Различное использование биогаза

В первую очередь необходимо стремиться использовать содержащуюся в биогазе энергию настолько эффективно, насколько это возможно, а особенно его способность производить высокие температуры и энергию. Для превращения в тепло с низкой температурой, применять биогаз неэффективно, поскольку его можно получать и от коллектора солнечных батарей или от тепла работы двигателя.

Сжигание

Использование исключительно с целью термоэффекта при помощи горелки Бунзена или паяльной ворелки, тоесть наприрмер приготовление пищи на биогазе или применение для инфракрасного излучателя в отделении для выращивания молодняка сельскохозяйственных животных в нашей стране едва практикуется – несмотря на полное сгорание с небольшим выбросом вредных веществ. Приготовление пищи на биогазе получило распространение преимущественно в развивающихся странах (Китай, Индия, Непал и т.д), в первую очередь из-за возрастающего сокращения горючей древесины. При использовании для инфракрасных излучателей колебания в качестве газа приводили к постоянным угасаниям пламени и к техническим проблемам по причине коррозии вызванной сероводородом.

Отопление биогазом

При отоплении биогазом различают отопительные котлы с атмосферными горелками небольшой мощности от 10 до 30 кВт, а также паяльные горелки для большей мощности (Изобр. 5.7). Отопительные котлы рассчитаны на работу одного буфферного накопителя, дающего тепло для дома, ферментатора, промышленного водоснабжения и по возможности для сушки соломы и зерна. Дешевой альтернативой котлу является перколятор (газовая колонка), работающий на одной атмосферной горелке и применяемый в первую очередь для

Таблица 5.2: Основные характеристики биогаза (состав: 60% метан, 38% углекислый газ, 2% газовые примеси) по сравнению с другими горючими газами (согласно Кьоберле [24]).

обогрева промышленного водоснабжения. Производительность пребывает в пределах 5-30 кВт. Для всех обогревательных устройств обязательно устанавливать предохранители (предохранитель от возгорания, рэле контроля пламени), которые бы предотвращали вытекание несожженного биогаза.

Для применяемых сегодня преимущественно пленочных газгольдеров небольшого давления хоть и достаточно для работы самовсасывающих газовых и дизельных двигателей, но его недостаточно для котлов и перколяторов. В таких случаях требуется компрессор с регулятором давления. Для этого преимущественно используют кольцевые компрессоры с боковым каналом, которые работают тихо и с малым износом (Изобр. 5.8). Будь то насос с боковым каналом, центрифужный, ротационно-поршневой, винтовой или жидкостно-кольцевой, их применение будет зависеть от количества газа и его качества, а также от необходимой разницы в давлении. Согласно техническим нормам для защиты от взрывов, компрессоры для уплотнения газа должны быть либо газонепроницаемы или находиться в капсуле под давлением.

Охлаждение при помощи биогаза

Тепло требуется в первую очередь в зимний период. Чтобы использовать избыток тепла также в летнее время, предлагаем использовать генераторы, вырабатывающие электроэнергию-тепло-холод. В них тепловая энергия в так называемых адсорбирующих установках трансформируется в холод и может потом применяться с целью охлаждения напр. в больших холодильных установках. К сожалению только их коэффициент полезного действия очень мал. Такая форма использования почти не распространена.

Подача в сети общего пользования

Подача биогаза в сети общественного пользования открывает для производства биогаза новые перспективы. Это бы позволило использовать газ там, где он фактически нужен. Таким образом можно уменьшить большие потери из-за отсутствия использования избытка тепла двигателя и существенно улучшить общие показатели эффективности производства энергии (сравн. Раздел 12.7: Биогазовая установка (Прад, Южный Тироль).

Директива ЕС создала правовые условия для открытости газотранспортных сетей общественного пользования для поступления в них биогаза и газа из биомассы (2001 г.). Однако как и в случае с электроэнергией, существуют препятствия на национальном уровне, касающиеся транспортировки и потребления биогаза.

В Таблице 5.3 приведены качественные характеристики природного газа и биогаза. Из этого следует, что биогаз должен содержать высокое количество метана и низкое количество сероводорода, чтобы приблизиться к характеристикам природного газа. Для этого необгодимо проводить его очистку и сушку, также следует довести его до существующего в газосети давления. Первый шаг по очистке газа включает первичное фильтрование, после этого следует очистка от серы в одельном устройстве, а третий шаг (если удаление углекислого газа происходит сухим способом) будет включать обезвоживание и в конце-концов очистку от углекислого газа. Для очистки от углекислого газа или обогащения метана в биогазе можно применить следующие методы: 

• Промывание под давлением
• Метод PSA (Pressure Swing Adsorption)
• Метод разделения мембраной
• Разжижжение газа

Метод промывания под давлением базируется на разнице в растворимости углекислого газа и метана в воде. Углекислый газ под давлением всегда больше растворяется чем метан и тем самым может быть отсепарирован. Это так называемое мокрое промывание газа является на сегодняшний день наиболее распространенным методом по очистке биогаза в Европе. Лишь в Швеции около 80% биогаза очищают при помощи этой технологии.

