Biogáz

Az erjesztett trágyából fejlődő gáz energia előállítására is használható

A biogáz szerves anyagok mikróbák által anaerob körülmények között történő lebontása során képződő gázelegy. Körülbelül 45-70% metánt (CH₄), 30-55% szén-dioxidot (CO₂), nitrogént (N₂), hidrogént (H₂), kénhidrogént (H₂S), ammóniát és egyéb maradványgázokat tartalmaz (pl.: sziloxán, metil-merkaptánt (CH₃SH)).

A biogázképződés mikrobiológiája

Biogázfejlesztő Németújvárott

A biogázképződést négy fázisra lehet bontani. Ezek a következők:

1. Hidrolízis: a hidrolízis folyamán a szerves anyagokat (fehérjék, zsírok, szénhidrátok) bakteriális enzimek alapegységekre bontják (aminosavakra, zsírsavakra, glükózra).
2. Savképződés: savképződéskor a feloldott anyagok szerves savakká (ecetsavvá, propionsavvá, vajsavvá), kis szénatomszámú alkoholokká, aldehidekké, hidrogénné, szén-dioxiddá és egyéb gázokká (például ammóniává, kén-hidrogénné) alakulnak. Ez a folyamat addig tart, amíg a baktériumok saját lebontó tevékenységeik következtében el nem pusztulnak, fel nem oldódnak (az alacsony pH miatt a baktériumok életkörülményei már nem megfelelőek).
3. Acetogén fázis: ebben a fázisban az acetogén baktériumok az előző fázis anyagait alakítják ecetsavvá.
4. Metánképződés: ebben a fázisban az ecetsavat metanogén baktériumok metánná, szén-dioxiddá és vízzé alakítják. A hidrogén (H₂) és a szén-dioxid (CO₂) metánná és vízzé alakul át: $\mathrm {CO_{2}+4H_{2}\rightarrow CH_{4}+2H_{2}O}$

Összességében elmondható azonban, hogy a mikrobiológiai folyamatokat két fő fázisra bonthatjuk: az egyikben a fermentáció történik (első két fázis), a másodikban pedig a metánképződés. A második fázisban ugyanis az acetogén baktériumok csak a metanogén baktériumokkal együtt (szimbiózisban) képesek működni.

Az optimális fermentáció követelménye a megfelelő szén–nitrogén arány (a szén aránya a nitrogénhez viszonyítva) a fermentálandó anyagban. Ideális esetben ez az arány 13:30. A lebontási maradékban található nitrogén vegyületek a növények számára könnyen felvehető formában vannak jelen.

Biogáztermelés alapanyagai

• Állati trágyák (marhatrágya, sertéstrágya, baromfi trágya, marha hígtrágya, sertés hígtrágya)
• Szántóföldi növények (silókukorica, kalászos teljesnövény, cukorrépa, répalevél, fűszenázs)
• Élelmiszeripari melléktermék (melasz, szőlőtörköly, gyümölcstörköly, sörtörköly, gabona szeszmoslék)
• Kommunális hulladék (konyhai élelmiszer-hulladék, szennyvíziszap, zöldkaszálék)

A biogáz felhasználásának lehetőségei

Magas energiatartalma miatt (kb. 50 - 60% metán) energiatermelésre lehet hasznosítani. A biogáz energiatartalmát a metántartalomból lehet következtetni: 1 m³ metán 9,94 kWh energiát tartalmaz. 60%-os metántartalom esetén 1 m³ biogáz 0,6 l tüzelőolaj energiájával egyenértékű. Lehetséges felhasználási módok:

1. hagyományos, "ázsiai" felhasználások a több millió háztartásban (főzőlap, lámpa stb.);
2. meleg víz előállítása biogáz üzemű kazánban;
3. kapcsolt villamos- és hőenergia termelés (kogeneráció), hűtőközeg előállítása esetén trigeneráció;
4. földgáz minőségű biometán előállítása;
5. a jövőben bioszén-dioxid előállítása.

