Biomethane in Cogeneration Units for the Autonomous Energy Supply of Agro-Industrial Facilities

Abstract

UKR: Актуальність дослідження зумовлена необхідністю підвищення енергетичної автономності агропромислових об’єктів в умовах зростання вартості енергоресурсів і вразливості централізованих систем енергопостачання. Агропромисловий сектор України характеризується значною енергоємністю та наявністю органічної сировини, що створює передумови для використання біометану в автономних когенераційних системах. Метою статті є обґрунтування доцільності використання біометану в когенераційних установках автономного енергопостачання агропромислових об’єктів з урахуванням реальних режимів електричного і теплового навантаження. Дослідження виконано з використанням розрахункового аналізу параметрів когенераційних установок на біометані, узагальнення технічних характеристик газопоршневого обладнання та застосування критеріїв енергетичної й економічної ефективності. Аналіз проводився для установок електричною потужністю 0,5–5,0 МВт із часткою утилізації теплової енергії 60–90% та регулюванням навантаження в діапазоні 50–100% номінальної потужності. Установлено, що за повного залучення теплової енергії сумарний коефіцієнт корисної дії когенераційних установок на біометані сягає 85–92%, тоді як за зниження коефіцієнта використання тепла нижче 60% ефективність когенерації істотно зменшується. Показано, що економічно прийнятні режими автономного енергопостачання відповідають строку окупності інвестицій до 6–7 років. Виявлено ключові обмеження, пов’язані з якістю біометану, сезонною нерівномірністю теплових навантажень і необхідністю адаптивного керування режимами генерації. Наголошено, що біометан може слугувати ефективною паливною основою автономних когенераційних систем агропромислових об’єктів за умови стабілізації параметрів палива та узгодження потужності установки зі структурою енергоспоживання підприємства. Подальші дослідження доцільно спрямувати на розроблення адаптивних алгоритмів управління когенераційними установками на біометані, удосконалення технологій очищення палива та деталізацію економічної оцінки автономних енергетичних систем за повним життєвим циклом.ENG: The relevance of the study is determined by the need to increase the energy autonomy of agro-industrial facilities in the context of rising energy costs and the vulnerability of centralized energy supply systems. The agro-industrial sector of Ukraine is characterized by significant energy intensity and the availability of organic raw materials, which creates the preconditions for the use of biomethane in autonomous cogeneration systems. The purpose of the article is to justify the feasibility of using biomethane in cogeneration plants for autonomous energy supply of agro-industrial facilities, taking into account the actual modes of electrical and thermal load. The study was carried out using a computational analysis of the parameters of biomethane cogeneration plants, a generalization of the technical characteristics of gas piston equipment, and the application of energy and economic efficiency criteria. The analysis was carried out for plants with an electrical capacity of 0.5–5.0 MW with a heat utilization rate of 60–90% and load regulation in the range of 50–100% of the nominal capacity. It was found that with full utilization of thermal energy, the total efficiency of biomethane cogeneration plants reaches 85–92%, while with a reduction in the heat utilization factor below 60%, the efficiency of cogeneration decreases significantly. It has been shown that economically acceptable modes of autonomous energy supply correspond to an investment payback period of 6–7 years. Key limitations related to biomethane quality, seasonal unevenness of heat loads, and the need for adaptive control of generation modes have been identified. It is emphasized that biomethane can serve as an effective fuel base for autonomous cogeneration systems of agro-industrial facilities, provided that fuel parameters are stabilized and the capacity of the installation is matched to the energy consumption structure of the enterprise. Further research should be directed towards the development of adaptive algorithms for controlling biomethane cogeneration plants, improving fuel purification technologies, and detailing the economic assessment of autonomous energy systems over their entire life cycle