energetikai hasznosítása I. A biomassza energetikai hasznosítása I.

Fotoszintézis C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O légkör napfény glükóz (szőlőcukor) répacukor keményítő cellulóz

Fotoszintézis szakaszai (C3) Fényszakasz: H2O O2 + 2 H+ + e- ATP(adenozin trifoszfát) – Energia NADPH (nikotinamid adenin dinukleotid foszfát) – Hidrogén Sötét szakasz: Calvin ciklus

Karbon-ciklus Vízben oldott CO2 Légköri CO2 Ipar Növények Lebontók Állatok Fosszíliák

Ökoszisztéma fejlődési szakaszai Kezdeti szakasz Produkció sok Oxigéntermelés kevés Tetőpont Produkció kevés Oxigéntermelés sok

Csoportosítás Elsődleges biomassza: a növényi fotoszintézis által előállított szervesanyag; a természetes vegetáció, a szántóföldi és kertészeti növények, az erdő, a rét és legelő, a vízben élő növények. Másodlagos biomassza: állatvilág, gazdasági haszonállatok összessége, továbbá az állattenyésztés főtermékei, melléktermékei és hulladékai. Harmadlagos biomassza: biológiai eredetű anyagokat felhasználó ipar melléktermékei, hulladékai, települések szerves eredetű szilárd és folyékony hulladékai, biotechnológiát alkalmazó ipar egyes melléktermékei.

Biomassza hasznosítása Energetika Üzemanyag (hajtás, közlekedés) Hő Villamos energia (és hő). Élelmiszeripar Könnyűipar Ruházat Papír Bútor …stb.

A biomassza energetikai vertikuma A biomassza energetika vertikuma A biomassza energetikai vertikuma hő villany üzemanyag előállítás, keletkezés szállítás, tárolás, előkészítés szekunder energiahordozó előállítása

A biomassza energetika vertikuma hő villany üzemanyag előállítás, keletkezés szállítás, tárolás, előkészítés szekunder energiahordozó előállítása

Energetikai hasznosítás Üzemanyag: mechanikai energia (bioetanol, biodízel) Tüzelőanyag: egyedi, központi hő távhő erőmű (csak! kapcsolt hő + villamos energia) közvetlenül: gőzerőmű közvetve: gázmotoros

Biomassza előkészítése, feldolgozása Aprítás Bálázás Préselés Alkoholos fermentáció Pirolízis Anaerob fermentáció Szilárd Folyékony Gáz

Környezet, klímavédelem Fenntarthatóság Fenntartható-ság Versenyképesség Ellátásbiztonság Környezet, klímavédelem

Lehetőségek, korlátok Paradigma-váltás: fogyasztói helyett fenntartható társadalom. Elsődleges az élelmiszer-termelés. Biomassza-felesleg és hulladék-újrahasznosítás mellett ártalmatlanítás: energetikai hasznosítás. Lokális energiaigény: 30 km-es körzeten belül (MHü [biomassza]<0,5MHü [üzemanyag], különböző gazdasági területek kooperációja (fejlett országokban az energetika szervezésében). Versenyképesség, környezetvédelem: „jogilag” CO2-mentes, ártámogatás egy ideig. Ellátásbiztonság: Hazai forrás, Mo-n földgáz-kiváltás.

Tüzeléstechnikai alapok C + H + S + O + N + A + HOH = 1 (először szilárd tüzelőanyagokra) Elemi összetétel DIN MSZ C Ct karbontartalom kg/kg H Ht hidrogéntartalom kg/kg S St kéntartalom kg/kg O O oxigéntartalom kg/kg N N nitrogéntartalom kg/kg A A hamutartalom kg/kg HOH Wt nedvességtartalom kg/kg C + H + S + O + N + A + HOH = 1

Elemi összetétel (finn tőzeg adataival)

Égési alapmennyiségek Ennyi vízgőz keletkezik az égés során, kg/kg Ennyi száraz levegő szükséges az égéshez, kg/kg Ennyi száraz füstgáz keletkezik az égés során, kg/kg Ennyi száraz füstgáz keletkezne, ha normál állapotba kerülne, m3/kg „normál állapot” itt:  = 0°C; p = 101,32 kPa;

Égéshő, fűtőérték Az égés p≈const megy végbe: Égéshő (ΔHé): a tüzelőanyagot tiszta oxigénben égetjük el: Felső égéshő: az égéstermékek között a víz folyadékfázisban van (ΔHé+mvr(=2,4425 MJ/kg). Alsó égéshő: az égéstermékek között a víz gőzfázisban van (ΔHé). Fűtőérték:

Szilárd tüzelőanyagok jellemző fűtőértékei 5 10 15 20 25 30 35 antracit: 32-36 feketekőszén: 20-32 barnaszén: 15-20 (Mátra: 6,9) lignit: 5-10 rönk fa: 8-13 fűrészpor, faapríték: 8-12 dióhéj: 18-20 korpa: 16-17 napraforgómag héj: 15-17 árpahéj: 14-15 kukoricacsutka darálék: 14-16 szalma szecska: 12-15 fűtőérték, MJ/kg az erőműbe beszállított (nyers) állapotban

