MAGY AR 2012-2.pdf · 2017. 9. 26. · 1 A következő generáció A Magyar Energetika szerkesztőbizottsá-ga úgy érezte, hogy feltétlenül szükséges a hazai energetikai felsőfokú

1

A következő generáció

A Magyar Energetika szerkesztőbizottsá-ga úgy érezte, hogy feltétlenül szükséges a hazai energetikai felsőfokú képzés, a doktoranduszok kutatási témáinak bemu-tatása, aminek eddig szaklapjaink – nem is beszélve a napi, nevezzük így, bulvársajtóról – kevesebb teret szentelnek. Eme elhatáro-zás végeredményét tartja kedves olvasónk a kezében, és úgy gondoljuk, nem bánja meg, ha időt szentel végigolvasására. Az egyete-meket – és itt most szerencsére nem első-sorban az energetikai irányokra gondolunk – sokszor éri az a kritika, hogy mondvacsi-nált, „megélhetési” témákkal foglalkoznak. E lapszámunk cikkei e vélekedés élő cáfola-tai. Remek, gyakorlat- és életorientált kuta-tásokról és eredményekről kapunk tájékoz-tatást. Jó szórakozást kívánunk.

Veresegyházi Bélalapigazgató

MAGYAR ENERGETIKA 2012/2

tartalomKovács Viktória Barbara, Meggyes Attila:Alternatív gázok energetikai alkalmazása gázmotorban 2

Farkas István, Rusirawan Dani, Galambos Erik:Hálózatra kapcsolt napelemmező cella/modul alapú modellezése 6

Nemes Alex, Palotás Árpád Bence:A szilárd tüzelés és a közlekedés együttes hatása okozta szmog csökkentésére irányuló módszer 10

Papp Viktória, Marosvölgyi Béla:A biomassza-bázisú pellet, mint energia- hordozó előállításának és hasznosításának energetikai kérdései 12

Palotás Árpád Bence: Energetikai témakörű doktori képzés a Miskolci Egyetem Kerpely Antal Doktori Iskolájában 15

Marosvölgyi Béla:Bionergetikai témakörű doktori képzés a Nyugat-magyarországi Egyetem Kitaibel Pál Környezettudományi Doktori Iskolájában 15

Kaszás Csilla:Hibrid gépjárművek gazdaságossági elemzése 16

Gróf Gyula:Doktori képzés a BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszéken 19

Béres Lili, Palotás Árpád Bence:A „London Terv” Klímaváltozás-enyhítési és Energia Stratégiája 20

M A G Y A R

ENERGETIKA Együttműködő szervezetek:Magyar Atomfórum Egyesület, Magyar Kapcsolt Energia Társaság, Magyar Napenergia Társaság, Magyar Távhőszolgáltatók Szakmai SzövetségeXIX. évfolyam, 2. szám 2012. áprilisAlapította a Magyar Energetikai Társaságwww.e-met.huFőszerkesztő:dr. Veresegyházi MáriaMobil: 06-20-537-7416E-mail: [email protected]

Szerkesztőbizottság:dr. Büki Gergely, dr. Czibolya László, Civin Vilmos, dr. Emhő László,dr. Farkas István,dr. Garbai László, dr. Gács Iván, Újhelyi Géza, Zarándy Pál

Szerkesztőség:Kiadó: Mérnök Média Kft. 1134 Budapest, Róbert Károly krt. 90.Telefon: 1-450-0868Fax: 1-236-0899

Laptulajdonos:Magyar Energetikai Társaság1094 Budapest, Ferenc krt. 23. II. em. 2.Telefon/fax: 1-201-7937

Tervezőszerkesztő: Büki Bt.

Borítóterv: Metzker Gábor

Nyomda:Prospektus Kft.Felelős vezető: Szentendrei Zoltán ügyvezető igazgató

ISSN: 1216-8599

Pintér Csaba, Horváth Zsuzsanna, Marosvölgyi Béla:A Miscanthus energianád termesztése és hasznosítása 24

Nagy Gábor, Woperáné Serédi Ágnes, Lovrity Zita:Sertés hígtrágya vizsgálata biogáz előállítása céljából 26

Sztankó Krisztián, Kun-Balog Attila: Megújuló folyékony tüzelőanyag hasznosítása mikro-gázturbinában 30

Farkas István:Energetikai témakörű doktori képzés a SZIE Műszaki Tudományi Doktori Iskolájában 33

Kovács Ferenc:A Nemzeti Energiastratégia kapcsán ismét a CO2 és a szén szerepéről 34

Lukács Kristóf, Bereczky Ákos:Kettős tüzelőanyagú dieselmotor égési folyamatának vizsgálata, víztartalmú etanol tüzelőanyag használatánál 40

Dobó Zsolt, Palotás Árpád Bence:Vizsgálatok lakossági gázmérők mágneses manipulálásának utólagos kimutathatóságára 44

2 MAGYAR ENERGETIKA 2012/2

BME www.e-met.hu

Kovács Viktória Barbara, Meggyes Attila

Alternatív gázok energetikai alkalmazása gázmotorban

A földgáz helyettesítésére alkalmasnak ígérkező, szén-dioxid-

semlegesnek minősülő és megújulónak számító alternatív gázok

közül a bio- és pirolízisgázok energetikai hasznosíthatóságát

vizsgáltuk elméleti és gyakorlati módszerekkel. A vizsgálat cél-

ja e gázmotoros, energetikai célú felhasználási lehetőségeinek,

korlátainak feltárása, amennyiben a gázokat inert tartalmuk levá-

lasztása, illetve az összetételük megváltoztatása nélkül kívánjuk

földgáz helyett felhasználni. Lehetőségek szerint minimális mo-

torkonstrukciós vagy üzemi módosítások mellett kívánjuk biztosí-

tani a földgáz-alternatív gáz mindenkori átállást.

A XX. század végére egyértelművé vált, hogy a növekvő népesség emelkedő

életszínvonalát biztosító egyre fokozódó energiaigények kielégítésére a fosz-

szilis tüzelőanyagok önmagukban hosszú távon nem jelentenek megoldást,

hiszen a jelenlegi a kutatási eredmények szerint a készletek globális szinten,

típustól függően mindössze 50-200 évre elegendők [1], [2]. A növekvő ener-

giaigények kielégítése mellett kiemelt szemponttá vált a környezetvédelem.

Egyre fontosabbá vált a fosszilis tüzelőanyagok elégetése során keletkező

szennyezőanyagok, köztük elsősorban a klímaváltozásért okolt szén-dioxid

miatt a fosszilis tüzelőanyagok alternatív energiahordozókkal való helyette-

sítése [3], [4].

Az Európai Közösség éghajlat- és energiapolitikájában 2020-ra számot-

tevő előrelépést kíván elérni, melynek értelmében az EK megújuló energia-

politikájának alapja a környezetvédelem. Cél a CO2 és egyéb szennyező-

anyagok kibocsátásának csökkentése az ellátásbiztonság növelése mellett,

olyan, megújulókon alapuló helyi és regionális fejlesztésekkel, melyekkel a

vidék gazdasági és szociális fejlődése elősegíthető [5], [6].

A földgáz helyettesítésére alkalmas alternatív gázok energetikai haszno-

sításával nemcsak a fosszilis tüzelőanyag-felhasználás és az ebből származó

környezetterhelés csökkenthető, hanem egyben a szerves hulladékok ártal-

matlanítása és a hulladéklerakók tehermentesítse is megtörténhet.

Az alternatív gázok energetikai felhasználását decentralizált energia-

termelés keretein belül, kapcsolt hő- és villamosenergia-termelő rendsze-

rekben célszerű megvalósítani. Így növelhető a villamosenergia-betáplálás

biztonsága, javul az ellátásbiztonság; illetve csökkennek a villamos hálózati

veszteségek, ami további tüzelőanyag-megtakarítási lehetőséget teremt [7].

Az alternatív gázok energetikai hasznosítása a fentiek értelmében megva-

lósítható gázmotorokban, gázturbinákban, vagy akár tüzelőanyag-cellákban

is. A gázmotorok jelentik a legjobb alternatívát, mivel jól integrálhatók a

decentralizált energiatermelésbe, köszönhetően annak, hogy a kistérségre

jellemző kis teljesítményeken (0,1-4 MW) a gázturbináknál jobb hatásfokkal

rendelkeznek [8]. További előnyük, hogy rendkívüli rugalmassággal és szinte

azonnali rendelkezésre állással képesek villamos energiát szolgáltatni [9].

Vizsgált alternatív gázokA földgáz helyettesítésére alkalmasnak ígérkező, szén-dioxid-semlegesnek

minősülő és megújulónak számító biomasszából előállítható alternatív gá-

zok (biogázok és pirolízisgázok) tüzeléstechnikai tulajdonságai jelenősen

eltérnek a földgázéitól. Az alternatív gázok tüzeléstechnikai tulajdonságai

az összetételüktől függnek, amit elsősorban az előállítási technológiájuk

határoz meg. Biomasszából több módszerrel is lehet gázt előállítani.

Biogáz szerves anyagok anaerob körülmények közötti bomlásakor,

illetve a biomassza zárt térben történő fermentációja során mikroorga-

nizmusok közreműködésével keletkező gáz. Biogáz minden olyan szerves

anyag tartalmú hulladékból nyerhető, amely biológiailag bontható anya-

got tartalmaz, de a keletkezésük mennyiségénél fogva jelenleg háromfajta

hulladék alkalmas biogáztermelésre: kommunális hulladék, mezőgazda-

sági, állati trágya és szennyvíziszap. A két utóbbiból igen jó minőségű,

magas CH4-tartalmú biogázt lehet kinyerni [11].

A pirolízisgázok hőbontással, tehát termikus úton száraz lepárlással

(hagyományos pirolízissel) vagy elgázosítással állíthatók elő. Az elgázo-

sítás történhet indirekt úton külső hőforrással, illetve direkt úton belső

hőforrással, ahol az elgázosítandó közeg egy részének oxidációja szol-

gáltatja a hőt a folyamathoz [12]. Amennyiben az elgázosítandó közeg

érintkezik levegővel (oxigénnel), aerob elgázosításról, ha az elgázosítás

levegőtől elzárt körülmények között játszódik le, anaerob elgázosításról

beszélünk. A pirolízisgázok alapanyaga lehet biomassza, települési szilárd

hulladék [13], egyéb hulladékok és szennyvíziszap.

A bio- és pirolízisgázok eltérő előállítási technológiáinak köszönhető-

en a pirolízisgázok összetétele különbözik a biogázokétól. Míg a biogázok

főleg metánból és szén-dioxidból állnak, addig a pirolízisgázokban inert

gázként a CO2 mellett számottevő mennyiségű N2 is jelen lehet, illetve a

CH4 mellett nem elhanyagolható a H2 és CO, mint éghető komponensek

jelenléte sem (1. táblázat).

