Figylem! Ez a cikk 17 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Az utóbbi időben egyre erősödni látszik az igény a különböző forrásból származó biogázok földgázhálózati betáplálására. A növekvő energiaigény, a kimerülő fosszilis energiaforrások, a környezetvédelmi törekvések mind-mind egyre nagyobb prioritást adnak ezen szerves anyagból előállított energiának az európai energiapolitikában. A biogáz amellett, hogy teljes mértékben kielégíti az energiahordozókkal szemben támasztott környezetvédelmi törekvéseket, kis mértékben hozzájárulhat az európai importfüggőség csökkentéséhez is.
Mivel a keletkező biogázok a közszolgáltatású földgázok összetételétől jelentősen eltérnek, valamint olyan nem kívánatos komponenseket is tartalmaz(hat)nak, melyek a földgázokban nem vagy csak igen kis mennyiségben fordulnak elő, ezért kiemelt figyelmet kell fordítani a betáplált mennyiségekkel szemben támasztott minőségi követelményekre. Ezen szerves és szervetlen összetevők földgázrendszerre gyakorolt hatásáról jelenleg még nem állnak rendelkezésre gyakorlati tapasztalatok, hiszen maga a földgázhálózati betáplálás is csak az elmúlt években kezdett előtérbe kerülni. Ahhoz, hogy ezekről a hatásokról kézzel fogható és kimutatható eredmények álljanak rendelkezésre, bizony éveknek kell eltelniük. De addig is alkalmazni kell azokat a betáplálással szemben támasztott biztonságtechnikai elveket, melyek a földgázszolgáltatásban már jól beváltak, illetve figyelembe kell venni azon nemkívánatos összetevők fizikai-kémiai hatásait, melyek az egyes rendszerelemekre bizonyítottan negatív hatással vannak.
A kérdésre többek között a nyolc európai tagállam 15 intézményét magába foglaló, EIE/06/221/SI2.442663 sz. európai uniós kutatási projekt is keresi a választ, kiemelt figyelmet tulajdonítva a biogázok földgázhálózati betáplálása során felmerülő adminisztratív akadályok csökkentése és megszűntetése lehetőségeinek.
A földgázellátás keretfeltételei
A földgáztól eltérő minőségű éghető gázok földgázrendszerbe történő betáplálása újra és újra előkerül az egyes országokban, valamint európai szinten is, de a középpontban mindig is a földgáz, annak jellemző minőségi paraméterei maradtak. Ez több dolognak köszönhető. Egyrészt a több évtized alatt, kifejezetten a földgázminőséghez kifejlesztett szállító- és elosztórendszer nem minden szempontból lenne képes tolerálni a biogáz eltérő minőségéből adódó hatásokat. Másrészt a biogáz alapon reálisan betáplálható energiamennyiség csak töredékét jelenti a földgázénak. Meg kell még említenünk a gázminőség változására nagyon is érzékeny földgázfogyasztó berendezéseket, melyek energetikai hatásfokára és biztonságos üzemeltethetőségére igen jelentős hatással van a bennük eltüzelt gáz minősége.
Ebből a szempontból tehát érthető a földgázipar idegenkedése és a betáplálható biogázokkal szemben támasztott igen magas, gyakorlatilag a földgázokkal megegyező szintű követelményrendszere. Viszont a másik oldalról közelítve a kérdést Európa alapvető és megkívánt érdeke ezen megújuló forrásból származó gázok minél szélesebb körű hasznosíthatósága. Ez irányban már láthatóan elindultak az európai szintű törekvések (pl. a 2003/55/EC Direktíva a gázpiac megnyitásáról), de ezek még mindig csak egy elvi szintű megoldást kínálnak a probléma kezelésére, a tényleges tennivalókat az egyes tagországok kezébe adják. A tagországok pedig – elsősorban energetikai rendszerük és gazdasági helyzetük szerint – csak többé vagy kevésbé támogatják a biogázok földgázhálózati szállítását. Általában véve nincs olyan európai szintű kötelező érvényű szabályozás, amely nemhogy a biogázok, hanem a gázhálózatokban szállított földgázok minőségét rögzítené. A hálózatokban szolgáltatható minőségi követelményeket a nemzeti szabályozások tartalmazzák, amelyek legtöbbször az általános európai elveket alapul véve (pl. EN 437) az ország egyedi földgázminőségeihez igazítják. A Wobbe-szám és a felső hőérték, valamint a sűrűség és a víz- és szénhidrogén harmatponti értékek az országok jelentős részében a gázminőség egyértelmű jellemzői. (A Wobbe-szám az éghető gáz hőértékének és a relatív sűrűség négyzetgyökének a hányadosa.) A kéntartalmú összetevőkre vonatkozó határértékek (összes kén és kénhidrogén) minden esetben rögzítésre kerülnek. Az egyes országokban szolgáltatott gázminőségek függvényében előírás rendelkezhet a por, a szén-dioxid, a nitrogén, az oxigén, vagy éppen a hidrogén megengedhető értékéről. Az egyes országokban érvényes előírások nem csak a legfontosabb földgázjellemzők értékeiben mutatnak eltérést, hanem magát a földgáz minősítésére használt jellemzőket is más elvek szerint válogatják össze.
