Obecnie coraz większą uwagę przywiązuje się do ochrony środowiska.

Coraz więcej słyszymy o nowych, czystszych technologiach przyjaznych środowisku, wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii czy zmniejszeniu zużycia energii (tzw. większej efektywności energetycznej). Z drugiej strony rosnąca populacja ludzka, oraz postępujący wzrost zamożności społeczeństw przyczynia się do powstawania  coraz większej ilości odpadów. Problem ich składowania, a co gorsza uwalniający się w procesie biologicznego rozkładu gaz cieplarniany – metan, stanowi wyzwanie dla inżynierów i ekologów. Ostatnie lata pokazują, że można wykorzystać odpady jako odnawialne źródło energii. Jedną z metod pozyskiwania energii z odpadów organicznych (a dokładniej ich produktu –  biogazu) jest kogeneracja.

Rys. 1. Instalacja pozyskiwania gazu wysypiskowego na Malcie (źródło: www.haase-energietechnik.de)

Parę słów o kogeneracji

Skojarzone wytwarzanie ciepła i elektryczności czyli kogeneracja jest powszechnie znaną technologią (opiera się na niej funkcjonowanie elektrociepłowni). Polega na jednoczesnym wytworzeniu energii cieplnej, mechanicznej a także elektrycznej z paliw pierwotnych, a więc zamianie energii chemicznej paliwa na możliwą do wykorzystania w naszych domach czy zakładach przemysłowych. Proces realizuje się w pojedynczym urządzeniu lub układzie wzajemnie połączonych urządzeń.  Innym powszechnie używanym terminem  stosowanym dla systemów kogeneracyjnych jest określenie: układy CHP (ang. Combined Heat and Power).

Ze względu na wielkość oraz produkowaną moc wyróżnia się zcentralizowane układy o dużej mocy np. elektrociepłownie zawodowe i przemysłowe zasilane głównie konwencjonalnymi źródłami energii (w Polsce głównie przez węgiel brunatny czy kamienny) oraz układy rozproszone o małej mocy (układy CHP) zasilane paliwami gazowymi, w których coraz częściej jako paliwo wykorzystuje się biogaz – odnawialne źródło energii.

Gazowe układy kogeneracyjne małej mocy

Podstawową różnicą pomiędzy elektrociepłownią parową a układami CHP małej i średniej mocy jest występowanie w tych drugich tzw. agregatu kogeneracyjnego czyli zespołu urządzeń połączonych ze sobą i zamkniętych w jednej obudowie, który jest jednocześnie źródłem energii elektrycznej jak i ciepła. Ponadto w układach małej mocy istnieją dwa niezależne obiegi tj.  jeden wytwarzający pracę (a następnie prąd) i drugi – wytwarzający ciepło. Dzięki temu, nawet przy braku zapotrzebowania na ciepło, można wytwarzać energię elektryczną, bez zmiany sprawności wytwarzania energii elektrycznej.

Typowy układ kogeneracyjny CHP składa się z:

  • silnika tłokowego lub turbiny gazowej
  • generatora
  • systemu wymienników ciepła lub kotła odzyskowego
  • systemu automatycznego (często zdalnego) sterowania
  • systemu filtrów powietrza i układu odprowadzania spalin ( z tłumikiem hałasu)
  • chłodziarki absorpcyjnej (w układach klimatyzacyjnych lub chłodniczych)

Zbiornik biogazu wraz z modułami CHP
Gaz wysypiskowy  jako paliwo dla kogeneracji

W Polsce co roku na składowiska śmieci trafia  ponad 12 milionów ton odpadów – materiałów organicznych i nieorganicznych, produktów naszego codziennego bytowania, działalności przemysłowej i usługowej. Rozwój gospodarczy i wzrost zamożności społeczeństwa sprawia, że ta liczba cały czas wzrasta. Gdy przyjmiemy, że w Polsce żyje około 40 mln obywateli z czego statystycznie każdy wytwarza 250 kg odpadów rocznie, daje to roczny przyrost masy odpadów komunalnych w wysokości 10 mln ton.

Rys. 2. Zbiornik biogazu wraz z modułami CHP (źródło: www.haase-energietechnik.de)

 

 

Odpady – materiały organiczne i nieorganiczne

Istnieje wiele sposobów zagospodarowania śmieci, jedną z nich jest produkcja energii poprzez spalanie powstałego na wysypisku biogazu.  Szacuje się, że ponad 400 tys. ton uzyskanych w procesie selekcji odpadów nadaje się do energetycznego wykorzystania z efektywnym uzyskiem energii cieplnej i elektrycznej.

