|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 10/2008
Uefektywnianie elektrowni biogazowych
|
|
|
W rozwoju odnawialnych źródeł energii znaczącą pozycję zajmuje biogaz, wytwarzany nie tylko z różnorakich odpadów organicznych, ale również z określonych roślin – przykładowo kukurydzy. Ten (zawierając przeciętnie 50 - 65% CH4 oraz 35 - 50% CO2) bywa z reguły na miejscu przetwarzany w lokalnych elektrociepłowniach do energii elektrycznej oraz ciepła użytkowego. W praktyce biogaz spala się obecnie w silnikach spalinowych Otta, sprzężonych z elektrogeneratorami. Spaliny tych silników – przed odprowadzeniem do komina – oddają swoje ciepło grzewczym obiegom wodnym w wymiennikach ciepła o różnorakiej konstrukcji.
|
W zaprezentowanym wyżej układzie procesowym sprawność termiczna przetwarzanego biogazu przewyższa 85%, ale uzysk energii elektrycznej nie przekracza 37%. Jeżeli zatem nie ma pełnego odbioru ciepła z elektrociepłowni biogazowej – a tak bywa w większości instalacji – to energetyczno-ekonomiczna sprawność całego kompleksu biogazowni jest co najwyżej mierna. Aby zapewnić biogazowym elektrociepłowniom jak największą produkcję energii elektrycznej uzupełnia się je obecnie o tzw. elektrociepłownie ORC (Organic Rankine Cycle), które różnią się tym od klasycznych, że w obiegu między kotłem a turbiną nie ma układu wodno-parowego, gdyż zastępują go lekkie węglowodory – przykładowo butan lub pentan. Ich cechą charakterystyczną jest nie tylko bardzo niska temperatura wrzenia, ale i to, że ciepło parowania tych węglowodorów wynosi zaledwie 17% ciepła parowania wody. W tych to właściwościach fizycznych tkwi efektywność ekonomiczna elektrociepłowni ORC, w której skraplanie opar węglowodorów po turbinie dokonuje się w wymienniku ciepła obiegiem wody, ogrzewającej sąsiadujące budynki lub osiedla. Schemat elektrociepłowni ORC ilustruje rys. 1. Są w niej dwa obiegi ciepła: pierwszy obejmuje dopływ gorących spalin z silnika Otta (w nim spala się biogaz), sprzężonego z elektrogeneratorem, do rurowego wymiennika ciepła, skąd oziębione spaliny uchodzą przez komin do atmosfery. Tymczasem w drugim obiegu cyrkuluje organiczny nośnik ciepła, którym są lekkie węglowodory – najczęściej izobutan lub izopentan. Te węglowodory po wymienniku ciepła spalin osiągają 190 - 200°C oraz 1,6 – 2.0 MPa i przepływają do turbiny parowej lub maszyny z napędem śrubowym, sprzężonej z elektrogeneratorem. Stąd ten typ elektrociepłowni – z uwagi na cyrkulację organicznego czynnika roboczego w drugim obiegu – określa się nazwą Organic Rankine Cycle (ORC). W tego typu elektrociepłowniach uzyskuje się dodatkowo 14 – 15% energii elektrycznej ze spalin, co w kompleksie biogazowni bez odbioru ciepła użytkowego stanowi pokaźną ekonomiczną pozycję, z której nie można dziś zrezygnować. Technologiczno-techniczną odmianą ORC jest tzw. proces Kalina tym znamienny, że w obiegu wtórnym jest układ amoniakalno-wodny (zamiast węglowodorów) o maksymalnej temperaturze przed turbiną 98 - 100°C.Alternatywną innowacją techniczno-procesową obecnie pracujących biogazowych elektrociepłowni bywa zastąpienie spalinowego silnika Otta sprzężonego z elektrogeneratorem przez wysokotemperaturowe ogniwo paliwowe, charakteryzujące się wysoką sprawnością w wytwórczości energii elektrycznej.Ogniwo