Μία από τις κύριες τάσεις στο σχεδιασμό των σύγχρονων κινητήρων αυτοκινήτων είναι η βελτίωση της περιβαλλοντικής τους απόδοσης. Από αυτή την άποψη, μια από τις καλύτερες επιλογές είναι κινητήρα βιοκαυσίμου, το πιο δημοφιλές είδος της οποίας είναι η βιοαιθανόλη.
Η βιοαιθανόλη είναι η αιθυλική αλκοόλη, η οποία λαμβάνεται από την επεξεργασία φυτικών υλικών. Η κύρια πηγή παραγωγής του είναι οι πλούσιες σε άμυλο κτηνοτροφικές καλλιέργειες.
Χαρακτηριστικά κινητήρα βιοκαυσίμου
Να σημειωθεί ότι αυτή τη στιγμή πρακτικά δεν γίνεται λόγος για κινητήρα που θα λειτουργούσε εξ ολοκλήρου με βιοαιθανόλη. Αυτό οφείλεται σε μια σειρά αντικειμενικών περιορισμών, για τους οποίους δεν έχουν ακόμη βρεθεί αποτελεσματικές λύσεις.
Μέχρι σήμερα, η βιοτεανόλη χρησιμοποιείται για τον ανεφοδιασμό αυτοκινήτων, κυρίως αναμεμειγμένη με παραδοσιακά καύσιμα - βενζίνη και ντίζελ. Μόνο οχήματα με κινητήρα FFV (Flexible-fuel όχημα) μπορούν να λειτουργούν με τέτοιο καύσιμο.
Ο κινητήρας τύπου FFV είναι κινητήρας εσωτερικής καύσης, ο οποίος έχει κάποιες διαφορές από τους παραδοσιακούς κινητήρες. Έτσι, τα κύρια διακριτικά χαρακτηριστικά είναι:
- η παρουσία ειδικού αισθητήρα οξυγόνου.
- τη χρήση ειδικού υλικού για την κατασκευή ενός αριθμού παρεμβυσμάτων.
- Λογισμικό ECU που σας επιτρέπει να προσδιορίσετε το ποσοστό αλκοόλ στο καύσιμο και να προσαρμόσετε ανάλογα τη λειτουργία του κινητήρα.
- κάποιες αλλαγές σχεδιασμού για την αύξηση της αναλογίας συμπίεσης, η οποία είναι απαραίτητη λόγω της υψηλότερης βαθμολογίας οκτανίων της αιθανόλης σε σύγκριση με τη βενζίνη.
Σήμερα, τα καύσιμα αυτοκινήτων που περιέχουν βιοαιθανόλη είναι αρκετά δημοφιλή σε πολλές χώρες. Οι ηγέτες εδώ είναι οι ΗΠΑ και η Βραζιλία. Στη Βραζιλία σήμερα, είναι σχεδόν αδύνατο να αγοράσετε βενζίνη που περιέχει λιγότερο από 20% βιοαιθανόλη. Αυτή η τεχνολογία είναι επίσης δημοφιλής σε πολλές ευρωπαϊκές χώρες, ειδικά στις Σκανδιναβικές χώρες.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
Η βιοαιθανόλη ως καύσιμο έχει τόσο σημαντικά πλεονεκτήματα όσο και σημαντικά μειονεκτήματα. Τα κύρια πλεονεκτήματα των βιοκαυσίμων σχετίζονται κυρίως με τις περιβαλλοντικές επιδόσεις.
Η βιοαιθανόλη είναι ένα μη τοξικό καύσιμο που διαλύεται πλήρως στο νερό. Όταν καίγεται, δεν σχηματίζονται ενώσεις επικίνδυνες για το περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία. Η προσθήκη βιοαιθανόλης στη βενζίνη μπορεί να μειώσει τις επιβλαβείς εκπομπές έως και 30% ή περισσότερο. Επιπλέον, η βιοαιθανόλη παράγεται από φυσικές ανανεώσιμες πρώτες ύλες. Συχνά είναι υποπροϊόν της παραγωγής μη απορριμμάτων άλλων τύπων προϊόντων.
Επιπλέον, λόγω του υψηλού αριθμού οκτανίων, η χρήση βιοαιθανόλης μπορεί να βελτιώσει ορισμένα από τα χαρακτηριστικά του κινητήρα εσωτερικής καύσης. Αυξάνει επίσης την αποτελεσματικότητά του.
Ένα από τα κύρια μειονεκτήματα των βιοκαυσίμων είναι η αστάθειά τους σε χαμηλές θερμοκρασίες. Στον παγετό, μπορεί να αποκολληθεί με το σχηματισμό μιας μεμβράνης παραφίνης στην επιφάνεια. Αυτό προκαλεί δύσκολη εκκίνηση το χειμώνα. Για να ξεπεραστεί αυτό το μειονέκτημα, τα αυτοκίνητα πρέπει να είναι εξοπλισμένα με θερμαντήρα καυσίμου ή μια μικρή δεξαμενή αερίου σχεδιασμένη ειδικά για εκκινήσεις με κρύο.
Ένα άλλο σημαντικό μειονέκτημα είναι η χαμηλή θερμογόνος δύναμη. Κατά την καύση βιοαιθανόλης, απελευθερώνεται 37-40% λιγότερη θερμική ενέργεια σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς τύπους καυσίμων αυτοκινήτων. Αυτό περιορίζει σημαντικά τα χαρακτηριστικά ισχύος του κινητήρα.
Οι κινητήρες βιοκαυσίμου έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα, αλλά έχουν περιθώρια βελτίωσης.
Ο κύριος τρόπος χρήσης του βιοαερίου είναι η μετατροπή του σε πηγή θερμικής, μηχανικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Ωστόσο, οι μεγάλες μονάδες βιοαερίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία παραγωγικών εγκαταστάσεων για την παραγωγή πολύτιμων χημικών προϊόντων για την εθνική οικονομία.
Το βιοαέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συσκευές καύσης αερίου που παράγουν ενέργεια που χρησιμοποιείται για θέρμανση, φωτισμό, παροχή εγκαταστάσεων παρασκευής ζωοτροφών, για λειτουργία θερμοσιφώνων, εστιών αερίου, εκπομπών υπέρυθρων και κινητήρων εσωτερικής καύσης.
Ο απλούστερος τρόπος είναι η καύση βιοαερίου σε καυστήρες αερίου, καθώς μπορεί να τροφοδοτηθεί αέριο σε αυτούς από δεξαμενές αερίου υπό χαμηλή πίεση, αλλά είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείται βιοαέριο για την παραγωγή μηχανικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό θα οδηγήσει στη δημιουργία της δικής της ενεργειακής βάσης που θα καλύπτει τις λειτουργικές ανάγκες των αγροκτημάτων.
Πίνακας 18 Συστατικά βιοαερίου
Καυστήρες αερίου
Εικ.34. Η σόμπα αερίου λειτουργεί
στο βιοαέριο σε Πετρόβκα
Η βάση των περισσότερων οικιακών συσκευών στις οποίες μπορεί να χρησιμοποιηθεί βιοαέριο είναι ένας καυστήρας. Στις περισσότερες περιπτώσεις, προτιμώνται καυστήρες ατμοσφαιρικού τύπου, οι οποίοι λειτουργούν με βιοαέριο προαναμεμιγμένο με αέρα. Η κατανάλωση αερίου από καυστήρες είναι δύσκολο να υπολογιστεί εκ των προτέρων, επομένως ο σχεδιασμός και η ρύθμιση των καυστήρων πρέπει να προσδιορίζονται πειραματικά για κάθε μεμονωμένη περίπτωση.
Σε σύγκριση με άλλα αέρια, το βιοαέριο απαιτεί λιγότερο αέρα για να αναφλεγεί. Κατά συνέπεια, οι συμβατικές συσκευές αερίου χρειάζονται ευρύτερα ακροφύσια για τη διέλευση του βιοαερίου. Για πλήρη καύση 1 λίτρου βιοαερίου χρειάζονται περίπου 5,7 λίτρα αέρα, ενώ για βουτάνιο - 30,9 λίτρα και για προπάνιο - 23,8 λίτρα .
Η τροποποίηση και η προσαρμογή των τυπικών καυστήρων είναι θέμα πειραματισμού. Σε σχέση με τις πιο κοινές οικιακές συσκευές προσαρμοσμένες για χρήση βουτανίου και προπανίου, μπορεί να σημειωθεί ότι το βουτάνιο και το προπάνιο έχουν θερμογόνο δύναμη σχεδόν 3 φορές υψηλότερη από το βιοαέριο και δίνουν 2 φορές περισσότερη φλόγα.
Η μετατροπή καυστήρων σε βιοαέριο οδηγεί πάντα σε χαμηλότερα επίπεδα λειτουργίας της συσκευής. Τα πρακτικά μέτρα για τις τροποποιήσεις καυστήρα περιλαμβάνουν:
αύξηση των πίδακες κατά 2-4 φορές για τη διέλευση αερίου.
αλλαγή στον όγκο παροχής αέρα.
σόμπες υγραερίου
Πριν χρησιμοποιήσετε μια σόμπα αερίου, οι καυστήρες πρέπει να ρυθμιστούν προσεκτικά για να επιτύχετε:
συμπαγής, μπλε φλόγα.
η φλόγα πρέπει να σταθεροποιηθεί αυθόρμητα, δηλ. Τα τμήματα του καυστήρα που δεν καίγονται θα πρέπει να ανάβουν μόνα τους μέσα σε 2-3 δευτερόλεπτα.
Εικ.35. Λέβητας θέρμανσης νερού
για θέρμανση σπιτιού με κεραμικές θερμάστρες ακτινοβολίας στο χωριό. Πετρόβκα
Θερμοσίφωνες ακτινοβολίας
Οι θερμαντήρες ακτινοβολίας χρησιμοποιούνται στη γεωργία για την επίτευξη των σωστών θερμοκρασιών για την εκτροφή νεαρών ζώων όπως τα χοιρίδια και τα κοτόπουλα σε περιορισμένους χώρους. Η απαιτούμενη θερμοκρασία για τα χοιρίδια ξεκινά από 30-35°C την πρώτη εβδομάδα και στη συνέχεια πέφτει αργά στους 18-23°C στις 4 και 5 εβδομάδες.
Κατά κανόνα, ο έλεγχος θερμοκρασίας συνίσταται στην ανύψωση ή το κατέβασμα του θερμαντήρα. Ο καλός αερισμός είναι απαραίτητος για την αποφυγή συγκεντρώσεων CO ή CO2. Επομένως, τα ζώα πρέπει να επιτηρούνται ανά πάσα στιγμή και να ελέγχεται η θερμοκρασία σε τακτά χρονικά διαστήματα. Οι θερμάστρες για χοιρίδια ή κοτόπουλα καταναλώνουν περίπου 0,2 - 0,3 m3 βιοαερίου την ώρα.
Θερμική ακτινοβολία θερμοσίφωνων
Εικ.36. Ρυθμιστής πίεσης αερίου
Φωτογραφία: Vedenev A.G., PF "Fluid"
Οι θερμαντήρες ακτινοβολίας εφαρμόζουν υπέρυθρη θερμική ακτινοβολία μέσω ενός κεραμικού σώματος, το οποίο θερμαίνεται σε έντονο κόκκινο χρώμα σε θερμοκρασίες 900-1000°C από μια φλόγα. Η θερμαντική ικανότητα ενός θερμαντήρα ακτινοβολίας προσδιορίζεται πολλαπλασιάζοντας τον όγκο του αερίου με την καθαρή θερμογόνο δύναμη, αφού το 95% της ενέργειας του βιοαερίου μετατρέπεται σε θερμότητα. Η παραγωγή θερμικής ενέργειας από μικρές θερμάστρες είναι
από 1,5 έως 10 kW θερμικής ενέργειας8.
