„Fa, mint megújuló energiaforrás”

Faipari hulladékok hasznosítása kapcsolt hő és villamos energia fejlesztésére

Prof. Dr. Lang Miklós egyetemi tanár

Készítette:

Prof. Dr. Varga Mihály egyetemi tanár Dr. Németh Gábor Ph.D.

egyetemi adjunktus

Sopron, 2009. szeptember 04.

1

A faalapú hulladékok

Nem veszélyes és veszélyes faalapú hulladékok [16/2001. (VII. 18.) KöM rendelet a hulladékok jegyzékéről]

EWC kód 02 01 07 EWC kód 02 03 04 17 02 04* 03 03 01 15 01 03 19 12 07 20 01 38 Megnevezés Erdőgazdálkodási hulladék keletkező hulladék Megnevezés ezen belül gabonafélék és napraforgó magjainak hántolásából Veszélyes anyagokat nem tartalmazó, faforgács, fűrészáru, deszka, furnér, falemez darabolási hulladékok (melyek fafeldolgozásból, falemez- és bútorgyártásból származnak) Faforgács, fűrészárú, deszka, furnér, falemez darabolási Veszélyes anyagokat maradékként tartalmazó vagy azokkal szennyezett csomagolási hulladékok fafeldolgozásból, falemez- és bútorgyártásból származnak) Veszélyes anyagokat tartalmazó vagy azzal szennyezett üveg, műanyag, fa (építési és bontási hulladék) kartongyártási, feldolgozási hulladékok) Veszélyes anyagokat tartalmazó fa (közelebbről nem meghatározott mechanikai kezelésből - pl.: osztályzás, aprítás, tömörítés, pelletek készítése - származó hulladékok, hulladékkezelő létesítményeknél) kezelésből - pl.: osztályzás, aprítás, tömörítés, pellet készítése - származó hulladékok, hulladékkezelő létesítményeknél) Fa, amely különbözik 20 01 37-től (veszélyes anyagot nem tartalmazó, elkülönített gyűjtött hulladék frakció, melyek a települési hulladékokból származnak. 2

2007 február 21.-én az Európai Közösségek Bizottsága által COM(2007) 59 számon kiadott „Tájékoztató közlemény a

hulladékról

és a

melléktermékekről

”

hulladéknak

nevezhető minden olyan tárgy, anyag, anyaghalmaz, mely a termelés során a termék mellett, valamint a termék elhasználódása során keletkezik, újrafelhasználása (reuse) és újrahasznosítása (recycle) nem megoldható, és az közvetlenül vagy közvetve veszélyezteti a környezetet..

?

Melléktermék

A melléktermék feldolgozásának folyamatában mindenképpen vannak olyan műveletek, melyeket a további hasznosítás érdekében el kell végezni. Amennyiben ezek a műveletek a termelési folyamat szerves részét képezik, az anyag még nyugodtan tekinthető mellékterméknek. Ha azonban további visszanyerésre van szükség a további felhasználás végett, - még abban az esetben is, ha a felhasználás biztos - az anyagot sok esetben hulladéknak kell tekinteni a alapanyag visszanyerés befejezéséig.

3

Előtérben a faalapú hulladékok

Magyarországon becslések szerint az évente - a hozzávetőleg 1,8 millió ha. erdővel borított területből - kitermelt nettó faanyagtérfogat 5,6 millió m 3 , melyből 2,7 millió m 3 ipari célú, míg 2,9 millió m 3 energetikai célú.

(2007., Országos megoszlás, 66%-os statisztikai felvétel alapján számított érték. Forrás: ÁÉSz ) Mintegy millió 1,2-1,5 millió m 3 fahulladék miatt nagy jelentőséget kell tulajdonítani a tovább-feldolgozásnak, hasznosításnak. „Termelő oldal” 1 m 3 hengeres élőfára vetített hulladék (felméréseim alapján) Fűrészipar (I, II, és III. osztályú anyagok figyelembevételével) 30-40 % Bútoralkatrész-gyártás 60-80 % Ajtó-ablak gyártás Furnérgyártás Rétegeltlemez gyártás Forgácslapgyártás: 55-70% 50-60% 55-65% ~5% „Fogyasztói oldal” Az főre jutó fatermék fogyasztás ~0,15 m 3 /év (0,27 m 3 /év élőfa), míg az energetikai célra kitermelt fa esetén ez az arány ~0,32 m 3 /év. Elhasználódott fatermék („RW: Recovered wood, Altholz”) Lerakás „Az otthon melege” 4

Faalapú hulladékok/melléktermékek alapcsoportosítása (veszélyes, és nem veszélyes)

Ipari fahulladék/melléktermék Erdőgazdasági Fafeldolgozási Elhasználódott fatermék •Építési, bontási hulladék •Csomagolóanyagok és használatra alkalmas tömör faanyag •Egyéb újra felhasználható faanyagú termékek Általánosságban elmondható, hogy a kezelt fák többségében veszélyes anyagnak számítanak, a bennük levő védőszer összetétele miatt (pl. réz, arzén, króm, stb.)

