Agregat kogeneracyjny i instalacje w biogazowni. Sposób na ciepło

Aktualnie przytłaczająca większość biogazowni pracujących w Polsce, jak i w Europie jest zorientowana na produkcję energii elektrycznej. Powstające przy okazji kogeneracji ciepło najczęściej nie jest wykorzystywane. W warunkach np. niemieckich brak wykorzystania ciepła nie stanowi problemu, bowiem biogazownie niemieckie mogą otrzymywać nawet do 28 eurocentów za kWh energii elektrycznej. 280 EUR/MWh przy kursie 4,16 PLN/EUR to aż 1165 zł. Tymczasem obecnie polskie biogazownie (jak i inne OZE) mogą uzyskać cenę nieco ponad 400 PLN/MWh. Na tej podstawie można stwierdzić wprost: budowa biogazowni bez sensownej koncepcji wykorzystania produkowanego ciepła jest prostą drogą do bankructwa (poza przypadkami biogazowni na odpady, gdzie zamiast płacić za substrat, np. 100-140 PLN/t kiszonki, można pobierać opłaty 50-100 zł/t odpadów). Trzeba bowiem podkreślić, że w typowym układzie kogeneracji ilość wytwarzanej energii cieplnej jest o ok. 3-5% większa niż energii elektrycznej. Dlatego koniecznie należy poszukiwać możliwości wykorzystania energii cieplnej produkowanej w kogeneracji z wytwarzaną energią elektryczną. Mogą tu wchodzić w grę różnego rodzaju suszarnie (warzyw i owoców, płodów rolnych, ale i frakcji stałej pofermentu celem wytwarzania peletów), ogrzewanie budynków, szklarni, czy też zamiana ciepła na chłód i wykorzystanie go w chłodniach.

Oczyszczanie biogazu

Produkowany biogaz składa się zazwyczaj z metanu (średnio ok. 56-64%), dwutlenku węgla (34-42%) oraz ok. 2% pozostałych gazów – głównie siarkowodoru, wodoru, ale i azotu, amoniaku oraz pary wodnej. Taki biogaz nie może być w żadnym razie skierowany bezpośrednio do silnika agregatu kogeneracyjnego, lecz musi być wcześniej oczyszczony z zanieczyszczeń (przede wszystkim z siarkowodoru i amoniaku) oraz odwodniony.

Oczyszczanie biogazu może być realizowane w różnych technologiach. Znaczna część biogazowni w Niemczech oczyszcza biogaz rolniczy poprzez wpompowywanie do komór fermentacyjnych powietrza (z wykorzystaniem pomp membranowych o mocy kilkuset wat), aby doprowadzić do osiągnięcia zawartości tlenu do ok. 0,5%. W takich warunkach bakterie znajdujące się na zazwyczaj drewnianych konstrukcjach umieszczonych pod kopułą zbiornika wychwytują siarkowodór i redukują go do postaci krystalicznej formy siarki osadzającej się na powierzchni tych konstrukcji. Istnieją też filtry biologiczne oparte na takim samym mechanizmie redukcji siarkowodoru do czystej siarki w obecności minimalnej ilości tlenu, które mogą być umieszczone na instalacji doprowadzającej biogaz do kogeneratora. Często spotyka się także filtry, które wychwytują siarkowodór, wypełnione związkami żelaza, a rzadziej – węglem aktywnym. Najprostszym i najtańszym (możliwym do wykonania nawet samodzielnie) jest filtr złożony z kontenera wypełnionego rudą darniową. Taki filtr może działać nawet kilka miesięcy, a jego regeneracja polega na wystawieniu go na kolejne tygodnie po prostu na działanie powietrza atmosferycznego. Bardzo skutecznym sposobem na oczyszczanie biogazu (nie tylko z siarkowodoru, ale i amoniaku, a także dwutlenku węgla) jest stosowanie płuczek wodnych. W typowej instalacji ta metoda nie jest jednak polecana z uwagi na konieczność osuszenia biogazu (gaz wychodzący z płuczki wodnej ma praktycznie 100% wilgotności).