Ασφάλεια και φίλτρο αέρα
Οι θερμαντήρες ακτινοβολίας που χρησιμοποιούν βιοαέριο πρέπει πάντα να είναι εξοπλισμένοι με ασφάλεια που διακόπτει την παροχή αερίου σε περίπτωση πτώσης της θερμοκρασίας, δηλαδή όταν το αέριο δεν καίγεται.
Κατανάλωση βιοαερίου
Οι οικιακόι καυστήρες αερίου καταναλώνουν 0,2 - 0,45 m3 βιοαερίου την ώρα και οι βιομηχανικοί - από 1 έως 3 m3 βιοαερίου την ώρα. Η απαιτούμενη ποσότητα βιοαερίου για το μαγείρεμα μπορεί να προσδιοριστεί με βάση τον χρόνο που αφιερώνεται καθημερινά στο μαγείρεμα.
Πίνακας 19. Κατανάλωση βιοαερίου για οικιακές ανάγκες
Μηχανές βιοαερίου
Το βιοαέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για κινητήρες αυτοκινήτων και η απόδοσή του σε αυτή την περίπτωση εξαρτάται από την περιεκτικότητα σε μεθάνιο και την παρουσία ακαθαρσιών. Και οι κινητήρες καρμπυρατέρ και ντίζελ μπορούν να λειτουργήσουν με μεθάνιο. Ωστόσο, δεδομένου ότι το βιοαέριο είναι καύσιμο με υψηλή περιεκτικότητα σε οκτάνια, είναι πιο αποτελεσματικό να χρησιμοποιείται σε κινητήρες ντίζελ.
Για τη λειτουργία των κινητήρων απαιτείται μεγάλη ποσότητα βιοαερίου και εγκατάσταση πρόσθετων συσκευών σε κινητήρες εσωτερικής καύσης που τους επιτρέπουν να λειτουργούν τόσο με βενζίνη όσο και με μεθάνιο.
Εικ.37. Γεννήτρια φυσικού αερίου στο χωριό. Πετρόβκα
Φωτογραφία: Vedenev A.G., PF "Fluid"
Γεννήτριες αερίου-ηλεκτρισμού
Η εμπειρία δείχνει ότι είναι οικονομικά εφικτή η χρήση βιοαερίου σε γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας αερίου, ενώ η καύση 1 m3 βιοαερίου καθιστά δυνατή την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από 1,6 έως 2,3 kW. Η απόδοση αυτής της χρήσης βιοαερίου αυξάνεται χρησιμοποιώντας τη θερμική ενέργεια που παράγεται κατά την ψύξη του κινητήρα της ηλεκτρικής γεννήτριας για τη θέρμανση του αντιδραστήρα της μονάδας βιοαερίου.
Καθαρισμός βιοαερίου
Για να χρησιμοποιηθεί το βιοαέριο ως καύσιμο για κινητήρες εσωτερικής καύσης, είναι απαραίτητος ο προκαθαρισμός του βιοαερίου από νερό, υδρόθειο και διοξείδιο του άνθρακα.
Μείωση υγρασίας
Το βιοαέριο είναι κορεσμένο με υγρασία. Ο καθαρισμός του βιοαερίου από την υγρασία συνίσταται στην ψύξη του. Αυτό επιτυγχάνεται με τη διέλευση βιοαερίου μέσω ενός υπόγειου σωλήνα για τη συμπύκνωση της υγρασίας σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Όταν το αέριο ξαναθερμαίνεται, η περιεκτικότητα σε υγρασία σε αυτό μειώνεται σημαντικά. Αυτή η ξήρανση του βιοαερίου είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τους μετρητές ξηρού αερίου που χρησιμοποιούνται, καθώς είναι βέβαιο ότι γεμίζουν με υγρασία με την πάροδο του χρόνου.
Μείωση της περιεκτικότητας σε υδρόθειο
Εικ.38. Φίλτρο υδρόθειου και απορροφητής για το διαχωρισμό του διοξειδίου του άνθρακα στο χωριό. Πετρόβκα
Φωτογραφία: Vedenev A.G., PF "Fluid"
Το υδρόθειο, αναμεμειγμένο σε βιοαέριο με νερό, σχηματίζει ένα οξύ που προκαλεί διάβρωση μετάλλων. Αυτός είναι ένας σοβαρός περιορισμός στη χρήση βιοαερίου σε θερμοσίφωνες και κινητήρες.
Ο απλούστερος και οικονομικότερος τρόπος απομάκρυνσης του υδρόθειου από το βιοαέριο είναι το στεγνό καθάρισμα σε ειδικό φίλτρο. Ως απορροφητής χρησιμοποιείται ένα μεταλλικό «σφουγγάρι» που αποτελείται από μείγμα οξειδίου του σιδήρου και ρινίσματα ξύλου. Με τη βοήθεια 0,035 m3 μεταλλικού σφουγγαριού, μπορούν να εξαχθούν 3,7 kg θείου από το βιοαέριο. Εάν η περιεκτικότητα σε υδρόθειο στο βιοαέριο είναι 0,2%, τότε με αυτόν τον όγκο ενός μεταλλικού σπόγγου μπορούν να καθαριστούν περίπου 2500 m3 αερίου από υδρόθειο. Για να αναγεννηθεί το σφουγγάρι, πρέπει να κρατηθεί στον αέρα για κάποιο χρονικό διάστημα.
