Ugrás a tartalomhoz

Energetika

Dr. Tóth Péter, Dr. Bulla Miklós, Dr. Nagy Géza (2011)

A biomassza energetikai hasznosítása, energiatermelés biomasszából

A biomassza energetikai hasznosítása, energiatermelés biomasszából

A biogáz termeléséről, felhasználásáról dr. Bai Attila szerkesztésében „A biomassza felhasználása” címmel a Szaktudás Kiadó Ház Rt. kiadásában, a Környezetvédelmi Alap Célfeladat támogatásával alapműnek tekinthető könyv került kiadásra (ISBN 963-9722-46 0-30-6, Budapest 2002.) A terjedelmi korlátok miatt a biomassza termelésével, felhasználásával kapcsolatosan csak a legszükségesebbnek ítélt ismereteket foglaljuk össze.

A biomassza fogalma, biomassza potenciálok

A napsugárzás fotoszintézis útján jelentős mennyiségű biomasszát hoz létre megújuló jelleggel. A Föld felszínére évente érkező napsugárzás 2,6 x 1024 J/év energiájának valamivel több mint 2 ‰-e fotoszintézis révén 5,7 x 102 J/év energiaértékű biomasszát hoz létre. Ez tekinthető a világban a fotoszintézisből származó elméleti biomassza készletnek. Magyarország esetén az évi 437 x 1018 J/év napsugárzás – a világarányok figyelembe vételével – évente 958 x 1015 J/év = 958 PJ biomasszát termel évente. [ 1 ]

A biomassza termelés elsődleges célja az élet fenntartása, de meghatározott része energetikai célokra is hasznosítható. A biomasszából származó megújuló energia tehát végső soron napenergia.

Az energiatermelés lehetőségeit biomasszából a 4.4. ábrán foglaltuk össze.

4.4. ábra - az energiatermelés lehetőségei biomasszából [ 2]

az energiatermelés lehetőségei biomasszából [ 2]


A biomassza fogalma nem teljesen egységes. A biomasszán illetve egyes csoportjain [2] alapján a következőket értjük:

  • Elsődleges biomassza: természetes vegetáció, szántóföldi növények, erdő, rét, legelő, kertészeti növények, vízben élő növények.

  • Másodlagos biomassza: állatvilág, gazdasági haszonállatok, az állattenyésztés főtermékei, melléktermékei, hulladékai.

  • Harmadlagos biomassza: biológiai anyagokat felhasználó iparok termékei, melléktermékei, hulladékai, emberi települések szerves eredetű hulladékai.

A bioenergia potenciál számszerűsítését – a mezőgazdasági-környezeti szempontok elsődlegessége mellett – lényegesen befolyásolja, hogy a szóba jövő bioforrásokat milyen műszaki megoldásokkal és energetikai-gazdasági hatékonysággal lehet az energiaellátásban hasznosítani.

A potenciális bioenergia [11]

A Magyar Tudományos Akadémia Energetikai Bizottság Megújuló Energiák Albizottsága a 2003-2005. akadémiai években elkészítette a magyarországi megújuló energiák elméleti potenciálját.

A tanulmány szerint Magyarország elméleti biomassza energetikai potenciálja 203,2 – 328 PJ/év [ 5 ].

A terjedelmi korlátokra tekintettel a részletes számítások közlésére nincs lehetőség, Magyarország fenntartható bioenergetikai potenciáljának becslésére készült tanulmányok eredményei a 4.2. táblázatban láthatók.

4.2. táblázat - biomassza potenciál becslések [11]

Számítást végzőkAlsó értékFelső érték
 PJ/év
MTA Megújuló Energiák Albizottság (2005 – 2006.)203328
Energia Klub (2006.)58223
Európai Környezetvédelmi Ügynökség (EEA) (2006.)145,5
Földművelési és Vidékfejlesztési Minisztérium (2007.)260
Szélsőértékek58328
Jelenlegi felhasználás (2009.)58,9

A becsült adatok széles sávban szóródnak, vannak tisztázandó számítási metodikai kérdések.

A becsült erdészeti potenciált a 4.3. táblázatban foglaltuk össze.

4.3. táblázat - erdészeti biomassza potenciál [3]

Biomassza típusVolumen (millió t/év)Becsült fűtőérték (PJ)
Tűzifa*2,7-3,736,5-50,0
Becsült vágástéri apadék0,3-0,44,1-5,4
Becsült faipari hulladék0,22,7
Összesen**3,2-4,343,3 – 57,1

* A fenntartható erdőgazdálkodás fakibocsátása az elmúlt évek átlagában: 2,9 millió m3 tűzifa.

** Feltételezve a 2020-ra kitűzött 13 %-os megújuló energia részarányt, a teljes megújuló potenciálon belül a fenti mennyiség 32 - 42 %-a az erdőgazdálkodásból rendelkezésre áll.

A hulladék vagy melléktermékek potenciálja a 4.4. táblázatban látható.

4.4. táblázat - növénytermesztés, erdőgazdálkodás, fafeldolgozás melléktermékeinek becsült potenciálja [3]

MegnevezésPJ/év
Növénytermesztési melléktermékek

gabonaszalma

kukoricaszár

napraforgószár

repceszár

napraforgóhéj

venyige-nyesedék

169,6

67

78

17

3

1,9

2,7

Erdőgazdálkodási melléktermékek

hagyományos tűzifa

fűrészipari melléktermék

31

24

7

Fafeldolgozás

Faporok, forgácsok, naturfa hulladék

4

4

Lignocellulózok összesen204,6 PJ

Az elsődleges biomassza csoporton belül a bioenergia hasznosításának több lehetősége merül fel, nevezetesen:

  • az energetikai célokra is felhasználható növénytermelési melléktermékek energetikai célú hasznosításának fokozása

  • nagy energiahozamú energiaültetvények tudatos, kizárólag energiatermelés célú telepítése

  • az erdészeti melléktermékek növekvő mértékű hasznosítása

A másodlagos biomassza nagyobb része melléktermék, zömében állati trágya, amelynek felhasználási lehetőségei sorában az energiatermelés, pl. a biogáz is megjelenik.

A harmadlagos biomassza az élelmiszeripar, könnyűipar, faipar és a települések szerves hulladékaiból képződik. A faipar hulladékait már jelenleg is széles körben használják energiaellátásra, a települések szerves hulladékának energetikai hasznosítását az 5. fejezetben mutatjuk be.

Biomassza energiaforrások [2]

A) Energetikai célra termeszthető növények

Az energiatermelésre számításba vehető növények száma szinte korlátlan, hiszen lignincelluzózként mindegyik alkalmas a környezetbarát energiatermelésre a napenergia megkötése révén a zárt CO2-körforgalom előnyeinek megjelenése mellett.

A választás legfontosabb szempontjai a következők:

  • többféle termesztési technológia megvalósítása váljon lehetővé

  • egy-egy, már jól kialakult nemzetgazdasági ágazat technológiái és műszaki megoldásai legyenek hasznosíthatók

  • legyen megoldás az intenzív és az extenzív termesztési és hasznosítási technológiák alkalmazására

  • a lehető legkülönbözőbb termőhelyi viszonyokra lehessen választani közülük.

Lágyszárú növények

Jellemzőjük a hektáronkénti igen nagy növény (hajtás)-szám, a viszonylag kis növénymagasság, a mezőgazdaságban kialakult technológiák-, és a kialakult műszaki megoldások alkalmazhatósága.

Ezen növények és technológiák alkalmazásának nagy előnye az, hogy a mezőgazdaságban alapvető műszaki-technológiai változtatásokra nincs, vagy alig van szükség, viszont a megtermelt biomassza évenkénti betakarítása, illetve a növények életciklusa miatt a betakarítások száma nagy és nem halasztható.

A jövőbeni biomassza-energiahordozók között a legfontosabbak:

  • repce (Raphanus sativus)

  • rostkender (Cannabis sativa L.)

  • triticale

  • magyar árva rozsok (Bromus inemis Leyss)

  • pántikafű (Baldingerea arudinacea L.)

  • miscanthus

Fás energianövények

A fás növények a lágyszárúakhoz hasonlóan lignocellulózok, de évelők, és a föld feletti részek nőnek tovább minden évben. A napenergia megkötése és a CO2-forgalom megegyező a bemutatott növényekkel, de alapvető különbség van abban, hogy nem kell minden évben betakarítani, és ha egy tervezett betakarítás valamilyen okból elmarad, az állomány zavartalanul tovább nő, tehát technológiai problémák nem merülnek fel. Ezek közül a legfontosabbak:

  • akác (Robina sp.)

  • fűz (Salix sp.)

  • nemesnyárak (Populus sp.)

Az energetikai célra termeszthető növények közül a repce jelentősége lesz várhatóan a legnagyobb úgy hatóanyagként mint energetikai üzemanyagként (kogenerációs energiatermelés) történő elhasználást vizsgálva [44].

B) Energiaerdők

Ebből a fejezetből látható, milyen széles skálája van az energetikai célra hasznosítható biomassza-féleségeknek, termesztésüket azonban sok tényező gátolja, nevezetesen:

  • a nehéz termelői-társadalmi elfogadtatás

  • a feldolgozó módszereket nehéz beilleszteni a meglévő agrártechnológiába

  • kicsi a biomassza területi energiahozama

  • energetikai hasznosításának nagy a beruházásigénye.

Az energiaerdő olyan speciális faültetvény, amelyből a legrövidebb idő alatt a legkisebb költséggel nagy mennyiségű és jól elégethető tüzelőanyag nyerhető. Az energiaerdőt célszerű a mezőgazdaságilag nem hasznosítható, vagy termelésből kivont területekre telepíteni. Ezek az ültetvények a vágásfordulójuk időtartama szerint lehetnek mini (1-4 év), midi (5-10 év), rövid (11-15 év), közepes (16-19 év), hosszú (20-25 év) élettartamúak. E telepítési típusra elsősorban az akácfélék alkalmasak gyors növekedési esélyük, nagy szárazanyaghozamuk, könnyű kitermelhetőségük és feldolgozhatóságuk miatt. Ezen kívül megemlíthető még a hárs, a juhar, a fűz, az éger, a hazai nyár.

Hazánkban is folytak, valamint folynak energiaerdő-kísérletek különböző tájegységeken, különböző talajviszonyok között, eltérő fafajokkal és technológiákkal.

Halupa (1983) beszámolt azokról a kísérletekről, amelyekkel azt kívánták megállapítani, hogy a meglévő akácosok kitermelése után létrejövő sarjállományok alkalmasak-e energiacélú erdők kialakítására.

1986-ban már fűzzel, nemes nyárral, égerrel is folytak kísérletek, majd 1988 őszén nyírrel egészítették ki a fafajokat. A kétéves fatermelés közönséges akácnál abszolút száraz tömegben átlagosan 11,08 t/ha volt. Az éves szárazanyaghozam 3,5-20 t/ha között változott a vágásfordulótól és a fafajtától függően.

Napjainkban a Nyugat-Magyarországi Egyetem Erdészeti és Faipari Mérnöki Karán folynak ilyen jellegű elsősorban kisparcellás kísérletek. [forrás: Dr. Marosvölgyi Béla, NYME]

4.5. ábra - NYME kisparcellás kísérletek (Forrás: Dr.Marosvölgyi )

NYME kisparcellás kísérletek (Forrás: Dr.Marosvölgyi )


Magyarország energiaerdő-kísérletek

Az energetikai faültetvények helye és szerepe a környezetbarát energiatermelésben és a földhasznosításban Magyarországon még mindig vitatott kérdés, de a kutatások elvégzése rendkívül fontos, mert az ültetvény-gazdálkodás szakmai kérdéseit a módszer elterjesztése érdekében és térnyerése előtt mindenképpen tisztázni kell. Ezzel a céllal folytatnak kísérleteket, amelyek során figyelembe veszik a hazai klimatikus sajátosságokat (viszonylag kevés csapadék 350 – 550 mm/év; nyári aszályos időszak), a földterületek minőségét, az élőmunka-kapacitást, stb.

A vizsgálatok különböző termőhelyi viszonyok között már korábban elkezdődtek, de a mezőgazdasági termelés alól kivont területeken csak 3 éves kísérleti adatokkal rendelkeznek.

A beállított kísérletek célja:

  • létesítési-, fajta-, hálózati- és hozamkísérletek, valamint üzemeltetési és költségvizsgálatok,

  • más növényekkel (Miscanthus, Triticale, cukorcirok, szudánfű, stb.) összehasonlító vizsgálatok,

  • energetikai és tüzeléstechnikai vizsgálatok végzése.

A kísérleti területeken Populus, Salix, Rbinia, Acer, Eulanthus, Paulownia fafajokkal folytak vizsgálatok és lágyszárú növényekkel történő összehasonlító hozam vizsgálatokra is sor került. [30].

A biomassza eltüzelése [2]

A biomassza energetikai hasznosításának legegyszerűbb módja a tüzelés. Az eltüzelés során nyert hőt rendszerint a hőellátásban (pl. biomassza falufűtőművek) értékesítik.

A biomassza tüzelőanyagok egyes tüzelési jellemzői eltérőek, mások közel azonosak.

A fontosabb biomassza féleségek tüzeléstechnikai jellemzői [2]

A melléktermékek fűtőértéke függ a kiinduló anyagból és a környezeti befolyásoló tényezőktől (tárolási feltételek, nedvességtartalom, stb.), elsősorban azonban a széntartalom befolyásolja. A 4.5. táblázat szerint ez az érték általában 50 % alatt van (a kőszenek széntartalma 80-92 %).

A hidrogén- és kéntartalom megközelítőleg azonos, de csekély mennyiségben van jelen. A kis kéntartalom környezetvédelmi szempontból kedvező, a kis hidrogéntartalom azonban a fűtőérték szempontjából nem előnyös.

4.5. táblázat - a biomassza féleségek tüzeléstechnikai jellemzői [3]

BiomasszaKémiai összetevők, %FűtőértékHamuIllóanyag
CHONSMJ/kg%%
Búzaszalma456,0430,60,1217,374,06,0
Kukoricaszár     17,576,03,5
Fa476,3460,160,0218,585,00,5
Kéreg475,4400,400,0616,276,09,0
Fa, kéreggel476,0440,300,5018,182,00,8
Repceolaj7712,011,0100,0035,810,00,00
Ethanol5213,0250,000,0026,910,00,00
Methanol3812,0500,000,0019,510,00,00

Az anyagok oxigéntartalma miatt az égetés során az égési levegőigény és a keletkező füstgáz mennyisége csekélyebb, mint a szenek égestésénél. A nedvességtartalom nemcsak fűtőérték-csökkentő, hanem a keletkező füstgáz mennyiségét is növeli, ami kondenzációs jelenségek miatt gondot okozhat az elvezetés során.

Fontos jellemző még a magas illótartalom. Gabonaszalma esetén például az éghető anyagok 82-86 %-os részarányából 70-80 % illó alkotó. Ezek az égés során 250-300 oC hőmérsékleten szabadulnak fel nagy mennyiségben. Ez azt jelenti, hogy az eltüzelendő anyaghoz alkalmazkodó tűzteret kell kiépíteni, ugyanis a tökéletlen égésnél mérgező CO keletkezik, kevesebb hő szabadul fel, a füstgázok éghető alkotórészeket tartalmazhatnak.

