Tối ưu hoá hệ thống nhiệt điện Biogas trong chăn nuôi (1)

Tối ưu hoá hệ thống nhiệt điện Biogas trong chăn nuôi

Chất thải rắn (phân và nước tiểu) được tạo ra trong ngành chăn nuôi gia cầm và gia súc thông qua quá trình lên men kỵ khí, tạo ra khí mê-tan (biogas) để sản xuất điện, cung cấp nhiệt hoặc sử dụng trực tiếp trong sản xuất nông nghiệp.

Mặc dù việc phát điện bằng khí mê-tan (biogas) có thể mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể cho doanh nghiệp, nhưng như một nguồn năng lượng phát điện, nó tiêu tốn một lượng lớn nguồn năng lượng hóa thạch, đồng thời cũng tạo ra một lượng lớn khí thải nhà kính. Do đó, thông qua việc giảm lượng chất thải rắn và tối ưu hóa cấu trúc sử dụng năng lượng, hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp dựa trên việc phát điện từ biogas có thể đạt được hai mục tiêu là tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.

Hệ thống nhiệt điện biogas tại trang trại chăn nuôi

Cấu trúc hệ thống nhiệt điện Biogas

Hệ thống này chủ yếu bao gồm ba phần: Hệ thống sản xuất biogas, Hệ thống phát điện biogas và Hệ thống cung cấp nhiệt. Trong đó, hệ thống sản xuất biogas bao gồm nguyên liệu lên men, bể lên men, đường ống dẫn và bể chứa khí; hệ thống phát điện biogas bao gồm các thiết bị phát điện và biến áp tăng áp; hệ thống cung cấp nhiệt bao gồm nồi hơi, turbine hơi và bộ trao đổi nhiệt.

Dựa trên quy mô của trang trại, hệ thống có thể được phân thành các loại: nhỏ, trung bình và lớn. Trang trại nhỏ chỉ cần thực hiện quá trình lên men kỵ khí mà không cần xây dựng cơ sở cung cấp nhiệt và điện; trang trại trung bình cần phải xây dựng các cơ sở cung cấp nhiệt và điện, cũng có thể xây dựng riêng lẻ nhưng đòi hỏi đầu tư cao; trang trại lớn cần phải xây dựng các cơ sở cung cấp nhiệt và điện.

Xem thêm

Máy phát điện Biogas

Nguyên lý và quy trình hoạt động của phát điện Biogas công suất lớn

Nguyên lý hoạt động của hệ thống nhiệt điện Biogas

Lấy một trang trại nhỏ làm ví dụ, trang trại này sử dụng phương pháp “Biogas – Điện – Hơi nước” để sản xuất năng lượng. Biogas được tạo ra trong bể sau đó được gửi qua ống dẫn áp vào hệ thống phát điện biogas, chuyển đổi điện năng thành năng lượng cơ học, cung cấp cho tổ máy phát điện. Bùn biogas được tạo ra trong bể lên men sau đó được chuyển qua ống dẫn vào bể chứa để lưu trữ. Khi biogas được sử dụng để phát điện, nhiệt độ của nó được duy trì trong khoảng 45~55°C.

Sau khi bùn biogas từ ống dẫn chảy vào bể chứa, nó được lưu trữ và được sử dụng lại khi cần thiết. Khí thừa sau quá trình sản xuất điện được đưa vào hệ thống làm sạch biogas để xử lý làm sạch, sau đó được đưa vào hệ thống cung cấp nhiệt để cấp nhiệt cần thiết cho trang trại chăn nuôi.

Các chỉ số đánh giá hệ thống nhiệt điện Biogas

Dựa trên ví dụ của trang trại chăn nuôi, mỗi năm trang trại sẽ sản xuất khoảng 10 nghìn tấn chất thải rắn (trong đó khí mê-tan (biogas) chiếm khoảng 80%), nếu sử dụng phương pháp truyền thống, lượng khí mê-tan (biogas) sản xuất mỗi năm sẽ khoảng 20 nghìn m3.

Bằng cách sử dụng phương pháp sử dụng khí mê-tan (biogas) để sản xuất điện, làm sạch khí mê-tan (biogas), cung cấp nhiệt từ khí mê-tan (biogas) và cung cấp nhiệt từ lò sưởi, hệ thống sẽ sản xuất khoảng 60 nghìn m3 chất thải rắn mỗi năm.

