Najczęściej stosowanym, ze względu na wysoką sprawność sięgającą ok. 87%, sposobem wykorzystania powstającego w procesie fermentacji metanowej biogazu jest jego spalenie w silnikach kogeneracyjnych. W wyniku tego działania uzyskuję się energię elektryczną (wykorzystywaną na potrzeby własne instalacji i gospodarstwa, a nadwyżkę sprzedawaną do sieci energetycznej) oraz ciepło. To właśnie zagospodarowanie ciepła odpadowego jest obecnie jednym z największych wyzwań dla inwestorów. Odpowiednie wykorzystanie tego produktu może być jednym ze sposobów poprawy bilansu ekonomicznego inwestycji biogazowej. W funkcjonujących obecnie biogazowniach, produkowane w silniku kogeneracyjnym ciepło najczęściej znajduje zastosowanie jako źródło ogrzewania przede wszystkim zbiorników fermentacyjnych znajdujących się w instalacji (ok. 20-40% ciepła, w zależności od temperatury prowadzenia procesu), a w następnej kolejności okolicznych gospodarstw lub w suszarniach. Jednakże, w przypadku wymienionych rozwiązań największy popyt na ciepło odnotowuje się w okresach zimowych. Konieczne jest zatem znalezienie innych sposobów zagospodarowania tego rodzaju energii, w szczególności latem.  

Trigeneracja – zasada działania

Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie trigeneracji, która jest systemem pozwalającym na jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej, ciepła i chłodu. Należy jednak pamiętać, że chłód ten jest uzyskiwany przy wykorzystaniu technologii sorpcyjnych i z użyciem ciepła pochodzącego z kogeneracji. Efektywny system trigeneracyjny powinien posiadać zdolność konwersji na chłód ciepła o jak najniższej temperaturze, co w konsekwencji pozwoli na uzyskanie wysokiej efektywności kogeneracji. 

Trigeneracja jest zatem rodzajem kogeneracji dodatkowo wyposażonym w agregaty, które pozwalają na zamianę części ciepła na moc chłodniczą. Należy jednak pamiętać, że o ile w systemach kogeneracyjnych stosunek wytworzonej energii elektrycznej do ciepła zależy od praw termodynamiki oraz od wykorzystywanej technologii, o tyle w przypadku systemów trigeneracji możliwe jest wytworzenie chłodu z dowolnej części wyprodukowanego wcześniej ciepła.  

Schemat blokowy procesu trigeneracji (Chorowski M. 2014)

W przypadku stosowania trigeneracji i jej podłączenia do budynków mieszkalnych i biurowych, należy uwzględnić fakt, iż jedyną gwarancją odbioru ciepła i chłodu są niskie oraz wysokie temperatury zewnętrzne w okresach zimowych i letnich. W takim przypadku najbardziej newralgiczne są okresy przejściowe (wiosna, jesień), kiedy to mogą wystąpić problemy z całkowitym odbiorem ciepła/chłodu. Rozwiązaniem tego problemu może być podłączenie do układu odbiorników, które nie są uzależnione od temperatur zewnętrznych np. baseny, procesy technologiczne wymagające ciągłego chłodzenia lub ogrzewania, serwerownie, głębokie kopalnie itp.  

Obecnie wykorzystywane układy trigeneracyjne charakteryzują się dużą elastycznością w ujęciu projektowo-konstrukcyjnym. W zależności od indywidualnych potrzeb inwestora mogą one zostać wykonane w oparciu o: 

  • różne rodzaje silników (gazowe, Diesla), 
  • różne rodzaje paliw (np. gaz ziemny, wysypiskowy, kopalniany, odpadowy, LPG, biogaz, olej napędowy), 
  • różne typy agregatów (adsorpcyjne, absorpcyjne bromolitowe, absorpcyjne amoniakalne, sprężarkowe), 
  • różne rodzaje źródeł ciepła, które zasilające agregaty (w tym energia naturalna i ciepło odpadowe), 
  • różne rodzaje zabudowy (stacjonarna, mobilna). 

Agregaty absorpcyjne  

W praktyce, do wytworzenia chłodu stosuje się agregaty absorpcyjne oparte na mieszaninie bromku litu z wodą. Wykorzystanie takiej mieszaniny nie jest oczywiście przypadkowe. Bromek litu jest silnym absorberem wody, ponieważ posiada właściwości podobne do soli. Ponadto połączenie to sprawia, że jest to w pełni ekologiczny czynnik chłodniczy i roboczy o długiej żywotności. Dodatkowo w przypadku tych urządzeń możliwie jest wykorzystanie stosunkowo niskich zakresów temperatur ciepła zasilającego (może to być woda o temperaturze około 85oC).  

