A depóniagáz, mint hasznosítható energia

Az ÉPÜLETGÉPÉSZ szaklap 2018. októberi számában, a 32. oldalon érdekes szakcikket olvashattak a kaposvári cukorgyár biogáz- és gáztisztító üzeméről Dr. Szendefy Judit tollából. (Lásd itt!)

Jelen cikkben a biogáz egy érdekes fajtájáról, a depóniagázról kapnak átfogó tájékoztatást, beleértve annak jellemzőit, keletkezését, kitermelését, és hasznosítási lehetőségeit.  

A biogázzal kapcsolatos általános ismeretek

A biogáz metánból, széndioxidból és egyéb összetevők keverékéből álló gáz, mely szerves anyagok anaerob körülmények között, mikroorganizmusok közreműködésével történő erjedése-fermentációja során termelődik.

A biogáz kifejezés gyűjtőfogalom, mert a kiindulási alapanyag és a termelési-képződési hely szerint az alábbi további elnevezéseket használja a szakirodalom:

  • szennyvíziszapból, állati trágyából, mezőgazdasági és élelmiszeripari hulladékokból termelt gáz: biogáz
  • lápos, mocsaras területeken a fenékiszapból keletkező gáz: mocsárgáz
  • hulladéklerakókban képződő gáz: depóniagáz

Szerves anyagok alatt a következő alapanyagokat kell érteni: szénhidrátok, fehérjék, zsírok.

A hőmérsékletről annyit kell tudni, hogy +3o és +70C hőmérséklethatárok között történik meg a szerves anyagok lebomlása (fermentáció). A lebomlás sebessége a hőmérséklet emelkedésével felgyorsul.

Fentieket röviden összefoglalva: a szénhidrát-, illetve cellulóz­ tartalmú, valamint fehérjéket és zsírokat tartalma­zó szerves hulladékok anaerob rendszerben mezofil (33-38 °C), vagy termofil (53-58 °C) hőmérsékleten végbemenő bomlásának (fermentáció, rothadás, erjedés) gáznemű, éghető terméke a biogáz.

A hulladéklerakói biogáz: a depóniagáz

A hulladéklerakóban lerakott, biológiailag lebontható, szervesanyag-tartalmú szemétből termelődő gázt nevezzük depóniagáznak.

A depóniagáz termelődés alapanyaga ebben az esetben a lakosságtól és az intézményektől begyűjtött és rendezett körülmények között lerakott hulladék (szemét).

A hulladéklerakókba beszállításra kerülő hulladékok két önálló kategóriára bonthatók. Az első csoportba az inert anyagok tartoznak, melyek szerves anyag tartalma minimális, tehát gázképződési szempontból nem vehetők figyelembe. Az építési törmelékek, fűtési maradékok (salak, hamu), fémek, üvegek, bizonyos műanyagok, a lerakott szemetet takaró föld szerves anyag tartalma elhanyagolható.

A hulladéklerakók másik csoportját döntően a háztartásokból származó kommunális hulladékok képezik. Ezen hulladékok jellemzője, hogy mindig tartalmaznak bizonyos százalékban szerves anyagot.

Ezek a szerves anyagok a kezelési módtól függően, vagy aerob, vagy anaerob lebomlási folyamat során alkotóelemeikre bomlanak, s különböző végtermékek keletkeznek.

A szerves anyagok (fehérjék, zsírok, cukorszármazékok) aerob lebomlása, komposztálódása során széndioxid és víz keletkezik hő termelődés mellett:

C6 H12 O6 + 6O2 ® 6CO2 + 6H2O + 2870 kJ/mól

A kommunális hulladéklerakókban a szerves anyagok anaerob lebomlása során széndioxid, metán és víz keletkezik.

C6 H12 O6 ® 3CH3 COOH
3CH3 COOH ® 3CH+ 3CO2
CO2 + 4H2 ® CH4 + 2H2O

A depóniagáz keletkezése

A szerves anyagok anaerob (oxigénmentes) körülmények közötti bomlásakor tehát gáz keletkezik.

A hulladéklerakó telepre kerülő hulladékok szerves anyaga fotoszintetikus növényi és állati eredetű élelmiszeranyag maradványokból áll. A növényi anyagok fő alkotói a cellulózok, cellulóz származékok, gyűjtőnevükön szénhidrátok.

A növényi eredetű hulladékokban kisebb, az állati eredetűekben, nagyobb mennyiségben vannak jelen a különböző fehérjék, zsírok és olajok. A szerves anyagok (szénhidrátok, zsírok és fehérjék) anaerob körülmények közötti lebontása megfelelő nedvesség tartalom esetén két lépésben, két baktériumcsoport közreműködésével valósul meg.

Az első lépésben a nagy molekulájú szerves vegyületek kismolekulájú vegyületekké redukálása két, egymástól nem elválasztható lépésben valósul meg: a cseppfolyósodási szakaszt savképződés követi. A szerves óriásmolekulák hidrolízis során elbomlanak.

Az enzimatikus hidrolízis végtermékei a savképző baktériumok táplálékai.