Hagyományos, "ázsiai" felhasználások

A biogáz tömeges használatának története nagyjából másfél évszázados, elsősorban Kínában és Ázsia más országaiban. Ezek túlnyomórészt nem ipari, hanem háztartási használatok, osztott termelést valósítanak meg a környezetet terhelő koncentrált termelés helyett. A fejlődő országok energiaellátását célzó programok eredményeképpen elterjedtek az egyszerű felépítésű biogáz üzemű tűzhelyek és lámpák. A vezetékes villamos rendszerektől elzárt területeken a biogáz üzemű lámpa lehetőséget biztosít olcsó fényforrás használatára.

Melegvíz előállítása biogáz kazánban

A biogáz egyszerű és olcsó hasznosítási módja biogáz égetésére alkalmas kazánban melegvíz előállítása is. A fejlődő országokban ez is elterjedt hasznosítási mód. A biogáz üzemű kazánokat el lehet látni olyan égőfejekkel is, melyek alkalmasak egyéb folyékony vagy légnemű energiahordozók elégetésére (fűtőolaj, földgáz, PB gáz).

Kapcsolt villamos- és hőenergia termelés

A biogáz üzemű kapcsolt energiatermelés, melynek felépítése azonos a földgáz üzemű kogenerációs berendezésekkel, a gázmotor nagyságától függően a biogáz energiatartalmának 25-42%-át képes villamos energiává alakítani, míg termikus hatásfoka 40%-körül alakul. A kis teljesítményű motorok elektromos hatásfoka alacsonyabb. A kogenerációs berendezések össz hatásfoka (elektromos és termikus) 75% fölött van. A biogáz használata áramtermelésre azért is előnyös lehet, mert földgázt válthat ki, csökkentve ezzel a külső szállítóktól való függést.

Lényegesen magasabb összhatásfok érhető el biometánüzemű törpeaggregát és bojler összeépítésével (a víz melegítése és a motorblokk hűtése azonos folyamatok), amely használati melegvíz mellett elektromos áramot is termel (az esetleg felesleges áram tárolása rövid távon akkumulátorral, hosszú távon vízbontással, H2 és O2 gázok tárolásával a legelőnyösebb). Bár az elektromos hatásfok alacsony, a termikus hatásfok magas; az egyedüli veszteségforrás a kipufogógázzal távozó hő, az összhatásfok 90% feletti. Ez a megoldás semmiféle hálózatot nem igényel (sem villamos-hálózatot, sem távhő-hálózatot), ezért osztott/családi termelés céljára (az élelmiszer-önellátáson kívül energia-önellátásra is) előnyös.

Biometán előállítása

Számos technológia létezik, melynek segítségével a biogázban található szén-dioxidot és egyéb olyan gázokat le lehet választani, melyek eltávolítása után a földgáz minőségével egyező ún. biometánt kapunk. A biometán, amennyiben megfelel az MSZ 1648:2000 sz. földgáz minőségi paramétereknek, a földgáz hálózatba betáplálható. Magyarországon még nem valósítottak meg biogáz tisztító berendezést és földgáz hálózati betáplálást.

Jövőbeli bioszén-dioxid előállítása

A metanol-gazdaság egyik lényeges előnye az emissziómentes villamosenergia rendszer, amelynek során direkt metanolcella alkalmazásával zárt ciklusban körforgást végez 4 elem, a metanol, az oxigén, a szén-dioxid és a víz. Ennek indításához, a fosszilis ill. ipari eredetű szén-dioxid kiváltásához használható bioszén-dioxid is (az ilyen gázgyártás során - a biomettán-gyártással szemben - a biometán a szennyező, akár el is fáklyázható).

A biogáz Európában

2006-ban az Európai Unióban 62.200 GWh energiát állítottak elő biogázból. Ebbe az energiamennyiségbe beletartozik a depóniagáz, szennyvíztelepi biogáz és az egyéb szerves anyagokból előállított biogáz is (többnyire mezőgazdasági biogáz üzemek). Németország és Nagy-Britannia közel 36% és majd 32%-os részaránnyal a legnagyobb biogáz termelő országok közé tartoznak. A többi tagországban lényegesen kevesebb biogázt termelnek és hasznosítanak. Nagy-Britanniában a depóniagáz a meghatározó (90%), míg Németországban az egyéb biogáz termelés (főleg mezőgazdasági alapanyagokat hasznosító üzemek) közel 50%-os aránnyal a meghatározó. Nagy-Britannia 1000 lakosra jutó átlagos energiatermelése biogáz alapon 28,1 Toe, míg Magyarországé 1 Toe.