A nedvességtartalom hatása a fűtőértékre! Energianövény (salix) laboratóriumi elemzési adatai: Ctd Htd Std Od Nd Ad Wt Qsd Qid gC,wf gH,wf gS,wf gO,wf gN,wf gA,wf gHOH Ho,wf Hu,wf MJ/kg 47,36% 5,51% 0,10% 43,8% 0,82% 2,40% 43,1% 20,374 19,171 8 9 10 11 12 13 14 15 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% nedvességtartalom, kg/kg fűtőérték, MJ/kg

Az égés folyamata (szilárd tüzelőanyag esetén) felmelegedés koksz C H x y hamu CO 2 víz O felmelegedés száradás, pirolízis (drying, devolatilization or pyrolysis) a koksz égése (char combustion) gázreakciók (gasreactions) NO NH 3 (heating)

Folyékony és gáznemű szénhidrogének Folyékony tüzelőanyag (szénhidrogének): használhatók az eddigi reakciók, de hamuval és nedvességgel nem kell számolni. Gáznemű tüzelőanyag (szénhidrogének): az elemi összetétel helyett inkább az alkotó szénhidrogének részarányából indulnak ki, például CH4-CO2 keverék (biogáz).

Tüzeléstechnikai jellemzők Összetétel: Szénhidrátok: 60-70 % illó, faszén: 40-30 %. Nedvesség-tartalom (abszolút (össztömegre), relatív (szárazanyagra): fa 30-40 %, mezőgazdasági melléktermékek: 10-15 %. Hamutartalom fa: 1-3 %, mezőgazdasági melléktermékek: 3-5 %, Kis lágyulási hőmérsékletek (300-700 oC). Káros anyagok: S: <1-2 %, Cl. Sűrűség. Halmazállapot.

Hü=f(ω)

1. Magyarországi alapanyagok Tűzifa (max. 1,5-1,8 Mt/év). Mezőgazdasági és erdészeti maradékok. Energianövények. Szerves melléktermékek (trágya, faipari maradék). Szerves hulladékok (élelmiszeripari maradék, szennyvíz-iszap, kommunális hulladék).

Magyarország földterülete művelési ágak szerint 2007 [ezer ha]

Cellulózalapú biomassza-források Erdészeti melléktermékek Energiaültetvények Nyár Fűz Energiafű … Mezőgazdasági melléktermékek Szalma Kukoricaszár Napraforgószár Venyige Gyümölcsfa nyesedék …

Erdészeti és faipari melléktermékek   Széleskörűen használt megújuló energiaforrás; Infrastruktúra már kiépítve; Természetes források rendelkezésre állnak; Az erdészeti hulladékok begyűjtése csökkenti az erdőtűz kockázatát. Túl drága lehet, biomassza-tüzelésre átállított nagyerőművek felverik az árakat; Magyarországon korlátozott mennyiségben áll rendelkezésre. 

Erdőgazdálkodás vágáslap

Erdészeti biomassza [millió m3/év]

Üzemelő létesítmények Fatüzelésre átállt hőerőművek: Pécsi Erőmű (49 MWe) 330 000 t/év, Kazincbarcikai Erőmű (30 MWe) 200 000 t/év, Ajkai Erőmű (20 MWe) 192 000 t/év, Vegyes tüzelés (10-20 %, <10 %) Vértesi erőmű, Tiszapalkonyai erőmű, Mátrai erőmű. Távfűtés: Távhőtermelés: Szigetvár (2 MWth) 2200 t/év, Mátészalka (5 MWth) 6000 t/év, Papkeszi (5 MWth) 1000 t/év Körmend (5 MWth) 6000 t/év Szombathely (7 MWth)8000 t/év Hő- és villamosenergia-termelés: Balassagyarmat (2 MWe) 12000 t/év Szentendre (? 2 MWe) 20000 t/év.

Energiaültetvények Gyengébb minőségű talajok is hasznosíthatók, Nagyobb a fajlagos biomassza-termelés mint mezőgazdasági melléktermékeknél, Kizárólag energiatermelés céljára létesül, Megakadályozza a talaj erózióját, Összekapcsolható pl. szennyvíz-iszap ártalmatlanításával is. Évekbe telik míg eléri a maximális hozamot, Nagy a területigény – egyes fajták 3 évente takaríthatóak be.  

Az „ideális” energianövény Talajhoz és klímához illesztett növény. Betegségekkel, kártevőkkel szemben ellenálló. Nagy hozam [t/ha.év] Nagy fűtőérték. Kisebb nedvesség-tartalom.

Energiahozam Termesztett biomassza - kalkulált termesztés: Típus terület, ha hozam, t/ha/év égetésre alkalmas tömeg, t/év fűtőérték GJ/t tüzelőhő, GJ Nyár 1200 25 30 000 12 360 000 Fűz 900 35 31 500 11 346 500 Energiafű 16 19 200 230 400 Összesen 3300 80 700 936 900

Fűz (Salix sp.) a magas vízkapacitásos állapotokat jól tűri, sőt kedveli. kedvezőtlen talajokat jól tűri (rekultiváció). 3 évente vágható. talajjavító és mézelőnövény.

Salix viminalis (egyéves hajtások négyéves tövön)

Nemesnyárak (Populus Cv. Sp.) telepítési lehetőségét elsősorban vízigénye korlátozza. az ültetvények várható élettartama 20-25 év. a telepítésről 3-4 évente lehet a hozamot letermelni.

Akác (Robinia pseudoacacia) a laza és középkötött, homokos és vályogos, meleg talajokat kedveli. egy ültetvény élettartama hozzávetőlegesen 20 év. 2-5 évente vágható.

Energiaültetvény betakarítása

Szarvasi-1 energiafű homokos, szikes, belvizes területeken is termeszthető; jól tűri az 5-19° C-os évi átlaghőmérsékleteket; a betegségekkel szemben ellenálló; egyhelyben akár 15 évig termeszthető; a tavaszi telepítést követő évtől teljes termést ad; vetőmagtermesztése egyszerű és gazdaságos; betakarítása a szálastakarmányok géprendszerével megoldható; nagy mennyiségű szervesanyaggal gazdagítja a talajt; fűtőértéke eléri a nyár-, fűz-, akácfa fűtőértékét; takarmányozásra is alkalmas. a tenyészidőben 3 kaszálást igényel http://www.energiafu.hu/

Magyarországon számításba vehető energianövények Cirok (Sorghum bicolor), Magyar rozsnok (Bromus inermis), Kínai nád (Miscanthus synensis sp.), Pántlikafű (Phalaris arundinacea), Cikória (Cichorium intybus).

Mezőgazdasági melléktermékek Hosszútávon feltételezhetően olcsóbb az erdészeti melléktermékeknél. Újabb bevételi forrást jelent a mezőgazdaságnak – jelenleg ezen anyagok jórészét beszántják, elégetik vagy kint hagyják. A jelenlegi arató berendezések és tároló rendszerek nem mindig megfelelőek (kukoricaszár). Vitatott, mekkora talajerő-utánpótlás szükséges.

Mezőgazdasági melléktermékek kalkulált hazai potenciálja Bálás szalma Kukorica- szár Csutka Napraforgószár Venyige Termelés [Mt/év] 4,5 – 7,5 10 – 13 1 – 1,2 0,4 - 1 1 – 1,3 Eltüzelhető mennyiség [Mt/év] 1,5 - 2 3 - 4 0,4 – 0,6 0,3 – 0,4 0,5 – 0,7 Nedvesség [%] 10 - 20 40 - 65 30 - 40 30 - 35 30 – 45 Fűtőérték [MJ/kg, ω=18%] 13,5 13 11,5 14,8

Gabonaszalma Szalma-szem aránya 2:1. Tarlón hagyott, be nem takarított szalma: 40%. Éves alomszükséglet: 3 millió t.

Gabonafélék termésmennyisége

Szalma betakarítási technológiája Kisbálás: részlegesen gépesített. Nagybálás: teljesen gépesített Körbálás – sodorják Szögletes - préselik

Szalma betakarításának folyamata Kombájn Nagybálázó Bálaszállító kocsi Fedett kazal Homlokrakodó

Kukoricaszár Főtermék: melléktermék = 1:1,5. Használható takarmányozásra- Nagy nedvességtartalom: 40-70%. Gazdaságos szárítás még nem megoldott, Keverhető más tüzelőanyagokkal. Betakarítása jelenlegi technológiákkal problémás: kombájnok megtörik, ill a talajba tapossák a szárat.

Kukoricaszár aratása Szecskázásos szecskázott kukoricaszár nagy nedvességtartalma miatt korlátozott ideig tárolható Bálázós nagy nedvességtartalom miatt kazalba nem rakható

Kukorica termésmennyisége

Egyéb melléktermékek Kukoricacsutka: Csöves aratásnál a feldolgozás helyén koncentráltan áll rendelkezésre; egy részét fel is használják tüzelésre. Napraforgószár: Jelenleg beszántják; betakarítás kukoricaszáréhoz hasonló lehet; együttműködés növényolaj gyárakkal.

Egyéb melléktermékek Venyige: Jelenleg nagy részét kint hagyják; bálázásos vagy aprításos technológiával begyűjthető. Gyümölcsfaág: aprításos technológiával begyűjthető. Magok, héjak (meggy, barack, dió, mogyoró, mandula...stb.): konzervgyárakban koncentráltan rendelkezésre áll, de csak szűk időtartamban.