ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина XII, брой 3, 2020

Електричество от биогаз

Електричество от биогаз

Биогазът е смес от метан, въглероден диоксид, вода и сероводород, който се получава по време на анаеробното разлагане на органична материя. При този процес отпадъците се третират и разграждат, като се произвежда биогаз. Предимството на анаеробното третиране пред аеробното третиране е, че има по-малко емисии на парникови газове. Следователно биогазът е възобновяем и екологичен източник на енергия. Той може да бъде използван директно за готвене, осветление или да се преобразува в топлинна, електрическа или механична енергия. Биогазът, подобно на природния газ, може да бъде компресиран и да се използва за моторни превозни средства.
Ценният компонент при използването на биогаз е метанът. Калоричността на биогаза е около 6kWh/m3, което съответства на около половин литър дизелово гориво и може да се използва директно като източник на топлина или за производство на електричество. Във всички случаи биогазът трябва да се изсуши и пречисти преди горенето, в противен случай може да повреди газовия двигател.


Биогазът е газ, получен в резултат на анаеробно разграждане. Инсталацията за биогаз може да преобразува в горивен газ суровини като животински тор, зелени растения, отпадъци от селското стопанство и кланиците. Биогазът може да се използва по подобен начин като природен газ в газови печки, лампи или като гориво за двигатели. Състои се от 50-75% метан, 25-45% въглероден диоксид, 2-8% водна пара и следи от O2, N2, NH3, H2, H2S. Количеството на всеки газ в сместа зависи от много фактори като типа на биореактора и вида на органичната материя. Енергийната калоричност на биогаза зависи главно от неговото съдържание на метан. Определено съдържание на въглероден диоксид и водна пара е неизбежно, но съдържанието на сяра трябва да бъде сведено до минимум - особено при използване в двигатели. Различният състав на утайките изисква разнообразни/ специализирани реакторни конструкции за постигане на по-ефективна конверсия. Средната калорична стойност на биогаза е около 21-23.5 MJ/m3, така че 1m3 биогаз съответства на енергийната калоричност на 0.5-0.6l дизелово гориво или около 6kWh.

Добивът на биогаз зависи не само от вида на суровината, но и от конструкцията на инсталацията, температурата на ферментация и времето на задържане. Например царевичният силаж дава около 8 пъти повече биогаз на тон, отколкото кравешкия тор. Всеки килограм биоразграждащ се материал дава 0.4m3 (400 литра) биогаз, а газовите лампи консумират около 0.1m3 (100 литра) газ за един час.

Преобразуване на биогаза в електричество
Теоретично, биогазът може да се преобразува директно в електричество чрез използване на горивна клетка, но този процес изисква много чист газ и скъпи горивни клетки. За това тази възможност все още е въпрос на проучване и понастоящем не е практичен вариант. Превръщането на биогаза в електрическа енергия чрез генератор е много по-практично. За разлика от природния газ, биогазът се характеризира с висока устойчивост на удар и следователно може да се използва в двигатели с вътрешно горене (ДВГ) с висока степен на компресия.

В повечето случаи биогазът се използва като гориво за ДВГ, които го превръщат в механична енергия, задвижвайки електрически генератор за производство на електрическа енергия. Конструкцията на електрическия генератор е подобна на конструкцията на електрически двигател. Повечето генератори произвеждат променлив електрически ток. Технологията е добре позната и поддръжката е проста. В повечето случаи дори универсалните трифазни електродвигатели могат да бъдат преобразувани в генератори. Технологично далеч по-голямо предизвикателство е първият етап на генераторната система: двигателят с вътрешно горене, използващ биогаза като гориво. На теория биогазът може да се използва като гориво в почти всички видове ДВГ, като например газови двигатели (двигател на Ото), дизелови двигатели, газови турбини, двигател на Стърлинг и др.

