АГРОБИО ТЕХНИКА - растениевъдство, животновъдство, биоенергетикагодина V, брой 3, 2017

Приложение на когенерационни системи в селското стопанство

Приложение на когенерационни системи в селското стопанство

Когенерационните системи могат да се използват навсякъде, където има потребност от автономно и едновременно производство на електрическа и топлинна енергия, и когато е налице евтино гориво. Селскостопанският сектор е подходящо място за приложение на когенерационни системи, работещи на разнообразно гориво, включително и биогаз, получен от отпадните продукти в стопанствата. Така стопаните могат да решат редица проблеми като енергийна ефективност, независимост в доставките, оползотворяване на отпадъците и екологичност.


Когенерационните системи все още не са често срещани в селското стопанство, но очакванията са това да се промени, тъй като водят до спестяване на енергия и допълнителни печалби. При тях се наблюдават значителни икономии на гориво и подобряване на производството без увеличаване потреблението на енергия. Висок потенциал за използване на комбинирано производство на енергия се наблюдава особено при производство на етанол, сушене на зърно и дървесина, отопление на оранжерии и сгради за отглеждане на животни.

Според проучвания голяма полза за селското стопанство се наблюдава, когато се използва биомаса (растителни остатъци, дървесина и животински отпадъци) като гориво. Газифициращи модули преобразуват биомасата в газове с ниска и средна калоричност (синтезни газове). Тези газове могат да бъдат използвани в инсталации с газови турбини, предварително подготвени да работят с тях като гориво. Анаеробната ферментация на отпадъците от фермата пък предвижда производство на биогаз (60% метан и 40% въглероден диоксид), който също се използва като гориво в когенерационната система.

Когенерацията – енергийно ефективна алтернатива за селското стопанство
За производствените сектори, в това число и селскостопанският, е характерно че електрическата и топлинната енергия често се консумират едновременно. За тази цел потребителите обикновено ползват електроенергия от големи електроцентрали и топлинна енергия от собствени котли. В този случай управлението на консумацията на двата типа енергия се извършва независимо. Тази класическа схема обаче има алтернатива – комбинирано производство, т.е. когенерация, на електро- и топлинна енергия от един източник. Това е една от най-ефективно управляваните енергийни технологии, която позволява по-рационално и пълно използване на енергията. Потреблението на енергия от източник за комбинирано производство може да се разглежда като по-ефективна и екологосъобразна консумация, с по-пълно използване на първичната енергия (горивото), по-малко замърсяване и намаляване разходите за енергийни доставки.

Техническа реализация
В основата на когенерационните инсталации е заложен принципа на когенерация, т.е. комбинирано производство на две или повече последователно получаващи се различни форми на полезна енергия (обикновено топлинна и механична) от един първичен източник. Механичната енергия може да се използва за генериране на електричество чрез задвижване на генератор или да се полазва без трансформация за задвижване на различен тип оборудване, например двигател, помпа, компресор или вентилатор. Топлинната енергия се използва както за отопление, така и за различни технологични процеси, изискващи по-високи температури. В месеци когато не е необходимо отопление, топлинната енергия може да се използва за охлаждане. Тогава говорим за тригенерация с производство на трети тип полезна енергия. Охлаждането става чрез абсорбционни модули, които работят с гореща вода, пара или горещи газове.

Когенерационните инсталации се класифицират според типа на двигателя, генератора и използваното гориво. Те могат да получават енергия от различни горива: газ, нефт, въглища, дървесина, селскостопански отпадъци, торф, биогаз, сметищен газ, газ от пречиствателни станции, както и голямо разнообразие от други видове гориво, в зависимост от локалното предлагане. Двигателите за инсталации за комбинирано производство са парни турбини, бутални двигатели, газови турбини, горивни елементи (клетки), двигатели на Стърлинг и микро-турбини. Типичен пример за когенерация в селското стопанство е генериране на електрическа енергия от синхронен генератор в комбинация с газов двигател и получаване на топлинна енергия от охлаждане на двигателя и изходящите газове.

