A biogázüzemek hőenergiájának fenntartható felhasználása

A hőenergia fenntartható felhasználása a biogázüzemekben

Köszönetnyilvánítás Ezt a kézikönyvet a BiogasHeat projekt (IEE/11/025) részeként dolgozták ki, amelyet az Európai Bizottság támogatott az Intelligens Energia Európáért (IEE), a Versenyképességi és Innovációs Végrehajtó Ügynökség (EACI) által irányított programon keresztül. A szerzők köszönetet mondanak az Európai Bizottságnak a BiogasHeat projekt támogatásáért, valamint a BiogasHeat referenciáinak és partnereinek a kézikönyvhez való hozzájárulásukért. A képek és grafikák biztosításáért a szerzők köszönetet mondanak a következő vállalatoknak: AgroEnergien (Burkhard Meiners), GE Energy (Roland Jenewein), LaTherm GmbH (Michael Schönberg), SCHNELL Motoren AG (Susanne Kerezsy), STELA Laxhuber GmbH (Nadine Sahlmann), Thermaflex Az Isolierprodukte GmbH (Jana Tanneberg-Kranz), a TransHeat GmbH (Ronald Strasser), a Tranter Solarice GmbH (Wolfgang Stürzebecher) és a Verdesis Services UK LTD (Nick Sheldon). 2

3.4.1 CRC rendszerek. 56 3.4.2 ORC rendszerek. 57 3.4.3 A Kalina-ciklus. 60 3.4.4 Stirling motor. 61 3.4.5 Füstgázturbina. 62 4 Innovatív koncepciók a hatékony biogáz-átalakítás érdekében. 63 4.1 Biogázvezetékek és műholdas CHP egységek. 63 4.2 Biogáz kondicionálás és biometán befecskendezés a hálózatban. 65 4.3 Biometán szállítása konténerekben. 67 4.4 Biometán használata a szállításban. 68 4.5 Biogáz a terhelés kezeléséhez és a hálózat stabilitásához. 69 4.6 Biometán és villamos energia a gázban. 70 5 Útmutató a hőfelhasználási lehetőségekhez. 72 6 Következtetések. 74 Szójegyzék és rövidítések. 76 Általános átalakítási egységek. 85 Irodalomjegyzék. 88 5

3. egyenlet 4. egyenlet 5. egyenlet Q elveszett Az emésztő felületein keresztül elveszített hő (amelyet falak, padló és burkolatok veszítenek el) [kwh] Q művelet Az emésztő és a kiürített emésztett felületeken keresztül elveszített hő [kwh] Q emésztett A kibocsátott emésztett anyaggal elvesztett hő [kwh] AUT thiha Hőátadási felület [m²] Hőátbocsátási tényező [W/m²K] Hőmérséklet-változás (beltéri-kültéri) [K] Idő [óra] Hőátadási tényező konvekcióval az emésztőben [W/m²K] Átadási együttható hőkonvekció az emésztőn kívül [W/m²K] d 1 Rétegvastagság 1 d 2 Rétegvastagság 2 k 1 k 2 Az első réteg hővezető képessége [W/mK] A második réteg hővezető képessége [W/mK ] 5. ábra: Az emésztő falának vázlatos grafikonja, beleértve a hideg téli (-18 C) hőprofilt (Forrás: saját adatok; a www.u-wert.net oldalról adaptálva) 20

11. ábra: A távfűtési rendszerhez kapcsolt végfelhasználó csatlakozási berendezése (beleértve a hőcserélőt) Achentalban, Németország (Forrás: Rutz) 12. ábra: Hőcső telepítése a gazdasági épületekhez (Forrás: ThermaflexIsolierprodukte GmbH) Alaphőellátás Ebben a koncepcióban a biogázüzem üzemeltetője csak a biogázüzemből rendelkezésre álló hőmennyiséget juttatja el a hőfogyasztóhoz. Az üzemeltető nem garantálja a teljes hőenergia-ellátást. Ezért szükséges, hogy a hőenergia-fogyasztót fel kell szerelni további fűtőberendezésekkel, amelyek bekapcsolhatók 29 esetén

