7.3. A biomassza közvetlen hasznosításának technológiái

Amint láthattuk, a biomassza új energiahordozóvá alakítása – eltekintve a brikett és pellet készítéstől – egyes esetekben még igen költséges formája az energia kinyerésének. Ugyanakkor, ha közvetlen energianyereséget szeretnénk elérni, egyszerűbb technológiákhoz is folyamodhatunk, melynek eredményeképpen hőt vagy a hőn kívül elektromos áramot nyerünk.

7.3.1 Biomassza-hő technológiák

A biomassza felhasználásának legősibb formája az égetés. Ahhoz, hogy nagyobb hatékonyságot érjünk el, mint az egyszerű kazánok, és a lehető legkisebb mértékben szennyezzük környezetünket, valamint a lehetőségekhez képest a legkisebb befektetéssel tegyük mindezt, új eljárásokra van szükség.

Égetés

A fa és egyéb szilárd biomassza közvetlen égetése a legrégebbi és leghozzáférhetőbb energiaforrás, és jelenleg is ez teszi ki a biomassza-felhasználás legnagyobb részét. Mivel ipari méretekben is elterjedt, ezért a fejlesztések a több alapanyagú teljes teljesítmény és az áram- és hőfejlesztés hatékonyságának növelésére irányulnak.

Szociális és gazdasági körülményektől függően a háztartási égetési technológiák hőhatékonysága nagy skálán mozog. A nyílt tűzhelyek, kandallók hatásfoka -10% és 10% között mozog. A negatív hatásfok nem megfelelően szigetelt körülmények között lehetséges, amikor nagy mennyiségben keveredik be hideg levegő az égéstérbe, és összességében több energiát fogyaszt, mint termel. Ilyen főként fagypont alatti külső hőmérséklet esetén fordul elő (Bauen et al., 2009). A fejlett országokbeli hagyományos tűzhelyek hatásfoka 10–15%, míg a forgáccsal vagy pellettel üzemelő fűtőberendezéseké a 90%-ot is elérheti. Fejlett biomassza gőzkazánok hőhatékonysága 100% feletti is lehet, ha az égetéskor felhasznált levegőt nedvesítik, mielőtt a gőzkazánba kerülne, és a füstgáz kikondenzálódik, amikor kilép a kazánból (Westermark, 2006). Ez a kondenzációs energia többletet jelent a biomassza égési energiájához képest.

Technológia

Ahhoz, hogy a betáplált biomassza teljesen elhasználódjon és kis méretben is hatékony legyen az égetés, felső adagolású, alsó légbefúvásos gőzkazánokat fejlesztettek ki, melyeknek két égési fázisa van: pirolízis és oxidációs zóna (7.9. ábra bal oldali része). Kis mennyiségű alapanyag betáplálása kerülendő, mert az túl sok emisszióval jár. Ezért ajánlott hőtározóval összekapcsolni a fatüzelésű gőzkazánokat. Mivel a pelletek automatikus adagolása könnyű, ezért egyre inkább kezdenek elterjedni a kisebb háztartásokban is. A pellet alacsony nedvességtartalmának köszönhetően magas fűtőérték érhető el. A pellet kazánokban (7.10. ábra) a belső kerámiaszigetelés és víztartály biztosítja a hőmegtartást. Az utóbbi 10 évben a folyamatos fejlesztések eredményeképpen a kezdeti 60%-os hatékonyságot 80–90%-ra emelték, míg a VOC és kátrány kibocsátást századára csökkentették. A felső légbefúvásos kazánokat (7.9. ábra jobb oldali része) főként faforgácsok és hasonló alapanyagok égetésére használják, melyeknek alacsony a hamutartalma, míg a rostélyos kazánokat magas hamu- és nedvességtartalom esetén is lehet alkalmazni. A szalmabálák égetésére speciális égetőket fejlesztettek ki.

