Biogazownie rolnicze oraz odpadowe są instalacjami pozwalającymi na produkcję biogazu, którego znaczną część stanowi metan – wysokoenergetyczne paliwo gazowe. Gaz ten najczęściej wykorzystywany jest w jednostkach kogeneracyjnych.

Należy w tym miejscu wyjaśnić, że jednostki te (ang. Combined Heat and Power – CHP) pozwalają na skojarzoną gospodarkę energetyczną, która opiera się na jednoczesnej produkcji energii elektrycznej i ciepła. W tym celu najczęściej wykorzystywane są silniki z zapłonem samoczynnym lub iskrowym. Alternatywą dla nich może być wykorzystanie turbin gazowych, silników Stirlinga lub ogniw paliwowych, jednakże w chwili obecnej mają one marginalne znaczenie.

Wykorzystanie biogazu w silnikach spalinowych

Typowy moduł kogeneracyjny, oprócz silnika spalinowego oraz odpowiednio przystosowanego do niego generatora, składa się z wymienników ciepła służących do odzysku ciepła z obiegu spalin, układu chłodniczego oraz smarującego. Ponadto w skład CHP wchodzą wszystkie urządzenia hydrauliczne służące do podziału ciepła oraz układ sterowania jednostką. Do silników najczęściej wykorzystywanych w jednostkach kogeneracyjnych zalicza się silniki z obiegiem Otto, silniki Diesla i silniki o zapłonie samoczynnym (stosowane najczęściej).

Gazowe silniki Otto

Silniki pracujące według zasady Otto należą do grupy silników, które zostały skonstruowane specjalnie do napędzania gazem. Użytkowane są one jako silniki ubogomieszankowe, pracujące z dużym nadmiarem powietrza. Ma to na celu minimalizację emisji tlenków azotu do środowiska. Jednakże wiąże się to ze spalaniem mniejszej ilości paliwa, co w konsekwencji przekłada się na zmniejszenie mocy samego silnika. Wyrównywane jest to poprzez wykorzystanie dodatkowego doładowania przy zastosowaniu turbosprężarki napędzanej spalinami. Silniki gazowe Otto pracują przy zawartości metanu w biogazie wynoszącej ok. 45%. Przy niższych wartościach wyłączają się automatycznie. Jednak w przypadku braku biogazu istnieje możliwość napędzania tych jednostek innymi rodzajami paliw, np. gazem ziemnym. Jest to najczęściej wykorzystywane podczas rozruchu biogazowni. Pozwala to na produkcję ciepła koniecznego do utrzymania całego procesu fermentacji metanowej.

Ponadto, co jest bardzo istotne, silniki te charakteryzują się sprawnością produkcji energii elektrycznej na poziomie 34-40% (przy mocach znamionowych powyżej 300 kW).

Silniki o zapłonie samoczynnym

Silniki wyposażone w zapłon samoczynny pracują według obiegu Diesla. Najczęściej do produkcji energii elektrycznej z biogazu wykorzystywane są urządzenia pochodzące z ciągników siodłowych i ciężarówek. Jednakże nie zawsze są one konstruowane w celu napędzania ich gazem. W związku z tym konieczne jest niekiedy wprowadzenie pewnych modyfikacji. Biogaz mieszany jest przy pomocy mieszalnika gazu z powietrzem i zapalany przy pomocy doprowadzonego instalacją wtryskową do komory spalania oleju. Ustawienia są z reguły dokonywane w taki sposób, by udział oleju służącego do zapłonu wynosił maksymalnie 10% doprowadzonej ilości paliwa. Jednak wiąże się to z ryzykiem tzw. zakoksowania i szybszego zużycia dysz wtryskowych z powodu braku wystarczającego ich chłodzenia.

Podobnie jak w przypadku silników iskrowych jednostki z zapłonem samoczynnym napędzane są z dużą nadwyżką powietrza, natomiast sama regulacja obciążenia odbywa się poprzez regulację doprowadzanego oleju lub objętości gazu. W przypadku braku biogazu, silniki te mogą być napędzane czystym olejem do zapłonu lub olejem napędowym. Przestawienie urządzenia na innego rodzaju paliwa zastępcze nie jest skomplikowane i jest stosowane podobnie jak w innych przypadkach w trakcie rozruchu instalacji biogazowej, gdy istnieje duże zapotrzebowanie na ciepło procesowe.

