Производство на енергия от биогаз

Биогазът се определя като възобновяем източник със значителен потенциал за производство на енергия. Производството на биогаз не само дава възможност за производство на топлинна и електроенергия, но и подпомага опазването на околната среда поради оползотворяването на органични отпадъци в процеса на производство. Според специалисти България е страна, разполагаща със значителен потенциал за производство на енергия от биогаз. Добър пример в тази насока е инсталацията за обезвреждане и оползотворяване на сметищния газ на депо Суходол, която бе открита в края на 2010 година. Основната функция на съоръжението е от постъпващия в когенератора сметищен газ да се произвежда електро- и топлоенергия.

Биогазът може да бъде използван и за производство само на топлина чрез директното му изгаряне, както и за производство на електроенергия чрез горивни клетки или микротурбини. Той се явява и сравнително чисто гориво и използването му спомага за редуциране на вредните емисии в атмосферата.

Биогазът като енергиен източник

Известно е, че биогазът е горим газ, който по химичен състав е много близък до природния газ. Основната му горивна съставка е метанът (СН4 ), като неговото количество може да варира в диапазона от около 45 докъм 75%. Освен метан, биогазът съдържа още въглероден диоксид (CO2), вариращ от около 25 докъм 50%, азот (N2) до около 7 %. В по-малки количества обикновено непревишаващи процент, биогазът може да съдържа още амоняк (NH3), серен диоксид (SO2), сероводород (H2S), водород (Н2), кислород (О2).

Съставът на биогаза се влияе основно от вида на използваната суровина за неговото производство. Съответно, в зависимост от суровината, свойствата и състава на биогаза варират. Влияние оказват и видът на инсталацията, температурният режим, времето на престой, обемното натоварване и други.

Самият процес на производство на биогаз включва използването на определени бактерии за разграждане на органичната материя в среда без кислород. Процесът е познат като анаеробно разлагане. По време на този процес се обработва органична материя от отпадъци, включваща растителни и животински отпадъци от селскостопански произход като течен и твърд тор, остатъци от растителни култури и странични продукти, енергийни култури, както и органична материя, получени от инсталации за третиране на отпадни води, от инсталации за преработка на твърди битови отпадъци и други.

Страничният продукт от процеса е получаването на твърда утайка, която е подходяща за използване в селското стопанство за наторяване.

В зависимост от съдържанието на сухо вещество в субстрата биогазовите инсталации се подразделят на биогазови инсталации, работещи с течни субстрати, съдържанието на сухо вещество, в които е под 30 % и инсталации, работещи с твърди битови отпадъци, където съдържанието на сухо вещество в отпадните субстрати е над 35 %.

Условно, в зависимост от капацитета на ферментатора, биогазовите инсталации могат да бъдат разделени на малки, средни, големи и много големи инсталации. Като малки обикновено се определят инсталации с полезна вместимост на ферментатора до 150 m3, като средни - инсталациите с вместимост на ферментатора до 500 m3, инсталациите с вместимост до 1500 m3 се определят като големи, а като много големи тези с вместимост на ферментатора над 1500 m3.

Известно е обаче, че една биогазова инсталация може да включва един или повече ферментатора. Предимство на използването на повече от един ферментатор е по-равномерното производство на биогаз при намалени експлоатационни рискове. Съответно, ферментаторите се свързват успоредно или последователно.

Инсталациите за производство на биогаз могат да бъдат изградени като наземни или с подземни и полувкопани ферментатори. Според специалисти съвременните инсталации за биогаз се разположени наземни поради предимствата на използването на готови конструкции. Основен проблем при този тип съоръжения се явяват топлозагубите от стените на фарментатора и определянето на необходимата дебелина на топлоизолацията. Предимство на подземните и полувкопаните ферментатори е възможността да се осигури равномерен температурен режим при по-малки разходи.

Възможности за производство на енергия

Като един от най-лесните начини за производство на енергия от биогаз се счита директното му изгаряне. То е широко прилагано при малки инсталации. Обикновено това са малки семейни биореактори, при които биогазът е предназначен за покриване на собственото потребление. Изгарянето на газа обикновено е посредством газови горелки, предназначени за изгаряне на природен газ. Възможно е биогазът да бъде изгарян на мястото на неговото производство или да бъде транспортиран по тръбопроводи до крайните потребители. Добре е да се има предвид, че когато биогазът се използва за отопление е необходимо да бъде подложен на очистване.

При големи инсталации за производство на биогаз предпочитано решение е използването му като източник на енергия за когенерационни съоръжения.