Khi lượng chất thải rắn giảm và quy mô sản xuất điện từ khí mê-tan (biogas) mở rộng, trang trại có thể tiết kiệm được khoảng 20 triệu đồng chi phí nhiên liệu và 30 triệu đồng chi phí sử dụng đất đai mỗi năm.

Phương pháp sử dụng năng lượng “Biogas – Điện – Hơi nước” tại trang trại chăn nuôi có thể mang lại hiệu quả kinh tế cao. Tuy nhiên, trong hệ thống này còn có một số vấn đề: Khi có nhiều trang trại chăn nuôi tập trung trong một khu vực, sự chênh lệch về sản lượng biogas và điện lưới giữa các khu vực có thể dẫn đến tình trạng thiếu điện lưới.

Xả thải khí biogas chưa qua xử lý trực tiếp vào bể chứa bùn biogas có thể gây ô nhiễm môi trường địa phương; trong quá trình lưu trữ và vận chuyển từ bể chứa bùn biogas cũng tiêu tốn một lượng lớn điện năng, tăng chi phí hệ thống.

Phân tích đặc điểm cân bằng cung và cầu khi sử dụng hệ thống nhiệt điện Biogas

Việc sử dụng điện từ biogas thay thế nguồn năng lượng hóa thạch là đáp ứng nhu cầu sưởi ấm của trang trại chăn nuôi. Biogas là nguồn nhiên liệu cho việc phát điện, không phải là điện. Do đó, không tồn tại một mối liên hệ một-một giữa lượng điện sản xuất và lượng cung cấp biogas, khi biogas cung cấp đủ, lượng điện sản xuất sẽ giảm đi tương ứng.

Khi nhu cầu biogas trong hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi gia cầm gia súc tăng lên, sẽ cần tăng sản lượng phát điện từ khí biogas, và khi lượng sản lượng phát điện tăng thêm sẽ dẫn tới lượng biogas cung cấp không đủ bù. Trong hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp, có một mối quan hệ tương hỗ hai chiều giữa nguồn năng lượng và người sử dụng, do đó khi nhu cầu năng lượng lớn hơn, người sử dụng có thể lựa chọn nguồn năng lượng sạch hoặc điện năng lượng ít ảnh hưởng đến môi trường hơn.

Trong hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi gia cầm gia súc, khi sử dụng hệ thống cấu hình chính dựa trên việc phát điện từ Khí – Hơi nước, chỉ khi nhu cầu nhiên liệu lớn mới tăng sản lượng phát điện để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.

Khi nhu cầu nhiên liệu giảm, do lượng nhiệt dư được tạo ra trong hệ thống để bù đắp cho sự giảm lượng phát điện do tiêu thụ nhiên liệu giảm. Đồng thời, khi cung biogas không đủ, sẽ cần phải tăng cường máy phát để cung cấp đủ nhu cầu lượng khí.

Tuy nhiên, do nhiên liệu mà hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi gia cầm gia súc sử dụng là loại nhiên liệu dễ dàng tiếp cận và rẻ tiền, và không tạo ra khí thải nhà kính, nên ngay cả khi cung nhiên liệu không đủ, hệ thống vẫn có thể đáp ứng được nhu cầu.

Khi lượng nhiên liệu yêu cầu giảm, sẽ phải thêm các tổ máy phát điện để đáp ứng nhu cầu. Thông qua việc phân tích hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp, chúng ta có thể kết luận rằng giữa cung và cầu trong hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi gia cầm gia súc là một mối quan hệ tương hỗ hai chiều.

Một mặt, người sử dụng có thể lựa chọn nguồn năng lượng sạch hoặc điện năng lượng ít ảnh hưởng đến môi trường; mặt khác, do lượng nhiên liệu hóa thạch tiêu thụ trong quá trình phát điện biogas gây ra ít khí thải nhà kính, do đó phát điện từ khí biogas có thể cung cấp đủ lượng điện cho người sử dụng.

Nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi gia cầm gia súc

Bằng cách phân tích hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi gia cầm gia súc, bài viết này chuyển đổi vấn đề tối ưu hóa hệ thống này thành làm thế nào để hệ thống này đảm bảo đáp ứng nhu cầu của người sử dụng một cách tối ưu, đồng thời đạt được mục tiêu tối đa hóa hiệu quả kinh tế của doanh nghiệp và hiệu quả môi trường.

