A biogáz átalakítása hő és (ill.) villamos energiára

A rendszerek felépítése

A gáz elégetéséhez leggyakrabban gázmotort alkalmazunk, amely illesztett teljesítményű villamos generátort hajt.

Hazai nagyságrendben előnyös lehet 500 kW villamos és 600 -700 kW termikus teljesítményű gázmotoros generátor.

A gázmotorokban keletkező mechanikus energiát a generátorok alakítják át villamos energiává. A generátorok 50 Hz-es, általában 500 V-os váltó feszültséget állítanak elő, mely a hálózatba való termeléshez 20 kV-ra transzformálnak.

A tüzelőanyag ez esetben is a gázszabályozón keresztül érkezik a motorhoz, a keverékképző végzi el a levegő-gáz arány pontos beállítását (a fordulatszám szabályozás alapja). A keverék ezután a turbófeltöltőn, majd egy keverék visszahűtőn keresztül érkezik a motorba. A turbófeltöltő feladata a motor teljesítményének növelése, a keverék visszahűtő segítségével a turbótöltés miatt felmelegedett keverék visszahűtése történik, mely eredményeként a motor teljesítménye tovább nő (a visszahűtés eredményeként nő a keverék sűrűsége, azaz nagyobb mennyiséget lehet a motorba juttatni).

A motorhoz tartozó energiafolyam ábrát a 11.8. ábra szemlélteti (Shankey-diagram). A bevitt 100 % tüzelőanyagból 36,7 % fordítódik mechanikai munka termelésére (gázmotor tengelyteljesítménye), a generátor hatásfokot is figyelembe véve a villamos hatásfok 35,3 %. Ez a magasabb hatásfok több tényező együttes eredménye, magasabb a motor effektív középnyomása, a turbófeltöltés és keverékvisszahűtés szintén növeli a teljesítményt illetve a hatásfokot.

11.8. ábra. Közepes teljesítményű gázmotor energiafolyam ábrája

A hasznosítható hő a hűtővízből (9,1 %), a keverék-visszahűtőből (8,3 %) a kenőolajhűtőből (6,1 %) a vízhűtésű füstgázcsőből (9,8 %) illetve a füstgáz hőcserélő keresztül a füstgázból (20 %) nyerhető. A teljes hasznosítható hőmennyiség 53,3 % a bevitt tüzelőanyagra vetítve.

Veszteség keletkezik hősugárzás útján (2,6 %) valamint a távozó füstgázból (7,4 %). A generátor veszteséggel együtt (1,4 %) a teljes veszteség 11,4 %, vagyis az összhatásfok (tüzelőanyag hasznosítás) 88,6 %. A termelt villamos- és hőenergia aránya 0,66. Ez magasabb, mint a kisteljesítményű motor esetén volt. Ez a magasabb villamos hatásfok illetve a nagyobb veszteség, alacsonyabb összhatásfok eredménye.

A motorok által felhasznált gázmennyiség energiatartalmának csupán 32-36%-a alakul át villamos energiává. A fennmaradó rész a motorokban hővé alakul, amelynek egy része (15-20 %) sugárzási energia formájában távozik. Cél, a hőenergia felhasználása fűtési, ill. egyéb hőtechnikai célokra.

11.3. táblázat. 500 kW-os gázmotoros generátor jellemző technikai adatai (GE Jenbacher)

A rendszerekhez min. kettő, általában három-öt hőcserélő csatlakozik. A motoroknál alkalmazott léghűtéses hőcserélő helyett folyadék/víz kiviteleket építenek be, miközben vészhelyzetre megtartják a folyadék-levegő hőcserélőket is. A hőcserélőkből felvett hőmennyiség egy része az erjesztő tartályok hőntartását szolgálja (a berendezés kivitelétől függően az összes hő 15-25%-a), a fennmaradó része pedig egyéb hasznos célra, épületek fűtésére, vagy technológiai vízként használható fel. A kipufogóhoz csatlakozó füstgáz-víz hőcserélő, a kipufogón átáramló 600-900 fokos gáz hőmennyiségét hasznosítja, melynek révén magas hőmérsékletű víz, esetleg gőz is elő állítható. E magasabb hőmérsékletű víz a fentebb említett hűtővízhez keverhető, de alkalmazható adszorpciós hűtőgép meghajtására, melynek révén hideg energiát tudunk előállítani, tehát a rendszer hűtőtároláshoz szükséges energiát is képes biztosítani. Jól kiépített és vezérelt rendszer alkalmazása révén a bevitt összes energiamennyiség közel 90%-a hasznosítható.

