Wykorzystanie biogazu w systemach kogeneracyjnych

Transkrypt

1 Wykorzystanie biogazu w systemach kogeneracyjnych Idea kogeneracji Wytwarzanie podstawowych nośników energetycznych przez energetykę przemysłową i zawodową (energia elektryczna i cieplna), realizowane jest przy pomocy procesów cieplnych wykorzystujących energię chemiczną lub jądrową paliw kopalnych. Sprawność przetwarzania energii paliwa dla rozwiązań konwencjonalnych (układy rozdzielone) rzadko przekracza 40% (ograniczenia termodynamiczne), stąd konieczność wdrażania rozwiązań kogeneracyjnych, lub trójkogeneracyjnych, umożliwiających konwersję chemiczną paliw w pojedynczym urządzeniu lub grupie urządzeń do skojarzonych nośników (prąd, ciepło, zimno) przy sprawności bliskiej 90% (rys. 1). Rys. 1. Straty wytwarzania energii dla scentralizowanego układu ~64%, oraz dla układu kogeneracyjnego (12%) produkującego energię elektryczną i cieplną w skojarzeniu Kogeneracja jest możliwa w elektrociepłowniach scentralizowanych dużej mocy (zawodowe, przemysłowe) oraz rozproszonych małej mocy (szpitale, osiedla, szkoły, hotele, restauracje, obiekty sportowe, lotniska, szklarnie, zakłady przemysłowe, chłodnie, itp.). Zalety kogeneracji: korzystne wskaźniki ekonomiczne (NPV, IRR), optymalny dobór układu do potrzeb odbiorcy, niskie wskaźniki emisji i wysokie sprawności energetyczne, niskie straty, bezobsługowa eksploatacja, małe rozmiary elektrociepłowni, wykorzystanie lokalnych paliw.

2 Jednym z paliw jest biogaz (produkt fermentacji metanowej) lub syngaz (zgazowanie, piroliza) uzyskany z lokalnych zasobów biomasy organicznej odpadowej lub celowo uprawianych roślin energetycznych, zastosowany w modułowych urządzeniach kogeneracyjnych (silnik gazowy, silnik Stirlinga, ogniwo paliwowe, mikroturbina, turbina gazowa). Dodatkowym modułem wykorzystującym ciepło odpadowe spalin jest silnik Rankina (organiczny czynnik roboczy), umożliwiający wzrost wskaźnika skojarzenia w przypadku braku odbioru całkowitej energii cieplnej. Moduły kogeneracyjne z silnikiem gazowym (obieg Otta) Układy CHP z tłokowymi silnikami gazowymi (silnik wewnętrznego spalania) są stosowane najczęściej do produkcji gorącej wody, lub pary nasyconej. Ciepło odzyskuje się z wymiennika sprężanego biogazu (WG), wymiennika płaszcza silnika (WP), wymiennika oleju (WO) oraz wymiennika spalin (WS), wg załączonego schematu (rys. 2). Rys. 2. Schemat ideowy kogeneracji z silnikiem gazowym Zalety silników gazowych to: wysoka sprawność elektryczna, niskie koszty jednostkowe (600 ~1600 /kwe). Rys. 3. Silnik gazowy firmy Jenbacher o mocy elektrycznej 526 kwe oraz mocy cieplnej 558 kwt ( Moduły kogeneracyjne z silnikiem Stirlinga Silnik Stirlinga - przetwarza energię cieplną w energię mechaniczną, bez procesu wewnętrznego

3 spalania paliwa, a wskutek dostarczania ciepła z zewnątrz możliwe jest zasilanie go energią z dowolnego źródła. Silnik Stirlinga nie ma rozrządu, nie korzysta ze spalania wybuchowego i nie ma wydechu, czyli nie ma źródeł hałasu - dzięki temu jest niemal bezgłośny. Wadą są natomiast niskie obroty kompensowane w dużym stopniu możliwością dokładnej kontroli procesu spalania paliwa, znacznie lepszej, niż w przypadku silnika tłokowego, co umożliwia utrzymanie niskiej toksyczności spalin. W silniku Stirlinga, w przeciwieństwie do silników spalinowych tłok nie jest napędzany wskutek rozprężania gazów spalinowych pochodzących z wewnętrznego spalania mieszanki, lecz poprzez ekspansję zamkniętego gazu, który rozpręża się dzięki doprowadzeniu energii z zewnętrznego źródła ciepła. Dzięki wyizolowaniu źródła ciepła, od własnej wytwarzanej w silniku energii, wymagane ciepło może pochodzić z różnych źródeł energetycznych, np. palnika gazowego zasilanego biogazem. Dzięki ciągłemu spalaniu silniki Stirlinga wykazują niską emisję substancji szkodliwych oraz niskie nakłady na konserwację. Temperatury spalin mieszczą się w zakresie C. Z uwagi na zewnętrzne spalanie wymagania co do jakości biogazu nie są wysokie, z tego powodu możliwe jest również zastosowanie gazów o niskiej zawartości metanu. Rys. 4. Schemat ideowy kogeneracji z silnikiem Stirlinga; kolor czerwony - obieg roboczy recyrkulacyjny; kolor niebieski - odbiór ciepła przez tłok roboczy i zewnętrzny wymiennik ciepła Zalety zastosowania silnika Stirlinga: brak wymiany ładunku, brak rozrządu, spalanie zewnętrzne, niska emisja gazów cieplarnianych, niskie koszty eksploatacji, możliwość wykorzystania energii Słońca, wysoka sprawność przy małych mocach.