Odpady organiczne składowane są w postaci hałd, które przy pomocy kompaktorów lub pod własnym ciężarem, po pewnym czasie, ulegają rozkładowi biologicznemu. Produktem jest gaz wysypiskowy. Jest to jeden z rodzajów biogazu, którego  głównymi składnikami są metan i dwutlenek węgla. Jedna tona odpadów pozwala wyprodukować około 110 m3 biogazu, z czego 1 m3 biogazu daje 1,9 kWh energii elektrycznej i 3-4 kWh energii cieplnej. Do innych źródeł biogazu zalicza się m.in. oczyszczalnie ścieków, biogazownie rolnicze i komunalne.
                                                                                                                 Rys. 3. Odpady – materiały organiczne i nieorganiczne, produkty naszego codziennego bytowania i działalności gospodarczej  – w Polsce co roku na składowiska śmieci trafia ich ponad 12 milionów ton.

Wyróżnia się dwa systemy pozyskiwania gazu wysypiskowego: pasywny i aktywny. Pierwszy polega na migracji gazu spowodowanej naturalną różnicą ciśnień, w drugim stosuje się odsysanie gazu z wysypiska. Większość istniejących instalacji wykorzystuje pionowe odwierty do pozyskiwania gazu, ale występują również poziome systemy rurociągów (stosowane gdy wysypisko usypywane jest warstwami).  Pionowe studnie wierci się zwykle po ukończeniu budowy składowiska lub jego części, coraz częściej jednak instaluje się je równocześnie z usypywaniem złoża.

Charakterystyka gazu wysypiskowego

Gaz wysypiskowy, powstały na dobrze utworzonym i eksploatowanym złożu, składa się w głównej mierze z metanu (ok. 45-58%), dwutlenku węgla (32-45%), azotu (0-5%), wodoru (1-2%), tlenu (2%), oraz związków występujących w ilościach śladowych jak np.: chlorowodór, węglowodory wyższych rzędów, związki alkaliczne, siarkowodór, amoniak czy tlenek węgla. Wartość opałowa gazu wysypiskowego zawiera się zwykle w przedziale 12-22 MJ/m3 a gęstość zmienia się w granicach 1,04-1,22 kg/m3. Zasadniczym, najważniejszym składnikiem palnym gazu wysypiskowego jest metan CH4.

Na przydatność paliwa w układach kogeneracyjnych wpływa wiele własności. Do najistotniejszych należą:

  • Skład chemiczny,
  • Wartość opałowa,
  • Wartość liczby Wobbego (parametru określającego właściwości użytkowe gazu oraz jego wykorzystanie w danych urządzeniach energetycznych)
  • Wysoka odporność na spalanie detonacyjne (stukowe),
  • Odpowiednia prędkość spalania mieszanki paliwowo – powietrznej,
  • Niska zawartość zanieczyszczeń i inne.

Układy CHP zasilane gazem wysypiskowym

Dla układów CHP zasilanych gazem wysypiskowym, niejednokrotnie dzięki niskim kosztom paliwa, uzyskuje się bardzo korzystne wskaźniki opłacalności. Problemem bywa natomiast znalezienie potencjalnych odbiorców ciepła. Najkorzystniej jest, gdy znajdują się oni w niedalekiej odległości od obiektu, ponieważ wraz z rosnącą odległością wysypiska od odbiorców rosną straty na przesyle energii cieplnej a co za tym idzie maleje jej opłacalność.

Najczęściej stosowane urządzenia w układach skojarzonych małej mocy to tłokowe silniki spalinowe. Ich zaletą jest sprawność osiągana nawet w zakresie małych mocy, a także aspekty ekonomiczne takie jak stosunkowo niskie wskaźniki jednostkowego nakładu inwestycyjnego. Do wad zalicza się natomiast konieczność chłodzenia nawet gdy nie ma odbiorców ciepła, duże gabaryty oraz wysoki poziom hałasu.

Rysunek 5 przedstawia schemat elektrociepłowni z silnikiem spalinowym zasilanym gazem wysypiskowym.

Inną podstawową grupą urządzeń w układach CHP są turbiny gazowe.  W odróżnieniu od silników tłokowych stanowią one połączenie szeregowe oddzielnych urządzeń (sprężarki, komory spalania i turbiny) co daje możliwość tworzenia różnorodnych konfiguracji układu.

Rozwój technologii przyczynił się w ostatnim czasie do produkcji turbin gazowych bardzo małych mocy tzw. mikroturbin (o mocy poniżej 70 kW). Istotna zmiana konstrukcyjna, w stosunku do zwykłej turbiny gazowej, to zastosowanie sprężarki i turbiny promienicowej oraz regeneracyjnego podgrzewacza powietrza zintegrowanego z całym układem. Ze względu na uzyskiwane wskaźniki techniczne mikroturbiny gazowe mogą stanowić konkurencję dla silników tłokowych gazowych małej mocy, ze względu na: wielkość układu, ciężar, emisję hałasu i drgań a także kosztów obsługi i remontów. (…)

Literatura:

  • Skorek J., Kalina J.: „Gazowe układy kogeneracyjne” Warszawa 2005.
  • Ekspertyza „Ocena Strategii rozwoju energetyki odnawialnej oraz kierunki rozwoju energetycznego wykorzystania biogazu wraz z propozycją działań”
  • Centrum Informacji o Rynku Energetyki www.cire.pl

Dominika Nowicka

 

Cały artykuł – GLOBEnergia 2/2010