Ugrás a tartalomhoz

Environmental management

Prof. Tamás János, Prof. Blaskó Lajos (2008)

Debreceni Egyetem a TÁMOP 4.1.2 pályázat keretein belül

7.2. Szerves anyagok biogáz-kihozatala

7.2. Szerves anyagok biogáz-kihozatala

Európában Dánia és Németország rendelkezik a legnagyobb tapasztalattal a biogáz termelés terén. Sok esetben a ko-fermentációt alkalmazzák, ahol a szerves trágya és a kommunális és ipari szennyvíz iszap együtt kerül felhasználásra. Dániában 2000-re a 90-es évektől kezdve megduplázták az ország biogáz termelését, annak köszönhetően, hogy bevezették a „zöld" áram rendszert, ami azt jelenti, hogy a megújuló energiafor¬rásból előállított áramot az áramszolgáltató a szokásos árnál magasabb összegért veszi meg (Kutasi, 2006).

A szervesanyag hulladékok legfontosabb fizikai és kémiai jellemzőit a kezelési eljárás meghatározásához a. táblázat tartalmazza.

7.1. Táblázat. Hulladékok fontosabb tulajdonságai. Forrás: Vermes, 1998

A mezőgazdasági eredetű - biológiailag gázosítható - biomassza tömege 8-10 millió tonnára tehető Magyarországon, amelyből 7-9 PJ energia is előállítható. A szubsztrátokat tekintve a „nedves” (8-20%-os szárazanyag-tartalom melletti), illetve a „félszáraz” (20-50% közötti szárazanyag-tartalom melletti) technológiák alkalmazása választható hazai körülmények között a kedvező gázképződés szempontjából, amelyeknek bázisai főleg a nagyobb állattartó telepek lehetnek. Ebben az esetben a híg állapotú állati trágyák kiegészítve a mezőgazdasági termelésből származó szervesanyagokkal kedvező szubsztrátot képeznek az anaerob fermentációhoz. Átlagos körülmények között 1 kg szárazanyagból 300-400 liter 60% metántartalmú biogáz állítható elő, amelynek a mennyisége nagyobb energiatartalmú, hevítő hatású mezőgazdasági eredetű fő- (pl. teljes-kukoricanövényi zúzalék) és melléktermékeknek (pl. répaszelet) a bevitelével, ill. erjesztésével még növelhető is. A nyers biogáz - amelynek 1 m3-e megközelítőleg 0,5 liter gázolajat képes helyettesíteni - tisztítás és dúsítás után úgynevezett „Greengas” minőségben motorok hajtására vagy földgáz hálózatba történő beadagolásra alkalmas. Magyarországon a biogáz az állattartó telepek fűtése vagy hűtése mellett mindenekelőtt áramtermelésre hasznosítható. Az áramtermelő blokk hulladékhője pedig a fermentorok fűtésére, a technológia saját energiafogyasztásának kielégítésére használható fel. A biogáz nyerésére más területeken is kínálkozik lehetőség, mint ahogy már találhatók az országban erre is példák. A kommunális hulladéklerakókból depóniagáz nyerhető, a szennyvíztisztító telepek is kiegészíthetők biogáztermelő egységekkel. Magyarországon jelenleg jelentős hulladéklerakó korszerűsítési és bővítési program zajlik, melynek keretében a biomassza hasznosítással és a depóniagáz termeléssel kapcsolatos fejlesztések is egyre nagyobb figyelmet kapnak (Gőgös, 2005).

A biogázüzem ellátása alapanyagokkal folyamatosan történik, ehhez érdemes ismerni a raksúly-kihasználási tényezőt, amely megmutatja egy adott jármű maximálisan terhelhető (hasznos) tömegének és az aktuális hasznos tömegét a kihasználható raktérfogat figyelembevétele mellett (.táblázat) (Kassai, 2003).

7.2. Táblázat. Néhány mező- és erdőgazdaságban előforduló anyag a fűtőolajra vonatkoztatott raksúly-kihasználási tényezője .Forrás: Kassai, 2003

Emellett ismerni kell az felhasznált alapanyag fűtőértékét a további hasznosíthatóság érdekében (7.3. ábra) (Sembery és Tóth, 2004).

7.3. Ábra.A biogáz alapnyagai, energetikai értéke (Sembery és Tóth, 2004)

Bai (2007) az alapanyag típusától függően más-más biogáz előállítási eljárást javasol (. táblázat).

7.4. táblázat. Az alapanyagok hatása az anaerob elgázosítás technológiájára. Forrás: Bai, 2007

A fentiek alapján tehát megállapítható, hogy a technológia megválasztása nagymértékben függ az alapanyagok típusától és azok minőségi paramétereitől.

Részadatok alapján készült becslések szerint a villamosáram-termelő lehetőségek a következők:

  • állati eredetű hulladékokat kezelő, regionális jelentőségű biogáz üzemek (az egyetlen működő példa a nyírbátori berendezés): kb. 15 MW,

  • nagyvárosok szerves hulladékát kezelő biogáz üzemek: kb. 20 MW,

  • szennyvíziszapot feldolgozó biogáz üzemek (rothasztók): kb. 15 MW,

  • nagyobb állattartó telepek: kb. 20 MW,

  • 100 000 hektár területen termelt energianövényeket feldolgozó biogáz üzemek: kb. 250 MW.

A szántóföldi energianövény-termesztés bevonása meghatározó jelentőségű lesz abban, hogy a biogáz milyen mértékben tud hosszú távon hozzájárulni Magyarország energiaellátásához.

A teljes, mintegy 300 MW villamos energia termelő kapacitást ellátó biogáz-potenciál nagyságrenddel magasabb annál, amely a távlati energiapolitikai elképzelésekben a biogázra eddig szerepel. Ezek a számok is azt sugallják, amit a fenntartható fejlődés és a megújuló energiaforrások fokozott hasznosításának hívei gyakran hangoztatnak: az energiapolitikának szakítania kellene a centralizált villamosenergia-termelés kizárólagosságának paradigmájával, és be kellene fogadnia a decentralizált energiatermelés koncepcióját (Kovács és Kovács, 2007).

Elsődleges biomassza:

A bioenergia az elsődleges növényi szervezetek biomasszájából, anyagcsere terméke¬iből kinyerhető kémiai energia, amely a Nap sugárzó energiájából a fotoszintézis folya¬matában (illetve kemoszintézis során) képződik. A növényi biomassza az élő növényi és növényi eredetű szerves anyag tömegegységben kifejezett mennyisége, amely a megkö¬tött kémiai energia jelentős részét a sejtek falában elsősorban ligno-cellulóz formájában raktározza. A növényi biomassza felhasználása energianyerésre világszerte az érdeklő¬dés középpontjában áll.

A biomassza energetikai hasznosításának több lehetősége van:

  • legegyszerűbb esetben a biomasszát közvetlenül elégetik más esetekben a biomassza fizikokémiai, biológiai transzformációjával alkoholt, metánt állítanak elő energetikai célú felhasználásra

  • az utóbbi évtizedben a biomasszát ko-fermentáción keresztül biogáz elő¬állításra használják (Kutasi, 2006).

A biogáz-termelésre hasznosítható növényi alapanyagok több csoportra oszthatók. A jelenleg is élelmiszer és takarmány céljából termesztett növények közül a silókukorica és cukorrépa nagy nedvességtartalmuk miatt jól hasznosíthatók biogáz céljára, de csak a felhasználható növényi rész szeparálását vagy feldolgozását követően (Öllős, 2010).

Az energianövény termesztés során a megtermelt magas szénhidráttartalmú (és emellett alacsony lignocellulóz-tartal- mú) növényi biomasszát kitűnően lehet hasznosítani biogáz-üzemekben. Ez a lágyszárú energianövényekre, fűre alapozott biogáz-termelés. A biogáz-termelés során visszama¬radt trágya jellegű szerves anyag talajerő-visszapótlásra (biogáz-trágya) felhasználható a szántóföldi növénytermesztésben (Gőgös, 2005).

Biomassza termeléséhez leginkább olyan növény alkalmas, amely igen gyorsan nő és sejtfal anyagai között az energiában gazdag ligno-cellulóz megjelenik. Magas energia¬tartalmú biomasszát képző lágyszárúak az energianád (Miscanthus sp.), a már hazánk¬ban is nagy területen termelt energiafű (Agropyron elongatum), illetve egyes olajos magvú növények, így a repce vagy a napraforgó is nagy jelentőséggel bír. Az energiafű embermagasságúra tud nőni és kiemelkedő szárazság esetén is 10 - 15 évig is termeszthető. Biogáz-termelési tulajdonságai kiválóak, lebontási ideje nagyon rövid, ugyanakkor gáztermelése is kiváló. A rosszabb minőségű területeken (zagytér, meddőhányó, alacsonyabb termőképességű talajok) is termeszthetőek (pl. re¬kultivációs céllal), ezért jóval nagyobb terület hasznosítható általuk (www.energiafu.hu).