Парни турбини
Друг често използван вариант са парните турбини. Парата, образувана в парния котел, се разширява и под налягане преминава през лопатките на турбината. Турбината се завърта и произвежда механична енергия, използвана от генератора за генериране на електричество. Електрическата мощност зависи от разликата в налягането на парата на входа и изхода на турбината. КПД на парната турбина е по-ниско в сравнение с газовите турбини и двигателите с вътрешно горене, но в състава на когенерационната система сумарната ѝ ефективност може да достигне 84%. Основни предимства са възможност за работа на всякакво гориво, много голяма единична мощност (до 1000МВт), широка гама от мощности и различни варианти на охлаждащата течност. Недостатък са дългият стартов период, високата цена и сложният ремонт.

В когенерационните системи се използват два вида парни турбини – противоналегателни и кондензационни. Парните турбини с противоналягане са с различни конфигурации в зависимост от стойностите на налягането и температурата. При тях получаването на електричество е функция от консумираната топлина, т.е. добивът на топлина и електричество са взаимно свързани и при ниска консумация на топлина се ограничава електропроизводството. Този недостатък може да се избегне като излишната топлина се използва за студопроизводство през лятото. За разлика от тях, кондензационните турбини предлагат независимо производство и на двата типа енергия - при ниски консумации на топлина по-голяма част от парата се насочва за получаване на по-голяма електрическа мощност.

Бутални двигатели
Двигателите с вътрешно горене (буталните) генерират мощност от конвертиране на химичната енергия на горивото в топлинна, която след това се превръща в механична работа. Преобразуването става чрез изгаряне на горивото и последващо прехвърляне на топлината чрез разширяващия се флуид в механична работа на буталото. Използват се два вида бутални двигатели – с искрово запалване и със запалване чрез компресия. В първия вариант двигателят е аналог на автомобилния бензинов двигател и може да работи на газ и биогаз. Във втория вариант става въпрос за аналог на автомобилния и корабния дизел, който работи с дизелово гориво. Възможностите за изходна електрическа мощност са от 0.2 до 80МВт, а КПД е 70-92%.

Предимства на буталните двигатели са високата производителност, ефективната работа при слабо натоварване (от 30% до 100%), относително ниските първоначални инвестиции за 1кВт енергия, бързият старт от 15 секунди, работа с ниско налягане на газа (под 1 бар) и гъвкавост при избора на гориво. Ако топлината не се използва, е необходимо охлаждане. Тук има високо ниво на нискочестотен шум и голямо съотношение тегло/изходна мощност.

Газови турбини
Те работят като газът се нагнетява в горивна камера с компресор и се смесва с въздуха, формирайки горивна смес, която се изгаря. Продуктите на горенето с висока температура (900оС-1200оС) преминават през няколко реда лопатки на вала на турбината и я привеждат във въртене. Механичната енергия се подава чрез редуктор на електрогенератор. Топлинната енергия от турбината постъпва в топлообменник. Като гориво се използва природен газ или друг вид газово гориво. Температурата на изходящите от турбината газове е 450оС-550оС. Количественото съотношение на топлинната енергия към електрическата при газовите турбини е 1.5:1 до 2.5:1, което позволява построяване на когенерационни системи с различен тип топлоносител. Възможните варианти са: непосредствено използване на отработените горещи газове, производство на пара с ниско и средно налягане във външен котел, производство на топла вода (за предпочитане, когато необходимата температура е над 140оС) и производство на пара с високо налягане. КПД е 65-87%, а единичната мощност е достатъчно голяма – до 300МВт. Тук производителността е по-ниска от тази при буталните двигатели и нивото на шум е високо.