Az illó gázok elégetése miatt szekunder levegőt kell a tűztérbe juttatni. Ha ezt nem tennénk, akkor a tökéletlen égés következtében fenolvegyületek, kátrány stb. keletkeznének, amelyek a kazánfalon, illetve a kéményben lerakódhatnak. A tökéletlen égés füstgázai nagy mennyiségben tartalmaznak CO mellett port is.

Tüzelési célra hasznosítható faféleségek tüzeléstechnikai jellemzői [2]

Tüzelési célra hasznosítható faféleségek választéka széles: tűzifa, hasábfa, erdei aprítékfa, fűrészelési melléktermék. A fából nyerhető energia mennyisége a fűtőértékkel jellemezhető.

A fa fűtőértéke függ a víztartalomtól és a fa fajtájától egyaránt.

4.6. táblázat - különböző fafajták fűtőértéke [2]

FafajtaFűtőérték [kJ/kg]
Fenyők:

Jegenyefenyő

Lucfenyő

Vörösfenyő

17648

19478

16612

Lágyfák:

Fűz

Nyár

Nyír

Akác

Cser

Gyertyán

Juhar

Kőris

Tölgy

17012

17497

18439

17485

18135

17464

17774

18125

18176


A fafajták különbözősége a fűtőértékük alapján – egységnyi szárazanyagra vonatkoztatva – elhanyagolhatóan kicsi. A táblázat adatai alapján:

4,9 – 5,5 kWh/kg = 17,0 – 19,5 MJ/kg száraz fatömeg.

Számítások alkalmával a fűtőérték valamennyi fafajtára vonatkozóan az alábbi értékre vehető fel:

5,2 kWh/kg = 19 MJ/kg száraz fatömeg.

A fűtőérték változását a víztartalom függvényében a 4.6. ábra mutatja [2].

4.6. ábra - a fűtőérték változása a víztartalom függvényében

a fűtőérték változása a víztartalom függvényében


A nedvességtartalom és a fűtőérték fordítottan arányos mennyiségek. Minél több vizet tartalmaz a fa, annál kisebb lesz a fűtőértéke, mivel a víz égési folyamat során elpárolog. A fűtőérték változását a víztartalom függvényében a 4.7. táblázat mutatja.

4.7. táblázat - különböző állapotú fa fűtőértéke [2]

A fa állapotaVíztartalomFűtőérték (F)
Erdei frissességű50 – 60 %2.0 kWh/kg = 7.1 MJ/kg
Egy nyáron át tolva25 – 35 %3.4 kWh/kg = 12.2 MJ/kg
Több éven keresztül tárolva15 - 25 %2.0 kWh/kg = 14.4 MJ/kg

A víz elpárolgatásához szükséges hő (kb. 2,5 MJ/kg) veszteségként jelentkezik.

A biomassza tüzelési célú hasznosításának energetikai jellemzői:

A biomassza eredetű energiahordozók általában olcsó, decentralizált energiaforrások. A száraz biomassza fűtőértéke közel áll a közepes minőségű barnaszén energiatartalmához (17-18 MJ/kg vagy 0,41-0,43 kg OE/ kg).

A biomassza eredetű energiaforrások termelésének egyik alapvető jellemzője, hogy a területegységre vetített szárazanyaghozama (t/ha), illetve az ennek megfelelő bruttó, nettó energiahozam (tOE/ha) a hagyományos kultúrák esetében meglehetősen mérsékelt (1,5-3,5 t/ha, 0,3-1,3 tOE/ha). Ezek az értékek azonban a biológiai alapok és az agrotechnikai eljárások fejlesztésével, vagyis az energiaerdők és az energetikai növénytermesztés esetében akár 8-9 t/ha, illetve 1,7-2,6 tOE/ha értékig emelhetők. [2]

4.8. táblázat - a biomassza energiahordozók fűtőértéke és energiahozama [2]

MegnevezésNedv.tart.%Biomassza hozam t/haFűtőérték MJ/kgNettó hőérték kgOE/kg*Nettó energiahozam kgOE/ha*
Gabonaszalma10-151.5-3.515.3-16.20.29-0.31435 - 1085 HE
Rizsszalma20-251.3-3.213.5-14.40.26-0.28338 - 986 HE
Napraforgószár25-301.9-3.512.4-13.50.24-0.26456 - 910 HE
Kukoricaszár35-403.5-5.510.2-12.40.19-0.24665 - 1320 HE
Tűzifa15-252.0-2.513.5-15.30.26-0.29520 - 725 HE
Erdei fahulladék25-301.5-2.012.4-13.50.21-0.23311 - 451 HE
Erdei faapríték25-358.0-9.011.3-13.50.22-0.261760- 2610 HE
Szilázs biogázhoz-8.0-9.010.5-12.60.22-0.262000-2700 HA
Repce olajmag-1.0-1.535.6-36.80.85-0.88850 – 1320 HA
Szalma10-153.0-4.015.3-16.20.29-0.31870 – 1240 HA
Összesen -4.0-5.5--1720-2560 HAHE
Bio-ethanol-1.5-3.525.1-27.10.6-0.66900 – 2275 HA

* Hatásfok: 80 %, HE: hőenergia, HA: hajtóanyag

A viszonylag alacsony területi energiasűrűség miatt ezen energiaforrások elsősorban a kis- és közép teljesítményű, decentralizált, lokális hő- és villamosenergia-igény kielégítésére javasolhatók.

A biomassza tüzelés műszaki feltételei, technológiái [2]

A biomassza előkészítése tüzelésre

A bio-tüzelőanyagok elégetése ritkán történik eredeti formájukban. Darabolásra, aprítás, szecskázás, őrlés) és tömörítésre (bálázás, pogácsázás, pelletálás) van szükség az előkészítés során. A pelletálást és brikettálását általában a szárítás is kiegészíti, mivel a rendelkezésre álló bio-tüzelőanyagok víztartalma magasabb a technológia által megköveteltnél (20 % alatt kell lenni).

A fa aprítása

A fa aprítását szolgáló gépek különféle méretben és szerkezeti megoldással készülnek. Közöttük megtalálható a legegyszerűbb kézi működtetésű adapterektől kezdve a legbonyolultabb járva aprítógépig minden lehetséges megoldás.

A vágási ellenállás faanyagok esetében döntően a fafajtól, a fa nedvességi állapotától, az apríték hossztól, a vágókés él szögétől és él vastagságától, a vágási szögtől és a vágási sebességtől függ.

A fafaj jelentősen befolyásolja a vágási ellenállást. Azonos vizsgálati körülmények között, az erdei fenyő vágási ellenállását egységnek tekintve, a kocsánytalantölgy 1,5–1,5, az akác 1,7-2,3 vágási ellenállást mutat.

A vágási ellenállást a fa nedvességi állapota esetenként a fafajnál is nagyobb mértékben befolyásolja. Légszáraz állapotban pl. a kocsánytalan tölgy vágási ellenállás az élőnedves állapotban mért érték 1,6-1,8-szeresét is elérheti. Az apríték hossza szintén jelentős hatással van a vágási, helyesebben az aprítási ellenállásra. Az ellenőrző mérések tapasztalata szerint a 60 mm átmérőjű kocsánytalan tölgy áganyagának statikus vágásakor – 60 mm-es apríték hossz mellett – az ellenállás legnagyobb értéke esetenként a 15 mm-nél mért érték kétszeresét is meghaladta.

Az aprítógép fajlagos energiafelhasználása a gyakorlat számára reálisan az üzemi teljesítményből és a tényleges energiafelhasználási értékekből határozható meg. Az értéke több tényezőtől függ, így a fafajták, az aprítandó anyag alaki jellemzőitől (korona, törzs, teljes fa), az aprítógép kihasználtságától stb. Tájékoztató értékként keménylombosok aprításakor 10-16 kWh/m3, lágylombosok és fenyő aprításakor 8-12 kWh/m3 értéket vehetünk számításba.

Alapelvként kell azonban leszögezni, hogy ha csak egy mód van rá a keletkezett melléktermékeket és hulladékokat a keletkezési formájukban kell hasznosítani, hogy a lehető legkisebb legyen a pótlólagos energia- és költségráfordítás. Minden manipulációs művelet, feldolgozás, átalakítás többlet primer energiaráfordítást és költséget igényel.

A fakitermelésnél keletkező hulladékok (a tovább feldolgozásra alkalmatlan ágak, tuskók) túlnyomó többségét nem hasznosítják. Jelentős részük azonban a fűtőértékük 8-10 %-át kitevő energiaráfordítással faapírtékként kitermelhető és tüzelési célra hasznosítható lenne.

A gyümölcsfa nyesedék, szőlővenyige speciális gépekkel durva aprítékká dolgozható fel, ami csak kézi adagolással tüzelhető el. Az automatizált tüzelőberendezésekhez a durva aprítékok egy finomaprítási műveletnek is alá kell vetni.

Az elsődleges és másodlagos fafeldolgozás hulladékainak azonos része, amely közvetlen formában nem kerül lakossági felhasználásra illetve a fafeldolgozó üzem hő ellátására brikettálva értékesíthető tüzelési célra. Az előkészítésbe befektetett energia abban az esetben, ha szárításra is szükség van (pl.: elsődleges fafeldolgozás) a bio-tüzelőanyag fűtőértékének a 6-8 %-át is elérheti.

Újabb kísérletek alapján pl. a finomra őrült fát megnövekedett energiatartalmú, az olajéhoz és a gázéhoz hasonló lánggal, gyorsan égő fűtőanyagnak minősítik, amelynek feldolgozási ráfordítása korszerű technológiával megtérülhet. Az őrléshez az alapanyag nedvességtartalmának 20 %-nál kisebbnek kell lenni.

A tüzelés célú apríték előállításához a mobil aprítógépek felelnek meg leginkább. Jellemzőjük, hogy önálló helyváltoztatásra képesek és az aprítóhely kialakítása sem igényel különösen előkészítést. Az alapanyag koncentrációval kapcsolatos igényük is a legkisebb, így az anyagmozgatás is itt kisebb feladatot jelent. A mobil aprítógépek nagyon változatos kialakításban készülnek, mind a felépítésüket, mind a teljesítményük vonatkozásában. A következő csokrotokra oszthatók:

  • adapterek,

  • vontatható gépek,

  • önjáró célgép és

  • járvaapírtók.

Bálabontás, őrlés

A bálázva betakarított mezőgazdasági melléktermékek közvetlen tüzelésére is készülnek tüzelőberendezések. Ezekbe a kis- vagy nagybálák bontás nélkül is behelyezhetők.

A bálázott melléktermékeket a „hagyományos” tüzeléshez vagy a tömörítéses előkészítéshez (brikettálás, pellentálás) fel kell aprítani. Mindenekelőtt a bálák aprítással egybekötött felbontását kell elvégezni, erre a célra az ún. „dézsás” fogadógaratú berendezések alkalmasak leginkább. A dézsának a mérete lehetővé teszi bármelymódon betakarított melléktermék beadagolását is (ömlesztett, kis- vagy nagybála). A gyakorlatban leginkább nagybálákhoz használják. Beépíthetők gépsorba is stabil változatban, de jobban kihasználhatók a mobil berendezések. A gyors égéshez illetve pellentáláshoz a melléktermékek őrlését is el kell végezni. Erre a célra a szálastakarmányok feldolgozására kifejlesztett darálók a megfelelők. Ezek sok lemezkalapáccsal rendelkező kalapácsos daráló általában.

Biomassza előkészítése tömörítéssel

A mezőgazdasági és erdészeti melléktermékek komfort felhasználása, valamint kereskedelmi forgalomba hozatala szükségessé teszi ezen anyagok bálázásnál nagyobb mértékű tömörítését is az olcsóbb szállítás és tárolás érdekében. A nagyobb mértékű tömörítés melléktermék-nemesítési folyamat, amellyel a termék használati értéke nő. Általában kétféle technológiáról beszélünk: a brikettálásról és a pellentálásról. Biobrikettnek nevezzük az 50 mm vagy ennél nagyobb átmérőjű kör, négyszög, sokszög vagy egyéb profilú tömörítvényeket, amelyeket mező- és erdőgazdasági melléktermékből állítanak elő. Brikettet dugattyús és csigás préseken gyártanak. A tüzipellet 10-25 mm átmérőjű tömörítvény.

A melléktermékekből a biobrikettet rendszerint kötőanyag nélkül készítik. Gyakran célszerű a különböző melléktermékek összekeverése. A szalma biobrikett szilárdságát fűrészpor, fenyőfakéreg vagy vinasz hozzáadásával növelhetjük.

A növényi melléktermékekből (fűrészpor, forgács, szalma, stb.) kötőanyag hozzáadása nélkül gyártott brikett sok tekintetben előnyösebb tulajdonságú tüzelőanyag, mint a szén.

A brikett főbb jellemzői:

  • fűtőértéke a hazai barnaszeneknek felel meg (15.500-17.200 kJ/kg), de azoknál tisztább,

  • a szén 15-25 %-os hamutartalmával szemben csak 1,5-8 % hamut tartalmaz, de ezt a hamut a talaj befogadja,

  • kéntartalma 0,1-0.17 %, amely a szén kéntartalmának 15-30-ad része, a meglévő kályhákban, kazánokban a szénnel komfortosabban tüzelhető el,

  • helyben új munkahelyeket jelent, stb.

Egyedüli hátránya a szénnel szemben, hogy csapadék vagy egyéb nedvesség hatására szétesik. Csapadéktól, talajnedvességtől és egyéb (a brikett felületére csepegő) nedvességtől védett helyen azonban korlátlan ideig tárolható.

A különböző melléktermék-féleségekből készült biobrikett főbb fizikai jellemzőit a 4.9. táblázat mutatja. [3]

4.9. táblázat - biobrikett főbb fizikai és tüzeléstechnikai jellemzői

AlapanyagSűrűség kg/m3Nedvesség tartalom %Fűtőérték MJ/kgHamu tartalom %
Búzaszalma1130-13706,315,428
Szójaszalma1310-13508,714,876,5
Kukoricaszár1290-13106,215,496
Napraforgóhéj1010-13007,117,223,6
Fűrészpor, faforgács920-11106,116,841,4

Brikettálni csak a 10-15 %-os nedvességtartalmú alapanyagokat lehet, az ennél nedvesebbet a szükséges mértékig szárítani kell. Az alapanyag megfelelő nedvességtartalmát lehetőleg jó tárolással kell biztosítani, ha ez nem oldható meg minden esetben, akkor nem szabad szárító nélküli üzemet létesíteni.

A szárításhoz szükséges hőenergia valamilyen melléktermék (szalma, fahulladék, stb.) felhasználásával állítható elő a leggazdaságosabban. Ehhez olyan tüzelőberendezés a legelőnyösebb, amelyben többféle melléktermék is eltüzelhető. A brikettet ömlesztve vagy zsákolva (esetleg kötegelve) értékesítik. A nagyobb teljesítőképességű üzemeknél hűtőberendezés is része lehet a gépsornak. A dugattyús prés finom aprítású (0,3-1 cm szálhosszúságig) és 12-15 % nedvességtartalmú alapanyagot igényel. A csigás présnél elég a bálabontás (10-20 cm közötti szálhosszúság) és az optimális nedvességtartalom 20-30 %. Az alapanyag leszárítása is tulajdonképpen a kétfokozatú csigás présben megy végbe, gyakorlatilag villamos energia felhasználásával. A háromirányú préssel fűrészpor, faforgács, szalma és egyéb melléktermék brikettálását lehet elvégezni, nem igényes az alapanyag előkészítésére (80-120 mm szálhosszúság megfelelő 9, a nedvességtartalomnak azonban 18 % alatt kell lenni).

A szalmafélék bálázási illetve a szállítási és anyagmozgatási összes energiaigénye az alapanyag fűtőértékének 3-8 %-a (átlagosan 5 %). Ugyanakkor a szalmabrikett előállítás esetén a befektetett energia a biobrikett hőértékének 10-12 %-át is eléri. Fa melléktermékek brikettálásánál – mint előzőekben említettük – ez az érték 6-8 %, ugyanis ott kisebb a begyűjtésre, szállításra fordítandó energia mennyisége.

Tüzelőberendezések a biomassza eltüzelésére [2]

A biomassza (fitomassza) tüzelőanyagként történő hasznosítása elsősorban ott kedvező, ahol az új típusú tüzelőberendezés beruházója, egyúttal a bioenergia-forrás tulajdonosa is, tehát ott, ahol a biomassza keletkezik és a közelben, 20-30 km-es körzeten belül el is tüzelhető.

A biomassza (fitomassza) - mint tüzelőanyag - előnyei a hagyományos széntüzeléssel szemben:

  • megújuló energiaforrás, széndioxid kibocsátása a zárt ciklus miatt a környezetre nem káros (üvegházhatás)

  • melléktermék - tehát "gyártása" nem igényel külön energiát - szemben a költséges és a környezetet terhelő szénbányászattal

  • a bányáktól távol eső helyeken is sokkal egyenletesebb eloszlásban képződik, így szállítása kevésbé költséges

  • fűtőértéke megközelíti (13-16 MJ/kg) a barnaszenekét, és meddőt nem tartalmaz

  • hamutartalma 2-8 %, amely közvetlenül felhasználható talajjavításra

  • homogén formában (brikett, pellett, faaprítók) komfortossága azonos a szénnel, de annál sokkal környezetbarátabb, mert pora nem szennyező, kéntartalma alacsony és nem tartalmaz egyéb környezetszennyező anyagot sem

  • alkalmazásukkal elősegíthető a fenntartható fejlődés és kímélhető a Föld fosszilis tüzelőanyag tartaléka.

A biomassza tüzelőberendezések legfontosabb részegységei:

  • tüzelőanyag tároló a kitároló szerkezettel,

  • tüzelőanyag szállító rendszer,

  • tüzelőanyag és levegőadagoló rendszer,

  • hőcserélő (kazán),

  • hamu (salak) eltávolító berendezés,

  • füstgázelvezetés - kémény,

  • szabályozó és védelmi berendezés.

A biomassza (fitomassza) elégetése többféle tüzelőrendszerrel valósítható meg. Ezek a következők:

  • Felső átégetésű tüzelés. A kis kézi adagolású "mindent égető" hasábfakazánban a tüzelőanyag hosszú felhevítési idővel és nagymértékű kigázosítással jut el az égő fázisig. A légfojtással megoldott teljesítményszabályozás rossz kiégetést biztosít. Megfelelő üzem csak a névleges teljesítménynél vagy puffer tároló alkalmazásával érhető el. Teljesítmény tartomány 1 kW - 1 MW.

  • Alsó átégetésű tüzelés (4.7.a. ábra). Itt a tüzelőanyagnak csak az alsó része ég. A levegőfojtásos szabályozás nem olyan rossz elégetést eredményez, mint a felső átégetésüknél. Gyakran a rostély és a huzatcsatorna is vízhűtéses. Meghibásodási lehetőségek - hasonlóan mint az előzőnél - minimálisak. Teljesítmény tartomány: 25 kW - 2 MW.

  • Előtéttüzelő berendezések (4.7.b. ábra). itt következetes szétválasztása történt az elégetésnek és a hőcserének. Az elégetés egy elkülönített, samott falazatú tűztérben nagy égési hőmérséklet, 1000 oC felett megy végbe. A csigás adagolás esetén egynemű felaprított tüzelőanyaggal (pl. faapríték) dolgozik. Így az elégetés is tökéletes. Nagy teljesítményhatárok és viszonylag jó szabályozhatóság jellemzi. Az előtéttüzelő térben egy forró redukáló gáz képződik. Így másodlagos levegő bevezetésre van szükség. Teljesítmény tartomány: 35 kW-8 MW.

  • Izzitóteres tüzelés (4.7.c. ábra). Az elégetés egy dézsa alakú tűztérben történik. A samott-téglával kifalazott magas térben az előtéttüzelő berendezéséhez hasonló jó elégetés érhető el. Utólagosan is beépíthető egy meglévő kazánba.

  • Rostélyos tüzelés (4.7.d. ábra). A rostélyok kialakítása nagyon változatos lehet. Sík-, ferde-, lépcsős rostélyok és ezek kombinációi merev kivitelben, mozgatható kivitelek, mint henger-, teljes vagy részadagoló rostély (pl. szalagformájú láncrostély, stb.). A kiviteli formától függően magasabb nedvességtartalmú melléktermékeknél is alkalmazható. Teljesítmény tartomány: 200 kW - több MW.

  • Befúvásos tüzelés (4.7.e. ábra). Kimondottan száraz és apró szemcsés tüzelőanyag használható fel. Főképpen nagyüzemű berendezésként használják. Itt nagyobb a lehetősége annak, hogy a füstgázzal együtt apróbb részecskék is távoznak a tűztérből. A füstgáztisztítással szemben nagyobbak a követelmények.

  • Örvényrétegű tüzelés (4.7.f ábra). Ez a tüzelési rendszer is mind többször kerül az érdeklődés előterébe. Az örvényréteg biztosítja az alsó tűztérben a magas egyöntetű hőmérsékletet, ami a tökéletes elégetés feltétele. Ennél a tüzelési módnál is több variáció található meg, nevezetesen az örvényrétegű (mely egyszerű és olcsó berendezés és a kisebb teljesítményű berendezéseknél alkalmazható), valamint a felülről induló örvényrétegű, mely a nagyobb teljesítményeknél alkalmazható. Az örvényrétegű tüzelést elsősorban a több MW-os nagyberendezéseknél használják, de a kutatások a kisebb teljesítményeknél történő használatuk tekintetében is eredménnyel kecsegtetnek.

4.7. ábra - biomassza tüzelő berendezések [2]

biomassza tüzelő berendezések [2]


A 4.8. ábrán a biomassza közvetlen eltüzelésére szolgáló korszerű berendezések elvi kialakítására látunk két példát. Az a) változat kézi adagolású, mely nem igényli a tüzelőanyag túlzott mértékű aprítását, a b) változat viszont gépesített adagolással ellátott. Mindkét megoldásnál sor kerül a másodlagos (szekunder) levegő előmelegítésére is.

4.8. ábra - biomassza közvetlen eltüzelésére szolgáló berendezések elvi vázlata

biomassza közvetlen eltüzelésére szolgáló berendezések elvi vázlata


A 4.8. ábra jelölései: 1. elsődleges levegő, 2. égetőkamra, 3. előmelegített másodlagos levegő, 4. lánckiégető zóna, 5. hőcserélő, 6. apríték adagoló csiga.

Az alsó- és felsőátégetésű tüzelést megvalósító berendezések készülnek különböző méretűre bálázott melléktermékek közvetlen eltüzelésére is. A 4.9. ábrán egy ilyen alsóátégetésű bálatüzelő kazán látható.

4.9. ábra - alsóátégetésű bálatüzelő kazán

alsóátégetésű bálatüzelő kazán


Az átégető tüzelésű kazánokkal folyamatos hőtermelés valósítható meg. A teljesítmény - mint említettük - a levegő mennyiségének változtatásával (fojtás) csak kismértékben szabályozható, ugyanis az égéshez szükséges oxigén viszonylag nagy mennyiségben van jelen magában a tüzelőanyagban. Fojtással a tüzelés minősége romlik.

A biomassza tüzelésnél a hőtermelés szabályozása a tűztérbe bejuttatandó tüzelőanyag mennyiségének a változtatásával valósítható meg leginkább. A költséges adagolóberendezések miatt kezdetben csak a nagyobb teljesítményű berendezéseknél használták. Ma már a kisebb teljesítményeknél is mind általánosabbá válik.

A szabályozott üzemű melléktermék tüzelő berendezések csoportjában az előtéttüzelők sikeresen alkalmazhatók a kisebb teljesítményigénynél is. Az előtéttüzelő berendezéseket elsősorban faapríték eltüzelésénél használják, de készültek bála, pellet stb. tüzelésére is. (20 - 120 kW teljesítmény tartomány).

A biomassza tüzelésnél a füstgázokkal szilárd részecskék (pernye, por) is távoznak a hőhasznosító berendezésekből. Leválasztásukra un. pernye ciklont kell alkalmazni. Fokozott környezetvédelmi előírások esetén szűrők beépítésére is sor kerülhet. A modern tüzelőberendezés szabályozó rendszere - a technika mai állása szerint - folyamatos mikroprocesszoros teljesítményellenőrzésen (Fuzzy-logik) és lambda-szondás füstgáz elemzésen alapul.

A szabályozás a gyakorlatban szigorúan meghatározza a káros anyag kibocsátást és a tüzelés hatásfokát. Különbséget kell tenni a teljesítmény- és az égésszabályozás között.

A teljesítményszabályozás a napi és a szezonális hőingadozás kiegyenlítésére szolgáló hő teljesítmény beállítása. Ez közvetlenül a pillanatnyilag szükséges hő teljesítményhez elégetendő tüzelőanyag szabályozásával vagy a puffer tároló segítségével (ha a hőigény 50 % alá esik) közvetetten valósítható meg.

Az égésszabályozással ugyanakkor a káros anyag kibocsátás minimalizálása a cél, melyet általában az égéshez juttatott levegő szükséges mértékre történő szabályozásával érnek el.

A fatüzelésnél a közelmúltig az égéshez szükséges levegőmennyiség beállítása egyetlen légszelep segítségével történt, a primer- és szekunder levegő arányának változtatására nem volt mód. A szabályozásnak ez a módja nincs tekintettel a mindenkori égéstér-viszonyokra (tüzelőanyag minőség-, mennyiség- jelleg) és oda vezet, hogy a nem optimális elégetés következtében csökken a hatásfok és megnő a károsanyag kibocsátás.

A kazán hasznosításánál az egyetlen beállítási értéket figyelembe vevő szabályozásnál fennáll a veszélye annak, hogy a tüzelőberendezés ki-be kapcsolásos üzemben, ellenőrizetlen átmeneti szakaszokban megemelt károsanyag kibocsátással üzemel. A víz térfogatáramának, az elmenő- és visszatérő hőmérsékletének figyelembevételével kialakított teljesítményszabályozás ezt a hibaforrást kiküszöböli.

A jó hatásfok és tökéletes tüzelőanyag kiégetés elérés érdekében a primer és szekunder levegő adagolásának arányát is szabályozni kell. A szabályozás vezérlőszerkezetének minél több mért információt kell kapnia (pl.: a füstgáz CO, - CO2, - NOx és egyéb oxidálható anyag tartalma stb.).

A fenti szabályozási elvek megtalálhatók a legújabb un. harmadik generációs készülékeknél (Holzvergaserkessel). Ezek a készülékek kielégítik a mai szigorú emissziós előírásokat is.

Teljesítmény tartományuk: 10-80 kW.

A kisteljesítményű tüzelő berendezések körét a 4 kW - 140 kW termikus teljesítményhatárú tüzelőberendezések jelentik.

Ezek károsanyag kibocsátására Magyarországon jelenleg nincs szabályozás. Ebben a körben is a fokozatos károsanyag-kibocsátás szigorítás a cél.

A biomassza tüzelésének környezetvédelmi kérdései [2]

Emissziós határértékek és egyéb előírások Magyarországon

Ma Magyarországon a biomassza tüzelésű erőművekre vonatkozó levegő védelmi engedélyt un. „LENG” engedélyt a 21/2001. kormányrendelet 4.1. melléklete alapján kell összeállítani. Az ide vonatkozó kibocsátásokat a 23/2001. KöM rendelet 1. melléklete tartalmazza.

A 140 kW-nál nagyobb hő teljesítményű tüzelőberendezések károsanyag-kibocsátás határértékének meghatározását a Környezetvédelmi Természetvédelmi és Vízügyi Felügyelőségtől kell kérni. (140 kW hő teljesítményig jelenleg ilyen kötelezettség jelenleg nincs. Az új szabályozás kidolgozása folyamatban van)

Az emisszióval kapcsolatban szükségesnek tartjuk megjegyezni a következőket:

  • A károsanyag-kibocsátás mértékét a tüzelőberendezés mérete (névleges hő teljesítménye) nagymértékben befolyásolja. A nagyobb berendezéseknél ez kedvezőbb.

  • Az emisszió függ a berendezés üzemétől. A kézi táplálású és kézi működtetésű illetve szakaszos üzemű berendezéseknél sokkal rosszabbak a mutatók, mint a gépi táplálású automatikus és folyamatos működésű berendezéseké.

  • A teljesítmény kihasználás mértéke is befolyásolja az emissziót. Részterheléssel működtetve az egyes - elsősorban elsőgenerációs - fűtőberendezéseket a hatásfokuk romlik, a károsanyag-kibocsátásuk növekszik. A korszerű, szabályozó berendezéssel felszerelt második és harmadik generációs fűtőberendezések névleges teljesítményük 50 %-ig visszaszabályozhatók, a tüzelés minőségének romlása nélkül. Ennél nagyobb mértékű teljesítményigény ingadozás esetén puffer hőtároló egységgel javasolják kiegészíteni.

Emisszió határértékére vonatkozó külföldi előírások [2]

Ausztriában az emissziós határértékeket tüzelőanyag féleségenként (folyékony, gáznemű, szilárd) írják elő. A 4.10. táblázatban csak a szilárd energiahordozókra vonatkozó határértékeket mutatjuk be.

4.10. táblázat - emissziós határértékek Ausztriában

 Emissziós határérték
CO [mg/MJ]NOx [mg/MJ]HC [mg/MJ]Por [mg/MJ]Korom szám
Kézi működtetésűbio-tüzelőanyag2.70060130100-
Fosszilis tüzelőanyag4.00060600100-
1995. I.1-től minden tüzelőanyagra1.300708080-
Automatikus működtetésűbio-tüzelőanyag4007040100 
Fosszilis tüzelőanyag7007040100 
1995. I.1-től minden tüzelőanyagra2001004080 

A németországi (TA-Luft) előírások a különböző tüzelőanyaggal üzemelő kisteljesítményű kazánokra a 4.11. táblázatban láthatók.