Ezek a savképző baktériumok a hidrolízis során keletkező molekuláris kötéseket megtámadják és kisebb molekulájú bomlástermékekre bontják le: alkoholra, szerves savakra, aminosavakra, széndioxidra, kénhidrogénre és kevés metánra. Ekkor a pH érték jelentősen 7,0 alá csökken.

A második lépcsőben a metánbaktériumok a savképzés bomlástermékeit hasznosítják úgy, hogy a szerves anyagokat metánra (CH4), széndioxidra (CO2) és vízre (H2O) bontják le. A metánbaktériumok növekedésének előfeltétele az oxigéntől és fénytől való teljes elzártság. A savképző és metántermelő baktériumok szimbiózisban élnek egymás mellett.

A savképző baktériumok gondoskodnak arról, hogy a depóniában lévő anyag oxigénmentes legyen, azon kívül tápanyagot termelnek a metánbaktériumoknak.

A metánbaktériumok viszont a savképző átalakulás termékeinek folyamatos elgázosításáról gondoskodnak. E nélkül az elgázosítás nélkül a depóniában a savképző baktériumok számára mérgező környezet alakulna ki.

A második szakasznak tehát állandóan lépést kell tartania az első szakasszal. A második lebontási szakasz azonban csak akkor kezdődhet, ha az első lebontási fokozatban termelt közbenső termékek bizonyos koncentrációt elértek, azaz a lebontást végző metánbaktériumok tápanyagellátása kielégítő.

A hulladék lerakása utáni hónapokban, az inkubációs periódusban elszaporodnak az anaerob baktériumok, a hőmérséklet 60-65C-ra emelkedik.

A hőmérsékleti maximum elérése után a hőmérséklet fokozatosan csökken, és kb. hat hónap elteltével a környezeti hőmérsékletnél magasabb szinten állandósul.

Ezzel egyidejűleg a gáztermelés is megindul, és a gyakorlati tapasztalatok az igazolják, hogy 50-70 év múlva is keletkezik még depóniagáz.

Európai tapasztalatok azt mutatják, hogy kb. 15-20 évet érdemes figyelembe venni, mint aktív időszakot, amikor érdemes még a keletkező depóniagázt hasznosítani. A gáz természetesen továbbra is keletkezik, a mennyisége azonban lecsökken.

A következő 1. ábrán a depóniatérben lejátszódó folyamatot, valamint a depóniagáz összetételének folyamatát követhetjük nyomon az idő függvényében (Farquhar/Rovers 1973, Franzius 1981 és Rettenberger, Mezger 1992 alapján).

Magyarázat az ábrához: az időskála azért nem lehet egyenletes, mert a 2 hét és 2 hónap a 20 évhez képest aránytalanul rövid lenne az ábrán. Másrészt ez egy elméleti ábra, mert ez 1 m3, vagy 1 teherautón beszállított szerves anyag lebomlását ábrázolja, de a valóságban a következő napon ismét érkezik szerves anyag, és ez mindaddig tart, amíg a depónia be nem telik! Metántermelés nem 15-20 évig van, hanem tovább, de gázkitermelés szempontjából csak ezzel az időszakkal érdemes számolni.

1. ábra: A depóniatérben elméletileg lejátszódó folyamatok.

A fenti ábrán látható, hogy az első–második fázisban a hulladék hőmérséklete megemelkedik, mivel az oxigén jelenléte miatt az aerob lebontás indul meg. Ekkor a széndioxid értéke „0”. Mihelyt elfogy az oxigén, megindul a széndioxid fejlődés és a magas nitrogén érték egyre csökken.

A harmadik fázisban megindul az anaerob folyamat, s ekkor a nagy molekulájú szerves vegyületek kis molekulájú vegyületekké redukálódnak.

Ekkor a nitrogén értéke tovább csökken, s a széndioxid termelés a maximális értéket éri el, metánképződés még nincs mindaddig, amíg oxigén van a hulladékban. Az oxigén jelenléte ugyanis mérgező hatású a metántermelő baktériumokra.

A negyedik fázis a metán fermentációs szakasz, de ekkor még csak elindul a metánképződés, hiszen a metántermelő baktériumok az előző fázisban keletkezett savképzés bomlástermékeit hasznosítják úgy, hogy a szerves anyagokat metánra (CH4), széndioxidra (CO2) és vízre (H2O) bontják le. Nitrogén és oxigén alig van jelen a folyamatban.

A következő, ötödik fázisban stabil a metántermelés, és csökkenő tendenciát mutat a széndioxid termelés.

A hatodik-hetedik fázisban a metántermelés csökkenni kezd (elfogy a tápanyag) a széndioxid termelés stabilizálódik, s a nitrogén ismét megjelenik.

A nyolcadik-kilencedik szakaszban a metántermelés egyre csökken, de csökken a széndioxid termelődés is. Az oxigén és nitrogén jelenléte ismét kimutatható. Ez a lebomlás közel teljes befejeződését jelenti.

A lerakás első időszakában az oxigén jelenléte csökken, és ebben a szakaszban a baktériumok fokozatosan szaporodnak. A hőmérséklet fokozatosan emelkedik, s eléri a 60-65 C-t is.