A betáplálandó biogázok osztályozása
A különböző forrásból származó biogázok minden csoportjára jellemző, hogy összetételük nem felel meg a közszolgáltatású földgázokkal szemben támasztott követelményeknek, ebből következően energiatartalmuk a földgázénál jóval kisebb, jelentős mennyiségben (akár több tíz százalékban) tartalmazhatnak inert komponenseket, kisebb mennyiségben nemkívánatos összetevőket (kénhidrogén, ammónia, sziloxánok, halogén vegyületek stb.), bizonyos biogázokban pedig oxigén is előfordulhat. A továbbiakban a biogáz fogalmába minden szerves biomasszából anaerob körülmények között keletkező éghető gázt bele kell érteni. Jelen írás nem foglalkozik a biomasszából termikus úton előállított, és az anaerob forrásból származó biogázok összetételétől jelentősen eltérő éghető gázokkal (biológiai szintézisgázok).
A mikrobiológiai folyamatokra épülő anaerob biogáz képződés alapanyaga lehet a szennyvízkezelésből visszamaradó szennyvíziszap, a szervesanyag tartalommal rendelkező kommunális és ipari hulladék, valamint a növénytermesztésből és állattenyésztésből kikerülő tovább nem hasznosított anyag. Bár az így termelt biogázok minősége széles spektrumban változik, a gáz energiatartalmát minden esetben a benne található metán térfogathányada határozza meg. Ez a mezőgazdasági biogáz telepek esetében a legmagasabb (60-70%), ezt követi a szennyvíziszapból előállított (55-65%) és a depóniatelepeken (45-44%) keletkező biogázok metántartalma. Ezt az energiatartalomból adódó minőségi különbséget nagyon jól szemlélteti a német DVGW G262 számú előírás diagramja (ld. ábra), mely a földgázok, és az egyes biogáz típusok minőségi tartományát jeleníti meg a gázok relatív, azaz a környezeti levegőhöz viszonyított sűrűségének függvényében (a levegőtől könnyebb gáz relatív sűrűsége:
A földgázok és biogázok tartománya a DVGW G262 előírás alapján
szürke tartomány: a 2. gázcsalád tartománya a DVGW G260 munkalap alapján ○ Földgázok, □ Depóniagázok, + Csatorna- és biogázok, X Gázok termikus folyamatokból
A diagram függőleges tengelyén a gázok energiatartalmára jellemző hőérték (HS,n) és a tüzeléstechnikai paraméterek legfontosabb jelzőszáma a Wobbe-szám található (WS,n). A diagramon szürke hátterű hatszög jelöli a 2. gázcsalád H, L és E minőségi csoportjaiba tartozó földgázok minőségét. A földgáz minőségi tartományához a szennyvíziszapból és az agráriumból származó biogázok állnak a legközelebb. A gázkeverékek tüzeléstechnikai jellemzőit vizsgálva megállapítható, hogy az anaerob folyamatokból származó gázok, azok közül is a csatorna, és az agráriumból származó biogázok tüzeléstechnikai paraméterei állnak a legközelebb a földgáz minőségi tartományhoz. E gázok egyes paraméterei nagyon jól közelítik a gyengébb L, vagy éppen a Magyarországon sajátságos S földgázminőséget. Ez azt is jelenti, hogy ezek a gázok kisebb mértékű előkészítés után is teljesíthetik az adott hálózatrészen szolgáltatott földgázokra vonatkozó minőségi előírásokat.