Το ελάχιστο κόστος υλικών, η ευκολία λειτουργίας του φίλτρου και η αναγέννηση του απορροφητή καθιστούν αυτή τη μέθοδο ένα αξιόπιστο μέσο προστασίας της δεξαμενής αερίου, των συμπιεστών και των κινητήρων εσωτερικής καύσης από τη διάβρωση που προκαλείται από την παρατεταμένη έκθεση στο υδρόθειο που περιέχεται στο βιοαέριο. Το οξείδιο του ψευδαργύρου είναι επίσης αποτελεσματικό απορροφητικό του υδρόθειου και αυτή η ουσία έχει πρόσθετα πλεονεκτήματα: απορροφά επίσης οργανικές ενώσεις θείου (καρβονύλιο, μερκαπτάνη κ.λπ.) 18
Μείωση της περιεκτικότητας σε διοξείδιο του άνθρακα
Η μείωση της περιεκτικότητας σε διοξείδιο του άνθρακα είναι μια πολύπλοκη και δαπανηρή διαδικασία. Κατ' αρχήν, το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να διαχωριστεί με απορρόφηση στο γάλα του ασβέστη, αλλά αυτή η πρακτική παράγει μεγάλους όγκους ασβέστη και δεν είναι κατάλληλη για χρήση σε συστήματα μεγάλου όγκου. Το ίδιο το διοξείδιο του άνθρακα είναι ένα πολύτιμο προϊόν που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορες βιομηχανίες.
Εικ.39. UAZ που τροφοδοτείται από βιοαέριο
μέσα με. Πετρόβκα
Φωτογραφία: Vedenev A.G., PF "Fluid"
Χρήση μεθανίου
Η σύγχρονη έρευνα από χημικούς ανοίγει μεγάλες ευκαιρίες για τη χρήση αερίου - μεθανίου, για την παραγωγή αιθάλης (χρωστικής και πρώτης ύλης για τη βιομηχανία καουτσούκ), ακετυλενίου, φορμαλδεΰδης, μεθυλικής και αιθυλικής αλκοόλης, μεθυλενίου, χλωροφορμίου, βενζολίου και άλλων πολύτιμων χημικών προϊόντα που βασίζονται σε μεγάλες εγκαταστάσεις βιοαερίου18.
Κατανάλωση βιοαερίου από κινητήρες
Μέσα με. Στην Petrovka, στην περιοχή Chui της Δημοκρατίας της Κιργιζίας, η μονάδα βιοαερίου του Συλλόγου "Farmer" με όγκο 150 m3 παρέχει βιοαέριο για οικιακές ανάγκες 7 αγροτικών αγροκτημάτων, τη λειτουργία μιας γεννήτριας φυσικού αερίου και 2 αυτοκινήτων - UAZ και ZIL . Για να λειτουργήσουν με βιοαέριο, οι κινητήρες ήταν εξοπλισμένοι με ειδικές συσκευές και τα οχήματα ήταν εξοπλισμένα με χαλύβδινους κυλίνδρους για έγχυση αερίου.
Οι μέσες τιμές κατανάλωσης βιοαερίου για την παραγωγή 1 kW ηλεκτρικής ενέργειας από τους κινητήρες του Αγροτικού Συνδέσμου είναι περίπου 0,6 m3 την ώρα.
Πίνακας 20. Χρήση βιοαερίου ως καύσιμο κινητήρων στο χωριό Πετρόβκα
Εικ.40. Καυστήρας φωτοβολίδας για καύση περίσσειας βιοαερίου στο χωριό. Πετρόβκα
Φωτογραφία: Vedenev A.G., PF "Fluid"
Αποδοτικότητα βιοαερίου
Η απόδοση του βιοαερίου είναι 55% για σόμπες αερίου, 24% για κινητήρες εσωτερικής καύσης. Ο πιο αποτελεσματικός τρόπος χρήσης του βιοαερίου είναι ο συνδυασμός θερμότητας και ισχύος, όπου μπορεί να επιτευχθεί απόδοση 88%. Η χρήση βιοαερίου για τη λειτουργία καυστήρων αερίου σε σόμπες αερίου, λέβητες θέρμανσης, ατμόπλοια ζωοτροφών και θερμοκήπια είναι η καλύτερη χρήση βιοαερίου για αγροκτήματα στο Κιργιστάν.
Πλεόνασμα βιοαερίου
Σε περίπτωση περίσσειας βιοαερίου που παράγεται από το εργοστάσιο, συνιστάται να μην απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα - αυτό θα οδηγήσει σε δυσμενείς επιπτώσεις στο κλίμα, αλλά στην καύση του. Για να γίνει αυτό, εγκαθίσταται μια συσκευή φωτοβολίδας στο σύστημα διανομής αερίου, η οποία πρέπει να βρίσκεται σε ασφαλή απόσταση από τα κτίρια.
Εμπειρία στη λειτουργία εμβόλων αερίου σε βιοαέριο
1. Εισαγωγή
Το καθήκον της σύγχρονης ενέργειας είναι να παρέχει αξιόπιστο και μακροπρόθεσμο ενεργειακό εφοδιασμό με παράλληλη διατήρηση των πόρων ορυκτών καυσίμων και την προστασία του περιβάλλοντος. Αυτό απαιτεί μια οικονομική προσέγγιση για τη χρήση των υφιστάμενων ενεργειακών πόρων και τη μετάβαση στις ανανεώσιμες πηγές. Μια μελέτη της Ευρωπαϊκής Επιτροπής έδειξε ότι αυτό είναι δυνατό.
Κατά τη διεξαγωγή της μελέτης λήφθηκαν υπόψη μόνο οι τεχνολογίες που είναι διαθέσιμες στην αγορά σήμερα και υποτέθηκε ότι το βιοτικό επίπεδο στις ευρωπαϊκές χώρες θα εξισωθεί. Έτσι, έως το 2050, το 90% της ενέργειας που καταναλώνεται από τις ευρωπαϊκές χώρες μπορεί κάλλιστα να παράγεται με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (Εικ. 1). Ταυτόχρονα, η τιμή του ρεύματος θα διπλασιαστεί, αλλά ταυτόχρονα θα μειωθεί στο μισό και η κατανάλωση ενέργειας. Σχεδόν το ένα τρίτο της ενέργειας θα παράγεται από βιομάζα.