„CCA”.

ezeket általában veszélyes hulladék-égetőkbe viszik. Ugyanakkor sikeres kutatások melyek közül az egyik legsikeresebb talán a

biológiai kezelés,

amikor a mérgező összetevőket ártalmatlan vagy kevésbé mérgezőanyagokká alakítják mikroorganizmusok, enzimek által. A barna korhadás gombáját (Antrodia-A. vaillantii) használták erre a célra, mivel a CCA-val szennyezett aprított faanyag ezen gombás fertőzés során oxálsavat termel. Ebben a formában az összetevők nagy része már kimosható a faanyagból Másik ígéretes megoldás az

elektrodialízis,

mely során az elektródokat feszültség alá helyezzük (az elektródok között sóoldatot vezetnek keresztül), s így az ionok a megfelelő elektródok felé vándorolnak: a katód (negatív elektród) felé a kationok, míg az anód (pozitív elektród) felé az anionok áramlanak.

A falapú csomagolási hulladékok

Környezetvédelmi termékdíjat megfizetni

16 Ft/kg .

VAGY Termékdíj mentesség (gyártó tehát maga teljesíti a csomagolási hulladék visszagyűjtési kötelezettségét, vagy hatósági engedélyekkel rendelkező hulladékbegyűjtő és -hasznosító cégekkel szerződést ) VAGY A kötelezett hasznosítást koordináló szervezettel (jelenleg szervezeteknek), mely fizet a hasznosításért

6,7 és 7 Ft/kg

fizetni faalapú csomagolási anyagok esetén a vállalatoknak a különböző koordináló

6,5 Ft/kg

összeget között kell Európai Unió 94/62. számú (ún. csomagolási) irányelvének 2004. évi módosításában szereplő minimális, újrafeldolgozási célkitűzései Minimális Csomagolási Papír és karton Üveg Fém anyagfajták Műanyag Fa újrafeldolgozási érték [%] 60 60 50 22,5 15 A koordináló szervezet begyűjti és hasznosítja a kibocsátott és hulladékká vált csomagolás 54%-át, oly módon, hogy az anyagában hasznosított hulladékmennyiség aránya elérje a 33%-ot.

6

Faalapú hulladékok kezelésének betartandó hierarchiája

Megelőzés Újrahasználat, szükség esetén előkészítéssel Újrafeldolgozás Energetikai hasznosítás Ártalmatlanítás, pl.: lerakás, égetés, energia visszanyerés nélkül

Faalapú hulladékok hasznosítása Recycle (újrafeldolgozás)

: Reuse (újrafelhasználás)----- pl.: többutas raklapok

Recovery (energetikai visszanyerés)

7

Faipari termékek, hulladékok/melléktermékek életútjának folyamatmodellje

Fakitermelés (erdészetek) Alapanyag elosztás, (kereskedoi hálózat) Ellátás Másodlagos felhasználás Gyártás során keletkezo fahulladék Elsodleges fafeldolgozás (furészipar) Másodlagos fafeldolgozás (Épületasztalos és bútoripar) Lemezipar Faalapú csomagoló anyagok gyártása Másodlagos elosztás Termék elsodleges elosztása Kereskedelmi „vissztermék” Elsodleges, eredeti felhasználás Tö bb uta s cs om ag ol óa ny ag ok Gyujtés Újrafelhasználás (pl.: felújítás) Újrahasznosítás (pl.: forgácslapgyártás) Válogatás Bontás, elokészítés Komposztálás Tárolás Energetikai hasznosítás Lerakással történo ártalmatlanítás 8

Hasznosítási és ártalmatlanítási lehetőségek kapcsolata a faalapú hulladékokkal

(Az ábrán a piros vonalak gyakorlatilag a hulladék/melléktermék „végső” energetikai hasznosításának vagy ártalmatlanításának útjához kapcsolódnak, míg a zölddel jelölt vonal segítségével az elsődleges hasznosítási eljárások iránya látható.)

Amennyiben veszélyes összetevot tartalmaz Termelési folyamat Céltermék Elhasználódott fatermék ( „Altholz”) Nem veszélyes faalapú hulladék, melléktermék Selejt Veszélyes veszélyes faalapú hulladék, Újrafelhasználás (Reuse) Újrafeldolgozás (Recycle) Por-forgács Lakossági értékesítés Komposztálás „Nemesítés”: Brikettálás, pellettálás Darabos hulladék, melléktermék Kommunális lerakó Veszélyes hulladék égetomu 9 Energetikai hasznosítás, visszanyerés (Recovery)

Energetikai hasznosítás

A faalapú hulladékok energetikai hasznosítása során hőt, áramot, vagy a kettő kombinációját kapjuk.

