Budowa elektrowni, elektrogazowni i gazowni biometanowych w skali przemysłowej

Opis procesu technologicznego wytwarzania metanu
oraz energii elektrycznej i cieplnej

Biometan uzyskuje się poprzez fizykochemiczny rozdział biogazu na metan i dwutlenek węgla. Oba te gazy mają zastosowanie przy wytwarzaniu gazowego paliwa standardowego. Proces technologiczny przebiega w układzie przedstawionym na rysunku 1.

Rys. 1. Schemat układu wytwarzania metanu i energii elektrycznej i cieplnej

Przygotowanie biomasy polega na jej rozdrobnieniu i połączeniu z wodą w mieszarce biomasy (1f). W uzasadnionych przypadkach zamiast wody można używać płynnych odpadów organicznych, np. ścieków z mleczarni (1c). Tak przygotowana biomasa jest kierowana do hydrolizera (2), gdzie następuje proces hydrolizy. W trakcie tego procesu następuje rozszczepienie dużych cząstek organicznych na mniejsze przy udziale wody.

Następnym etapem procesu wytwarzania biometanu jest fermentacja metanowa biomasy, która przebiega w układzie szeregowym fermentorów: mezofilnym (3a) i termofilnym (3c) połączonych w dalszej części z kompostownikiem (3g). Polega na anaerobowym przetwarzaniu biomasy do biogazu początkowo przez bakterie metanowe mezofilne, następnie przez bakterie metanowe termofilne, a w końcowym etapie tej części fermentacji przez bakterie metanowe psychrofilne. Sterowanie tym procesem jest realizowane poprzez zawracanie odcieków zawierających odpowiednie kultury bakteryjne do odpowiednich procesów technologicznych (4a, 4c, 4e) oraz utrzymanie odpowiednich temperatur fermentacji.

Rozdział biogazu na metan i CO₂ przebiega w saturatorze (8a). Następnie w mieszaczu gazów (11) metan miesza się z częścią oczyszczonego biogazu, w wyniku czego uzyskuje się gazowe paliwo standardowe o wartości opałowej (8,6 kWh/m³) i liczbie metanowej (104,4 ). Otrzymane w ten sposób paliwo służy do napędzania silnika gazowego (13a) sprzężonego z prądnicą (13b). Możliwe jest również skojarzenie termiczne kogeneratora silnika gazowego z ogniwem termoregeneracyjnym (13c) produkującym prąd stały zamieniany przez falownik na prąd przemienny. Tak otrzymaną energię elektryczną można wprowadzić do sieci energetycznej.

Na ostatnim etapie całego procesu powstają znaczne ilości ciepła. Jest ono pozyskiwane z cieczy chłodzących silnik oraz ze spalin. Ciepło to jest wykorzystane do ogrzewania hydrolizera, fermentorów oraz termoregeneratora ogniwa termoregeneracyjnego. Nadwyżki ciepła mogą być kierowane do sieci CO (14d).

W innym układzie mogą być produkowane nadwyżki biometanu (9a, 9c) jako inaczej ustandardowione paliwo gazowe do paliwa GZ 50 albo do CNG albo do LNG albo do LCNG.

Należy zauważyć, iż w całym procesie otrzymujemy jeszcze jeden produkt, który będzie oferowany do sprzedaży. Jest to wysokiej jakości kompost (3h).

Docelowe parametry układu MEB 5 MW

• moc elektryczna oddawana do sieci P_e = 5 MW,
• moc potrzeb własnych P_w = 250 kW,
• roczna produkcja energii elektrycznej W_e = 42 GWh,
• roczne zużycie biometanu przy sprawności elektrycznej agregatów prądotwórczych η_e = 0,4 i wartości opałowej biometanu H_u = 9,94 kWh/m³ wynosi V_a = 10,6 x 106 m³,
• przepływ mieszanki V M5 = 3,9 t/h = 3,3 ts/h.

Produkcja i zużycie roczne biometanu i biogazu dla MEB 5 MW

Roczna produkcja biometanu wynika z zawartości chemicznej energii w paliwie, o wartości opałowej H_u=35,79 MJ/m³ = 9,94 kWh/m³, aby wytworzyć rocznie 105 GWh energii,

stąd V_a = 10,6 x 106 m³/a.

Średni przepływ biometanu V_a = 1325 m3/h; M_a = 949,8kg/h przy gęstości metanu ϑ_m = 0,7168kg/m³
Roczna produkcja biogazu wyniesie 14,1 x 106 m³/a

Przewidywany koszt budowy

Jednostkowy koszt budowy MEB 5 MWe i ok. 7 MWt.

a)	MEB 360 kW	– 4,7 mln zł
b)	MEB 5 MW	– 25 mln zł

 Użytkową moc cieplną przeliczamy na elektryczną przy sprawności 0,35 i dla łącznej mocy elektrycznej ok. 7,25 MW wyznaczamy jednostkowy koszt budowy MEB 5 MW: 3 450 zł/kW = 820 USD/kW – porównywalny z jednostkowym kosztem budowy elektrowni gazowo-parowej, a niższy od jednostkowego kosztu budowy elektrowni wiatrowej (1100 USD/kW) i konwencjonalnej (1300 USD/kW).