Témavezető neve:
Dr. Legeza László
Vezető kutatók:
Dr. Horváth Miklós, Bakosné Diószegi Mónika
A kutatás időtartama:
2005-től folyamatosan
Kulcsszavak:
megújuló energia, biomassza, biogáz, biodízel, hamu, tüzeléstechnika, biztonságtechnika
A kutatási tevékenység és célkitűzései:
A közelmúltban az energiaellátás és - felhasználás problémája a biztonság kérdéskörének, így a nemzetközi biztonsági tanulmányok tárgykörének is egyik kulcskérdésévé vált. A biztonság fogalma kibővül az „energiabiztonsággal” és az ezzel szorosan összefüggő klímabiztonsággal. Magyarország azon országok közé tartozik, melyek nagy energia-felhasználók, miközben szénhidrogén kincsekben szegények. Ezért a megújuló energia alkalmazása kiemelt országos program, mely európai szinten is előírt feladat. Hazánk számára a megújuló energiát javarészt a helyben található szerves alapanyagok biztosíthatnák, a mezőgazdaságból és állattenyésztésből visszamaradó „hulladék” ésszerű felhasználása lehet energiabiztonságunk záloga. Annak ellenére, hogy Magyarország jelentős biomassza nyersanyaggal rendelkezik a megújuló energia előállításában és felhasználásában, az Európai Unióban „sereghajtó”. Vállalások kötelezik hazánkat, hogy javítson e helyzeten. Elkerülhetetlen, sőt a legfontosabb feladatok közé tartozik a megújuló energia előállításának kutatása és oktatása a műszaki felsőoktatási intézményekben.
Munkatársainkkal felkutattuk, hogy a biomassza energetikai hasznosításának komplex folyamatában melyek azok a legfontosabb technológiai, műszaki tényezők, amelyek a biomassza alapú energiatermelés elterjedését még gátolják, és amelyek fejlesztési, innovációs tevékenységgel kiküszöbölhetők. Ezek megoldására szerveződött kutatócsoportunk.
KUTATÁSI-FEJLESZTÉSI PROGRAM
1. Biomassza nyersanyagok előkészítése tüzelésre
A fejlesztés célja gazdaságos technológia kidolgozása a kukoricaszár -csuhé és -csutka égetésével történő energianyerésre. A kukoricaszárra jellemző magas nedvességtartalom csökkentése szárítással, majd közvetlen tüzelésre alkalmas őrlemény, pellet vagy brikett előállítása. A technológia jellemzője, hogy a szárítás hőigényének biztosítására maga a szárított kukoricaszár vagy csutka égetéséből keletkező hő, illetőleg egyéb hulladékhő szolgál.
2. Biomasszák tüzelése
2.1. Pirolízises égetés
A fejlesztés célja az alábbi feladatok megoldása, illetve alkalmazása biomasszára: – Gabonaszalma és kukoricaszár eltüzelése pirolízis berendezések alkalmazásával. – Az adagolás módjának (a szalma tömörítés módja, tömörített darabok nagysága) meghatározása, az adagolás sebességének beállítása. – A pirolízis sebességének automatizálása, visszacsatolási paraméterek meghatározása. – A pirolízis gáz tisztítása. – A pirolízis gáz eltüzelése gázmotorban. – A pirolízis gáz eltüzelése gázturbinában. – A gázmotorok vagy a gázturbina kipufogógázának hasznosítása hőhasznosító kazánban gőzturbina hajtására alkalmas gőz előállítása céljából. – A hőhasznosító kazán kétlépcsős póttüzelésének megoldása a pirolízis gáz valamint a pirolízis során keletkezett karbonban feldúsult szilárd részek felhasználásával. – A hőhasznosító kazán üzemének automatizálási kérdései, különös tekintettel a károsanyag kibocsátásra és a szükséges gőzparaméterek biztosítására. – Az emisszió szabványok által előírt kereteken belül történő tartása módjának meghatározása. – A szükséges, vásárlandó know-how-k és licenszek meghatározása, kiválasztása.
2.2. Pirolízis termékek szilárd, folyadék és gázfázisának energetikai hasznosítása
A pirolízis gáz szinte minden alkotó eleme hasznosul az éghető gázból villamos energia előállítása történik, kombinált ciklusú erőműben, mely körülbelül 56-57%-os villamos hatásfokot eredményez. A karbonban feldúsult szilárd részek „szalma szén” ugyanebben az erőműben hasznosulnak, mint a kombinált ciklus 2. lépcsője (gőzciklus). A különféle kémiai anyagok, mint melléktermékei, a vegyipar alapanyagaiként hasznosulnak.