Biogáz alapú energiatermelés 2006 (GWh)
Állam	Összesen	Depóniagáz	Szennyvíz	Egyéb
Németország	22 370	6 670	4 300	11 400
UK	19 720	17 620	2 100	0
Olaszország	4 110	3 610	10	490
Spanyolország	3 890	2 930	660	300
Franciaország	2 640	1 720	870	50
Hollandia	1 380	450	590	340
Ausztria	1 370	130	40	1 200
Dánia	1 100	170	270	660
Lengyelország	1 090	320	770	10
Belgium	970	590	290	90
Görögország	810	630	180	0
Finnország	740	590	150	0
Csehország	700	300	360	40
Írország	400	290	60	50
Svédország	390	130	250	10
Magyarország	120	0	90	40
Portugália	110	0	0	110
Luxemburg	100	0	0	100
Szlovénia	100	80	10	10
Szlovákia	60	0	50	10
Észtország	10	10	0	0
Málta	0	0	0	0
EU (GWh)	62 200	36 250	11 050	14 900

A lebontási maradék hasznosítása

A fermentáció után visszamaradt anyag sokkal jobban alkalmazható talaj szerves anyag utánpótlás biztosítására, mint az istállótrágya, mert:

-az anaerob kezelés során az értékes nitrogén tartalom megőrződik,

-az elfolyó anyag savassága csökken, a pH értéke 7-ről 8-ra emelkedik,

-istállótrágya esetében a C/N arány 30-50%-kal csökken, tehát a keletkező termék alkalmas közvetlen mezőgazdasági alkalmazásra,

-a folyamatban a foszfor és kálium tartalom a növények számára könnyen felvehető állapotba kerül,

-a gyommagvak csírázóképessége mezofil folyamatban csökken, termofil folyamatban gyakorlatilag megszűnik,

-a termék sokkal kevesebb kellemetlen szaganyagot tartalmaz és könnyen vízteleníthető.

A fermentáció eredményeként a hulladék elhelyezéssel járó közegészségügyi problémák csökkennek, mert:

-az anaerob fermentáció során az emberre veszélyes patogén baktériumok jelentős része elpusztul (termofil folyamatban teljes fertőtlenítés következik be),

-a termék térfogata számottevően csökken, tehát könnyebben és biztonságosabban tárolható,

-a környezetet szennyező anyagok koncentrációja csökken az anaerob fermentáció után

Források

• Updated Guidebook on Biogas Development. United Nations, New York, 1984. Energy Resources Development Series No. 27. p. 178, 30 cm. * Bár döntő részben az ázsiai és óceániai családi fejlesztésekkel foglalkozik (melyek kb. 11-12 millióan vannak és rohamosan szaporodnak), a családi alkalmazás körében a mai napig a legfontosabb alapmű, teljes. A Budapesti Műegyetem Központi Könyvtárában a raktári szám: O372859
• [szerk.: Dr. Bai, Attila]: A biogáz. Száz magyar falu könyvesház Kht., Budapest, 2007. p. 284+cca20, 27 cm. ISBN 978-963-7024-30-6. * Noha az osztott (családi) termelés csak 10-15 oldalnyi (döntően a centralizált termeléssel foglalkozik), mégis fontos alapmű a technológiák, továbbá a magyarországi jogi környezet részletes ismertetésével. Bevezető részében igen értékes globális adatokat közöl.

További információk

• Magyar Biogáz Egyesület
• Biogáz.lap.hu
• Fachverband Biogas e.V. Freising, Németország
• OGIN Biogas B.V. - Termofil biogáz erőművek tervezése és kivitelezése
• Ökogázprojekt Kft - Személyre Szabott Energia
• Biogázüzemek működése, és biogázüzemi technológiák (Dr HajduJózsef 2009)

Kapcsolódó szócikkek

• megújuló energiaforrások
• bioetanol
• biodízel
• biomassza
• metanogén baktériumok