Выбор мини-теплоэлектроцентралей на твердооксидных топливных элементах для электроснабжения сельскохозяйственных предприятий

Государственные программы перспективного развития энергетики России предусматривают внедрение и расширение использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии [1]. Актуальным направлением в этой сфере является использование биогаза как возобновляемого источника энергии, получаемого из различных видов биологических отходов растениеводства и животноводства [2].

Преобразование энергии биогаза в электрическую энергию позволяет существенно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду и улучшить санитарно-эпидемиологическую обстановку благодаря отсутствию необходимости хранения и утилизации биологических отходов, снижению уровня загрязненности грунтовых вод [3]. Также использование биотоплива позволяет повысить экономическую и энергетическую эффективность производства сельскохозяйственного предприятия (СХП) [4,5].

Достоинства работающей на биогазе мини-ТЭЦ (мобильность; быстрая окупаемость; высокий КПД и др.) делают привлекательным ее применение для электроснабжения СХП [6]. Основу мини-ТЭЦ могут составлять как газотурбинные или газопоршневые энергоустановки (ЭУ), так и топливные элементы (ТЭ). Мини-ТЭЦ на ТЭ наиболее эффективны, что обусловлено использованием прямого преобразования биогаза в электроэнергию, не требующего его сжигания. Установлено, что твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) отличаются от других типов ТЭ высоким КПД, экологичностью и возможностью использования отвода теплоты [7]. ТОТЭ относят к новым, перспективным источникам энергии. Однако, до сих пор они не имеют широкого применения в электроснабжении потребителей из-за низкой маневренности и ряда других особенностей [8]. Поэтому при разработке мини-ТЭЦ на ТОТЭ, работающих на биогазе, актуально решение, как схемотехнических задач, так и задач выбора электрооборудования.

В данной статье приведена методика выбора мощности мини-ТЭЦ на ТОТЭ для электроснабжения СХП, имеющих возможность выработки биогаза. Применение методики рассмотрено на примере сельскохозяйственного предприятия молочного животноводства.

Технология производства электроэнергии из биогаза На рис. 1 приведена структурная схема производства электроэнергии (ЭЭ) с использованием мини-ТЭЦ на ТОТЭ для электроснабжения СХП молочного животноводства. Биоотходы из коровников СХП (1) поступают в приемную емкость (2), где происходит подготовка первичного сырья к загрузке в устройства для анаэробного распада органической биомассы — метантенки. В биогазовой установке (3), состоящей из нескольких метантенков, происходит процесс брожения биомассы с выделением биогаза, поступающего в накопительную емкость — газгольдер (4). В углекислотной разделительной камере (5) происходит разделение биометана и углекислого газа, поступающих соответственно в газгольдеры (6) и (7). Двуокись углерода из накопителя поступает в камеру (9), где перерабатывается в зависимости от нужд СХП. Биометан из газгольдера (6) поступает к топливным элементам мини-ТЭЦ (8). Часть тепловой и электрической энергии, генерируемой мини-ТЭЦ, идет на собственные нужды системы, другая часть расходуется электроприемниками СХП.

Рис. 1. Структурная схема производства ЭЭ на СХП молочного животноводства

Методика выбора мини-ТЭЦ на ТОТЭ

Алгоритм выбора мощности мини-ТЭЦ состоит из четырех этапов (рис. 2).

Рис. 2. Алгоритм выбора мощности мини-ТЭЦ на ТОТЭ

На первом этапе определяется расчетная нагрузка СХП. Данная информация является базовой для выбора мощности мини-ТЭЦ. При проектировании системы электроснабжения (СЭС) расчетная нагрузка определяется с помощью известных аналитических методов [9]. При реконструкции СЭС — с использованием суточных графиков нагрузки СХП.

На втором этапе определяется объем суточной выработки биометана () и теоретически возможной мощности мини-ТЭЦ (). Исходными данными для расчета являются численность крупнорогатого ската () и масса суточных биоотходов от каждого животного (). Расчет проводится согласно выражению (1) в соответствии с [10]:

(1).

где — коэффициент, учитывающий примеси в биомассе, о.е.; - коэффициент использования биомассы, о.е.; - удельный выход биогаза на 1 кг сухого вещества, м³; - влажность биомассы, %; - содержание органических веществ в сухой биомассе, %; - уровень сбраживания биомассы, %; - содержание метана в биогазе, % [11].

На третьем этапе рассчитываются собственные нужды мини-ТЭЦ на ТОТЭ ().

На четвертом этапе производится окончательный выбор мощности мини-ТЭЦ с учетом электрических потерь в элементах СЭС ().

Установленная электрическая мощность мини-ТЭЦ определяется по выражению (2):

(2).

где — суммарная расчетная мощность СХП, кВт; - расчетная мощность СХП, кВт.

При этом должно выполняться условие (3):

(3).

где — теоретически возможная электрическая мощность мини-ТЭЦ, зависящая от объема суточной выработки биометана на предприятии и удельного расхода топлива ЭУ на ТОТЭ на выработку 1 кВт энергии ().

Установленная тепловая мощность мини-ТЭЦ определяется на основе выбранной Ртэц.э по данным производителя ЭУ на ТОТЭ.

Разработанная методика применима для небольших СХП установленной мощностью до 1МВт с номинальным напряжением 380 В.

Выбор мини-ТЭЦ на ТОТЭ для электроснабжения СХП молочного животноводства В соответствии с рассмотренной методикой осуществлен выбор мини-ТЭЦ на ТОТЭ на примере реконструкции СЭС действующего СХП молочного животноводства суммарной установленной мощностью 106кВт и расчетной мощностью 94,6 кВт, с численностью КРС 550 голов.

При расчете рассматривался наихудший вариант, т. е. принимались коэффициенты, соответствующие минимальному выходу биометана, при мезофильном режиме сбраживания (при Tб от 25 до 45°C), с размещением матантенков в помещении биогазовой установки, имеющем постоянную температура. Результаты расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты выбора параметров мини-ТЭЦ на ТОТЭ.

Применение мини-ТЭЦ на ТОТЭ актуально для электроснабжения СХП малой мощности (до 1 МВт), имеющих возможность выработки биогаза и его дальнейшей переработки для получения теплои электроэнергии. При проектировании или реконструкции системы электроснабжения такого СХП требуется решение ряда задач, одной из которых является выбор мощности источника энергии.

Мини-ТЭЦ на ТОТЭ относится к перспективным нетрадиционным источникам энергии, и пока нет утвержденных методик по выбору таких ЭУ. Разработанная методика, учитывающая технологию производства электроэнергии из биогаза, позволяет решить данную проблему.

энергия топливный биогаз.

• 1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. Москва. 2009. URL: ipng.ru/uf/EnergyStrategy2030.pdf.
• 2. Василов Р. Г. Перспективы развития производства биотоплива в России. Сообщение 3: биогаз // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю. А. Овчинникова. — 2007. — Т. 3. — № 3. — С. 54−61.
• 3. Handbook on Bio Gas and its applications. — NIIR, 2004. — 454 p.
• 4. Соснина, Е. Н. Применение энергоустановок на основе твердооксидных топливных элементов для повышения эффективности функционирования электротехнических комплексов сельскохозяйственных предприятий / Е. Н. Соснина, Д. А. Филатов, Н. Н. Вихорев // Инженерный вестник Дона, 2015, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2015/3310.
• 5. House D. The biogas handbook. 3rd ed. — House Press, 2006. — 263 p.
• 6. Соснина, Е. Н. Исследование эксплуатационно-технологических параметров энергоустановок на возобновляемых источниках энергии / Е. Н. Соснина, Д. А. Филатов // Инженерный вестник Дона, 2015, № 2 ч. 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2p2y2015/3025.
• 7. Коровин Н. В. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки. — М.: Изд-во МЭИ, 2005. — C. 92.
• 8. Milewski J., Budzianowski W. Recent key technical barriers in solid oxide fuel cell technology / Archives of Thermodynamics, — 2014. Vol. 35. No. 1. pp. 17−41.
• 9. Вагин Г. Я., Соснина Е. Н. Системы электроснабжения: комплекс учебно-методических материалов / Г. Я. Вагин, Е. Н. Соснина. — 2-е изд., перераб. и доп.; НГТУ им. Р. Е. Алексеева. Нижний Новгород, 2012. — 143 с.
• 10. Компания «Биокомплекс». Информационный портал. URL: biogaz-russia.ru/proekt-biogazovojj-ustanovki.
• 11. Веденев А. Г., Веденева Т. А. ОФ «Флюид». Биогазовые технологии в Кыргызской Республике. — Б. Типография «Евро», 2006. — 90 с.