A biogáz

Előszó (Dr. Bai Attila)

1. A biogáz jellemzői (Dr. Bai Attila)
1.1. Bemutatás és történeti áttekintés
1.2. Felhasználási módok
1.3. Energiaválság? Környezetszennyezés? Mezőgazdasági krízis?

2. A biogáz keletkezése (Dr. Kovács Kornél-Bagi Zoltán)
2.1. Mikrobiológiai összefüggések
2.1.1. Hidrolizáló mikroorganizmusok.
2.1.2. Acetogén baktériumok
2.1.3. Metanogén mikroorganizmusok
2.1.4. A mikroorganizmusok közötti együttműködés
2.1.5. Termofil biogáz fermentáció
2.1.6. Kofermentáció
2.1.7. Mikrobiológiai befolyásolási lehetőségek
2.1.7.1. A hulladék emészthetőségének javítása előkezeléssel
2.1.7.2. A mikrobiológiai folyamatok pontosabb megértésén
alapuló hatékonyság javítás.
2.1.8. A metanogén konzorciumok és az anaerob légzést végző
baktériumok kölcsönhatásai

3. Hazai és külföldi elterjedés, valamint ennek indokai
(Dr. Bai Attila-Dr. Fenyvesi László-Mátyás László)
3.1. A jelenlegi hazai helyzet
3.2. Külföldi kitekintés
3.2.1. Az Egyesült Királyság
3.2.2. Dánia
3.2.3. Csehország
3.2.4. Egyesült Államok


4. A technológiai eljárások
4.1. Alapanyag szerinti csoportosítás és energetikai hatékonyság (Dr. Bai Attila)
4.2. A nedves és félszáraz eljárások összehasonlítása gyakorlati tapasztalatok
alapján (Dr. v. Bartha István)
4.3. Felhasználás szerinti csoportosítás
4.3.1. Kisüzemi biogáz-telepek
(Dr. Bai Attila-Dr. Fenyvesi László-Mátyás László)
4.3.2. Állattenyésztési telepek
(Boruzs Lajos-Dr. Fenyvesi László-Mátyás László)
4.3.2.1. Múltbeli tapasztalatok
A szécsényi biogáz-telep
A dömsödi biogáz-telep
4.3.2.2. Jelenleg működő üzemek technológiája
Félszáraz technológia
Nedves eljárás
4.3.2.3. Fejlesztések eredményei
Félszáraz technológia
Nedves eljárás
4.3.3. Depónia-telepek
(Dr. Bai Attila -Dr. Fenyvesi László- Hódi János Mátyás László-Mogyorósi Péter)
4.3.3.1. A szilárd hulladékok kezelésének jelenlegi helyzete hazánkban
4.3.3.2. A depóniagáz keletkezésére ható tényezők
4.3.3.3. A depóniagáz-nyerés folyamata
4.3.3.4. Külföldi esettanulmány
4.3.3.4.1. A depóniagáz eltüzelése földgázzal
4.3.3.4.2. A depóniagáz önálló eltüzelése
4.3.3.5. Hazai esettanulmányok
4.3.3.5.1. A telepek létesítményei
4.3.3.5.2. A beruházással kapcsolatos számítások folyamata
4.3.4. Szennyvíztelepek (Dr. Bai Attila)
4.3.5. Komplex regionális üzemek (Dr. Bai Attila-Dr. v. Bartha István)
4.3.5.1. A javasolt technológia és a keletkező ikertermékek
4.3.5.2. Gazdasági jellemzők
4.3.5.3. Félszáraz eljárású biogáz-biotrágya előállító berendezés üzemeltetése
4.3.5.4. Biomassza tárolóterek kialakításai
4.3.5.5. Készáru tárolása, továbbkezelése és továbbítása a fogyasztóhoz
4.3.5.6. A jó erjedés feltételeinek vizsgálata konkrét esettanulmány alapján
4.3.6. A biogáz tisztítása
4.3.6.1. Biogáz tisztítási eljárások
4.3.6.2. A gáz eltávolítási eljárásoknál használt mechanizmusok
4.3.6.3. Gáz szennyezőanyagainak eltávolítási eljárásai
4.3.6.4. Az alkalmazható eljárások ismertetése, értékelése
4.3.6.5. Biogáz földgáz minőségűre tisztítása
4.3.7. Hajtóanyagcélú hasznosítás (Dr. Bai Attila)
4.3.7.1. A hazai keresletre ható tényezők
4.3.7.2. Egyéb gazdasági vonatkozások
4.3.7.3. A svédországi példa
4.3.8. Gyakorlati tanácsok a biogáz üzem létesítéséhez és működtetéséhez (Dr. Petis Mihály)

