„Fa, mint megújuló energiaforrás” Faipari hulladékok hasznosítása kapcsolt hő- és villamos energia fejlesztésére Készítette: Prof. Dr. Lang Miklós Prof. Dr. Varga Mihály egyetemi tanár egyetemi tanár Dr. Németh Gábor Ph.D. egyetemi adjunktus Sopron, 2009. szeptember 04.
A faalapú hulladékok Nem veszélyes és veszélyes faalapú hulladékok [16/2001. (VII. 18.) KöM rendelet a hulladékok jegyzékéről]
2007 február 21.-én az Európai Közösségek Bizottsága által COM(2007) 59 számon kiadott „Tájékoztató közlemény a hulladékról és a melléktermékekről” hulladéknak nevezhető minden olyan tárgy, anyag, anyaghalmaz, mely a termelés során a termék mellett, valamint a termék elhasználódása során keletkezik, újrafelhasználása (reuse) és újrahasznosítása (recycle) nem megoldható, és az közvetlenül vagy közvetve veszélyezteti a környezetet.. ? Melléktermék A melléktermék feldolgozásának folyamatában mindenképpen vannak olyan műveletek, melyeket a további hasznosítás érdekében el kell végezni. Amennyiben ezek a műveletek a termelési folyamat szerves részét képezik, az anyag még nyugodtan tekinthető mellékterméknek. Ha azonban további visszanyerésre van szükség a további felhasználás végett, - még abban az esetben is, ha a felhasználás biztos - az anyagot sok esetben hulladéknak kell tekinteni a alapanyag visszanyerés befejezéséig.
Előtérben a faalapú hulladékok Magyarországon becslések szerint az évente - a hozzávetőleg 1,8 millió ha. erdővel borított területből - kitermelt nettó faanyagtérfogat 5,6 millió m3, melyből 2,7 millió m3 ipari célú, míg 2,9 millió m3 energetikai célú. (2007., Országos megoszlás, 66%-os statisztikai felvétel alapján számított érték. Forrás: ÁÉSz ) Mintegy millió 1,2-1,5 millió m3 fahulladék miatt nagy jelentőséget kell tulajdonítani a tovább-feldolgozásnak, hasznosításnak. „Termelő oldal” „Fogyasztói oldal” Az főre jutó fatermék fogyasztás ~0,15 m3/év (0,27 m3/év élőfa), míg az energetikai célra kitermelt fa esetén ez az arány ~0,32 m3/év. 1 m3 hengeres élőfára vetített hulladék (felméréseim alapján) Elhasználódott fatermék („RW: Recovered wood, Altholz”) „Az otthon melege” Lerakás
Faalapú hulladékok/melléktermékek alapcsoportosítása (veszélyes, és nem veszélyes) Ipari fahulladék/melléktermék Elhasználódott fatermék Építési, bontási hulladék Csomagolóanyagok és használatra alkalmas tömör faanyag Egyéb újra felhasználható faanyagú termékek Erdőgazdasági Fafeldolgozási Általánosságban elmondható, hogy a kezelt fák többségében veszélyes anyagnak számítanak, a bennük levő védőszer összetétele miatt (pl. réz, arzén, króm, stb.) „CCA”. ezeket általában veszélyes hulladék-égetőkbe viszik. Ugyanakkor sikeres kutatások melyek közül az egyik legsikeresebb talán a biológiai kezelés, amikor a mérgező összetevőket ártalmatlan vagy kevésbé mérgezőanyagokká alakítják mikroorganizmusok, enzimek által. A barna korhadás gombáját (Antrodia-A. vaillantii) használták erre a célra, mivel a CCA-val szennyezett aprított faanyag ezen gombás fertőzés során oxálsavat termel. Ebben a formában az összetevők nagy része már kimosható a faanyagból Másik ígéretes megoldás az elektrodialízis, mely során az elektródokat feszültség alá helyezzük (az elektródok között sóoldatot vezetnek keresztül), s így az ionok a megfelelő elektródok felé vándorolnak: a katód (negatív elektród) felé a kationok, míg az anód (pozitív elektród) felé az anionok áramlanak.
A falapú csomagolási hulladékok Környezetvédelmi termékdíjat megfizetni 16 Ft/kg. VAGY Termékdíj mentesség (gyártó tehát maga teljesíti a csomagolási hulladék-visszagyűjtési kötelezettségét, vagy hatósági engedélyekkel rendelkező hulladékbegyűjtő és -hasznosító cégekkel szerződést ) VAGY A kötelezett hasznosítást koordináló szervezettel (jelenleg 6,7 és 7 Ft/kg között kell fizetni faalapú csomagolási anyagok esetén a vállalatoknak a különböző koordináló szervezeteknek), mely fizet a hasznosításért 6,5 Ft/kg összeget !!!!!!!!!!!!! 150 ezer tonna/év !!!!!!!!!! Európai Unió 94/62. számú (ún. csomagolási) irányelvének 2004. évi módosításában szereplő minimális, újrafeldolgozási célkitűzései A koordináló szervezet begyűjti és hasznosítja a kibocsátott és hulladékká vált csomagolás 54%-át, oly módon, hogy az anyagában hasznosított hulladékmennyiség aránya elérje a 33%-ot.