Когенерацията се приема за едно от най-ефективните решения за оползотворяване на биогаза. Наред с производството на топлина при изгарянето на биогаза, например в котли, когенерацията предлага и възможност за производство на електрическа енергия, която може да бъде използвана за собствени нужди на обекта или може да се подава към общата разпределителна мрежа.

По този начин се дава възможност за намаляване на енергийните разходи. Също така, тъй като биогазът се явява съпътстващ продукт при преработката на органични отпадъци, разходите по експлоатация на системата обикновено са свързани само с разходите за самото оборудване и за последващото сервизно обслужване.

Използваните газови когенерционни модули работят основно с два вида двигатели - бутални двигатели и газови турбини. В модулите с малка мощност се използват предимно бутални двигатели, приспособени за изгаряне на газово гориво. Основното гориво обикновено е природният газ, но за подходящо се счита и използването на биогаз. При по-големи мощности се използват газови турбини.

Оценка на ефективността

Преди да се пристъпи към изграждането на инсталация на биогаз, специалистите съветват да се направи предварителна оценка на ефективността на инсталацията. Препоръчително е, с оглед на постигането на добър икономически ефект, предварително да се определят свойствата на произвеждания биогаз, произвеждания обем, възможностите за съхраняване и т. н.

Като решаващ фактор за използваемостта на биогаза специалистите определят неговите свойства от гледна точка на съдържание на вредни вещества и енергийно съдържание (топлотворност). Необходимо е да се определи неговият състав и съдържанието на метан, наличието на вредните вещества и примеси. Сред необходимите данни са и информация относно произвежданото количество и неговото изменение във времето, както и възможностите за съхранение. Обемът на произвеждания биогаз е определящ за избора на тип и мощност на когенерационната система.

При възможност за присъединяване на инсталацията към газопровод е възможно използването и на природен газ за когенерационната инсталация, т. е. комбинирано използване както на природен газ, така и на биогаз (превключване на горивото). Подобно решение се счита за подходящо при нерегулируем обем на подавания биогаз. Също така, при недобро качество на биогаза, той може да се обогати, като се смеси с природен газ.

За избора на подходящ тип когенерационна система и начин на експлоатация е добре да се определят и изискванията към начина на работа на когенерационната система. Дали тя ще работи паралелно с мрежата или е по-целесъобразно да се използва в качеството й на авариен източник на електроенергия, или ще се експлоатира в автономен режим. Добре е също така да се определи какъв е действителният разход на енергия на обекта и нейната цена.

Изисквания към биогаза

Както вече бе споменато, свойствата на биогаза се явяват едни от основните параметри, които оказват влияние върху възможностите за неговото използване в качеството му на гориво за двигателя на когенерационната система. Някои свойства могат значително да повишат цената на целия проект или да го направят невъзможен. Наличието на различни примеси може да доведе до съществено повишаване на разходите за проекта.

При извършване на анализа на състава на биогаза и при определяне обема на инвестициите е нужно да се отчетат редица показатели. На първо място, следва да се определи съдържанието на метан. Най-често съдържанието на метан е от порядъка на 50-65%. За минимални се считат концентрации от порядъка на 45-50%. Необходимо е също да се определи налягането на биогаза. Добре е да се има предвид, че налягането на газа при изгаряне в когенерационни системи обикновено е в границите от 1,5 до 10 kPa. Постоянното качество на газа, т. е. постоянният състав и налягане оказват влияние на стабилността на работа на системата и количеството изхвърляни емисии.

Съдържанието на вредни вещества, преди всичко съединенията на сяра, флор, хлор, могат да предизвикат корозия на компонентите на смукателния тракт и вътрешните части на двигателя, намиращи се в съприкосновение със смазочни масла. При по-високо съдържание на сяра се явява целесъобразно да се използват филтри за отстраняването й. Повечето двигатели имат граници за максимално съдържание на сероводород, халогенни въглеводороди и силоксан в биогаза. Препоръчително е биогазът предварително да се дренира и изсуши.

Като важен въпрос за енергийната и икономическата ефективност на централата за производство на биогаз се определя и използването на произведената топлина. Обикновено част от топлината се използва за подгряване на биореактора, а приблизително две трети от цялата произведена енергия може да се използва за други цели. Възможно е и топлината да се използва за производството на студ посредством сорбционни хладилни машини.

Други възможни приложения на биогаза, които все още са по-скоро на проектен етап, е използването му като гориво за захранване на микротурбини и горивни клетки, които са предназначени основно за производство на електроенергия.