4.11. táblázat - TA-LUFT előírások kisteljesítményű tüzelő berendezésekre

TüzelőanyagHőteljesítmény [kW]Emissziós határértékek [mg/m3]*
porCONOxSO2
Tüzelőolaj Smax = 0,2 %5-5050170250300
Fűtőolaj1-50801704501700
Földgáz10-100510020035
Biomassza-500250150-

Megjegyzés: * az értékek 3 tf% O2 tartalmú füstgázra vonatkoznak

A biomassza (faféleségek és szalma) tüzelés környezetvédelmi kérdései [2][11]

Tüzelés célú felhasználásuk környezetvédelmi előnyei közül legfontosabb a CO2-semlegesség.

Mindenekelőtt ki kell emelni a biomassza energetikai felhasználásánál azt a nagy előnyt, hogy "CO2-semleges". Elégetésükkor (vagy származékaik elégetésekor) csak annyi szén-dioxid termelődik, amennyit a növény a fotoszintézis során felhasznált. Természetesen a termelésüknek, begyűjtésüknek, előkészítésüknek illetve szállításuknak van energiaszükséglete - ezen keresztül bizonyos mértékű CO2 kibocsátással számolni kell.

Ezért is kell törekedni a következőkre:

  • a melléktermékeket, hulladékokat lehetőleg a keletkezési formájukban hasznosítsuk, hogy minél kisebb legyen a pótlólagos energia és költségráfordítás.

  • az eltüzelésre történő előkészítés - ha csak egyéb indok nem merül fel - az aprításos (fa apríték készítés, bálabontás) illetve a bálázáson kívül egyéb energiaigényes műveletre ne terjedjen ki.

  • az energetikai célú növénytermesztésnél törekedni kell a minél kisebb energiainputot igénylő termeléstechnológiák alkalmazására.

  • felhasználásukra lehetőleg a keletkezési helyük közelében kerüljön sor. Szállításuknál a 15-20 km távolságot lehetőleg ne léjük túl (csak gazdaságossági szempontból természetesen, ennél nagyobb távolságok is indokoltak lehetnek).

Az eltüzelésükkor keletkező hamu környezetbarát

A biomassza eltüzelésekor is jelentős hamutartalommal (2-9 tömeg %) kell számolni, azonban ez a hamu környezetbarát. Káliumtartalmánál fogva felhasználható a talajerő visszapótlásban. A fosszilis energiahordozók közül a szénnek van csak jelentős hamutartalma, több mint a biomasszáé (14 tömeg % átlagosan). Ezt a hamut (salakot) azonban káros anyag tartalma miatt (S, stb.) környezetszennyező anyagnak kell tekinteni.

Minimális kéntartalommal rendelkeznek

A tüzelési célra felhasznált biomassza féleségek kéntartalma minimális, általában 0,1 % alatt van. Így kéntartalma gyakorlatilag sem a hamunak, sem a füstnek nincs.

A szenek viszont jelentős kéntartalommal rendelkeznek, világátlagban elérik a 2,5 tömeg %-ot. Magyarországon található 3-4 tömeg %-os kéntartalmú szén is. A kéntartalom egy része éghető, amely része füstgázban SO2 formájában jelenik meg, még a nem éghető rész a hamu szennyezőanyag tartalmát növeli.

A tüzelés céljára felhasznált olajszármazékok kéntartalma is jelentős lehet. Amíg a könnyű kénmentes tüzelőolajok kéntartalma jóval az 1 % alatt van (általában néhány tizedszázalék), addig a különböző fűtőolajoknál az érték 1-5 százalékot is elérhet.

Így megállapítható, hogy biomassza eredetű tüzelőanyagok felhasználásával a környezetszennyezés mértéke jelentősen csökkenthető.

Példaként szolgálhat, hogy 1 millió tonna hazai barnaszén kb. 1,3 millió tonna biomasszával helyettesíthető. Ugyanakkor az 1 millió t barnaszénben lévő mintegy 30.000 t kén nem kerül ki a környezetbe a füstgázokkal illetve a hamuval.

Emisszió értékek biomassza tüzelésnél

A biomassza tüzeléskor az emisszió értékek általában sokkal kedvezőbben alakulnak, mint a hagyományos fűtési rendszereknél. Ugyanakkor egyes szennyezőanyagoknál többletkibocsátással is kell számolni (pl. NOx, por).

Bizonyos bio-tüzelőanyagok (darabos fa, brikett, stb.) a hagyományos széntüzelésű tüzelő berendezésekben (kályhák) is elégethetők. Ilyenkor azonban az illóanyagok fűtőértékének nagy része nem hasznosul, a füstgázzal együtt távozik. A füstgázok környezetszennyező-anyag tartalma ekkor is kissebb, mint széntüzelés esetén, de sokkal rosszabb annál, minthogy speciális tüzelőberendezésben vagy nagyobb teljesítményű kazánokban tüzelnénk el.

A különböző fűtési és távfűtési rendszerek emisszió kibocsátásának összehasonlítására szintén ausztriai adatokat mutatunk be (4.12. táblázat). A táblázat mérési eredmények középértékeit tartalmazza 1 TJ nettó hőenergiára vonatkoztatva.

4.12. táblázat - károsanyag kibocsátás [kg/TJ] [2]

 OlajtüzelésGáztüzelésHagyományos faapríték tüzelésModern faapríték tüzelés
SO2 14001010
NOx 404000
CO505036616
CO2 78.00052.00000
Por50144
Cx Hy 10592

Természetesen a fa vagy faapríték tüzelésekor is van CO2 kibocsátás. A biomasszánál nem számolnak vele (0-nak veszik), mivel CO2 - semleges, így légkört ezzel a szennyező anyaggal nem terheli.

A CO határértékek a hő teljesítménnyel fordított arányban erősen változnak és 5 MW fölött a megengedett por kibocsátás is a harmadára csökken. Az osztrák előírások általában jóval szigorúbbak, mint a németországiak.

A már néhány országban érvényben lévő és az EU-ban várhatóan elfogadásra kerülő szigorú emissziós határértékeknek a jelenlegi tüzelőberendezések - ezek között is elsősorban a szilárd tüzelőanyaggal (szén, biomassza) üzemelők - többsége nem felel meg. A kis- és középteljesítményű biomassza tüzelőberendezések közül csak a legkorszerűbb un. harmadik generációs berendezések képesek az előírásokat teljesíteni.

Az MSZ EN 303-5/1999 szerint a szilárd tüzelőanyagokkal üzemelő legfeljebb 300 kW névleges teljesítményű kazánok kibocsátási határértékeit a 4.13. táblázat mutatja.

4.13. táblázat - MSZ EN 303-5/1999 szilárd tüzelőanyagokkal üzemelő legteljesebb 300 kW névleges teljesítményű kazánok kibocsátási határértékei

AdagolásTüzelőanyagNévleges hőteljesítményKibocsátási határértékek
COOGCPor
mg/m3 10 % O2 mellett
1. osztály2. osztály3.osztály1. osztály2. osztály3. osztály1. osztály2. osztály3. osztály
kézibiogén≤5025000800050002000300150200180150
>50-től 150-ig12500500025001500200100200180150
>150-től 3000-ig12500200012001500200100200180150
fosszilis≤5025000800050002000300150180150125
>50-től 150-ig12500500025001500200100180150125
>150-től 3000-ig12500200012001500200100180150125
automatikusbiogén≤5015000500030001750200100200180150
>50-től 150-ig1250045002500125015080200180150
>150-től 3000-ig1250020001200125015080200180150
biogén≤5015000500030001750200100180150125
>50-től 150-ig1250045002500125015080180150125
>150-től 3000-ig1250020001200125015080180150125
1*) száraz eltávozó gázra vonatkoztatva, 0 oC, 1013 bar

Végezetül összehasonlító táblázatot közlünk a különböző teljesítményű fosszilis illetve megújuló energiával üzemeltetett energiaátalakító berendezések által kibocsájtott károsanyagokról. (4.14. táblázat)

4.14. táblázat - különböző energiahordozóval működő tüzelőberendezések károsanyag kibocsátásának összehasonlítása [2]

Berendezés/TüzelőanyagBiomassza-fűtőmű Biomassza-fűtőmű összesenSzén fűtő erőműFöldgáz fűtő erőműFöldgáz blokkfűtő erőműFöldgáz központi fűtésTüzelőolajFatüzelésű központi fűtés
Berendezés teljesítmény/ParaméterKözepes emisszióKözepes emisszióKözepes emisszióKözepes emisszióKözepes emisszióKözepes emisszióKözepes emisszióKözepes emisszió (hasábfa)
 1 MW-ig1-4 MW4 MW felett       
kazánteljesítmény       
[tonna/TJ]          
CO220920020020229613011587144186
[kg/TJ]          
Por14612249101280009273
CO6023947544228151118411110.022
NOx (mint NO2)208234323260166175128757491
TOC (Total Organic Carbon)158583111818137
SO2 (füstgáz+por)555229451805438955
Cl (füstgáz+por)88572500004
[g/TJ]          
F2762652652681,5230000273
Benzo(a)pyrén1,20,20,0060,3410,1380,0750,2210,3351,29282
PAH69130,720,6nincs adatnincs adatnincs adatnincs adatnincs adat1,093
Pameg Toxikus egyeenérték/TJ          
PCDD/DF0,2030,0370,0300,070nincs adatnincs adatnincs adatnincs adat0,0060,364

A biomassza tüzelőanyagú kapcsolt hő- és villamosenergia termelés [6]

A biomassza energetikai hasznosításának legfontosabb célja az ausztriai több mint húsz éves tapasztalatok (Holzweg, Steiermark) alapján a munkahelyteremtés és a nagyarányú földgáz-felhasználás csökkentése lehet. A hazai biomassza hasznosítás mai iránya rossz, mert az utóbbi időben a biomassza felhasználás nagyrészt a kis hatásfokú fatüzelésű erőművekben illetve a széntüzeléssel kapcsolt fatüzelésű erőművekben együttégetés növekedett. A fafelhasználás 2009-ben ezekben az erőművekben megközelítette a 900 000 tonnát.

A biomasszával elérhető fajlagos földgáz kiváltás jelentősen eltér hőellátás, villamosenergia-termelés és kapcsolt energiatermelés esetén.

A biomassza-hasznosításkor elérhető fajlagos földgáz kiváltás adatait hőellátás, villamosenergia-termelés és kapcsolt energiatermelés esetére a 4.15. táblázat mutatja.

4.15. táblázat - biomassza hasznosításkor elérhető fajlagos földgáz-kiváltás [6][9]

 Hatásfok biomassza eseténHatásfok földgáz eseténFajlagos földgáz kiváltás ηUG (%)
Hőellátás 0,860,9096
Kapcsolt energia-termelés  102-106
Villamosenergia-termelés0,22–0,280,52542-53

A hasznosított biomasszával jó hatásfokú hőellátás esetén közel azonos mennyiségű 96 %, míg a rossz hatásfokú villamosenergia-termelés során csak mintegy fele arányú 42-53 % földgázt lehet kiváltani.

Biomassza hasznosítás a hő ellátásban (távhő ellátás) [9]

Biomassza hasznosítás esetén a távhő ellátás az egyedi fűtéssel szemben indokolja, hogy a biomassza tüzelőanyagú nagyteljesítményű kazánokban többféle, kisebb előkészítettségű biomassza (hulladék) eltüzelhető. Ezek ára kisebb: pBt = 1000 Ft/GJ, a kazánhatásfok ηBt = 0,84. A fajlagos évi tüzelőköltség-megtakarítás

Ft/kW, év

Ez az évi fajlagos tüzelőköltség-megtakarítás – 5-10 év megtérülési idő esetén – a távhő rendszer kiépítésére mintegy bm = 85-170 000 Ft/kW fajlagos beruházási költségtöbbletet enged meg. Ez egy 1 MW teljesítményű falufűtőmű esetén 170 MFt/MW fajlagos beruházási kötőséget jelent. Ma egy 1 MW teljesítményű korszerű biomassza fűtőmű beruházási költsége 360 MFt (Pannonhalmi Főapátság 2009.). 50 %-os beruházási támogatás esetén a kisebb vidéki településeken célszerű a családi házaknál a földgáz tüzelőanyagú fűtésről rögtön biomassza falu fűtőműves energiaellátásra áttérni.

A biomassza alapú kapcsolt energiatermelés biomassza alapú távfűtésnél [9]

A kapcsolt energiatermeléssel elérhető évi fajlagos, 1 kW kapcsolt villamos teljesítményre vonatkoztatott tüzelőköltség megtakarítás

Ft/kW, év

illetve az 1 kW kapcsolt hő teljesítményre vetítve

Ft/kW, év

ahol:τkp = 4160 h/év a kapcsolat energiatermelés évi kihasználási időtartama

a fűtőerőmű mennyiségi hatásfoka

a kapcsoltan termelt energia aránya

ηKE = 0,27 a kiváltott biomassza erőmű hatásfoka

Dr. Büki „Megújuló energiák hasznosításának helyzete és jövőképe” (Magyar Energetika 2010/1-2.) szerint:

  • a kapcsolt villamos teljesítményre vetített fajlagos évi tüzelőköltség-megtakarítás (35000 Ft/kW, év) – 5-10 év megtérülési idő esetén – a kapcsolt villamosenergia-termelés kiépítésére mintegy 175-350000 Ft/kW fajlagos beruházási többletköltséget enged meg, ami a többlet beruházási költségek (turbina, generátor) fedezetére elegendő.

  • A kapcsolt hő teljesítményre vetített évi költségmegtakarítás és a megengedhető fajlagos beruházási költségtöbblet arányosan nő a biomassza fűtőerőmű kapcsolt energia arányával. Úgy tűnik, hogy a biomassza tüzelőanyagú távhő rendszerekben a kapcsolt energiatermelést érdemes megvalósítani és indokolt ösztönözni.

  • Ma a kisteljesítményű biomassza fűtőerőművek alkalmas megoldását keresik. A szóba jöhető megoldások kapcsolat energetikai mutatóit a 4.16. táblázat mutatja.

4.16. táblázat - kis teljesítményű fűtőerőművek jellemző energetikai mutatói [9]

 Mennyiségi hatásfok ηmKapcsolt energia arány σ
Külső hevítésű Stirling motor0,840,2
Ellennyomású vízgőz erőmű0,840,24
ORC körfolyamat 0,840,27
Kalina körfolyamat0,840,3

A kisteljesítményű biomassza fűtőerőművek kapcsolt energiaaránya lényegesen kisebb, mint a jelenlegi földgáz tüzelőanyagú fűtőerőművek (gázturbinák, gázmotorok, kombinált gáz/gőzerőművek). A hasznos hőre vetített fajlagos energia-megtakarítás:

A fajlagos energia megtakarítás a σ értékkel lineárisan nő, tehát a mai biomassza tüzelőanyagú kapcsolt energiaarányát növelni kell. A kisteljesítményű biomassza fűtőerőmű széleskörű alkalmazásra megfelelő megoldása még nem áll rendelkezésre. A megfelelő típus kifejlesztése a mai K+F egyik legfontosabb feladata lehet.

