Ugrás a tartalomhoz

Environmental management

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

Debreceni Egyetem a TÁMOP 4.1.2 pályázat keretein belül

9.3. A biogáz hasznosítása

9.3. A biogáz hasznosítása

Az előállított biogáz a gáztartályban tárolják, majd tisztítják. A nem megfelelő minőségű gázt fáklyán elégetik. A biogáz metán-tartalmának hasznosítására többféle módszer létezik:

  • Hőtermelés gázkazánokban, gázégőkkel

  • Kapcsolt villamos áram- és hőtermelés blokkfűtő-erőműben (gázmotor, generátor, hőcserélő)

  • Motorhajtó anyag: Széndioxid leválasztás, tisztítás (biometán)

  • Betáplálás földgázvezetékbe (biometán): Széndioxid leválasztás, tisztítás (Szij, 2005).

Hódi (2006) a biogáz, depóniagáz hasznosításának általános lehetőségei a következőkben foglalta össze:

  • Hőtermelés

  • Villamosenergia-termelés

  • Kapcsolt energiatermelés, villamos energia és hő együttes előállítása

  • CO2 értékesítés (ÜHG gázok, CO2 egység, CH4 21-szeres hatás)

  • Gáztisztítás, értékesítés

  • Tüzelőanyag cella (hidrogén és oxigén elektrokémiai egyesítése, egyen-áram keletkezik, valamint víz és széndioxid).

Emellett kiemelte, hogy a technológiát mindig a helyi adottságok és a gazdaságosság alapján kell megválasztani.

Büki (2010) szerint a biogáz-felhasználásnak három útja lehetséges: helyi felhasználás gázellátásra és távhőellátásra, fűtőérték-növeléssel és tisztítással történő betáplálás a földgázhálózatba, valamint helyi hasznosítás kapcsolt energiatermeléssel.

A, A biogáz közvetlen helyi hasznosításának két lehetősége van. Az egyik az, ha a kisebb fűtőértékű biogázt a gáztermelés körzetében hasznosítjuk a különböző fogyasztók számára. A másik haszno¬sítási mód pedig az, ha a biogázból hőt termelünk, és azt a csatlakozó távhőrendszerben hasznosítjuk.

B, A biogáz betáplálható az országos földgázhálózatba is. A betáplálás érdekében a biogázt tisztítani és a fűtőértékét növelni kell.

C, A biogázok decentralizált hasznosításának leghatékonyabb módja a kapcsolt energiatermelés. A kap¬csolt energiatermeléshez jelenleg leginkább a gázmotorok jönnek szóba. A legtöbb cég a különböző nagyságú gázmotorjait a földgáz és a gázolaj mellett biogáz-üzemanyagra is gyártja, a gázmotoroknál pedig a kapcsolt energiatermelés kézenfekvő. A biogáz-üzemanyagú, kapcsolt energiatermelő gázmotor kapcsolását a 9.12. ábra mutatja.

9.12. ábra. Biogáz-tüzelésű gázmotor kapcsolt energiatermelése (Büki, 2010)

A gázmotor néhány kW és néhány MW közötti teljesítményekre képes, tehát a biogázerőművek igen széles alkalmazási körét lefedi. Gázmotorok helyett a gázturbinák alkalmazását a biogázerőművekben néhány szempont indokolhatja. Egészen nagy teljesítményeknél a gázturbina előnyösebb lehet. Ha a hőigény nagyobb része technológiai gőz, akkor is kedvezőbb a fűtőgázturbina. Ha a biogáz olyan rossz minőségű, hogy belső égésű dugattyús motorban nehezen használható fel, akkor teljesítménytől függetlenül célszerűbb gázturbinát választani. Az egészen kis teljesítményeknél ekkor mikrogázturbinák alkalmazhatók (Büki, 2010).

Egyes esetekben a biogázmotorokat konténeres kivitelben érdemes telepíteni (9.13. ábra).

9.13. ábra Biogáz konténer sematikus vázlata (Kalmár, 2009)

Ezzel még egyszerűbbé válik a helyszíni szerelési munka, valamint a beruházás létesítése az időjárástól függetleníthető. Egy ilyen konténer kompletten tartalmazza az alábbi egységeket (9.14. ábra, 9.15. ábra):

9.14. Ábra. Transzformátor állomás (Csengersima) (www.stsgroup.hu).

9.15. Ábra. A transzformátor állomás belső felépítése (Csengersima) (www.stsgroup.hu).

  • motor-generátor egység,

  • hőcserélők, kényszerhűtők,

  • saját villamos energiaellátó rendszer

  • kapcsoló szekrény a vezérlési és felügyeleti funkciók ellátására,

  • konténer saját szellőztetési és hangcsillapítási rendszere

  • szükséges bemeneti és kimeneti vezeték csatlakozások.