A vizsgált biomassza megjelenési formák közül az energetikai hasznosításra alkalmas füvek erjedési ideje a legrövidebb, s ugyanakkor gáztermelésük is kiváló, hiszen a mindössze 15-20 napig tartó rothasztási idő alatt képződött gáz mennyisége meghaladta a 0,5 m3/kg szervesanyag nagyságrendet.

A biogáz felhasználása széleskörű, a termelése során visszamaradt anyag talajerő-visszapótlásra /biotrágya/ felhasználható (www.energiafu.hu).

Hazánk¬ban jól ismert energiafű fajtát a szarvasi Mezőgazdasági Kutató-Fejlesztő Kht. munkatársai nemesítették ki a Szarvasi-1 energiafüvet, melyről úgy gondolták, hogy komoly távlatokat nyithat az energetikai és papíriparban. Az energiafű megterem bárhol, a legmostohább talajviszo¬nyok és időjárási körülmények között is. Szarvasi kutatók egy jól hasznosítható, a ha¬gyományos energiahordozókkal egyenértékű fűfajtát nemesíttek ki. Ez a fűfajta 20 - 30 napos tartózkodási idő mellett anaerob útón jól bontható. A kht. 2007-ben egy budapesti magáncég tulajdonába került. Abban az időben jó néhány cég - több száz termelő bevonásával - igen nagy területen termelte az egész országban. Mára a termőterület összezsugorodott és a kft. megvált a kutatóktól is. Nincs felvevőpiac, a termelők nem tudják értékesíteni a megtermelt füvet, mert senki sem akar pelletet gyártani. A kft. 500 hektáros termőterületéből 100 hektáron állít elő energiafű-vetőmagot, - olvasható a Békés Megyei Hírlapban (2009). 1 hektáron célirányosan termesztett energianövényekből egy korszerű biogáz üzemben 5.500 -6.500 m³ metán állítható elő. A földgáz minőségre tisztított, sűrített biogáz, az ún. „biometán” megújuló forrásból termelt bioüzemanyag, csakúgy, mint a bioalkohol és a biodízel. A ”biometán” a helyi tömeg-közlekedésben és mezőgazdasági gépparkokban használható fel a leggazdaságosabban (. táblázat) (Kovács és Fuchsz, 2007).

7.5. Táblázat. Néhány szerves anyagból nyerhető biogáz mennyisége. Forrás: Kun-Szabó, 2003

Fogarassy (2008) tanulmányában a szántóföldi energia növények hasznosításával fog¬lalkozik. A kifejezetten biogáz termelésre termesztett növények ritkák, de azért néme¬lyikük csak metánként hasznosítva is gazdaságosan termeszthető. A biológiai metán¬képzés segítségével szinte minden növény feldolgozható, míg pl. a nyersanyagok égetése nagyon alacsony nedvességtartalomhoz kötött, addig a biogáz termelés természetes nedvességtartalom mellett történik.

A biogáz termelésre leginkább alkalmasak a könnyen bontható, magas szénhidrát tartalmú növények (cukorcirok, siló kukorica, csicsóka). A kukorica, a kanári köles és a különböző évelő fűfajok metán-hozamai közel azonosak. A nagy lignocellulóz tar¬talmú növények kevéssé alkalmasak biogáz fejlesztésére. A zöld növények, mint pl. a pántlikafű hozamának biogáz termelésre való felhasználása szintén komplikált és költ¬séges. Az elfogadható mennyiségű, gazdaságos biogáz termelés legfontosabb feltétele, az egész éven át folyamatos nyersanyagellátás a mezőgazdasági növénytermelés oldalá¬ról nehezen valósítható meg.

Másodlagos biomassza

Európa biogáz termelését az elmúlt évek során bekövetkezett nagyobb arányú nö¬vekedéssel jellemezhetjük. A biogáz telepek számának szaporodása főként azzal indo¬kolható, hogy nagyon sok állattartó telep kiegészítő egységként, anaerob biogáz-ter¬melő berendezéseket működtet. Ezekre, (leginkább sertéstelepek), az jellemző, hogy nem rendelkeznek nagyobb mezőgazdasági földterülettel a telepek környékén, így a hígtrágya elhelyezésének, ártalmatlanításának a biogáz termelésben való felhaszná¬lás a legegyszerűbb módja. Ezáltal csökkenthető a telepek külső energiafogyasztása, illetve egyúttal megoldható a tenyésztés melléktermékeinek megsemmisítése is. A sertés- és baromfitrágyából hozható ki megfelelő technológiai felkészültség mellett a legnagyobb biogáz-mennyiség. Ugyanakkor jelentős a kukoricaszárból, nyúltrágyából (380-464 m3/t) és szennyvíziszapból, csekély a juh- és istállótrágyából kitermelhető biogáz mennyisége (táblázat, táblázat)

7.6. Táblázat. A biogáz és biomassza éves becsült előállítási értéke. Forrás: Sembery és Tóth, 2004

7.7 Táblázat. Bioüzemanyag termelés. Forrás: Kovács és Fuchsz, 2007

(Kun-Szabó, 2003; Sembery és Tóth, 2004). Ugyanakkor Gőgös (2005) felhívja a figyelmet arra, hogy hazánkban az állatlétszám csökkenésének következtében az utóbbi években az állati trágya mennyisége is visszaesett. A KSH (Központi Statisztikai Hivatal) adatai (2000-2008) szerint a sertésállomány a 2000-es 4800 e darabról 2008-ra 3400 e db-ra esett vissza, ugyanezen időszakban a szarvasmarha állomány (805 ezer db) 100 ezer darabbal csökkent.

Hazánk biogáz-termelési lehetőségei kedvezőek, mivel az állattenyésztés jelentős része koncentrált telepeken zajlik, ahol mindennapos és sokszor problémát okozó feladat a trágya kezelése (Arnóty, 2004). A szerves trágyák – beleértve a hígtrágyát is – ártalommentes

kezelésének, tárolásának, felhasználásának szabályai az EU jogharmonizáció keretében a 49/2001. (IV. 3.) Korm.rendeletben meghatározásra kerültek. A jogszabály tartalmazza a jó mezőgazdasági gyakorlat szabályait, amelyek betartása a nitrát-érzékeny területeken kötelező. Ez a szabályozás biztosítja, hogy a melléktermékek környezetkímélő módon hasznosuljanak. Energetikai célokra történő felhasználásával a jelentős energiatermelés mellett megszűnik a környezetterhelés, a keletkező biotrágya pedig biztosítja a talajok tápanyag utánpótlását.

Egy tehén körülbelül 10 tonna, egy koca pedig 1,2 tonna trágyát termel évente, amiből 160 Nm3 (0,1 tOE), illetve 32 Nm3 (0,02 tOE) biogáz állítható elő. Az . táblázat Magyarországon (2003-as adatok alapján) az egyes állattenyésztési ágazatokban keletkező trágya és az abból előállítható biogáz mennyiségét szemlélteti. Jól látható hogy hazai viszonylatban a sertéstenyésztéstől várhatjuk a legnagyobb trágya alapú biogáz potenciált (Arnóty, 2004).

7.8 Táblázat. Az egyes állattenyésztő ágazatokban előállítható biogáz mennyisége. Forrás: Arnóty, 2004

Harmadlagos biomassza:

A harmadlagos biomasszák közül elsősorban az élelmiszeripari mellékterméket, hulladékot hasznosítják biogáz előállítással. Az élelmiszeriparban keletkező hulladékoknak kb. fele (53,3%-a) nem veszélyes vagy nagy szervesanyag-tartalmú, növényi és állati eredetű anyag (Szabó, 1999). Az Országos Hulladékgazdálkodási Terv (OHT-I.) (2003-2008) felmérése szerint az élelmiszeriparban keletkező hulladék közel 30%-a veszélyes hulladék. Az élelmiszeripari szennyvizek tisztításakor keletkező iszapok mennyisége éves szinten 150 ezer tonna.

A keletkező állati eredetű hulladék mennyisége 2000-ben 330-340 ezer tonna volt (az összes veszélyes hulladék több mint 10 %-a). A hazai szabályozás értelmében az állati tetemek, illetve a vágóhídi veszélyes hulladék –potenciális fertőzésveszélyességük miatt –magas környezeti kockázatot jelentenek, kezelésüket az állategészségügyi szabályoknak megfelelően kell megoldani.

A 71/2003. (VI. 27.) FVM rendelet alapján az 1. és 2., illetve a 3. kategóriába sorolt állati hulladékok gyűjtése és ártalmatlanítása különböző, de szabályozott viszonyok között történik:

  • Az 1. kategóriába sorolt, égetésre előkészített hulladék hazai erőműben együttégetéssel kerül ártalmatlanításra.

  • A rendelet lehetőséget nyújt ún. kis kapacitású hulladékégető berendezések engedélyeztetésére és használatára (óránként legfeljebb 50 kg állati hulladék áteresztőképesség). Magyarországon jellemzően állattartó gazdaságok veszik igénybe saját állattartótelepeiken képződött 2. kategóriába tartozó állati tetemeik ártalmatlanítására.

  • Az 1774/2002/EK rendelet szerint jóváhagyott komposztáló és biogáz üzemekben 2. kategóriájú állati hulladék hasznosítása is engedélyezett.

  • A 3. kategóriába sorolt állati melléktermékek felhasználási lehetősége széleskörű, a kedvtelésből tartott állatok eledelében történő takarmányozási célból történő felhasználástól kezdve a műszaki ipari célú alkalmazásig (OHT-II., 2009-2014). Az egyes állati eredetű melléktermékek ártalmatlanításának támogatására megalkották a 20/2007. (III. 30.) FVM rendeletet.

Az állati hulladék döntő többségét az Állatifehérje Takarmányokat Előállító Vállalatnál (ÁTEV Rt.) veszi át és kezeli, ártalmatlanítja. A képződő állati (húsipari, vágóhídi) hulladék (287 ezer t/év), valamint az állati tetemek (45 ezer t/év) kisebb részének hasznosítása megoldott. Ennek 66%-a a húsiparban, 30%-a a baromfiiparban, 2-3%-a az ÁTEV Rt., 0,4%-a pedig a szesziparban keletkezik (OHT-I., 2003-2008).

Az OHT-I. (2003-2008) éppen ezért célul tűzte ki az élelmiszeripari szerves hulladék megközelítőleg teljes mennyiségének visszaforgatását a természetes biológiai körforgásba (bedolgozás a talajba, másodlagos feldolgozás, biogáz előállítás, komposztálás).

A felhasznált szerves anyagok fő komponensei a fehérjék, szénhidrátok, és a zsírok. Ezeknek a vegyületeknek az aránya határozza meg a hulla¬dékból keletkező metán mennyiségét (. táblázat) (Öllős, 2010).

7.9. táblázat. Az alap komponensek gázkihozatali eredményei. Forrás: Öllős, 2010

A három fő szervesanyag csoport anyagai az anaerob rendszerben a követ¬kező átlagos hatásfokkal bontható le:

  • zsírok viszonylag jól lebonthatók (65,4 %),

  • a szénhidrátok kb. 52% hatásfokkal,

  • a proteinek csak kb. 40%-a bontható le.

A szénhidrát-lebontódás meglehetősen ingadozó. Ez arra vezethető vissza,

  • hogy bizonyos szénhidrát vegyületek, pl. keményítők

  • gyengén hidrolizálnak, így az anaerob lebontás számára nehezen válnak

  • hozzáférhetővé, bizonyos esetekben egyáltalán nem is bomlanak le (Öllős, 1995).

A biogáz fejlesztés technológiája ma nagyrészt azért épül a hulladékokra, mert a gyakorlatban a kiindulási szervesanyag mindössze 50 - 60%-ban bontható le, a többi elem visszamarad a szilárd vagy híg maradékban, így a biogáz-fejlesztés tulajdonkép¬pen a hulladékhasznosítás részének tekinthető. A megtermelt biogázt a mezőgazdaság számtalan területén lehet hasznosítani, ami főleg hő- vagy villamos energia előállításán keresztül valósul meg. Különböző helyiségek (fejőház, istálló, keltető) fűtése, melegvíz¬-ellátás, terményszárítás, tejhűtés, üvegházak, fóliasátrak fűtése stb. lehetnek a felhasz¬nálás területei. A biogáz lehetőségeit nagyban javítja, ha fűtőértékét növelik (Öllős, 2010).