Bal oldalon az alsó légbefúvásos kazánban alulról felfelé haladva találjuk az oxidációs zónát, a redukciós zónát, a szárítás és pirolízis zónáját, valamint a nem elreagált anyagokat. Az alapanyag felülről kerül be, és fent távozik a fejlesztett gáz, alul a rostélyon keresztül adnak hozzá levegőt és távolítják el a keletkezett hamut. A jobb oldalon a felső légbefúvás esetén, redukciós zóna, oxidációs zóna, szárítás pirolízis zóna, majd az el nem reagált anyagok zónája a sorrend. Az alapanyag és a levegő felülről érkezik, a fejlesztett gáz és a faszén alul távozik. Mindkét típusnál legmagasabb a hőmérséklet az oxidációs zónában.

7.9. ábra: Alsó légbefúvásos (bal oldalon), felső légbefúvásos kazán (jobb oldalon) (Kitani et al. 1999).

Pellet kazán sematikus rajza, pellet tárolóval és a tárolóból lassan adagolt pellettel, melyet gázégő éget el.

7.10. ábra: Pellet kazán.

Az álló vagy buborékoltató fluidágyas gőzkazánokat ipari méretekben alkalmazzák hulladékfa vagy a papíripari hulladékok feldolgozására. A fluidágyas gőzkazánokban közel homogén hőmérséklet- és koncentrációeloszlás érhető el, s ezzel relatíve kevés levegő felhasználásával az alapanyagok jelentős része elégethető. A fluidágy különböző típusú összetevői további lehetőséget biztosítanak katalitikus reakciókra. Továbbá a fluidágy hőjének kivonásával irányítható az égési hőmérséklet, mellyel csökkenthető a hamuképződés és az NOx kibocsátás is.

Együtt-tüzelés

Az együtt-tüzelés nem más, mint egynél több tüzelőanyag egyidejű égetése. Ezt a módszert már létező szén- vagy gázerőművekben lehet alkalmazni; a biomassza a tüzelőanyag 3–20%-át adja. Az együtt-tüzelés a legkisebb költséggel járó megújuló energia hasznosítási forma, mely napjaink hatékony elektromos áramfejlesztő erőműveinek kiegészítésével elérhető. Mivel a biomassza kisebb mennyiségben tartalmaz kén- és metánvegyületeket, ezért nem csak a CO2, hanem más szennyező anyagok kibocsátása is csökkenthető.

Ideális a lokális forrású biomassza használata, de a legtöbb erőmű importálja ezeket. Például pelleteket Kanadából, vagy olívahulladékot a mediterrán vidékről.

Biomassza adagolási módszerek

A biomassza négyféleképpen adagolható az ilyen üzemekben (Van Loo és Koppejan, 2008):

1) Előkeverés

Amikor a bioüzemanyag aránya kicsi, együtt adagolható a szénnel a szénmalomba, hogy aztán együtt égessék el őket. Ez a legegyszerűbb módszer, és ez igényli a legkisebb befektetést. Másrészről azonban ez a technológia hordozza magában leginkább azt a veszélyt, hogy meghibásodik az üzemanyag-adagoló.

2) Közvetlen együttes adagolás

Ennél a lehetőségnél a biomassza külön előkezelése, aprítása történik. A porított biomasszát közvetlenül az égetőbe juttatják. Az égető előterébe több szállító csövet kell beszerelni, melyek könnyen eltömődhetnek.

3) A biomassza és szén külön égetése

Ennél a típusnál egészen az égetési fázis végéig külön kezelik a biomasszát és az alap-tüzelőanyagot. Habár ez a legdrágább eljárás, itt kell számolni a legkisebb meghibásodási aránnyal.

4) A biomassza újraégetése a felső kemencében

Ekkor a biomasszát arra használják, hogy az NOx emissziót csökkentsék. A bioüzemanyag égetése egy speciálisan kialakított újraégető-rendszerben történik, a kemence felső végén. Ez még kísérleti fázisban van.

Hőfejlesztés kapcsolása

Az együtt-tüzelésre három módszer létezik.

  1. Közvetlen együtt-tüzelés (7.11a. ábra)

    Ez a legolcsóbb, legegyszerűbb és leginkább alkalmazott eljárás. A biomasszát közvetlenül juttatják a kemencébe a szénnel együtt. Előfeldolgozása történhet előkeveréssel vagy közvetlen együttes adagolással. A több típusú üzemanyagot felemésztő fluidtüzelésű üzemek akár 90% feletti hatékonyságot is elérhetnek, és a füstgáz kibocsátás alacsonyabb, mint a hagyományos rostélyos égetésnél, mert alacsonyabb hőmérsékleten zajlik az égetés.

  2. Indirekt együtt-tüzelés (7.11b. ábra)

    Ebben az esetben a biomasszát először gázosítják, majd a képződött gázt a fő fűtőegységben tüzelik el. Előfordul, hogy a gázt előtte le kell hűteni és tisztítani, mely bonyolultabbá és költségessé teszi a működést. Ugyanakkor ez a módszer széles skálájú alapanyag-használatot tesz lehetővé. Mivel a gázosítás külön zajlik, ezért a szénből és biomasszából származó hamu el van különítve. Továbbá amiatt, hogy a nagyon eltérő vegyi összetételű és fizikai tulajdonságú alapanyagokból eredő problémákat a fő égetés előtt megoldják, ezért a gőzképzés hatékonysága nem sérül.

  3. Párhuzamos együtt-tüzelés (7.11c. ábra)

    Nevéből adódóan a biomassza égetése és a gőzfejlesztés külön zajlik, csak a különböző források által generált gőz kerül be a turbinákhoz. Ez a módszer leginkább a papíriparban terjedt el, ahol kifejezetten a termeléshez használt és hulladékként jelentkező biomassza számára épített gőzgépek vannak. Ennek segítségével gazdaságosabbá tehetik működésüket és növelhetik energiahatékonyságukat.

a) a biomassza és a szén együtt, közvetlenül kerül a kazánba, b) a biomasszát először elgázosítják, a keletkezett gázt bevezetik a kazánba, melyet szénnel táplálnak, c) a biomassza és a szén külön kazánokban kerül elégetésre.

7.11. ábra: Hőfejlesztés kapcsolási rendszerek: a) közvetlen, b) indirekt, c) párhuzamos együtt-tüzelés [7.1].

Technológiák

  1. Fluidágyas tüzelő

    A technológia a fűtőanyag és levegő fluidizált mozgásán alapszik. Széntüzelésű erőművekben elterjedt alkalmazás. A tűztérben található fluidágy – mely többnyire homokból készül – olyan közeget képez, mely magas égési hőmérsékletet biztosít a lehetséges szennyeződések, alacsony energiatartalom vagy magas nedvességtartalmú alapanyag ellenére. Az elsődleges légbefúvó mozgásban tartja a fluidágy alapanyagát (olyan lesz a részecskék mozgása, mint a forrásban levő folyadéknak), míg a másodlagos légbefúvó a kazán magasabb részein táplálja a levegőt, hogy több szakaszban biztosítson teljes égést. Az ágy hőmérséklete 750–950 °C, mely meggátolja az NOx keletkezését és biztosítja az alacsony hamuképzésű alapanyagok elégetését. A fluidágy alapanyagát mészkővel vagy dolomittal kiegészítve a SO2 szennyezés is csökkenthető. Az égéstérben a fluidágy 90%-a homok és hamu, a maradék pedig az üzemanyag (Kitani et al., 1999; Boross és Czinder, 2004). Kis befektetés szükséges ahhoz, hogy biomassza üzemre alakítsanak át egy már létező erőművet. Két fő típusa, a cirkulációs (7.12. ábra, 7.6. táblázat) és az álló fluidágy a legelterjedtebbek.

    A cirkulációs folyamattal több különböző tulajdonságú alapanyag hatékony égetése oldható meg. Az ágy anyagának cirkulációja és az égéstérben levő nagy turbulencia biztosítja az alapanyag és az égési levegő jó keveredését, mely egyben hatékonyan szállítja a hőt a kazán belső felszínén. Egy hatékony részecske elkülönítő, az ún. ciklon a folyamat lelke, mely különbséget jelent az álló fluidágyas megoldáshoz képest. A ciklon elkülöníti a bizonyos szemcseméretnél nagyobb részecskéket a füstgázból és visszajuttatja a kazán aljára. A ciklon szerepe, hogy az el nem égett részecskéket az égéstérbe visszavezetve égésre bírja.

    A cirkulációs fluidágyas kazán szerkezete fordított u alakú. A bal oldali szár alján áramlik be a fluidizáló levegő, majd erre kerül a fluidágy, melyre adagolják az alapanyagot és az el nem égett részeket. Az felső részben áramlik a gáz, illetve kisebb-nagyobb égett darabok. A jobb oldali szárban a maradék szilárd részeket kiszűrik.

    7.12. ábra: Cirkulációs fluidágyas kazán sematikus ábrája (Kitani et al., 1999).

    Levegő helyett túlnyomáson is lehet alkalmazni ezt az eljárást, mely hasonló alapelven működik, mint a légbefúvásos, kivéve, hogy az égetés a légköri nyomásnál magasabb nyomáson zajlik. Itt veszélyforrásként jelentkezik a reaktor nyomástűrő képességének túllépése.

     

    Álló fluidágy

    Cirkulációs fluidágy

    Alapanyag

       

    Jó bioüzemanyagokhoz (nedvesség<63%)

    Nedves alapanyagokkal limitált (nedvesség<58%)

    Alacsony szénarány

    (max. 30%)

    Teljes szén kapacitás

    Teljes kapacitás olaj és gáz használással

    Olaj és gáz felhasználás max. 40%

    Folyamat

     

    Durva szemcséjű ágy alapanyag

    Finom szemcséjű ágy alapanyag

    Alacsony fluidizáló sebesség

    Magas fluidizáló sebesség

    Működés

       

    Alacsony áramfogyasztás

    Magasabb áramfogyasztás

    Kis kopás

    Kopás lehetséges

    Alacsony fenntartási költség

    Szemcsézettebb => magas fenntartási költség

    Teljesítmény

         

    Jó hatékonyság

    Jó hatékonyság

    Alacsony NOx kibocsátás

    Nagyon alacsony NOx kibocsátás

    Alacsony N2O kibocsátás

    Magasabb N2O kibocsátás

    SO2 szűrés korlátozott mészkővel

    Hatékony SO2 szűrés mészkővel

    7.7. táblázat: Az álló és cirkulációs fluidágyas kazánok főbb tulajdonságainak összehasonlítása [7.1].

  2. Porított alapanyag égető

    Ennél a technológiánál, bármilyen alapanyagot is használjanak (szén vagy biomassza), az égetést megelőzően azt 1 mm-nél kisebb átmérőjű szemcsékké porítják. Kevesebb típusú alapanyagot lehet hozzá felhasználni, de mégis ez a világon a legelterjedtebb elektromos áramfejlesztő technológia. Ennek egyik oka a csökkentett emisszió, habár az alacsonyabb energiasűrűség miatt nagyobb mennyiségű biomasszára van szükség. A porégetés folyamatát nehéz irányítani, és túlzottan magas (>1200 °C) égési hőmérsékletek is előfordulhatnak, mely nagy NOx kibocsátással jár. A közvetlen együttadagoláson kívül azonban az összes adagoló eljárás alkalmazható.

  3. Rostélyos tüzelő (7.13. ábra)

    Az alapanyagot ez esetben egy mechanikus rácson (rostélyon) égetik, mely a tüzelőanyagot lépcsős, vándor vagy vibrációs eljárással vezeti át a kazánon. Ahogyan az alapanyag szállítódik, az égetéssel a nedvesség elpárolog, a keletkező hamut összegyűjtik és elvezetik. A rostély alatti levegő utánpótlás gyakran szakaszos, hogy jobban lehessen szabályozni az égést. Habár ez a legrégebbi és legegyszerűbb módja a szilárd tüzelőanyagok égetésének, ez a legkevésbé hatékony is, ráadásul jelentős füstgáz kibocsátással is jár. A többi technológiához képest a kamrán belüli hőmérséklet nagyobb, 800 °C és 1400 °C között változik. A fa alapú tüzelőanyagok használata nem ütközik semmilyen akadályba, azonban más típusoknál több probléma is felléphet az összetétel és nedvességtartalom miatt.

a kazán alján kis szögben megdöntött vibrációs rostélyra kerül az alapanyag, az égési maradék a vibráció következtében a hamugyűjtőbe jut. A kazánba a rostély alatt és felett egyaránt levegőt juttatnak be. Az égés- és fűtéstérből a légnemű illetve szálló égéstermékek a ciklonba áramlanak, ahol a szilárd elemeket kiszűrik.

7.13. ábra: Vibrációs rostélyos tüzelő (1 – alapanyagbekeverő, 2 – vibrációs rostély, 3 – alsó légbefúvó, 4 – felső légbefúvó, 5 – égéstér, 6 – fűtéstér, 7 – ciklon, 8 – hamugyűjtő) [7.1].

A direkt tüzelésű kazánok energiatermelése a házi kályháktól (1–10 kW) az ipari méretű hő- és áramfejlesztőkig (> 5 MW) terjed. A közepes teljesítményű berendezések a családi házak fűtésére alkalmas kis kazánoktól (10–50 kW), a kerület vagy falu fűtésére elegendő teljesítményt adókig (150–1000 kW) széles skálán mozog. Az együtt-tüzeléssel már nagy teljesítményű (>100 MW) üzemek is kialakíthatók. A különböző típusú biomassza tüzelő berendezések jellemző alkalmazási tulajdonságai a 7.7. táblázatban találhatók.

Alkalmazás

Típus

Jellemző teljesítmény

Alapanyagok

Hamu- tartalom

Víz- tartalom

Kézi

 

Fa kályha

2 kW – 10 kW

száraz hasadék fa

<2%

5%–20%

Fahasáb kazán

5 kW – 50 kW

hasábfa, ragadós fa hulladék

<2%

5%–30%

Pellet

Pellet kályhák és kazánok

2 kW – 25 kW

fa pellet

<2%

8%–10%

Automatikus

                 

Alsó tüzelésű kemence

20 kW – 2,5 MW

faforgács, fa hulladék

<2%

5%–50%

Mozgó rostélyos kemence

150 kW – 15 MW

minden fa alapú bioüzemanyag, legtöbb biomassza

<50%

5%–60%

Rostélyos előfűtő

20 kW – 1,5 MW

száraz fa (hulladék)

<5%

5%–35%

Alsó tüzelésű, mozgó rostélyos kemence

2 MW – 5 MW

nagy nedvesség tartalmú faforgács

<50%

40%–65%

Szalmabála égető

3 MW – 5 MW

szalmabála

<5%

20%

Szemesbála égető

3 MW – 5 MW

szemesbála

<5%

20%

Szalma égetők

100 kW – 5 MW

szalmabálák és maradványok

<5%

20%

Álló fluidágyas

5 MW – 15 MW

különböző biomassza,

d < 10 mm

<50%

5%–60%

Cirkulációs fluidágyas

15 MW – 100 MW

különböző biomassza,

d < 10 mm

<50%

5%–60%

Porégető

5 MW – 30 MW

különböző biomassza,

d < 5 mm

<5%

<20%

Együtt- tüzelés

     

Álló fluidágyas

összesen 50 MW – 150 MW

különböző biomassza,

d < 10 mm

<50%

5%–60%

Cirkulációs fluidágyas

összesen 100 – 300 MW

különböző biomassza,

d < 10 mm

<50%

5%–60%

Szalmabála és porégető

szalma 5 MW – 20 MW

szalmabála

<5%

20%

Szénégető

összesen 100 MW – 1 GW

különböző biomassza,

d < 2 – 5 mm

<5%

<20%

7.8. táblázat: A különböző biomasszatüzelők főbb tulajdonságai [7.1].

