vonatkozó számpéldát ismertetünk melyek a közösen megtermelt biogázt alakítják át biometánná. Esetünkben a négy különböző decentralizált biogázüzem esetén ugyanazon technológiával felszerelt biogáz tisztító egységeket hasonlítunk össze. Tételezzük fel, hogy a földgázhálózatba szeretnénk betáplálni a megtermelt gázt, de nincsen betáplálási pont a gázvezeték közelében. Ennélfogva a megtermelt biometánt szükséges a szállításhoz 220 bar értékűre kompresszálni. Ennek meg kell történnie a négy decentralizált és a mobil gáztisztító egységnél is. Mindkét esetben a számítási metódusba belekalkuláltuk a nagy nyomású kompressziót, azonban nem vettük figyelembe a magas nyomáson történő tárolást, szállítást és a gázhálózatba történő betáplálást sem. Minden a nyers biogáz termeléshez kapcsolódó költséget figyelmen kívül hagytunk, mivel ezek nem befolyásolják az összehasonlítást a két változat között. Elvégeztünk egy rövid tárolási térfogat optimalizálást és elkészítettünk egy használható munka ütemtervet (a nyers biogáz tárolás költségét 50 /m³-es áron határoztuk meg). Az 1 számú táblázat tartalmazza a számítási példa peremfeltételeit. Az optimalizálási folyamat első lépése a tároló tartály nagyságának meghatározása, amelynek célja a minimális beruházási költség elérése. 1. táblázat: Szövetkezeti biogáz tisztítók számítási példájának peremfeltételei Szövetkezeti biogáz tisztító kezdeményezések A üzem B üzem C üzem D üzem Nyers biogáz teljesítmény [m³/h] 50 80 30 50 Nyers biogáz tárolási idő [h] 41 38 43 41 Nyers biogáz tárolási nagyság [m³] 2050 3040 1290 2050 A négy biogázüzem által megtermelt 210 m 3 /h biogáz a közepes teljesítményű 300 m 3 /h-ás gázpermeációs gáztisztító egységben kerül tisztításra. A szállítási menetrend úgy kerül összeállításra, hogy minden üzemet 48 órán belül egyszer érintsenek. Az üzemezés példájával együtt, a nyers biogáz tároló tartály szintje is megadásra került a 8. ábrán. A becsült szállítási költség kb. 2,7 /km költségszinten alakul. Az átlagos távolság 50 km az egyes biogázüzemek közt, ami 1 órás szállítási időnek felel meg. Az eszköz beállítási idő meglehetősen óvatos becslésen alapszik, ami azt jelenti, TUV Oldal 11
hogy 1 órát számoltunk az üzemhez történő csatlakozásra és leválasztásra. A tervek szerint éjszakai munkavégzés nem történik. 8. ábra: Ütemterv a biogáz tisztító egységhez, amely 4 kis méretű biogázüzemben megtermelt biogázt hasznosít Nyers biogáz tároló tartály töltöttségi szint; Forrás: Vienna University of Technology A rövid gazdasági elemzést, melyben segítségünkre volt a Biometán Kalkulátor, a 2. táblázat ismerteti. Ismertetésre kerül a beruházási költség, ill. az egyéb éves költségek (15 évre kiterjedő amortizáció összesített költsége, üzemeltetés, szállítás stb.) valamint a fajlagos biometán előállítás költsége is. TUV Oldal 12
2. táblázat: Szövetkezeti keretek közt elvégzett gáztisztítás összehasonlításának eredményei a decentralizált biogáz tisztítási megoldással Szövetkezeti gáztisztítási Gáztisztító egység beruházási költség 1 mobil üzem: 1.292.819 Nyers biogáz tároló beruházási költsége Figyelembe vett teljes beruházási költség Éves szállítási költség Teljes éves költség: beruházási, üzemeltetési és szállítási 4 összesített üzem: 421.500 Decentralizált gáztisztítás 4 összesített üzem: 2.076.574 1.714.319 2.076.574 98.550 /a 496.135 /a 522.695 /a Fajlagos termelési költségek 43,7 ct/m³ biometán 59,2 ct/m³ biometán - Az eredmények azt támasszák alá, hogy szövetkezeti szinten jelentősen alacsonyabb fajlagos költséggel valamint kisebb beruházási és éves költséggel lehet biometán előállítani. Természetesen egy centralizált biogázüzemet (210 m 3 /h nyers biogáz teljesítmény, a 4 kis méretű biogázüzem esetén) egy nem mobil centralizált biogáz tisztító egységet (fajlagos biometán termelés költsége 34,8 ct/m³), összehasonlítva a költségek még mindig jóval magasabb. A tényleges problémát azonban a hozzárendelt időbeosztás adja. A tisztító egység napi kétszeri szállítása eves szinten 730 szállítást jelent, amely erőteljes károsító hatást fejt ki a gépészeti részekre., Ezt figyelembe véve az értékcsökkenés leírásának 15 éves ideje nagyon irreálisnak tűnik. Amennyiben a szállítást minden második napra ütemezzük (ciklusidő 96 óra), akkor a nyers biogáz tároló kapacitás faktora körülbelül 2,87. Ennek eredményeként, a tárolási kapacitás beruházási költsége 421.500 -ról 1.212.000 -ra növekszik továbbá a szövetkezeti biometán előállítás hozzávetőlegesen 67,9 ct/m³ összegre változik. Így elmondható, a szövetkezeti megoldás sokkal kedvezőbb, mint a decentralizált változat. Ismét meg kell állapítani, a gazdasági megvalósíthatóságát ennek a koncepciónak nagyon nehéz pontosan meghatározni ezért széleskörűen megalapozott megvalósíthatósági tanulmányt kell elvégezni a korai szakaszában a projektnek. TUV Oldal 13
3. Nyers biogáz szállító vezeték és központosított biometán előállító Egy másik lehetőséget kínál, hogy megosszák a biogáz tisztító üzemet a számos kisebb biogáz telep között úgy hogy a decentralizált biogáz telepeket és a decentralizált biogáz tisztítókat egy nyers biogáz vezeték-hálózattal kössék össze. A korábbiakban ismertetett lehetőséghez képes mely egy mobil gáztisztító alkalmazása lenne ez a változat lényegesen nagyobb rugalmasságot biztosít a technológia megválasztásában és a tisztító pontos méretezésében. Egyúttal, a nyers biogáz és az előállított gáz számára létesítendő tárolótartályokra így nem lesz szükség. Másik oldalról nézve viszont a vezetékek sokkal költségesebbek nagy távolságok esetén összehasonlítva a közúti közlekedéssel. A csővezeték alkalmazása nem hatékony, amennyiben a távolság túl nagy a decentralizált biogáz erőművek között, vagy a szállítandó nyers biogáz mennyiség csekély (mivel a vezeték fajlagos beruházási költsége csak kis mértékben függ a lefektetett vezeték átmérőjétől). Decentralised AD plant Decentralised AD plant Decentralised AD plant Decentralised AD plant raw biogas raw biogas raw biogas raw biogas P-6 Rudimentary upgrading P-5 Rudimentary upgrading Rudimentary upgrading P-4 Rudimentary upgrading Monitoring Monitoring Monitoring Monitoring compressor compressor compressor compressor raw biogas pipeline Centralised biogas upgrading plant Centralised biogas upgrading plant biomethane biomethane 9. ábra.: Együttműködésen alapuló biometán előállítás vázlata, amely egy nyers biogáz vezeték segítségével gyűjti össze a termelt gázt valamint a központi biogáz tisztító egységben történik meg a biometán előállítás (több biometán előállító egység is elképzelhető); Forrás: Vienna University of Technology A decentralizált biogáz üzemekből nyers biogáz vezeték-hálózaton keresztül ellátott centralizált biometán termelés rendszert a 9. ábra szemlélteti. A koncepció tervezésétől függően, nem csupán egy, de több biogáz tisztító egység is a rendszer részét képezheti. A nyers biogáz hálózatot alacsony üzemi nyomásúra kell tervezni, kb. 200 mbar(g)-2,0 bar(g) közöttire, polietilénből (PE) készítve. 1000m 3 STP/h térfogatáramú nyers biogáz szállítására 15cm belső átmérőjű vezeték javasolt. A számítások szerint a befektetés várható költsége 120-200 EUR között változhat méterenként. Ez az összeg tartalmazza a vezeték lefektetését, TUV Oldal 14