Hangsúlyozni kell, hogy a biogáz termelés elsősorban nem a növényi főtermékekre épül (mint a biodízel gyártásnál), hanem a tovább már nem hasznosítható szerves anyagokból állít elő megújuló energiaforrást.
A biogáz összetevői, mint a földgázra jellemző összetevők
A fermentációs (anaerob körülményekre alapozott) folyamatból származó biogázok főként metánból, szén-dioxidból és vízgőzből állnak. A metán a legfontosabb összetevő, minél magasabb térfogathányada a kívánatos. A szén-dioxid bár nem hordoz jelentős biztonságtechnikai kockázatot, mégis tanácsos a leválasztása, hiszen amellett, hogy csökkenti a gáz fűtőértékét, rontja a gyulladási paramétereket, és a még kezeletlen gázban lévő vízgőzzel savas közeget (szénsavat) alkot. Aránylag kis költséggel megoldható a leválasztása. Hasonló inert összetevő a nitrogén, mely önmagában nem veszélyes, de csökkenti a gáz hőtartalmát, és nagy hőmérsékletű tüzelés esetén jelentősen megnöveli a kibocsátott NOx emissziót. Leválasztása csak igen költséges eljárásokkal oldható meg, így a legjobb módszer a technológia helyes megválasztásával elkerülni a környezeti levegő rendszerbe jutását. Hasonlóan érvényes kijelentés ez az oxigénre, amely nedves környezetben igen jelentős korróziós hatást képes okozni. Helyes technológiai alkalmazás esetén csak a szeméttelepi gázokban fordulhat elő. A vízgőz leválasztása elsősorban komoly korróziós hatása miatt indokolt, hasonlóan a földgázokhoz. A termékgázban jelen lehet még hidrogén, ami annak idején a városi gázokra volt jellemző. A jelenleg szolgáltatott földgázokban nem vagy csak nyomokban található.
Nagy figyelmet kell fordítani a jelenlétére, mivel számottevő kockázatot hordoz. Elsősorban nagy lángterjedési sebessége miatt (több mint hétszerese a metánénak) a földgázra beszabályozott készülékekben a tüzeléstechnikai paraméterek intenzív romlását, illetve kialvást, lángleszakadást okozhat. A földgázokhoz hasonlóan előfordulhat még a biogázokban kénhidrogén, illetve egyéb kénvegyületek, melyek mennyisége a földgázrendszerben megengedett értékek több száz-, vagy akár ezerszeresét is elérhetik. Leválasztásuk alapvető követelmény. Ezek az összetevők a fém vezetékekben korróziót, illetve elégetésük során SO2 emissziót okoznak, mely az égéstermék vízgőztartalmával kénessavat alkot.
A biogáz összetevői, mint potenciális veszélyforrások
Az alábbiakban azok az összetevők kerülnek ismertetésre, melyek a földgázokban nem vagy csak elhanyagolható mennyiségben, de a biogázokban előfordulhatnak. Ilyen összetevő a szén-monoxid is, mely a metánhoz hasonlóan a biogáz éghető összetevőinek számát gyarapítja. Már önmagában is erős vérméreg (egészségügyi kockázat), nagyobb hőmérsékleten pedig, igen erélyes redukáló szerként viselkedik. Az ammónia kis mennyisében szintén előfordulhat a nyers biogázokban, mely azon túl, hogy rontja a gyulladási paramétereket, az NOx emissziót is növeli. A klór és fluor, mint a halogénelemek vegyületei kiváló sóképzők. Gázaik mérgező hatásúak, egyes fémek felületén sószerű anyagokat képeznek, és az égéstermék vízgőztartalmával savas vegyületeket alkotnak. Elsősorban a depóniagázokban fordulhatnak elő. Az aromás szénhidrogének, mint a benzol, toluol és a xilol (BTX) szintén megtalálhatóak az anaerob folyamatból származó biogázokban, mennyiségük általában nem nagyobb, mint a földgázban, elsősorban a műanyag alkatrészeket károsítják. A szemétlerakó telepek gázaiban előfordulhatnak még szerves szilícium tartalmú összetevők (sziloxánok), amelyek elsősorban a mozgó alkatrészekre (pl. gázmotorok dugattyúi) jelentenek veszélyt koptató hatásuk révén. Bizonyos biogáz típusokban előfordulhatnak még például a rendkívül mérgező hidrogén-cianid, foszfor-hidrogén, illetve bizonyos poliaromás szénhidrogének is. A szervetlen összetevőkön túl jelen lehetnek még a biogázokban szerves mikroorganizmusok, melyek a mellett, hogy egyfajta egészségügyi kockázatot képviselnek, biokorróziót okozhatnak a gázvezetékekben, szerelvényekben és gáztüzelő berendezésekben.