Automatyka kontrolna

Instalacja biogazowa, aby poprawnie funkcjonować, powinna być wyposażona w systemy kontroli parametrów procesu. Chodzi tu przede wszystkim o takie informacje jak masa zastosowanego wsadu, poziom pH i temperatury w każdym fermentorze, skład gazu (CH4,CO2, H2S, para wodna), poziom redox, przepływ gazu, pulpy i – najważniejsze – skład gazu podawanego do silnika kogeneracyjnego. Te parametry są niezbędne, aby w ogóle można było kontrolować proces fermentacji, ale może być ich znacznie więcej (biogazownia Uniwersytetu w Hohenheim posiada ponad 200 różnych punktów kontrolnych). Wskazane jest, aby kontrola mogła odbywać się zdalnie przy pomocy internetu. Ważne jest także, aby zastosowane sensory były odporne na agresywne środowisko nieoczyszczonego biogazu czy fermentującej pulpy.

Agregat kogeneracyjny

Biogaz doprowadzany do silnika agregatu kogeneracyjnego powinien być odsiarczony (zazwyczaj poniżej 50 ppm H2S), odwodniony (poniżej 70% wilgotności) i nie powinien zawierać podwyższonego poziomu amoniaku. Z punktu widzenia uzyskania większej sprawności pracy silnika korzystne jest, aby był to gaz sprężony i schłodzony. Silniki kogeneracyjne wykorzystywane w Europie mają moc zazwyczaj od 20 do 1200 kW. Należy wystrzegać się przed importem agregatów kogeneracyjnych z USA oraz zachodniej Japonii, gdyż pracują one z częstotliwością 60 Hz. Stąd wymagają one kosztownych przeróbek i to bez gwarancji, że operator wyrazi zgodę na podłączenie takiego kogeneratora do sieci energetycznej. Z kolei agregaty chińskie – jakkolwiek znacznie tańsze od europejskich – charakteryzują się większą awaryjnością i mniejszą wydajnością (z 1 m3 biogazu typowy agregat europejski wytwarza ok. 2,25 kWh energii elektrycznej, a chiński 1,7-1,8). Niestety także agregaty europejskich dostawców mogą cechować się wysoką awaryjnością. Przykładem tego jest choćby konieczność wymiany tłoka najpierw we wrześniu, a potem w październiku 2013 r. w jednej z polskich biogazowni. W dodatku serwis polskiej firmy obsługujący ten agregat wykazywał się wyjątkową ślamazarnością, naprawiając te usterki w ciągu odpowiednio 14. i 12. dni od zgłoszenia awarii. Powodem była konieczność ściągnięcia z Niemiec prasy do zdjęcia głowicy. Tymczasem agregat kogeneracyjny, który generował 9900 zł/dobę, był unieruchomiony łącznie 26 dni, co spowodowało straty 257 tys. zł. Dodatkowo biogazownia musiała być cały czas zasilana substratami (koszt ok. 3000 zł/dobę), wobec czego łączne straty w obu awariach wyniosły ponad 330 tys. zł. Zastanawia fakt, że firma realizująca serwis agregatu będącego na gwarancji nie była w stanie zakupić urządzenia do zdejmowania głowicy na własność (koszt poniżej 100 tys. zł), a efektem są straty przeszło 3-krotnie wyższe już obecnie (w tym konkretnym przypadku pozostało jeszcze potencjalnie 10 tłoków do wymiany, a w innych biogazowniach właściciele kilku tych samych kogeneratorów patrzą zaś z obawą na tę sytuację).