Ez azt jelenti, hogy a biogáz előállításához szükséges berendezéseken kívül, a hasznosításhoz szükséges minden berendezés egy-egységbe van beépítve (Kalmár, 2009).

A ma működő biogáz üzemek nagy részé¬nél a folyamatos felhasználás érdekében elektromos és hőenergia előállítás tör¬ténik, un. kogenerációs erőművekkel. A biogázzal gáz- vagy átalakított dízelmo¬torokat működtetnek, melyek generátort hajtanak meg. Elektromos áram termelésére legalább 45%, gázfáklyában elégetésre minimum 25%, biofiiteres tisztításhoz pedig min. 4%-os metántartalom szükséges. Nem ka¬talitikus oxidációra a 1,5-30% közötti metánkoncentrációval rendelkező biogáz alkalmas (Bai, 2007). A biogáz energiájának kb. 1/3-a hasznosul villamos energiaként, a fennmaradó részből, mint hőenergiából 20-30% a fermentorok fűtésére fordító¬dik és még így is jelentős hasznosítha¬tó hőenergia marad. A villamos energiát a villamosenergia törvény értelmében a hálózat üzemeltetője köteles a meghatározott áron átvenni. Ilyenkor a biogáz üzemek méretét a generátor elektromos teljesítményével adják meg. Egy 500 kW- al jelzett üzemben egy 500 kW-os generá¬tor működik, amely óránként 500 kWh, egy év alatt 4 millió kWh villamos energia előállítását teszi lehetővé, de ugyanennyi a felhasználható hőenergia mennyisé¬ge is (Kacz, 2009).

A fennmaradó hőmennyiség többi része felhasználható:

  • a mezőgazdasági üzem istállóinak,

  • melegágyak,

  • szárítók,

  • de természetesen a távhőfűtő-hálózaton keresztül az üzemtől távolabb fekvő épületek, lakások fűtésére is.

A hőenergia egész évben történő hasznosítása - különösen mezőgazdasági üzemekben - általában nem oldható meg, pedig ettől függ a gazdaságos üzemeltetés. Új törekvésként említhető, hogy a biogázt tisztítás után betáplálják a gázhálózatba. Ennek törvényi feltételei Magyarorszá¬gon is adottak, azonban tisztítással el kell érni az előírt minőségi paramétereket (Kacz, 2009).

9.3.1. A biogáz tüzeléstechnikai alkalmazása

A biogáz előállítása és tüzeléstechnikai alkalmazása egyike a fosszilis energiahordozók részbeni kiváltására szolgáló, megalapozott műszaki háttérrel rendelkező megoldásnak. A biogáz potenciálisan szinte mindenütt rendelkezésre álló energiahordozó. Előállítási költsége európai viszonylatban 3–6 ceuro/kWh nagyságrendet képvisel, így a mennyiségi korlátok figyelembevételével reálisan tekinthető a földgáz alternatívájának.

A biogáz világszerte elterjedten alkalmazott tüzelőanyag. Felhasználására egyes technológiáknál tisztítást és dúsítást követősen kerül sor, de jelentős részarányt képvisel a nyersgáz közvetlen felhasználása is. Ez utóbbi alkalmazási változatot képviselve Magyarországon is számos referencia berendezés üzemel.

Az eltérő tüzeléstechnikai és vegyi összetételbeli sajátosságoknak a fentiekben összefoglalt hatása a földgáztüzeléshez képest eltérő feltételrendszert hoz létre. Ugyanakkor ezek a tüzelőberendezések vagy ezek továbbfejlesztett változatai az esetek többségében alkalmassá tehetők nyers biogáz eltüzelésére is. A konstrukciós változtatások alapelve megegyezik a más, nagy inert tartalmú gáz eltüzelésére kifejlesztett égőknél alkalmazott megoldásokkal (Kapros, 2009).

A biogáz felhasználásának pozícióit javítja, ha a fűtőértékét növelik. A biogáz energiasűrűségének növelése előnyös a szállítás, a tárolás és nem utolsó sorban a felhasználás szempontjából. A tüzeléstechnikai alkalmazás szempontjából meghatározó metán tartalom estenként a 40% értéket sem éri el, más esetekben a 70%-t is meghaladja (Kapros, 2009). Barótfi (1998) kihangsúlyozta, hogy a minőség javításában a metánon kívüli gázok eltávolítását kell megoldani. A kiinduló anyag sajátosságaiból adódóan a gázelegyben korrozív, ill. toxikus hatású agresszív komponensek is megjelennek. Az . táblázat a földgázzal történő összehasonlítás céljával mutatja be az „átlagos” biogáz összetételét és főbb jellemzőit. Az adatok az EU átlagértékeit veszik alapul, de a két gázfajta tüzeléstechnikai megítélése szempontjából a hazai viszonylatok is hasonlóak (Kapros, 2009).