Faalapú hulladékok kezelésének betartandó hierarchiája Faalapú hulladékok hasznosítása: Reuse (újrafelhasználás)----- pl.: többutas raklapok Recycle (újrafeldolgozás) Recovery (energetikai visszanyerés)
Faipari termékek, hulladékok/melléktermékek életútjának folyamatmodellje
Hasznosítási és ártalmatlanítási lehetőségek kapcsolata a faalapú hulladékokkal (Az ábrán a piros vonalak gyakorlatilag a hulladék/melléktermék „végső” energetikai hasznosításának vagy ártalmatlanításának útjához kapcsolódnak, míg a zölddel jelölt vonal segítségével az elsődleges hasznosítási eljárások iránya látható.)
Energetikai hasznosítás A faalapú hulladékok energetikai hasznosítása során hőt, áramot, vagy a kettő kombinációját kapjuk. Forrás: Dr. Johann Geyer (2005): Biomass district heating systems: Europaisches Zentrum für Erneuerbare Energia Güssing GmbH. Güssing
Előtoló rostélyos tüzelőberendezés sémája Az energetikai felhasználás legegyszerűbb módja tehát a közvetlen eltüzelés Alátolós égetés Előtoló rostélyos tüzelőberendezés sémája Befúvatásos égetés Előtéttüzelő berendezés A stacioner és a körforgó fluidizációs rendszer Forrás: Dr. Johann Geyer (2005): Biomass district heating systems: Europaisches Zentrum für Erneuerbare Energia Güssing GmbH. Güssing VAS GmbH. & Co KG
A fa- és egyéb szilárd hulladékokból többféle technológia szerint nyerhetünk gázt. Egyik eljárás az oxidáló közegek kizárásával végzett hőbontás (pirolízis). A pirolízis nagy karbontartalmú anyagok lebontását és depolimerizációját eredményezi. A folyamat egyik terméke a fagáz, amelyet energiaforrásként használhatunk. Rajta kívül szilárd termékként faszén, folyékony anyagként kátrány és kátrányos víz keletkezik. Másik eljárás oxidáló közeg (levegő, oxigén) jelenlétében végzett elgázosítás. Ebben az esetben az elgázosítás magas hőmérsékleten, a sztöchiometriai mennyiségnél kevesebb oxidáló közeg jelenlétében zajlik le. Ilyen feltételek mellett a fa erősen bomlik és polimerizálódik, kis molekulájú gázok és szénhidrogének (CO, C02, Hz, CHQ stb.) képződnek. Oxidáló közeg jelenlétében a szilárd anyag mennyisége erőteljesebben csökken, a szilárd és folyékony termékek (faszén, kátrány) képződését alacsonyabb szinten lehet tartani, melyeket hűtéssel, szűréssel és tisztítással távolítanak el.
A kapcsolt energiatermelés egyszerűsített folyamata Kapcsoltan termelt energia: közös technológiai berendezésben, azonos tüzelőanyagokkal, legalább 65%-os energetikai hatásfokú energiaátalakítási folyamattal előállított villamos- és hőenergia
Kapcsolt energiatermelés lehetőségei Hazánkban a CHP rendszereket kogeneráció névvel illetik, vagy ha az abszorbciós rendszer is jelen van a rendszerben, akkor a technológia trigeneráció névre hallgat Gőz munkaközegű (hulladékhő a kondenzátorból kilépő gőzben): ellennyomású, elvételes kondenzációs, kondenzációs (részleges és teljes hőkiadással). Gázturbinás kombinációk (hulladékhő a gázturbinából kilépő füstgázban) forróvízkazán, gőzkazán, ellennyomású gőzturbina, elvételes kondenzációs gőzturbina. Gázmotoros kombináció (hulladékhő a gázmotorból kilépő füstgázban, kenőolajban és hűtővízben). Hőszivattyús hőtermelés (hulladékhő felhasználás). A kapcsolt energiatermelésnél lehetőség van a szerves Rankine-ciklus (ORC = Organic Rankine Cycle) alkalmazására is ahol munkaközegként nagy molekulasúlyú szerves folyadékot használunk (termoolaj).