Koszty związane z serwisem agregatów kogeneracyjnych są bardzo wysokie, gdyż wielu producentów wymaga stosowania specyficznych części (np. świec zapłonowych) czy olejów. Powoduje to, że w warunkach polskich, przy obecnej niskiej rentowności biogazowni, niektórzy właściciele starają się maksymalnie wydłużyć okresy pomiędzy serwisami. W skrajnych przypadkach kończy się to uszkodzeniem silnika. Tymczasem dla agregatów będących już poza okresem gwarancji można znacząco obniżyć koszty serwisu, stosując zamienniki części lub olejów. Wymaga to jednak specjalistycznej wiedzy, bowiem niefachowe działanie może być wręcz przyczyną skrócenia okresu eksploatacji agregatu.

Wykorzystanie ciepła

W typowym agregacie kogeneracyjnym ze 100% wykorzystywanej energii chemicznej zawartej w biogazie można uzyskać maksymalnie do 44% energii elektrycznej i pozostałą część w postaci ciepła (efektywnie do 45% ciepła możliwego do wykorzystania, reszta jest tracona). Znacznie gorszą efektywność wytwarzania energii elektrycznej można uzyskać w przypadku zastosowania turbin, bowiem jest to do 30% energii w formie elektrycznej (w rzeczywistości zazwyczaj mniej), a zdecydowanie dominuje energia wytwarzana w formie ciepła. Jeżeli więc inwestor nie planuje wykorzystania ciepła do konkretnych celów – zastosowanie turbin do wytwarzania energii elektrycznej nie ma kompletnie sensu.

W typowym agregacie kogeneracyjnym produkowane są 2 rodzaje ciepła: niskotemperaturowe (zazwyczaj 90-95o) pochodzące z chłodzenia silnika oraz wysokotemperaturowe (nawet do 250oC) pochodzące z chłodzenia gazów spalinowych. Część ciepła niskotemperaturowego jest wykorzystywana do ogrzewania zbiorników fermentacyjnych. W zależności od pory roku jest to od kilku do kilkudziesięciu procent. Stosowanie dobrze zaizolowanych zbiorników ze stałą (również izolowaną) kopułą pozwala na bardzo znaczące obniżenie ilości zużywanego ciepła.

Świetnym rozwiązaniem jest sprzężenie pracującej biogazowni z zakładem wykorzystującym duże ilości ciepła, np. gorzelnią, tartakiem, rzeźnią, chłodnią czy szklarnią. W niektórych wypadkach, jeśli zakłady są od siebie bardziej oddalone, zamiast prowadzić dwie rury do obiegu cieplika, lepiej ustawić agregat kogeneracyjny bezpośrednio w zakładzie odbierającym ciepło, doprowadzić tam rurę gazową i produkować energię w agregacie kogeneracyjnym poza biogazownią.

W przypadku całkowitego braku możliwości zagospodarowania ciepła warto rozważyć wykorzystanie go w układach ORC do produkcji dodatkowej energii elektrycznej.

Podczyszczanie biogazu do biometanu

W ostatnim czasie, wskutek dużego spadku opłacalności produkcji energii elektrycznej w biogazowniach, pojawiły się koncepcje produkcji biogazu i podczyszczania go do jakości paliwa transportowego czy też gazu ziemnego wysokometanowego. Wychodząc naprzeciw tym tendencjom, firma Mercedes proponuje model Sprintera przeznaczony do zasilania biogazem o zawartości metanu od 80%. Tymczasem oczyszczenie biogazu do zawartości 80-85% CH4 może być zrealizowane przy pomocy stosunkowo prostej instalacji.

Na większą skalę oczyszczanie biogazu z dwutlenku węgla jest coraz częściej rozważaną opcją przez właścicieli biogazowni. Oczyszczony metan może być wtłaczany do sieci, a odzyskany CO2 może być wykorzystywany jako półprodukt do dalszych reakcji albo sprzedany np. do produkcji szklarniowej. Typowa nowoczesna szklarnia zużywa bowiem rocznie dwutlenek węgla o wartości 100-200 tys. zł. Oczyszczony biometan nadaje się świetnie jako paliwo jakości CNG, jednak decyzją parlamentu z września 2013 r. został objęty akcyzą jako paliwo transportowe.

dr hab. inż. Jacek Dach

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij