แก๊สชีวภาพ (Biogas)

นาย อัสฎาวุธ รอดรักษ์      5401001612075
นาย ธนพล แก้วกัลยา 5310063143
นาย วีรทัศ ลู่ชัยชนะ 5310062202
นาย ฐากูล พรมเผ่า 5310062178
นาย ธิติวัส มหาศักดิ์ศิริ 5310060198

แก๊สชีวภาพ (Biogas)

สำหรับเนื้อหาในหัวข้อนี้ จะเป็นการกล่าวถึงเนื้อหาของโรงไฟฟ้าพลังงานแก๊สชีวภาพ โดยจะกล่าวถึงความหมายของแก๊สชีวภาพ  องค์ประกอบ และขั้นตอนการเกิดแก๊สชีวภาพ และกระบวนการผลิตไฟฟ้าโดยแก๊สชีวภาพ โดยมีความคาดหวังว่าเนื้อหาในส่วนนี้จะเป็นประโยชน์แก่ผู้ที่เข้ามาศึกษาค้นคว้าเรื่องแก๊สชีวภาพเป็นอย่างสูง

แก๊สชีวภาพ คืออะไร    

    แก๊สชีวภาพ คือแก๊สที่เกิดขึ้นจากผลของการหมักย่อยอินทรีย์สาร เช่นมูลสัตว์ทุกชนิด วัสดุเหลือใช้ทางการเกษตร ตลอดจนน้ำทิ้งจากอุตสาหกรรมเป็นต้น โดยอินทรีย์สารจะถูกหมัก และย่อยสลายด้วยเชื้อจุลินทรีย์ในสภาพไม่มีอากาศภายใต้อุณหภูมิและความชื้นที่เหมาะสมทำให้เกิดแก๊สขึ้น ซึ่งแก๊สชีวภาพที่เกิดขึ้นเป็นแก๊สที่มีส่วนผสมระหว่างแก๊สชนิดต่างๆ ซึ่งมีคุณสมบัติติดไฟได้ สามารถนำมาเป็นเชื้อเพลิงเพื่อใช้ประโยชน์ในการหุงต้ม ให้แสงสว่าง หรือนำมาเป็นเชื้อเพลิงในการผลิตกระแสไฟฟ้า เช่นเดียวกับแก๊สเหลวที่บรรจุถังจำหน่ายในท้องตลาดทั่วไป    สำหรับเครื่องยนต์ที่ใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้านั้น สามารถใช้ได้ทั้งเครื่องยนต์เบนซิน, เครื่องยนต์ดีเซลดัดแปลงและเครื่องยนต์ที่ผลิตมาเพื่อใช้แก๊สชีวภาพเป็นเชื้อเพลิงโดยเฉพาะ ทั้งนี้เครื่องยนต์เบนซินสามารถใช้ได้โดยไม่ต้องผ่านการดัดแปลงใดๆ แต่เครื่องยนต์เบนซินเป็นเครื่องยนต์ที่มีรอบการทำงานสูง สิ้นเปลืองพลังงาน ผลิตไฟฟ้าได้ไม่มากและการสึกหรอสูงมาก จึงจำเป็นต้องใช้เครื่องยนต์จำนวนมาก ส่วนเครื่องยนต์ดีเซลดัดแปลงนั้นจะมีขนาดใหญ่ ใช้รอบต่ำ ไม่สิ้นเปลืองพลังงาน สามารถผลิตไฟฟ้าได้จำนวนมากๆและยังมีการสึกหรอต่ำอีกด้วย ส่วนเครื่องยนต์ที่ผลิตมาเพื่อใช้แก๊สชีวภาพเป็นเชื้อเพลิงโดยเฉพาะ จะมีความทนทานสูง มีค่าบำรุงรักษาต่ำ ให้ประสิทธิภาพในการใช้งานสูงแต่จะมีราคาสูงตามคุณภาพด้วย

 

กระบวนการการเกิดแก๊สชีวภาพ

       แก๊สชีวภาพ คือก๊าซที่เกิดจากกระบวนการหมักย่อยสลายทางชีวภาพของสารอินทรีย์ในสภาวะไร้อากาศ( ไร้ออกซิเจน ) โดยกลุ่มแบคทีเรียชนิดที่ไม่ต้องการออกซิเจนในการย่อยสลายและเปลี่ยนรูปสารอินทรีย์ให้กลายเป็นก๊าซชีวภาพ

        กระบวนการหมักย่อยสลายทางชีวภาพของสารอินทรีย์ในสภาวะไร้อากาศ 

กระบวนการทั้งหมดในการสร้างแก๊สชีวภาพสามารถแบ่งเป็นสามขั้นตอน คือ การย่อยสลายสารอินทรีย์ (Hydrolysis) การแปรสภาพเป็นกรด (Acidification) และการเกิดก๊าซมีเทน (Methane Formation)