Парогазови турбини
Трябва да отбележим че съществува и парогазова технология (combined-cycle power plant), основана на комбинация на парна и газова турбина в първичния двигател, но тя е ефективна само при достатъчно големи мощности (над 30МВт). Може да работи на газ и течно гориво, включително биогаз, керосин, LPG и дизел. Диапазонът на мощността преминава 300МВт. Общото КПД е 73-90%. Като цяло се използва за максимизиране производството на електроенергия, а когенерацията има подчинена роля и се осъществява за сметка на отвеждане на част от топлината от парната турбина.

Електрогенератори
Генераторите се използват за преобразуване на механичната енергия от въртящия се вал на двигателя в електричество. Те могат да бъдат синхронни или асинхронни. Синхронните генератори могат да работят в автономен режим или паралелно с мрежата, докато асинхронен генератор може да работи само паралелно с мрежата. Ако има прекъсване или други проблеми в мрежата, асинхронният генератор спира да работи. Ето защо, за да се осигури гъвкавост и сигурност в когенерационните системи, синхронните генератори се използват по-често.

Система за оползотворяване на топлината
Топлообменниците са елементът от когенерационната система, който гарантира оползотворяване на отпадната топлина. Най-простата схема е когато отработените газове преминават през топлообменник, където става пренос на топлинната енергия върху течен топлоносител (вода, гликол). След това охладените газове се изхвърлят в атмосферата като количествения и химическия им състав не са променени.

За ефективен топлообмен изходящите газове не трябва да се охлаждат до температура, при която започва образуване на воден конденз върху димоотводните тръби, тъй като той ще възпрепятства нормалното преминаване на газове. Освен това температурата на изходящите газове трябва да е по-висока с не по-малко от 30оС от тази на охлаждащата течност. Не трябва да се допуска и охлаждане до образуване на киселинен кондензат, които ще предизвика корозия на материалите, особено при гориво с високо съдържание на сероводород. Друга особеност е, че извличане на допълнителна енергия от парата в отработените газове, може да стане само след охлаждане до 100оС, когато парите се втечняват, но при това не трябва да се забравя за другите ограничения, оказани по-горе.

От казаното дотук следва, че за когенерационни системи е трудно да се използва готово топлообменно оборудване. Топлообменниците обикновено се проектират специално за всяка система, като се вземат предвид параметрите на всеки модел двигател/турбина и вида на използваното гориво.

Предимства в приложението на когенерация
Когенерационната технология е сред водещите в света в тази сфера. Интересно е, че тя прекрасно съчетава положителни характеристики, които до скоро се считаха за несъвместими. Освен автономност на доставките тя предлага и отличен механизъм за икономически стимули. При качествено изпълнен проект системата за когенерация може да произвежда електричество на цена 3-4 пъти по-ниска от това в централната електроразпределителна мрежа. Тези системи имат висока ефективност (около 90%), недостижима в традиционните електроцентрали или отделни източници на топлина. В традиционните парогенераторни електроцентрали, поради технологичните особености на производство на електроенергия, голяма част от произведената топлина се изхвърля в атмосферата чрез парните кондензатори и охладителните кули. Голяма част от тази топлина може да се оползотвори и използва за удовлетворяване на топлинни нужди, което повишава ефективността с 30-50% за електроцентрали и до 90% в когенерационни системи.

Сред основните преимущества на когенерационното производство са екологичните параметри, които са повече от удовлетворителни, със своите ниски емисионни нива на азотни окиси (NOx), въглероден оксид (CO) и въглероден диоксид (CO2) в сравнение с разделното производство на топлина и електроенергия. Друго предимство е възвращаемостта на инвестициите, свързани с покупката и инсталирането на когенерационен блок. Крайният срок на откупуване е в рамките на 3-5 години. Тук има и възможност за използване на различни видове гориво, включително биогаз и газ от пречистващи съоръжения за намаляване на въглеродния отпечатък. Монтажът на когенерационната система е в един корпус, което снижава разходите за инсталиране. Освен това намалени са и загубите от пренос на енергия, тъй като когенерационните блокове се поставят в местата на потребление на електро- и топлоенергия, така че на практика в мрежата отсъстват загуби. Работата е безшумна и води до получаване на разнообразни източници на енергия - гореща вода, пара, електроенергия и студена вода (в тригенерация).