Alternatív gázok motoros kísérleteiAz biogázok inert (CO2) tartalma kedvezőtlenül hat a tüzelőanyag tüzelés-

technikai tulajdonságaira, mert a motorba bejuttatott keverék fűtőértéke

csökken, ami teljesítménycsökkenést eredményezhet. Azonban a gázne-

mű tüzelőanyag inert tartalma kedvezően hat a motor kopogástűrésére,

így magasabb kompresszióviszony alkalmazható, amivel azonos tüzelési

teljesítmény mellett a fűtőérték-csökkenés okozta teljesítménycsökkenés

ellensúlyozható [14].

Pirolízisgázoknál nem csak az esetlegesen előforduló magas inert

(CO2, N2) tartalom, hanem a H2-tartalom miatt is (a H2 alacsony sűrűsége

következtében) csökken a fűtőérték. A pirolízisgázok fűtőértéke jellemző-

en ~15%-a földgázénak, ami már rendkívül alacsony. Ugyan az esetleges

inert tartalom a pirolízisgáz kopogástűrésének kedvez, azonban a magas

hidrogéntartalom miatti magasabb kompresszióviszony esetén öngyulla-

dásra hajlamos. A H2 széles gyulladási tartományának köszönhetően a

motor ugyan szegényebb üzemre is képes, ami kedvező a károsanyag-ki-

bocsátás szempontjából [15], de a H2 nagy égési sebessége visszagyulla-

dást, rendellenes égéslefutást, akár kopogást is eredményezhet [16], [17].

Fentiek miatt a pirolízisgázokat, elsősorban a nagyon alacsony fűtőértékű,

3MAGYAR ENERGETIKA 2012/2

www.e-met.hu BME

nagy inert tartalmú producergázokat sokáig nem tartották alkalmasnak az

energiatermelésben alkalmazható nagy kompresszióviszonyú belső égésű

motoros hasznosításra. A második világháború idején ugyan alkalmaztak

szikragyújtású, alacsonyabb kompresszióviszonyú, szén- vagy biomassza

bázisú producergáz üzemű járműveket [18].

A motoros hasznosításra irányuló kutatás alapfilozófiája legtöbb eset-

ben az, hogy a meglévő motoros rendszerek átalakításával azok alkal-

massá váljanak az alternatív gázok felhasználására. A motor konstrukciós

jellemzőinek és üzemi paramétereinek megfelelő megválasztásával az új

alternatív gázra kialakított, annak tulajdonságaira optimált motorokat hoz-

nak létre. Ezek természetesen az adott alternatív gázzal a kívánalmaknak

megfelelően üzemelnek. Azonban az alternatív gázok felhasználásának

szempontjából sokkal érdekesebb az, hogy milyen körülmények, korlátok

között helyettesíthetik a földgázt a már meglévő motorokban lehetőségek

szerint minimális motorkonstrukciós vagy üzemi módosítások mellett, biz-

tosítva a földgáz-alternatív gáz mindenkori átállást.

A fenti célkitűzés megvalósítása érdekében alternatív gázokkal (bio-

gáz, pirolízisgáz) gázmotoros kísérleteket végeztünk az Energetikai Gépek

és Rendszerek Tanszék Laboratóriumában rendelkezésre álló laboratóriumi

mérésekre átalakított GanzSET BAG-30 kapcsolt hő- és villamos energia

előállítására alkalmas gázmotoros egységen. A méréseket biogázok vizsgá-

lata esetén földgáz-CO2 keverékekkel, a pirolízisgázok esetén egy kiválasz-

tott pirolízisgáz-típussal (producergáz) végeztük. A producergáz rendelke-

zik a legkisebb H2-tartalommal, így a lamináris lángterjedési sebessége

szegény keverékeknél közel megegyezik a földgázéval (1. táblázat), illetve

a levegővel történő belső hőforrásos elgázosítás a legelterjedtebb pirolízis-

gáz-előállítási technológia. A vizsgált alternatív gázokat kísérleti szinteti-

kus gázokkal modelleztük, melyek a Lide Gas Magyarország Zrt.-től rendelt

bündelben álltak rendelkezésre.

Az eltérő tüzelőanyag-összetétel hatását vizsgáltuk a motor üzemi pa-

ramétereire: teljesítmény, fogyasztás, hatásfok és emisszió.

A méréseket az összehasonlíthatóság és reprodukálhatóság érdeké-

ben minden esetben azonos körülmények között végeztük. A motor állan-

dó részterhelésen üzemelt, azért a pillangószelep utáni nyomást állandó

értéken tartottuk, azaz a méréseket állandó szívótérnyomás (0,8 bar)

mellett végeztük. Az előgyújtás mértéke is minden estben állandó, a felső

holtpont előtt 30 ft° volt, ami a motorgyártó által a földgázra meghatá-

rozott érték.

A referenciaméréseket földgázzal végeztük, majd a referencia felvétele

után a földgázhoz 10 V/V%-onként kevertük a CO2-t, azaz a méréseket 10,

20, 30 és 40 V/V% CO2-tartalmú modell biogázokkal végeztük. Az utolsó

mérési sorozatot már csak 45 V/V%-os CO2-tartalom mellett egyetlen üze-

mi pontban tudtuk elvégezni. 40 V/V% CO2-tartalom felett a motor üzeme

nagyon instabil volt.

A producergáz viszonylag magas H2-tartalmának (20 V/V%) esetleges

kedvezőtlen hatásai miatt a pirolízisgáz motoros kísérleteit földgáz–produ-

cergáz keverékekkel végeztük. A földgázhoz 10 V/V%-onként kevertük a

bündelben rendelkezésre álló kísérleti producergázt, vagyis a méréseket

10, 20, 30, 40, 50 és 60 V/V% producergáz-tartalmú keverékekkel végez-

tük. Az utolsó mérési sorozat esetén a mérést már csak két üzemi pontban

tudtuk elvégezni, mivel 60 V/V% producergáz-tartalom körül a motor üze-

me nagyon instabil volt.

Motoros eredmények értékeléseA biogázok és a producergázok motoros mérési eredményi eltérők. A bevitt

hőteljesítmény közel állandó értéke a tüzelőanyag-fogyasztás növelésével

mindkét alternatív gáz esetén tartható volt. Azonban a megnövelt fogyasz-

tás mellett is elszegényedett a keverék, és ezért beszűkült a motor üze-

melési tartománya. Biogázok esetén

30 V/V% CO2-tartalom felett, pro-

ducergáz-földgáz keverékek esetén

pedig 40 V/V% producergáz-tartalom

felett a motor már csak szegény ke-

verékekkel tudott üzemelni. Ezért az

alternatív gázok hasznosítása során

nem csak az inert tartalom okozta

kedvezőtlen hatásokkal, hanem a ke-

verék elszegényedése miatt fellépő

veszteségekkel is számolni kell.

A biogázok esetén az effektív tel-

jesítmény λ=1,3 felett csökkent (1.

a. ábra). 45 V/V% CO2-tartalomnál a

teljesítmény lecsökken a 11,5 kW-os

referencia-értékről 6,6 kW-ra, ami a

földgázüzemmel mértnek mindössze

57%-a, a földgázüzemben elérhető

legnagyobb teljesítménynek pedig

már csak 38%-a. Producergáz–föld-

komponens [V/V%]

„földgáz” tipikus biogáz

pirolízisgázok

külső hőforrás

belső hőforrás

+ levegő + oxigén

anaerob pirolízisgáz

producer-gáz

szintézis gáz

CH4 100 60 8 5 3

H2 0 0 38 20 40

CO 0 0 20 20 40

CO2 0 40 20 5 17

N2 0 0 14 50 0

Hi [MJ/m3] 35,9 21,6 9,5 10,4 6,5

Tad [K] 2230 2096 2099 2229 1973

u [cm/s] 39,9 25,6 59,0 82,0 44,4

1. táblázat. Alternatív gázok jellemző összetétele, tüzeléstechnikai jellemzői: fűtőérték (Hi), adiabatikus lánghőmérséklet (Tad), lamináris lángterjedési sebesség (u)

6

8

10

12

14

16

18

0,8 1,6 1,8

Pe [

kW]

λ [-]

ref. (0% CO2) 10% CO220% CO2 30% CO240% CO2 45% CO2

6

8

10

12

14

16

18

0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

Pe [

kW]

λ [-]

0% prod. 10% prod.20% prod. 30% prod.40% prod. 50% prod.60% prod.

0,6 1,0 1,2 1,4

1. a-b. ábra. Mért effektív teljesítmény biogázok és producergáz−fölgáz keverékek esetén


BME www.e-met.hu

gáz keverékek esetén az effektív

teljesítmény a teljes vizsgált légfeles-

leg-tartományon közel állandó volt,

bár jellemzően kissé alatta maradt a

referenciának, azonban egyértelmű-

en nem csökkent a producergáz-tar-

talom növekedésével (1. b. ábra).

Az effektív teljesítményből szá-

mított effektív hatásfok eredmé-

nyeket a 2. a-b. ábrák szemléltetik.

Biogázoknál a mérési eredményekből

egyértelműen következik, hogy 30

V/V% CO2-tartalom felett és szegény

keverékek esetén van csak számot-

tevő változás az effektív hatásfok-

ban, mivel λ>1,3 esetén alakult ki

jelentős teljesítménycsökkenés. 45

V/V% CO2-tartalomnál az effektív

hatásfok fele a 21% referenciaérték-

nek. Megfigyelhető továbbá, hogy a

CO2-tartalom növekedésével az ef-

fektív hatásfok légfelesleggel szem-

beni érzékenysége nő, amit a görbék

növekvő meredeksége mutat. Pro-

ducergáz–földgáz keverékek esetén

nincs jelentős változás az effektív

hatásfokban sem, de hasonlóan az

effektív teljesítményhez, jellemzően

kissé alatta marad a földgáz referen-

ciaértékeinek.

A 3. a-b. ábrákon látható a motor

fajlagos CO2-kibocsátása. Biogázok

esetén a fajlagos CO2-kibocsátás nő

a biogáz CO2-tartalmának növeke-

désével. A növekedés nem lineáris.

45 V/V% CO2 esetén a fajlagos ki-

bocsátás már 2,8-szorosa a referen-

ciaértéknek (891,7 g/kWh). Meg-

figyelhető továbbá, hogy a biogáz

CO2-tartalmának növekedésével a

fajlagos CO2-kibocsátás légfeles-

leggel szembeni érzékenysége nő,

amit a görbék növekvő meredek-

sége mutat. A producergáz–földgáz

keverékek esetén a motor fajlagos

CO2-kibocsátása nem növekszik je-

lentősen a tüzelőanyag-keverék pro-

ducergáz-tartalmának növekedésével

(3. b. ábra). Szegény keverékeknél

tapasztalható csupán mérsékelt nö-

vekedés, ami 60 V/V% producergáz

és λ=1,4 esetén is mindössze 13%.

A motor fajlagos NOx-kibocsátása

a 4. a-b. ábrákon látható. Az NOx

képződését az (adiabatikus) égési

hőmérséklet jelentősen befolyásolja.

