Studium możliwości wykorzystywania biogazu do zasilania silników o zapłonie samoczynnym

Ze wstępu..

Zmiany klimatyczne związane z globalnym ociepleniem, a także coraz większa świadomość społeczna i jednocześnie wzrost zapotrzebowania na energię związany z rozwojem technologicznym wymuszają poszukiwanie no­wych źródeł energii. W ostatnich latach duży nacisk kładzie się na wzrost udziału energii odnawialnej w ogólnym bilansie energetycznym. Szczególną uwagę przykłada się do tak zwanych paliw odnawialnych drugiej generacji, które mogą być produkowane z różnego rodzaju odpadów pochodzenia roślin­nego lub zwierzęcego. Ważną cechą tego typu paliw jest możliwość wykorzys­tywania do ich wytwarzania produktów pochodzących z grupy upraw prze­znaczonych do celów niespożywczych lub niejadalnych produktów ubocznych, przez co wytwarzanie takich paliw nie konkuruje z produkcją żywności.

Zwiększeniu zainteresowania paliwami odnawialnymi drugiej generacji sprzyja polityka energetyczna prowadzona zarówno na szczeblu regionalnym, jaki i międzynarodowym. Od kilkudziesięciu lat różnego rodzaju organizacje międzynarodowe podejmują wielorakie działania mające na celu obniżenie emisji gazów cieplarnianych poprzez promowanie odnawialnych źródeł energii. Jednym z pierwszych istotnych ustaleń w tym kierunku był protokół z Kioto wynegocjowany w 1997 roku, będący traktatem międzynarodowym uzupeł­niającym Ramową konwencję Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klima­tu. Zgodnie z jego postanowieniami jego sygnatariusze zobowiązali się do końca 2012 roku obniżyć emisję gazów cieplarnianych o co najmniej 5% w stosunku do poziomu emisji z 1990 roku [20].

Kolejnym istotnym dokumentem wymuszającym zwiększenie udziału ener­gii odnawialnej była Dyrektywa nr 2001/77/WE Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia 27 września 2001 roku w sprawie wspierania produkcji na rynku wewnętrznym energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawial­nych. Dyrektywa ta wymuszała wytwarzanie co najmniej 7,5% energii elekt­rycznej pozyskanej ze źródeł odnawialnych od 2010 roku. Z kolei w Dyrektywie Parlamentu Europejskiego i Rady Europy nr 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 roku w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych określono jako cel do 2020 roku 20-procentowy udział energii ze źródeł odnawialnych w całkowitym zużyciu energii i 10-procentowy udział energii ze źródeł odnawialnych w transporcie [60, 70, 120].

Obserwowany na świecie wzrost liczby ludności oraz rozwój cywilizacyjny powodują ciągły wzrost zapotrzebowania na różnego rodzaju energię niezbędną do podtrzymywania i rozbudowy przemysłu, jak również do poprawy komfortu życia. Dotyczy to zarówno zapotrzebowania na energię elektryczną jako ener­gię najbardziej uniwersalną i łatwą do przesyłu na odległość, ale też paliw do napędu wszelkiego rodzaju pojazdów mechanicznych. Sprostanie, z jednej strony, ciągłemu wzrostowi zapotrzebowania na energię, a jednocześnie, z dru­giej strony, konieczność ograniczenia szkodliwego oddziaływania na środowis­ko wymusza poszukiwanie nie tylko energooszczędnych technologii stosowa­nych w przemyśle, ale również efektywnych technologii wytwarzania energii z różnego rodzaju paliw.

Ograniczone światowe zasoby podstawowych paliw kopalnych, takich jak węgiel czy ropa naftowa, także wymuszają poszukiwanie alternatywnych źródeł energii. Według Association for the Study of Peak Oil & Gas [2] przewidywana do 2030 roku podaż paliw kopalnych nie jest w stanie zapewnić szacowanego popytu na paliwa ciekle. Z danych tych jednoznacznie wynika, że podaż paliw ciekłych w najbliższych latach będzie się utrzymywała na stałym poziomie około 30 mld baryłek rocznie. Natomiast zapotrzebowanie na paliwa ciekle do 2030 roku wzrośnie o około 30%. Tak duża luka pomiędzy podażą a popytem na paliwa ciekłe musi być uzupełniona dzięki wykorzystaniu nowych, dotychczas niewykorzystywanych źródeł energii. Konieczne jest za­tem opracowanie nowych technologii wytwarzania paliw ciekłych z niewyko­rzystywanych dotychczas surowców lub zastąpienie tych paliw paliwami gazo­wymi [13, 71].

Jak wcześniej wspomniano, obecnie duży nacisk kładzie się na zwiększenie udziału w gospodarce energetycznej paliw odnawialnych drugiej generacji. Do tego typu paliw jest zaliczany między innym biogaz, który powstaje w przyro­dzie samoczynnie na skutek naturalnych procesów; może być również wy­twarzany w specjalnych biogazowniach z różnego rodzaju biomasy [25, 93, 114]. Wytwarzany w ten sposób biogaz zawiera znaczne ilości metanu (40-75%), głównego składnika palnego, oraz niepalnego dwutlenku węgla (25-55%), będącego balastem. Dodatkowo, w zależności od pochodzenia, biogaz może zawierać niewielkie (kilkuprocentowe) udziały innych składników, ta­kich jak wodór, tlenek węgla, azot i tlen oraz śladowe ilości siarkowodoru i innych związków chemicznych. Wykorzystywanie biogazu jako paliwa do różnego rodzaju pojazdów wymaga jednak nie tylko montażu instalacji gazo­wej, ale przede wszystkim montażu stosunkowo dużych zbiorników, które znacznie podnoszą całkowitą masę pojazdu oraz ograniczają jego zasięg.

Z uwagi na niższą kaloryczność biogazu w stosunku do gazu ziemnego oraz konieczność dostarczenia odpowiedniej ilości produktów do produkcji biogazu celowe jest rozproszenie jego wytwarzania, a następnie przetwarzanie na energię elektryczną łatwą do przesyłania na odległość [106, 114, 128]. Takie rozwiązanie znacznie obniża koszty wytwarzania energii z uwagi na niskie koszty transportu związane z przetwarzaniem biomasy w miejscu jej wy­tworzenia; dodatkowo nie ma potrzeby budowy rurociągów odprowadzających biogaz do miejsca jego wykorzystania.

Celowe zatem staje się opracowanie efektywnych metod przetwarzania biogazu w miejscu jego wytwarzania. Jednym z takich sposobów może być wykorzystanie dwupaliwowyeh silników o zapłonie samoczynnym (ZS) pracu­jących w układach kogeneracyjnych. Tego typu rozwiązania nie są obecnie szei’oko stosowane, jednak prowadzone w wielu ośrodkach naukowych badania wskazują, że wykorzystanie tego typu paliw do zasilania silników o zapłonie samoczynnym może być jednym z efektywniejszych sposobów wykorzystania energii zawartej w biogazie.