7. fejezet - Bioenergia

Tartalom

7.1. Biomassza alapanyagok
7.2. Konverziós folyamatok
7.2.1 Mechanikai átalakítás
7.2.2 Termokémiai átalakítás
7.2.3 Biokémiai átalakítás
7.2.4 Bioüzemanyagok
7.2.5 Konverziós technikák ipari elterjedése
7.3. A biomassza közvetlen hasznosításának technológiái
7.3.1 Biomassza-hő technológiák
7.3.2 Kogeneráció
7.3.3 Bioüzemek
7.4. A biomassza hasznosításának története
7.5. Magyarország biomassza energia hasznosítása

A természetes biomassza a Földön – szárazföldön és tengerben egyaránt – élő és nemrég elhalt szervezetek tömege és biológiai eredetű mellékterméke. Az emberi tevékenység által ez kibővül az ipari biotechnológiai termékekkel, és a biológiai eredetű vagy biológiailag lebomló ipari és kommunális hulladékkal. Definíció szerint az ember testtömegét nem számítjuk ide (Láng, 2002). A biomassza mint megújuló energiaforrás törvényi definíciójában csak az emberi tevékenységből származó biológiai anyagok kaptak helyet. Ennek megfelelően a 2010. évi CXVII. törvényben foglaltak szerint a biomassza „a mezőgazdaságból (a növényi és állati eredetű anyagokat is beleértve), erdőgazdálkodásból és a kapcsolódó iparágakból – többek között a halászatból és az akvakultúrából – származó, biológiai eredetű termékek, hulladékok és maradékanyagok biológiailag lebontható része, valamint az ipari és települési hulladék biológiailag lebontható része”. Tömegarányát tekintve a biomassza elsődleges forrása a növényi fotoszintézis.

A biomassza potenciálisan a legnagyobb globális megújuló energiaforrás, évi primér produkciója 4500 EJ, melyből 2900 EJ használható potenciálisan bioenergiaként. A teljes mennyiség mintegy 10%-os szintű kitermelése becslések szerint hosszú távon is fenntartható (Hall és Rosillo-Calle, 1999). Az ennél nagyobb arányú folyamatos termelés korlátja nem a forrás rendelkezésre állása, hanem a termelés fenntarthatósága, valamint a kinyert energia konverziója és szállítása.

A növények napenergia konverziója igen alacsony hatásfokú, kevesebb mint 1%. Következésképpen arányaiban nagy földterületek szükségesek a növényi alapú fenntartható mértékű energia termeléséhez. Emellett a biomassza energiasűrűsége igen alacsony. Összehasonlításképpen a szén energia sűrűsége 28 GJ/t, az ásványi olajé 42 GJ/t, a földgázé 52 GJ/t, míg a biomasszáé csak 8 GJ/t (50%-os nedvességtartalmat feltételezve). A kis hatásfok miatt a szállítás, a megtermelt energia egy jelentős hányadát felemészti, ezért a biomassza alapú energiatermelő rendszerek tervezésekor a szállítási távolság minimalizálása alapvető fontosságú (McKendry, 2002).

A biomassza alapú energiatermelésnek három nagy előnye van a többi megújuló energiához képest. Egyrészt, az összes többi energiaforráshoz viszonyítva területi eloszlása a legegyenletesebb. Másrészt, a biomassza felhasználása nem ütközik technológiai akadályokba, az adott régió ipari fejlettségétől függően lehet alakítani a termelési folyamatot. Harmadrészt a fotoszintézis révén – melynek alapegyenletét a (7.1) formula mutatja be – a növények életük folyamán a légkörből kinyert CO2-t építik be növekedésükkor. Így a bomlási folyamat során keletkező CO2 mennyisége nem jelent plusz terhelést a légköri CO2 egyensúlyra nézve.

(7.1)

Az első két előnynek köszönhetően az éves globális energiafelhasználás (kb. 500 EJ) mintegy 10%-a a biomassza alapú energiatermelésből származik. Ezzel a 4. helyet foglalja el az összes energiaforrás közül, a megújuló energiáknak pedig hozzávetőleg 80%-át adja (IEA, 2011). Ugyanakkor meg kell említenünk termelésének korlátait is. Egyrészt a különböző növényfajok/fajták energiahasznosítása különböző hatásfokú. Másrészt az ipari célú termesztéssel a növény- és állatvilág természetes egyensúlya felborul. Harmadrészt, a nagyobb hatásfok érdekében – hogy a bioenergia fenntartható legyen – a termesztéskor további energia bevitelére van szükség (pl. műtrágyák). Ha mindehhez hozzáadjuk a földhasználatból eredő változásokat, akkor már nem feltétlenül garantálható a CO2 egyensúly fenntartása (Bauen et al., 2009).

7.1. Biomassza alapanyagok

Az energiatermelés céljára hasznosítható biomassza alapanyagokat négy nagy csoportra oszthatjuk: nyers fa származékokra, energianövényekre, mezőgazdasági termékekre és egyéb szerves hulladékra (7.1. ábra).