Összefoglalva, a fermentációs folyamatokból származó (agrár és szennyvíztelepi alapanyagból képződő) biogázok esetén fokozott figyelemmel kell lenni a földgázokra is jellemző összetevőkön túl a sziloxánokra, a szerves mikroorganizmusokra, a halogénvegyületekre és az ammóniára. A szeméttelepi gázok esetében további figyelmet kell fordítani a BTX vegyületekre is. A biomasszából származó szintézisgázok esetén a hidrogén és a szén-monoxid tartalom is kiemelt figyelmet kíván.
Az egyes európai országok betáplálandó biogázokra vonatkozó előírásai
Európában jelenleg 6 országban létezik valamilyen szintű előírás a földgázhálózatba táplálandó biogázok minőségére vonatkozóan. Ezek az országok: Franciaország, Ausztria, Svájc, Svédország, Dánia és Hollandia. Az előírások mindegyike tartalmaz a felső hőérték, és a Wobbe-szám tartományra vonatkozó határértékeket, valamint az egyéb jellemzők közül a vízharmatpontra, az összes kén és kénhidrogén tartalomra, valamint a megengedhető szén-dioxid, oxigén és hidrogén tartalomra vonatkozó teljesítendő követelményeket. A legrészletesebb előírás Hollandiában található, meghatározza az ammónia, a halogénvegyületek, a szén-monoxid a BTX vegyületek, az aromás szénhidrogének és a sziloxánok megengedhető értékeit, valamint a biogáz minimálisan elvárt metánszámát. Hasonlóan a földgázminőségi előírások jellemző vizsgálati paramétereihez, ezek az előírások is az adott országokban termelt jellemző biogáz minőségekhez lettek kialakítva. Németországban például az agrár alapú biogáz üzemek terjedtek el, így abban az előírásban nem esik szó a depóniagázokra jellemző halogén vegyületek, vagy éppen a sziloxánok megengedhető értékeiről. Ezen előírások formája is eltérő, például Franciaországban a nemzeti szállító és elosztó vállalkozás előírásait, az osztrákok az OVGW, a németek a DVGW szervezet, a svédek egy nemzeti szabvány, a hollandok pedig a földgáz szabályozó hatóság előírásait alkalmazzák.
Következtetések
Látható, hogy a biogázok összetétele jóval változatosabb képet mutat a földgázok összetételétől. Ahhoz, hogy a földgáz alkalmazásánál jelenlévő kockázatok mellett az eltérő összetételből adódó kockázatokat is kellőképpen le tudjuk csökkenteni, elengedhetetlen a biogázok megfelelő technológiára alapozott tisztítása, előkészítése a földgázhálózati betáplálásra. Az előkészítés mértéke mindig az alkalmazni kívánt felhasználási technológia függvénye. Bármilyen típusú felhasználás előtt le kell választani a szilárd szennyeződéseket, a vízgőzt és a kéntartalmú összetevőket. Ez az összetétel már alkalmas lehet közvetlen eltüzelésre. Továbbá gázmotorokban vagy gázturbinákban való felhasználás előtt mindenképpen szükséges leválasztani a sziloxán származékokat, lehetőség szerint az SOx és az NOx emissziót okozó összetevőket és a halogén elemeket. A földgázhálózati betápláláshoz ezeken a nemkívánatos szennyezőkön túl az inert komponensektől is meg kell tisztítani a gázt a megfelelő egységnyi energiatartalom elérése érdekében. Látni kell továbbá azt is, hogy Európában jelenleg nincs olyan egységes, betáplálandó biogázokra vonatkozó gázminőségi követelményrendszer, mely minden hálózatrészen, minden biogáz minőségre alkalmazható lenne.
