Агровольтаика для производства биометана
Аккумулятор FIAMM FG 20722
Исследователи из Италии смоделировали установку для анаэробного сбраживания с использованием агрофотовольтаики для производства биометана и оптимизировали её работу по восьми сценариям, в некоторых случаях используя вертикально установленные панели с одноосевым трекером, а в других — с двухосевым.
Схема системы
Группа учёных под руководством Католического университета Святого Сердца в Италии провела технико-экономическую оптимизацию установки анаэробного сбраживания (АС) на основе агроэнергетики для производства биометана.
Для одновременной оптимизации экономических показателей и землепользования был разработан многоцелевой генетический алгоритм (MOGA) в сочетании с методом ранжирования по сходству с идеальным решением (TOPSIS).
«В этом исследовании представлена первая система оптимизации, объединяющая двусторонние агровольтаические (АВП) системы с установками анаэробного сбраживания, специально разработанными для производства биометана, — рассказал автор исследования Амирхоссейн Ник Зад. — Насколько нам известно, ни в одном из предыдущих исследований не применялся многоцелевой генетический алгоритм в сочетании с методологией ранжирования TOPSIS в контексте АВП-биометанирования».
В центре оптимизации находится мезофильная установка анаэробного сбраживания в Пьяченце, Италия, для которой требуется постоянная температура 37 °C. Установка принимает сырьевой материал в количестве 4,75 тонны в час и производит 6789 Нм³/сутки биогаза, из которого около 3680 Нм³ приходится на биометан (BioCH4). Общая годовая потребность в электроэнергии составляет 1011,8 МВт·ч, а пиковая потребность — 119 кВт. Потребность завода в тепловой энергии составляет 1340 МВт·ч, пик приходится на январь — 179 кВт.
«Мы проанализировали восемь сценариев, сгруппированных в три основных сценария (двусторонние системы APV, подключенные к сети) и пять альтернативных сценариев: автономные APV, системы, подключенные только к сети (без APV), и традиционные конфигурации (только комбинированное производство тепла и электроэнергии)», — пояснил Ник Зад. «Для трех основных сценариев наша система одновременно оптимизирует экономические показатели и использование земельных ресурсов. Для альтернативных сценариев была проведена аналитическая технико-экономическая оценка, чтобы сравнить их эффективность с оптимизированными решениями».
Процесс оптимизации
Сценарий 1 включал в себя систему APV, подключение к сети и бойлер. В сценарии 2 бойлер был заменён на геотермальный тепловой насос (GWHP), а в сценарии 3 — на теплоэлектроцентраль (ТЭЦ). В сценарии 4 использовалась только ТЭЦ; в сценарии 5 подключение к сети было совмещено с GWHP; а в сценарии 6 подключение к сети было совмещено с бойлером. Сценарий 7 включал в себя систему APV с аккумуляторной системой накопления энергии (BESS) и котлом, а сценарий 8 — систему APV с BESS и газовым водогрейным котлом.
Во всех сценариях, включавших систему APV, солнечные панели устанавливались вертикально и использовали одноосевое или двухосевое слежение. При использовании ТЭЦ она потребляла 24,05 % производимого биогаза.
«Самым поразительным открытием стало значительное экономическое превосходство электрификации тепловых насосов над стратегиями сжигания биогаза. Конфигурации с грунтовыми тепловыми насосами обеспечили в 8,7 раза более высокую чистую приведенную стоимость (ЧПС) по сравнению с котлами, работающими на биогазе, или ТЭЦ в рамках наших основных (оптимизированных) сценариев, — сказал Ник Зад. — Это происходит потому, что электрификация тепловых потребностей позволяет использовать биогаз для производства биометана, рыночная стоимость которого в Италии значительно выше, чем у электроэнергии, примерно в 5,5 раз выше закупочной цены на электроэнергию».
Исследовательская группа также выяснила, что оптимизированная сетевая конфигурация APV, сочетающая одноосевое отслеживание с GWHP (сценарий 2), обеспечивает более высокие экономические показатели: чистая приведённая стоимость составляет 2,88 млн евро (3,35 млн долларов США), что в 4,1 раза превышает показатели базовой конфигурации CHP (сценарий 4).
«Ещё одним интересным результатом стало стабильное превосходство одноосевых систем слежения над двухосевыми и вертикальными конфигурациями во всех сценариях, — заключил Ник Зад. — Несмотря на то, что двухосевые системы улавливают больше энергии, дополнительные капитальные и эксплуатационные затраты нивелируют эту выгоду. Одноосевая конфигурация стабильно обеспечивает оптимальный баланс между выработкой энергии и рентабельностью, что говорит о том, что это зрелая технология, готовая к стандартизации и масштабному внедрению в интегрированные агроэнергетические системы».
Ученые представили результаты своего исследования в статье «Технико-экономическая оптимизация установки анаэробного сбраживания с использованием энергии солнца для производства биометана», опубликованной в журнале Energy Conversion and Management. В исследовании приняли участие ученые из итальянского Католического университета Святого Сердца и шведского Университета Мелардален.