Forrás: Dr. Johann Geyer (2005): Biomass district heating systems: Europaisches Zentrum für Erneuerbare Energia Güssing GmbH. Güssing 10

Az energetikai felhasználás legegyszerűbb módja tehát a

közvetlen eltüzelés

Alátolós égetés Előtoló rostélyos tüzelőberendezés sémája Előtéttüzelő berendezés Befúvatásos égetés A stacioner és a körforgó fluidizációs rendszer Forrás: Dr. Johann Geyer (2005): Biomass district heating systems: Europaisches Zentrum für Erneuerbare Energia Güssing GmbH. Güssing VAS GmbH. & Co KG 11

A fa és egyéb szilárd hulladékokból többféle technológia szerint nyerhetünk gázt.

Egyik eljárás az oxidáló közegek kizárásával végzett

hőbontás (pirolízis).

A pirolízis nagy karbontartalmú anyagok lebontását és depolimerizációját eredményezi. A folyamat egyik terméke a fagáz, amelyet energiaforrásként használhatunk. Rajta kívül szilárd termékként faszén, folyékony anyagként kátrány és kátrányos víz keletkezik. Másik eljárás oxidáló közeg (levegő, oxigén) jelenlétében végzett

elgázosítás.

Ebben az esetben az elgázosítás magas hőmérsékleten, a sztöchiometriai mennyiségnél kevesebb oxidáló közeg jelenlétében zajlik le. Ilyen feltételek mellett a fa erősen bomlik és polimerizálódik, kis molekulájú gázok és szénhidrogének (CO, C0 szűréssel és tisztítással távolítanak el.

2 , Hz, CHQ stb.) képződnek. Oxidáló közeg jelenlétében a szilárd anyag mennyisége erőteljesebben csökken, a szilárd és folyékony termékek (faszén, kátrány) képződését alacsonyabb szinten lehet tartani, melyeket hűtéssel, 12

A kapcsolt energiatermelés egyszerűsített folyamata

Kapcsoltan termelt energia: közös technológiai berendezésben, azonos tüzelőanyagokkal, legalább 65%-os energetikai hatásfokú energiaátalakítási folyamattal előállított villamos- és hőenergia 13

Kapcsolt energiatermelés lehetőségei

• • • •

Hazánkban a CHP rendszereket kogeneráció névvel illetik, vagy ha az abszorbciós rendszer is jelen van a rendszerben, akkor a technológia trigeneráció névre hallgat Gőz munkaközegű (hulladékhő a kondenzátorból kilépő gőzben):

–

ellennyomású,

– –

Gázturbinás kombinációk (hulladékhő a gázturbinából kilépő füstgázban)

–

forróvízkazán,

–

gőzkazán,

–

elvételes kondenzációs, kondenzációs (részleges és teljes hőkiadással).

ellennyomású gőzturbina,

–

elvételes kondenzációs gőzturbina.

Gázmotoros kombináció (hulladékhő a gázmotorból kilépő füstgázban, kenőolajban és hűtővízben).

Hőszivattyús hőtermelés (hulladékhő felhasználás)

.

A kapcsolt energiatermelésnél lehetőség van a szerves Rankine-ciklus (ORC = Organic Rankine Cycle) nagy alkalmazására is ahol munkaközegként molekulasúlyú szerves folyadékot használunk (termoolaj).

14

Kogenerációs rendszerek üzemeltetési paraméterei

Paraméterek Gőzturbina Diesel generátor Gázmotor Gázturbina Mikro turbina Villamos hatásfok

15-38% 27-45%

22-40% 22-36% 18-27% Teljes hatásfok

80% 70-80%

70-80% 70-75% 65-75% Jellemző teljesítmény (MW e )

0.2-800 0.03-5

0.05-5 1-500 0.03-0.35

15 Forrás: http://www.kekenergia.com/archiv/chp.html

A kapcsolt energiatermelés gázmotorral (egy lehetséges séma

gázmotor levegő levegő

Forrás: 16 Dr. Johann Geyer (2005): Biomass district heating systems: Europaisches Zentrum für Erneuerbare Energia Güssing GmbH. Güssing

Kapcsolt energiatermelés gőzturbinával

Gőz turbina Friss víz Tápvíz Meleg víz Gőz Levegő Füstgáz Hamu Tüzelőanyag Kiegészítés ESP: Villamos pernyeleválasztó Felhasználás Visszaforgatás Víz tisztítás Rostély Tápvíz tartály Tüzelőanyag készlet Hamu konténer Forrás: 17 Dr. Johann Geyer (2005): Biomass district heating systems: Europaisches Zentrum für Erneuerbare Energia Güssing GmbH. Güssing VAS GmbH. & Co KG

Stirling-motor A felvett hő az egyidejű motorhűtéssel együtt a bezárt munkagáz nyomásingadozását okozza, amely így egy vagy több dugattyúval egy tengelyen munkát tud végezni.