Zasada działania agregatu absorpcyjnego (Źródło: www.agregatyabsorpcyjne.pl)

Działanie chłodniczych agregatów absorpcyjnych opiera się na wykorzystaniu efektu absorpcji (tzn. pochłaniania czynnika chłodniczego) oraz desorpcji (wydzielania czynnika chłodniczego z roztworu). Rozwiązane jest to poprzez zastosowanie dwóch połączonych ze sobą zbiorników, gdzie w pierwszym znajduje się woda (czynnik chłodniczy), natomiast w drugim roztwór bromku litu. Dzięki temu zachodzący samoczynnie proces absorpcji wody do roztworu LiBr powoduje utrzymanie stałego ciśnienia w zbiorniku z wodą. Sam roztwór LiBr przetłaczany jest do generatora, gdzie przy wykorzystaniu do urządzenia energii cieplnej następuje odparowanie pary wodnej z roztworu litu bromu. W następnej kolejności para podawana jest do skraplacza, a dalej już jako woda chłodnicza kierowana jest do parownika. W parowniku następuje proces wrzenia i odparowania wody, które zachodzi w temperaturze +5oC. W tym samym czasie następuje wychłodzenie medium chłodzącego krążącego w zewnętrznej instalacji. Następnie odparowana w parowniku woda jest ponownie absorbowana przez roztwór LiBr i cały cykl rozpoczyna się od początku. 

Kontenerowy-system-trigeneracyjny-firmy-CES-Zrodlo-www.kogeneracjaces.pl

Układ składający się z absorbera i desorbera nazywany jest potocznie sprężarką chemiczna, ponieważ swoją funkcjonalnością odpowiada sprężarkom wykorzystującym do pracy energie elektryczną (jak ma to miejsce w tradycyjnych systemach chłodniczych).  

Agregaty adsorpcyjne  

Innym rodzajem agregatów wykorzystywanych w układach trigeneracji są agregaty adsorpcyjne. W urządzeniach tych materiałem sorpcyjnym może być m.in. żel krzemionkowy lub zeolit, dzięki czemu chłód produkowany jest poprzez akumulację pary wodnej w porowatych ciałach stałych. Główną przewagą agregatów adsorpcyjnych nad absorpcyjnymi jest możliwość wykorzystania ciepła o niższych parametrach. Ma to istotne znaczenie w przypadku wykorzystania ciepła z sieci zasilanej przez elektrociepłownie miejskie. W przypadku agregatów absorpcyjnych woda zasilająca nie może mieć temperatury niższej niż 85°C, natomiast do zasilania agregatów adsorpcyjnych wykorzystuje się wodę o temperaturze nie niższej niż 60°C.  

Trigeneracja –  zalety i wykorzystanie

W wyniku zastosowania trigeneracji możliwe jest równoczesne wytwarzanie energii elektrycznej, ciepła i chłodu, co wydaje się być interesującym rozwiązaniem dla tradycyjnych układów kogeneracyjnych funkcjonujących w instalacjach biogazowych. W chwili obecnej w systemach kogeneracji zastosowanie znajdują głównie agregaty absorpcyjne wykorzystujące roztwór woda-bromek litu. Jednak do prawidłowego ich działania konieczne jest dostarczenie ciepła z kogeneracji o temperaturze nie niższej niż 85°C. Należy jednak pamiętać, że ze względu na wysokie koszty inwestycyjne systemów trigeneracji oraz stosunkowo niską efektywność termodynamiczną procesu konwersji energii warunkiem koniecznym jest zapewnienie odbioru ciepła i/lub chłodu bez przerw sezonowych. Powszechnie przyjmuję się, że układy trigeneracyjne nie powinny być projektowane przy obiektach, w których nie jest możliwy stały odbiór ciepła lub chłodu. Do obiektów spełniających takie warunki zalicza się między innymi serwerownie lub głębokie kopalnie, które wymagają odpowiednich warunków klimatyzacyjny. W Polsce do takich kopalń zalicza się kopalnie miedzi. Ponadto układy trigeneracyjne mogą znaleźć zastosowanie przy instalacjach biogazowych umiejscowionych na przykład przy zakładach mleczarskich. W tym przypadku ciepło może być używane do celów technologicznych, natomiast chłód może być wykorzystywany do stworzenia odpowiednich warunków do przechowywania m.in. mleka.  

Literatura: 

Chorowski M., „Trigeneracja – zalety i ogranicznenia”, Nowa Energia, 4, 2014.  

http://www.agregatyabsorpcyjne.pl 

http://www.kogeneracjaces.pl 

Jäkel, K.: Managementunterlage „Landwirtschaftliche Biogaserzeugung und verwertung“, Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft, 1998 / 2002 

Podobne wpisy