Nagy teljesítményű fosszilis tüzelőanyagú erőművek átállítása biomassza tüzelésre

Néhány nyugat-európai nagyvárosban a korábbi szén illetve olajtüzelésű fűtőerőművet átállítottak biomassza tüzelésre (pl.: Ulm) illetve biomassza bázisra épített új fűtőerőművet (Stadtwerke Wien, Fernwärme Wien) Magyarországon pl. a Mátrai Erőmű esetében (960 MW) a széntüzelés (lignit) teljes kiváltásához (durva számítás szerint) mintegy 120 km átmérőjű körnek megfelelő nagyságú területen kellene energiaerdőt telepíteni az erőmű körül.

Ugyancsak irracionális hosszabb távon az alacsony hatásfokú széntüzelésű erőművekben a biomassza szénnel történő együttégetése [Dr. Grabner – Tóth T.]

A magyarországi biomassza tüzelésű erőművek legfontosabb műszaki és termelési adatait a 4.17. táblázat mutatja (MAVIR Zrt. 2008. március 31-ig beérkezett havi műszaki jelentések alapján).

4.17. táblázat - Magyarországi biomassza tüzelésű erőművek (2007) (forrás: Bohoczki KHEM)

Teljesítőképesség, MWVillamos energia, GWhHő, TJKihasználásFelhasznált energia, TJHatásfok, %
bruttónettógéptermeltkiadottkapcsoltkiadotteladotth/amértmindarány
1Pannongreen, Pécs49,9048,001382,38335,0020,2031231276634663467399,8%32,54
2Bakony Bioenergia30,0027,001217,70194,3900072572854301394,7%24,52
3Bunge-Martfű3,603,5028,0108,01768768222595896099,8%83,18
4Szentendre1,361,1614,034,034,037070296326126598,5%32,38
5Ajkai Erőmű19,5311,89133,2920,2617,7054154117041136590319,2%54,04
6Borsodi Erőmű69,6757,225177,58145,855,5977077025493767740850,9%34,38
7Tiszapalkonyai Er.3,513,0525,684,930,298816199453701,8%27,33
8Oroszlányi Erőmű24,2721,161149,03129,9825,683636614117961776310,1%28,06
9Mátrai Erőmű62,0654,922406,55359,761,28151165514034612286,6%32,38
 Összes szilárd bio263,90227,90161384,251194,282,82520251652451956310658318,4%34,83

A biogáz termelés, a biogáz felhasználása [4]

A biogáz termeléséről, felhasználásáról dr. Bai Attila szerkesztésében „A biogáz” címmel a Száz magyar falu Könyvesháza Kht. kiadásában, a Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal támogatásával alapműnek tekinthető könyv került kiadásra (ISBN 978-963-7024-30-6, Budapest 2007.) A terjedelmi korlátok miatt a biogáz termelésével, felhasználásával kapcsolatosan csak a legszükségesebbnek ítélt ismereteket foglaljuk össze.

A biomassza hasznosítás potenciálja biogáz termelésre [4]

4.10. ábra - a biohulladékok hasznosításának integrált gazdasági körfolyamata

a biohulladékok hasznosításának integrált gazdasági körfolyamata


A becsült teljes biogáz potenciál az FVM és az MTA Megújuló Energetikai Technológiák Albizottság által 2005-ben készített tanulmány szerint 25-48 PJ/év értékre becsülhető.

A biogáz elsősorban a mezőgazdaságból származó másodlagos biomasszából (elsősorban állati eredetű szerves trágya) anaerob fermentálással nyerhető.

A biogáz előállításának egyéb alapanyagai:

  • mezőgazdasági melléktermékek

  • élelmiszeripari melléktermékek

  • lejárt szavatosságú élelmiszerek

  • biomassza céljára termelt növények

  • kommunális hulladék szerves része

  • települési szennyvíziszap

Ezek célirányos feldolgozása során gáz halmazállapotú energiahordozók állíthatók elő. Ezek a gáznemű energiahordozók két nagy csoportba sorolhatók, nevezetesen:

  • biokémiai (anaerob fermentációs) eljárások eredményeként képződő biogáz

  • termokémiai (pirolitikus és gázosítási) folyamatokban keletkező gázok.

Ezek közül a gáznemű energiahordozók közül a biogáz a legértékesebb, a továbbiakban a terjedelmi korlátok miatt csak ezzel foglalkozunk. A pirolízis és az elgázosítás technológiai egyaránt tőkeigényesek, elsősorban települési hulladékok feldolgozására javasolhatók. A biogáz termelési technológiák elsősorban mezőgazdasági üzemekben, farmgazdaságokban alkalmazhatók.

A biogáz keletkezése [2]

A biogáz a mikroorganizmusok, metanogén baktériumok életműködésének a terméke. A mentán baktériumok természetes életteret lelnek a mocsarakban, tenger mélyén és a bélrendszerben, kiváltképp a kérődzőknél. Ezeken a természetes életterekben találhatók meg a mentán baktériumok létezésének élőfeltételei.

A mentán baktériumok élete anaerob körülmények nélkül elképzelhetetlen, azaz csak oxigéntől elzártan életképesek. Nedves közegre is szükségük van, létezésükhöz a kirothasztandó anyagok nedvességtartalmának 50 % felett kell lennie.

Életfeltételük fény hatására is csökken, létezésük harmadik feltétele tehát a sötétség.

További körülmények:

  • megfelelően nagy telepítési felület.

  • elegendő nitrogéntartalom a sejtek felépítéséhez.

  • lúgos közeg (ph 7,0-7,6 között).

  • 3 oC feletti hőmérséklet.

• Biogázt előállító metanogén baktériumok

A mentán baktériumoknak jelenleg tíz különböző fajtáját tudjuk megkülönböztetni. Ezek az élőlények heterotróf növények, szénszükségletüket szerves anyagból fedezik.

Tápanyagszállításuk ozmózissal meg végbe, mivel a sejtnedv általában nagyobb koncentrációjú, mint a környezet. Sejtmembránjaik pórusain át a víz és az oldott tápanyagok a sejtek belsejében jutnak, a disszimiláció végtermékei pedig kiléphetnek. A baktériumok kémiai összetétele hasonló a többi élőlényéhez. A szilárdanyag-tartalom átlagosan 53 %-át a széntartalom adja, míg a víztartalom 73-88 % körül ingadozik.

• Baktériumok szaporodása

A baktériumsejt élete során a következő fejlődési szakaszon megy keresztül:

  • megduzzadás vízfelvétel révén,

  • fejlődés és növekedés,

  • kifejlődött sejtek osztódása.

A baktériumok tehát a sejtosztódással szaporodnak, melynek mértéke a rendelkezésre álló táptalajtól függ.

• A biogáz termelés kémiája, mikrobiológiája

Az anyagcsere fogalma a baktériumok létezéséhez szükséges biokémiai folyamatok összességét foglalja magába.

A számításba jöhető szerves anyagok többnyire nagy molekulájú vegyületekből épülnek fel. A metánbaktériumok azonban nem képesek ilyen nagy molekulájú anyagokat felvenni. Ezért a metánná és szén-dioxiddá való anaerob rothasztáskor ezek az anyagok egy többlépcsős bontási folyamaton mennek keresztül, melynek során a nagy molekulájú vegyületek kismolekulájú zsírsavakká és alkoholokká alakulnak, amit a metánbaktériumok már közvetlenül fel tudnak venni.

A biogáz-előállítás szempontjából a legfontosabb három fő vegyületcsoport: szénhidrátok, fehérjék és zsírok. Az említett vegyületek teljes anaerob erjedési folyamatának biokémiája és mikrobiológiája még nem teljesen tisztázott.

A biogáz képződés teljes folyamata alapvetően két szakaszra osztható: az első egy fermentációs biokémiai folyamat (savas erjedés), amely nagy molekulájú szerves anyagok lebontását, feltárását jelenti. A lebontást a savképző baktériumok végzik, jelentősebb csoportjuk:

  • Lactobacillusok

  • Propionibacteriumok

  • Enterobacteriumok

Ezek a baktériumok exoenzimek segítségével a bonyolultabb molekulaláncot bontják.

A második szakaszban további baktériumcsoportok endoenzimek segítségével intracellulárisan az egyszerűbb molekulákat építik le. Így ezek a baktériumok a szerves anyagokat oldható zsírsavakra, alkoholra, szén-dioxidra, hidrogénre, hidrogén-szulfidra, stb. bontják. A folyamat végeredménye a főleg metánból és szén-dioxidból álló, energetikai célokra hasznosítható metángáz.

A szerves anyagok anaerob lebomlásának egyszerűsített folyamatát a 4.11. ábra mutatja.

• A fermentációs befolyásoló tényezők

Az anaerob és nedves körülmények valamint a sötétség mellett a következő tényezőknek van döntő szerepe az anyagcsere folyamatokban:

  • Hőmérséklet

  • Nedvességtartalom

  • Tápanyagtartalom

4.11. ábra - a biogáz képződés szakaszai és fázisai [3]

a biogáz képződés szakaszai és fázisai [3]


• A hőmérséklet

A biogáz előállítás mikrobiológiai folyamatainak és technológiáinak legfontosabb tényezője a hőmérséklet.

A kémiai reakció sebessége, a termelhető gáz mennyisége a különböző hőmérsékleti tartományokban eltérő.

Mezofil eljárás

A mezofil folyamatok 33-40 oC között zajlanak le. A dán technológiák többnyire ezt az eljárást alkalmazzák.

Termofil eljárás

A termofil erjesztés 40-66 oC között megy végbe. A folyamat kevesebb időt vesz igénybe, mivel a mikrobiológiai reakció sebessége nagyobb. A fejlődő gáz mennyisége akár 30-40 %-al több ugyanolyan szerves anyag lebontása esetén. Ezzel szemben a hőmérséklet optimum fenntartása nagyobb szabályozottságot igényel. A termofil mikroorganizmusok ugyanis érzékenyebbek a külső körülményekkel szemben. Ez bonyolultabb erjesztő berendezés telepítését vonja maga után. A termofil eljárás olyan esetben célszerű, ha valamilyen termelési folyamatból kikerülő meleg szerves hulladékot közvetlenül a fermentálóba lehet adagolni. Az erjesztési folyamat megindításánál a hőmérsékletet csak lassan szabad emelni, maximálisan napi 2 oC-kal. Az optimum elérése után az egyenletes hőmérséklet fenntartása a folyamat hatékonysága szempontjából elengedhetetlen. Az optimum tartományon belül bekövetkező hőingadozás is a metán képződés csökkenéséhez vezet, a gyakori hőmérsékletingadozás pedig a biokémiai egyensúly felbomlását eredményezheti. A hőmérséklet 4 illetve 15 oC-ig történő csökkenése – a metán termelés leállása esetén – nem okozza a mezofil, vagy a termofil mikroorganizmusok pusztulását, csak tevékenységük csökken erősen, latens állapotba kerülnek. Ebből következik, hogy a folyamat hosszabb szünet esetén is újra beindítható külön oldóanyag adagolása nélkül.

• Nedvességtartalom

A mikroszervezetek szempontjából is fontos tényező, ha kihat a telepítendő technológiára is. Az élő szervezetek működéséhez szükséges nedvesség megítélésében ma már elég tág határok vannak: 0,1 % szárazanyagtól egészen 40-50 %-ig előfordulnak lehetőségek.

• Tápanyagtartalom

A tápanyagtartalom a mikroorganizmusok életfunkcióinak energiaszükségletét, sejtjeik felépítését szolgálja. A tápanyagtartalom szempontjából fontos tényező a nitrogén-szén arány. A szervezetek sejtjeinek felépítésének ugyanis nitrogénre van szükség.

A N/C arány szabályozásának, kívánt értékre állításának legegyszerűbb módja a különböző hulladékok keverése. A 4.18. táblázat egyes biomassza fajták N/C arányát szemlélteti.

4.18. táblázat - biomassza fajták N/C aránya [2]

Szerves anyagN/C arány
emberi ürülék0,1...0,17
tehéntrágya0,06...0,04
disznótrágya0,08...0,16
baromfitrágya0,14...0,2
széna0,08...0,04
alga0,01
zabszalma0,02
cukornádszár0,007

• A biogáz, mint végtermék

A biogáz szerves anyagok anaerob baktériumos erjedésekor keletkezik. Összetétele a kiinduló nyersanyagtól független az alábbiak szerint változik:

  • Metán (CH4) 50-84 %

  • Szén-dioxid (CO2) 50-15 %

  • Hidrogén (H2) 0-0,2 %

  • Nitrogén (N2) 0-0,2 %

  • Kén-hidrogén (H2S) 0-0,2 %

A közölt adatok szélső értékek. Átlagosan 64 % metán- és 36 % szén-dioxiddal számolhatunk. Az egyéb elemek előfordulása elhanyagolható. A nitrogén és a kén akkor dúsul fel a biogázban, ha a kiinduló nyersanyagban nagy a fehérjetartalmú anyagok aránya. Fűtőértéke 20-24 MJ/m3-nek vehető. A metán/széndioxid arány mentán javára történő eltolásával a fűtőérték növelhető lenne, de ehhez a széndioxid metánná redukálását (biológiai úton) fokozni kellene.

Biogázt hőfejlesztési célra régóta állítanak elő egyszerű rendszerek segítségével különböző ázsiai országokban, főként állati trágyából. A trágyán kívül sokféle szerves anyagból (pl.: növényi maradványok, fűnyiradék, élelmiszeripari és vágóhíd hulladékok) lehet biogázt előállítani. Kedvezőek a tapasztalatok a hígtrágya-szerves hulladék keverékekkel (kofermentáció) is. A fő kérdés természetesen az, hogy egységnyi szerves anyagból mennyi biogáz nyerhető. Mivel a biogáz fejlődés sok tényezőtől függ, ez csak bizonyos határok között lehet megadni.

Néhány szerves anyagból nyerhető biogáz mennyiségét a 4.19. táblázat tartalmazza.

4.19. táblázat - néhány szerves anyagból nyerhető biogáz mennyisége [2]

Szerves anyagBiogáz m3/t
Műtrágya90-310
Sertéstrágya340-550
Baromfitrágya310-620
Istállótrágya175-280
Kukoricaszár380-460

A biogáz-termelés technológiái [3][2]

Az önálló energiagazdálkodásra való törekvés, a növekvő környezetterhelés, a szerves hulladékok és a szennyvíz kezelési költsége rövid időn belül ahhoz vezetett, hogy a mezőgazdasági és az agráripar számára további folyékony kezelési technológiákat kutattak és fejlesztettek ki.

A ma ismert és alkalmazott biogáz-termelő technológiák száma igen nagy. A legmegfelelőbben alkalmazható eljárást a helyi lehetőségek és adottságok összessége határozza meg.

