hasznosítható potenciálja, napenergia - biomassza - szélenergia - vízenergia - geotermikus energia
4. fejezet - A megújuló energiaforrások
4.2.6. A biogáz termelés, a biogáz felhasználása [4]
4.2.6.2. A biogáz keletkezése [2]
A biogáz a mikroorganizmusok, metanogén baktériumok életműködésének a terméke. A mentán baktériumok természetes életteret lelnek a mocsarakban, tenger mélyén és a bélrendszerben, kiváltképp a kérődzőknél.
Ezeken a természetes életterekben találhatók meg a mentán baktériumok létezésének élőfeltételei.
A mentán baktériumok élete anaerob körülmények nélkül elképzelhetetlen, azaz csak oxigéntől elzártan életképesek. Nedves közegre is szükségük van, létezésükhöz a kirothasztandó anyagok nedvességtartalmának 50
% felett kell lennie.
A megújuló energiaforrások
Életfeltételük fény hatására is csökken, létezésük harmadik feltétele tehát a sötétség.
További körülmények:
• megfelelően nagy telepítési felület.
• elegendő nitrogéntartalom a sejtek felépítéséhez.
• lúgos közeg (ph 7,0-7,6 között).
• 3 oC feletti hőmérséklet.
• Biogázt előállító metanogén baktériumok
A mentán baktériumoknak jelenleg tíz különböző fajtáját tudjuk megkülönböztetni. Ezek az élőlények heterotróf növények, szénszükségletüket szerves anyagból fedezik.
Tápanyagszállításuk ozmózissal meg végbe, mivel a sejtnedv általában nagyobb koncentrációjú, mint a környezet. Sejtmembránjaik pórusain át a víz és az oldott tápanyagok a sejtek belsejében jutnak, a disszimiláció végtermékei pedig kiléphetnek. A baktériumok kémiai összetétele hasonló a többi élőlényéhez. A szilárdanyag-tartalom átlagosan 53 %-át a szénszilárdanyag-tartalom adja, míg a vízszilárdanyag-tartalom 73-88 % körül ingadozik.
• Baktériumok szaporodása
A baktériumsejt élete során a következő fejlődési szakaszon megy keresztül:
• megduzzadás vízfelvétel révén,
• fejlődés és növekedés,
• kifejlődött sejtek osztódása.
A baktériumok tehát a sejtosztódással szaporodnak, melynek mértéke a rendelkezésre álló táptalajtól függ.
• A biogáz termelés kémiája, mikrobiológiája
Az anyagcsere fogalma a baktériumok létezéséhez szükséges biokémiai folyamatok összességét foglalja magába.
A számításba jöhető szerves anyagok többnyire nagy molekulájú vegyületekből épülnek fel. A metánbaktériumok azonban nem képesek ilyen nagy molekulájú anyagokat felvenni. Ezért a metánná és szén-dioxiddá való anaerob rothasztáskor ezek az anyagok egy többlépcsős bontási folyamaton mennek keresztül, melynek során a nagy molekulájú vegyületek kismolekulájú zsírsavakká és alkoholokká alakulnak, amit a metánbaktériumok már közvetlenül fel tudnak venni.
A biogáz-előállítás szempontjából a legfontosabb három fő vegyületcsoport: szénhidrátok, fehérjék és zsírok.
Az említett vegyületek teljes anaerob erjedési folyamatának biokémiája és mikrobiológiája még nem teljesen tisztázott.
Ezek a baktériumok exoenzimek segítségével a bonyolultabb molekulaláncot bontják.
A második szakaszban további baktériumcsoportok endoenzimek segítségével intracellulárisan az egyszerűbb molekulákat építik le. Így ezek a baktériumok a szerves anyagokat oldható zsírsavakra, alkoholra, szén-dioxidra,
hidrogénre, hidrogén-szulfidra, stb. bontják. A folyamat végeredménye a főleg metánból és szén-dioxidból álló, energetikai célokra hasznosítható metángáz.
A szerves anyagok anaerob lebomlásának egyszerűsített folyamatát a 4.11. ábra mutatja.
• A fermentációs befolyásoló tényezők
Az anaerob és nedves körülmények valamint a sötétség mellett a következő tényezőknek van döntő szerepe az anyagcsere folyamatokban:
• Hőmérséklet
• Nedvességtartalom
• Tápanyagtartalom
4.11. ábra - a biogáz képződés szakaszai és fázisai [3]
• A hőmérséklet
A biogáz előállítás mikrobiológiai folyamatainak és technológiáinak legfontosabb tényezője a hőmérséklet.
A kémiai reakció sebessége, a termelhető gáz mennyisége a különböző hőmérsékleti tartományokban eltérő.
Mezofil eljárás
A mezofil folyamatok 33-40 oC között zajlanak le. A dán technológiák többnyire ezt az eljárást alkalmazzák.
Termofil eljárás
A megújuló energiaforrások
A termofil erjesztés 40-66 oC között megy végbe. A folyamat kevesebb időt vesz igénybe, mivel a mikrobiológiai reakció sebessége nagyobb. A fejlődő gáz mennyisége akár 30-40 %-al több ugyanolyan szerves anyag lebontása esetén. Ezzel szemben a hőmérséklet optimum fenntartása nagyobb szabályozottságot igényel.