A Gáz állapotváltozásaira épül a mozgatása.

A fahulladék a kazánban kerül elégetésre, a távozó füstgáz először a belépő égési levegőt előmelegíti, majd az hőcserélőn leadja a hőjének egy részét a fűtési víznek. Az eltávozó füstgáz maradék hője veszteségnek számít. Az égési levegő hőjéből dolgozik a Stirling motor is, a beérkező 140 kW ból 35 kW villamos áramot termel, a maradék hő pedig szintén az hőcserélőhöz kerül.

(NASA RPS hajtómű alacsony hőmérsékletű fűtőberendezéssel)

Problémák:

meleg oldali hőcserélői költségesek A leadott teljesítményt nehéz változtatni Stirling motor hideg és Felfűtéshez szükséges nagyon hosszú Munkaközeg: hidrogén, de nehéz megtartani a zárt térben szivárgás miatt 18

Gőzexpanziós Spilling motoron alapuló kapcsolt energiatermelési lehetőség

Egy speciális gőzerőfolyamaton alapuló lehetőség, mely egy hagyományos dugattyús gépből lett kialakítva. A hengerfejébe gőzt vezetünk és a gőz miközben a dugattyúkat lefelé tolja a gép tengelyén munkát végez.

A motor szabályozottan csökkenti a kazánban termelt gőz nyomását a kívánt technológiai nyomás értékre, tehát a berendezés automatikus nyomáscsökkentőként is üzemel.

Forrás: Hegedűs Attila (ERBE): Spilling expanziós motor 19

Példaszámítás Spilling-motorra

Adott egy vállalatnál 25.000 tonna faipari hulladék (pl.: fűrészipari kéreg, nyesedék, fűrészpor, forgács, eselék)

Piaci ára 200-250 mFt környező országokat is figyelembe véve

300.000 GJ hőértéket képvisel

I.

lehetőség:

villamos teljesítmény igény: 300 kW hő teljesítmény igény: 4000 kW

A szárítás hő- és villamos igénye

•

Villamos igényhez szükséges:

• 12500 tonna hulladék (melyből 35.000 tonna gőz állítható elő) 300 kW SPILLING GŐZMOTOR GENERÁTOR

Az előállított villamos energia értéke: ~100 mFt/év

, ehhez jön még a hőenergia értéke (~200-250 mFt/év)

II.

lehetőség:

villamos teljesítmény igény: 750 kW hő teljesítmény igény: 7200 kW

Az üzem teljes hő és villamos igénye

•

Villamos igényhez szükséges:

• 25000 tonna hulladék (melyből 70.000 tonna gőz állítható elő) 300+450 kW SPILLING GŐZMOTOR GENERÁTOR

Az előállított villamos energia értéke: ~250 mFt/év

, ehhez jön még a hőenergia értéke (~400-450 mFt/év) 20

Példaszámítás Spilling-motorra

III. lehetőség:

Adott: 25.000 tonna faipari hulladék Nemesítés után: 350.000-400.000 GJ hőértéket képvisel melyből 100.000 tonna gőz állítható elő A gőz technológiai és fűtési célú átalakításával kapcsoltan kb. 8-10 millió kWh/év (~1 MWh) villamos energia termelhető.

A vállalt hő és villamos igényei

+

Együttműködés megvalósítása helyi közintézményekkel, a területfejlesztés és munkahely teremtés érdekében

21

-

Összefoglalás, végszó

Fő alapanyag források, melyek még nem kerültek hasznosításra:

Erdészeti és faipari üzemek hulladékainak egy része hiszen pl. a fakitermelési melléktermékek mennyisége az erdészetek szerint kb. 1,5 millió m 3 !

-

Lakosság: Altholz 22

EU által 2008. december 17. elfogadott klímacsomag jelentős hatással fog bírni a faipari alapanyagokra és hulladékokra hasznosítására egyaránt, hiszen (mint ahogy az a bírálatban is olvasható) 2020-ig:

20%-kal kell csökkenteni az üvegházhatású gázok kibocsátását

20%-kal kell javítani az energiahatékonyságot

20%-ra kell növelni az összes primer energia felhasználáson belül a megújuló energiák felhasználását (Magyarország: 13%)

10-ra kell növelni a megújuló energiából előállított hajtóanyag felhasználását az összes felhasználáson belül.

Adatok forrása: Bohoczky Ferenc, ny. vezető főtanácsos, az MTA Megújuló Albizottság tagja (2008)

23

Köszönöm megtisztelő figyelmüket!

24