Bilans cieplny biogazowni zimą: ile ciepła zużywa proces i skąd je wziąć

Bilans cieplny biogazowni zimą składa się z kilku prostych pozycji: ciepło na podgrzanie dozowanego substratu, straty przez przegrody zbiorników i rurociągów, ciepło potrzebne do ewentualnej higienizacji oraz odbiory zewnętrzne. Po stronie przychodów jest przede wszystkim ciepło z agregatu kogeneracyjnego (CHP) i ewentualnie kocioł. Zimą rosną obie najważniejsze pozycje zapotrzebowania, a zdolność źródeł do ich pokrycia nie rośnie wcale. Dlatego bilans trzeba robić dla najzimniejszego typowego tygodnia, a nie dla średniej rocznej.

Z czego składa się zapotrzebowanie na ciepło

1. Podgrzanie substratu. Substrat trafia do komory fermentacyjnej z temperaturą otoczenia (kiszonka, wywar chłodzony, gnojowica z zewnętrznego zbiornika), a proces mezofilowy zwykle prowadzi się w okolicach 38–42 °C. Energię liczy się ze wzoru Q = m · c · ΔT. Dla substratów o dużej zawartości wody ciepło właściwe jest zbliżone do wody, czyli ok. 4,2 kJ/(kg·K); przy wyższej zawartości suchej masy jest nieco niższe.

Przykład poglądowy dla ciepła właściwego 4,18 kJ/(kg·K) (1 kWh = 3,6 MJ):

Przy dozowaniu 50 t na dobę i ΔT = 40 K daje to ok. 2,3 MWh na dobę, czyli średnio ok. 96 kW mocy cieplnej. Zimą ta sama masa substratu wymaga więc wielokrotnie więcej energii niż latem, gdy substrat jest ciepły. Wartość jest orientacyjna: rzeczywista zależy od składu mieszaniny, udziału recyrkulatu i tego, czy substrat jest przechowywany w cieple.

2. Straty przez przegrody. Strumień ciepła przez ścianę, dach i podłogę zbiornika wynosi Q = U · A · ΔT, gdzie U to współczynnik przenikania ciepła, A to powierzchnia, a ΔT to różnica temperatur wewnątrz i na zewnątrz. Dla ilustracji: 1000 m² powierzchni o U = 0,3 W/(m²·K) przy ΔT = 40 K daje ok. 12 kW. W rzeczywistości dochodzą wpływ wiatru, mostki cieplne, stan izolacji (zawilgocona izolacja traci właściwości) oraz inne warunki cieplne gruntu pod dnem. Dachy membranowe i elementy o małej masie zachowują się inaczej niż betonowe ściany, bo słabo akumulują ciepło.

3. Higienizacja i obróbka. Jeśli instalacja przetwarza materiały wymagające higienizacji, ciepło potrzebne do podgrzania całej strugi do temperatury wymaganej przepisami i utrzymania jej przez wymagany czas jest dużą, krótkotrwałą pozycją. Wymagania dla produktów ubocznych pochodzenia zwierzęcego określa rozporządzenie (UE) nr 142/2011 (m.in. parametry czasu i temperatury dla poszczególnych kategorii). Odzysk ciepła z higienizowanej strugi (wymiennik regeneracyjny) znacząco zmniejsza zużycie ciepła.

4. Odbiory zewnętrzne. Ogrzewanie budynków, suszarnie, ciepłownia zewnętrzna. Zimą konkurują one z procesem o to samo ciepło; w bilansie proces powinien mieć priorytet, bo wychłodzenie fermentora kosztuje tygodnie produkcji, a nie godziny.

Po stronie dostawy ciepła

Silnik CHP przekształca energię paliwa w energię elektryczną i ciepło; sprawności elektryczna i cieplna typowych jednostek omawiamy w tekście o sprawności silnika CHP. Ciepło trafia do obiegu wody chłodzącej silnika (płaszcz i olej) i do spalin. Nie całe ciepło jest użyteczne: temperatura i dostępność zależą od układu wymienników i od tego, czy silnik pracuje. Sezonowość i strukturę bilansu ciepła z kogeneracji opisujemy w artykule ciepło odpadowe z CHP.