A kapott görbék jó egyezést mutat-

nak a hatásfokokkal, mivel maxi-

12%

14%

16%

18%

20%

22%

24%

0,6 0,8 1 1,2 1,6

ηe [

%]

λ [-]


12%

14%

16%

18%

20%

22%

24%

0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

ηe [

%]

λ [-]


1,4 1,8

600

1100

1600

2100

2600

CO

2[g

/kW

h]

λ [-]


600

1100

1600

2100

2600

CO

2[g

/kW

h]

λ [-]


0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8

0

10

20

30

40

50

60

0,6 0,8 1 1,2 1,8

NO

x[g

/kW

h]

λ [-]


0

10

20

30

40

50

60

0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

NO

x[g

/kW

h]

λ [-]


1,4 1,6

2. a-b. ábra. Számított effektív hatásfok biogázok és producergáz−fölgáz keverékek esetén

3. a-b. ábra. Motor fajlagos CO2-kibocsátása biogázok és producergáz−fölgáz keverékek esetén

4. a-b. ábra. Motor fajlagos NOx-kibocsátása biogázok és producergáz−fölgáz keverékek esetén


www.e-met.hu BME

5

mumuk λ=1,1 körül van. A biogáz

CO2-tartalmának növekedésével a

fajlagos NOx-kibocsátás csökken,

mivel a növekvő CO2-tartalom miatt

az (adiabatikus) égési hőmérsék-

let csökken. 30 V/V% CO2-tartalom

esetén a legnagyobb NOx-kibocsátás

már 42%-kal kisebb, mint a referen-

cia (50,1 g/kWh). Producergáz–föld-

gáz keverékek vizsgálata esetén a

fajlagos NOx-kibocsátás számottevő-

en nem csökken, hiszen a növekvő

producergáz-tartalom nem csökkenti

jelentősen az égési hőmérsékletet.

A motor CO-kibocsátását az 5

a-b. ábrák mutatják. Biogázoknál a

növekvő CO2-tartalom okozta égési

sebességcsökkenés miatt fellépő el-

húzódó égés ellenére a CO-kibocsátás

a biogáz CO2-tartalmának növekedé-

sével számottevően csak λ>1,4 esetén nő, mivel az égés az expanziós sza-

kaszban be tud fejeződni. A fajlagos CO-kibocsátás 45 V/V% CO2 esetén

négyszerese a referenciának (4 g/kWh). Producergáz–földgáz keverékek

esetén a tüzelőanyag magas H2-tartalma segíti a tüzelőanyag kiégését,

ezért még a többletfogyasztás ellenére is a szénhidrogén-tartalom leg-

alább CO-vá el tud égni. Azonban az égési reakciók itt befagyhatnak, ami

többlet CO-kibocsátást eredményezhet. Dús keverékek esetén a produ-

cergáz-tartalom növekedése csökkenti, míg szegény keverékeknél növeli

a CO-kibocsátást. A fajlagos CO-kibocsátás 60 V/V% producergáz esetén

kétszerese a referenciának.

ÖsszefoglalásA gázmotoros mérések alapján megállapítható, hogy a biogázok növekvő

CO2-tartalma 20 V/V%-ig nem okoz különösebb változást sem a motor

üzemelési tartományában, sem a legtöbb üzemi paraméterében. A CO2-

tartalom okozta veszteségeket a megnövelt tüzelőanyag-fogyasztással el-

lensúlyozni lehet. 20 V/V% CO2-tartalom felett a megnövelt tüzelőanyag-

fogyasztás ellenére is elszegényedik a keverék, ezért beszűkül a motor

üzemelési tartománya; a teljesítmény és a hatásfok lecsökken, de a motor

40 V/V% CO2-tartalomig stabilan üzemel.

Környezetvédelmi szempontból vizsgálva, a biogázüzemű motor ked-

vezőbb a földgázüzemű motornál. Az NOx-kibocsátás jelentősen csökken, a

CO-kibocsátás lényegében nem változik. A CO2-kibocsátás szempontjából

a biogáz semlegesnek tekinthető.

A gázmotoros mérési eredményekből megállapítható továbbá, hogy

a vizsgált producergáz önmagában a rendelkezésre álló gázmotorban an-

nak módosítása nélkül nem hasznosítható. Földgázhoz keverve 40 V/V%

tartalomig nem okoz különösebb változást sem a motor üzemelési tar-

tományban, sem a legtöbb üzemi paraméterében. 40 V/V% producer-

gáz-tartalom felett még a tüzelőanyag fogyasztásnövekedés ellenére is

elszegényedik a keverék, beszűkül a motor üzemelési tartománya, de

nem tapasztalható számottevő teljesítmény- és hatásfokcsökkenés a föld-

gázüzemű motorhoz képest. A motor 60 V/V% producergáz bekeverésig

stabilan üzemel.

Környezetvédelmi szempontból vizsgálva a producergáz–földgáz üze-

mű motor kibocsátása közel hasonló a földgázüzemű motoréhoz. Az NOx,

CO2 érdemben nem változik, a CO-kibocsátás pedig 40V/V% producergáz-

bekeverés felett kezd csak növekedni.

Irodalom[1] Deciding the Future: Energy Policy Scenarios to 2050, World Energy Council,

p. 104, ISBN: 0 946121 29 X, 2007 [2] Shahriar Shafiee, Erkan Topal: When will fossil fuel reserves be diminished?,

Energy Policy 37 pp. 181–189, 2009[3] Energy & Climate Change, World Energy Council, p. 143, ISBN: 0 94612124

9, 2007[4] Európai Bizottság, Az éghajlatváltozás elleni küzdelem -Az EU az élen jár-,

Európa mozgásban sorozat, p. 24., ISBN 978-92-79-09754-6, 2008[5] Európai Energiapolitika, Európai Közösségek Bizottsága, COM(2007) 1,

Brüsszel, 10.1.2007[6] Nagy J: A biomassza energetikai felhasználása, hazai szabályozás. I.

Ökoenegetikai és IX. Biomassza Konferencia, Sopron, 2006.[7] Zsebik A.: Gázmotorok jövedelmezősége, megtérülése; Elemző tanulmány,

p. 73. 2007[8] Dr. Bereczky Á., Dr. Penninger A., Dr. Meggyes A.: Biogáz-üzemű gázmotorok

energetikai analízise és szintézise, X. Nemzetközi Agrárökonómiai Tudomá-nyos Napok, Gyöngyös, 2006. március 30-31. (1.3.2.)

[9] Klimstra J., Hotakainen M.: Smart Power Generation, Arkmedia, Vaasa, 2011

[10] Biogáz kommunális hulladékból, Környezetvédelmi és Területfejlesztési Mi-nisztérium, Magyar EU-Energia Központ, p.13, 1998

[11] Hódi J.: A biogáz keletkezése és hasznosításának lehetőségei, A Biomassza Felhasználásának Formái c. konferencia, 2005

[12] Kotsis L., Marosvölgyi B.: Kémai és energetikai célú gáz előállítása biomasz-szából. I. Ökoenergatikai és IX. Biomassza Konferencia, Sopron, 2006.

[13] Berecz E.: Kommunális hulladék elgázosítása és olvasztása oxigénbefúvással, Műszaki információ. Hulladékok és másodnyersanyagok hasznosítása, ISSN 0209-729X, 2001. 5. sz. 23-30. old.

[14] S.O. Bade Shrestha, G. Narayanan, Landfill gas with hydrogen addition – A fuel for SI engines, Fuel, Volume 87, Issues 17-18, December 2008, Pages 3616-3626

[15] T. Korakianitis, A.M. Namasivayam, R.J. Crookes, Natural-gas fueled spark-ignition (SI) and compression-ignition (CI) engine performance and emis-sions, Progress in Energy and Combustion Science, In Press, Corrected Proof, Available online 8 June 2010 [16] Sebastian Verhelst, Thomas Wallner, Hy-drogen-fueled internal combustion engines, Progress in Energy and Combus-tion Science, Volume 35, Issue 6, December 2009, Pages 490-527

[17] Szwaja S., Combustion Knok – Heat release Rate Correlation of a Hydrogen Fueled IC Engine Work Cycles, Proceedings of 9th International Conference on HEEP, pp. 83-88, 2009

[18] K. Kornbluth, J. Greenwood, Z. McCaffrey, D. Vernon, P. Erickson, Extension of the lean limit through hydrogen enrichment of a LFG-fueled spark-ignition engine and emissions reduction, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 35, Issue 3, 2010, pp 1412-1419

1

10

100

1 000

0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

CO

[g/

kWh]

λ [-]


1

10

100

1 000

0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

CO

[g/

kWh]

λ [-]


5. a-b. ábra. Motor fajlagos CO-kibocsátása biogázok és producergáz−fölgáz keverékek esetén

SZIE (Lektorált cikk) www.e-met.hu


Ebben a cikkben a gödöllői Szent István Egyetemen (SZIE) működő,

10 kWp teljesítményű, hálózatra dolgozó fotovillamos (PV) rend-

szer cella/modul karakterisztikán alapuló, a teljes rendszer karak-

terisztikájára vonatkozó kutatási eredményeket mutatjuk be.

A rendszer polikristályos szilícium (ASE 100) és amorf szilíci-

um (DS40) modulokból épült fel. A vizsgálatok során a PV-mező

egyszerűsített kapcsolási rajzát használtuk a rendszer villamos vi-

selkedésének leírása érdekében, figyelembe véve a környezeti pa-

ramétereket, különösen a szoláris besugárzásra vonatkozókat. A szi-

muláció elkészítéséhez az NSoL V4.4.0 szoftvercsomagot használtuk.

A szimuláció eredményei azt mutatják, hogy mindkét modul tí-

pusra vagy a teljes mezőre vonatkozóan megegyező karakteriszti-

kával rendelkezik, azaz a kimenő áramerősség és a kimenő teljesít-

mény az évszakok változásával növekszik (decembertől júniusig),

miközben a feszültség változását jelentősen nem befolyásolja a

napsugárzás változása.

A megújuló energiaforrások közül a fotovillamos energiatermelés kimagasló-

an magas potenciállal rendelkezik, és kulcsszerepet fog játszani a jövő ener-

giatermelésében. A Nap által kibocsátott fotonok hatására a PV-rendszerek

károsanyag-kibocsátás nélkül állítanak elő egyenáramot (DC), amelyet

inverter segítségével váltóárammá (AC) alakítunk át, így a helyi villamos-

energia-hálózatra – szükség esetén – rá lehet csatlakoztatni az energiater-

melő berendezést.

A PV-rendszerek működésüket tekintve lehetnek hálózatra visszatápláló,

autonóm, illetve kisegítő generátorral ellátott, úgynevezett hibrid fotovillamos

rendszerek.

A fotovillamos rendszerben a legkisebb egység, a cella végzi az ener-

giaátalakítás feladatát. A cellák kimeneti karakterisztikája nagyban függ a

szoláris besugárzástól, a cella hőmérsékletétől és a PV-modulok kimeneti fe-

szültségétől. Mivel a napsugárzás intenzitása a nap folyamán folyamatosan

változik, a modulok teljesítménye is ennek megfelelően alakul.

A „PV Enlargement” című uniós projekt keretében, 2005. október 8-án a

Szent István Egyetemen megkezdődött egy 10 kWp teljesítményű, hálózat-

ra kapcsolt fotovillamos rendszer telepítése. A rendszer három, egymástól

elkülönülő alrendszerből áll, az egyikben polikristályos szilícium napeleme-

ket (ASE), a másik kettőben viszont amorf szilícium (DS) napelemeket te-

lepítettek. A kialakított rendszer dőlésszöge 30°, tájolása 5°-ban délkeleti.

