A metán mérséklése a légkör hőegyensúlyának fenntartása érdekében

Kategória: Agrárgazdaság | Szerző: Dr. Tóth László, Gubó János, Madár Viktor, 2022/04/19

1. ábra. Az utolsó két évszázadban (az ipari forradalmat követően) a metán drasztikus növekedése a légkörben [5]

Előszó

A földi életet meghatározó légköri felmelegedés érdekében az üvegházi gázok kibocsátásának csökkentéséről a világ országainak vezetői már több alkalommal, így 2021-ben is megállapodtak, ún. „kvótákat” jelöltek meg a fontosabb az összetevők értékekről. Az értékekre használ megjelölés az ún. „karbon lábnyom”, amely valójában a „széndioxid egyenérték”-et takarja és többféle légköri gázt is magába foglal. Ezek együttesen fejtik ki az föld hőegyensúlyát meghatározó üvegházhatást. 

Az üvegházhatású gázok (ÜHG) valójában a föld hőmérsékleti sugárzását tekintve „átlátszatlanok” és nélkülük a föld nem lenne lakható, hiszen éjszaka a világűrbe sugározódna a hőenergia és ekkor élhetetlen lehűlés keletkezne. 

Több kutatás is igazolta, hogy a hőkisugárzást befolyásoló hatású gázok meglehetősen eltérő arányban szerepelnek a légkörben. Legjelentősebb arányú vízgőz (40–70%), amelyet a szédioxid követ (9–26%), de igen jelentős a metán jelenléte (4–9%). Az utóbbi a széndioxidnál többszörösen erősebb „szigetelő” hatással bír. A CO2 a légköri egyensúlyához meghatározóan hozzájárul a flóra és fauna, ahol a széndioxid természetes megkötése zajlik [7]. A civilizált világ feladata, létkérdése, hogy az üvegházhatás stabil maradjon, csak minimális mértékben változzon, ellenkező esetben a földön ökológiai katasztrófa következik be.

A mérések szerint az elmúlt 400 millió évben megfigyelhető, hogy a metán (CH4) koncentrációjának változása ugyanúgy, vagy talán még jobban hasonul a légköri hőmérséklet alakulásához, mint a széndioxid. 
A metánkibocsátásnak legnagyobb forrása az élővilág, de számottevő növekedést mértek az ipari forradalom kezdetétől, ami a gazdaság változásának, a jelentősebb népesedés növekedésnek is a kiinduló szakasza. Gyakorlatilag ezen idő alatt ~670ppb-ről 1700ppb-re növekedett (1. ábra).

A mezőgazdaságban a metán a földön termelődő biomassza bomlása során keletkezik és a talajszintről a légkörben emelkedik (a levegőnél könnyebb). Ha kiemelten a mezőgazdaságot vizsgáljuk a két fő területét lehet megemlíteni (2. ábra): az állattenyésztést (különösen a kérődző fajokat), valamint a növénytermesztést, ahol a metán a talaj légzéséből fakad [3, 4]. A talajba kerülő növényi maradványok (mint könnyen bomló biomasszák) fermentációja során metán keletkezik. Ugyanakkor a talaj termőképességének fenntartása érdekében a növényi anyagok visszajuttatása is szükségszerű: a talajélet, a nedvesség megtartás és az talaj struktúrájának fenntartása érdekében. Felmerül a kérdés, hogyha továbbra is növekszik az élelmiszertermelés (a föld népességének növekedése miatt egyértelmű), akkor milyen módon valósíthatjuk meg a metánkibocsátás szinten tartását vagy csökkentését.

2. ábra. Napjainkban jó közelítéssel a légkörbe kerülő metán megoszlása [5]

Az állattartással foglalkozók már számos kutatást kezdeményeztek a probléma mérséklésének érdekében: az istállózás megváltoztatása, az etetett takarmányok összetétele révén is biztató eredmények vannak, de ezek ma még csak részmegoldások. 

A talajok termelékenységének fenntartása érdekében a növényi maradványok visszaforgatása a talajra kifejezetten pozitív hatást gyakorol. A visszaforgatott növényi anyagok instabil biomasszának tekinthetők, gyorsan, rövid idő alatt lebomlanak és a bomlásuk során környezeti gázok (metán és széndioxid) keletkeznek, amelyek a talaj légzésének következtében a talaj felszínére, majd a légkörbe jutnak. Ha viszont a talajok szénszegénnyé válnak, csökken a vízmegtartó képességük és a szerkezetük is megváltozik, de a kémiai változások is jelentősek lehetnek [2]. A pótlást sokan az un. bioszén alkalmazásában látják. 

A METÁNKIBOCSÁTÁS CSÖKKENTÉSE

A mesterséges megvalósításához háromféle módszert is alkalmazunk, amelyeknél a keletkező metánt energia előállítása felhasználjuk, miközben szén és a talajerő visszapótláshoz szükséges anyagok keletkeznek.

Az egyik jelentős és ma már közismert a biogáz előállítás, amikor légmentes környezetben metántermelő baktériumok állítják, elő a metánt, amely gázmotorokban égethető el és mechanikai munkával hő és villamos energia termelhető. A maradék anyag kiválóan alkalmazható a talajokban, kedvező a növények számára, könnyen felvehető vegyületeket tartalmaz.

Jelentős kibocsátóként meg kell említeni a depóniákba felhalmozott vegyes szemét bomlásakor keletkező metánt, amely a takaráson átszivárogva a légkörbe kerül. Ma már ezt is felhasználjuk. A depóniákból elszívott metán és egyéb gázok elégethetők motorokban és ezzel ugyancsak hőt és villamos energiát nyerünk, a metán pedig nem kerül a légkörbe.

Ígéretes eljárás (ugyan korántsem új) a nagyobb cellulóz tartalmú biomasszáknál az un. pirolizálással történő lebontás. Itt is a tüzelés technikához, a motorok hajtásához alkalmas gázok keletkeznek, amelyek ugyancsak felhasználhatók energia előállításra. Ennél metán csak kisebb mennyiségben keletkezik, de az is elégetésre kerül.

Az említett technológiákat ma már széles körben alkalmazzák, környezettechnikai szempontból egyértelműen előnyösek, sajnos gyakran a tervezési és üzemeltetési hiányosságok miatta gazdaságosságuk kockázatokat rejt. Részletesebben a pirolízálást mutatjuk be.

A PIROLÍZÁLÁS

A pirolízálás termokémiai folyamatában (3. ábra) a különféle biomassza féleségek gázokra, szénre és ásványi maradékokra bomlanak. 300–350 °C-on a biomassza csupán egy hőkezelést kap, amikor elszenesedik, s ezzel gyakorlatilag stabilabb anyag keletkezik.

3. ábra. A biomassza hőbontása (pirolizálás) módszerei és termékei [1]

Azonban az anyag nem nevezhető bioszénnek, mivel jelentős mennyiségben tartalmaz kátrányt, amely kizárja, hogy pl. a növénytermesztésben alkalmazható legyen. Viszont ez az anyag már stabilnak tekinthető, hosszabb ideig tárolható anélkül, hogy strukturálisan vagy összetételében megváltozna. Sajnálatosan, jelentős arányban Policiklusos Aromás Szénhidrogéneket (PAH csoport) tartalmaz, amelyek a növénytermesztés szempontjából kedvezőtlenek. Törvény írja elő a megengedett mennyiségét, ha talajba helyezik. 

A magasabb hőmérsékletű pirolízis esetén is gáz és szén keletkezik. Ez a gáz kondenzálható is és folyékony ekkor folyékony tüzelőanyagként használható. A gyakorlatban leginkább a gáz alkalmazása az előnyösebb, mivel közvetlenül motorhajtásra felhasználható. Ennél egy közbenső megoldás van, vagyis az égést (krakkolást) követően redukciós téren vezetik át a gázt, amikor a kátrányt tartalma gyakorlatilag nullára csökken (4. ábra). Ehhez pontosan kell megválasztani a levegő és az anyag áramlási arányát, valamint a hőmérsékletet. A maradék már bioszén és ásványi anyagokban gazdag hamu. 

4. ábra. A pirolízis folyamata, a hőfokok és lebomlás során keletkező közbenső- és végtermékek megjelölésével [1]

Az ábrán látható, hogy a gáz szempontjából nagy jelentőséggel bír a redukciós zóna, ahol további gáz átalakulás történik, de a szén mennyiség szempontjából meghatározó az égési (krakkolási) zóna, hiszen a szén mennyiségét az égés alapvetően meghatározza.
A következőkben egy ilyen hazai fejlesztésű berendezés mutatunk be, amely 50 kW villamos teljesítmény előállítására alkalmas.

Konténerbe szerelt (komplett) pirolízis, egyben CHP egység 
A fejlesztett berendezés szabványos acél konténerbe került elhelyezésre (5., 6., és 7. ábrák). Az ábrákon a fő egységek és azok elhelyezése is látható.

5. ábra. A berendezés fő egységei [9]
Az ábra jelei: 1 – a konténer vázszerkezete, 2 – tüzelőanyag tároló és szárító, 
3 – a gázgenerátor és mögötte lévő porleválasztó, 4 – szikragyújtású motor, 
5 – villamos generátor, 6 – pirolízis generátor, 7 – gáz hőcserélő, 8 – fáklyázó, 
9 – vezérlőegységek szekrénye

A berendezésbe a biomassza aprított formában kerül be. Mivel az anyag nedvességtartalma a szükségesnél nagyobb lehet, a berendezésben, a hulladék (rekuperált) hőenergiával a tároló térbe beérkező anyagot még a hőbontási folyamat előtt megfelelő nedvességtartalma szárítja (100–150 °C-on), ami a berendezésben első elemében történik (2), majd a csigás adagolón keresztünk kerül a pirolízis generátorba (6). 

A biomasszából a generátorban (6) az első szakaszban a lignin, a hemicellulóz és a cellulóz tartalma bomlik le. Itt a hőmérséklet 250–350 °C. A lignin mennyisége keményfa-féléknél számottevően nem csökken, a hemicellulóz (a kezdeti ~15%-ról) szinte teljesen lebomlik, viszont a cellulóz (kezdeti ~30–35%) ~10%-a nem. Az egyéb anyagok (a kezdeti ~25%-ról) szinte teljesen gázzá bomlanak (amelyből kondenzálással olaj is nyerhető). A következő pirolízis szakaszban az anyag gázra és szénre bomlik szét. Ezt követi az égési zóna, ahol az anyag már izzó reaktív szén formájában van jelen, de a szemcsék közötti gáz még nem kívánatos mértékben kátrány is tartalmaz. Az anyag tovább haladva az úgynevezett redukciós zónába kerül, ahol a hőmérséklet 700-800 °C. Itt a szén egy része hidrogénre és szénmonoxidra bomlik, de az égéstermék, a CO2 is az izzó szénnel dús környezetben szénmonoxiddá redukálódik. Ezzel már számottevő energia tartalmú, többkomponensű éghető gáz keletkezik, de kátrányt nem tartalmaz és így a további szűrés után már a belsőégésű motorba táplálható (4). 

6. ábra. A konténer (1) a vezérlővel (3) és a gázmotoros generátorral (5, 6)
Az ábra további jelei: a légbeszívó (2), a szigetelt gázgenerátor(4). 

E termékgázban lévő por leválasztáshoz alumínium szilikát anyagú szűrőt (3) használnak, amely magas hőmérsékleten (~1100 °C-ig) is megfelelő és a regenerációja jó (7. ábra). A folyamat során néhány tömegszázalék hamu marad, keveredve a maradék szénnel (együtt: 2–5% lehet). 
A komplett rendszer egyes részegységeit a 6. és 7. ábrák szemléltetik.
 

7. ábra. A gázmotor (GM) előtt alkalmazott porszűrő (SZ) 
és a termékgáz hűtő csöves hőcserélő (H)
Az ábra jelei: 1 – szűrő elemek, 2 – gáz elvezetése a hőcserélőhöz, 
3 – gázbevezetése a gázgenerátorból

A hővisszanyerő rekuperátorok – gázhűtő és kipufogó gáz hőcserélő – felhasználásával érhető el, hogy a berendezés ~80%-os hatásfokkal képes működni (8. ábra). A termelt villamos energia a villamos hálózatra kerül. A hulladékhő pedig saját célra használható, de megfelelő környezeti körülmények mellet el is adható (HMV vagy fűtés). Ha nagyon nedves a kiindulási anyag, akkor a hulladékhő nagyrészét a szárítást felhasználja. Amennyiben teljesen száraz fa érkezik, a hulladék hőből keletkező ~100 kW teljesítménynek megfelelő hőmennyiséget külső felhasználó is vételezheti. A rendszer hőtechnikai elrendezését a 8. ábra szemlélteti.

8. ábra. A rendszer elvi folyamatábrája és a hőenergia rekuperációs összefüggései [9]
Az ábra jelei: F.LE – frisslevegő be a konténerbe, M – motor, HV – hűtővíz, 
HCS – hőcserélő, FG – füstgáz, GE – gázgenerátor, G – gáz, K.FELH – külső 
felhasználók, M.LE – konténer meleg levegője, VENT – ventilátor, 
F.SZ – fa szárítása, Ne – nedves levegő (hőveszteség ~14–16%)

Vizsgálatok

Az ~50 kWe-os rendszer üzemi vizsgálatai alapján az alábbi teljesítmény értékek adódtak.
A ~41 kg 20% nedvesség tartalmú a fából:
Pe = 50–52 kWhe villamos energia nyerhetünk, ami ~27–28%-os (ηe  0,27-0,28) villamos hatásfoknak felel meg.
A felhasználható hőenergia pedig Qh  65–75 kWh volt. 

Ez annyit jelent, hogy 1,0 kWh villamos energia ~0,8–0,88 kg faaprítékból állítható elő (20% nedvességtartalom-nál).
A hazai piacon a kereskedelmi aprítékok ára igen változó. A vásárlást bizonytalanná teszi, hogy a választékoknál nem pontosan definiált az anyagminőség. A leírásokból hiányzik a nedvességtartalom, a fűtőérték és az aprózottság mértéke, de gyakran nincs megjelölve, hogy mi volt az alapanyag, amelyből az apríték készült. Az interneten található hirdetéseket összevetve: feltételezhető, hogy a nedves (20–28%-os) vegyes apríték 20–30 Ft/kg. 

Feltehetően 15–17MJ/kg az energiatartalmuk (esetleg föld maradványokkal is szennyezettek).

Egy választott átlagos árral számítva, pl. 25 Ft/kg G30 apríték esetén a berendezéssel 1,0 kWh villamos energiát ~20 Ft-ból állít elő és további 1,3 kWh a hőenergia. Ha a berendezés beruházási és a termelési manipulációs költségeit is számítva, a jelenlegi és az egyre inkább növekvő energia árak mellett, a rendszer igen gazdaságos lehet. Különösen akkor, ha az alap biomassza olcsó hulladék, vagy vásárolt, esetleg saját melléktermék. Azon gazdaságokban, ahol a hőenergia felhasználása folyamatosan biztosítható, a rendszer alkalmazása rizikó mentesen ajánlható.

A fejlesztett és ma már terméket jelentő berendezés a VÁLLALATI KFI_16 című pályázat támogatásával készült. A szerződés száma: KFI 16-1-2017-0560 
Fejlesztő és gyártó: CSŐ-MONTAGE Technológiai és Épületgépészeti Kft., http://www.csomontage.hu, közreműködött a PIROWATT Kft. 

IRODALOM

[1] Dhaundiyal, A., Toth, L., Bacskai, I., and Atsu, D. (2020): Analysis of pyrolysis reactor for hardwood (Acacia) chips, Renewable Energy, 147, pp.1979–1989.  DOI: 10.1016/j.renene.2019.09.095. (IF:7.387)
[2] Kocsis T.: 2018 bioszén és bioeffektor kombinációk hatása homoktalajok biológiai tulajdonságaira, Doktori (ph.d.) Értekezés, Szent István Egyetem. 110 p.
[3] Tóth L.: 2021 Az állattartás és a klímaváltozás összefüggései, Mezőgazdasági Technika, 2021. június. 2-6 Pp 
[4] Haszpra L. 2019 Metán a légkörben, Magyar tudomány, Akadémiai Kiadó ISSN 1588-1245
[5] Széndioxid kibocsátás, üvegházhatás, globális felmelegedés és éghajlatváltozás  http://www.bitesz.hu. Emlékülésen elhangzott előadás Láng István akadémikus elhunyta alkalmából.
[6] https://greenfo.hu
[7] http://www.bitesz.hu/wp-content/uploads/2017/01/szendioxid_klimavaltozas.pdf
[8] 6/2009. (IV. 14.) KvVM-EüM-FVM együttes rendelet a földtani közeg és a felszín alatti víz szennyezéssel szembeni védelméhez szükséges határértékekről és a szennyezések méréséről.
[9] Madár V., et al. : 2021 A biomassza-hulladékok környezetbarát hasznosítása, energia előállítása Mezőgazdasági Technika, 9. sz

Ajánlott kiadványokDr. Tóth László:
Hagyományos és megújuló energiarendszerekOláh Judit és Popp József:
A fenntartható fejlődés záloga a körforgásos bioökonómiaDr. Oláh Judit:
A körforgásos bioökonómia hatása az élelmezés-, energia- és környezetbiztonság alakulására a 2050-ig szóló EU Stratégia tükrében Lukács Gergely Sándor:
FalufűtőműBai Attila - Lakner Zoltán - Marosvölgyi Béla - Nábrádi András:
A biomassza felhasználásaDr. Bai Attila (szerk.):
A biogáz

Ez is érdekelhetiA káposztafélék gépi betakarításaParlament előtt a 2025. év adózását meghatározó őszi adócsomagA lovak jólléte: a gondos lótartás eszközei és szabályai