Sử dụng thuật toán di truyền và lập trình bằng ngôn ngữ MATLAB đã thực hiện việc tối ưu hóa hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi gia cầm gia súc. Hệ thống này có thể kết hợp với hệ thống phát điện phân tán để tận dụng tối đa chất thải trong trang trại chăn nuôi.

Vì trong toàn bộ hệ thống, có ba tiêu chí hiệu suất khác nhau cho ba hệ thống con là phát điện biogas, cung cấp nhiệt và làm mát, nên khi thực hiện thiết kế tối ưu cụ thể, cần tối ưu hóa từng hệ thống con này riêng biệt, sau đó kết hợp xem xét lại các yêu cầu về hiệu suất của toàn bộ hệ thống để đề xuất cấu hình tốt nhất.

Đối với hệ thống con phát điện biogas, các yêu cầu về hiệu suất chủ yếu bao gồm: thời gian hoàn vốn, lợi nhuận trung bình hàng năm, sản lượng điện hàng năm, v.v. Hệ thống con này chủ yếu được đánh giá dựa trên việc tính toán lượng biogas và điện năng tiêu thụ của quá trình phát điện biogas để xác định các chỉ số kinh tế kỹ thuật.

Hệ thống con này cần đáp ứng các yêu cầu về năng lượng, bao gồm việc đảm bảo giá trị nhiệt lượng của nhiên liệu cần thiết cho việc phát điện biogas, nhu cầu về năng lượng điện hoặc thu hồi nhiệt thừa. Hơn nữa, hệ thống này cần đáp ứng các yêu cầu về khối lượng nhiệt cần cung cấp, tức là đáp ứng nhu cầu về nhiệt lượng từ phía người dùng.

Tổng hợp các yêu cầu về hiệu suất của ba hệ thống con trên và kết hợp với đặc điểm về giá trị nhiệt lượng của chất thải trang trại chăn nuôi gia cầm gia súc cùng với thông tin về các tham số liên quan, có thể xây dựng một mô hình tối ưu hóa cho hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi. Từ đó, thông qua việc giải quyết mô hình tối ưu này, có thể xác định cấu hình tốt nhất cho ba hệ thống con trong hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp biogas tại trang trại chăn nuôi.

Xem thêm

Lưu ý quan trọng khi sử dụng máy phát điện Biogas

Tìm hiểu thêm về máy phát điện Biogas

Kết luận

1. Hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp biogas tại trang trại chăn nuôi, với việc tập trung vào việc phát điện biogas, đã tăng cường hiệu suất đáng tin cậy của hệ thống sau quá trình phân tích. Đáp ứng nhu cầu về biogas, điện năng và nhiệt lượng từ phía người dùng.

Trong đó, phần phát điện biogas có thể giảm lượng khí thải ra môi trường khoảng 50%, giảm thiểu lượng khí phát thải gây hiệu ứng nhà kính, trong khi hệ thống thu nhiệt từ năng lượng mặt trời được xem như một hệ thống cung cấp nhiệt phân tán, so với hệ thống cung cấp nhiệt trung tâm thì có hiệu quả kinh tế tốt hơn.

Hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi không chỉ cung cấp nguồn điện ổn định và đáng tin cậy, mà còn thiết thực trong việc sử dụng và giảm thiểu lượng thải hiệu quả, đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng.

2. Nhu cầu năng lượng tập trung vào việc phát điện biogas trong hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp từ biogas tại trang trại chăn nuôi có tính mùa và tính ngẫu nhiên mạnh mẽ. Trong mùa đông ở miền Bắc, việc sử dụng biogas để sản xuất điện và cung cấp nhiệt có thể giảm lượng khí thải cacbon và tăng cường hiệu suất sử dụng năng lượng, đồng thời giải quyết vấn đề sưởi ấm vào mùa đông và mùa hè.

Trong khi đó, việc sử dụng để sản xuất điện và cung cấp nhiệt ở miền Nam có thể giải quyết vấn đề sưởi ấm ở nông thôn vào mùa mưa và mùa khô. Do đó, ở các vùng và mùa khác nhau, nên chọn mô hình sử dụng năng lượng phù hợp dựa trên điều kiện địa phương.

3. Trong hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi, các thiết bị như bộ thu nhiệt từ năng lượng mặt trời (năng lượng mặt trời + địa nhiệt), tổ máy bơm nhiệt làm lạnh hấp thụ lithium bromide và các thiết bị khác có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống một cách hiệu quả.

Trong hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi, việc sử dụng bộ thu nhiệt từ năng lượng mặt trời và thiết bị nhiệt làm lạnh hấp thụ lithium bromide là trọng tâm của việc tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải.

Khi diện tích bộ thu nhiệt từ năng lượng mặt trời và công suất máy bơm nhiệt tăng, tổng lượng năng lượng tiêu thụ hàng năm của hệ thống giảm, nhưng tại giai đoạn ban đầu, năng lượng tiêu thụ lớn; tổ máy bơm nhiệt làm lạnh hấp thụ lithium bromide là một lựa chọn thay thế tiềm năng, có thể đáp ứng nhu cầu về làm lạnh và cung cấp nhiệt của hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi.

4. Để đạt được mục tiêu kép về tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường trong hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp biogas tại trang trại chăn nuôi, cần tối ưu hóa từ các khía cạnh sau:

• Hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi, với việc sử dụng bộ thu nhiệt từ năng lượng mặt trời và tổ máy bơm nhiệt làm lạnh hấp thụ lithium bromide, đã giảm thiểu năng lượng tiêu thụ của hệ thống. Do đó, khi thiết kế, cần xem xét tối ưu hóa diện tích bộ thu nhiệt từ năng lượng mặt trời như một tham số quan trọng.
• Diện tích bộ thu nhiệt từ năng lượng mặt trời trong hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi cần được tăng lên càng nhiều càng tốt, và cần phải chọn diện tích phù hợp dựa trên điều kiện ánh sáng mặt trời.
• Môi trường nhiệt độ và áp suất cao cần thiết cho việc sản xuất điện biogas đặt ra yêu cầu cao đối với các thiết bị lưu nhiệt. Do đó, các thiết bị lưu nhiệt nên được lựa chọn sử dụng sao cho hiệu quả cao nhất có thể.

• Phần sản xuất điện biogas cần lựa chọn máy nén khí và nồi hơi tái sinh nhiệt một cách hợp lý để nâng cao hiệu suất sản xuất điện biogas.
• Trong hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi, các máy nhiệt làm lạnh hấp thụ lithium bromide có thể được điều chỉnh nhiệt độ đầu ra sao cho hoạt động ở trạng thái tốt nhất.
• Trong hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi, cần chú ý đến việc điều phối hoạt động giữa việc cung cấp nhiệt điện kết hợp và sản xuất điện biogas. Phần sản xuất điện biogas cần lượng hơi nước lớn cung cấp cho các máy phát điện kết hợp nhiệt điện, và khi các máy phát điện kết hợp nhiệt điện không đáp ứng được nhu cầu tải, sẽ tiêu tốn lượng hơi nước lớn. Do đó, cần phối hợp hoạt động giữa các máy phát điện kết hợp nhiệt điện và thiết bị sản xuất điện biogas một cách hợp lý.

Quan điểm của tác giả

Bằng cách phân tích đặc điểm cung cầu của hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi, bài viết đã đề xuất phương pháp tối ưu hóa hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi với điểm nhấn là việc sản xuất điện biogas.

Phương pháp này đã tối ưu hóa toàn bộ cấu hình của hệ thống, thiết kế tối ưu các hệ thống phụ trong hệ thống, đảm bảo cung cấp nhiệt cho hệ thống đồng thời đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải, từ đó cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc triển khai và áp dụng hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi. Với sự chú trọng của quốc gia vào công cuộc tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải, việc sản xuất điện biogas sẽ được khuyến khích mạnh mẽ trong tương lai.

Phương pháp được đề xuất trong bài viết có thể cung cấp cơ sở lý thuyết và hướng dẫn thực hành cho việc thiết kế hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại trang trại chăn nuôi, cung cấp đề xuất liên quan cho sự phát triển của hệ thống này trong tương lai, từ đó thúc đẩy sự phát triển lành mạnh của hệ thống nhiệt điện biogas kết hợp tại Việt Nam.

Xem thêm

Tìm hiểu thêm về các loại máy phát điện công nghiệp khác

Tìm hiểu thêm về các công suất máy phát điện Biogas

Hầm Biogas