Σχήμα 1 - Κατανάλωση ενέργειας στην Ευρώπη (μελέτη της Ευρωπαϊκής Επιτροπής)
Η βιομάζα είναι ένας γενικός όρος για τα οργανικά προϊόντα και τα απόβλητα (πολτός, υπολείμματα σιτηρών, ελαιοκαλλιέργειες και σάκχαρα), βιομηχανικά και οικιακά απόβλητα, ξύλο, απόβλητα βιομηχανίας τροφίμων κ.λπ. Η ξηρή βιομάζα μπορεί να χρησιμοποιηθεί αμέσως ως καύσιμο, σε άλλες περιπτώσεις μπορεί να μετατρέπεται σε βιοαέριο με «πέψη», αεριοποίηση ή εξάτμιση (Εικόνα 2).
Εικόνα 2 - Χρήση βιομάζας
2. Σχηματισμός βιοαερίου
Στη φύση, το βιοαέριο σχηματίζεται από την αποσύνθεση οργανικών ενώσεων υπό αναερόβιες συνθήκες, όπως σε βάλτους, στις όχθες υδάτινων σωμάτων και στον πεπτικό σωλήνα ορισμένων ζώων. Έτσι, η φυσική των φυσικών διεργασιών μας δείχνει τους τρόπους απόκτησης βιοαερίου.
Η βιομηχανική παραγωγή απαιτεί την ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης τεχνολογίας που περιλαμβάνει εξαρτήματα όπως μια δεξαμενή αποθήκευσης βιομάζας, έναν αντιδραστήρα βιοαερίου (ζυμωτής) στον οποίο πραγματοποιείται η πέψη και μια δεξαμενή βιοαερίου με σύστημα καθαρισμού (Εικ. 3).
Εικόνα 3 - Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση βιοαερίου
Σχεδόν όλη η οργανική ύλη αποσυντίθεται με ζύμωση. Υπό αναερόβιες συνθήκες, οι μικροοργανισμοί που εμπλέκονται στη διαδικασία της ζύμωσης ή της αποσύνθεσης προσαρμόζονται στο αρχικό υπόστρωμα. Λόγω του γεγονότος ότι η ζύμωση λαμβάνει χώρα σε υγρό περιβάλλον, το βιο υπόστρωμα πρέπει να περιέχει περίπου 50% νερό. Η βιολογική αποσύνθεση πραγματοποιείται σε θερμοκρασία 35 °C έως 40 °C. Κατά τη διάρκεια της αναερόβιας ζύμωσης, λαμβάνει χώρα μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων μετατροπής οργανικών ουσιών από ενώσεις υψηλού μοριακού βάρους σε ενώσεις χαμηλού μοριακού βάρους που μπορούν να διαλυθούν στο νερό. Σε ένα στάδιο, οι διαλυμένες ουσίες αποσυντίθενται, σχηματίζοντας οργανικά οξέα, αλκοόλη χαμηλής ποιότητας, υδρογόνο, αμμωνία, υδρόθειο και διοξείδιο του άνθρακα. Από την άλλη, τα βακτήρια μετατρέπουν τις ουσίες σε οξικό και μυρμηκικό οξύ και, στη διαδικασία της μεθανογένεσης, τις διασπούν, σχηματίζοντας μεθάνιο.
4 HCOO H → CH 4 + 3 CO 2 + 2 H 2 O
Ταυτόχρονα, η περιεκτικότητα σε CO 2 μειώνεται από το υδρογόνο, με αποτέλεσμα να σχηματίζεται και μεθάνιο.
CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O
Η υγρή κοπριά χρησιμοποιείται συχνά ως πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοαερίου. Για να αυξηθεί η απόδοση αερίου, μπορούν να προστεθούν τα λεγόμενα συνένζυμα, τα οποία ομογενοποιούν την παραγωγή βιοαερίου, ο όγκος του οποίου εξαρτάται από το υπόστρωμα που χρησιμοποιείται (Πίνακας 1).
Πίνακας 1 - Απόδοση βιοαερίου για διαφορετικούς τύπους βιομάζας
| Πρώτες ύλες για βιοαέριο |
Ποσότητα βιομάζας |
Ποσότητα βιοαερίου |
| Υγρή κοπριά (βοοειδή) | 1 m 3 |
20 m 3 |
| Υγρή κοπριά (γουρούνια) | 1 m 3 | 30 m 3 |
| περιττώματα πουλιών | 1 m 3 | 40 m 3 |
| λυματολάσπη | 1 m 3 | 5 m 3 |
| Βιολογικά απόβλητα | 1 τόνος |
100 m 3 |
| Απόβλητα λίπη | 1 τόνος | 650 m3 |
| Γρασίδι | 1 τόνος | 125 m 3 |
3. Ποιότητα βιοαερίου και προετοιμασία του για χρήση
Η ποιότητα του βιοαερίου και η παρασκευή του καυσίμου αερίου δεν εξαρτάται από την πρώτη ύλη που χρησιμοποιείται και από την ταχύτητα της διαδικασίας. Στον Πίνακα. 2 δείχνει μια σύγκριση της σύστασης διαφορετικών τύπων αερίων.