2.3. Pirolízis termékek égetésekor keletkező hamu olvadáspontjának növelése
A fejlesztés célja biomassza alapú őrlemény, pellet vagy brikett égetése során keletkező hamu tűztérre olvadásának, lerakódásának megakadályozására szolgáló technológiák kidolgozása. Ezáltal lehetőség nyílik az őrlemény, pellet vagy brikett eltüzelésére a meglévő tüzelőberendezésekkel vagy azok minimális átalakításával. A technológia jellemzője, hogy a tüzelőanyagot vagy adalékkal keverve hamujának olvadáspontját megemeljük, vagy speciális módon égetve elkerüljük lerakódását. A biomassza energetikai célú hasznosítása, vagyis a mezőgazdasági termékek ipari nyersanyaggá alakítása vagy éppen takarmány célú hasznosítása után/mellett visszamaradt éghető anyagok erőművi tüzelése régi célkitűzés, amely azonban teljes egészében ma sem megoldott. Jelen projekt keretein belül a bioetanol gyártás és kapcsolt projektek energetikai mérlegének javítása céljából a kutatás egyik legfontosabb fejlesztési feladata az égetés mikéntjének meghatározása. Mindemellett, a jelen projekt keretein belül vizsgálni kívánjuk a lehető legmagasabb hőmérsékletű égetést olyan adalékok alkalmazásával, amelyek egyrészt a sósav emissziót csökkentik, másrészt a gyakran tapasztalt hamuolvadás problémáját is kiküszöbölik. Az energetika célokat szolgáló intenzív növénytermesztésben gyorsan fejlődő, emiatt nagy sebességű anyagcserével rendelkező növények termelése a cél. Ezek a növények nagy mennyiségben hasznosítanak foszfort és egyéb ásványi nyersanyagokat a talajból és ezek az anyagok az égetés hamujában megjelennek és a magas alkáli és foszfortartalmú növények égetésekor (pl. energiafű) képződő hamu megolvad, és ráüvegesedik a kazán rostélyaira, ezáltal műszaki problémát okoz. Elővizsgálataink szerint ennek egyik oka a helyi túlhevülés, így a direkt égetéshez a növényi részeket formázzuk és a fejlesztési munka egyik tárgya a formázott növényi részek, pelletek alakjának, tömörségének és levegő/részecske arányának hatásának a vizsgálata a növényi részek hamujának megolvadásában. Jelen fejlesztés keretein belül keressük ezen adalékanyagokat, illetve meg kell határozzuk a felhasznált mennyiségüket és felhasználásuk módját, formáját, Ezen adalékanyagoknak egyszerűnek, olcsónak, korlátlanul hozzáférhetőnek, környezetbarátnak kell lennie, és nem befolyásolhatja jelentősen a fajlagos energiatartalmat, ugyanakkor hatékonyan meg kell akadályoznia az üvegképződést.
3. A hamu visszajuttatása termőhelyre, ökotrágya fejlesztése és előállítása
A fejlesztés célja a biomassza alapú őrlemény, pellet vagy brikett égetése során keletkező hamu ökotrágyává alakítására komplett termőhelyi reciklizálására szolgáló technológiák kidolgozása. A biomassza alapú őrlemény, pellet vagy brikett eltüzelésékor a meglévő tüzelőberendezésekkel nagy mennyiségű alacsony olvadáspontú és nagy foszfortartalmú és a talajból származó mikroelemeket tartalmazó hamu keletkezik. A hamu nagy mennyiségben lúgos kémhatása miatt nem juttatható vissza a termőhelyre. A módszer egy speciális műtrágyaoldatok és más adalékok elnyeletésére is alkalmas ökotrágyát ad, a termőhelyen kívül más mezőgazdasági területek műtrágya illetve mikroelem utánpótlásának biztosítására. A biomassza elégetésekor keletkező hamu termőhelyre visszajuttatása és az intenzív növénytermesztési periódusban az elvont talajerő visszapótlása elengedhetetlen és az egyik kulcskérdés az energetikai célú mezőgazdasági termelés folyamatosságának biztosítása érdekében. A biomassza ipari vagy takarmány célú feldolgozásának gazdaságosságát is nagymértékbe növeli a keletkezett hulladékok energetikai célú eltüzelése A a fatüzelésű erőművek hamujának kezelésére szolgáló módszer kidolgozására beadott pályázatunkban leírtakhoz hasonló módszer kidolgozását tervezzük, amelyben a már korábban elvégzett előzetes kísérletek illetve adott esetben a fent említet projekt elnyerése esetén kapott eredményeket is felhasználva kívánjuk a jelen problémát megoldani. Mivel a tüzelésre szánt illetve