ДВГ за работа с биогаз
Машините, използвани най-често за преобразуване на енергията от биогаз, са газови турбини и ДВГ. Машините могат да бъдат двигател с вътрешно горене (например бутален двигател) или двигател с външно горене.

В двигателя на Стърлинг биогазът се изгаря външно, което от своя страна загрява двигателя на Стърлинг чрез топлообменник. След това газът се разширява и по този начин задвижва механизма на двигателя. Получената работа се използва за генериране на електроенергия. Двигателите на Стърлинг имат предимството да бъдат толерантни към състава и качеството на горивото. Те обаче са относително скъпи и се характеризират с ниска ефективност. По тази причина тяхната употреба е ограничена до редица много специфични приложения.

Днес в повечето централи за производство на биогаз ДВГ са се превърнали в стандартна технология като газови или дизелови двигатели.

Дизеловите двигатели работят с биогаз само в режим на двойно гориво. За да се улесни запалването на биогаза, заедно с него се инжектира малко количество запалващ газ. Съвременните газови двигатели със спомагателно впръскване се нуждаят от около 2% допълнително запалително гориво. Почти всеки дизелов двигател може да бъде преобразуван в газов двигател със спомагателно впръскване. Тези двигатели, работещи в режим на двойно гориво, имат предимството, че могат да използват газ с ниска топлинна стойност. Но в този случай те консумират значително количество дизел. Двигателите с мощност до около 200kW имат предимство пред газовите двигатели поради малко по-високата ефективност (по-висока с 3-4%) и по-ниските инвестиционни разходи.

Газовите двигатели с искрово запалване могат да работят само на биогаз. На практика за стартиране на двигателя често се използва малко количество бензин. Тази технология се използва за много малки генераторни агрегати (~ 0.5-10kW), както и за големи електроцентрали. Тези двигатели имат предимства, тъй като не се нуждаят от допълнителни изкопаеми горива, което би довело до по-ниски преференциални тарифи съгласно Закона за възобновяемата енергия (EEG).

От време на време газовите турбини се използват като биогазови двигатели. Те са много малки и могат да отговорят на строгите изисквания за емисии на отработени газове за експлоатация на газове от сметища и биореактори. На пазара са налични малки биогазови турбини с мощност 30-75kW, но те са скъпи и поддръжката им е много различна от добре познатата поддръжка на двигател на камион и следователно изисква специфични умения.

Въпреки това, газовите турбини могат да бъдат по-ефективни, когато работят в когенерационен цикъл, произвеждащ топлина и електрическа енергия. Когенерацията или комбинираното производство на топлинна и електрическа енергия представлява едновременното производство на електроенергия и полезна топлина. Чрез улавянето на излишната топлина, когенерацията използва топлина, която би била загубена в конвенционална електроцентрала, като потенциално достига ефективност до 89% в сравнение с 55% за най-добрите конвенционални инсталации. Това означава, че се консумира по-малко гориво, за да се произведе същото количество полезна енергия.

Днес опитът от използването на двигатели с вътрешно горене за производство на електроенергия от биогаз е обширен. Това може да се разглежда като доказана стандартна технология. Въпреки това е необходимо продължително и решително усилие, за да се направи тази технология по-трайна и надеждна, както е днес. Двигателите с вътрешно горене имат високи изисквания по отношение на качеството на горивото. Вредните компоненти в газа - особено сероводород (H2S) - могат значително да съкратят живота на двигателя и да причинят сериозни щети. Това може да бъде избегнато по два начина - производство на чист биогаз и използване на подходящи и здрави двигатели и компоненти. Теоретично, повечето двигатели, първоначално предназначени за автомобили, камиони, кораби или стационарна употреба, могат да работят с биогаз като гориво и са достъпни почти навсякъде в диапазон на мощността между 10kW и 500kW. Това важи особено в случаите на двойно използване на горивото.