Πίνακας 2 - Κατά προσέγγιση συγκριτική σύνθεση καυσίμων αερίων
| Βιοαέριο |
Αέριο Λυμάτων |
Αέριο σκουπιδιών χωματερές |
Φυσικός αέριο |
||
| CH 4 |
% | 50...75 |
65 | 50 | 88 |
| CO2 |
% | 20...50 | 35 | 27 | — |
| Ν 2 |
% | 0...5 | — | 23 | 5 |
| Πυκνότητα | kg/nm 3 | 1,2 | 1,158 | 1,274 | 0,798 |
| Θερμιδική αξία ικανότητα |
kWh/Nm 3 | 5,0...7,5 |
6,5 | 4,8 | 10,1 |
| μεθάνιο αριθμός |
μονάδες | 124...150 |
134 | 136 | 80...90 |
Δεδομένου ότι το βιοαέριο περιέχει τέτοια επιβλαβή συστατικά όπως το θείο, η αμμωνία, μερικές φορές το πυρίτιο, καθώς και οι ενώσεις τους, οι δυνατότητες χρήσης του είναι περιορισμένες. Αυτά τα εξαρτήματα μπορούν να προκαλέσουν φθορά και διάβρωση σε κινητήρες εσωτερικής καύσης, επομένως η περιεκτικότητά τους στο αέριο δεν πρέπει να υπερβαίνει τα όρια που θέτει η MWM. Επιπλέον, τα καυσαέρια δεν πρέπει να ψύχονται σε θερμοκρασίες κάτω των 140...150 °C, διαφορετικά θα συσσωρευτεί όξινο συμπύκνωμα στους εναλλάκτες θερμότητας και στο κάτω μέρος του συστήματος αγωγών καυσαερίων.
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να αφαιρέσετε το θείο από το καύσιμο αέριο. Κατά τη βιολογική επεξεργασία, παρέχεται αέρας στη ζώνη αερίου στον ζυμωτήρα. Ως αποτέλεσμα της οξείδωσης του υδρόθειου από βακτήρια, το θείο και το θειικό διαχωρίζονται, τα οποία απομακρύνονται με υγρά συστατικά. Ένας άλλος τρόπος είναι η χημική καθίζηση. Σε αυτή την περίπτωση, προστίθεται τριχλωριούχος σίδηρος στο διάλυμα στον ζυμωτήρα. Αυτές οι μέθοδοι έχουν αποδειχθεί καλά σε μονάδες επεξεργασίας λυμάτων.
Τα βέλτιστα αποτελέσματα επιτυγχάνονται όταν το αέριο καθαρίζεται με ενεργό άνθρακα και όχι μόνο το θείο, αλλά και το πυρίτιο αφαιρείται από το αέριο. Σε αυτή την περίπτωση, η ποιότητα του βιοαερίου ταιριάζει με την ποιότητα του φυσικού αερίου και η χρήση οξειδωτικού καταλυτικού εξουδετερωτή αερίων παρέχει επιπλέον μείωση των εκπομπών καυσαερίων.
4. Χρήση βιοαερίου για ΣΗΘ με βάση κινητήρες αερίου με έμβολα
Η MWM GmbH (πρώην Deutz Power Systems) κατασκευάζει μονάδες εμβόλων αερίου με στροβιλοσυμπιεστή λιτής καύσης στο εύρος ονομαστικής ισχύος από 400 έως 4300 kW (Εικ. 4). Αυτοί οι κινητήρες είναι προσαρμοσμένοι στις διακυμάνσεις της σύνθεσης του βιοαερίου και είναι βελτιστοποιημένοι για λειτουργία σε αέρια με πολύπλοκες συνθέσεις.
Εικόνα 4 - Εύρος ισχύος κινητήρων αερίου MWM GmbH (πρώην DEUTZ Power Systems)
Οι αξιολογήσεις είναι σύμφωνα με το ISO 3046. Οι προδιαγραφές είναι μόνο για ενημέρωση και δεν είναι δεσμευτικές τιμές.
Η MWM GmbH έχει εκτενή εμπειρία στη λειτουργία κινητήρων με έμβολα αερίου σε χωματερές και αέριο αποχέτευσης (τα πρώτα τέτοια μοντέλα άρχισαν να λειτουργούν σχεδόν πριν από 100 χρόνια με αέριο αποχέτευσης) και χρησιμοποιεί αυτή την εμπειρία για να βελτιώσει περαιτέρω τη γκάμα μοντέλων και να αυξήσει την αξιοπιστία των κατασκευασμένων συστημάτων συμπαραγωγής. (Εικ. 5)
Σχήμα 5 - Ανάπτυξη κινητήρων αερίου εμβόλου (για την περίοδο 1988 - 2002)
Το κύριο καθήκον σε αυτή την περίπτωση είναι να γίνουν οι κινητήρες πιο ανθεκτικοί στις επιπτώσεις των επιβλαβών ουσιών που περιέχονται στο αέριο. Διάφορες ακαθαρσίες σχηματίζουν οξέα που επηρεάζουν δυσμενώς τα εξαρτήματα του κινητήρα, κυρίως τα ρουλεμάν. Μια τέτοια αρνητική επίδραση μπορεί να εξαλειφθεί, αφενός, βελτιστοποιώντας τον τρόπο λειτουργίας και αλλαγές στην τεχνολογία κατασκευής ρουλεμάν, αφετέρου.
Εάν η μονάδα λειτουργεί με θερμοκρασία λιπαντικού περίπου 95°C (είσοδος κινητήρα) και αποφεύγονται οι συχνές στάσεις και εκκινήσεις, μπορεί να μειωθεί ο κίνδυνος σχηματισμού οξέος λόγω συμπύκνωσης στον στροφαλοθάλαμο κατά τη φάση ψύξης. Σε σχέση με τα παραπάνω, στο μέτρο του δυνατού, ο κινητήρας θα πρέπει να λειτουργεί χωρίς διακοπή. Η συσσώρευση αερίου σε επαρκή όγκο στην αποθήκευση αερίου θα παρέχει συνεχή παροχή καυσίμου, η οποία είναι απαραίτητη για την ομαλή λειτουργία του κινητήρα αερίου.
Η εμπειρία που αποκτήθηκε στη λειτουργία κινητήρων βιοαερίου έχει δείξει ότι πρέπει να χρησιμοποιούνται ειδικά υλικά για ρουλεμάν. Καθώς η απόδοση του κινητήρα και η πίεση λειτουργίας αυξάνονται, απαιτούνται ρουλεμάν με υψηλότερους βαθμούς φορτίου. Τα επικαλυμμένα ρουλεμάν χρησιμοποιούνται πλέον ευρέως για την κάλυψη όλων των απαιτήσεων αξιοπιστίας. Χάρη στη συνεχή σκληρή τους επιφάνεια, είναι πιο ανθεκτικά σε επιθετικά αέρια και λιπαντικά από τα παραδοσιακά ρουλεμάν με αυλακώσεις (εικ. 6).