egyéb célra hasznosított növények tápanyagfelvételei és ezzel együtt a belőlük keletkező hamu összetétele és tulajdonságai nagyon különbözőek lehetnek. Ezeket célszerűen ugyanazon növényfajta termesztésére szánt terület talajerő visszapótlására tudjuk használni lévén összetétele egyezik a növényfajta tápanyagigényével, az illékony (nitrogénvegyületek kivételével). Ezek visszapótlása, vagyis a nitrogénműtrágyázás a szokásos módszer helyett a jelen módszerrel kombinálva történhet az alábbiak szerint. A kapott habosított granulátumok nagy pórustérfogata miatt jelentős mennyiségű folyadék felszívására képesek, így kézenfekvő megoldásnak tűnik, hogy akár szerves akár szervetlen műtrágyakomponenseket felitatása ezekkel a granulátummal, mivel így nemcsak a hamuban levő ásványi anyagtartalom hanem a bevinni kívánt pl. nitrogéntartalom is egy lépésben juttatható a művelési területre. Nemcsak a nitrogén, hanem pl. a kukorica kultúrák esetében a terméshozamot nagymértékben növelő cink mint nyomelem is visszajutatható. A cinkes műtrágyák előállítása a hagyományos nitrogén műtrágyagyártási folyamatokkal, amelyek olvadékgranuláláson alapulnak, az olvadék fém-oxid katalizálta robbanásveszélyessége miatt nem kivitelezhető, így a kerülő utakon előállított cinkes nitrogénműtrágyák rendkívül drágák és a jelen gazdasági helyzetben nem megfizethetőek. A porózus testekbe zárt nitrogén műtrágyák, mint lassított hatóanyag leadású műtrágyák már ismertek jelen kutatás eredménye kettős lenne, egyrészt a porózus test eleve trágyaként szolgáló anyagból – hamuból történő előállítása – másrészt, ennek tulajdonságait kihasználva egy hatékony de egyéb hagyományos úton nem kijuttatható műtrágyák, pl. cink-tetraamminsók alkalmazásának bevezetése a célnövény kultúrákban. Mivel a hordozóanyag, a granulátum alkotó hamu, maga is trágyakomponens, nem lép fel az a hátrány, ami eddig minden lassított hatóanyag leadású hordozós műtrágyánál fellépett, hogy a hordozó hígítja a hasznos komponenstartalmat, és műtrágya tonnánként kevesebb hasznos trágyakomponenst tartalmaz, mint egyébként.
4. Technológia fejlesztés energianövény termesztéséhez és biogáz fejlesztéshez
A biogáz az egyik legnagyobb lehetőségekkel rendelkező megújuló energiaforrás. A szerves anyagokban lekötött szén elgázosodási folyamata alatt a lehető legnagyobb metántartalom kialakulása a cél. Ennek érdekében a reaktorban lezajló kémiai hatásokat kell megvizsgálni. A gáz főként baktériumok aktivitása során keletkezik, habár néhány gomba illetve alacsonyabb rendű állati szervezet is részt vesz az anyagok lebontásában. A mikrobák szaporodása és a biogáz képződés időigénye nagy, lassan, több hét alatt megy végbe. A bomlási folyamat üteme minden egyes anyagnál más és más. Míg az állati eredetű anyagoké csupán 8-20 nap, a cellulóz alapú anyagok lebomlási ideje nagyon hosszú: 40-50 nap. A gáztermelés is hasonlóan alakul, a folyamat időtartamával megegyezően. A gyorsan lebomló anyag arányos idő alatt nagyobb mennyiségű gázt termel. Nagyon fontos tehát, hogy a hulladékokat összeválogatása, hiszen a kiegyensúlyozott gáztermelés csak több komponensű biomasszával biztosítható. A növényi biomassza az élő növényi és növényi eredetű szerves anyag tömegegységben kifejezett mennyisége. Ebből adódik, hogy a biomassza termeléséhez leginkább olyan növény alkalmas, amely igen gyorsan nő és sejtfal anyagai között az energiában gazdag lignocellulóz prominensen megjelenik. A megkötött kémiai energia jelentős részét a növény ebben a sejtfalban, elsősorban lignocellulóz formájában raktározza. Mezőgazdaságunkban számottevő a hasznosítatlan, nagy százalékban cellulózt tartalmazó (búzaszalma, kukorica… stb.) szerves hulladék mennyisége. Előkezelések nélkül a cellulóz enzimes bonthatósága az ellenálló lignocellulóz struktúra miatt igen alacsony, mert a fermentációban résztvevő mikroorganizmusok számára kevéssé bontható. Ezért fontos a lignocellulózok komplex struktúrájának megbontása és a poliszacharidok hozzáférhetővé tétele.