A különböző technológiák telepítésének az oka, hogy ugyanazon a földrajzi

helyen, megegyező működési feltételek mellett összehasonlítást kapjunk

a két rendszer esetlegesen eltérő működéséről. A rendszer telepítése el-

sősorban oktatási, kutatási, illetve demonstrációs okokból történt. Ezeken

felül a rendszer villamos energiát is előállít, amely az egyetem kollégiumi

épületében kerül közvetlen felhasználásra.

Jellemzően a kísérleti és tapasztalati úton szerzett adatokon elvégzett

modellezés és tesztelés által nyert értékekkel reprodukáljuk az energiaátala-

kítási folyamatokat. A fotovillamos modulok/mezők teljesítményének labora-

tóriumi körülményeken kívüli tesztelése és modellezése komplikált feladat,

és az eredményt nagyban befolyásolja a környezet és a napelemcella fizikája

közötti tényezők kapcsolata. Az eredményes tervezés, kivitelezés és üzemel-

tetés érdekében a fotovillamos rendszer teljesítménymodelljében számszerű-

síteni kell minden olyan jelentős tényezőt, amely ezeket befolyásolja.

A több mint 6 éves üzemeltetés során a 10 kWp hálózatra kötött

fotovillamos rendszer viselkedését folyamatosan vizsgáltuk, a megtermelt

energia mennyiségét és az egyéb, szenzorokkal, érzékelőkkel mért paramé-

tereket folyamatosan elemeztük, kiértékeltük. Ezen adatok alapján elkészült

egy empirikus, tapasztalati matematikai modell, amelynek segítségével a jö-

vőbeni energiatermelés még jobban megjósolható.

Jelen munkában elsődleges célként a 10 kWp hálózatra kötött fotovillamos

rendszer cella/modul alapú karakterisztikái, illetve az empirikus paraméterek

kerülnek bemutatásra, kezdetben az általános PV-modellegyenletek koncep-

ciója alapján. Ezenkívül bemutatásra kerülnek a modul/rendszer I-V és P-V

karakterisztikái, amelyek az NSoL V4.4.0 szoftvercsomag segítségével kerül-

tek meghatározásra.

A rendszer bemutatásaAz 1. ábrán a Szent István Egyetemen működő, fix tájolású és dőlésszögű,

hálózatra visszatápláló, 10 kWp beépített villamos teljesítménnyel rendelkező

fotovillamos mező látható a két különböző technológiájú napelemcsoporttal.

A rendszer az egyetem lapos tetős szerkezetű kollégiumi épületének a tete-

jére lett telepítve, három különálló részegységként. Az első alrendszerben 32

db, az RWE Solar GmbH által gyártott, ASE-100 típusú polikristályos napelem

helyezkedik el, míg a második, illetve harmadik alrendszert egyenként 77 db,

a Dunasolar Kft. által gyártott, DS-40 típusú amorf szilícium napelem alkotja.

A rendszer teljes beépített teljesítménye 9,6 kWp (Farkas és Seres, 2010).

Farkas István, Rusirawan Dani, Galambos Erik

Hálózatra kapcsolt napelemmező cella/modul alapú modellezése

1. ábra. A hálózatra dolgozó fotovillamos rendszer különböző technológiájú moduljai

7

www.e-met.hu SZIE (Lektorált cikk)


Fotovillamos modulokA napelemcella – leegyszerűsítve – egy úgynevezett p-n átmenetből áll,

amelyet vékonyrétegű félvezetőből készítenek. A fotovillamos effektus

miatt a napelemek segítségével a napsugárzás elektromágneses kom-

ponense közvetlenül villamos energiává alakítható át. A napsugárzásnak

kitett cellákon azon fotonok, melyek a félvezető energiarésénél nagyobb

energiával rendelkeznek, elnyelődnek, és a beeső sugárzással arányosan

elektronlyuk-párokat képeznek. A p-n átmenet belső energiamezője miatt

ezen energiahordozók részekre esnek szét, és fotovillamos energiát hoz-

nak létre, amely közvetlenül a napsugárzás beeső energiájával arányos

mértékű. A fotovillamos rendszerek a besugárzástól és a cellahőmérsék-

lettől nagyban függő I-V és P-V karakterisztikákkal jellemezhetők (Tsai et

al., 2008).

PV-cellák és -modulokA napelemcellákat ritkán használják külön egységként, ugyanis az azo-

nos karakterisztikával rendelkező cellákat modulokká kapcsolják össze,

amelyek a fotovillamos mezők alapját adják. Egy modulban az egyes

napelemcellákat sorosan kapcsolják, ugyanis egyenként hozzávetőlege-

sen 600 mV feszültséggel rendelkeznek, így elkerülhetők az alacsony fe-

szültségből adódó veszteségek. DC-ágon legtöbbször 12 voltos rendsze-

reket alkalmaznak.

1000 W/m2 besugárzás esetén a maximális áramerősség egy cellánál

30 mA/cm2 körüli, ezért – a modulok terhelhetőségének növelése érde-

kében – a szükséges számú cellát párhuzamosan kötik. A panel több mo-

dulból, a mező pedig több panelből álló egység. A 2. ábrán egy általános

PV-rendszer struktúráját láthatjuk (King et al., 2004 és Wenham, 2007).

Napelemcella-modellA napelem modellezésére olyan egyenértékű áramkört használunk, amely

paralel a tényleges cella villamos viselkedésével. A leegyszerűsített áram-

kör egy egydiódás rendszer, amelyet a 3. ábrán mutatunk be (Wenham,

2007). A modell egyenértékű áramköre egy áramforrásból, egy diódából,

egy a diódával párhuzamos (veszteség figyelembevevő) ellenállásból és

egy soros (belső) ellenállásból áll. Az áramforrás kimenetén mért áram-

erősség közvetlenül arányos azzal a fénymennyiséggel, amely a cellára

esik. Árnyékolás hatására a napelem nem aktív eszközként, hanem dióda-

ként működik. Amennyiben egy külső feszültségforráshoz csatlakoztatjuk,

áramot generál, amelyet dióda- vagy sötétáramnak nevezünk. Ez a dióda

határozza meg a cella I-V karakterisztikáját.

Mind sorosan, mind párhuzamosan, vagy a kettő vegyes alkalmazásá-

val összekapcsolt fotovillamos cellák áramerősség-feszültség karakterisz-

tikájának megadásához a következő egyenleteket használhatjuk:

I = IL − ID, (1)

.

(2)

A fenti egyenletek használatához be kell vezetnünk a következőeket (Di

Dio, et al., 2009):

IL,Tot = NPIL, (3)

IO,Tot = NPIO, (4)

nTot = NSn, (5)

(6)

ahol:

I - a napelemcella által generált áram [A],

ID - a diódaáram [A],

IL - a fény által generált áram vagy fényelem-áram [A],

IO - a sötét telítettségi áram (a diódaszivárgás áramsűrűsége a fény tá-

vollétében) [A],

k - a Boltzmann állandó (=1,381×10-23 J/K),

n - jósági tényező (1 és 2 közé eső szám, amely akkor növekszik, amikor

az áramerősség esik),

NS - a sorosan kötött cellák száma,

NP - a párhuzamosan kötött cellák száma,

q - az elektron töltése (=1,602×10-19 °C),

RSH - a cella sönt-ellenállása,

RS - a cella soros ellenállása,

TC - a cella működési hőmérséklete [K],

V - a kimeneti feszültség/alkalmazott feszültség [V].

NP=1, és NS=1 esetén a (2) egyenlet egy egyszerű exponenciális alak-

ban kifejezhető, így ezen egyenlet a PV-cella viselkedésének általánosan

elfogadott alakja. A PV-cellák viselkedése 5 modellparaméterrel teljes

mértékben leírható (IL, IO, n, RSH, RS), amelyek fizikailag az adott PV-

cellára/modulra jellemző értékek. A PV-cella/modul ezen 5 paramétere

valójában 2 környezeti paraméternek (a napsugárzásnak és a cellahő-

mérsékletnek) a nemlineáris kapcsolata.

Ideális napelemcella esetén a soros kapcsolódásból eredő veszteség

és a földelésnél energiaelszivárgás nem keletkezik, ilyen esetben RS=0

és RSH=∞. A fényelemáram leginkább a szoláris besugárzástól és a cella

működési hőmérsékletétől függ (Tsai et al., 2008). Ezzel a felvetéssel az

Napelem cella

Modul

Modul

Panel

2 cella sorosan összekötve3 párhuzamos hurok2 soros blokk

a) alkotóelemek b) modul felépítés

GV

I

Il Id

RS

RSH

2. ábra. A fotovillamos rendszer struktúrája 3. ábra. A napelem áramköri modellje

SH

SS

P

C

P

S

SOPLP R

IRN

VN

1

qTknNRI

NV

expININI

+

−

−=

S

P

STot,S RN

NR =


SZIE (Lektorált cikk) www.e-met.hu

(2) egyenlet a következőképpen írható fel:

,

(7)

ahol:

IL, Ref - a cella rövidre zárási árama 25 °C-on és 1000 W/m2 standard

besugárzás mellett,

KI - a cella rövidzárási áram hőmérséklet-együtthatója [A/K],

TC,Ref - a cella referenciahőmérséklete [K],

G - a napsugárzás [W/m2],

GRef - a napsugárzás standard körülmények között [W/m2].

Másfelől a cella telítettség-árama a cella hőmérséklete alapján is változik

a következőképpen:

, (8)

ahol:

IO,Ref - a cella rövidzárási árama adott hőmérsékleten és napsugárzás

mellett,

EG - a félvezető energiarés energiája az adott napelemcellánál [eV].

A napelemcella karakterisztikájának két nagyon fontos korlátozó para-

métere van (lásd a 4. ábrát):

• A rövidzárási áram (ISC) a maximális áramerősség nulla feszültség-

érték (V=0) mellett. Ilyenkor ISC közvetlenül arányos a napsugárzással:

ISC=IL.

• Üresjárati feszültség (VOC) a maximális feszültség nulla áramerős-

ség (I=0) mellett. A VOC értéke a napsugárzás növekedésével logaritmi-

kusan növekszik:

(9)

A napelemcella ugyancsak jellemezhető a maximális teljesítmény pont-

jával (MPP). Az ehhez tartozó maximális teljesítmény (VMPP × IMPP) gra-

fikusan megadható az I-V görbe alatti területtel. A fentiek láthatók a 4.

ábrán a standard tesztfeltételek (Standard Test Conditions – STC) mellett

(Farkas, 2005).