Подходящо качество на газа
За да се използва в газови или дизелови двигатели, газът трябва да отговаря на определени изисквания. Съдържанието на метан трябва да бъде възможно най-голямо, тъй като това е основната запалима съставка от газа. Съдържанието на водни пари и CO2 трябва да бъде възможно най-малко, главно защото те водят до ниска калоричност на газа. Съдържанието на сяра, главно под формата на H2S, трябва да бъде малко, тъй като при кондензация и горене се превръща в причиняващи корозия киселини.

Съдържанието на водни пари може да бъде намалено чрез кондензация в газохранилището или по пътя към двигателя. Намаляването на съдържанието на сероводород (H2S) в биогаза може да бъде разрешено чрез редица технически методи. Те могат да бъдат класифицирани като химически, биологични или физически и разделени на вътрешни и външни методи. През последните две десетилетия са извършени много експерименти.

Въпреки това, тъй като пълното елиминиране не е необходимо при използване на биогаза в надеждни двигатели, следните прости методи като цяло са се установили като стандарт. Оптимизиран стабилен процес на ферментация с непрекъснато наличие на подходяща суровина е важен за производството на газ с хомогенно качество. Инжектирането на малко количество кислород (въздух) в горното пространство на съхраняващия ферментатор води до окисление на H2S от микроорганизми и оттам до елиминиране на значителна част от сярата от газообразната фаза. Това е най-често използваният метод за десулфуризация. Той е евтин и може да елиминира до 95% от съдържанието на сяра в биогаза. Въпреки това правилното разпределение на въздуха все още изглежда като предизвикателство.

Друга възможност е външна химична обработка във филтър. Активният материал може да бъде железен хидроксид или активен въглен. Този процес е обратим и филтърът може да се регенерира чрез добавяне на кислород. Адсорбционният материал може да бъде богати на желязо почви, отпадъчен материал от производството на стомана или алуминий. Някои компании предоставят филтри с активен въглен като стандартен компонент в своите генератори. На пазара могат да бъдат закупени серийни филтри и филтърен материал.

Потенциал за производство на електрическа енергия
Подходящите суровини за инсталации за производство на биогаз, произвеждащи електроенергия, са на разположение в достатъчно количество. Производството на електроенергия от биогаз може да бъде много ефективен метод за производство на електроенергия от възобновяем енергиен източник. Това обаче се отнася само ако възникващата топлина от електрическия генератор може да се използва по икономичен и екологичен начин. Въпреки това, поради загуби от преобразуване, 1m3 биогаз може да бъде преобразуван само до около 1.7kWhel.

По-големите инсталации за биогаз обикновено са по-рентабилни от по-малките. Производството на електроенергия от биогаз обаче е технология, подходяща дори за относително малки приложения в диапазона от 10-100kW.

Технически аспекти
На световния пазар е налице зряла, надеждна и висококачествена технология. Разрешени са технологичните трудности, пред които бяха изправени малките биогазови инсталации преди две десетилетия. Успешно са установени различни методи за десулфуризация и ДВГ, устойчиви на биогаз, които са доказали своята дълготрайност. Предлага се и достатъчно ноу-хау за планиране и изграждане на надеждни електроцентрали, работещи с биогаз като гориво.

Компонентът за производство на електроенергия на електроцентрала на биогаз не изисква много повече ноу-хау и усилия за поддръжка от обикновения генератор за изкопаеми горива с добре функциониращ процес на ферментация на биогаз като задължителна предпоставка.

Предимствата са генерирането на възобновяема, зелена електроенергия, ниски експлоатационни разходи, подземното строителство, минимизиращо използването на земята, дълъг живот, намаляване на парниковите газове, увеличаване на доходите на семейството чрез продажба на електрическа енергия на електроенергийната мрежа. Недостатъците са изискването на експертно проектиране и конструкция, необходима квалификация и експертна поддръжка, това, че производство на биогаз под 15°C вече не е икономически приемливо, високи капиталови разходи.