A hőfeszültség idejének görbéje hasonló a hőterheléséhez, de a feszültségadatokat nagyságrend szerint csökkenő sorrendben rendezik, és nem időrendben. A 17. ábra egy közepes méretű távfűtési rendszer stressz-időtartam-görbéjét mutatja be. Ezenkívül megmutatja, hogy mekkora hőenergiát tudna biztosítani egy alapkivitelben egy 600 kw teljesítményű és megközelítőleg 7200 üzemóra biogázüzem. Így a csúcsterhelés hőellátását egy másik rendszernek kell biztosítania. Ha a biogázüzem teljes hőellátását fedezni akarják, akkor ebben a példában a kapacitásnak körülbelül 1800 kw-nak kell lennie. 17. ábra: Példa egy 600 kw-os CHP egységet integráló távfűtési rendszer hőfeszültség-görbéjére

Az u hőigény együtthatója a különböző üvegházak hőigényének értéke, és a vegyes fűtési rendszerű kettős üvegezésű üvegházaknál a 4,6-tól az egyszemélyes üvegházaknál 10-ig, a fólia és a hőcsövek felett talaj. Figyelembe kell venni, hogy az üvegházak legnagyobb hőigénye a hideg évszakban jelentkezik, mégpedig télen, valamint késő ősszel és kora tavasszal. A biogázüzemből rendelkezésre álló hő alacsonyabb a hideg évszakban is, mert több energiára van szükség az emésztők fűtéséhez. A hőtárolók kiegyenlíthetik az eltéréseket, de általában nagyon korlátozzák a költségeket. Az üvegház hőigényének pontos megtervezéséhez részletes számításokra van szükség. Végül a CHP-egység füstgázáramából származó CO 2 felhasználását is figyelembe kell venni, mivel a CO 2 növeli a növény növekedését. 19. ábra: Akklimatizált üvegházak Németországban (Forrás: Rutz) 36

Néhány anyag a 6. táblázatban található. Ez a táblázat a maximális szárítási hőmérsékletet is tartalmazza. 6. táblázat: Száradási idő és hőmérséklet különböző anyagokra Anyag Szárítási évszak Maximális szárítási hőmérséklet [C] Erdei tűzifa és rönk Erdőfenntartó rönk és rönk Rövid forgatású ültetvények Tél 55 -150 Egész év 55-150 Tél 55-150 Gabonafélék Július augusztus 30-65 Gyógynövények és gyógynövények Emésztési és szennyvíziszap június Október 25-50 Egész 55-95 év Számos különböző szárítási technológia létezik. A biogázüzemek viszonylag alacsony hőmérsékletű maradék hőjének megfelelő technológiái közé tartoznak a szakaszos szárítók (átjárón), szállítószárítók, mobil lapátos szárítók (7. táblázat). 45

tágulás, ahol hőmérséklete és nyomása hirtelen csökken. Az ammónia végül visszakerül a párologtatóba, ahol hűtő hatást vált ki. Így a ciklus lezárult. 29. ábra: Tipikus abszorpciós hűtőberendezés folyamata ammónia-víz hűtőközeggel 3.3.2 Központi hűtés A központi hűtés hasonló a távfűtéshez, de hűtött vizet oszt el hő helyett. Noha a hűtési igény folyamatosan növekszik a magasabb komfortfokozat és az éghajlatváltozással összefüggő magasabb hőmérséklet miatt, a központi hűtés nem annyira hatékony, mint a távfűtés. Több európai város központosított hűtőrendszereket vezetett be az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentése érdekében (30. ábra). 53

A 35. ábra egy példát mutat be a biogázüzemek ORC moduljára. Ebben a példában egy egység kb. 980 kW teljesítményű hőforrásból legfeljebb 125 kW villamos energiát képes előállítani. A minimális hő 121 C, míg legnagyobb része a kipufogógázok hőjének visszanyeréséből származik, kisebb része pedig a motor hűtőköréből származó folyadék előmelegítéséből származik. 9. táblázat: A különböző folyadékok jellemzői a termodinamikai folyamatokhoz Folyadék Kritikus pont [C] Kritikus pont [MPa] Forráspont [C] (1 atm nyomáson) Bomlási hőmérséklet [C] Víz 374,00 22,06 100,00 - Ammónia (NH 3) 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-perfluor- Pentan C 5 F 12 147,60 2,05 29,40-58

32. ábra: ORC-rendszer (R245fa felhasználásával) a csehországi Dublovice-ban található biogázüzemben (Forrás: GE Energy) 33. ábra: ORC-rendszer (R245fa-val) (elülső tartály) és biogáz-generátorok (hátsó tartály) egy lerakót Warringtonban, az Egyesült Királyságban (Forrás: Verdesis Services UK Limited) 34. ábra: GE Energy Clean Cycle 125kW ORC modul diagram (a GE Energy-től adaptálva) 59