A maximális teljesítmény az ún. kitöltési tényező (FF) segítségével ha-

tározható meg:

PMax = VMPP∙IMPP = FF∙VOC∙ISC. (10)

A kitöltési tényező egyben a cella minőségének is a jelzője. Ha az érték

0,7-nél nagyobb, a cella jó minőségű. Az FF tulajdonképpen két teljesít-

mény arányaként értelmezhető (grafikusan lásd a 4. ábrán):

FF = (VMPP∙IMPP)/(VOC∙ISC) (11)

A napelem villamos energiatermelése egy adott munkapontban a hozzá

tartozó feszültség- és áramerősség-értékekből számítható:

(12)

Szimulációs módszerekAz I-V és P-V karakterisztikák szimulációjához az NSoL V4.4.0 szoftver-

csomagot használtuk, mind a modul, és mind mező tekintetében. A szi-

muláció során vizsgált napelemek típusa ASE-100 és DS-40. A vizsgált

fotovillamos mező 32 ASE-100 modulból (16 sorosan kapcsolva 2 párhu-

zamos hurkon keresztül) és 77 DS-40 modulból áll (7 sorosan és 11 pár-

huzamosan kapcsolva). A PV-modulok villamos paramétereiként a gyártó

által – referenciakörülmények között – kimért adatokat használtuk fel (1.

táblázat).

A hálózatra kapcsolt fotovillamos mező I-V és a P-V karakterisztikái-

nak meghatározásához pontos információkra van szükségünk a rendszer

három fő összetevőjéről, amelyet az 5. ábra szemléltet.

A szimuláció elkészítéséhez a következő adatokra van szükségünk:

1. a fotovillamos rendszer földrajzi elhelyezkedése (szélességi, hosz-

szúsági koordináták),

2. a mező főbb paraméterei (dőlésszög és tájolás),

3. a PV-modulokra vonatkozó paraméterek (névleges teljesítmény,

Paraméterek ASE 100 DS40

Névleges teljesítmény (W) 105 40

Névleges teljesítménynél a feszültség (V) 35 44,8

Névleges teljesítménynél az áramerősség (A) 3 0,8

Rövidre zárási áram (A) 3,3 1,15

Üresjárati feszültség (A) 42,6 62,2

Hőmérsékletfüggési tényező üresjárati feszültségnél (%/°C) -0,38 N/A

Hőmérséklet koefficiens rövidre zárási áramnál (%/°C) 0,10 N/A

A hőmérséklet közelítő hatása bekapcsolva (%/°C) -0,47 N/A

Névleges működési cellahőmérséklet /NOCT (°C) 45 50

1. táblázat. Az ASE-100 és a DS-40 modulok tipikus villamos paraméterei0

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0

Napelemfeszültség [V]

Maximális teljesítménypont [MPP]

Kim

enő

telje

sítm

ény

[W]

Nap

elem

ára

m [W

]

VMPP

IMPP

PMPP

VOC

ISC

VA

STCT = 25°CAM=1,5G = 1000 W/m2

4. ábra. Napelemcella karakterisztikája

5. ábra. A hálózatra kapcsolt fotovillamos rendszer analíziséhez szükséges elemek

fRe,CCIfRe,LfRe

L TTKIGG

I

CfRe,C

G3

fRe,C

CfRe,OO T

1T

1kn

Eqexp

TT

II

1.

II

lnqTkn

VO

LCOC

.dtIVdtPEtt∆∆

A) Besugárzás B) Napelem C) Inverter


www.e-met.hu SZIE (Lektorált cikk)

modulok száma, VOC, ISC, a párhuzamosan, illetve sorosan kapcsolt mo-

dulok száma stb.),

4. az inverter paraméterei (be- és kimeneti feszültség, be- és kime-

neti teljesítmény, átlagos hatásfok stb.).

Szimulációs eredményekA szimulációs eredményeket a 6-8. ábrán szemléltetjük. A 6. és 7. ábra

mutatja az ASE-100 és a DS-40 típusú napelemek I-V és P-V karakte-

risztikáit egyedüli modulként és PV-mezőként is, összehasonlításképpen

júniusi és decemberi hónapokban, magyarországi sugárzási viszonyokat

figyelembe véve, 30°-os dőlésszög és -5°-os

délkeleti tájolási szög mellett. A 8. ábrán a két

különböző modultípusra (polikristályos, illetve

amorf) vonatkozó energiaviszonyokat hasonlí-

tottuk össze.

A 6-7. ábrákon jól megfigyelhető, hogy az

évszakok változásával a kimeneti áramerősség

és teljesítmény mind modul-, mind mezőviszony-

latban növekszik. A kimeneti feszültség értéké-

nek változása viszont nem jelentős az évszakok,

illetve a napsugárzás változása során.

KövetkeztetésekEbben a dolgozatban a PV-cellák, -modulok,

-panelek és -mezők karakterisztikájának mate-

matikai modellezési lehetőségeit mutattuk be

a villamos paraméterek és az energiatermelés

meghatározása céljából. A szimulációs feladat

során a PV-modulok és a hálózatra visszatáplá-

ló PV-mező I-V és P-V karakterisztikáit az NSoL

V4.4.0 szoftvercsomag segítségével állítottuk

elő.

Ezen tanulmányban első lépésként a 10 kWp

teljesítményű, hálózatra dolgozó fotovillamos

rendszer dinamikus modellje készült el. Ennek

felhasználásával egy olyan pontos modell létre-

hozása volt a cél, mely a Szent István Egyetem

fotovillamos naperőműve segítségével valóság-

hűen szimulálja a fotovillamos mező villamos

viselkedését és az energiatermelését.

Irodalom[1] Di Dio, V., La Cascia, D., Miceli, R.: A Mathe-

matical Model to Determine the Electrical Energy Pro-

duction in Photovoltaic Fields Under Mismatch Effect,

Proceeding of IEEE, 2009.

[2] Tsai, H.L., Tu, C.S. and Su, Y.J.: Development of

generalized photovoltaic model using Matlab/simulink,

Proceeding of the World Congress on Engineering and

Computer Science, San Fransisco, USA, 2008.

[3] Wenham, S.R., Green, M.A., Watt, M.E. and Corkish, R.: Applied photovolta-

ics, Earthscan, London, 2007.

[4] Farkas I., Seres I.: 10 kWp teljesítményű fotovillamos rendszer a Szent

István Egyetemen, Magyar Energetika, XVII. évf., 3. sz., 2010. május-jún-

ius, 26-29. o.

[5] Farkas I. (szerk.): Fotovillamos napenergia-hasznosítás szemináriumok, G

modul, Általános ismeretek, Oktatási anyag, 1. kötet, Szent István Egyetem,

Gödöllő, 2005. január, 275 o.

[6] King, D.L., Boyson, W.E. and Kratochvil, J.A.: Photovoltaic array perform-

ance model, Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico, 2004.

6. ábra. Az ASE-100, és DS-40 modulok I-V és P-V karakterisztikája

7. ábra. Az ASE-100, és DS-40 modulokból álló hálózatra visszatápláló fotovillamos mező I-V és P-V karakterisztikája

8. ábra. Energiaviszonyok összehasonlítása az ASE-100 és DS-40 napelemeknél

Köszönetnyilvánítás

A kutatás a TÁMOP-4.2.2.B-10/1-2010-0011

„A tehetséggondozás és kutatóképzés komplex

rendszerének fejlesztése a Szent István Egyete-

men" c. pályázat támogatásával valósult meg.

(a) ASE-100 (b) DS-40

Áramerősség és teljesítmény a feszültség függvényébenJúnius

Áramerősség és teljesítmény a feszültség függvényébenDecember



Áramerősség TeljesítményÁramerősség Teljesítmény


(a) ASE-100 (b) DS-40





Áramerősség Teljesítmény Áramerősség Teljesítmény


(a) ASE-100 (b) DS-40

Hálózatra kötött PV rendszer analíziseNapsugárzás, és a termelt energia függvényében

Hálózatra kötött PV rendszer analíziseNapsugárzás, és a termelt energia függvényében

PV mezőre eső napsugárzás Rendszer kimenetele PV mezőre eső napsugárzás Rendszer kimenete


MISKOLCI EGYETEM www.e-met.hu

Nemes Alex, Palotás Árpád Bence

A szilárd tüzelés és a közlekedés együttes hatása okozta szmog csökkentésére irányuló módszer

A levegőszennyezés kérdése mindennapos téma. A különböző médi-

áknak köszönhetően az emberek egyre inkább tájékozottak azokkal

a szennyezőanyagokkal kapcsolatban, melyeket belélegeznek. A hí-

rekben szinte naponta hallani a légszennyezők határérték fölé emel-

kedéséről. Bizonyos körülmények között a lebegő szilárd részecskék

és egyéb légnemű szennyezők feldúsulása szmogot okoz. A forgal-

mas helyeken gyakran kialakuló füstköd ellen kényszerintézkedése-

ket hozhatnak az önkormányzatok, például a forgalom korlátozása,

illetve lakossági felhívás a szilárd tüzelés csökkentésére formájában.

Ezek a megoldások időszakos légszennyezettség-csökkenést eredmé-

nyezhetnek, de nem jelentenek megoldást a problémákra. Az általunk

bemutatott eszköz, a kémény effektust kihasználva, képes lehet a vá-

ros egy szennyezett területének kiszellőztetésére.

A szmog vagy más néven füstköd a fosszilis, illetve biomassza tüzelőanyagok

elégetése során levegőbe kerülő légszennyezők miatt alakul ki. Okozója első-

sorban a járművek és a szilárd tüzelés füstgáza.

A szmogot legtöbben a nagyvárosokkal és a járművek kibocsátásával azo-

nosítják, azonban ez csak részben igaz. A füstköd nem a 21. század jelensé-

ge, sőt nem is köthető kizárólag a környezetszennyező gépjárművek tömeges

megjelenéséhez. 1952 decemberében négy napig tartó súlyos szmog lepte be

Londont (1). Kialakulását arra vezették vissza, hogy a háztartásokban rossz

minőségű (magas kéntartalmú) és nagy mennyiségű szenet tüzeltek el. Szá-

mosan vizsgálták a kialakult helyzet egészségügyi hatását, és általánosan bi-

zonyítottá vált az a tény, hogy ez alatt az időszak alatt jelentősen emelkedett

a lakosság légzőszervi, szív- és érrendszeri megbetegedésének, illetve az eh-

hez társítható haláleseteknek száma (2).

Füstköd-típusokA földrajzi és időjárási körülményektől, valamint a levegőben található szeny-

nyezőanyagoktól függően kétféle füstködöt különböztetünk meg. Elnevezésük

oxidáló/redukáló hatásuk, illetve első észlelési helyük (London és Los Angeles)

alapján történt. A London-szmog redukáló hatású, a fosszilis tüzelőanyagok

elégetésekor keletkezik. Nagy mennyiségű korom kerül a levegőbe, amely a

porrészecskékkel együtt kondenzációs magok kialakulásához vezet. Emellett

nő a kén-dioxid levegőbeli koncentrációja is, amely savas esők kialakulásához

vezet. Ha a szennyezők koncentrációja magas, a levegő kén-dioxid-tartalma

reakcióba léphet OH gyökökkel, kénessavat képezve (3):

SO2 + OH → HOSO2 HOSO2 + O2 → HO2 + SO3SO3 + H2O → H2SO4Hazánkra leginkább ez a típusú füstköd a jellemző. Kialakulása télen a

legvalószínűbb, amikor a járművek okozta károsanyag-kibocsátás mellé jelen-

tős szennyező hatással társul a szilárd tüzelés okozta emisszió.