7.3.2 Kogeneráció

A fűtésre szolgáló alapanyagok nem csak hőtermelésre, hanem a hő felhasználásával gőzfejlesztésre és gőzturbinák által elektromos áram termelésére is alkalmasak (7.14. ábra). Az ilyen kombinált hő- és áramfejlesztő üzemeket rövidítve CHP-nak (combined heat and power) nevezzük. A kombinált energiatermelés elve egyszerű. A hagyományos áramfejlesztés átlagosan 35%-os hatékonyságú, az energiapotenciál akár 65%-át bocsátják ki hőfeleslegként. A legújabb kombinált ciklusú üzemekben a hatékonyság 55%-ra emelhető, ha az elektromosság szállításából és elosztásából származó veszteségeket nem vesszük figyelembe. A hő felhasználásával a CHP üzemek hatékonysága 90%-nál nagyobb is lehet.

Az üzemek telepítése és mérete a helyi forrásoktól és igényektől függ, máskülönben a költség már nem térül meg. A berendezések és üzemek kapacitása nagyon széles skálán mozoghat, a családi házak ellátásától a nagyüzemi méretekig. A kogenerátor négy fő része a motor, az elektromos áramfejlesztő, a hővisszanyerő és az ellenőrző rendszer. Az egyes kogenerátorok fajtáit a motor és betáplált alapanyag alapján lehet elkülöníteni. A meghajtó egység lehet dugattyús, gőz-, illetve gázturbina, valamint ezek kombinációja. Az alapanyagok általában biogáz és folyékony bioüzemanyagok (Ranalli, 2007).

tüzelő rendszer a vibrációs rostély üzemét követi, azonban a forró levegő segítségével motort hajtanak meg, így termelve hőt és áramot egyaránt.

7.14. ábra: A biomassza-tüzelésű, kapcsolt energiatermelést megvalósító Stirling-motor sémája (Büki, 2010).

7.3.3 Bioüzemek

A bioüzemek a biomassza-feldolgozás során különböző termékeket – üzemanyagot, hőt, vegyi anyagokat – állítanak elő. A folyamatos működéshez egész évben rendelkezésre álló biomasszára van szükség. Ilyenek például a mezőgazdasági termékek és hulladékok vagy az energianövények. Ha az alapanyagok nagyon eltérnek egymástól, akkor el kell őket különíteni és típusonként meghatározott előfeldolgozást kell alkalmazni. A feldolgozáskor keletkező köztes termékeket különböző gyártási folyamatok elemeként fel lehet használni. A végeredmény a bioüzemanyagok és termékek széles skáláját fedi le, melyek egy része már napjainkban is működik üzemi szinten, más része még fejlesztés alatt áll. Mint a legtöbb üzem esetén, itt is elsődleges szerepe van a gazdaságosságnak. Egyes konverziós folyamatok, mint például a gázosítás túl drága lehet egy ilyen üzemben. Ugyanakkor a biomassza hosszútávú beszerzése olcsóbb, mint a fosszilis tüzelőké. A közeljövőben a bioüzemek elterjedése még nem valószínű, hiszen egyelőre nem lehet felmérni az üzemek gazdasági előnyeit évtizedekre előre. Egyetlen (gazdaságilag is) versenyképes előnyük a fenntarthatóság, és hogy üvegházgáz kibocsátásuk minimális (European Commission, 2005). Kérdés azonban, hogy az azonnal érvényesülő haszon, illetve a hosszútávú környezetterhelés csökkentés ellentéte feloldódik-e valaha.