9.7. Táblázat. Földgáz és biogáz főbb jellemzői. Forrás: Kapros, 2009

A biogáz földgáz vezetékbe történő betáplálásának is a tisztítás a feltétele, melynek terméke az un. „biometán” (Krayl, 2006). Az alacsonyabb fűtőérték, az előállítástól függő összetétel és az agresszív komponensek kedvezőtlen hatásainak megszüntetése érdekében elterjedten alkalmaznak biogáz dúsító és tisztító eljárásokat (upgrading). Az így nyert biogáz már minőségét és környezeti hatását tekintve is versenyképes a földgázzal. A tüzelési célú felhasználás jelenleg erősen koncentrálódik a tisztított biogázt – akár 95% CH4 arányt is meghaladó összetételre dúsított biometánt – igénylő alkalmazási területekre (közlekedés, gázmotorok).

A . táblázat az EU által ajánlott tisztított biogáz paramétereket mutatja be az Északi tengeri földgázzal történő összehasonlításban.

9.8. Táblázat. Az EU által javasolt irányértékek a tisztított biogázra vonatkozóan. Forrás: Kapros, 2009

A földgáz minőségű biogáz rendelkezésre állása megteremti egyúttal a műszaki lehetőséget az előbbi vezetékrendszerébe történő betáplálásra. Ez már a fogyasztók széles köre által igénybe vehető földgáz kiváltó alternatívát jelenthet.

A tisztításnak, dúsításnak ugyanakkor jelentős költségvonzata van. Az EU átlagszámai szerint ez az üzem kapacitásától függően 1,5–4 ceuro/kWh értékre becsülhető. Hálózatba táplálás esetén a költségek még tovább nőhetnek (kompresszor alkalmazása, járulékos minőségellenőrzési műveletek). Mindezek figyelembevételével a tisztítatlan ún. nyers biogáz közvetlen eltüzelése továbbra is elterjedten alkalmazott műszaki megoldás.

A nyers biogáz tüzelésével kapcsolatos műszaki szempontok értékelésénél a földgáztüzelő berendezések és rendszerek adottságaiból célszerű kiindulni. A tüzelőberendezéseket szállító cégek is biogázégőként általában földgázüzemre kialakított berendezéseiknek a gáz összetételétől függően specializált változatait ajánlják. A járulékos fejlesztési feladatok, ill. a földgázüzemhez képest eltérő megoldások:

  • az égők szerkezeti kialakításánál,

  • a korróziós és eróziós hatások figyelembevételénél és

  • a tűztér kialakításánál jelentkeznek (Kapros, 2009).

9.3.2. Biogáz betáplálása a földgázvezeték-rendszerbe

A biogáz felhasználásának egyik módja a megfelelően tisztított gáz (biometán) betáplálása a földgázvezeték-rendszerekbe. A biometán tulajdonságai nagyon hasonlítanak a földgázéhoz, így a földgáz komprimálása során használatos gépek, berendezések, szabályzó eszközök kiválóan alkalmasak a biometánra is. A biometán betáplálása történhet alacsony (kisnyomású), középnyomású, nagyközépnyomású és nagynyomású rendszerekbe. A betáplálás főbb eszközei a különböző nyomásokat előállító, robbanásbiztos kivitelű fúvók és kompresszorok (Valasek, 2009).

9.3.3.Komprimálás

A biogázt csak alapos tisztítás – kéntelenítés, víztelenítés, CO2 mentesítés – után, biometánként táplálhatják be a földgázvezeték-rendszerbe. A biometán tulajdonságai nagyon hasonlítanak a földgázéhoz, így a földgáz komprimálása során használatos gépek, berendezések, szabályozó eszközök kiválóan alkalmasak a biometánra is.

A komprimálás leggyakoribb eszközei:

  • Oldalcsatornás fúvók - A kisnyomású rendszerekbe való betáplálás berendezései

  • Centrifugálfúvók - A kisnyomású rendszerekbe való betáplálás berendezései.

  • Forgódugattyús (Roots típusú) fúvók - A kisnyomású rendszerekbe való betáplálás berendezései.

  • Olajkenésű csúszó(forgó)lapátos kompresszorok- Főleg a közép- és nagyközépnyomású rendszerekbe való betáplálásra.

  • Horgos-villás (Hook and Claw) szárazüzemű kompresszorok - Főleg a kis- és középnyomású rendszerekbe való betáplálásra.

  • Csavarkompresszorok - Főleg a közép- és nagyközépnyomású rendszerekbe való betáplálásra.

  • Dugattyús kompresszorok - Főleg nagyközép- és nagynyomású rendszerekbe való betáplálásra.

