Trvalo udržateľné využívanie tepelnej energie zariadení na výrobu bioplynu - PDF na stiahnutie zadarmo
Trvalo udržateľné využívanie tepelnej energie v zariadeniach na výrobu bioplynu
Poďakovanie Táto príručka bola vyvinutá ako súčasť projektu BiogasHeat (IEE/11/025), podporovaného Európskou komisiou prostredníctvom programu Inteligentná energia pre Európu (IEE), programu riadeného Výkonnou agentúrou pre konkurencieschopnosť a inovácie (EACI). Autori ďakujú Európskej komisii za podporu projektu BiogasHeat, ako aj referenciám a partnerom spoločnosti BiogasHeat za príspevok do príručky. Za poskytnutie obrázkov a grafiky autori ďakujú týmto spoločnostiam: AgroEnergien (Burkhard Meiners), GE Energy (Roland Jenewein), LaTherm GmbH (Michael Schönberg), SCHNELL Motoren AG (Susanne Kerezsy), STELA Laxhuber GmbH (Nadine Sahlmann), Thermaflex Isolierprodukte GmbH (Jana Tanneberg-Kranz), TransHeat GmbH (Ronald Strasser), Tranter Solarice GmbH (Wolfgang Stürzebecher) a Verdesis Services UK LTD (Nick Sheldon). 2
3.4.1 Systémy CRC. 56 3.4.2 Systémy ORC. 57 3.4.3 Cyklus Kalina. 60 3.4.4 Stirlingov motor. 61 3.4.5 Turbína na spaliny. 62 4 Inovatívne koncepty pre efektívnu premenu bioplynu. 63 4.1 Potrubia na výrobu bioplynu a satelitné kogeneračné jednotky. 63 4.2 Úprava bioplynu a vstrekovanie biometánu do siete. 65 4.3 Preprava biometánu v kontajneroch. 67 4.4 Využitie biometánu v doprave. 68 4.5 Bioplyn pre riadenie záťaže a stabilitu siete. 69 4.6 Biometán a elektrina v plyne. 70 5 Pokyny k možnostiam použitia tepla. 72 6 Závery. 74 Slovník a skratky. 76 Všeobecné prevodné jednotky. 85 Bibliografia. 88 5
Rovnica 3 Rovnica 4 Rovnica 5 Strata Q Strata tepla cez povrchy digestora (rozlíšené stratami cez steny, podlahu a krytiny) [kwh] Prevádzka Q Strata tepla cez povrchy digestora a vyčerpaného digestátu [kwh] AUT thiha Plocha prenosu tepla [m²] Koeficient prestupu tepla [W/m²K] Teplotná odchýlka (vnútorná-vonkajšia) [K] Čas [hodiny] Koeficient prestupu tepla konvekciou vo vnútri digestora [W/m²K] Koeficient prestupu tepelná konvekcia mimo digestor [W/m²K] d 1 Hrúbka vrstvy 1 d 2 Hrúbka vrstvy 2 k 1 k 2 Tepelná vodivosť prvej vrstvy [W/mK] Tepelná vodivosť druhej vrstvy [W/mK ] Obrázok 5: Schematický graf znázorňujúci stenu digestora vrátane tepelného profilu pre chladnú zimu (-18 ° C) (zdroj: vlastné údaje; upravené z www.u-wert.net) 20
Obrázok 11: Pripojovacie zariadenie (vrátane výmenníka tepla) koncového spotrebiteľa pripojeného k systému diaľkového vykurovania v Achentalu v Nemecku (Zdroj: Rutz) Obrázok 12: Inštalácia tepelného potrubia do hospodárskych budov (Zdroj: ThermaflexIsolierprodukte GmbH) Dodávka bazálneho tepla V tomto koncepte dodáva prevádzkovateľ bioplynovej stanice spotrebiteľovi tepla iba dostupnú časť tepla z bioplynovej stanice. Prevádzkovateľ nezaručuje úplné dodanie tepelnej energie. Je preto nevyhnutné, aby bol spotrebiteľ tepelnej energie vybavený ďalšími ohrievačmi, ktoré je možné v prípade 29 zapnúť