A nyers vagy vágott fák esetén beszélhetünk a fakitermeléskor keletkező elsődleges és másodlagos maradványokról. Előbbihez az ágak apróléka és a tuskók tartoznak, utóbbihoz pedig már a fafeldolgozás során keletkező melléktermékek, úgymint fűrészpor, faforgács, fakéreg, nyesedékfa, faszén. További csoportba sorolandó a metszési hulladék. A legnagyobb csoportot természetesen a tűzifa képezi, mely a termelt biomassza energiának mintegy 2/3-át adja.

Az energianövények csoportjába kifejezetten az energiatermelés számára ültetett növények tartoznak, melyek lehetnek fás-, illetve lágyszárúak. A fás szárúak esetén két lehetőség van az üzemszerű termesztésre. Mindkettő a gyorsnövekedésű fákat részesíti előnyben (Bauen et al., 2009). A kapott faanyagot tüzelőként hasznosítják. Energiaerdőknek olyan fákat telepítenek, melyek 8–20 éves korukra érik el ideális méretüket (kb. 15 cm törzsátmérővel), és kérgük vékony (pl. eukaliptusz, éger, nyír) (McKay, 2011). A kivágott fákat általában újratelepítik. Az energetikai ültetvényeken ezzel szemben egy év után tarvágást végeznek (a gyökerek és a kis tönkök megmaradnak), mert a törzsből induló új hajtások gyorsabban növekednek. Az új növekményeket 2–5 évente le lehet vágni, az ültetvény pedig akár 30 évig is termékeny marad (DEFRA, 2004). A tönkről gyorsan növő fajok közül a fűzfát és a nyárfát részesítik előnyben. Mind a két típusú termesztésnek megvan a maga előnye. Az energiaerdő aratásakor keletkező faanyag tömörebb és jobban hasznosítható, míg az energetikai ültetvényekről összességében nagyobb mennyiségben és gyakrabban termelhető be faanyag.

A különböző lágyszárú növények nagyobb feldolgozást igényelnek. Az energiafüvek (pl. repce, cirok, elefántfű, vesszős köles) és mezőgazdasági energianövények (pl. napraforgó, szója, cukornád), valamint a nem étkezési célú búza és kukorica is a kinyerhető alapanyag függvényében dolgozhatók fel. Az olajos növényekből biodízel, a cukornövényekből bioetanol, a keményítőt tartalmazó növényekből, valamint a nagy égési energiájú növényekből fűtőtermék készül. Meg kell említenünk az energianövények sorában az algák termesztését is, melyből különböző fajtájú bioüzemanyagok nyerhetők ki.

A mezőgazdaságban a termelés során nagyon sok hulladék (10–50%) keletkezik, akár a betakarítás, akár pedig az állattartás eredményeképpen, melynek jelentős része kezelten vagy kezeletlenül fűtésre használható. Nedvességtartalmuktól függően megkülönböztetünk száraz és nedves hulladékot. A szárazokat égetik, míg a nedves hulladékoknál – akár komposztált fű, akár trágya esetén – főként az anaerob bomlás következtében fejlődő metángáz kinyerése a cél.

A szerves hulladékok két jellemző csoportja az ételmaradékok, valamint az ipari melléktermékek és hulladékok. Az ipari hulladékokat két csoportra oszthatjuk: fa, illetve egyéb szerves hulladékokra. A fa alapú hulladék minden esetben tüzelőként kerül felhasználásra, általában brikett formájában. A papírpép és -hulladék újrahasznosítása tüzelőként, illetve átalakítása elektromos árammá egyre nagyobb mértékben biztosítja az energiát a papíripar számára. Például 2002-ben az USA-ban a papírgyártáshoz szükséges áram több mint 40%-át, az EU-ban több mint 30%-át voltak képesek biztosítani (Metz et al., 2007). A szennyvíziszap hasznosítására két mód lehetséges: egyrészt szárítással tüzelőként, másrészt az energiaköltséges szárítás helyett, a nedves iszapban zajló anaerob bomlási folyamatokkor keletkező gázok energetikai alkalmazásával.

A különböző forrásból származó biomasszákat csoportosíthatjuk fő alkotóelemeik szerint is. Eszerint megkülönböztetünk olaj, cukor és keményítő, lignin/cellulóz alapú, illetve mikroorganikus forrásokat. Az olaj alapú források közé tartozik például a repce, napraforgó, fáradt olaj, állati zsírok; a cukor és keményítő tartalmú forrásokhoz a cukornád, cukorrépa és a különböző gabonák. A lignint és cellulózt például fából, szalmából, energia növényekből, fa és papír jellegű kommunális hulladékból lehet kinyerni.

A biomassza alapanyagok csoportosítása. Fő csoportjai a nyers fa, energianövények, mezőgazdasági hulladék és szerves hulladék.

7.1. ábra: Biomassza alapanyagok (vastag keret - a fa alapú biomassza) (Vis és van den Berg, 2010, Ladanai és Vinterbaeck, 2009).