5. A gazdasági értékelés speciális szempontjai (Dr. Bai Attila)
5.1. Alternatív költségek
5.1.1. Az alternatív költségekről általában
5.1.2. A biomassza felhasználásának alternatív költségei
5.1.2.1. A mezőgazdasági melléktermékek alternatív költségei
5.1.2.2. Az egyéb melléktermékek és hulladékok alternatív költségei
5.2. Biomassza-energetikai vertikumok vizsgálata
5.2.1. Világviszonylatban
5.2.2. Országosan és regionálisan
5.2.3. Vállalkozási/lakossági szinten

6. Beruházáselemzés (Dr. Bai Attila)
6.1. Alapfogalmak
6.2. Szükséges alapadatok
6.3. A beruházási döntések alapelvei és alkalmazásuk
6.4. Beruházás-elemzési eljárások
6.4.1. Nettó jelenérték (Net Present Value, NPV)
6.4.2. Belső megtérülési ráta (IRR)
6.4.3. Jövedelmezőségi index (Profitability Index, PI)
6.4.4. Diszkontált megtérülési idő (Discount Payment Period, DPP)
6.5. Mintapélda
6.5.1. A költség-haszon elemzésben figyelembevett alapadatok
6.5.2. A beruházás-elemzés folyamata
Adatbázis
Értékelés
Érzékenység-elemzés

7. Jövőbeni perspektívák. Az EU csatlakozás (Dr. Bai Attila)

Irodalomjegyzék

1. A biogáz jellemzői

1.1. Bemutatás és történeti áttekintés

A biogáz szerves anyagok anaerob erjedése során képződő, a földgázhoz hasonló, rendkívül sokoldalúan felhasználható légnemű anyag. Előállítására bármely, az élelmiszergazdaságban és a kommunális szférában képződött szerves anyag alkalmas. A folyamat spontán módon is lejátszódik mélyvízi tengeröblökben, mocsarakban és hulladéktároló telepeken, azonban mesterséges beavatkozással a gáztermelés hatásfoka megsokszorozható. A mikróbák együttműködésével nyert gáz mintegy 50-70 % éghető metánt, 28-48 % égésre képtelen széndioxidot és 1-2 % egyéb gázt, elsősorban kénhidrogént és nitrogént tartalmaz. A földgáz, mint ismeretes, gyakorlatilag teljes egészében metánból áll, ezért a biogáz fűtőértéke a metán részarányától függően a földgáz fűtőértékének 50-70 %-át teszi ki (18-25 MJ/Nm3) , mely sűrítéssel, illetve a széndioxidtól való megtisztítással növelhető. 1 m3 biogáz hőenergiája tisztítás nélkül megközelítőleg 0,5 liter tüzelőolajat, vagy 1 kg feketeszenet képes helyettesíteni. Tisztítás után a földgázzal gyakorlatilag megegyező fűtőértéket képvisel.
A gyakorlatban a különféle szerves anyagok egy kilogramm szárazanyagából mintegy 230-400 liter biogáz kinyerésével lehet számolni. Az elméletileg lehetséges érték: 587-1535 l/kg. Ezen belül a hevítő hatású trágyáknak, valamint a cukorrépa-, a kukorica- és az élelmiszeripari termelés melléktermékeinek a legkedvezőbb a fajlagos biogáztermelésük. Ez még fokozható az alapanyagok keverésével, mely további 1-40 %-kal javíthatja a gázkihozatal hatásfokát. Legmagasabb a metántartalma a szennyvíziszapokból erjesztett biogáznak (70 %), ezt követi a mezőgazdasági melléktermékekből (60-65 %), majd a szilárd települési hulladékokból (50 %) nyerhető gáz metántartalma. Az utóbbiak elgázosodásával képződő depóniagázban jóval magasabb a nitrogén aránya is. A földgáz, a biogáz és a depóniagáz legfontosabb jellemzőit az 1.táblázatban és az 1. ábrán mutatjuk be.