Krivka časov tepelného napätia je podobná krivke tepelného zaťaženia, ale údaje o napätí sú zoradené v zostupnom poradí a nie chronologicky. Obrázok 17 zobrazuje príklad krivky trvania napätia pre stredne veľký systém diaľkového vykurovania. Ďalej ukazuje, koľko tepelnej energie by mohla dodať na bazálnej úrovni bioplynová stanica s výkonom 600 kw a približne 7200 prevádzkovými hodinami. Zásobu tepla pri špičkovom zaťažení by teda mal zabezpečovať iný systém. Ak by mala byť pokrytá úplná dodávka tepla z bioplynovej stanice, mala by byť kapacita v tomto príklade približne 1 800 kw. Obrázok 17: Príklad krivky tepelného stresu systému diaľkového vykurovania integrujúceho 600 kw kogeneračnú jednotku 32
Koeficient potreby tepla u je hodnota pre potrebu tepla rôznych typov skleníkov a pohybuje sa od 4,6 pre skleníky s dvojitým zasklením so zmiešaným vykurovacím systémom až po 10 pre jednotlivé skleníky, s fóliami a tepelnými rúrami zdvihnutými nad. pôda. Je potrebné vziať do úvahy, že najväčšia potreba tepla pre skleníky sa vyskytuje v chladnom období, a to v zime, ako aj na konci jesene a skoro na jar. Teplo dostupné z bioplynovej stanice je tiež v chladnej sezóne nižšie, pretože na ohrev digestorov je potrebných viac energie. Zariadenia na uskladnenie tepla môžu vyrovnať variácie, sú však všeobecne veľmi nákladné. Na presný návrh potreby tepla v skleníku sú potrebné podrobné výpočty. Nakoniec by sa malo zvážiť aj použitie CO 2 z toku spalín v kogeneračnej jednotke, pretože CO 2 zvyšuje rast rastlín. Obrázok 19: Aklimatizované skleníky v Nemecku (zdroj: Rutz) 36
niektorých materiálov je uvedená v tabuľke 6. Táto tabuľka tiež obsahuje maximálne teploty sušenia. Tabuľka 6: Časy a teploty sušenia pre rôzne materiály Materiál Sušiaca sezóna Maximálne teploty sušenia [C] Polená a guľatina lesného palivového dreva Polená a guľatina palivového dreva pre krajinu Lesné plantáže s krátkou rotáciou Zima 55 -150 Celý rok 55-150 Zima 55-150 Obilniny Júl 30. - 65. Liečivé rastliny a byliny Tráviaci a splaškový kal Jún 25. - 50. Október Celý rok 55-95 Existuje niekoľko rôznych technológií sušenia. Medzi vhodné technológie na relatívne nízke teploty zvyškového tepla z bioplynových staníc patria dávkové sušičky (priechodné), dopravníkové sušičky, mobilné lopatové sušičky (tabuľka 7). 45
expanzia, kde jeho teplota a tlak prudko klesajú. Amoniak nakoniec znova vstúpi do odparovača, kde vyvoláva chladiaci efekt. Takto je cyklus uzavretý. Obrázok 29: Proces typického absorpčného chladiaceho zariadenia s chladivom amoniak-voda 3.3.2 Centrálne chladenie Centrálne chladenie je podobné ako diaľkové vykurovanie, ale namiesto tepla distribuuje chladenú vodu. Aj keď dopyt po chladení neustále rastie kvôli vyšším štandardom komfortu a vyšším teplotám súvisiacim so zmenou podnebia, centralizované chladenie nie je také efektívne ako diaľkové vykurovanie. Niekoľko európskych miest zaviedlo centralizované chladiace systémy s cieľom znížiť emisie skleníkových plynov (obrázok 30). 53
Obrázok 35 zobrazuje príklad modulu ORC pre zariadenia na výrobu bioplynu. V tomto príklade môže jednotka generovať až 125 kW elektrickej energie zo zdroja tepla s dobou približne 980 kW. Minimálne teplo je 121 ° C, zatiaľ čo väčšina pochádza zo spätného získavania tepla z výfukových plynov a menšia časť z predhrievania kvapaliny z chladiaceho okruhu motora. Tabuľka 9: Charakteristiky rôznych tekutín pre termodynamické procesy Kvapalina Kritický bod [C] Kritický bod [MPa] Teplota varu [C] (pri 1 atm) Teplota rozkladu [C] Voda 374,00 22,06 100,00 - Amoniak (NH3) 132,30 11,33- 33,30 477,00 n-bután C 4 H 10 152,20 3,80-0,40 - C 5 H 12 n-pentán 196,80 3,37 36,20 - C 6 H 6 289,20 4,90 80,00 327,00 C 7 H 8 5645,00 4,10 110,60 - R134a (HFC-134a) 101,20 4,06- 25,00 177,00 C 8 H 10 343,20 3,50 138,00 - R12 112,00 4,13-29,80 177,00 HFC-245fa 157,70 3,64 15,40 247,00 HFC-245ca 178,60 3,86 25,20 R11 (CFC-11) 198,00 4,41 23,20 147,00 HFE-245fa 171,00 3,73-273,00 - HFC-236fa 130,80 3,18-1,00 - R123 183,90 3,70 28,00 - CFC-114 145,90 3,26 3,70 - R113 214,30 3,41 47,40 177,00 n-perfluór- Pentan C 5 F 12 147,60 2,05 29,40-58
Obrázok 32: Systém ORC (s využitím R245fa) bioplynovej stanice v Dubloviciach, Česká republika (Zdroj: GE Energy) Obrázok 33: Systém ORC (s využitím R245fa) (predný kontajner) a generátory bioplynu (zadný kontajner) skládky vo Warringtone vo Veľkej Británii (Zdroj: Verdesis Services UK Limited) Obrázok 34: Schéma modulu GE Energy Clean Cycle 125kW ORC (upravené od GE Energy) 59
Obrázok 39: Východiskový bod potrubia na výrobu bioplynu v satelitnej kogeneračnej jednotke v Třeboni, Česká republika (Zdroj: D. Rutz) Obrázok 40: Potrubie na výrobu bioplynu v satelitných kogeneračných jednotkách (vľavo) a v systéme mikroohrevu ( vpravo) 64
Tabuľka 10: Porovnanie medzi rôznymi charakteristikami bioplynu a tepelných rúrok Charakteristika Bioplynové rúry Tepelné rúry Umiestnenie kogeneračných jednotiek Prepravovaný agent Spravidla jedna kogeneračná jednotka v mieste bioplynovej stanice (na vykurovanie digestora) a niekoľko satelitných kogeneračných jednotiek na konci potrubia bioplynu Bioplyn Jedna alebo viac kogeneračných jednotiek centralizovaných na umiestnenie bioplynovej stanice Teplá voda z kompresora/stromu Plynový kompresor Cirkulačné čerpadlo na vodu Počet potrubí Strata potrubia Prípravné opatrenia Legislatívne rámcové podmienky Náklady Spoľahlivosť implementácie Vyžaduje sa iba jedno potrubie Plynovody; odolný proti korózii; antikorózne potiahnuté oceľové alebo syntetické rúry Malé straty plynu Sušenie plynu, odsírenie (95% CH 4. Zvyšuje sa tak energetická hustota. Podstatou celého procesu je technológia čistenia, ktorú je možné rozdeliť do štyroch kategórií. 65
SolarFuel-Alpha-Anlage, Stuttgart, Pilotovanie energie na plyn s výkonom 250 kW, Stuttgart Audi-e-gas-Anlage, Werlte Demonstations- und Innovationsprojekt RH2, Werder/Kessin/Altentreptow Obrázok 47: Koncept elektrickej energie - v - plyne 71
má kritickú teplotu 374 C (647 K), čo je najvyššia teplota, pri ktorej môže existovať kvapalná voda. V atmosfére za normálnych teplôt preto bude plynná voda (známa ako vodná para) kondenzovať do kvapaliny, ak je jej parciálny tlak dostatočne vysoký. Výpary môžu koexistovať s kvapalinou (alebo pevnou látkou). Vodná para: Vodná para je plynná fáza vody. Pozri Watt Vapor (W): Štandardná jednotka merania (v systéme SI) pre rýchlosť, akou je energia spotrebovaná zariadením, alebo rýchlosť, ktorou sa energia prenáša z jedného miesta na druhé. Toto je tiež štandardná jednotka merania elektrickej energie. Pojem „KW“ pochádza z „kilowattu“ alebo 1 000 W. Termín „MW“ pochádza z „Megawatt“ alebo 10 000 000 wattov. Zeolit: Mikropórovité hlinitokremičitanové minerály bežne používané ako komerčné absorbenty. T: pozri Teplotný rozdiel (tepelná záruka) 84
Všeobecné prevodné jednotky Tabuľka 11: Predpony pre pohonné jednotky Predpona Skratka Faktor Množstvo Deka Áno 10 Desať Hekto H 10² Sto Kilo K 10³ Tisíc Mega M 10 6 Miliónov Giga G 10 9 miliárd Tera T 10 12 Biliónov Peta P 10 15 Kvadrilión Exa E 10 18 Cvintilion 85
Tabuľka 12: Prepočet jednotiek na energiu (kilojouly, kilokalórie, kilowatthodina, tona ekvivalentu uhlia - TCE, kubický meter zemného plynu, tona ekvivalentu oleja - špička, hlaveň, britská tepelná jednotka - BTU) kj kcal kwh TCE CH 4 m³ prst na hlave 1 kj 1 0,2388 0,00 0278 3,4 0,00 10-8 0032 2,4 1,76 10-10 -8 7 1 kcal 4,1868 1 0,00 1163 14,3 0,00 10-8 013 7 1 10-7 7,35 10-1 kwh 3 600 860 1 0,00 0123 3 0,11 0,00 0086 3 0,00006 1 TCE 29 308 000 7 000 000 0 8,14 1 924 0,70 52 1 m³ CH 4 31 736 7 580 6 8,81 0,00 1082 1 0,00 0758 0,0056 1 prst 41 868 000 10 000 000 30 11,6 8 1,42 9 1, 31 1 7,4 1 sud 5 694. 048 1 360. 000 2 1,58 0,19 421 42 179 6 0,13 1 1 BTU 1,055 Tabuľka 13: Prepočet výkonových jednotiek (kilokalórie za sekundu, kilowatt, výkon v Anglicku - hp, Pferdestärke = výkon DIN - PS) kcal/s kw hp PS 1 kcal/s 1 4,1868 5,614 5,692 1 kw 0,238846 1 1,34102 1,35962 1 hp 0,177811 0,745700 1 1,01387 1 PS 0,1757 0,735499 0,98632 1 Tabuľka 14: Prepočet jednotky teploty Jednotka Celzia Kelvin Fahrenheita s Celzia C - C = K 273,15 C = (F 32) 1,8 Kelvin KK = C + 273,15 - K = (F +459,67) 1,8 86
Fahre nheit FF = C 1,8 + 32 F = K 1,8 459,67 - tabuľka 15: Prepočet tlakových jednotiek (Pascal, bar, technická atmosféra, štandardná atmosféra, Torr, libry na štvorcový palec - psi) Pa bar pri atm Torr psi 1 Pa 0,00001 0,000010 197 9,8692 0,00750 10 6 06 0,0001450 377 1 bar 100,0 00 1,0197 0,98692 750,06 14,50377 1 o 98,06 6,5 0,980665 0,967841 1 735,559 2 14,22334 1 atm 101,3 25 1,01325 1,0332 760 14,69595 1 torr 133,3 224 0,001359 55 0. 789 0,0193367 8 1 psi 6894,8 8 0,068948 0,070306 9 0,068046 51,7149 3 87