paliwowe, będące ogniwem galwanicznym znamienne jest tym, że przebiega w nim bezpośrednia przemiana energii chemicznej w elektryczną, co dla biogazu ilustruje rys. 2. Typy ogniw paliwowych różnią się między sobą temperaturami pracy oraz stosowanymi elektrolitami. Optymalne dla biogazu jest tzw. wysokotemperaturowe ogniwo z węglanowym elektrolitem, pracujące w temperaturze 630 - 650°C. Biegnący w nim proces jest silnie egzotermiczny, a wydzielane ciepło wykorzystuje się dla reformingu metanu (zawartego w biogazie) z udziałem pary wodnej do wodoru wraz z ditlenkiem węgla. Jak widać na rys. 2 czynnikiem przenoszenia tlenu z katody do anody jest jon węglanowy CO3=. W ogniwie węglanowym mieszanina węglanów potasu oraz litu – która wypełnia pory ceramicznej matrycy – topi się w temperaturze 480°C, co zapewnia jej doskonałą przewodność elektrolityczną w temperaturze 630 - 650°C. Elektrody w tego typu ogniwie paliwowym (anodowa oraz katodowa) są wykonane z niklu. W komorze katodowej przebiega mieszanie tlenu (w postaci powietrza) z ditlenkiem węgla. CO2 oraz O2 dobrze rozpuszczają się w węglanowym elektrolicie i tworzą jon węglanowy. Ten proces wymaga jednak dwóch elektronów, które dostarcza ich zewnętrzny (w stosunku do ogniwa) obieg (po prawej stronie rys. 2). Wytworzony jon węglanowy dyfunduje przez elektrolit do anody i tam reaguje z wodorem do wody oraz ditlenku węgla. Gazy spalinowe z anody zostają zmieszane z tlenem powietrza i zawracane dopływają następnie do katody, a z niej do komina. Dzięki temu zamyka się obieg CO2 wg reakcji, podanych dokładnie na rys. 2. Korzystając z relatywnie wysokiej temperatury w komorze anodowej, można w tym typie ogniwa paliwowego przeprowadzić katalityczny reforming metanu z parą wodną do mieszaniny wodoru i ditlenku węgla.Bateria ogniw paliwowych obejmuje stos pojedynczych celek, z których każda zawiera anodę, matrycę elektrolitową i katodę, a nad oraz pod nimi są płyty bipolarne, w których umieszcza się kanały dla oddzielnego przepływu reagentów, jak i produktów (spalin).Przemysłową instalację przetwarzania biogazu do energii elektrycznej przy użyciu wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego – węglanowego ilustruje rys. 3. Jest to bardzo zwarta instalacja o mocy 1 MWel firm JHJ oraz Hitachi w miejscowości Kawagoe (Japonia). Jej sprawność osiąga 48% przemiany biogazu do energii elektrycznej, co czyni to źródło energii wysoce konkurencyjnym w stosunku do dzisiejszych standardowych elektrociepłowni biogazowych. Teraz, gdy nasila się potrzeba usuwania CO2 ze spalin elektrowni opalanych nieodnawialnymi nośnikami energii, poszczególne kraje okazują zainteresowanie rozwojem biogazowych elektrociepłowni i maksymalizacją produkcji w nich energii elektrycznej. Przykładowo Niemcy w ramach znowelizowanej Ustawy o Odnawialnych Nośnikach Energii wprowadzają z dniem 1.01. 2009 roku dopłaty w wysokości 3 eurocentów do każdej kWhel, wytworzonej w elektrowniach (elektrociepłowniach) biogazowych, ale o sprawnościach powyżej 45% energii elektrycznej. Zaprezentowane w niniejszej rozprawie innowacje procesowo-techniczne zostały ukierunkowane na maksymalizację produkcji energii elektrycznej w kompleksach biogazowni, co przynosi inwestorom znaczne zyski i to w harmonii z otaczającym środowiskiem.
|
|
|
|