A termofil mikroorganizmusok ugyanis érzékenyebbek a külső körülményekkel szemben. Ez bonyolultabb erjesztő berendezés telepítését vonja maga után. A termofil eljárás olyan esetben célszerű, ha valamilyen termelési folyamatból kikerülő meleg szerves hulladékot közvetlenül a fermentálóba lehet adagolni. Az erjesztési folyamat megindításánál a hőmérsékletet csak lassan szabad emelni, maximálisan napi 2 oC-kal. Az optimum elérése után az egyenletes hőmérséklet fenntartása a folyamat hatékonysága szempontjából elengedhetetlen. Az optimum tartományon belül bekövetkező hőingadozás is a metán képződés csökkenéséhez vezet, a gyakori hőmérsékletingadozás pedig a biokémiai egyensúly felbomlását eredményezheti. A hőmérséklet 4 illetve 15 oC-ig történő csökkenése – a metán termelés leállása esetén – nem okozza a mezofil, vagy a termofil mikroorganizmusok pusztulását, csak tevékenységük csökken erősen, latens állapotba kerülnek. Ebből következik, hogy a folyamat hosszabb szünet esetén is újra beindítható külön oldóanyag adagolása nélkül.
• Nedvességtartalom
A mikroszervezetek szempontjából is fontos tényező, ha kihat a telepítendő technológiára is. Az élő szervezetek működéséhez szükséges nedvesség megítélésében ma már elég tág határok vannak: 0,1 % szárazanyagtól egészen 40-50 %-ig előfordulnak lehetőségek.
• Tápanyagtartalom
A tápanyagtartalom a mikroorganizmusok életfunkcióinak energiaszükségletét, sejtjeik felépítését szolgálja. A tápanyagtartalom szempontjából fontos tényező a nitrogén-szén arány. A szervezetek sejtjeinek felépítésének ugyanis nitrogénre van szükség.
A N/C arány szabályozásának, kívánt értékre állításának legegyszerűbb módja a különböző hulladékok keverése. A 4.18. táblázat egyes biomassza fajták N/C arányát szemlélteti.
4.18. táblázat - biomassza fajták N/C aránya [2]
Szerves anyag N/C arány
A biogáz szerves anyagok anaerob baktériumos erjedésekor keletkezik. Összetétele a kiinduló nyersanyagtól független az alábbiak szerint változik:
A közölt adatok szélső értékek. Átlagosan 64 % metán- és 36 % szén-dioxiddal számolhatunk. Az egyéb elemek előfordulása elhanyagolható. A nitrogén és a kén akkor dúsul fel a biogázban, ha a kiinduló nyersanyagban nagy a fehérjetartalmú anyagok aránya. Fűtőértéke 20-24 MJ/m3-nek vehető. A metán/széndioxid arány mentán javára
történő eltolásával a fűtőérték növelhető lenne, de ehhez a széndioxid metánná redukálását (biológiai úton) fokozni kellene.
Biogázt hőfejlesztési célra régóta állítanak elő egyszerű rendszerek segítségével különböző ázsiai országokban, főként állati trágyából. A trágyán kívül sokféle szerves anyagból (pl.: növényi maradványok, fűnyiradék, élelmiszeripari és vágóhíd hulladékok) lehet biogázt előállítani. Kedvezőek a tapasztalatok a hígtrágya-szerves hulladék keverékekkel (kofermentáció) is. A fő kérdés természetesen az, hogy egységnyi szerves anyagból mennyi biogáz nyerhető. Mivel a biogáz fejlődés sok tényezőtől függ, ez csak bizonyos határok között lehet megadni.
Néhány szerves anyagból nyerhető biogáz mennyiségét a 4.19. táblázat tartalmazza.
4.19. táblázat - néhány szerves anyagból nyerhető biogáz mennyisége [2]
Szerves anyag Biogáz m3/t
Műtrágya 90-310 további folyékony kezelési technológiákat kutattak és fejlesztettek ki.
A ma ismert és alkalmazott biogáz-termelő technológiák száma igen nagy. A legmegfelelőbben alkalmazható eljárást a helyi lehetőségek és adottságok összessége határozza meg.
A hulladékok (hígtrágyák, trágyák és szennyvizek) kezelésénél a kiindulási pont a keletkező hulladékok és szennyvizek mennyiségi, kémiai, fizikai tulajdonsága. Ettől függően választható meg a legcélszerűbb kezelési és hasznosítási technológia.
A túlnyomórészt mezőgazdasági eredetű biogáz telepek termelését számosállatra szokás vetíteni. Általában elfogadható, hogy egy számosállat (500 kg testtömegnyi állat) napi trágyamennyiségétől termelhető energia 0,8 kg tüzelőolajjal egyenlő.
A gyakorlatban elérhető szélső értékek: napi 0,2 – 1,0 kg tüzelőolajnak megfelelő energiatermelés. A számítások során:
• egy szarvasmarha napi trágyamennyiségét 6,40 kg szerves anyagnak
• egy sertés napi trágyamennyiségét 0,51 kg szerves anyagnak vehetjük figyelembe.
Szokásos a biogáz termelés hozamát még az erjesztő, a fermentor térfogatára kifejezni.
Általában 1 m3 erjesztő térfogatra 1 m3 biogáz termelést szokás figyelembe venni.
A biogáz-termelési technológiák nagyon sokféle építészeti és gépészeti megoldással valósíthatók meg, de valamennyi a következő egységet tartalmazza:
• alapanyag tárolás, összeállítás, beadagolása
• erjesztés (fermentálás)
• gázgyűjtés és gázkezelés
• maradékanyag kezelés