4 Rys. 5. Silnik Stirlinga firmy STM Power, Inc. ( Moduły kogeneracyjne z silnikiem Rankina Silnik Rankina umożliwia wykorzystanie energii odpadowej (para, spaliny, woda) o temperaturze powyżej 1000 C, do produkcji energii elektrycznej i cieplnej w skojarzeniu. Pracuje wg tradycyjnego obiegu Rankina, ale czynnikiem roboczym jest medium organiczne, o niskiej temperaturze wrzenia. Rys. 6. Schemat ideowy kogeneracji z silnikiem Rankina Zalety: możliwość utylizacji ciepła odpadowego, niskoenergetycznego, redukcja emisji gazów cieplarnianych, zerowa emisja spalin, spalanie zewnętrzne. Rys. 7. Silnik Rankina o mocy elektrycznej 315 kwe firmy ADORATEC GmbH ( Moduły kogeneracyjne z mikroturbiną Mikroturbina to stacjonarny turbozespół gazowy, charakteryzujący się niewielką mocą elektryczną rzędu kw, składający się ze sprężarki i

5 turbiny promieniowej oraz regeneracyjnego podgrzewacza powietrza zintegrowanego z całym układem. Rys. 8. Schemat ideowy kogeneracji z mikroturbiną Ponieważ biogaz musi być wprowadzony do komory spalania mikroturbiny, w której panuje nadciśnienie rzędu kilku barów, niezbędne jest podniesienie jego ciśnienia przy pomocy sprężarki. Zanieczyszczenia zawarte w biogazie mogą uszkodzić mikroturbiny, z tego względu wymagane jest oczyszczenie i wysuszenie gazu. Mikroturbiny gazowe spalają biogaz o zawartości metanu od 35 do 100%. Wskutek ciągłego spalania z nadmiarem powietrza i niskimi ciśnieniami w komorze spalania mikroturbiny wykazują w stosunku do silników wyraźnie mniejsze wartości emisji spalin. Umożliwia to rozwój nowych dróg wykorzystania spalin, jak np. w suszarniach rolniczych lub wykorzystanie CO2 w szklarniach. Odzyskane ciepło dostępne jest na względnie wysokim poziomie temperaturowym i transportowane jest tylko przez spaliny. Wykorzystanie mikroturbin posiada następujące zalety: mała liczba elementów wirujących i ruchomych, kompaktowa budowa, mała waga i gabaryty, łatwy montaż i konserwacja, niska emisja zanieczyszczeń i poziom hałasu. Rys. 9. Mikroturbina firmy Capstone Turbine Corporation o mocy elektrycznej 65 kwe ( Z uwagi na ww. zalety mikroturbiny gazowe znajdują zastosowanie do zasilania w nośniki energii małych obiektów, jak biura, mieszkania czy domki jednorodzinne, stając się podstawą budowy małych systemów elektryczno-chłodniczo-grzejnych, tzw. BCHP (Building Cooling Heat and Power).

