Trigeneracja – energia elektryczna, ciepło oraz chłód z biogazu

W jednym z poprzednich numerów „Magazynu Instalatora” opisane zostały możliwości wykorzystania produkowanego w procesie fermentacji metanowej biogazu m.in. w silnikach kogeneracyjnych oraz ogniwach paliwowych. Innym z rozwiązań podnoszącym efektywność wykorzystania biogazu może być zastosowanie układów trigeneracyjnych, które umożliwiają dodatkową produkcję chłodu.

Ze względu na wysoką sprawność sięgającą ok. 87% najczęściej stosowanym sposobem wykorzystania powstającego w procesie fermentacji metanowej biogazu jest jego spalenie w silnikach kogeneracyjnych. W wyniku tego działania uzyskuje się energię elektryczną (wykorzystywaną na potrzeby własne instalacji i gospodarstwa, z nadwyżką sprzedawaną do sieci energetycznej) oraz ciepło. To właśnie zagospodarowanie ciepła odpadowego jest obecnie jednym z największych wyzwań dla inwestorów. Odpowiednie wykorzystanie tego produktu może być jednym ze sposobów poprawy bilansu ekonomicznego inwestycji biogazowej.

W funkcjonujących obecnie biogazowniach produkowane w silniku kogeneracyjnym ciepło najczęściej znajduje zastosowanie jako źródło ogrzewania przede wszystkim zbiorników fermentacyjnych znajdujących się w instalacji (ok. 20-40% ciepła w zależności od temperatury prowadzenia procesu), a w następnej kolejności okolicznych gospodarstw lub suszarni. Jednakże w przypadku wymienionych rozwiązań największy popyt na ciepło odnotowuje się w okresach zimowych. Konieczne jest zatem znalezienie innych sposobów zagospodarowania tego rodzaju energii, w szczególności latem.

Trigeneracja – efektywny sposób na rozwiązanie problemu

Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie trigeneracji, która jest systemem pozwalającym na jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej, ciepła i chłodu. Należy jednak pamiętać, że chłód ten jest uzyskiwany przy wykorzystaniu technologii sorpcyjnych i z użyciem ciepła pochodzącego z kogeneracji. Efektywny system trigeneracyjny powinien posiadać zdolność konwersji na chłód ciepła o jak najniższej temperaturze, co w konsekwencji pozwoli na uzyskanie wysokiej efektywności kogeneracji.

Trigeneracja jest zatem rodzajem kogeneracji dodatkowo wyposażonym w agregaty, które pozwalają na zamianę części ciepła na moc chłodniczą. Należy jednak pamiętać, że o ile w systemach kogeneracyjnych stosunek wytworzonej energii elektrycznej do ciepła zależy od praw termodynamiki oraz od wykorzystywanej technologii, o tyle w przypadku systemów trigeneracji możliwe jest wytworzenie chłodu z dowolnej części wyprodukowanego wcześniej ciepła.

Trigeneracja_Kozlowski237rys1

Rys.1. Schemat blokowy procesu trigeneracji: Qh – ciepło o temperaturze Th pobierane przez silnik, Wh – energia mechaniczna, Wel – energia elektryczna, Qu – użyteczne ciepło, które może podlegać konwersji na chłód w klimatyzatorze, Ql – moc chłodnicza klimatyzatora, Qe – ciepło odprowadzane do otoczenia przez klimatyzator (źródło: Chorowski M. 2014)

W przypadku stosowania trigeneracji i jej podłączenia do budynków mieszkalnych i biurowych, należy uwzględnić fakt, iż jedyną gwarancją odbioru ciepła i chłodu są niskie oraz wysokie temperatury zewnętrzne w okresach zimowych i letnich. W takim przypadku najbardziej newralgiczne są okresy przejściowe (wiosna, jesień), kiedy to mogą wystąpić problemy z całkowitym odbiorem ciepła/chłodu. Rozwiązaniem tego problemu może być podłączenie do układu odbiorników, które nie są uzależnione od temperatur zewnętrznych, np. baseny, procesy technologiczne wymagające ciągłego chłodzenia lub ogrzewania, serwerownie, głębokie kopalnie itp.

Trigeneracja – układy

Obecnie wykorzystywane układy trigeneracyjne charakteryzują się dużą elastycznością w ujęciu projektowo-konstrukcyjnym. W zależności od indywidualnych potrzeb inwestora mogą one zostać wykonane w oparciu o:

  • różne rodzaje silników (gazowe, Diesla),
  • różne rodzaje paliw (np. gaz ziemny, wysypiskowy, kopalniany, odpadowy, LPG, biogaz, olej napędowy),
  • różne typy agregatów (adsorpcyjne, absorpcyjne bromolitowe, absorpcyjne amoniakalne, sprężarkowe),
  • różne rodzaje źródeł ciepła, które zasilają agregaty (w tym energia naturalna i ciepło odpadowe),
  • różne rodzaje zabudowy (stacjonarna, mobilna).

Agregaty absorpcyjne

W praktyce do wytworzenia chłodu stosuje się agregaty absorpcyjne oparte na mieszaninie bromku litu z wodą. Wykorzystanie takiej mieszaniny nie jest oczywiście przypadkowe. Bromek litu jest silnym absorberem wody, ponieważ posiada właściwości podobne do soli. Ponadto połączenie to sprawia, że jest to w pełni ekologiczny czynnik chłodniczy i roboczy o długiej żywotności. Dodatkowo w przypadku tych urządzeń możliwie jest wykorzystanie stosunkowo niskich zakresów temperatur ciepła zasilającego (może to być woda o temperaturze około 85°C).

Działanie chłodniczych agregatów absorpcyjnych opiera się na wykorzystaniu efektu absorpcji (tzn. pochłaniania czynnika chłodniczego) oraz desorpcji (wydzielania czynnika chłodniczego z roztworu). Rozwiązane jest to poprzez zastosowanie dwóch połączonych ze sobą zbiorników, gdzie w pierwszym znajduje się woda (czynnik chłodniczy), natomiast w drugim roztwór bromku litu. Dzięki temu zachodzący samoczynnie proces absorpcji wody do roztworu LiBr powoduje utrzymanie stałego ciśnienia w zbiorniku z wodą. Sam roztwór LiBr przetłaczany jest do generatora, gdzie przy wykorzystaniu do urządzenia energii cieplnej następuje odparowanie pary wodnej z roztworu litu bromu.

W następnej kolejności para podawana jest do skraplacza, a dalej już jako woda chłodnicza kierowana jest do parownika. W parowniku następuje proces wrzenia i odparowania wody, które zachodzi w temperaturze +5°C. W tym samym czasie następuje wychłodzenie medium chłodzącego krążącego w zewnętrznej instalacji. Następnie odparowana w parowniku woda jest ponownie absorbowana przez roztwór LiBr i cały cykl rozpoczyna się od początku.

Układ składający się z absorbera i desorbera nazywany jest potocznie sprężarką chemiczna, ponieważ swoją funkcjonalnością odpowiada sprężarkom wykorzystującym do pracy energię elektryczną (jak ma to miejsce w tradycyjnych systemach chłodniczych).

Trigeneracja_zasada_dzialania_agregatu_absorbcyjnego_Kozlowski237rys2

Rys. 2. Zasada działania agregatu absorpcyjnego (źródło: www.agregatyabsorpcyjne.pl)

Agregaty adsorpcyjne

Innym rodzajem agregatów wykorzystywanych w układach trigeneracji są agregaty adsorpcyjne. W urządzeniach tych materiałem sorpcyjnym może być m.in. żel krzemionkowy lub zeolit, dzięki czemu chłód produkowany jest poprzez akumulację pary wodnej w porowatych ciałach stałych. Główną przewagą agregatów adsorpcyjnych nad absorpcyjnymi jest możliwość wykorzystania ciepła o niższych parametrach. Ma to istotne znaczenie w przypadku wykorzystania ciepła z sieci zasilanej przez elektrociepłownie miejskie. W przypadku agregatów absorpcyjnych woda zasilająca nie może mieć temperatury niższej niż 85°C, natomiast do zasilania agregatów adsorpcyjnych wykorzystuje się wodę o temperaturze nie niższej niż 60°C.

Podsumowanie

W wyniku zastosowania trigeneracji możliwe jest równoczesne wytwarzanie energii elektrycznej, ciepła i chłodu, co wydaje się być interesującym rozwiązaniem dla tradycyjnych układów kogeneracyjnych funkcjonujących w instalacjach biogazowych. W chwili obecnej w systemach kogeneracji zastosowanie znajdują głównie agregaty absorpcyjne wykorzystujące roztwór woda-bromek litu. Jednak do prawidłowego ich działania konieczne jest dostarczenie ciepła z kogeneracji o temperaturze nie niższej niż 85°C. Należy jednak pamiętać, że ze względu na wysokie koszty inwestycyjne systemów trigeneracji oraz stosunkowo niską efektywność termodynamiczną procesu konwersji energii warunkiem koniecznym jest zapewnienie odbioru ciepła i/lub chłodu bez przerw sezonowych.

Powszechnie przyjmuje się, że układy trigeneracyjne nie powinny być projektowane przy obiektach, w których nie jest możliwy stały odbiór ciepła lub chłodu. Do obiektów spełniających takie warunki zalicza się między innymi serwerownie lub głębokie kopalnie, które wymagają odpowiednich warunków klimatyzacyjnych. W Polsce do takich kopalń zalicza się kopalnie miedzi. Ponadto układy trigeneracyjne mogą znaleźć zastosowanie przy instalacjach biogazowych umiejscowionych na przykład przy zakładach mleczarskich. W tym przypadku ciepło może być używane do celów technologicznych, natomiast chłód może być wykorzystywany do stworzenia odpowiednich warunków do przechowywania m.in. mleka.

Kamil Kozłowski

Literatura:

Chorowski M., „Trigeneracja – zalety i ogranicznenia”, „Nowa Energia”, 4/2014.

www.agregatyabsorpcyjne.pl

www.kogeneracjaces.pl

Jäkel, K.: Managementunterlage „Landwirtschaftliche Biogaserzeugung und verwertung“, Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft, 1998/2002

Fot. główne. Kontenerowy system trigeneracyjny firmy CES (źródło: www.kogeneracjaces.pl)

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