valamint a kompresszor állomást és az ellenőrzést, de természetesen a költségek nagyban függnek a helyi viszonyoktól. A 10. ábra egy biometán vezeték 10 bar(g)-ra szabványosított - kiépítését mutatják be Bruck/Leitha térségében, Ausztriában. 10. ábra: Biometán csővezeték kialakítás alatt Bruck/Leitha-ban (Ausztria); csőcsatlakozás hegesztéssel (jobbra); Source: Vienna University of Technology Meghatározó tényező a nyers biogáz vezeték üzemeltetésénél a betáplált gáz megfelelő kondicionálása, hogy meg tudjuk előzni a vezeték dugulását, vagy károsodását. A legfontosabb teendő a biogáz megfelelő szárítása, hogy elkerüljük a kondenzációt. A folyékony víz jelenléte a vezetékrendszerben egyenes út a vezeték eldugulásához, illetve bizonyos helyeken (ahol fennáll a fagyás veszély) akár a cső repedését is okozhatja,. Egyúttal, mivel a biogáz biológiailag aktív ( mikroorganizmusok, melyek általában a biogáz fermentorban élnek szintén a biogázzal együtt szállítódnak), a folyékony víz pedig alapvetően hozzájárul a mikrobiális telepek képződéséhez, mely megint csak duguláshoz vezethet. A nyers gáz kondicionálásának egy másik fontos része a gáz ammónia tartalmának eltávolítása, ugyanis az ammónia és a folyékony víz elegye korróziós tulajdonságú, mely a fémes és polimer részeket egyaránt károsítja. A nyers gáz kondenzációval történő szárítása a legjobb kondicionáló megoldás, mivel ez egyúttal az ammóniát is eltávolítja a közegből. A nyers biogáz víztartalmának eltávolítására alkalmazható módszerek: gőzkompresszor hűtés, abszorpciós hűtés, szárítás glikol abszorbcióval (triethyleneglycol TEG), adszorciós szárítás szilikával, vagy zeolittal. A hatékony ammónia eltávolítás folyékony vízzel (a hűtéses szárítás szakaszban), illetve aktív szénnel történő abszorpcióval lehetséges. A víz és ammónia tartalomtól eltekintve a nyers biogáz további összetevőket is tartalmazhat, melyet szintén el kell távolítani a földgázhálozatba történő betáplálást megelőzően. Ezen összetevők tartalmazhatnak hidrogén-szulfidot (az ismert biogáz-biometán hálozat tervezetek közül néhány 2000-3000 ppm H 2 S ben határozta meg a gázban lévő határértékét), sziloxánokat, port, vagy illékony szerves összetevőket, úgymint szerves savakat, zsírsavakat, vagy terpéneket. Amennyiben ezen kritikus anyagok jelen vannak a biogázban, a hűtő-szárító lépéseket megfelelő eltávolító technológiával kell kiegészíteni. További információt a Biogázból biometán technológiai áttekintő c. dokumentumban találhatunk. TUV Oldal 15
Végülis, mivel a biogázt a csőhálózaton keresztül szállítják, ezért minden üzemben szükséges a betáplálási pontnál egy nyers biogáz kompresszort üzembehelyezni. Mivel, ahogy már említettük a nyers biogáz vezeték tervezésekor feltételezzük a 200 mbar(g) és 2,0 bar(g) közötti üzemi nyomást, ahol a biogáz előállítása a telepen a jellemző a légköri nyomás alatt történik. Az alkalmazott kompresszorokkal szemben állított követelmények várhatóan nem lesznek túl szigorúak, egy szabványos biogáz kompresszor elegendő lehet. A jellemző kompresszió két lépcsőben történik. Az első kompressziós lépés után elérve a közbeeső nyomást a gáz betáplálásra kerül a fent említett alapfokú biogáz tisztítóba (mivel általában ott legalább egy kis túlnyomás szükséges a legtöbb esetben). A második lépcsőben a biogázt a gázvezeték üzemi nyomására sűríti. Az alacsonyról, közepes nyomásra sűrítő kompresszorok közül várhatóan a következők kerülhetnek alkalmazásra: rotációs kompresszor, oldalsó, vagy laterális csatorna fújó ventilátor, rotációs dugattyús kompresszor, vagy reciprokális dugattyús kompresszor. A gáztisztítási technológia megválasztása valamint a tisztító üzem tervezése és kivitelezése egyaránt sokkal egyszerűbb lesz, mint a mobil tisztító esetében. Méghozzá azért, mert a tisztítóval szemben nem lesznek olyan szigorú elvárások előírva, melyeknek számolnia kell a mobilitás lehetőségével és a szakaszos üzemeltetéssel. Ennek következtében bármelyik modern gáztisztítási technológia alkalmazhatóvá válik, ami nagyobb rugalmasságot biztosít, hogy a helyi energiarendszerhez igazodjon a rendszer. Következtetések: A mobil biometán termelés legversenyképesebb modelljének megtalálásához figyelembe kell vennie a helyi adottságokat, a lehetséges üzemméretet és távolságokat, rendelkezésre álló alapanyagokat a biogáz előállításhoz és a biometán értékesítés piaci lehetőségeit. A mobil megoldáshoz hasonlóan egy általános érvényű szabály adható: minél több a kis méretű biogáz üzem egy adott területen, annál rövidebb szállítási távolsággal lehet kalkulálni. Miután minden lehetséges korlátot és paramétert feltártunk, egy jól megalapozott műszaki-gazdasági elemzése szükséges a lehetséges rendszerkonfigurációknak (például a Biomethane Calculator segítségével), hogy végül a legmegfelelőbb illeszkedő megoldást ki lehessen választani. A megvalósíthatósági vizsgálatok megmutatják, hogy a nyers biogáz-hálózat megoldással sem könnyű elérni egy gazdaságosan működő szövetkezeti biometán termelési koncepciót. Számítási példa: Egy mobil biogáz tisztítóra vonatkozó számítás mellé bemutatunk egy másik példát a nyers biogáz vezeték lehetőségére is, ahol lehetséges hasonló feltételek mellett tesszük ezt meg. Ismételten elemzésre kerülnek a kisméretű decentralizált biogáz üzemek vonatkozásában, az 1. táblázatban már megadott nyers biogáz termelési adatok, azzal a különbséggel, hogy megduplázásra került a figyelembe vett üzemek száma (2 db üzem A, B,C és D típus esetén). A biogázüzemek számának csökkenése a legrosszabb változást eredményezné a szövetkezeti gáztisztítás gazdaságosságának szempontjából. További nyers biogáz tartályok nem kerültek figyelembe vételre, mint a másik esetben. Ez a nyolc decentralizált biogázüzem egy centralizált tisztítóegységgel kerül összeköttetésbe vezetéken keresztül. A centralizált erőmű a csatlakoztatott üzemek össztermelése alapján kerül méretezésre (többlekapacitás nincs). Ezen eset összehasonlításra kerül nyolc, ugyanazon TUV Oldal 16
biogáz tisztító technológiával működő különálló decentralizált biogáz tisztító üzemmel. A megtermelt biometán felhasználási célja a földgázhálózatba történő betáplálás, azonban a betáplálás költségeit nem vesszük figyelembe, annak érdekében hogy csak a gáztisztító méretének és a csővezeték költségének hatását tudjuk elemezni a gazdaságossági számítások elvégzésekor. Természetesen, amennyiben egy minden részletre kiterjedő megvalósíthatósági tanulmány kerül elkészítésre, akkor ezen hatások is figyelembe veendők. Ezen felül minden egyéb költség elhanyagolásra került, amely a biogáz előállításéhoz kapcsolódik, mivel ezek nem befolyásolják a két eset összehasonlítását. A nyolc biogáz üzem által termelt 420 m 3 /h biogázból eltávolítják a nem kívánt összetevőket gázpermeációs technológiával, amit pontosan erre a kapacitásra méreteztek. Minden egyes biogázüzem esetében 130 EUR/m a fajlagos gázvezeték költség, amely magába foglalja az alacsony nyomású kompresszió és alapvető gáztisztítás műveletét, valamint tartalmazza a hűtéssel szárítás és ammónia leválasztás költségeit is. Első számítások alapján 20km-es nyers biogáz csőrendszer kiépítése szükséges. A második esetet taglaló, rövid gazdasági elemzés eredményeit a 3. számú táblázat foglalja össze. Megtalálhatóak a táblázatban a beruházási költségek és az egyéb éves költségek, (a beruházási költségek összege 15 éves értékcsökkenési periódusra vonatkoztatva, üzemeltetés és karbantartás költségei) és a biometán előállítás fajlagos költségei (m 3 ). A 3. táblázat utolsó sorában látható a várható egyszerű megtérülési időtartam, a szövetkezeti biogáz tisztítás vonatkozásában, összehasonlítva azt a decentralizált változattal. 3. táblázat: A szövetkezeti biogáz tisztító egység eredményeinek összehasonlítása a decentralizáltan működő biogáz tisztító egységgel Szövetkezeti biogáz tisztítás Decentralizált gáztisztítás Biogáz tisztító egység beruházási költsége 1 db. üzem: 1.062.390 8 db. üzem: 3.175.786 Nyers biogáz vezeték beruházási költsége 2.600.000 - Nyers biogáz kompressziójának beruházási költsége 352.581 - Az alap gáztisztítás beruházási költsége 257.501 - Figyelembe vett teljes beruházási költség 4.272.472 3.175.786 Teljes éves költség, magába foglalva a beruházási költséget és az üzemeltetést 653.792 /a 740.836 /a Fajlagos termelési költségek 37,0 ct/m³ biometán 42,0 ct/m³ biometán Egyszerű megtérülési időszak 12,6 a Az eredmények ígéretesnek tűnnek, mivel az együttműködésen alapuló biogáz tisztítás fajlagos költségei jelentősen alacsonyabbak. Mindazonáltal, a biogáz vezeték kiemelkedően TUV Oldal 17
magas beruházási költsége viszonylag hosszú megtérülési időt eredményez közel 13 éveset összehasonlítva a decentralizált, nem együttműködésen alapuló rendszerhez képest. Amennyiben valamivel rövidebb vezeték rendszerben gondolkodunk (17km), a vezeték lefektetési költségek 2.210.000 EUR-ra csökkenne, mely 6,3 évre redukálná a megtérülési időtartamot, jelentősen javítva ezzel a gazdaságosságot. Következtetésképpen a gazdasági megvalósíthatósági tanulmány eredménye nagyban függ a csővezetékrendszer hosszától, tehát annak pontos becslése, illetve meghatározása rendkívül fontos tényező, mely meg kell előzze a végleges megvalósíthatósági elemzést. Az elkülönülő nyers biogáz betáplálási pontok alkalmazása a decentralizált gáztisztítók alkalmazásának lehetőségét a kis biogáz üzemek számára gazdaságilag kevésbé vonzóvá tenné, mint amit az együttműködésen alapuló központi finomító és nyers biogáz vezették lehetősége jelent. A befektetés költségének hatása (és az üzemeltetés direkt költségei) a teljes gazdaságosságra nézve csekély jelentőségű. Nagyobb probléma lehet a vezetékbe történő több kis biometán üzem betáplálásának kezelésével kapcsolatos szervezési feladatok ellátása. Az adott ország és a vezetékrendszer üzemeltetője által előírt feltételektől függően a biometán földgázhálózatba történő betáplálásának szervezési folyamata meglehetősen összetett munka (előzetes tervezés és bejelentés, számlázás és kiegyenlítés). Mivel ezen feladatok teljesítéséhez szükséges munkaerő szükséglet nem függ a biometán betáplálás kapacitásától, a nagyszámú kisméretű betáplálási pontok léte gazdaságilag kedvezőtlen. TUV Oldal 18
4. Együttműködésen alapuló biogáz tisztítási kezdeményezések Több együttműködésen alapuló biogáz tisztítási kezdeményezés indult már el főleg kisméretű mezőgazdasági alapú biogázüzemekben. Három megvalósuláshoz közel álló kezdeményezés kerül bemutatásra az alábbiakban. Ringkoebing-Skjern biogáz projekt, Dánia: Ringkoebing-Skjern önkormányzata a legnagyobb Dániában 1489 km2-es területével. Jellegzetes vidéki terület, nagy biogáz termelési potenciállal. Az önkormányzat közfinanszírozású elemzést kezdeményezett, arra vonatkozólag vajon a biogáz termelés és felhasználás növelhető-e azáltal hogy a biogáz kerül továbbszállításra nem pedig az alapanyagok. Az elgondolás, hogy 60 kisméretű és egy, vagy két nagyobb biogázüzemet hozzanak létre, amelynek segítségével a közigazgatási egység éves energia szükségletét képesek ellátni (60 