A hulladékok (hígtrágyák, trágyák és szennyvizek) kezelésénél a kiindulási pont a keletkező hulladékok és szennyvizek mennyiségi, kémiai, fizikai tulajdonsága. Ettől függően választható meg a legcélszerűbb kezelési és hasznosítási technológia.

A túlnyomórészt mezőgazdasági eredetű biogáz telepek termelését számosállatra szokás vetíteni. Általában elfogadható, hogy egy számosállat (500 kg testtömegnyi állat) napi trágyamennyiségétől termelhető energia 0,8 kg tüzelőolajjal egyenlő.

A gyakorlatban elérhető szélső értékek: napi 0,2 – 1,0 kg tüzelőolajnak megfelelő energiatermelés. A számítások során:

  • egy szarvasmarha napi trágyamennyiségét 6,40 kg szerves anyagnak

  • egy sertés napi trágyamennyiségét 0,51 kg szerves anyagnak vehetjük figyelembe.

Szokásos a biogáz termelés hozamát még az erjesztő, a fermentor térfogatára kifejezni.

Általában 1 m3 erjesztő térfogatra 1 m3 biogáz termelést szokás figyelembe venni.

A biogáz-termelési technológiák nagyon sokféle építészeti és gépészeti megoldással valósíthatók meg, de valamennyi a következő egységet tartalmazza:

  • alapanyag tárolás, összeállítás, beadagolása

  • erjesztés (fermentálás)

  • gázgyűjtés és gázkezelés

  • maradékanyag kezelés

  • biztonsági, szabályozó- és tűzvédelmi berendezések

  • gázhasznosítás.

A biogáz-termelés technológiáit a szárazanyag tartalom és a biomassza betáplálás módja szerint lehet csoportosítani.

• Nedves biogáz gyártási eljárás

A 2-8 % szárazanyag-tartalmú folyadékok (40-60 % szervesanyag-tartalmú hídtrágya, vagy élelmiszeripari eredetű szerves folyadék) erjesztésére olyan reaktort dolgoztak ki, melyben a folyadék alulról lép be, lassan átszivárog az iszapágyon és a fermentáló felső részén távozik. Az erjedő iszapmassza a tartályban lebeg a felfelé áramló folyadék hatására. Az anyagmozgatás meggyorsítása céljából a szerves trágyát valamilyen értékes anyaggal, például az erjesztés végén keletkezett hígkomposzttal hígítják. A reaktor folyamatos üzemű. A folyékony eljárásra legegyszerűbbek a Batch-készülékek.

A keletkező biogáz összegyűjtése és kezelése a technológiai rendszer egyik legfontosabb része. Egyrészt biztosítani kell a gázképződés és gázelvezetés ingadozásának kiegyenlítését, az átmeneti tárolást, másrészt a gáz energiaértékének fokozását, a hasznosító berendezések zavartalan működését. Ezt napjainkban már számítógép vezérlésű folyamatszabályozó rendszerrel végzik. A biogáz gyártás egyik elterjedt technológiájának kapcsolási sémáját a 4.2.9. ábra mutatja.

4.12. ábra - kétfázisú (elő és fő fermentorral rendelkező) folyékony erjesztési technológia fóliás gáztárolással a tetőtérben (forrás: Dr. Kacz K. NYME)

kétfázisú (elő és fő fermentorral rendelkező) folyékony erjesztési technológia fóliás gáztárolással a tetőtérben (forrás: Dr. Kacz K. NYME)


• Félszáraz biogáz gyártási eljárás

A félszáz eljárás a (10-30 % szárazanyag-tartalmú) szerves anyagot tartalmazó hulladékok vízzáró réteggel bélelt és takart helyekre való lerakásából áll. Előnyös a hulladék aprítása, de különösebb előkészítést nem igényel. A reaktor tulajdonképpen maga a vízzáró réteg, amely körülveszi a főként háztartási eredetű hulladékot. Itt a biogáz spontán folyamatok eredményeként jön létre.

A gáztermelés technikai berendezései valójában csak a biogáz kinyeréséhez és annak kezeléséhez szükségesek. Az erjedő hulladéktömegbe megfelelően perforált csöveket fúrnak, melyek felszín feletti részén nyerik a biogázt. Ilyen módszert alkalmaznak a kommunális hulladéklerakók depóniagázainak kinyerésekor.

Az eljárással a nagy szilárdanyag-tartalom miatt térfogat egységenként mintegy kétszeres mennyiségű szerves anyag gázosítható ki. A kirothasztott anyag rendszerint már nem ömleszthető. Csak jelentős munkaráfordítással lehet a fermentálóból eltávolítani. [1]

• A biomassza betáplálásának módja szerinti csoportosítás

A biogáz technológiák a fermentálás szempontból nem különböznek egymástól, csak a fermentálás hőmérsékletében, illetve a betáplálás módjában.

Alapvetően három eljárást különböztetünk meg:

  • Batch eljárást

  • folyamatos eljárást

  • illetve a kétfokozatú eljárást, amely egyesíti az előző két módszert.

Batch-készülék

A nagy mennyiségben keletkező szerves hulladékok (mélyalmú istállók trágyahozama) egyszeri elgázosításának folyamatát Batch módszernek nevezik. Jellegzetessége az egyszeri betáplálás. Miután a fermentálót a kirothasztandó anyaggal és oltóiszappal megtöltik, a készüléket lezárják míg a folyamat be nem fejeződik.

A rothasztás időtartama jóval hosszabb, mint a folyamatos eljárásnál, de az lényegében a hőmérséklettől függően 30-100 nap lehet.

A biomassza áthelyezése után a reaktort friss szubsztráttal töltik meg. A fermentálás kezdetén rohamosan növekvő gázhozam figyelhető meg.

Folyamatos üzemű készülék

A bontatlan szerves anyagokat levegő kizárásával folyamatosan juttatják a fermentálóba. Ugyanekkor egy túlfolyón keresztül a reaktorból azonos mennyiségű rothadási maradék távozik. A biogáz mennyisége és összetétele állandó marad, illetve csak akkor változik, ha a betáplált anyagok mennyiségét és összetételét megváltoztatják.

A folyamatos üzemű készülékek a legelterjedtebb biogázt előállító berendezések, ma külföldön kizárólag ezeket alkalmazzák.

Előnyük, hogy a baktériumok rendszeres ellátása révén megközelítőleg állandó gáztermelés érhető el velük. Mivel a készülékben állandóan keverik az anyagot, a szubsztrát jól elegyedik a baktériumokkal. Ezáltal a rothadási folyamat jelentősen javítható.

Kétfokozatú rendszerek

Ezek a készülékek szintén folyamatosan üzemelnek, bennük a rothasztási folyamat két egymás után kapcsolt rothasztó térben megy végbe. A megválasztható tartózkodási időtartam ezáltal sokkal biztosabban betartható. Ez a kórokozók elpusztítása végett rendkívül fontos. A tartózkodási időtartam 1/3 – 2/3 arányban oszlik meg, a gázok 80 %-a már az első rothasztási térben kiválik.

A második rothasztó kamrát általában túlméretezik, és egyúttal közbenső tárolásra használják. Ezáltal jön létre a folyamatos és a Batch-készülék kombinációja. [1]

Szilárd hulladék anaerob fermentálására alkalmas kétfokozatú berendezés kapcsolási sémája 4.13. ábrán látható.

4.13. ábra - kétfokozatú berendezés szilárd hulladék anaerob fermentálásához [2]

kétfokozatú berendezés szilárd hulladék anaerob fermentálásához [2]


• A biogáz tisztítása

A biogáz alkalmazásának lehetőségeit javítja, ha fűtőértékét növelik. A minőség javításában a metánon kívüli gázok eltávolítását kell megoldani.

A gázt mosókon vezetik át a szén-dioxid és egyéb, főleg kéntartalmú gázok lekötése céljából.

• Szén-dioxid leválasztás

A termelés során elsődlegesen legnagyobb mennyiségben szén-dioxid keletkezik, melynek eltávolítása az elsődleges tisztítási feladat.

A CO2 eltávolítását végezhetjük adszorpcióval, abszorpcióval és membrános gázszétválasztással. Az első két megoldás függ a gáztisztaság szükséges mértékétől, az elválasztó berendezés üzemmódjától, a nyers, illetve a tiszta gáz nyomásviszonyától, a megengedhető üzemköltségektől, a megkövetelt biztonságtechnikai felszerelésektől.

• Kéntelenítés

A vegyiparban használt kénmentesítő eljárások közül a következő eljárások jöhetnek szóba:

  • abszorpciós eljárás, melynek folyamán a H2S mint kénhidrogén regenerálódik (karbonátos eljárások).

  • mérgező anyagokkal folytatott eljárás (arzén-oxidos eljárás).

  • az aktív szenes elnyeletési eljárás, amelynél szén-szulfid keletkezés során robbanásveszély áll fenn.

  • Claus-féle eljárás. Ez azonban nagyon drága. A régi katalízises száraz eljárás tulajdonképpen jól alkalmazható, amely a Fe(OH)3-mal mint katalizátorral dolgozik.

A biogáz felhasználása

A biogáz felhasználása lehetőségeit a 4.14. ábra szemlélteti

4.14. ábra - a biogáz felhasználási lehetőségei [2]

a biogáz felhasználási lehetőségei [2]


A biogáz felhasználás egyik ígéretes területe a kapcsolt hő és villamosenergia-termelés gázmotoros (biogáz) kogenerációs egységekkel. A 4.15. ábra biogáz-tüzelésű gézmotoros energiatermelő egységet mutat, amely a biogáz Qübg tüzelőhőteljesítményből kapcsoltan PGM villamos és Qf hőteljesítményt állít elő. Az alkalmazás célszerűségére utal, hogy szinte minden gázmotorgyártó földgázra és biogázra is ajánlja szinte valamennyi termékét.

4.15. ábra - biogáz üzem blokkfűtő erőművel [1] [2]

biogáz üzem blokkfűtő erőművel [1] [2]


Németországi tapasztalatok szerint egyéni gazdálkodóknak akkor éri meg biogázos energiaellátásra berendezkedni, ha legalább 10 tejelő tehene van, megfelelő hígtrágya és kierjesztett trágya tárolótér áll rendelkezésére, a trágyaprodukciónak legalább 75 %-a hígtrágya, a hígtrágyához hozzákeverhető szerves terméket tud beszerezni, a kierjesztett trágyát saját gazdaságában tudja felhasználni, a saját áram és hő szükségletet a termelt biogázból tudja kielégíteni, illetve el tudja adni. Egy olyan kis farmgazdaság esetén elérhető hő elektromos energia kihozatalt a 4.20. táblázat szemlélteti.

4.20. táblázat - hő- és elektromos energia kihozatal biogázból [2]

Gázfelhasználás/napm3305080
A gáz energiaértékekWh184,50307,50492,04
Bruttó hasznos energia, 87 %-os hatékonyságkWh160,50267,53428,00
Áramtermelés 33 %kWh52,9788,28141,24
Melegvíz termelés 67 %kWh107,54179,25286,76
A gázelőállítás energiaigényekWh51,6686,10137,76
Nettó hasznos energiakWh108,84181,43290,24
Lehetséges elektromos teljesítménykW2,213,685,89
Lehetséges fűtési teljesítménykW2,333,886,21

A 2008. év XL. törvény a gázenergiáról 3.§. 26. pont, a 70. §. és a 132. §. 9. paragrafusai szerint a biogázt a földgáz hálózatba be lehet vezetni, ha a tisztítás során eléri a földgázra vonatkozó szabvány előírásokat.

A biogáz termelés és a környezetvédelem [2] [3]

• Biogáz technológiával csökkenthető az üvegházgázok légköri koncentrációja

Szén- dioxid (CO2)

Az erjesztés során keletkező metángáz elégetésével hő, vagy villamos energia nyerhető, melynek során CO2 keletkezik. Ez a CO2 annyiban nem járul hozzá az üvegházhatáshoz, hogy a növények a növekedésükhöz szükséges szén-dioxidot a légkörből veszi el. Az energiatermelésnek ezt a formáját CO2 semlegesnek nevezik, mivel semmi más CO2 emisszió nem keletkezik, mint például a fosszilis tüzelőanyagok égetésénél. A CO2 emissziót illetően a komposztálás és az erjesztés közötti energia-összehasonlító számításokból az adódik, hogy egy kizárólag aerob komposztálási folyamatok során a kiegészítő üzemi energiaigényen keresztül a fosszilis energiahordozók miatt egy CO2 terhelés jelentkezik. Ezáltal az anaerob erjesztést és az aerob folyamatot összekötő készülék hozzájárul a szén-dioxid emisszió csökkentéséhez.

Metán (CH4)

A metán gáz üvegházgáz potenciálja 28-szorosa a szén-dioxidénak (azonos mennyiség esetén), így a légkörünket legjobban károsító klímagázok közé sorolható.

Természetes és mesterséges metánforrások a mocsárvidékek, rizsföldek, szarvasmarhatartás, kőolaj és földgáz bányászat és feldolgozása, bányászat, depóniák, vulkánok stb.

A szerves anyagok gyors és gázmentes gyűjtésén keresztül (pl. trágya, szemét) a biogáz üzemben történő ellenőrzött erjesztés során a metán emisszió csökkenthető.

Kéjgázok (N2O)

Az N2O a magas 150 éves tartózkodási idejével az atmoszféra egyik lekárosítóbb üvegházgáza. Főként a vízben és talajban végbemenő biológiai folyamatok bocsátanak ki ilyen gázt. A hosszú tartózkodási ideje és a talaj alacsony szivárgási mutatói magas N2O kibocsátáshoz vezetnek.

A károsító hatásnak két szempontja van: egyrészt hozzájárul az üvegházhatáshoz, másrészt a sztratoszférikus NOx képződés pusztítja az itt jelenlévő ózont.

A Müncheni Műszaki Egyetem által különböző szerves trágyákkal végzett összehasonlító kísérletek azt mutatják, hogy az N2O emisszió a növekvő folyási képességgel csökken.

A szerves anyagok lebontásakor keletkező kigázosított trágya ellentétben a nem kezelttel sokkal jobban beszivárog a talajba. Ez az effektus hozzájárul a nitrogén-oxidok emissziójának csökkentéséhez.

Dániában elkezdtek egy kísérletet a biogáz produkció ökológiai folyamatainak mennyiségi értékelésére. A környező sertéstartó illetve szarvasmarhatartó telepek szerves hulladékát egy központi üzembe szállítják. Ebben az üzemben 1 m3 biomasszából 716 MJ energiát nyernek és 68 kg CO2 emissziót spórolnak meg. A trágya szállításához fosszilis energiahordozóra van szükség, ami 35 MJ-ként és 3 kg CO2/m3 biomasszaként vehető számításba.