Trzy sytuacje szczególnie psują zimowy bilans:

• Praca silnika na obniżonym obciążeniu (ograniczenie mocy przez operatora sieci, mniej biogazu po spadku produkcji): mniej ciepła, a zapotrzebowanie bez zmian.
• Postój silnika (awaria, serwis, zbyt niska jakość gazu): ciepło trzeba wyprodukować w kotle, a gdy go nie ma, temperatura fermentora spada.
• Zbyt niska temperatura wody powrotnej lub brak odbioru w przeciwnym sezonie, który w zimie odwraca się: ciepło jest, ale wymienniki są niedowymiarowane na dużą moc przy małej różnicy temperatur.

Jak zbudować własny bilans

1. Ustal najzimniejszy typowy tydzień dla lokalizacji i temperaturę substratów w tym czasie (kiszonka z pryzmy, gnojowica ze zbiornika, wywar).
2. Policz średnią dobową masę dozowania i energię na podgrzanie (tabela powyżej).
3. Dodaj straty przegród: osobno zbiorniki, rurociągi, wymienniki, pompy, budynek technologiczny.
4. Dodaj higienizację i odbiory zewnętrzne.
5. Zestaw sumę z mocą cieplną realnie dostępną z CHP przy obciążeniu spodziewanym zimą i z mocą kotła rezerwowego.
6. Sprawdź scenariusz awarii jednego źródła: czy rezerwa utrzyma temperaturę procesu przez czas typowej naprawy.

Co poprawia bilans bez nowych źródeł

• Podgrzewanie substratu stopniowo, np. w zbiorniku wstępnym ogrzewanym ciepłem niskotemperaturowym, i dozowanie częstsze, mniejszymi porcjami (stabilniejsza temperatura w komorze).
• Naprawa izolacji, osłony przed wiatrem i ograniczenie mostków cieplnych w miejscach najbardziej narażonych.
• Odzysk ciepła ze strumienia wychodzącego (wymiennik pofermentu do podgrzewania substratu), jeśli jest wykonalny technicznie i higienicznie.
• Utrzymanie substratów w cieple tam, gdzie to opłacalne (np. zakryte miejsca składowania), zamiast ogrzewania ich dopiero w komorze.
• Wyłączanie z odbiorów zewnętrznych w szczycie mrozów zgodnie z wcześniej ustalonym priorytetem.

Zapas ciepła warto zweryfikować pomiarami: licznik ciepła na obiegu fermentora i licznik na odbiorach zewnętrznych pokazują rzeczywisty podział i pozwalają porównać go z bilansem projektowym. Parametry procesu, w tym skutki wahań temperatury, omawiamy w tekście o rozruchu komory fermentacyjnej.

Typowe błędy w bilansach cieplnych

• Przyjmowanie temperatury substratu jako stałej w ciągu roku: kiszonka z pryzmy i gnojowica ze zbiornika zewnętrznego zimą mają zwykle temperaturę bliską otoczenia.
• Pomijanie strat w rurociągach, wymiennikach i pompach, które zimą potrafią być tak samo istotne jak straty zbiornika.
• Liczenie dostępnego ciepła z CHP według mocy znamionowej, a nie rzeczywistego obciążenia w danej porze roku.
• Brak uwzględnienia czasu naprawy źródła ciepła: rezerwa musi wystarczyć na czas, w którym proces nie może się wychłodzić.
• Traktowanie ciepła niskotemperaturowego jako równoważnego wysokotemperaturowemu; wymiennik wymaga odpowiedniej różnicy temperatur.

Jak uzupełnić bilans pomiarami

Najlepszym uzupełnieniem obliczeń są liczniki ciepła i temperatury w kilku punktach: na wejściu i wyjściu wymiennika fermentora, na obiegu CHP, na odbiorach zewnętrznych oraz temperatura w samym fermentorze. Porównanie zimowych odczytów z obliczeniami wskazuje, czy straty są większe od założonych (np. wskutek zawilgoconej izolacji) i czy dostępna moc rzeczywiście odpowiada projektowej. Wnioski warto zapisać i powtarzać co sezon, bo wraz ze zmianą receptury substratów zmienia się także zapotrzebowanie na ciepło.