Σχήμα 5 — Σύγκριση μέγιστης πίεσης φιλμ
Η ποιότητα του λιπαντικού λαδιού έχει σημαντικό αντίκτυπο στη διάρκεια ζωής και τη φθορά του κινητήρα. Επομένως, κατά τη λειτουργία, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται μόνο εκείνες οι μάρκες λαδιού που έχει εγκρίνει ο κατασκευαστής κινητήρων αερίου για αυτόν τον τύπο αερίου. Τα διαστήματα αλλαγής λαδιού καθορίζονται όταν ο σταθμός ηλεκτροπαραγωγής τίθεται σε λειτουργία με βάση τα αποτελέσματα μιας ανάλυσης ποιότητας λαδιού. Κατά τη λειτουργία του κινητήρα, η ποιότητα του λιπαντικού λαδιού παρακολουθείται συνεχώς, μετά την οποία λαμβάνεται απόφαση για την αντικατάστασή του. Η πρώτη ανάλυση λαδιού πραγματοποιείται μετά από 100 ώρες λειτουργίας, ανεξάρτητα από τον τύπο του αερίου καυσίμου. Τα διαστήματα συντήρησης για τις βαλβίδες καθορίζονται με τον ίδιο τρόπο.
Για να επεκταθούν τα διαστήματα αλλαγής λιπαντικού, πρέπει να αυξηθεί η ποσότητα λαδιού στο πλαίσιο βάσης των κινητήρων. Για το σκοπό αυτό, η MWM προσφέρει στους πελάτες της μονάδες με αυξημένο όγκο λαδιού στο πλαίσιο του κινητήρα. Το λάδι τροφοδοτείται συνεχώς στο κύκλωμα λίπανσης, περνώντας διαγώνια από το πλαίσιο βάσης (Εικ. 10):
Εικόνα 6 - Παροχή λιπαντικού λαδιού
Εκτός από τα χαρακτηριστικά σχεδιασμού των ίδιων των κινητήρων, το σύστημα ελέγχου και διαχείρισης TEM (Total Electronic Management by MWM) παίζει σημαντικό ρόλο στη διασφάλιση της ασφαλούς και αξιόπιστης λειτουργίας των μονάδων βιοαερίου. Ανιχνεύει όλες τις συνθήκες λειτουργίας, θερμοκρασίες, πιέσεις κ.λπ. και, με βάση τα δεδομένα που λαμβάνονται, ρυθμίζει τη βέλτιστη ισχύ εξόδου του κινητήρα στη μέγιστη απόδοση, ενώ δεν υπερβαίνει τα καθορισμένα όρια εκπομπών. Το σύστημα TEM έχει τη δυνατότητα να συντάσσει αναλυτικά γραφήματα των αλλαγών στις παραμέτρους λειτουργίας του σταθμού - αυτό σας επιτρέπει να εντοπίζετε έγκαιρα παραβιάσεις στην εργασία και να ανταποκρίνεστε γρήγορα σε αυτές.
Η εταιρεία προμηθεύει πλήρεις σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής που λειτουργούν με βιοαέριο. Περιλαμβάνουν μονάδα εμβόλου αερίου, λέβητα απορριμμάτων θερμότητας, σιγαστήρα, καταλυτικούς μετατροπείς αερίων, σύστημα καθαρισμού αερίων ενεργού άνθρακα και, εάν απαιτείται, πρόσθετο σύστημα μετεπεξεργασίας καυσαερίων. (Εικ. 7).
Σχήμα 7 - Ένα παράδειγμα της διάταξης ενός μίνι CHP ( κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση)
Στο σχ. 8 δείχνει τη συγκεκριμένη επένδυση και το μέσο κόστος συντήρησης για μονάδες βιοαερίου. Τα δεδομένα συνοψίζουν την εμπειρία λειτουργίας των μονάδων της σειράς TBG 616 και TBG 620. Περιλαμβάνουν το κόστος του κινητήρα αερίου, των εναλλάκτη θερμότητας ψυκτικού και καυσαερίων, των σιγαστών και του κόστους της μονάδας διανομής, συμπεριλαμβανομένης της εγκατάστασης και των σωληνώσεων. Από το 2005, οι μονάδες της σειράς TBG έχουν αναβαθμιστεί στις σειρές TCG 2016 C και TCG 2020, αντίστοιχα.
Σχήμα 8 - Επένδυση κεφαλαίου και κόστος συντήρησης
Το 2009, μετά τον επόμενο εκσυγχρονισμό της σειράς μοντέλων, για τη σειρά TCG 2020, κατέστη δυνατό να επιτευχθεί ηλεκτρική απόδοση ίση με 43,7% για τη μονάδα συμπαραγωγής TCG 2020 V20 και να επιτευχθεί ηλεκτρική ισχύς 12 και 16 κυλίνδρων κινητήρες αερίου, αντίστοιχα, στα 1200 και 1560 kW. Ο σοβαρός εκσυγχρονισμός επηρέασε επίσης τη μονάδα TCG 2016 V08. Η ηλεκτρική ισχύς αυτής της μονάδας έχει αυξηθεί στα 400 kW και η ηλεκτρική απόδοση έχει αυξηθεί στο 42,2%. Επιπλέον, η ηλεκτρική απόδοση και η ισχύς εξόδου είναι ίδια τόσο κατά τη χρήση φυσικού αερίου όσο και βιοαερίου.