Jako paliwo służące do rozruchu pracy silnika (tzw. olej zapłonowy) wykorzystuje się najczęściej olej napędowy lub olej opałowy. Alternatywą może być zastosowanie biodiesla lub oleju roślinnego, co doskonale wpisuje się w politykę stosowania alternatywnych (odnawialnych) nośników energii. Dodatkowo należy pamiętać, że zaletą wykorzystania ekologicznych olejów do zapłonu są niewielkie ilości emisji tlenku węgla oraz związków siarki. Jednakże zastosowanie tych biopaliw może skutkować utraceniem gwarancji producenta silnika. Wynika to przede wszystkim z niskiej lepkości oleju roślinnego, wyższego zużycia filtrów oraz możliwości zapychania się dysz. Do wad stosowania biodiesla zalicza się uwalnianie (w dużych ilościach) podtlenku azotu.

Oczyszczanie spalin z silników kogeneracyjnych

W chwili obecnej w polskim prawie brakuje odpowiednich regulacji dotyczących ograniczeń emisji spalin w silnikach kogeneracyjnych. Jednakże ograniczenia takie zostały wprowadzone w Niemczech już w 2002 roku. Wymuszają one na producentach silników kogeneracyjnych redukcję do minimum negatywnych oddziaływań na środowisko. Maksymalne wartości emisji z tego rodzaju silników u naszych zachodnich sąsiadów przedstawione zostały w tabeli.

Agregaty kogeneracyjne w biogazowni Kozlowski235tab

Pierwszym etapem mającym na celu minimalizację zawartości szkodliwych substancji w spalinach jest odpowiednie oczyszczenie gazu przed podaniem go spaleniu w silniku. Emitowane w trakcie tego procesu np. tlenki siarki powstają ze znajdującego się w biogazie siarkowodoru. Im mniejsza jest koncentracja niepożądanych substancji w biogazie, tym równie niska będzie zawartość ich produktów w spalinach. Należy również dodać, że w przypadku jednostek kogeneracyjnych, które napędzane są biogazem, nie stosuje się katalizatorów. Nawet niewielkie ilości np. siarkowodoru zawartego w gazie prowadzą do ich dezaktywacji i zniszczenia, co wiązałoby się z dodatkowymi kosztami dla inwestorów.

Stosowane generatory

W przypadku stosowanych obecnie w biogazowniach układów kogeneracyjnych wyróżnia się dwa rodzaje generatorów: synchroniczne oraz asynchroniczne. Generatory asynchroniczne stosowane są tylko w instalacjach o małej mocy elektrycznej, do ok. 100 kW. W większych instalacjach (stanowiących w Polsce obecnie większość) wykorzystywane są generatory synchroniczne. Nazwa tego rodzaju generatora wynika z faktu, iż zasilanie uzwojenia prądem stałym powoduje, że pole magnetyczne, które jest wytwarzane przez to uzwojenie, jest nieruchome w stosunku do wirnika i obraca się razem z nim synchronicznie. Generatory tego typu pozwalają na stabilną współpracę z odbiornikami indukcyjnymi (transformatorami), dzięki czemu zapewniają stabilne napięcie sieciowe u odbiorców końcowych zasilanych z sieci elektroenergetycznych niskiego napięcia.

Współczynniki sprawności oraz moc silnika

Jednym ze wskaźników wykorzystania doprowadzanej do jednostki energii jest współczynnik sprawności silnika. Składa się on z sumy elektrycznych i termicznych współczynników sprawności i wynosi ok. 80-92%. Dla silników gazowych w przybliżeniu przyjmuje się, że wartość sprawności elektrycznej wynosi 1/3, a termicznej 2/3 całkowitej sprawności.

Agregaty kogeneracyjne w biogazowni Kozlowski235rys

Rys. Schemat budowy jednostki kogeneracyjnej.

W zależności od mocy zainstalowanego silnika kogeneracyjnego sprawność elektryczna dla jednostek o zapłonie samoczynnym mieści się w przedziale od 30 do ok. 41%, natomiast dla silników z obiegiem Otto – w zakresie od 34 do 42%. W obu przypadkach sprawność wzrasta wraz ze zwiększaniem się mocy elektrycznej układu. Należy również brać pod uwagę to, że dane podawane przez producentów są zazwyczaj wyższe, niż ma to miejsce w praktyce. Wynika to z faktu, iż testy przeprowadzane są w warunkach laboratoryjnych, przy pełnym obciążeniu oraz przy wykorzystaniu jako nośnika energii gazu ziemnego (w którym zawartość metanu przekracza zawsze 90%). W rzeczywistości jednostki CHP pracują przez krótki czas na pełnym obciążeniu, a do tego wykorzystują dużo bardziej zanieczyszczony gaz (45-70% CH4), co przekłada się na ich niższą sprawność.

Odzysk ciepła z układu kogeneracyjnego

Jednym z produktów ubocznych produkcji energii elektrycznej jest powstawanie ciepła, które może zostać wykorzystane poprzez zastosowanie odpowiednich wymienników. Należy jednak pamiętać, że podczas pracy jednostki kogeneracyjnej powstaje ciepło o różnych temperaturach. Największa część energii termicznej może zostać odzyskana z układu chłodzącego silnik. Do odzysku tego ciepła wykorzystywane są najczęściej wymienniki płytowe. Następnie jest ono rozprowadzane do odpowiednich obiegów grzewczych za pomocą rozdzielacza.

W przypadku odzysku ciepła ze spalin, których temperatura może wynosić ok. 460-550°C, stosuje się najczęściej wymienniki płaszczowo-rurowe zbudowane ze stali szlachetnej. W związku z wysoką temperaturą konieczne jest zapewnienie odbioru ciepła z silnika. W przypadku okresu zimowego nie stanowi to w większości przypadków znaczących problemów. Ok. 25-40% całego ciepła wykorzystywane jest na potrzeby własne instalacji biogazowej (ogrzewanie zbiorników fermentacyjnych), natomiast reszta może być użyta do ogrzewania pomieszczeń zakładowych lub mieszkalnych.

Zupełnie inna sytuacja ma miejsce latem, gdy utrudnione jest całkowite wykorzystanie ciepła. W związku z tym poszukiwanie dodatkowych odbiorców ciepła może prowadzić do poprawy bilansu ekonomicznego całej inwestycji oraz ograniczyć ryzyko przegrzania i ewentualnej awarii silników. Odbiorcami mogą być m.in. okoliczne suszarnie, szklarnie, hodowcy ryb, producenci mleka itp. W przypadku braku możliwości „oddania” ciepła innym przedsiębiorstwom – w obiegu grzewczym montowane są chłodnice awaryjne, które pozwalają na uwalnianie niepotrzebnego ciepła do otoczenia.

Agregaty kogeneracyjne – eksploatacja, konserwacja i serwis

Oprócz odpowiedniego użytkowania silników kogeneracyjnych należy również przestrzegać przewidzianych przez producenta terminów konserwacji oraz wymagań, jakie powinny spełniać pomieszczenia, w których montowana jest jednostka CHP. Silniki w instalacjach biogazowych pracują zwykle w sposób w pełni automatyczny. Jednakże w celu dokładnej oceny ich stanu należy na bieżąco kontrolować następujące informacje:

  • liczba przepracowanych roboczogodzin,
  • liczba rozruchów,
  • wytworzona moc elektryczna i ilość ciepła,
  • temperatura cieczy chłodzącej,
  • ciśnienie cieczy chłodzącej,
  • temperatura cieczy grzewczej na wejściu i wyjściu z układu,
  • cienienie oleju,
  • temperatura spalin,
  • zużycie paliwa.

Przy obecnym stanie techniki istnieje również możliwość regulacji pracy silników oraz przekazywanie wszystkich danych za pośrednictwem łączy internetowych, co umożliwia szybkie diagnozowanie przez producenta ewentualnych usterek.

Dodatkowo, w celu określenia dokładnych wartości współczynnika sprawności cieplnej jednostek kogeneracyjnych, konieczne jest zamontowanie ciepłomierzy umożliwiających pomiary ilości wytworzonego ciepła. Dzięki temu możliwe jest również uzyskanie dokładnych informacji na temat ilości ciepła wykorzystywanego do utrzymania procesu oraz dostarczanego odbiorcom zewnętrznym.

W celu zapewnienia prawidłowej pracy całego układu konieczne jest przede wszystkim przestrzeganie odpowiednich terminów konserwacji wszystkich urządzeń. Do tych działań zalicza się także serwisy prewencyjne, które mają na celu utrzymanie instalacji w ruchu, np. wymiana oleju i wymiana zużytych części. Pozwala to w konsekwencji uniknąć wysokich kosztów spowodowanych przez zatrzymanie pracy biogazowni rolniczej.

Podsumowanie

Agregaty kogeneracyjne są sercem typowych instalacji biogazowych. Ich odpowiedni dobór, a następnie prawidłowe użytkowanie i konserwacja, są kluczem do uzyskania pozytywnego bilansu ekonomicznego całej inwestycji. Zatrzymanie produkcji energii elektrycznej i ciepła w wyniku awarii silnika może doprowadzić do ogromnych strat finansowych, a w najgorszym wypadku nawet do bankructwa. W związku z tym konieczne jest zapewnienie ich odpowiedniego serwisu oraz przygotowanie biogazu przed poddaniem go spalaniu.

Kamil Kozłowski

Fot. główne. Silnik kogeneracyjny Jenbacher (www.gepower.com).

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