A hőmérséklet a maximum érték után fokozatosan csökken, és kb. 6 hónap múlva a környezeti hőmérsékletnél magasabb értéken állandósul.

10 év időtartamot vizsgálva az átlaghőmérséklet +15- +30 C-ra vehető, de ezt befolyásolják az éghajlati feltételek, a kialakítási eljárások és a depónia légmentesítésének módja is.

A hulladéklerakó telep anyagában végbemenő folyamatok összetettebbek annál, mint amit felvázoltunk. A hulladékok összetétele, a depónia hőmérséklete, a levegő belépése, a nedvességtartalom, a pH-érték, a mérgező vegyületek képződése, stb. a mikroorganizmusok közvetlen környezetében befolyásolja a gáztermelést. Ehhez jönnek még olyan tényezők, mint a levegő hőmérséklete, a nyomáskülönbség, a kialakítás módja és a záró réteg természete, a csapadékmennyiség, a fagy, a topográfia, a hidrogeológia, stb., amelyek főleg a víz beszivárgás sebességét befolyásolják.

Az irodalom a depóniagáz összetételét a következő szélső értékekben adja meg:

metán                                       45-65%
széndioxid                                35-50%
nitrogén                                    10-20%
hidrogén                                       1-4%
egyéb (O2  H2S)                              1%

A depóniagáz fűtőértéke a metántartalomtól függően 15-24 MJ/Nm3, számítási értéként 18 MJ/Nm3 értéket (50% CH4) szoktak figyelembe venni.

A depóniagáz kitermelése

A hulladéklerakó telep belsejében termelődött gáz felszín közeli részéből a depóniagáz a belső túlnyomás hatására eltávozik a légtérbe. Mivel a metán szintén üvegházhatást okozó gáz, de 100 év időhorizontot tekintve 23-szor veszélyesebb, mint főbűnösnek kikiáltott széndioxid, ezért meg kell akadályozni, hogy az alsóbb rétegekből a depóniagáz kijusson a légtérbe.

A depóniagáz kitermelését függőleges gázkutak létesítésével lehet megoldani.

A gázkutak létesítésére két megoldást alkalmaznak:

  • a furatokkal ellátott függőleges cső, vagyis a gázkút a hulladék betöltésével egy időben felfelé, újabb csőtoldásokkal épül. A gázelvezetés lehet alsó, vagy felső.
  • a gázkutat a hulladéklerakó megteltét követően felülről fúrással készítik úgy, hogy a hulladéktömegbe a csőgázkútnál nagyobb átmérőjű furatot készítenek, és ebbe engedik bele fentről a furatokkal ellátott gázelvezető cső kutat. Ekkor a gázelvezetés csak felső lehet.
2. ábra: Függőleges, felső gázelvezetésű gázkút

A depóniagáz kitermelését gázkutakból úgy lehet megoldani, hogy a gázkutakhoz kapcsolt elvezető gázvezetékek megszívásra kerülnek, ezzel a hulladéktest depresszió alá kerül, és a keletkező gáz a gázkutakon keresztül egy vákuumszivattyúba jut, majd innen fáklyázásra, vagy hasznosításra kerül.

3. ábra: Gázelszívó rendszer

Ha a gázt kinyerik, akkor a gázt kezelni, és ha gazdaságos, hasznosítani kell. Ha a depóniagázt nem lehet energiatermelésre felhasználni, akkor ártalmatlanítani (fáklyázni) kell.

A depóniagáz hasznosításának lehetőségei

A következőkben címszavasan felsoroljuk azokat a lehetőségeket melyek szóba jöhetnek a depóniagáz hasznosítására.

– Elégetés gázfáklyában (ártalmatlanítás)

– Elégetéses hőtermelés kazánban: meleg víz, vagy gőz előállítás

– Energiatermelés gázmotorban:

     Koogenerációs hasznosítás:  elektromos energia, és hőenergia-termelés

     Trigenerációs hasznosítás: elektromos, hő-, és hűtőenergia termelés

A gázmotorban 5,0 kWh/Nm3 (=18 MJ/Nm3) fűtőértékű gázból kb. 1,85 kWh villamos energia, és 2,4 kWh hőenergia állítható elő. Itthon is elterjedt ez a nyugat-európában kedvelt hasznosítási mód.

– Energiatermelés mikrogázturbinában (villamos teljesítmény max: 200 kW).

– Energiatermelés tüzelőanyagcellában

Ezen a területen lassú felfutás várható. A technológia jelenleg még drága, de tömeges gyártás esetén komoly árcsökkenés várható.

– Felhasználás közlekedési eszközökben

Tisztítás (CO2, H2S, sziloxán származékok, stb. eltávolítása) és komprimálás után üzemanyagként való felhasználás.  

– Földgáz hálózatban való hasznosítás

Lényege az, hogy a depóniagázt speciális gáztisztítás után előírt nyomáson betáplálják a földgáz hálózatba.

Hódi János

Megosztás

Előző olvasása

A hőszivattyú-technológia a klímaválság árnyékában

Következő olvasása

Épületek lehűlési folyamatáról és termikus időállandójáról