A Los Angeles-szmog oxidáló hatású. Fotokémiai szmogként is ismert je-

lenség, amely elsősorban nyáron, erős napsütés esetén alakul ki. Legveszé-

lyesebb alkotója az ózon.

Kialakulásának feltétele az erős ultraibolya sugárzás jelenléte, a közleke-

dési járművek által kibocsátott szennyezőanyagok nagy mennyisége és a le-

vegőmozgás hiánya. Jellemzően nitrogén-oxidok, szénhidrogének feldúsulása

esetén alakul ki. Kialakulásában a következő reakció játszik kulcsszerepet: a

nitrogén-oxid nitrogén-dioxiddá oxidálódik:

2NO + O2 → 2NO2 Az így keletkezett molekula elnyeli a napból érkező ultraibolya sugárzást,

és ennek hatására felbomlik (4):

NO2 → NO + O A szabad oxigén napsugárzás hatására ózont képez a levegő oxigénjé-

vel:

O + O2 → O3 Ezekkel párhuzamosan a következő reakció is lejátszódik (4):

O3 + NO → NO2 + O2 Az utóbbi reakció mindkét irányba lejátszódhat, irányát a hőmérséklet és

a sugárzás mértéke szabja meg. Erős sugárzás esetén ózon keletkezik, amely

rövid expozíciós idő alatt is irritálja a szemet, az orr- és toroknyálkahártyát,

köhögést és fejfájást okoz. Krónikus hatás esetén hozzájárul az asztma ki-

alakulásához, és csökkenti a tüdőkapacitást (5). A nitrogén-oxidok továbbá

reakcióba lépnek az emittált szénhidrogénekkel, így peroxi-acetil-nitrát (PAN)

keletkezhet. Ha a PAN koncentrációja tartósan magas (> 0,02 ppm), az rövid

idő alatt a vegetáció, az emberi egészség károsodásához, továbbá a katalizá-

torfémek és az épített környezet korróziójához vezet (6).

A Los Angeles-szmog erőteljes nyálkahártya-izgató hatással rendelkezik,

ami köhögést és könnyezést okoz. Légszennyezés esetén korlátozó intézkedé-

seket vezetnek be, ami legtöbbször a forgalom korlátozását jelenti. Los Ange-

les odáig jutott, hogy betiltották (7) a kerti sütéseknél használatos grillgyújtó

folyadékot, légszennyező hatása miatt. A fent említett kémiai reakciók csak

a szmogalkotó szennyezők legjellemzőbb reakciói. A valóságban a levegőben

lévő szennyezőanyagok ezernyi módon lépnek reakcióba egymással.

Füstköd kialakulásaÁltalános esetben a szennyezőanyagok a levegővel keveredve fokozatosan hí-

gulnak, és a levegő áramlása miatt a forrástól nagy távolságra is eljuthatnak.

A terjedéssel kapcsolatban a legfontosabb kérdés, hogy a forrástól távolodva

a helytől és az eltelt időtől függően hogyan változik a szóban forgó anyag

koncentrációja. Ezt az eloszlást egyrészt a forrás típusa és mérete, a forrás-

nál lévő koncentráció és a kiáramlott szennyezőanyag mennyisége határozza

meg. Másrészt az eloszlásra a meteorológiai és földrajzi körülmények is je-

lentős hatással vannak. A legfontosabb meteorológiai tényező a szél, hiszen

iránya meghatározza a terjedés irányát, nagysága pedig a hígulás mértékét

(8). Erős szél esetén gyorsan megtörténik a szennyezett levegő elszállítása,

és így nem alakul ki szmogveszélyes helyzet. Ugyanakkor télen, ködös időjá-

rási helyzetekben, borult ég és gyenge légmozgás esetén, a szennyezőanyag

a talaj közelében összegyűlhet.

A légkörbe bekerült anyagok különböző fizikai és kémiai folyamatok

hatására távoznak is onnan. A fizikai folyamat általában ülepedést jelent.


www.e-met.hu MISKOLCI EGYETEM

Ebben az esetben a talaj egy viszonylag nagy felületű

részén oszlik el a szennyeződés. Kémiai reakciók során

a légkörben lévő szennyező reakcióba lép az atmoszfé-

ra egyéb gázaival, és reakciótermékként új, ugyancsak

szennyező hatású vegyületek jöhetnek létre, például

kén-dioxidból kénessav. Előfordulhat olyan kémiai út-

vonal is, aminek eredményeképpen a szennyező ártal-

matlanná válik, ilyen eset lehet például a szén-monoxid

szén-dioxiddá oxidálódása.

A szmogképződés időjárási feltételeiA Föld légkörének legalsó, tehát legsűrűbb rétege a troposzféra. A légkör

össztömegének 75-80%-a a troposzférára esik. A legtöbb időjárási jelenség

(felhő- és csapadékképződés, szél stb.) a légkör legalsó rétegében zajlik le.

Ennek az a magyarázata, hogy a troposzférában éles hőmérsékletkülönbségek

jönnek létre, a napsugárzás ugyanis először a földfelszínt melegíti fel, a felszín

adja át a hőt a troposzféra legalsó sávjának, ezért a hőmérséklet a troposz-

férában felfelé fokozatosan csökken, 100 méterenként átlagosan 0,6 °C-kal

(9). Olyankor azonban, amikor a földfelszín tiszta, szélmentes időben nagy

mennyiségű hőt sugároz ki éjszaka, és ezáltal erősen lehűl, a hajnali-reggeli

órákban előfordul, hogy a levegő legalsó rétege hidegebb, mint a néhányszáz

méter magasan elhelyezkedő légrétegek. Ilyenkor tehát a szokásos hőmér-

séklet-eloszlás (nagyobb magasságban alacsonyabb hőmérséklet) megfordul,

idegen szóval invertálódik – innen származik az inverzió elnevezés.

Kísérlet a szennyezők eltávolításáraAz inverziós réteg gyakorlatilag bezárja a szennyezőket a talaj közeli rétegbe.

Ezt a hatást csökkenteni olyan intézkedésekkel lehet, melyek hatására csök-

ken a kibocsátó források száma (pl. szilárd tüzelés csökkentése, forgalomkor-

látozás). Légmozgás hiányában vagy gyenge légmozgás esetén a szennye-

ző-koncentráció növekedhet is, és több napig is eltarthat, míg a szennyezés

feloszlik.

Kutatásunk célja egy olyan eszköz, amelynek segítségével a kialakult

szmog koncentrációja csökkenthető. Ennek eszköze lehet egy az inverziós

réteget áttörő „kémény”. A konkrét megvalósításhoz egy gyorsan felállítható,

könnyű szerkezetű kéményt készítettünk, amelynek az alja a füstködből in-

dul, teteje pedig az inverziós réteg fölé nyúlik. Ilyen módon természetes vagy

mesterséges áramlás révén a szennyezett levegő el tud távozni a felállítás

helyéről, helyébe a távolabbi városrészekről érkezik a kevésbé szennyezett

levegő. Természetesen a berendezést lehetőleg a város legszennyezettebb

helyén kell felállítani.

A Miskolci Egyetem területén volt lehetőségünk elvégezni a kísérleteinket.

Egy megfelelő területen állítottuk fel 3 különböző alkalommal a kéményünket.

A kémény palástját alkotó anyag vékony, könnyű műanyag, vagy vászon. A

cső teste moduláris, elsősorban a szállíthatóság és szerelehetőség miatt. A

kísérletekhez összesen 5 darab, egyenként 10 méteres szegmenst használ-

tunk. A kémény alján szélesedő csonka kúp-palást (az ún. szoknya) szolgált

injektorként. A kísérleti kémény átmérője 2 m, míg a szoknya alsó átmérője 6

m volt. A szegmensek és a szoknya rögzítése tépőzárral és rögzítő karabine-

rekkel történt. A kémény néhány méterrel a talaj felett lebegett, a tetejéhez

emelőballonokat erősítettünk. Ezek az egyenként 5, illetve 3 méter átmérőjű,

héliummal töltött ballonok tartották a levegőben a kéményszerkezetet.

A kísérlet során a szmogot füstgyertyákkal szimuláltuk. Célunk volt a

szennyezőanyagok terjedésének megfigyelése az áramlás beindulása esetén.

A 2. ábrán a kémény alja látható a szoknyarésszel, amint a füstgyertyából

származó sárgás füst kitölti azt.

Mivel a kísérleti kémény 50 méteres magasságával nem tudta áttörni az

inverziós réteget (nem volt konkrét információnk az inverziós réteg elhelyez-

kedéséről), ezért nem alakult ki számottevő áramlás.

Viszont a kivitelezés és tervezés során gyűjtött tapasz-

talatok nagyon hasznosak voltak, rámutattak a szerke-

zet gyenge pontjaira, ötletet adtak a továbblépéshez.

Összességében a kezdeti kísérletek sikeresnek

mondhatók, azonban ahhoz, hogy az eszköz gyakorlati

alkalmazhatóságáról érdemi véleményt tudjunk mon-

dani, további vizsgálatokat kell végezni. Ennek kereté-

ben részletes laboratóriumi modellkísérletekre van szükség a stabilitási, illet-

ve konstrukciós kérdések megválaszolásához, valamint numerikus szimuláció

segíthet a levegőtisztaság szempontjából reális méretek, sebességviszonyok

meghatározásához.

A törekvéseink reálisak, nem a valóságtól elrugaszkodottak. Ennek bizo-

nyítására Klaus S. Lackner és kollégái (10) tanulmányára hivatkozom. Szá-

mításaik alapját egy 300 méter magas, és 115 méter átmérőjű Heller-forgó

jellegű torony képezi, amelynek a tetejére pumpált vizet radiális irányba per-

metezik, ezzel hűtve az ott lévő levegőt. A hőmérsékletcsökkenés miatt lefelé

irányuló áramlás indukálódik a toronyban. Ilyen paraméterekkel naponta 15

km3 levegő áramlik át a tornyon. Az idézett szakirodalom szén-dioxid-csök-

kentési célú, a bemutatott torony elvben vagy a légkörből történő szén-di-

oxid-kivonásra, vagy villamos energia (3-4 MW) termelésére használható.

Számításaik szerint a fenti méretekkel rendelkező torony naponta 9500 tonna

szén-dioxid megkötését tenné lehetővé.

Tekintettel arra, hogy a jelen cikkben vázolt torony magassága körülbelül

megfelel a Lackner-féle torony magasságának, a tervezett átmérője azon-

ban csak 20 méter, a várható áramlási sebesség kisebb kell, hogy legyen a

Lackner-torony esetén feltételezhetőtől. 5 m/s átlagos áramlási sebességet

feltételezve az „szmogkémény” légszállító térfogatáramát várhatóan kb. 5,5

millió m3/órára becsüljük. Ebből következik, hogy a kémény óránként 1 km2

területről 5,5 méter vastagságú légréteget mozgat át. Amennyiben e számítá-

sokat a gyakorlati mérések is igazolják, úgy az itt bemutatott eszköznek gya-

korlatban is hasznosítható, lokális szennyezettség-csökkentő hatása lehet.