A biogáz fejlesztés technológiájának végterméke a biogáz, melyből elektromos áram, hőenergia nyerhető miközben az alábbi környezetvédelmi feladatokat is megoldja: - Ipari területek rekultivációja (melyre jellemző az erős kiporzás, természetidegen jelenlét) - Szennyvíziszap, más magas tápanyag tartalmú hulladékok korszerű hasznosítása - Magas biogáz kihozatalú energianövény termesztés - Biogáz üzem, bioetanol üzem hulladékának hasznosítása - Munkahelyteremtés - Vidéki lakosság megtartó funkció - Társadalmi kohézió erősítése - A háztartásokban jelenleg felhasznált költséges energia helyettesítése - Energiafüggőség csökkentése regionális és országos szinten is
Kutatási célunk:
- a cellulózbontási lehetőségek, és azok technológiai hátterének, vizsgálata, esetleges fejlesztése az eredményesség és a széleskörű alkalmazhatóság szem előtt tartása mellett,
- a lignocellulózok komplex struktúrájának megbontását és a poliszacharidok hozzáférhetővé tételét követően a biogáz hozam esetleges növekedésének elemzése
- a nyerhető biogáz optimális felhasználásának vizsgálata mind a gázmotorban történő elégetés, mind az esetleges földgáz rendszerbe való betáplálás lehetőségeit figyelembe véve
- célkitűzéseink közé tartozik továbbá egy új kialakítású fermentációs tartály – berendezés – létrehozása, aminek alkalmazásával igazolható a hatékonyabb metánképződés.
Hazai és külföldi partnerek:
A kutatás az MTA Kémiai Kutatóközpont főmunkatársa, Kótai László PhD. vegyészmérnök bevonásával történik. A biogáz kutatás a Nyugat-magyarországi Egyetem Faipari Mérnöki Kar docense, Dr. Csóka Levente szakmai támogatásával történik. Segítségünkre van Egyetemünk volt hallgatója, Galambos Árpád is, aki a témában elismert, számos tanulmány, cikk írója és az első biomassza alapú erőmű egyik tervezője és vezetője, az Agárdi Mezőgazdasági Kombinát nyugállományú fejlesztési főmérnöke. A kutatásokat több hazai cég szoros együttműködésével végezzük, mely cégek az elért ipari eredményeket közvetlenül valósítják meg.
Publikációk (GBI)
1.) Tudományos közlemények:
[1] Legeza L. és munkatársai: Kukorica csutka és csuhé, valamint gabonaszalma, mint mezőgazdasági melléktermékek hasznosítása. Megbízó: Hidasháti Mezőgazdasági Rt. Budapest, 2005.
[2] Legeza L. és munkatársai: Megvalósíthatósági tanulmány a kukoricaszár, mint nagy nedvességtartalmú növényi tüzelőanyag erőművi felhasználására. Megbízó: BHD Hőerőmű Zrt. Budapest, 2008.
[3] Bakosné D, M.: Energiabiztonság - növelés lehetőségének vizsgálata lágyszárú mezőgazdasági hulladék vizsgálatával, GÉP, 2008. 09.01. LIX. Évfolyam, pp.:3-7.
[4] Bakosné D, M.: Hazai energiabiztonság növelésének lehetőségei, Hadmérnök IV. Évfolyam 2. szám - 2009. június, pp.: 5-18
[5] Bakosné D, M., Solymosi, J.: Növénytermesztési és állattenyésztési „vegyes” gazdaságok hulladékainak energetikai hasznosítása, Hadmérnök V. Évfolyam 3. szám 2010 szeptember, pp.: 24-37
[6] Bakosné D, M.: A biogáz szerepe a hazai energia-biztonságban, A Magyar Tudomány Ünnepe, Nemzetközi Gépész, Mechatronikai és Biztonságtechnikai Szimpózium, Óbudai Egyetem, 2010. november 10-11. CD kiadvány
2.) Tudományos előadások:
[1] Legeza László: A kukoricaszár, mint biomassza, hőerőművi felhasználásának lehetőségei. XVII. Nemzetközi Gépészeti Találkozó – OGÉT 2009. Gyergyószentmiklós, 2009. április 23–26.
[2] Legeza László: Hamuból műtrágya. XVIII. Nemzetközi Gépészeti Találkozó – OGÉT 2010. Nagybánya, 2010. április 22–25.
[3] Legeza László: Biomassza-tűzterek méretezése. XIX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó – OGÉT 2011. Csíksomlyó, 2011. április 28–május 1.
[4] Horváth M., Bakosné D.M.: Kavitációs mező előállítása szonokémiai reakciókhoz - XIX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó – OGÉT 2011. Csíksomlyó, 2011. április 28–május 1.