При использовании метода переменного давления речь идет о „адсорбировании” или так называемом „сухом методе” отделения углекислого газа. Биогаз при помощи компрессора (около 8-10 бар) прессуют в адсорбирующий резервуар. В нем углекислый газ остается на активированном угле или сите (молекулярные сита на основе углерода) и таким образом отделяется.

Еще одним вариантом является сепарация отдельных составляющих газа при помощи мембраны (метод разделения мембраной). Разная пропускная способность маткриала мембраны позволяет сепарировать как углекислый газ и диоксид серы вместе, но также и выборочно отдельно.

Если применять разжижжение газа, этот метод еще называется сепарация биогаза при низких температурах, то используют разницу в температурах кипения для разных компонентов газа, чтобы разделить их как при дестилляции. Преимуществом разжижжения газа является высокая степень очистки обогащенного газа. Этот метод был впервые испытан на биогазовой установке в Анкламе.

Дополнительно для подачи в общественную систему газопроводов, в зависимости от каждого отдельного метода очистки, применяют также другие технические средства: 

• Подводящая линия для биогаза к линии газопровода общественного пользования
• Компрессорная установка
• Выверенный газомер
• Выверенный прибор измерения качества
• По возможности смесители газа, позволяющие напр. подмешивать высококалорийных газов (пропана, бутана)

Рентабелность очистки газа до качества природного газа оправдывает себя лишь при большом расходе топлива. Считается, что система очистки оправдывает себя для установок, производящих газа от 250 м³/час. До настоящего времени собрано еще мало практического опыта. В Австрии первая установка подает газ с 2005 г. очищенный газ в общественные газовые сети (сравн. Раздел 12: Взгляд зарубеж).

Таблица 5.3: Сводная таблица для свалочных газов, гвзов со сточных вод и биогазов, требования к ним либо технические нормы для подачи в обещственные газовые сети [88]

Если биогаз подавать в общественную систему газопроводов, то хоть и отпадает потребность в дорогостоящем генераторе, но в то же время требуется другое оборудование (либо рассчитанный на тепловые потребности генератор) для обеспечения процесса теплом.

Биогаз как топливо

Для использования в качестве топлива биогаз также следует очищать до уровня качества природного газа, поскольку его будут сжигать в двигателях, рассчитанных на природный газ. Некоторые транспортные средства, которые выборочно могут работать на биогазе, но также на бензине. В настоящее время среди производителей автомобилей лишь компания «Опель» выпускает автомобили, рассчитанные на 100% на биогаз. Биогаз как топливо не облагается налогами. В Германии есть лишь несколько примеров его использования. В Вюстхофе, недалеко от Зольтау с 2004 г. продают очищенный биогаз под маркой sungas®.

Таблица 5.4: Состав природного газа для использования в транспортных средствах (ISO/DIS 15403). 

 Таблица 5.5: Тип. Характеристики для разных двигателей и процессы сгорания в них для биогаза.

Начало строительства первой заправочной станции для заправки биогазом в г. Ямельн, Вендланд было положено весной 2005 г. Благодаря бонусу за инновативность (2 цента/кВт*ч ел.) на очистку биогаза до уровня качества природного газа количество примеров постепенно увеличивается.

Очень распространено использование биогаза в качестве топлива в Швеции. Там почти половина продаваемых транспортных средств работают на биогазе, общей мощностью около 90 МВт. Согласно статистике в Швеции около 1500 автомобилей ездят на биогазе. 50 газозаправочных станций предоставляют свои услуги, а летом 2005 г.был даже запущен первый поезд, работающий на биогазе по маршруту Лынкьопынг – Вестервик [87]. Уже с 1995 г. в Швейцарии проводились исследования на тему очистки биогаза с целью его использования в качестве топлива. Соответствующая техника уже применяется на практике. 

Таблица 5.6: Обзор производителей транспортных средств, работающих на природном газе [87].

Компания „Kompogas” была одной из первых, которой удалось биогаз со своих установок, работающих на биоотходах довести до уровня качества топлива и заправляла им свои грузовые автомобили. В Цюрихе этот газ продают на заправках под названием „Kompogas” (нем. «Компогаз»). Также в пределах Большого Цюриха компания «Мигрос» эксплуатирует 8 грузовых автомобилей, работающих на биогазе.

Совмесная выработка тепловой и электрической энергии

При совмесной выработке тепловой и электрической энергии при помощи одного генератора биогаз применяют в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания, приводящих в работу генератор для выработки тока сети (называемый еще переменным током, либо трехфазным током). Избыток тепла, который появляется при работе двигателя из системы охлаждения и выхлопных газов можно использовать для отопления. Из всех возможных применений наиболее значение получило последнее. После вступления в силу Закона ЕС о энергетике от 1 апреля 2004 г. именно для малых производителей существует целый ряд преимуществ в оплате электроэнергии из возобновляемых источников энергии. Цена за выработанный кВт*ч электроэнергии в настоящее время зафиксирована на уровне 0,115 Евро/кВт*ч как базовая. Производство электроэнергии поэтому имеет существенные экономические преимущества по сравнению с применением лишь для обогрева.

Пример: биогаз с содержанием метана 60% иммет энергетическую ценность 6 кВт*ч/м³

Выход энергии с 1 л мазута составляет 10 кВт*ч энергии; если гипотетически составляет 45 центов/л, то стоимость энергии будет 4,5 цента/кВт*ч

При использовании в термических целях с КПД 90% стоимость биогаза будет составлять:

6 кВт*ч/м³ х 0,9 х 4,5 цента/кВт*ч = 5,4 кВт*ч/м³ х 4,5 цента/кВт*ч = 24,3 цента/м³ биогаза

При использовании с целью получения энергии в генераторах выработки тепловой и электрической энергии можно вывести следующее уравнение

(предпосылка: 35% электр. КПД, 11,5 цент/кВт*ч плата за подачу в элекросети и гаранти применения бонуса за использование возобновляемых источников энергии 6 цент/кВт*ч) 

• Производство электроэнергии: 6 кВт*ч/м³ х 0,35 х 17,5 цент/кВт*ч = 36,75 цент/м³
• Использование избытка тепла: 6 кВт*ч/м³ х 0,50 х 4,5 цента/ кВт*ч = 13,50 цент/м³
• Общее использование для выработки электроэнергии и использование избытка тепла = 50,25 цент/м³

Сопоставление показывает экономические преимущества при использовании на выработку электроэнергии по сравнению лишь с использованием для получения термической выгоды. Для дальнейших оценок следует также учесть другие факторы как то например стоимость выработки электроэнергии (подключение к сети, генератор и т.д) и использования с целью получения термической пользы (возможности применения, теплоэнергоцентраль и т.д.). Кроме того выработка электроэнергии имеет то большое преимущество, что можно гарантировать покупку электроэнергии по гарантированным ценам, в то время как для установок, находящихся на далеком расстоянии от поселков часто тяжело найти применение избытку тепла.

 Возможны два разных метода для производства электроэнергии:

1. Производство, рассчитаннгое на потребности. В этом случае выработка электроэнергии происходит в меру потребности, это в частности также значит, что если требуется большее количество электроэнергии, то и вырабатывается ее большее количество.

2. Равномерное производство. В этом случае двигатель преимущественно работает 24 часа в сутки, всегда с одинаковой производительностью. Мощность двигателя выставляется при помощи подачи газа и ручным вентелем таким образом, чтобы по возможности весь подающийся газ потреблялся и неакапливалось лишь его небоьшое количество.

Поскольку в настоящее время не существует большой разницы между выработанной из биогаза и направленной в сеть электроэнергией, а также использованной из нее энергией, то как правило выбирают прямую выработку электроэнергии без прибегания к большому газохранилищу, тоесть равномерное производство. Лишь в отдельных случаях, когда например подача электроэнергии в часы пик оплачивается соответственно по более высокому тарифу на электроэнергию, как это предлагают некоторые комуны или города, то хранение газа в комбинации с большой мощностью генератора экономически оправдано.

Какой из методов обойдется выгоднее, приходится решать в каждом отдельном случае. На будущее желательно, чтобы EVU делали возможным применение третьего метода, при котором в часы пик (преимущественно в обед и вечером) вырабатываемая электроэнергия лучше оплачивалась чем ее подача в остальное время. Благодаря возможности накапливать биогаз и возможности регулировать его производства по времени, этот метод относительно легко реализовать и он имел бы преимущества для обеих сторон.