millió m 3 metán/év). A 11. ábra a terület földrajzi helyzetét foglalja össze. A 150 km hosszúságú nyers biogáz szállítására alkalmas vezeték ezen biogázüzemeket fogja összekötni a meglévő CHP (kombinált hő és villamos energia) erőművekkel és 1, vagy két építendő biogáz tisztító egységgel. A projekt két különböző lehetőség gazdaságosságát vizsgálja: - 1. meglévő CHP erőmű üzemeltetése a termelt biogázzal (a meglévő gáz motorokat újakra cserélve), a felesleget megtisztítás után betáplálják a közcélú földgázhálózatba; - 2. a biogázt teljes mennyiségét tisztítást követően a két centralizált biometán egységbe juttatják majd betáplálják a földgázhálózatba, amit közösen üzemeltetnek a változatlan működésű földgázzal működtetett CHP egységgel. Emellett az önkormányzat elindított egy kutatási programot is, azért hogy a hatalmas mennyiségű szélenergiával termelt villamos energiát metán formában lehessen tárolni a földgázhálózatban. Eletrolizálót és Sabatier-metanizációt alkalmaznak az előállított hidrogénen, a biogázüzemben megtermelt szén-dioxid együttesen. 11. ábra: Ringkoebing-Skjern önkormányzata (Dánia) és a kooperációs biogáz projektek elhelyezkedése a térképen; Forrás: Bioenergi Vest A/S TUV Oldal 19
More Biogas Småland AB, Svédország: Kalmar városában - Svédország Déli részén - 18 helyi gazdálkodó, egy biometán termelő (Famax AB), egy állami köztisztasági vállalat (KSRR) és egy globálisan üzemelő kulcsra-kész biogáz és biometán üzemeket előállító vállalat (Läckeby Water) közösen létrehoztak egy Kft.-t a biogáz együttműködésen alapuló termelésére. Egy tanulmány keretein belül megvizsgálták, ha minden egyes farmnál megépítésre kerülne egy biogázüzem, melyet egy vezetékhálózaton keresztül egy centralizált biogáz tisztítóba szállítanának, annak milyen eredményei lennének. Amennyiben alaposabban tanulmányozzuk a 12. ábrát, megismerhetjük a projekt várható elrendezését. A program során a biometán hasznosítása, mint közlekedésben használható üzemanyag került előtérbe. A tanulmány eredménye, hogy a leggazdaságosabb megoldás, ha egy centralizált biogázüzemet hoznak létre és a szubsztrátumot (szerves hulladék, trágya) a környező gazdaságokból egy centralizált biogázüzembe szállítják be. 2013. januárjának végén a centralizált biogázüzem (2 millió m 3 /év) építése bejelentésre került. Az építkezés 2013. áprilisában kezdődött, az átadás 2014. nyarán várható. 12, ábra.: Kalmar városa (Svédország), és a kooperációs biogáz projektek elhelyezkedése a térképen; Forrás: Energikontor Sydost AB, LRF Konsult AB Biogasnetz Güssing/Strem, Ausztria: Kelet-Ausztriában, Güssing önkormányzata híres a megújuló energiahordozók terén végzett önfenntartást célzó úttörő munkásságáról. Számos biomassza tüzelésű CHP-erőmű, a jól kiépített távfűtési rendszerrel közösen biztosítja a megfelelő alapot a kutatásfejlesztési tevékenységekhez. A fás-biomassza alapanyagra épülő gázosítót (8MWth névleges teljesítmény) alkalmaznak kombinált villamos és hő energia termelésére. Ezen felül megújuló energiahordozók, mint a hidrogén, a metán (SNG szintetikus földgáz) és a egyéb hidrokarbonátok (Fischer-Tropsch-szintézis) felhasználási lehetőségét is vizsgálják, amellett, egy mezőgazdasági biogázüzemet is találhatunk itt, amelynek legfőbb alapanyaga energianövények. Egy kutatási projekt vizsgálta a műszaki-gazdasági megvalósíthatóság szempontjából egy, a biogáz termelőket (biogáz és SNG) a felhasználókkal (CHP motorok, CNG kutak, nagy földgázfogyasztó vállalatok) összekötő 3,5 km-es biogáz vezetékhálózat építését. A biogáz elosztó rendszer összehasonlításra kerül a decentralizált CHP egységgel és a távfűtési rendszerrel is. TUV Oldal 20