Икономически аспекти
От икономическа гледна точка, електричеството от биогаз трябва да се конкурира с производството на електроенергия от изкопаеми горива и други възобновяеми енергийни източници като хидроенергия. Подкрепящи фактори са повишаването на цените на изкопаемите горива, ниската надеждност на доставките на електроенергия от националните мрежи с постоянен риск от прекъсване на електрозахранването и уязвимостта на хидроенергията от суша. Възпрепятстващите фактори са относително ниските цени на изкопаемите горива, необходимостта от закупуване на висококачествени компоненти от индустриализираните страни, неблагоприятните условия за продажба на електричество, липсата на осведоменост.

Икономическата приложимост на инсталацията за биогаз зависи от икономическата стойност на цялата гама от производствени мощности. Това са електричество или механична енергия, биогаз, топлина, генерирана съвместно от двигателя с вътрешно горене. Повечето от централите за производство на биогаз са със среден размер и се инсталират в промишлени условия, предимно с използване на органични отпадъци от агропромишлени производствени процеси като различни видове животински и птичи тор, отпадъци от кланици и др.

Повечето централи за производство на биогаз са свързани с агропромишлените съоръжения и осигуряват електричество само на много малко съседи. Изчисленията обаче показват, че биогазът може да играе роля при снабдяването с изолирани мрежи, където той представлява вариант с най-ниски разходи. Технологията е лесно приспособима и може да се прилага на ниво домакинство или общност. За да се сведат до минимум загубите при разпределението, реакторите трябва да бъдат инсталирани в близост до когенератора, където газът може да се използва.

Микро когенерацията е т. н. разпределен енергиен ресурс, полезен за една къща или малък бизнес поради малката мощност. Тази електроенергия може да се използва в дома или бизнеса или, ако е разрешено от ЕРП, да се продаде обратно в електрическата мрежа.

Системите за производство на биогаз са екологичен начин за производство на енергия и имат положително въздействие върху изменението на климата. Всъщност, приносът на метановата молекула (СН4) към парниковия ефект е 21 пъти по-голям от този на молекулата на въглеродния диоксид (CO2). Следователно, изгарянето на метан, въпреки че произвежда CO2, намалява неговото въздействие върху околната среда.

Селскостопанските инсталации използват основно оборски тор за производството на биогаз, тъй като е по-икономично да се смесва този субстрат с органични остатъци от селското стопанство и хранително-вкусовата промишленост или енергийните култури, понеже тези субстрати предлагат много по-висок добив на биогаз от селскостопанските торове като оборски тор.

В селското стопанство като цяло се използва мократа ферментация, която се приема поради възможността за използване на течни субстрати като тор, какъвто се намира в повечето стопанства, което е идеално за ферментация. Съществуват и технологии за разпръскване на течния тор на полетата. За производството на биогаз от биомаса, подлежаща на балиране, е разработена технология за суха ферментация.

За да се използва биогазът за непрекъснато генериране на енергия, количеството на биодигеста също трябва да бъде достатъчно голямо, в зависимост от необходимата мощност от генератора, който се използва. Това е необходимо, за да се гарантира, че количеството на доставките на биогаз е достатъчно, за да се осигури стабилно въртене на генератора. За да има икономическа стойност, произведеният биогаз трябва да надвишава 700 m3/час.

Оценките на икономическата осъществимост са противоречиви или непоследователни. Много съобщения в пресата и информация от производителите на електроцентрали за биогаз се отнасят до срокове за изплащане само от 1,5 до 2,5 години. В такива случаи електроенергията от инсталациите за биогаз може да се сравни с цената на електроенергията, предоставена чрез националната мрежа или цената на бутилирания пропан-бутан. Тези цифри обаче са нереалистични, с изключение на директното потребление на топлинна енергия, използвана например за готвене, или в много малко места с изключително скъпо гориво. При много благоприятни условия се предвиждат срокове за изплащане на инсталацията от 6 години и 9 години за неблагоприятни, но все още икономически жизнеспособни инвестиции.