Vezérlés

11.9. ábra. A gázmotor vezérlés egyszerűsített felépítése. 1 – tisztított gáz, 2 – légszűrő, 3 - kompresszor, 4 – turbófeltöltő, 5 – gázadagoló (elkerülő ágon), 6 – gázadagoló, 7 – gázadagoló vezérlés, 8 – érzékelők jel feldolgozása, 9 – villamos jelek (gáz-víz), 10 – a keverék nyomása, 11 – a keverék hőmérséklete 12 –

hőcserélők, 13 – hőtároló a fogyasztók részére, 14 - villamos hálózati csatlakozó, 15 – kipufogó szabályozó és vezérlő egységek

A Pálhalmai Agrospecial Kft által (PA) létrehozandó biogázüzemet –BGÜ- megújuló energia forrásokból villamos- és hőenergiát állít elő. A BGÜ megoldja a PA trágyakezelési, és talajerő visszapótlási problémáinak jelentős részét. A termelt villamos energia a magyar villamoshálózatnak kerül átadásra. A termelt hőenergiát a PA nagyüzemi mosodája hasznosítja, s ezzel kiváltva fűtéshez használt földgázt.

A BGÜ a növénytermesztésből, állattenyésztésből származó anyagokat, illetve a közelben fekvő Adonyi Március 21 Szövetkezet állattenyésztésből és növénytermesztésből származó anyagokat dolgozza fel.

11.4. táblázat. Alapanyagok a biogázüzemhez

A két előfermentáló (2 x 3000) 6000 m³, az utófermentálók (2 x 4500) 9000 m³-esek.

A kinyert biogáz átalakítása két biogázmotorban történik. Évente 13376 MWh villamos energia és a 14944 MWh hőenergia keletkezik

A rendszer villamos hatásfok 38%, a hőtechnikai 46%, az éves müködési idő 8000 h, a villamos teljesítmény 2 x 836 kW, a hőteljesítmény 2 x 934 kW.

Az erjesztett trágya fedett tárolókba kerül, amelyek - előírásoknak megfelelően - 120 napos tárolókapacitással rendelkeznek.

Az építés előtti állapotban a szalmás trágya, ill. hígtrágya hónapokon keresztül várt a kihordásra és ez alatt folyamatosan bűzt és metánt bocsát ki, a jelenlegi eljárásban a hermetikusan zárt fermentorokban a környezet számára szagmentes az erjedés és ezzel pozitív hatást gyakorol a régió lakosságának életminőségére.

Az évi kibocsátás csökkenés (CO2):

Számítható: Kibocsátás csökkenés = baseline kibocsátás - projekt kibocsátása.

Számokban kifejezve = 39413 - 1,526 = 37,887 (t CO2/év) projekt kibocsátása = a projekt megvalósítás révén (után) baseline kibocsátási = a projekt megvalósítása nélkül (előtt).

A 11.10. ábra a gázmotoros kapcsolt energiatermelő egységet mutatja hőszolgáltatás tartamdiagramjába illesztve. Mint látszik, téli üzemállapotban a gázmotorral termelt hőenergia teljes egészében felhasználásra kerül, nyári üzemállapotban a használati meleg víz igényen felül megtermelt hőenergia a beépített segédhűtésen keresztül kerül gázmotoros rendszerből elvonásra, de más célokra is felhasználható lenne(pl. fa, vagy terményszárítás, stb.).

11.10. ábra. A gázmotoros kapcsolt energiatermelő egység távhőrendszerbe illesztése

11.11. ábra. Gázmotoros egység

A 11.11. ábra a gázmotoros egység és a távhőrendszer kapcsolását mutatja. Télen a gázmotor előmelegíti a visszatérő vizet, a meglévő kazánok pedig megemelik a gázmotorból kilépő keringtetett víz hőmérsékletét, amennyiben azt az éppen jelentkező hőigény indokolja.

Nyári üzemállapotban a gázmotor biztosítja a HVG termeléshez szükséges hőenergiát. Amennyiben a gázmotoros rendszer által termelt hőenergia meghaladja a hőigényt, a visszatérő víz hőmérséklete emelkedni kezd. A visszatérő ágba beépített segédhűtés ( . ábra, a konténer tetőn lévő levegő/víz hűtő) elvonja a rendszerben fel nem használt hőenergiát és biztosítja, hogy a visszatérő hőmérséklet elegendően alacsony legyen a gázmotor folyamatos működéséhez.

11.12. ábra. Gázmotor - távhőrendszer kapcsolási vázlata

A segédhűtés méretezése során figyelembe kell venni a rendszerben uralkodó fogyasztási viszonyokat. A teljesítménye meg kell, hogy egyezzen a legkisebb fogyasztási időszakban fel nem használható hőteljesítménnyel. Legcélszerűbb lehet a teljes hőteljesítmény elvonására alkalmas hűtőrendszer beépítése, amely többletköltsége nem számottevő, azonban lehetővé teszi, hogy amennyiben szüksége lehet, a gázmotor a távhőrendszertől függetlenül is üzemképes.