  • Membránkompresszorok - Főleg nagynyomású rendszerekbe való betáplálásra (Valasek, 2009).

9.3.4. Biogáz-tüzelés lehetősége háztartási gázkészülékekben

A biogáz a nagy inert- és nedvességtartalom miatt csak korlátozott mértékben használható fel. A nedvességtartalom a csővezetéki szállításnál, az inert-tartalom a tüzeléstechnikai felhasználásnál okozhat problémát. Földgáztüzelésre gyártott és minősített háztartási gázkészülékek általánosságban nem alkalmasak ún. nyers biogáz eltüzelésére, ezért az ilyen üzemeltetéssel nagyon kell vigyázni. Ebben az esetben a megoldás az lehet, hogy az ún. „S” gázra alkalmas gázkészülékeket használjunk a biogáz eltüzelésére.

Az egyes anyagokból, a különféle technológiákkal fejlesztett gázok összetétele egymástól nagymértékben eltérő lehet, és elsősorban attól az alapanyagtól függ, amiből azokat előállítják. Közös jellemzőjük azonban, hogy összetételük nem felel meg a hazánkban közszolgáltatott gázok (H és S gáz) minőségének, mert jelentős mennyiségben tartalmazhatnak inert komponenseket (CO2, N2), illetve kisebb mennyiségben oxigént, kénhidrogént, ammóniát, különféle halogén vegyületeket, sziloxánokat stb. A biogáz összetétele időben is változhat, mert például a mezőgazdasági eredetű alapanyag minősége évszakos változásokat mutat, így az ilyen anyagból fejlesztett gáz paraméterei is évszakosan változnak. A gyártás függvényében a száraz állapotra átszámított biogáz összetételét az . táblázat tartalmazza.

9.9. Táblázat. A biogáz átlagos összetétele előállításának függvényében. Forrás: Rajner, 2009 (GASTEC adatai alapján)

A biogázokat általában nedves technológiákkal légköri nyomáson fejlesztik. Ezért a keletkezett biogáz nyomása közel van az atmoszférikus nyomáshoz, túlnyomása igen kicsi. A gáz inert tartalma 30-55 tf% között van. Ez azt jelenti, hogy ezek a gázok előkészítés, inerttartalom csökkentés nélkül háztartási gázkészülékekben nem használhatók fel. Ezek a gázok – előkészítés nélkül – csak speciális ipari égőkben égethetők el (előmelegítet gáz és meleg levegő keverése, erősített gyújtás stb.), vagy más egyéb módon (például gázmotorokkal) hasznosíthatók. A tisztítás során a nyers biogáz összetétele és paraméterei a közszolgáltatású földgázzal összehasonlítva a . táblázat szerint alakulnak.

9.10. Táblázat. A tisztított biogáz (biometán) és a földgáz összetételének összehasonlítása. Forrás: Rajner, 2009

A biogáz szilárd szennyezőinek leválasztása, kéntartalmának és nedvességtartalmának a csökkentése után a nyert gáz felhasználható speciális biogázégőkben, biogáz felhasználására készült speciális gázmotorokban.

A biogáz gázmotorokban való felhasználása esetében lehetőség nyílik villamos energia és a hulladékhő hasznosításával hőenergia termelésére is. A kéntartalmat és az egyéb káros anyagokat oly mértékben kell csökkenteni a biogázban, hogy a gáz elégetése után keletkező égéstermék kielégítse a környezetvédelemre, a levegőszennyezésre vonatkozó (többek között a 17/2001. (VIII. 3.) KöM rendelet – a légszennyezettség és a helyhez kötött légszennyező források kibocsátásának vizsgálatával, ellenőrzésével, értékelésével kapcsolatos szabályokról) előírások követelményeit. Abban az esetben, ha a kéntartalom és az egyéb káros anyagtartalom csökkentése után a nyers biogáz inertgáz-tartalmát is csökkentik, akkor a csökkentés mértékében a gáz háztartási gázkészülékekben való felhasználásra is alkalmas lehet.

Ha az biogáz inerttartalmát biometán minőségűre csökkentik, akkor a gáz az országos földgázhálózat gázminőségre vonatkozó előírásai szerint H minőségű gázként használható fel. Ha a biogáz inerttartalmát bizonyos (pl. gazdasági) okokból csak 14-18 tf%-ra csökkentik, akkor az ilyen minőségű biogáz megközelíti a néhány helyen közszolgáltatásban lévő S gáz minőségét, így tisztított biogáz regionális szolgáltatásba vonható. Ezekkel a gázokkal a jelenleg is hazai piacon lévő S gázra tanúsított és beszabályozott háztartási gázkészülékek láthatók el (Rajner, 2009).