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 зелен 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.
Метанът е ценният компонент при използването на биогаз. 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.

Текст: списание АгроБио Техника

Биогазът е газ, получен в резултат на анаеробно разграждане. Инсталацията за биогаз може да преобразува животински тор, зелени растения, отпадъци от селското стопанство и кланиците в горивен газ. 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

Най-често използваните машини, използвани 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 сметищата 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.

На теория, 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 10 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 в частност, главно под формата на H₂S, трябва да бъде малко, тъй като се превръща в причиняващи корозия киселини при кондензация и горене.

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 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. 

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.