Ehhez még hozzájárul a trágyából származó megtakarítás, melynek során a sertés- és marhatrágya összekeverése által javított tápanyaghatáson és a fermentációból származó magasabb tápanyagtartalmon keresztül 30 MJ energiát és 3 kg CO2-ot takaríthatnak meg. A trágya ellenőrzött gyűjtésével a metánkibocsátás csökkenthető. (61 kg CO2 csökkentés érhető el minden m3 begyűjtött trágya után.)

• A gáztermelés során keletkező egyéb emissziók

A biogáz termelő berendezések környezetvédelmi szempontból igen jelentős emisszió arányt képviselnek a megfelelő emissziós tisztító berendezések hiányában.

Az itt keletkező környezeti szempontból jelentős emissziók a következők:

Szaghatás: Bármilyen hulladékkezelő eljárás legfontosabb kritériuma a szaghatás minimalizálása. A hulladékkezelés különböző stádiumaiban a kibocsátás különböző mértékben és koncentrációban jelentkezik. Főként a gyűjtésnél, a szállításnál és az előkezelésnél keletkeznek ezek a szagok. Az állattartásnál az istállóból, a melléképületekből és egyéb mezőgazdasági tevékenységekből ered a szag emisszió, pl.:

  • magától az állattól

  • az istálló levegőjétől

  • a takarmány előállításából, tárolásából és elosztásából

  • az állati ürülék tárolásából és kezeléséből

  • szerves trágya kiszállításakor.

Az állattartásból eredő szagok ammóniát, aminokat, kénhidrogént, fenolokat, zsírsavakat tartalmaznak. A biogáz üzemben való kezeléssel az emisszió jelentősen csökkenthető. A metánerjesztés során káros anyagok nem képződnek, vagy erősen lebomlanak. Egy sertéstrágyával folyamatosan üzemeltetett fermentálónál 50 %-os szag lebontás lehetséges.

Zajhatás: Minden olyan folyamatnál felléphet, ahol az anyagmozgatás gépekkel történik. Zajforrások a beszállító járművektől, a biomassza reaktorba való betápláláskor, illetve a szivattyúk üzemeltetéséből eredhetnek.

Szennyvíz: A biogáz üzemben az előkészítés és kezelés alatt nagyon kis mennyiségű szennyvíz keletkezik. Már a legegyszerűbb üzemekben is zárt vízforgató rendszert állítanak be.

Por: A por veszélyességét ezekben az anyagokban a spórák, gombák, vegyi anyagok, és egyéb toxikus anyagok mértéke határozza meg. A biogáz előállítás során többnyire nedves eljárásról beszélhetünk, ezért a por alakban előforduló fertőző és toxikus anyagok nem jutnak fontos szerephez. A reaktor hőmérsékletén ezen baktériumok nagy része elpusztul. A technológiához kapcsolódó egyéb eljárások, mint a komposztálás, szállítás utókezelés sokkal inkább küzdenek ezzel a problémával.

Az anaerob technológiánál és a komposztálás során jelentkező emissziókat a 4.21. táblázat szemlélteti.

4.21. táblázat - emissziók a komposztálásnál, anaerob technológiánál [2]

 Egyszerű nyílt komposztálásKomplex, zárt komposztálásEgyszerű anaerob kezelésKomplex anaerob kezelés
SzagNagyon magas emisszióMagas emisszióMagas/közepes emisszióMagas emisszió
ZajNagyon magas emisszióMagas emisszióAlacsony emisszióMagas emisszió
LevegőNagyon magas emisszióKözepes emisszióNem létező emisszióKözepes emisszió
VízMagas/közepes emisszióNagyon magas emisszióNem létező emisszióNagyon magas emisszió
PorNagyon magas emisszióMagas emisszióNem létező emisszióMagas emisszió

Mikroorganizmusok: A szerves hulladék gyűjtőhelyi és a trágyadombok ideális élő- és szaporodóhelyei a betegséget terjesztő mikroorganizmusoknak. A szerves hulladékok biogázkészülékben történő kezelésével felszámolhatók ezek az élőhelyek. Ezáltal a fertőző betegségek elterjedése korlátozható. A metánbaktériumok mérgező hatású antibiotikus hatásokkal, illetve bizonyos biológiai kizárólagossággal rendelkeznek. A biohulladékban előforduló kórokozókat a 4.22. táblázat szemlélteti.

4.22. táblázat - a biohulladékban előforduló kórokozók [2]

BaktériumokVírusokParazitákGombák
SalmonellaHepatitis-A-vírusTaenieneierAspergillus-fajok
Escheria coli ParvovírusSpulwurmeier 
StreptococcusRetrovírus  
EnterobaktériumEchovírus  
Enterovírus  

A Kínai Parazitológia Intézetben már évekkel ezelőtt megállapították, hogy a kirothasztott iszap több mint 95 %-kal kevesebb parazitapetét tartalmaz, mint a friss iszap. A pusztulási arány a rothasztási hőmérséklettől és rothasztás időtartamától függ. Ez látható a 4.23. táblázat adatsoraiból.

4.23. táblázat - néhány parazita pusztulás aránya [2]

Biogáz rendszerHagyományos rendszer
53 oC (óra)35 oC (óra)18-20 oC(hét)6-15 oC(hét)
Salmonella typhimurium0,72,42,05,0
Salmonella dublin0,62,1  
Escherichia coli0,41,82,08,8
Clostridium perfringens    
Bacillus cereus    
Erysipelotrix rhusiopathiae1,21,85  
Statphylococous aureus0,50,90,97,1
Coliform bac 3,12,19,3

A kirohasztott iszap trágyaként való felhasználása azért jelentős, mert a friss iszapban esetleg megtalálható növényi magvak a rothasztás befejeztével csíraképtelenné válnak. A gyommagvak behurcolása a trágyával ezért gyakorlatilag kizárt.

Károsanyagok:

Ehhez a csoporthoz olyan nehézfémek tartoznak, mint a Hg, Cd, Du, melyek már igen kis mennyiségben az emberi szervezetre mérgezőek lehetnek. A környezeti problémákhoz a nehézfémek a nyersanyagszerzésnél, energianyerésnél, ipari és mezőgazdasági feldolgozásnál és alkalmazásnál járulnak hozzá.

A mezőgazdasági alkalmazáson keresztül a hulladékkal, szennyvízzel és szennyezett levegővel kerülnek a bioszférába.

Az állati trágya és a szilárd hulladék nem mentes a káros anyagoktól. A mezőgazdasági hulladékok nehézfém tartalma az állattartás módjától és takarmányozástól függ. A mezőgazdasági hulladékok nehézfémtartalmára további magyarázatot ad a geológiai alapkőzet és a levegőből való bejutás. Nem csak a mezőgazdasági területeken, hanem más régiókban is előfordul magas talajterhelés.

A növények felszíni részeire rakódott poron keresztül a nehézfémtartalom a mezőgazdaság és az élelmiszeripar közvetítésével juthat el a háztartásokhoz, ahonnan a hulladék gyűjtésével a komposztba kerül.

A növényekben levő nehézfémtartalom nem csupán a talajkeveredéssel magyarázható, hanem a nehézfémek külső szennyezésével is. Speciális anaerob eljárásokkal termelhető olyan komposzt, aminek a nehézfémtartalma jóval a határérték alatt marad. Egy helsingöri üzemben a nehézfémtartalmat jóval a határérték alá csökkentették. Ez azonban nem azt jelenti, hogy a nehézfémtartalom csökken, hanem azt, hogy a szilárd fázisból a folyékonyba helyeződik át. A későbbi használattól függően technikailag lehetséges, hogy az anyagokat az egyik fázisból a másikba helyezzék át.

A nehézfém kijutás problémája az anaerob kezeléssel nem oldható meg. Ez azt jelenti, hogy a termelés során a környezetet károsító anyagokról messzemenően le kell mondani.

A biogáz-gyártás gazdaságossága (Dr. Bai Attila a III. Magyar Biogáz Konferencián 2007-ben megtartott előadása alapján)

A hat vizsgált biogáz üzemi modell alapján a hő előállítás önköltsége a 4.16. ábra látható.

4.16. ábra - hő-előállítás: a biogáz önköltsége [3]

hő-előállítás: a biogáz önköltsége [3]


A kapcsolt hő és villamosenergia termelés önköltségét a 4.17. ábra mutatja.

4.17. ábra - a kapcsolt energiatermelés önköltsége [3]

a kapcsolt energiatermelés önköltsége [3]


A gáztisztítás, biometán előállítás önköltsége a 4.18. ábrán látható.

4.18. ábra - biometán előállítás önköltsége [3]

biometán előállítás önköltsége [3]


A biomasszából, biogázból történő hőtermelés kisüzemekben, távfűtés esetén, míg a kapcsolt hő és villamosenergia termelés közép- és nagyüzemek energiaellátására javasolható. A biometán nagyüzemek energiaellátására jöhet szóba.

A mezőgazdasági üzemek jövőbeni energia ellátására a legújabb kutatások szerint az ún. komplex energiaellátó rendszer tűnik a legmegfelelőbbnek. Kapcsolási sémája a 4.19. ábrán látható.

4.19. ábra - biogáz előállításra fejlesztett komplex energiaellátó rendszer (Forrás: BMGE-NKTH 2008/2009.)

biogáz előállításra fejlesztett komplex energiaellátó rendszer (Forrás: BMGE-NKTH 2008/2009.)


A magyarországi biogáz üzemek műszaki adatait és energiatermelését a 4.24. táblázat mutatja.

4.24. táblázat - Magyarországi biogáz-tüzelésű erőművek (2007)

Teljesítőképesség, MWVillamos energia, GWhHő, TJKihasználásFelhasznált energia, TJHatásfok, %
bruttónettógéptermeltkiadottkapcsoltkiadotteladotth/amértösszes
1Debreceni Vízmű1,161,0533,683,683,6813,231720,033,633,650,4
2PCSM Szennyvíz1,331,30210,160,0010,1650,076390,0103,0103,084,1
3Veszprémi Szennyv.0,170,1611,310,001,310,977060,016,116,134,9
4Nyíregyháza Orsós0,510,4914,033,890,000,079020,041,041,035,4
5BÁTORTRADE2,602,50413,7012,0912,931,052690,0143,3143,356,1
6Kecskeméti Szennyv.0,500,5011,711,691,697,434200,019,019,071,3
7Hódmezővásárhely0,320,3020,870,870,87 27190,09,09,034,4
8Civis Biogáz-Debr.0,510,4813,443,333,33 67450,036,036,034,4
Biogázzal összesen 7,106,781538,9025,6533,23102,554790,0401,0401,060,5

Forrás: MAVIR Zrt. A 2008. március 31-ig beérkezett HMJ-k (Havi Műszaki Jelentések) alapján

Bio-üzemanyagok [10]

Az emlékezetes 1973. évi kőolajválság döbbentette rá először a fejlett ipari országokat a fosszilis energiától és hajtóanyagoktól való függés komoly veszélyeire. Azóta a globális felmelegedés és a környezetszennyezés mérséklésére irányuló felerősödött törekvések is előtérbe helyezték a megújítható, biológiai eredetű, alternatív üzemanyagforrásokat. Mára a kísérleti szakasz lezárult, a gyártástechnológiák készen állnak a bioüzemanyagok zöld utat kaptak. A hatályos jogi szabályozás szerint bioüzemanyag a biomasszából előállított folyékony vagy gáz halmazállapotú üzemanyag.

Bioüzemanyagnak kell tekinteni a bioetanolt, a biodízelt, a biometanolt, a biogázt, a biodimetilétert, a bio-ETBE-t (etil-tercier-butiléter), a bio-MTBE-t (metil-tercier-butiléter), a szintetikus bioüzemanyagokat, a biohidrogént és a tiszta növényi olajat, továbbá a más jogszabályban bioüzemanyagként meghatározott üzemanyagot.

4.20. ábra - bioüzemanyagok és eredetük (Dr. Anisits 2001)

bioüzemanyagok és eredetük (Dr. Anisits 2001)


Két nagy csoportjuk van: a biodízel és a bioalkohol. Előbbi nyersanyagforrásai a növényi olajok és alkalmazását inkább Európa szorgalmazza. Utóbbit szénhidráttartalmú növényi termékekből lehet nyerni és az amerikai földrészen részesítik előnyben.

• A biodízel

A dízelmotorok növényi olajokkal történő üzemeltetésére irányuló, intenzív kísérletek a 70-es évek végétől indultak meg több európai országban és az USA-ban. Kiderült, hogy a növényi olajok még a nehéz hajómotorok üzemeltetésére és kenőolajként is beválnak.

A biodízel előállításához elvben bármely növényi olaj (napraforgó, repce, szója, stb.) alkalmas, a biodízel-iparág legvalószínűbb nyersanyagforrása azonban Európában a repce és a napraforgó, az USA-ban a szója és a napraforgó, Kanadában a repce és a fenyőpulp-gyanta (tall oil).

A növényi olajokat dízelmotorok működtetésére csak tisztított, gyantamentes állapotban lehet használni. A hagyományos finomítással kapott biodízel („zöld dízel”) mellett metanollal észteresített változatát (repceolaj esetében: RME, szójaolajnál: SME) is előállítják. 250 kg repce vagy 500 kg szójamagból 100 kg olaj nyerhető és 100 kg tisztított növényi olajból 11 kg metanollal észteresítve 100 kg biodízel és 11 kg glicerinhez lehet jutni. Emellett még fehérjedús extrahálási maradék is keletkezik. A „zöld dízel” olcsóbban állítható elő, mint az észteresített, de ekkor glicerin nem keletkezik. A „zöld dízel” nagy cetánszáma miatt alkalmas hozzákeveréssel a dízelolaj cetánszámának emelésére és annak hatékonyságát javító nitrátalapú adalék helyettesítésére.

Németországban a biodízel-gyártáshoz ötféle nagyüzemi és egy kisüzemi eljárás áll rendelkezésre.

A biodízel üzemanyagnak és a bio-kenőolajnak számos előnye van a dízelolajjal és a kőolaj-alapú kenőanyagokkal szemben. A biodízel kipufogógáz összetétele kedvezőbb, mint a dízelolaj-emisszióé: kevesebb szénmonoxidot, 80%-kal kevesebb széndioxidot, kevesebb szénhidrogént és kormot tartalmaz, kéndioxidot (a savas eső egyik forrása!) gyakorlatilag nem, csupán nitrogénoxid-tartalma nagyobb. Utóbbi összetevőt azonban – a többivel együtt – lényegesen csökkenteni lehet késleltetett befecskendezéssel és oxidáló katalizátorral (dízelolajjal működő motorokhoz nem lehet katalizátort használni, mert a dízelolaj kéntartalma a katalizátort „mérgezi”).

A biodízel nemcsak kevésbé környezetszennyező hatóanyag, hanem – a bio-kenőolajjal együtt – biológiailag lebontható, tehát fáradtolaj-problémát nem okoz, ezért Németországban még a vízvédelmi területeken is alkalmazhatók.

A RME (Raps-metilészter) energiamérlege pozitív: 1,9/1, ill. a melléktermékeket (olajpogácsa, glicerin) is figyelembe véve 2,65/1. Hasonló a szója-biodízel energiamérlege is: 2,5/1; de javított technológiával gyártva és észteresítve 4,1/l-re is termesztés technikával és a repcekóróból kőenergia nyerésével.