Jellemző teljesítmény Kogenerációs rendszerek üzemeltetési paraméterei Paraméterek Gőzturbina Diesel generátor Gázmotor Gázturbina Mikro turbina Villamos hatásfok 15-38% 27-45% 22-40% 22-36% 18-27% Teljes hatásfok 80% 70-80% 70-75% 65-75% Jellemző teljesítmény (MWe) 0.2-800 0.03-5 0.05-5 1-500 0.03-0.35 Forrás: http://www.kekenergia.com/archiv/chp.html
A kapcsolt energiatermelés gázmotorral (egy lehetséges séma levegő levegő Forrás: Dr. Johann Geyer (2005): Biomass district heating systems: Europaisches Zentrum für Erneuerbare Energia Güssing GmbH. Güssing
Kapcsolt energiatermelés gőzturbinával Forrás: Dr. Johann Geyer (2005): Biomass district heating systems: Europaisches Zentrum für Erneuerbare Energia Güssing GmbH. Güssing VAS GmbH. & Co KG
A Gáz állapotváltozásaira épül a mozgatása. Stirling-motor A Gáz állapotváltozásaira épül a mozgatása. A fahulladék a kazánban kerül elégetésre, a távozó füstgáz először a belépő égési levegőt előmelegíti, majd az hőcserélőn leadja a hőjének egy részét a fűtési víznek. Az eltávozó füstgáz maradék hője veszteségnek számít. Az égési levegő hőjéből dolgozik a Stirling-motor is, a beérkező 140 kW-ból 35 kW villamos áramot termel, a maradék hő pedig szintén az hőcserélőhöz kerül. (NASA RPS hajtómű alacsony hőmérsékletű fűtőberendezéssel) Problémák: Stirling-motor hideg és meleg oldali hőcserélői költségesek A leadott teljesítményt nehéz változtatni Felfűtéshez szükséges nagyon hosszú Munkaközeg: hidrogén, de nehéz megtartani a zárt térben szivárgás miatt A felvett hő az egyidejű motorhűtéssel együtt a bezárt munkagáz nyomásingadozását okozza, amely így egy vagy több dugattyúval egy tengelyen munkát tud végezni.
Gőzexpanziós Spilling motoron alapuló kapcsolt energiatermelési lehetőség Egy speciális gőzerőfolyamaton alapuló lehetőség, mely egy hagyományos dugattyús gépből lett kialakítva. A hengerfejébe gőzt vezetünk és a gőz miközben a dugattyúkat lefelé tolja a gép tengelyén munkát végez. A motor szabályozottan csökkenti a kazánban termelt gőz nyomását a kívánt technológiai nyomás értékre, tehát a berendezés automatikus nyomáscsökkentőként is üzemel. Forrás: Hegedűs Attila (ERBE): Spilling expanziós motor
Példaszámítás Spilling-motorra Adott egy vállalatnál 25.000 tonna faipari hulladék (pl.: fűrészipari kéreg, nyesedék, fűrészpor, forgács, eselék) Piaci ára 200-250 mFt környező országokat is figyelembe véve 300.000 GJ hőértéket képvisel lehetőség: villamos teljesítmény igény: 300 kW hő teljesítmény igény: 4000 kW A szárítás hő- és villamos igénye II. lehetőség: villamos teljesítmény igény: 750 kW hő teljesítmény igény: 7200 kW Az üzem teljes hő és villamos igénye Villamos igényhez szükséges: 12500 tonna hulladék (melyből 35.000 tonna gőz állítható elő) 300 kW SPILLING GŐZMOTOR- GENERÁTOR Villamos igényhez szükséges: 25000 tonna hulladék (melyből 70.000 tonna gőz állítható elő) 300+450 kW SPILLING GŐZMOTOR- GENERÁTOR Az előállított villamos energia értéke: ~100 mFt/év, ehhez jön még a hőenergia értéke (~200-250 mFt/év) Az előállított villamos energia értéke: ~250 mFt/év, ehhez jön még a hőenergia értéke (~400-450 mFt/év)
A vállalt hő és villamos igényei Példaszámítás Spilling-motorra III. lehetőség: Adott: 25.000 tonna faipari hulladék Nemesítés után: 350.000-400.000 GJ hőértéket képvisel melyből 100.000 tonna gőz állítható elő A gőz technológiai és fűtési célú átalakításával kapcsoltan kb. 8-10 millió kWh/év (~1 MWh) villamos energia termelhető. A vállalt hő és villamos igényei + Együttműködés megvalósítása helyi közintézményekkel, a területfejlesztés és munkahely teremtés érdekében
Összefoglalás, végszó Fő alapanyag források, melyek még nem kerültek hasznosításra: - Erdészeti és faipari üzemek hulladékainak egy része hiszen pl. a fakitermelési melléktermékek mennyisége az erdészetek szerint kb. 1,5 millió m3! - Lakosság: Altholz
20%-kal kell csökkenteni az üvegházhatású gázok kibocsátását EU által 2008. december 17. elfogadott klímacsomag jelentős hatással fog bírni a faipari alapanyagokra és hulladékokra hasznosítására egyaránt, hiszen (mint ahogy az a bírálatban is olvasható) 2020-ig: 20%-kal kell csökkenteni az üvegházhatású gázok kibocsátását 20%-kal kell javítani az energiahatékonyságot 20%-ra kell növelni az összes primer energia felhasználáson belül a megújuló energiák felhasználását (Magyarország: 13%) 10-ra kell növelni a megújuló energiából előállított hajtóanyag felhasználását az összes felhasználáson belül. Adatok forrása: Bohoczky Ferenc, ny. vezető főtanácsos, az MTA Megújuló Albizottság tagja (2008)
Köszönöm megtisztelő figyelmüket!