6 Rys. 10. Mikroturbina firmy Capstone Turbine Corporation o mocy elektrycznej 65 kwe ( Układy z ogniwami paliwowymi Zasada działania ogniwa paliwowego jest porównywalna z odwróconą elektrolizą wody. Przy elektrolizie dzięki doprowadzeniu energii elektrycznej następuje rozbicie molekuły wody w cząsteczkę wodoru (H2) oraz cząsteczkę tlenu (O2). W ogniwie paliwowym H2 oraz O2 reagują, wydzielając energię elektryczną i ciepło do wody Rys. 11. Schemat ideowy kogeneracji z ogniwem paliwowym Ogniwo paliwowe do reakcji elektrochemicznej wymaga jako paliwa wodoru oraz tlenu. Źródłem wodoru dostarczanego do ogniw paliwowych stosowanych w transporcie jest metanol, zaś do ogniw stacjonarnych - metan lub tlenek węgla, a więc paliwa pochodzące z przetwarzania biomasy. Biogaz przed podaniem do ogniwa paliwowego jest poddany uzdatnianiu. H2S zostaje usunięty na drodze biologicznego odsiarczenia lub katalitycznej dekompozycji z dodatkiem węgla aktywnego. Ostatecznie następuje koncentracja metanu poprzez przemywanie gazu wodą lub na drodze odwróconej adsorpcji ciśnieniowej na sitach molekularnych, w przypadku gdy ogniwa paliwowe wymagają takiego zabiegu. Następnie w procesie katalitycznego zgazowania parowego z metanu pozyskiwany jest wodór. W zależności od zastosowanych elektrolitów wyróżnia się trzy typy ogniw paliwowych: niskotemperaturowe ogniwa paliwowe (AFC), średniotemperaturowe ogniwa paliwowe (PAFC), wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe (MCFC, SOFC). Dobór ogniwa zależy od sposobu wykorzystania ciepła i dyspozycyjności klas dostępnych mocy. Ogniwo paliwowe polimer-elektrolit-membrana (PEM) przedstawia możliwość zastosowania w instalacjach biogazu. Dzięki swej temperaturze pracy 800C ciepło można wpiąć bezpośrednio do istniejącej instalacji ciepłej wody użytkowej. Rodzaj zastosowanych elektrolitów wykazuje długą żywotność ogniwa PEM, jednak jest ono bardzo wrażliwe na zanieczyszczenia zawarte w spalanym

7 gazie włącznie z dwutlenkiem węgla, stąd wysoki koszt oczyszczania gazu. Najbardziej rozwiniętym ogniwem paliwowym jest PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell). Ma niższą sprawność elektryczną, jednakże jest mniej wrażliwe na dwutlenek i tlenek węgla. Ogniwo MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) zasilane jest roztopionym płynnym karbonem użytym jako elektrolit i jest niewrażliwe na tlenek węgla oraz toleruje stężenie dwutlenku węgla do 40% udziału objętościowego. Z uwagi na swoją temperaturę pracy ( C) transformacja metanu w wodór zachodzi we wnętrzu ogniwa. Ciepło ogniwa może być wykorzystane dodatkowo w turbinach. Ogniwo SOFC (Solid Oxid Fuel Cell), pracuje w zakresie temperatur C. Posiada wysoką sprawność elektryczną i także może tu zachodzić przejście metanu w wodór wewnątrz ogniwa. Ogniwo to wykazuje niską wrażliwość w stosunku do siarki, co stanowi zaletę w przypadku wykorzystania biogazu. Dla wszystkich typów ogniw paliwowych koszty inwestycyjne kształtują się na bardzo wysokim poziomie ok /kw, zdecydowanie powyżej kosztów instalacji wykorzystania biogazu napędzanych za pomocą silnika. Obniżenie kosztów inwestycyjnych i rozwiązywanie istniejących obecnie problemów technicznych jest przedmiotem badań różnych stacji pilotażowych. Maksymalne sprawności w jednostkach dostępnych komercyjnie są obecnie na poziomie 45%. Wskaźnik wykorzystania energii paliwa w układzie skojarzonym jest na poziomie 90% przy wskaźniku skojarzenia rzędu 0,8-1,0. Możliwe jest również zastosowanie ogniw paliwowych w układach skojarzonych hybrydowych zintegrowanych np. z turbinami gazowymi (oraz mikroturbinami gazowymi), silnikami tłokowymi czy turbinami parowymi. Maksymalny poziom sprawności takich układów to obecnie 55%, a w perspektywie nawet 70%. W układach hybrydowych stosowane są najczęściej ogniwa wysokotemperaturowe, tzn. SOFC oraz MCFC. Rys. 12. Ogniwo paliwowe firmy UTC Power o mocy elektrycznej 200 kwe Porównanie różnych typów silników wykorzystujących biogaz Przyrost zaludnienia, wzrost potrzeb energetycznych, wzrost emisji gazów cieplarnianych wymusza stosowanie technologii umożliwiających wykorzystanie odpadów organicznych i nieorganicznych oraz celowych upraw roślin energetycznych do produkcji energii. Jedną z najbardziej racjonalnych technologii jest fermentacja beztlenowa, czyli wytwarzanie biogazu przez bakterie anaerobowe,

8 obecne na naszej planecie od 4 mld lat, ulegającego konwersji w modułach kogeneracyjnych. Bakterie mogą nam pomóc, a co na to człowiek? źródło: