Барбара Эдер, Хайнц Шульц. Биогазовые установки. Практическое пособие

Подождите немного. Документ загружается.

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®.

Состав природного газа для использования транспортными средствами

Метан >96% Меркаптан <15 мг/Нм³

Углекислый газ <3% Сероводород <5 мг/Нм³

Кислород <0,5 Влага (точка росы под

давлением)

<-10 до -30 ˚С

Азот Сведенья отсутствуют Пыль (<-1µм)

Общее количество

серы

<120 мг/Нм³ Масло <100-200 ppm

Таблица 5.4: Состав природного газа для использования в транспортных средствах

(ISO/DIS 15403) [87]

Тип строения двигателя и процесс сгорания

Примечания Двигатель на бензине

по принципу газ-Отто

Двигатель на дизеле

по принципу газ-Отто

Двигатель на дизеле

Воспламенение от

впрыскивания топлива

Цена низкая очень высокая Высокая

Электр. КПД 20 – 25% 30 – 35%, от 300 кВт

более чем 35%

30 – 40%, одинаковая

для всех классов

мощности

Срок эксплуатации Низкий Средний Средний

Создаваемый шум средний Сильный Сильный

Сажа в отработанных

газах

./. ./. Присутствует

Техническое

обслуживание

Высокое Небольшое Высокое

Потребление

зажигательного

топлива

./. ./. Да

Возможная замена

топлива в случае

отсутствия биогаза

Сжиженый газ (бензин) Сжиженный газ Мазут, дизельное

топливо, растительное

масло

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.

Производители транспортных средств на природном газе

Марка Модель

Opel Zafira 1.6 CNG

Astra Caravan 1.6 CNG

Combo Kastenwagen

Mercedes-Benz E 200 NGT

Fiat MULTIPLA 1.6 Natural Power CityLiner

Punto

Doblo

Ducato

Volvo S60, 2,4 Bi-Fuel Kinetic

S80, 2,4 Bi-Fuel Kinetic

V70, 2,4 Bi-Fuel Kinetic

VW Golf Variant Bi-Fuel

Citroen 1.4 Erdgas Family

1.4 Erdgas 600 кг

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.

5.4 Производство электроэнергии и тепловой энергии при помощи

одного генератора

5.4.1 Двигатели, работающие на биогазе

Главной проблемой при производстве электроэнергии из биогаза, является

изобрести такой двигатель внутреннего сгорания, который бы соответствовал

следующим важным требованиям:

 Низкая стоимость из-за серийного производства

 Длительный срок эксплуатации также в режиме полной и длительной

загрузки, поэтому количество оборотов максимум 1500 оборотов/минута

 Хорошая эффективность механики, даже при неполной загрузке

 Простота в обслуживании фермером и хорошая доступность

требующих обслуживания деталей

 Возможность быстро приобрести запчасти, мастерская поблизости для

проведения специальных работ

 Небольшие эмиссии звуков и отработанных газов

 Большой запас смазочного масла и длительные интервалы между сменой

масла

 Жидкое охлаждение для дальнейшего использования избытков тепла

 Невосприимчивость к влажной среде и остатков веществ в биогазе

 Не содержащие цветных металлов подшипники, и уплотнители в двигателе

Если внимательно рассмотреть разные предложения по двигателям, то можно

заметить, что очень тяжело найти технику, соответствующую в полной мере всем

требованиям. Таким образом приходится искать компромиссы. В первую очередь

это касается соотношения цена-мощность при длительном сроке эксплуатации и

хорошей эффективности в работе. Для практического применения в биогазовых

установках подходящими считаются газовые двигатели Отто, дизельные двигатели,

переделанные на работу на газе, а также газодизельные двигатели внутреннего

сгорания. Газовые двигатели Отто могут работать исключительно на биогазе либо в

аварийном режиме на сжижженом газе. Для них необходимо иметь зажигание через

зажигательную свечу. Также можно использовать переведенные на работу на газу

бензиновые и дизельные двигатели, оснащенные смесителем для газа и

зажигательным устройством вместо устройства для вбрызгивания. В Таблице 5.6

собраны все важнейшие характеристики двигателей.

Переустройство бензиновых двигателей на биогаз

Этот вариант преобрел известность благодаря «Фиат-Тотем» (тотальный

энергетический модуль) с мощностью генератора 15 кВтэл. и двигателем для

легкового автомобиля.

Из-за высокого количества оборотов – 3000 об./мин. были проблемы с

продолжительностью службы двигателя легкового автомобиля тип 127, поэтому

его почти не используют в настоящее время для работы на биогазе.

При изменении конструкции, позволяющей перейти с бензина на биогаз

следует учесть потери мощности на уровне 10-15% при одинаковом количестве

оборотов, что обусловлено балластом СО

2. Поскольку биогаз имеет более

высокие детонационные характеристики (менее взрывоопасен), то потери

мощности можно компенсировать повышением плотности. Для этого однако

требуется чтобы камера сгорания должна быть уменьшена из-за стирания

головки цилиндра, чего сегодня почти не делают. Самое существенное

изменение бензинового двигателя для работы на биогазе состоит в монтировке

газового смесителя на участку всасывания, чтобы газ как можно более

равномерно перемешивать с воздухом.

Поскольку биогаз не имеет охлаждающего и смазывающего влияния на седла

клапанов, то по возможности необходимо применять двигатели с

бронированными седлами клапанов, как это принято на сегодняшний день для

бензина не содержащего свинца.

Если мощность до 50 кВт, то электр. КПД этих установок до 22-25%. На

сегодняшний день на рынке присутствует производитель, предлагающий

генераторы с новыми бензиновыми двигатели для небольших биогазовых

установок (Изобр. 5.10).

Переустройство дизельных двигателей для работи по принципу газовых

ДВС с внешним смесеобразованием

Этот пут хорошо зарекомендовапл себя для так называемых газовых

двигателей, на канализационных газах. Используют тяжелое, устойчивое

строение стационарных дизельных двигателей, их большую компрессию и

вместо вбрызгивающего устройства монтируют постороннее зажигание и

смешиватель для газов. Большие двигатели оснащают турбонагнетателем

отработанных газов и в отдельных случаях дополнительно надувочным

компрессором. Таким образом удается для двигателей мощностью до 3000 кВт

на генераторе достичь КПД около 40%. По мере возрастания размеров

двигателей

растет эл. КПД, в то время как термический КПД понижается

приблизительно в том же размере. Эта взаимосвязь играет роль при

использовании избытка тепла существенную роль (смотр. «Коэффициент

электроэнергии»).

В то время как для старых газовых двигателей условием безупречной работы

было минимальное содержание метана на уровне 50%, на сегодняшний день

газовые двигатели

с соответствующей регулирующей техникой могут работать на

биогазе с содержанием метана от 40%. При запуске или при эксплуатации в

аварийном режиме газовые двигатели могут работать и на природном газе,

однако при продолжительной работе по сравнению с газожидкостными

двигателями они не требуют дополнительного топлива. Эти двигатели хорошо

себя зарекомендовали для работы на установках с канализационным и

свалочным газом. Но при резков возрастании количества установок такие

генераторы применяются в первую очередь из-за длительности эксплуатации

(Изобр. 5.11).

Газодизельные двигатели внутреннего сгорания

Для биогазовых генераторов используют серийные газодизельные двигатели

внутреннего сгорания, при этом в сжатую смесь из газа и воздуха через сопла

вбрызгивания подают небольшое количество пусковой жидкости. Это делают не

только при запуске и прогреве двигателя на холостом ходу, а постоянно. В

качестве пусковой жидкости как правило используют легкий мазут, количество

которого может колебаться в пределах 4-30%, причем большее его содержание

соответствует для работы с низкой нагрузкой. Поскольку пусковая жидкость до

последнего времени всегда имела ископаемое происхождение, то для

поставляющих электроэнергию компаний иногда возникали проблемы с оплатой

электроэнергии, когда процент пусковой жидкости был слишком высоким. Хоть

юридически и не требуется, но рекомендуется ограничить потребление пусковой

жидкости до уровня 10% от общего потребления топлива (пусковая жидкость и

биогаз), поскольку лишь ее содержание в таком количестве акцептируется

поставляющими электроэнергию компаниями.

Двигатели преимущественно берут из производства тяговых машин и

грузового транспорта, которые изменяют под потребности переработки биогаза в

электроэнергию. Двигатели внутреннего сгорания работают по принципу

дизельных двигателей, тоесть они самозажигающиеся. Небольшое количество

добавляемой пусковой жидкости оказывает охлаждающий эффект на сопла

вбрызгивания, что может привести к забиванию и повышенному износу.

Электр. КПД генератора с газожидкостным двигателем внутреннего сгорания

достигает уровня 25-40%. Для фермеров перерабатывающих биогаз на

электроэнергию,

Газожидкостный двигатель Газовый двигатель

Преимущества

 30-40% электр. КПД

 на 3-4% выше КПД по сравнению с

бензиновыми двигателями

 Бывают мощностью и до 100 кВт

 Независимы от качества газа

 Выгодная цена

Преимущества

 34-40% электр. КПД, но лишь от 300 кВт

 Высокие простои (60 000 часов)

 Полностью соответствуют техническим

требованиям по защите чистоты воздуха

 Небольшие затраты

на сервисное

обслуживание