39. ábra: A biogázvezetékek kiindulópontja egy műholdas CHP-egységnél Trebonban, Csehország (Forrás: D. Rutz) 40. ábra: Biogázvezeték műholdas CHP-egységeken (balra) és mikrohűtési rendszeren ( jobbra) 64

10. táblázat: A biogáz és a hővezetékek különböző jellemzőinek összehasonlítása Jellemzők Biogáz csövek Hőcsövek CHP-egységek elhelyezkedése Szállításra kerülő anyag Általában egy CHP-egység a biogázüzem helyén (az emésztő fűtésére) és több műholdas CHP-egység a cső végén biogáz biogáz egy vagy több CHP egység központosítva a biogáz üzem helyén Forró víz kompresszorral/fával Gáz kompresszor Víz cirkulációs szivattyú Csövek száma Csővesztés Előkészítési intézkedések Jogszabályi keretfeltételek Költségek A megvalósítás lejárata Általános megfelelőség Csak egy cső szükséges Gázvezetékek; Korrózióálló; korróziógátló bevonatú acél vagy szintetikus csövek Kis gázveszteségek Gázszárítás, kéntelenítés (95% CH 4. Ez növeli az energia sűrűségét. Az egész folyamat lényege a tisztítási technológia, amely négy kategóriába sorolható. 65

SolarFuel-Alpha-Anlage, Stuttgart 250 kW-erő-gáz-pilóta, Stuttgart Audi-e-gas-Anlage, Werlte Demonstrations- und Innovationsprojekt RH2, Werder/Kessin/Altentreptow 47. ábra: A villamos energia fogalma - a gázban 71.

kritikus hőmérséklete 374 C (647 K), amely a legmagasabb hőmérséklet, amelyen folyékony víz létezhet. A légkörben normál hőmérsékleten ezért gáznemű víz (vízgőz néven) kondenzálódik a folyadékba, ha annak résznyomása elég magas. A gőzök együtt lehetnek egy folyadékkal (vagy szilárd anyaggal). Vízgőz: A vízgőz a víz gázfázisa. Lásd: Wattgőz (W): Normál mértékegység (az SI rendszerben) a berendezés energiafogyasztásának sebességéről vagy az energia egyik helyről a másikra történő átvitelének sebességéről. Ez a villamos energia szokásos mértékegysége is. A "KW" kifejezés kilowattból vagy 1000 wattból származik. Az MW kifejezés "megawatt" vagy 1000000 wattból származik. Zeolit: Mikroporózus alumínium-szilikát ásványok, amelyeket általában kereskedelmi abszorbensként használnak. T: lásd Hőmérséklet különbség (Hőgarancia) 84

Általános konverziós egységek 11. táblázat: Előtagok az energiaegységekhez Előtag Rövidítési tényező Mennyiség Deka Igen 10 Tíz Hecto H 10² Száz Kiló K 10³ Ezer Mega M 10 6 millió Giga G 10 9 milliárd Tera T 10 12 billió Peta P 10 15 Quadrilion Exa E 10 18 Cvintilion 85

12. táblázat: Egységek átalakítása energiává (kiló joule, kilokalória, kilowattóra, tonna szénegyenérték - TCE, köbméter földgáz, tonna olajegyenérték - lábujj, hordó, brit hőerőmű - BTU) kj kcal kwh TCE CH 4 m³ lábujjas hordó 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 lábujj 41 868 000 10 000 000 30 11,6 8 1,42 9 1, 31 1 7,4 1 hordó 5694. 048 1,360. 000 2 1,58 0,19 421 42 179. 6 0,13 1 1 BTU 1,055 13. táblázat: Teljesítményegységek átalakítása (kilokalória másodpercenként, kilowatt, lóerő Anglia - hp, Pferdestärke = lóerő 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 LE 0.17811 0.745700 1 1.01387 1 PS 0.1757 0.735499 0.98632 1 14. táblázat: Átalakítás hőmérsékleti egységek Egység Celsius Kelvin Fahrenheit s Celsius 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 - 15. táblázat: Nyomásegységek átalakítása (Pascal, bar, technikai légkör, normál atmoszféra, Torr, font per négyzet hüvelyk - psi) Pa bar atm-en 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 98,06-nál 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 0.068948 0.070306 9 0.068046 51.7149 3 87