5. Πρακτική χρήση διαφόρων πρώτων υλών για την παραγωγή ενέργειας
Στην πόλη Βραδεμβούργο(Γερμανία) εγκατέστησε μια μονάδα παραγωγής ενέργειας που παράγει βιοαέριο από τρόφιμα και οικιακά απορρίμματα (φωτογραφία 1). Περίπου 86.000 τόνοι βιοαποβλήτων απορρίπτονται ετησίως.
Φωτογραφία 1 - Εργοστάσιο βιοαερίου στο Alteno
Η διαδικασία λήψης βιοαερίου πραγματοποιείται με μια συγκεκριμένη σειρά. Αφού αφαιρεθούν τα μη αναλώσιμα συστατικά, τα βιολογικά απόβλητα συνθλίβονται και αναμειγνύονται, η προκύπτουσα μάζα θερμαίνεται στους 70 ° C για να σκοτώσει παθογόνους οργανισμούς. Τα απόβλητα στη συνέχεια αποστέλλονται σε δύο ζυμωτήρες, ο καθένας από τους οποίους περιέχει 3.300 m3 βιομάζας. Οι μικροοργανισμοί διασπούν τη βιομάζα (σε περίπου 20 ημέρες), με αποτέλεσμα το σχηματισμό βιοαερίου και υπολειπόμενης ποσότητας υγρού, το οποίο στη συνέχεια συμπιέζεται και το ξηρό υπόλειμμα υποβάλλεται σε βιολογική επεξεργασία ως κομπόστ.
Δύο κινητήρες αερίου με πιστόνι TBG 616 V16K που κατασκευάζονται από την Deutz Power Systems λειτουργούν με βιοαέριο, η ηλεκτρική ισχύς καθενός από αυτούς είναι 626 kW, η θερμική ισχύς είναι 834 kW. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια τροφοδοτείται στο ηλεκτρικό δίκτυο και η θερμότητα χρησιμοποιείται για την παραγωγή αερίου. Τα επίπεδα εκπομπών επιβλαβών ουσιών είναι κάτω από τις οριακές τιμές που καθορίζονται από το γερμανικό πρότυπο TA-Luft.
Η μονάδα βιοαερίου λειτουργεί επίσης Eichigteστο κτηνοτροφικό αγρόκτημα της Agrofarm 2000 GmbH. Η εταιρεία καλλιεργεί 2.200 εκτάρια καλλιεργήσιμης γης και 1.100 εκτάρια βοσκοτόπων στο Eichigt/Vogtland. Μέρος της συγκομιδής των καλλιεργούμενων καλλιεργειών χρησιμοποιείται ως τροφή για 1550 αγελάδες, από τις οποίες παράγονται 10.650.000 κιλά γάλα ετησίως. Ταυτόχρονα, σχηματίζεται καθημερινά από 110 έως 120 m 3 υγρής κοπριάς - "ζυμώνεται" στον ζυμωτήρα, με αποτέλεσμα να παράγονται 4000 ... 4400 m 3 βιοαερίου. Υπολείμματα ζωοτροφών (έως 4 τόνοι/ημέρα) προστίθενται στην κοπριά, λόγω των οποίων η παραγωγή αερίου αυξάνεται κατά 20%.
Το mini-CHP είναι εγκατεστημένο σε ένα δοχείο (φωτογραφία 2), ένας κινητήρας TBG 616 V16 K χρησιμοποιείται ως κίνηση, η ηλεκτρική ισχύς του οποίου είναι 459 kW, η θερμική ισχύς είναι 225 kW. Η ηλεκτρική ενέργεια παρέχεται στο ηλεκτρικό δίκτυο και η θερμότητα χρησιμοποιείται για τις ανάγκες της οικονομίας. Η υγρή κοπριά χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη για το βιοαέριο.
Φωτογραφία 2 - Μονάδα συμπαραγωγής MWM (πρώην DEUTZ Power Systems) σε έκδοση κοντέινερ με κινητήρα TBG 616 V16
Ο κύκλος ανακύκλωσης βιομάζας είναι πρακτικά χωρίς απόβλητα. Τα υπολείμματα που δημιουργούνται από τη διαδικασία της αναερόβιας «πέψης» είναι άοσμα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν στα χωράφια ως λίπασμα καθ' όλη τη διάρκεια του έτους.
συμπεράσματα
- Η χρήση των γεωργικών αποβλήτων ως βιοκαυσίμου επιτρέπει έναν κλειστό κύκλο γεωργικής παραγωγής. Το υπόλειμμα από την αναερόβια χώνευση είναι άοσμο και μπορεί να μεταφερθεί στα χωράφια ως λίπασμα. Αυτό το είδος λιπάσματος απορροφάται αμέσως από τα φυτά χωρίς να μολύνει το έδαφος ή τα υπόγεια ύδατα.
- Η παραγωγή ενέργειας από βιοαέριο, υπό το φως των τακτικών ενεργειακών κρίσεων, θεωρείται μια πολλά υποσχόμενη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Οι εγκαταστάσεις βιοαερίου μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια που αποθηκεύεται από τα φυτά σε βιοαέριο μέσω μιας διαδικασίας βιοαποδόμησης. Αυτή η διαδικασία είναι ουδέτερη όσον αφορά το ισοζύγιο CO 2, καθώς μόνο η ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα που απορροφούνταν προηγουμένως από τα φυτά κατά τη φωτοσύνθεση απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα.
- Η παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας σε μονάδες βιοαερίου είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία που βοηθά την ανθρωπότητα να ανεξαρτητοποιηθεί από τα περιορισμένα αποθέματα ορυκτών καυσίμων και προστατεύει επίσης το περιβάλλον.
- Η MWM GmbH προσφέρει στους πελάτες της συστήματα παραγωγής ενέργειας και θερμότητας που βασίζονται σε σύγχρονους, ασφαλείς και αξιόπιστους κινητήρες αερίου.
Το αρχικό άρθρο τυπώθηκε για: VIth International Scientific Conference GAS ENGINES 2003 στην Πολωνία, 02 - 06 Ιουνίου 2003