A biodízelnek előnyei mellett bizonyos – elviselhető – hátrányai is vannak: megtámadja a gumitömlőket, ezért a vele érintkezésbe kerülő vezetékeket polietilénre vagy fémre kell kicserélni. Ha nem elég tiszta a biodízel, az üzemanyagszűrők eltömődését okozhatja. Egyes próbaüzemelésekben a biodízeles motorok hidegindításával voltak bajok, ezen azonban egyrészt adalékanyagokkal segíteni lehet, másrészt RME használatakor – 16 oC-ig nincs ilyen gond. A biodízellel üzemelő motorok teljesítménye általában nem marad el a dízelolajos motorokétól, de tapasztaltak 5-10 %-os teljesítménycsökkenést is (ennyivel nagyobb a specifikus repceolaj fogyasztás is). Ezt a különbséget mindazonáltal turbófeltöltéssel és a töltőlevegő hűtésével ki lehet egyenlíteni. A teljesítmény csökkenéssel és a hidegindítással kapcsolatos problémák biodízel-dízelolaj keverék (10-30 % biodízel-részarány) alkalmazásakor szintén nem jelentkeznek.

Németországban jelenleg még viszonylag kevés biodízel-tankállomás működik, de több szövetségi államban tervezik újabbak építését. Bajorország is kiépíti várhatóan a biodízeltöltőállomások hálózatát. A biodízel iránt az autóipar is határozott érdeklődést mutat. A biodízel DIN-szabványa már elkészült és 5 olyan német motorfajta is van, amely növényi olajjal üzemeltethető. A korábbi VW típusok motorjainak átalakítása is megoldható REM-üzeműre.

Az USA-ban 1991-ben alakult meg a szójatermesztők biodízel-üzemanyag kifejlesztő testülete, amely a szójaalapú, észterezett biodízel forgalomba hozatalát tűzte ki célul, 20-30 %-ban dízelolajhoz adva. A keveréket 1500 járművel több millió mérföldön át tesztelték, pozitív eredménnyel.

• Bioalkohol (bioetanol, biometanol)

Keményítő- és cukortartalmú növényi termékekből (gabonafélék szemtermése, cukorrépa, burgonyagumó, stb.) régóta állítanak elő alkoholt, de ebből motorok hajtására nagyobb mennyiségeket csak a II. világháború előtt és alatt használtak. Ezután az olcsó motorbenzin hamar kiszorította a „motalkó”-t az üzemanyag-ellátásból és csak az olajválság évei, majd a környezet ólomterhelésének csökkentésére irányuló rendszabályok terelték ismét a figyelmet a bioalkoholra, mint motorhajtó anyagra.

A bioetanol fő nyersanyagforrásai Európában a cukorrépa, a búza és a kukorica, Észak-Amerikában kukorica és a búza. Dél-Amerikában pedig a cukornád. Ezeknek össztermése, cukor- ill. keményítőtartalma mellett alkohol kihozatala is meghatározza a bioetanol gyártására való alkalmasságukat (4.25. táblázat)

4.25. táblázat - különböző növények termésviszonyai és alkoholpotenciálja [2]

NövényTermés*Átalakítási hatékonyság %Etanol kihozatal
átlag, t/haössz. millió t l/tl/ha
Cukorrépa38,0143,035954300
Búza3,582243561200
Kukorica4,549323872100
Burgonya10,30,1821103050
Cukornád57,018732675300
* Európára vonatkozó adatok, kivéve a cukornádat (Dél-Amerika)

Látható, hogy a burgonyakeményítő alakítható át legnagyobb hatékonysággal etanollá, azonban hektárra vetítve alkoholprodukcióban a burgonyát a cukornád ill. a cukorrépa is megelőzi.

A bioetanol előállítása többlépcsős folyamat, amelyben erősen energiaigényes lépések (cukoroldat ill. keményítő-szuszpenzió főzése, az élesztős erjesztéssel kapott híg alkohol töményítése 95 %-ig desztillálással) vannak. A 95 %-os alkoholt vegyszeres víztelenítéssel vagy membránszűréssel lehet 99,5 %-ig töményíteni; a teljes betöményítés energiaszükséglete 5363 kJ/liter. Ezért a bioetanol energiamérlege negatív (kb. ½), és a desztillálási maradék takarmánykénti hasznosítását beszámítva is negatív marad.

A bioetanol motorhajtásra benzinhez kevert 20 %-ig alkalmazható; az optimális arány 85:15. A tiszta bioetanol is alkalmas üzemanyagként, de ehhez a belsőégésű motorokat át kell alakítani és az üzemanyagtartályt is meg kell növelni, mert az etanol energiatartalma kisebb a benzinénél (1 liter etanol = 0,65 liter benzin), ezrét ugyanakkora távolság megtételéhez több etanol kell, mint benzin.

Az etanol üzemű jár műveknél azt is meg kell oldani, hogy az alkohol festék-, gumi- és műanyag-alkatrészekkel ne kerüljön érintkezésbe. Az etanolos motoroknál hidegindítási gondok is jelentkezhetnek, kipufogó gázukkal pedig N-oxidok, CO2 alkohol, aldehidek jutnak a levegőbe. Ugyanakkor CO- és SO2 – emissziójuk kisebb, az alacsonyabb üzemi hőmérséklet miatt az alkoholos motorok élettartama hosszabb, a benzin oktánszámát pedig a hozzákevert etanol növeli.

De a bioetanol üzemanyag-adalékként más formában is hasznosítható: oktánszámjavító etilterciobutiléter (ETBE) gyártható belőle. Az ETBE-t 5-7 %-ban adják a benzinhez, de 10 % is hozzákeverhető és ekkor az ólomtetraetilt teljesen el is lehet hagyni.

A bioetanol nagyarányú termelésének elvileg korlátot szab az, hogy nyersanyagként fontos élelmiszernövények szolgálnak. Ha az USA-ban a benzinszükséglet 2 %-nál nagyobb hányadát kukorica-eredetű etanollal elégítenék ki, ez nem csupán a takarmány- és élelmiszercélú kukorica, hanem a kukorica-alapú ipar termékek és a hús árának emelkedését is eredményezné és az USA kukoricaexportját is hátrányosan érintené. Braziliában 5000 ha-os cukornádültetvény kell egy naponta 120000 l kapacitású bioetanol üzem nyersanyagellátáshoz. Ha Brazília autóközlekedését kizárólag bioalkohollal oldaná meg, mezőgazdaságilag művelhető területének egyötödén kellene cukornádat termesztenie. Tíz évvel ezelőtti adatok szerint a hazai benzinigény 10 %-ának fedezéséhez 442 000 t bioetanolra volna szükség és ennek megtermeléséhez 108 000 ha-nyi területet kellene szénhidrát-szolgáltató növénnyel bevetni. Természetesen ehhez a folyamathoz is szükséges fosszilis energia, van káros emissziója és költségek is vannak. Ezek mindegyikével számolni kell a megújuló biomassza felhasználásnál lehetőség szerint a teljes életciklusra. A 4.26. táblázatban példa jelleggel bemutatjuk a leginkább vitatott, benzinhelyettesítő bioetanol gyártás néhány jellemző adatát. (Forrás: National Geographic, 2007)

4.26. táblázat - bioetanol gyártás néhány jellemző adata [2]

JellemzőBenzinEtanol fajta
KukoricábólCukornádbólCellulózból
Fosszilis energia mérleg output E/input fosszilis E1,001,38,002,0-36,0
ÜHG gáz emisszió (CO2 egyenérték kg/liter)2,431,931,070,277
Fogyasztói ár (USD/liter benzin energiatartalom)0,800,971,00még nem forgalmazzák

Biometanol

Fahulladékból, szerves kommunális hulladékból légmentes térben hevítve (pirolízis) szénmonoxid és hidrogén nyerhető, aminek nyomás alatti hevítésekor katalizátor jelenlétében metanol keletkezik. Javított technológiával ezen az úton kb. 1 ha-on produkálható 12 t szárazanyagból 7500-7600 liter metanol termelhető. A metanol 5 %-ig adható a benzinhez; hozzákeverése hasonló előnyökkel és hátrányokkal jár, mint az etanolé, de nem hagyható figyelmen kívül, hogy a metanol mérgező és korrozívabb, mint az etanol és hogy energiatartalma is kisebb, mint az etanolé (1 liter metanol = 0,46 liter benzin). A biometanol-termelés sem olcsó, de nyersanyagának (hulladék) megtermelése nem vesz el területet a haszonnövényektől.

Ezek a számok is eléggé jelzik, a bio-üzemanyagipar és az élelmiszeripar szembenállását a területért. Az EU parlagon hagyási programja keretében nagy területek szabadulnak fel, amelyeken ipari felhasználásra búza, cukorrépa, vagy másnövény termeszthető. A bioetanol cellulózból (pl.: szalma, fahulladék) is előállítható: ezek megtermeléséhez nincs szükség külön területre. Igaz a hatásfok ebben az esetben rosszabb (170-450 l etanol/szárazanyag) és a bonyolultabb technológia miatt a cellulózból nyert alkohol drágább is a cukorból vagy a keményítőből előállítottnál.

Hazánknak az EU 2009/28 irányelve szerint kb. 7,2 % megújuló energiahordozó termelést 2020-ig 13 %-ig kell vinni. Ezen belül jelentős szerep jut a bioüzemanyagoknak. Az energia célú repcetermesztés semmilyen korlátozás alá nem esik, sőt azokon a területeken termelve ahol az árunövekmény termelés tilos jelentős EU dotációval termelhető. A bioüzemanyagok termelésének és felhasználásának agronómiai és környezetvédelmi előnyei vannak.

• Bioüzemanyagok termelésének, feldolgozásának és felhasználásának együttes környezetszennyezése [2]

A növényi eredetű tüzelőanyagok előnye, hogy a növény növekedéséhez annyi CO2-t használ fel (fotoszintézis), mint amennyi elégetésekor vagy rohadásakor keletkezik. A körfolyamat elméletileg zárt. Gyakorlatilag a termelést, gyártást és feldolgozást is figyelembe véve belső égésű motorban 3 kg RME felhasználása növeli annyival a környezet CO2 terhelését, mint amennyi 1 kg gázolaj elégetésekor keletkezne. (De: a biomassza termelés és átalakítása energiát igényel.) A legújabb kísérletek szerint a repce termesztésekor – a búzához és a kukoricához viszonyítva – kifejezettebben kevesebb N2O kerül a levegőbe, a repce hasznosítja legjobb hatásfokkal az előbb említett növényekhez képest a műtrágyák nitrogéntartalmát [7].

4.27. táblázat - két eltérő minőségű RME és gázolaj előállításakor és felhasználásakor keletkező környezetszennyezés [2]

ElőállításFelhasználásÖsszesen
RME1 RME2 GázolajRME1 RME2 GázolajRME1 RME2 Gázolaj
Részecske58518675475417618127591947
CO8512221176757675258848527769826095
HC368780557014020402052487707482511949
NOx 1191136482146291462914870161201506515353
N2 O1588139------
SOx 6521033245------
Aldehidek547032144514451281199214451313
NH31018------
Szerves anyagok239050438438438744505487

Megjegyzés a 4.27. táblázathoz:

  • Az előállítás oszlop csak az átészterezéskor keletkező károsanyagokat tartalmazza.

  • RME1 szűzföldön termesztett repce

  • RME2 „energia” (nem élelmiszer) típusú repce

  • Károsanyag kibocsátás: [mg/l]

Bio-motorhajtóanyag tervek Magyarországon a 2003/30 EU irányelv szerint:

  • a bioüzemanyagok magyarországi felhasználását a 2233/2004 (IX.22.) Korm. határozat írja elő

  • Magyarországon az a 2010-re vonatkozó előírás, hogy forgalmazott üzemanyagokban a bioüzemanyagok energiatartalomra vetített részaránya el kell, hogy érje a 2 %-ot

  • a jövedéki adó visszatérítés 2010. december 31-ig érvényben marad.

A bioüzemanyag kapacitásokat és igényeket 4.21. ábra mutatja:

4.21. ábra - bioüzemanyag igények és kapacitások a régióban [10] (Forrás: Dr. Hancsók J.)

bioüzemanyag igények és kapacitások a régióban [10] (Forrás: Dr. Hancsók J.)


Irodalom a 4.2. fejezethez

[1] Dr. Büki G.: Energetika. Műegyetemi Kiadó Budapest, 1997.

[2] Dr. Tóth P.- Dr. Bulla M.: Energia és Környezet, UNIVERSITAS- Győr Nonprofit Kft, az eredeti kiadvány 1999. átdolgozott 2008. évi változata alapján

[3] Dr. Bai Attila szerk.: A biomassza felhasználása, ISBN 963- 9422 -46- 0, Szaktudás Kiadó Ház Rt, Környezetvédelmi Alap Célfeladat támogatásával, Budapest, 2002

[4] Dr. Bai Attila szerk.: A biogáz, ISBN 978- 963 -7024 -30 -6, Száz magyar falu könyvesháza Kht, Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal támogatásával, Budapest, 2007.

[5] Dr. Imre László szerk.: (2006): Magyarország megújuló energetikai potenciálja. Magyar Tudományos Akadémia Energetikai Bizottság, Megújuló Energia Albizottság Szakmai Csoportja, Tanulmány, Budapest 2006.

[6] Dr. Büki Gergely (2006) A világ energiaellátása, Mérnökújság Kiadta: Magyar Mérnöki Kamara, LOGOD Bt., Budapest

[7] Kovács András (1999) Alternatív üzemanyagok, Kiadta: Energia Központ, Budapest, 1999.

[8] Dr. Büki G.: Biomassza, a megújuló hőforrás. Magyar Energetika, XVII. évfolyam, 2. szám, 2010. március-április.

[9] Dr. Büki G.: Megújuló energiák hasznosításának helyzete, és jövőképe. Magyar Energetika, XVII. évfolyam, 1- 2. szám, 2010. január - február.

[10] Sütő Vilmos – Homola Anett: Szennyvíziszap a biogáz üzemek számára és az energia ültetvények tápanyag utánpótlására. Energiagazdálkodás, 51. évfolyam, 2010. 2. szám

[11] Dr. Büki G.: Biomassza hasznosítás az épületek energiaellátásában. Energiagazdálkodás, 51. évfolyam, 2010. 1. szám

[12] Dr. Hancsók Jenő: Biohajtóanyagok szerepe a fenntartható fejlődésben. Vitafórum, Nemzeti Kutatási Technológiai Hivatal, 2005. október 25. Budapest

[13] Dr. Dinya (2010): Biomassza alapú energiatermelés és fenntartható energiagazdálkodás, Magyar Tudományos Akadémia Környezettudományi Elnöki Bizottság és az Energetika és Környezet Albizottság tanulmánya, Magyar Tudomány 2010/8. szám.

[14] Dr. Reményi K.: Koppenhága után. Energiagazdálkodás, 51. évfolyam, 2010. 2. szám