1. ábra: A biogáz alapanyagai, energetikai értéke és energiamérlege (Bio-Genezis Kft, 2003)

Az erjesztés során a felhasznált szervestrágya szervesanyag-tartalma – a félszáraz-eljárás esetén – 28 -48 %-kal csökken Ezzel szemben - mivel az erjesztés zárt rendszerben zajlik - a főbb tápanyagok közül csak nitrogénben mutatkozott jelentéktelen, mintegy 1,5 %-os veszteség (komposztnál ez 20-40 %). Ez viszont azt jelenti, hogy a biotrágya fajlagos tápanyag-tartalma közel kétszerese az elsőosztályú istállótrágyáénak. Ehhez járul még a kedvező biológiai hatás (jóval magasabb ammónium-nitrogén arány , lúgos pH , mely tényezők eredményeképpen a biotrágya alkalmazása a komposzthoz képest 50 %-os, a műtrágyához képest 30 %-os terméstöbblettel járhat a szántóföldi növénytermesztésben . USA-beli adatok 5-15 %-os, kínai mérések a kukorica és gyapot esetén 25-28 %, a búzaféléknél 10-13 % termésnövekedésről számoltak be. Ezzel szemben az erjesztetlen istállótrágya 5-9 % , más tartamkísérletek alapján 14 % , míg a növényi maradványok alászántása 1-3 % többletterméssel jár a kizárólag műtrágyát alkalmazó tápanyag-utánpótlással szemben. Szerkezete és morzsalékos összetétele révén a biotrágya különösen a rossz, köves, homokos, vagy használaton kívüli talajoknál növeli a humuszképződést, a talaj baktériumainak aktivizálásával, valamint víz- és tápanyag-visszatartó képességének növelése révén.
A biogáz felfedezésének története több évszázadra nyúlik vissza. Shirley 1677-ben fedezte fel a mocsárgázt. Volta 1776-ban megállapította, hogy ez éghető anyag, Daltonnak pedig 1804-ben sikerült kimutatni belőle a metángázt. Pasteur fedezte fel, hogy ezt az anyagot mikróbák állítják elő. 1888-ban ezen megfigyelések eredményeképpen, Gayon a Francia Tudományos Társaság ülésén már olyan gázt égetett el, melyet trágyából és vízből saját maga állított elő 35 oC hőmérsékleten. A módszer fejlődése igen gyors volt: a világ első biogáztelepét 1856-ban az indiai Mantungában, egy lepratelepen helyezték üzembe, 1896-ban az angliai Exeterben közvilágításra használták a biogázt, 1937-ben pedig már 7 német nagyvárosban működtek biogázzal üzemelő szemétszállító járművek. A biogáz-biotrágya előállítást a világon 1806-ban H. DAVY, a trágyából való gázkiáramlással indította el. 1857-ben Bombayban valósult meg az első biogáz berendezés. 1920-30 között a szennyvíziszapok anaerob erjesztését kezdték el, amivel ugyancsak biogázt lehetett nyerni. 1942-ben DUCELLIER és ISMANN Algériában mezőgazdasági hulladékot erjesztettek kétütemű fermentációs módszerükkel. A mai formában a második világháború után kezdődött el az eljárás széleskörű elterjedése, a másodlagos energiaforrások felkutatása jegyében, mint ami a legkedvezőbb és legegyszerűbben hasznosítható eljárás.
Hazánkban évszázadunk első felében kezdődtek meg a kutatások és a hazai próbaüzemek mellett 1959-65 között már Indiában is létesült két biogázüzem Dr. v. Bartha István tervei alapján.