Források[1] A. Whittaker, K. Bérubé, T. Jones, R. Maynard, R. Richards: Killer smog

of London, 50 years on: particle properties and oxidative capacity. Hely nélk.: Elsevier Ltd., 2004. 12 1, Science of the Total Environment, 334–335. kötet, old.: 435-445.

[2] D.T. Mage, E.M. Donner: 5, hely nélk. A genetic hypothesis for cause of death during the 1952 London fog. Elsevier Ltd., 1995. 11, Medical Hy-potheses, 45. kötet, old.: 481–485.

[3] Smog formation. UC Davis ChemiWiki. [online] http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Kinetics/Case_Studies/Smog.

[4] Thermal Inversions and Photochemical Smog. California Environment Home. [online] http://daphne.palomar.edu/calenvironment/smog.htm.

[5] The effects of ozone pollution. Yourlunghealth.org. [online] 2006. 9. 12. http://www.yourlunghealth.org/healthy_living/pollution/outdoor/effects/.

[6] J. B. Zhang, Z. Xu, G. Yang, and B. Wang: Peroxyacetyl nitrate (PAN) and peroxypropionyl nitrate (PPN) in urban and suburban atmospheres of Beijing, China. 2011., Atmos. Chem. Phys. Discuss., 11. kötet, old.: 8173–8206.

[7] Barbecue Rule Adopted to Take a Bite Out of Smog. Cone, Marla. Los An-geles: ismeretlen szerző, 1990. 10 6, Los Angeles Times.

[8] Időjárás és környezet. Origo. [online] 2010. 1 18. http://www.origo.hu/idojaras/20100118-szmog-fustkod-kialakulasa-okai.html.

[9] Budai T., Czigány Sz.: Földtudományi Alapismeretek, A légkör szerkeze-te. Pécsi Tudományegyetem. [Online] http://tamop412a.ttk.pte.hu/files/kornyezettan9/www/ch17s02.html.

[10] Lackner, Klaus S., Grmies, Patrick és Ziock, Hans-J.: Capturing Carbon Dioxide From Air. National Energy Technology Laboratory. [Online] http://www.netl.doe.gov/publications/proceedings/01/carbon_seq/7b1.pdf.

A cikk alapjául szolgáló kutatómunka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként, az Európai Unió támogatásával, az Európai Szoci-ális Alap társfinanszírozásával valósult meg. (GOP-1.1.2-08/1-2008-0002)


NYUGAT-MAGYARORSZÁGI EGYETEM www.e-met.hu

Papp Viktória, Marosvölgyi Béla

A biomassza-bázisú pellet, mint energiahordozó előállításának és hasznosításának energetikai kérdései

Napjaink egyik fontos feladata a megújuló energiaforrások fel-

használásának növelése. A pellet biomassza alapú tüzelőanyag,

energetikai tömörítvény. Fás- és lágyszárú növényekből, erdé-

szeti, faipari, mezőgazdasági melléktermékekből is készülhet.

Előállítását indokolja, hogy a különböző biomasszák természetes

állapotban nehezen kezelhetők, szabályozott égetésük nem meg-

oldott. A pellet nagy energiasűrűségű tüzelőanyag, mely automa-

tizált módon felhasználható, a fűtés komfortossága a gázalapú

energiatermeléssel egyenértékű. Fontos kérdés a gyártás ener-

giahatékonysága, mely a különböző technológiák során nagy elté-

rést mutathat. Az Európai Unióban és hazánkban is a fenyő alapú

faforgácsból készült pellet előállítása terjedt el, de a jövőben kér-

ges fából, mezőgazdasági melléktermékekből, energiaültetvények

anyagából is készülhet pellet.

Magyarország energiaellátása a következő években jelentősen át fog ala-

kulni. Ennek egyik oka az Európai Unióban vállalt kötelezettségünk. A

környezetvédelmi okokon kívül a növekvő energiaigények, a várható gáz-

áremelkedések, a fosszilis készletek kimerülése mind azt jelzik, hogy az

energiaellátásunkon változtatni kell.

Magyarország lehetőségei nagymértékben a biomassza tüzelésében

rejlenek, a fás- és lágyszárú növények, erdészeti, faipari, mezőgazdasá-

gi melléktermékek energetikai felhasználásában. A felsorolt alapanyagok

közös tulajdonsága, hogy kis energiasűrűséggel rendelkeznek, és a sza-

bályozott égetésük tüzeléstechnikai szempontból problémás. A pelletálás

egy tömörítési eljárás, melynek során olyan tüzelőanyagot nyerünk,

amely különféle berendezésekben automatizáltan, magas hatásfokkal fel-

használható.

Az Európai Unióban és hazánkban is a fenyő alapú fapellet gyártása

terjedt el, de Magyarország adottságai révén a lágyszárú mezőgazdasági

melléktermékekből, szalma- és szármaradványokból előállítható agripellet

gyártásában is érdekelt. A cikkünkben foglalkozunk a pellet alapanyagbá-

zisának bővítésével, repceszárpellet előállításával, valamint az alap gyár-

tási technológia energiahatékonyságának vizsgálatával.

A biomasszabázis MagyarországonMagyarország teljes biomasszakészlete 350-360 millió tonnára becsülhe-

tő, ebből 105-110 millió tonna elsődleges biomassza évente újraterme-

lődik, amelynek nagy része felhasználásra is kerül. Az évente képződő

növényi biomassza bruttó energiatartalma 1185 PJ, amely meghaladja az

ország teljes éves energiafelhasználását.

A mezőgazdasági fő- és melléktermékek mintegy 57-58 millió tonnával

járulnak hozzá az évente megújuló magyarországi biomasszakészlethez.

Az erdők 9 millió tonna biomasszát adnak évente, miközben a teljes élőfá-

ban meglévő biomassza mennyisége 250 millió tonnát tesz ki.

A mezőgazdaságban termelődő primer biomasszából energetikai hasz-

nosításra a nagy mennyiségben keletkező szalma- és szármaradványok

vehetők számításba. Vitatott, hogy mekkora az az energiamennyiség, ami

ezekből az anyagokból kinyerhető, mennyi szalma áll rendelkezésre ener-

getikai hasznosításra.

A búzaszalma fő felhasználási területe az állattartás, a sertés- és

szarvasmarha tenyésztés. Az utóbbi években azonban az állatállomány

kevesebb, mint a felére csökkent, így jelentős mennyiségű szalma vált

feleslegessé, valamint a szalma ára is lecsökkent. Sajnos, ma sok helyen

a tarlón égetik el a különböző szalma- és szármaradványokat, ezzel hatal-

mas energiát pazarolva. Hazánkban gabonaszalmából átlagosan évente

4,0-4,5 millió tonna keletkezik, amelyből az állattartás és az ipar 1,6-1,7

millió tonnát használ fel. A maradék 2,4-2,8 millió tonna gabonaszalma

jelentős része energiatermelésre lenne felhasználható, és évente 28-34 PJ

energia lenne előállítható belőle.

A legnagyobb tömegben jelentkező szántóföldi növénytermelési mel-

léktermék Magyarországon a kukoricaszár, amely 8-10 millió tonna meny-

nyiségben áll elő évente, ebből 4-5 millió tonna hasznosítható energeti-

kai céllal, ami 48-60 PJ/év energiát lenne képes szolgáltatni (1. Gőgös

Z. 2005). A kukoricaszár magas nedvességtartalma miatt az energetikai

hasznosítása még nem megoldott. A KSH adatai alapján készített becslés

adatai láthatók az 1. ábrán a hazánkban évente energetikai célokra hasz-

nálható mezőgazdasági melléktermékekről.

A pellet előállításaA pellet nagy nyomáson, 800-900 bar-on előállított energetikai tömörít-

vény. A pelletálás nem egy új eljárás, hiszen már régóta állítanak elő

takarmány-pelletet állatok részére. A faalapú, energetikai felhasználásra

szánt pellet a tűzipellet, amely 5-12 mm átmérőjű, 10-50 mm hosszú,

csigás vagy cellás adagolással könnyen és jól szabályozhatóan betáplál-

ható a tűztérbe.

Az alapanyag nedvességétől függően gyakran kell szárítási technoló-

giát alkalmazni, a pelletáláshoz ugyanis 10-12%-os nedvességtartalom

az optimális. A pellet mérete változó, átmérője 3-10 mm (ritkán 20 mm),

0

10

20

30

40

50

PJ

búza kukorica repce árpa napraforgó

1. ábra. Energiatartalom a felsorolt termékekben, melléktermékekben, lignocellulózokban

www.e-met.hu NYUGAT-MAGYARORSZÁGI EGYETEM


hossza 3-5 cm. A fapelletre és újabban a mezőgazdasági melléktermé-

kekből előállított agripelletre is léteznek szabványrendszerek, melyek

meghatározzák a tömörséget, fűtőértéket, nedvesség- és hamutartalmat,

valamint a hamu lágyulás- és olvadáspontját.

A pelletek gyártástechnológiája alapanyagtól függően eltérő. Agripellet

gyártása esetén a beérkező alapanyag először a bálabontóba kerül. Ned-

vességtől függően szükség lehet szárítási technológiára is, szalagos vagy

forgódobos szárítórendszereket alkalmaznak. A gyártástechnológia ugyan

nem bonyolult, de eléggé összetett, amit a 2. ábra szemléltet.

A pellet előállításához az alapanyagnak megfelelő méretűnek kell len-

nie, ezért a tömörítés előtt gyakran aprításra van szükség. Ezután (ha

szükséges) újabb szárítás következik, a pelletáláshoz optimális 10-12%-

os nedvességtartalom beállításához. Ezt követően a pelletáláshoz megfe-

lelő szemcseméretű anyagot kalapácsos daráló segítségével állítják elő.

A présgépekben történik a tulajdonképpeni pelletálás, ami 800-900

bar-os nyomáson, 130-160 oC-os hőmérséklet mellett megy végbe. A kör

keresztmetszetű geometriai formát a présszerszám, az úgynevezett mat-

rica alakítja ki, és a fenti nyomás- és hőmérsékleti viszonyok mellett meg-

olvadó természetes kötőanyag, a lignin „ragasztja”, tartja össze a szem-

cséket a présből való kikerülés után. A préseléshez különböző matricákat

alkalmaznak, megkülönböztetünk sík és gyűrűs matricás pelletálást (2.

Burján 2010). A kész pelletet csomagolás előtt hűteni kell, mert amíg a

kötőanyag, a lignin nem hűl le, a tömörítvény nagyon sérülékeny. Igénytől

függően különböző kiszerelésű, általában 15 kg-os zsákokban, vagy nagy,

500-1000 kg-os big-bag zsákokba történik a csomagolás.

Repceszár pelletálásaMagyarországon az utóbbi években a biodízel-gyártás következménye-

ként a repce termőterülete jelentősen megnőtt, és termesztése közel 300

ezer hektáron folyt. A melléktermékként keletkező szalma mennyisége je-

lentős, 3-6 tonna között változik hektáronként. Jelenleg a repceszár nagy

részét szecskázás után visszajuttatják a talajba, de olyan is előfordul,

hogy a tarlón kerül elégetésre. A talajba nem lehet korlátlanul visszajut-

tatni a lignocellulózokat, ugyanis a túlzott mennyiségű lágyszárú marad-

vány bedolgozása pentóz-hatást indít el (3. Tármeg 2008.).