Защо когенерационните системи са така подходящи за селскостопански обекти?
Липсата на електроразпределителна мрежа или лошото качество в доставките на енергия в отдалечените от инфраструктура региони, където често се локализира селското стопанство, е основен фактор за забавяне на растежа. Когенерацията е сред най-оптималните варианти за гарантиране на надеждни доставки на електроенергия навсякъде и по всяко време. Съвременното енергозависимо селско стопанство изисква все повече енергия за своите работа и развитие. При традиционното енергообезпечаване възникват множество организационни, финансови и технически трудности при разрастване на стопанството, тъй като често се налага изграждане на нови електропреносни линии и трафопостове.

В същото време когенерацията предлага много гъвкав и бърз план за нарастващи стопанства. Освен това нарастването може да е с различни мащаби. Това е свързано с тясната връзка между генерация и потребление на енергия. Следователно са обезпечени всички енергийни нужди, които вървят ръка за ръка с икономическия ръст. Когато разчитат на когенерация стопаните са защитени и от внезапни прекъсвания на захранването от централната мрежа, които се случват заради амортизация на инфраструктурата, природни бедствия или други непредвидени събития.

Тъй като тенденцията на съвременните стопанства е към окрупняване и те все повече зависят от новите технологии, непрекъснатото захранване на цифровите системи е много важен аспект. Компютърни микрочипове, комуникационни мрежи, интернет комуникации и транзакции при загуба на мощност могат да запазят информацията само в течение на 8 милисекунди. Когенерационните блокове покриват „6 деветки” или 99.9999% вероятност за непрекъснато електроснабдяване, докато конвенционалната електроразпределителна мрежа дава „4 деветки” (99,99%), което може да е рисково за съхраняването на данни.

Още една причина за привлекателността в приложението на когенерацията в оранжерии е използването на електричеството и топлината едновременно с въглеродния диоксид, които е продукт от изгарянето на горивото. Той се използва в оранжериите за стимулиране растежа на растенията чрез поддържане на фотосинтезата. В момента подобен метод се използва в много страни като Белгия, Дания, Франция, Испания, Англия, Португалия и Холандия.

Биогазът като гориво в когенерационни системи
Един ефективен източник на възобновяема енергия за когенерационните системи е биомасата. Всяко стопанство, независимо от това какво отглежда, е източник на биомаса в различни форми и почти всички от тях могат да бъдат използвани. Годишно в света с помощта на фотосинтеза се произвежда около 120млрд. тона сухо органично вещество, което е енергиен еквивалент на повече от 40млрд. тона петрол. В същото време стопанствата генерират постоянно големи количества органични отпадъци, които ако не се оползотворят, трябва да се третират, обезвреждат и транспортират, а това изисква време, труд и средства. Ето защо в селскостопанския сектор използването на биомаса в когенерационните системи се очертава като много ефективна и екологична алтернатива.

В специални биогазови реактори биомасата се разгражда анаеробно до получаване на биогаз - смес от метан и въглероден двуокис. Енергията, получена чрез изгаряне на биогаз, може да достигне 60 до 90% от енергията на изходния материал. Друго и много важно предимство е, че патогенните микроорганизми се обезвреждат в процеса на преработка. Получаването на биогаз е икономически оправдано при обработката на постоянен поток от отпадъци (отпадъчни води от животновъдни ферми, кланици, растителни остатъци и т.н.). Предимството е, че няма нужда от предварителни дейности с отпадъците и е известно колко и кога ще се получат, за да се планира производството. Производство на биогаз е възможно в инсталации от всякакъв мащаб и е особено ефективно в селскостопански комплекси, където има възможност за пълно затваряне на цикъла.