1.2. Felhasználási módok

A biogáz előállítása több szempontból is különleges helyet foglal el a megújuló energiaforrások között. Ez az a biomassza-felhasználási mód, amely a legsokoldalúbb módon elégítheti ki a felhasználók – különösen egy település, vagy egy mezőgazdasági vállalkozás – igényeit (2.ábra), hiszen a folyamatban - közvetlenül, vagy további átalakítás során - többféle termék állítható elő. Ezek a következők:

Saját felhasználásra
•biogáz, mely hasznosítható fűtésre, hűtésre, gázmotorok meghajtására,
•biotrágya, mely a felhasznált szerves trágyánál, illetve kommunális hulladéknál jóval értékesebb,
•szén-dioxid, a biogáz tisztításának mellékterméke (üvegházak szén-dioxid trágyázása).

Értékesítésre
•tisztított biogáz , melynek jellemzői megegyeznek a földgázéval (fűtés, autógáz),
•elektromos áram a biogáz generátorral történő átalakításakor,
•dúsított biotrágya virágföldként, illetve humuszképző anyagként, akár biogazdálkodók részére is.

2. ábra: A biogáz előállításának szerepe a szervesanyag és
energia körforgásában (Bio-Genezis Kft, 2003)

Az alapanyag minősége, mennyisége, az alkalmazott technológia (2. táblázat) és a saját hőigény nagymértékben befolyásolja azt, hogy milyen termék(ek) előállítását érdemes megfontolni.


Hazánkban és Nyugat-Európában is jellemző módon a folyamatos üzemelésű, egyenletes erjesztést lehetővé tevő, 5-15 % szárazanyagot tartalmazó hígtrágyát feldolgozó biogáztelepek terjedtek el. A hígabb szennyvíz növeli a beruházásigényt és csökkenti a gázhozamot, a nagyobb szárazanyag-tartalom pedig teljesen másfajta, szakaszos üzemelésű technológiát igényel, esetleg felveti a komposztálás alkalmazásának lehetőségét is.
Alapvető szempont a technológia tervezésekor hogy minél olcsóbban állítsuk elő a felhasználni kívánt termékeket. Ez lényegében háromféleképpen érhető el:

Lehetőleg helyben rendelkezésre álló alapanyagot használjunk fel, hiszen ezek kis értékűek, de szállításuk költséges.
Minél kevesebb munkafolyamattal állítsuk elő a számunkra megfelelő terméket. Minden szükségtelen átalakítás növeli a beruházási és a működési költségeket is. Ideális eset a saját felhasználás, mert a piacképessé tétel, bár lehetséges a biogáz és biotrágya esetében is, de mindenképpen jelentős többletköltségekkel jár.
Biztosítsuk az üzem működésének zavartalanságát. Ez az üzemzavarok gyors elhárításán kívül magában foglalja a folyamatos alapanyag-ellátást és – a tárolás korlátozott volta miatt - az előállított termékek folyamatos felhasználását, vagy értékesítését is. Miután az üzem megvalósítása családi méretben is legalább százezer Ft-os, nagy kapacitás (állattartó telep, szennyvíztelep) esetén pedig százmillió Ft-os nagyságrendű, ennek az évente, amortizációs költségként elszámolható része a működéstől függetlenül is jelentkező, „állandó” költség. Az egységnyi termékre jutó állandó költségek nagysága a kapacitások teljes kihasználásával minimalizálható, ez pedig a biogáz és a biotrágya önköltségében döntő fontosságú tényező.

Az ideális biogáztelep tehát képes a képződött biogáz és biotrágya közvetlen felhasználására. A biogáz eltüzelésével nyert energia alkalmas a biogáztelep fűtésére és a kapcsolódó létesítmények melegvíz-ellátására. Kizárólag hőenergia előállítása esetén problémát jelenthet viszont az évszakonként ingadozó kereslet, amelyet még tetéz az, hogy – főleg az alacsonyabb gépesítettségű üzemeknél - a külső hőmérséklet emelkedése (nyáron) a biogáztermelés növekedésével jár, éppen abban az időszakban, amikor eleve kisebb a hőenergia-felhasználás. A biogáz közvetlen eltüzelése tehát csak jelentős hőenergia-igényű tevékenység (baromfi-tartás, fóliasátras zöldség-, vagy virágtermesztés) társítása esetén javasolható.
A biotrágya közvetlen felhasználása megfelelő méretű saját növénytermesztési ágazatot (lehetőleg kapásnövényeket, vagy zöldséget, gyümölcsöt) feltételez, ennek hiányában pedig szerződéssel biztosított átvételt. Egy hektár mezőgazdasági területre 30-40 t/ha trágyával érdemes számolni 3-4 évente.
Amennyiben a saját hőigény nem elegendő a kapott biogáz-mennyiség maradéktalan belső felhasználására, az értékesítésre az alábbi lehetőségek kínálkoznak:

A biogáz megtisztítása a széndioxidtól és egyéb szennyező gázoktól, amelyet követően a kapott bio-földgáz a fosszilis földgázzal gyakorlatilag megegyező fűtőértéket képvisel. Ez ma már az országos (vagy helyi) földgázvezetéken keresztül, értékesíthető.
Másik lehetőség a(tisztított biogáz komprimálásával nagyobb fűtőérték elérése és ennek a gépkocsi-motorokban történő felhasználása. 4 bar-os nyomás eléréséhez mintegy 130 MJ/m3 energiabefektetés szükséges, ugyanakkor a sűrített gáz fűtőértéke (1200 MJ/m3) még mindig jóval alacsonyabb a könnyebben összenyomható földgáznál és PB gáznál.
Végül a leggyakoribb eljárás: a villamos energia előállítása gázmotorban, mely univerzálisan felhasználható, sőt piacképes terméket produkál. Ezt a hatályos szabályzók értelmében – 2003-ban már kedvező áron (éves átlagár: 18,7 Ft/kWh )- a területileg illetékes villamosenergia-szolgáltató köteles átvenni. A folyamat a kopáscsökkentés révén növeli a motor élettartamát is . Az eljárás során nagy mennyiségben (66-74 %) keletkező hulladékhő hatékony felhasználása alapvetően meghatározza az eljárás gazdaságosságát. Erre jó példa az 1995-ben kifejlesztett KOHER-rendszer, a kapcsolt élesztőmoslék- , vagy a metanol-előállítás , legegyszerűbb módon pedig a hőcserélővel történő hővisszavezetés a fermentor fűtéséhez. Osztrák adatok szerint utóbbi módszer integrált alkalmazásával 45 % energiamegtakarítást sikerült elérni. Ennek jelentőségét aláhúzza, hogy a hazai rendszerek technológiai önfogyasztása eléri a 25-33 %-ot .
A biogáz tisztításakor kapott tiszta szén-dioxidot fóliák és növényházak kultúráinak szén-dioxid trágyázására használják. Alkalmazása növényfajtól függően 15-40 % terméstöbbletet és a termésminőség javulását eredményezi .
A folyamatos működés és a teljes kihasználás csak a berendezések (elsősorban az erjesztő tartály) megfelelő méretezésével érhető el. Ennek során először az alapanyag mennyiségét kell meghatároznunk, vagy a rendelkezésre álló állatok számából (3. táblázat) és növényi anyagokból, vagy a szükséges (felhasználható) gázmennyiségből kiindulva (69-71. oldalon részletezve). Ezt követően a rothasztótér térfogatát kell meghatároznunk a rothasztási idő, az erjesztés hőmérséklete és az optimális szervesanyag-terhelhetőség alapján (3-6. ábrák).


Termofil körülmények, rövidebb erjesztési idő, illetve kisebb szárazanyag-tartalmú alapanyag esetén csökkenthető lenne az erjesztő nagysága, bár az utóbbi két esetben a kapott biogáz mennyisége is csökkenne. Néhány biomassza-féleség elgázosításával átlagos esetben kinyerhető biogáz mennyiségéről tájékoztat a 4. táblázat.

4. táblázat: Egyes szerves anyagok várható biogázhozama

3. ábra: A hőmérséklet hatása az elérhető gázhozamra (Kaltwasser, 1983)


4. ábra: A hőmérséklet hatása a rothasztási időre (Kaltwasser, 1983)


5. ábra: Gázhozam az N/C arány függvényében (Kaltwasser, 1983)