A repceszalmából darálás után a 3. ábrán látható kisberendezés-

sel állítottunk elő pelletet, melynek vizsgáltuk az energetikai jellemzőit.

A repceszárat először megfelelő méretűre kell darálni, amit egy kalapá-

csos terménydarálóval végeztünk. A darálás után hozzáadott adalékanyag

nélkül sikerült jó minőségű pelletet előállítani.

Az előállított repceszár-pellet nem töredezett, 3,5-4 cm hosszú, 6 mm

átmérőjű. (A 4. ábrán a repceszárból előállított pellet látható.) A szárat

és a pelletet is energetikai laborban vizsgáltuk. Meghatároztuk a fűtőér-

tékét, a nedvességtartalmát és a hamutartalmát. A mérési eredménye-

ket az 1. táblázat tartalmazza. A repceszár fűtőértéke 16 MJ/kg volt, ami

agripelletek esetén jó értéknek mondható. A nedvességtartalom csök-

kenése miatt a pellet fűtőértéke valamivel magasabb, 16,2 MJ/kg volt.

A hamutartalom 5% körül alakult, ami lágyszárúak esetén optimális.

A melléktermékek pelletálása nem csak energetikai kérdés. A nö-

vénytermesztés teljes folyamatát és kimeneti energiáit vizsgálva érde-

kes következtetésre jutottunk. Megvizsgáltuk, hogy hektáronként mennyi

energiát nyerhetünk főtermékből, a repce magjából, és mennyit a szárból.

Ha 2,5 tonnás termésátlaggal számolunk, 24 MJ/kg-os fűtőértékével hek-

táronként a magban 60,25 GJ energia van. Minimális lehozható szalma-

mennyiséggel, 3 tonnával számolva hektáronként 48,6 GJ, míg 4,5 tonnás

értékkel kalkulálva 73 GJ energia van a repce szárában. Elgondolkodtató,

hogy szinte ugyanannyi energiát hagynak a szántóföldön, mint ameny-

nyit a repce magjából nyerhetünk. A repceszár felhasználása kedvező-

en befolyásolná a biodízel-gyártás energiamérlegét is. A mezőgazdasági

melléktermékek hatalmas energiákat rejtenek magukban, az agripelletek

előállítása és felhasználása nagy lehetőség lenne Magyarország számára.

pos 1APRÍTÓ

pos 2CSIGA

pos 4CSIGA

pos 3ELŐTÁROLÓ

pos 5

SZÁRÍTÓ

pos 6CIKLON

pos 7APRÍTÉKSILÓ pos 10

FŰRÉSZPORSILÓ

VENTILÁTOR

pos 8leválasztó

VENTILÁTOR KALAPÁCSOS ÖRLŐpos 9

pos 19PELLETGARAT

pos 18Szállító-szalag

CSOMAGOLÓpos 20

HŰTŐ ÉSPORLEVÁLASZTÓ

pos 17

pos 16Szállító-szalag

PRÉSEKpos 14

ANYAGTOVÁBBÍTÓpos 13

ELŐKEVERŐpos 12

CSIGApos 11

pos 15ELSZÍVÓ

2. ábra. A pelletgyártás technológiája (Burján 2010, Pelletfűtés II. Pelletgyártás. Víz-, Gáz-, Fűtéstechnika, áprilisi szám)

3. ábra. A kutatásokhoz használt adagológép és kis pelletáló berendezés

4. ábra. Repceszár-pellet

Nedvességtarta-lom W (%)

Fűtőérték (MJ/kg)

Hamutartalom (%)

Repceszár 12,5 16,0 5,1

Repcepellet 11,5 16,2 5,1

1.táblázat. A repceszár energetikai jellemzői


NYUGAT-MAGYARORSZÁGI EGYETEM www.e-met.hu

A fapelletgyártás energiahatékonyságának vizsgálataMegújuló energiák előállítása során lényeges kérdés a gyártás energia-

hatékonysága. A Petőházán működő Pellet Product Kft.-nél vizsgáltuk a

fapellet-előállítás energiafelhasználását technológiai elemekre bontva.

Első célunk az energetikai jellemzők értékelése volt. Ehhez vizsgáltuk:

• az alapanyag és a termék energetikai jellemzőit,

• a villamosenergia-felhasználást a fontosabb műveleteknél, valamint

összesen,

• a primer energiafelhasználást a műveleteknél és összesen,

• majd meghatároztuk a fajlagos energetikai mutatókat, úgymint a

termékre vonatkoztatott energetikai többszöröst és az energetikai hatás-

fokot.

Az alapanyag a közeli bútorgyárból érkező fenyő alapú faforgács.

A kész pelletnek és a forgácsnak is vizsgáltuk az energetikai jellem-

zőit. Kaloriméteres mérésekkel határoztuk meg a fűtőértéket. Nedves-

ség- és hamutartalom-méréseket végeztünk. A mérési eredmények a 2.

táblázatban vannak feltüntetve.

A beérkező alapanyag szárítást nem igényel, először az aprító gép-

be kerül. A tömörítési eljárás gyűrűs matricás berendezéssel történik.

A gépek számítógépes kijelző egységéről leolvasható az áramfelvétel.

Számítások után megkapjuk a bevitt energiákat. A 3. táblázatban látható

a gépek villamosenergia-fogyasztása.

A mért, illetve számított értékek felhasználásával számítottuk a leg-

fontosabb fajlagos energetikai mutatókat.

• az energiahatékonysági mérleg (a termék energiatartalma / a bevitt

primer energia 1 t termékre vonatkoztatva);

• az energetikai hatásfok (a termék energiabevitellel csökkentett

energiatartalma / a termék energiatartalma × 100, %)

A számításokhoz figyelembe kell venni a szállítás energiáit. A beszállítás

speciális tároló kocsiban történik, egy Landini Power Farm traktorral. A 4.

táblázatban tüntettük fel a faforgács szállítására vonatkozó adatokat.

A továbbiakban vizsgáltuk a teljes üzemi folyamat energiaigényét. Az

összesített adatok az 5. ábrán vannak feltüntetve. A diagramon jól látha-

tó, hogy a ráfordított energiák közül a villamos energia a legtöbb, ennek

is jelentős részét maga a kompresszor, vagyis a forgács tömörítése teszi

ki. Az összes ráfordításnál már a primer energiákat látjuk, a kérdés csak

az, mennyi energiát nyerhetünk vissza. A fapellet fűtőértékének szabvány

szerint 18,5 MJ/kg felett kell lennie, ami a bejövő forgács nedvességtartal-

mától függően picit ingadozik. Jelen esetben ez az érték 19,38 MJ/kg. Az

input/output értéketeket figyelembe véve az energiahatékonysági mérleg

1:13,1-hez, tehát a befektetett energia körülbelül 13-szorosát nyerhet-

jük vissza (ebben nem jelenik meg a technológia egyéb elemeinek ener-

giaigénye). A másik jelzőszám az energetikai hatásfok, ami a következő

képlettel számolható: H = (Eoutput-Einput)/Eoutput x 100. (4. Sembery,

Tóth 2001). A képletbe helyettesítve az energiabevitelt és a –kihozatalt,

esetünkben a következő értéket kapjuk: H = (19 350-1476)/19 350 x 100

= 92,37%, ami egy jó értéknek mondható. Persze ettől még a nedvesebb

alapanyagból is lehet jó minőségű pelletet előállítani, nyilvánvalóan na-

gyobb energiaráfordítással (5. Marosvölgyi-Papp 2011).

KövetkeztetésekA jövőben, a megújuló energiák növelésével, Magyarországon is nagyobb

szerephez juthatnak majd az energetikai tömörítvények, melyek alap-

anyagául a mezőgazdasági melléktermékek nagy mennyiségben rendel-

kezésre állnak. A biomassza alapú energetikai tömörítvények, a pellet és

brikett jelenleg tiszta fából készülnek (fapellet), de a jövőben kérget is

tartalmazó fából, mezőgazdasági melléktermékekből, energetikai faültet-

vények anyagából, egyéb lignocellulózokból, égethető hulladékokból is

készülhet pellet. A vizsgálatok alapján megállapíthatjuk, hogy a fapellet-

gyártás (szárítást, távolsági szállítást nem tartalmazó) legegyszerűbb

technológiájával, viszonylag kis energiafelhasználással és jó energiahaté-

konysággal jó minőségű pelletet lehet előállítani.

A repceszár energetikai vizsgálata alapján elmondható, hogy vi-

szonylag magas fűtőértékkel, megfelelő nedvesség- és hamutartalommal

rendelkezik, valamint hozzáadott kötőanyag nélkül állítható elő belőle

agripellet. A repceszárból készült pellet hasznosításához további tüzelés-

technikai vizsgálatokra van szükség.

Irodalom[1] Gőgös Z. (2005): Biomassza potenciál és hasznosítása Magyarországon.

Agrárágazat szaklap, 2005. augusztus

[2] Burján Z. (2010): Pelletfűtés II. Pelletgyártás. Víz-, Gáz-, Fűtéstechnika

szaklap, áprilisi szám

[3] Tármeg J. (2008): Teendő a szármaradványokkal. Agroportál szakcikkek

[4] Sembery P., Tóth L. (2001): Hagyományos és megújuló energiák. Szaktu-

dás Kiadó Ház, Bp. 260-261.oldal

[5] Marosvölgyi B., Papp V. (2010): A fapelletgyártás energiamérlegének vizs-

gálata. Alföldi Erdőkért konferencia-kiadvány

296

931

151

1325,71476,7

0200400600800

1000120014001600

MJ/tonna

aprítógépkompresszor

szállítás+rakodás

össz villanyfogyasztás

össz ráfordítás

5. ábra. A pelletgyártás energiafogyasztása

Anyag Víztartalom (%)

Fűtőérték (MJ/kg)

Hamutartalom (%)

alapanyag 10,9 18,25 0,6

pellet 9,0 19,38 0,6

2.táblázat. Az alapanyag és termék energetikai jellemzői

3. táblázat. A gépsor közvetlen villamosenergia-felhasználása (t/h termék-tömegáram mellett)

4. táblázat. A beszállításra fordított energia

gépsor-egység kWh MJ t/h kWh/t MJ/t

aprítógép 38,6 139,1 1,3 27,7 99,7

pelletálógép 121,5 437,5 1,3 87,1 313,5

egyéb villamos gép 28,2 101,6 1,3 21,7 78,1

összesen 168,3 678,2 1,3 136,5 491,3

erőművi hatásfokkal 454,4 1831,1 368,5 1326,5

Landini traktor adatai

Üzem-anyagtar-tály (liter)

Átlagos szállított mennyi-ség (kg)

102 literrel megtett forduló (db)

Fordu-lónkénti fogyasz-tás (liter)

Tonnánkénti gá

Documents

MAGY AR 2012-2.pdf · 2017. 9. 26. · 1 A következő generáció A Magyar Energetika szerkesztőbizottsá-ga úgy érezte, hogy feltétlenül szükséges a hazai energetikai felsőfokú