ขั้นตอนแรกการย่อยสลายสารอินทรีย์

 สารอินทรีย์ถูกย่อยสลายภายนอกโดยสารเร่งปริกิริยาเคมีที่มีขนาดเล็กที่เติมเข้าไป เช่น เซลลูเลส อะมีเลสโปรติเอส และไลเปส แบคทีเรียทำให้ห่วงโซ่ที่ซับซ้อนของสารประกอบคาร์โบไฮเดรต โปรตีน ไขมันมีขนาดเล็กลง ยกตัวอย่างเช่น โพลีซัคคาไรดส์ (Polysaccharides) เปลี่ยนเป็น โมโนซัคคาไรดส์ (Monosaccarides) การแยกโปรตีนออกเป็นเปปไทด์และกรดอะมิโน เป็นต้น 

ขั้นตอนที่สอง การแปรสภาพเป็นกรด

เป็นการทำงานของแบคทีเรียที่สร้างกรด โดยทำหน้าที่เปลี่ยนสารตัวกลางโดยแบคทีเรียของกระบวนการหมักให้เป็นกระอะซีติค (CH₃COOH) ก๊าซไฮโดรเจน (H₂) และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) แบคทีเรียเหล่านี้อยู่ในสภาพไร้อากาศและสามารถเติบโตในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด

ขั้นตอนที่สาม การเกิดแก๊สมีเทน           
             เป็นขั้นตอนที่แบคทีเรียทำให้เกิดก๊าซมีเทนโดยการย่อยสลายสารประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ ตัวอย่างคือ แบคทีเรียใช้แก๊สไฮโดรเจน  แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และกรดอะซีติค เพื่อทำให้เกิดก๊าซมีเทน (CH₄) และแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) กระบวนการย่อยสลายสารอินทรีย์แบบไม่ใช้ออกซิเจนที่ทำให้เกิดแก๊สชีวภาพนี้เป็นกระบวนการทางธรรมชาติที่สามารถสังเกตเห็นได้โดยทั่วไป เช่น ในโคลนตมของหนองน้ำ คลอง บึง นาข้าว กระเพาะสัตว์เคี้ยวเอื้อง (วัว ควาย แพะ) ท่อระบายน้ำชุมชน บ่อพักน้ำ ฟาร์มปศุสัตว์ และบ่อน้ำเสียโรงงานอุตสาหกรรมเกษตร เป็นต้น

 องค์ประกอบของแก๊สชีวภาพ  

                                                                                                                                                                    แก๊สชีวภาพจะมีก๊าซที่เป็นองค์ประกอบหลักอยู่ 2 ชนิด คือ แก๊สมีเทน (CH₄) และแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ในอัตราส่วนประมาณ 50-75% และ 25-50% ตามลำดับ และมีแก๊สอื่นๆปะปนในปริมาณเล็กน้อย ประมาณ 1-2% เช่น แก๊สไนโตรเจน (N₂) ไฮโดรเจน (H₂) ไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H₂S) เป็นต้น ทั้งนี้สภาวะของกระบวนการหมักย่อย และลักษณะสมบัติของน้ำเสียจะมีผลทำให้อัตราส่วนประกอบของก๊าซชีวภาพมีความแตกต่างกัน

ประโยชน์ของแก๊สชีวภาพ

                                                                                                                                                                      การที่มีแก๊สมีเทนเป็นองค์ประกอบหลักในแก๊สแก๊สชีวภาพคล้ายคลึงกับแก๊สธรรมชาติ จึงทำให้แก๊สชีวภาพนั้น สามารถจุดติดไฟและเผาไหม้ได้แบบเดียวกับก๊าซธรรมชาติ ด้วยเหตุนี้แก๊สชีวภาพสามารถใช้ทดแทน ก๊าซธรรมชาติ ก๊าซหุงต้ม และน้ำมันเชื้อเพลิง รวมถึงเชื้อเพลิงฟอสซิล ชนิดอื่นๆได้เป็นอย่างดี เช่น ใช้เป็นเชื้อเพลิง ใช้ในการเผาไหม้ให้ความร้อน ใช้แทนน้ำมันเตาในหม้อต้มไอน้ำใช้เดินเครื่องยนต์สันดาปภายใน รวมถึงใช้เดินเครื่องยนต์ผลิตกระแสไฟฟ้า

 ผลผลิตที่ได้จากการผลิตแก๊สชีวภาพ

     ปุ๋ยอินทรีย์ (Bio-fertilizer) กากตะกอน และ/หรือ อินทรียวัตถุที่ผ่านการหมักย่อยแล้ว จะกลายเป็นปุ๋ยชีวภาพที่ไม่มีกลิ่นเหม็นและอุดมไปด้วยธาตุอาหารพืช รวมทั้งยังช่วยปรับปรุงสภาพดินให้มีความโปร่งพรุน ที่พร้อมจะดูดซับธาตุอาหารและน้ำได้ดี
   น้ำที่ผ่านการบำบัด (Treated water) น้ำที่ผ่านการบำบัดแล้ว สามารถนำกลับมาใช้สำหรับการเพาะปลูก ชลประทาน และ/หรือ ทำความสะอาด บริเวณต่างๆ ได้

โรงไฟฟ้าแก๊สชีวภาพ

การผลิตพลังงานไฟฟ้าจากแก๊สชีวภาพ 

  แก๊สชีวภาพคือก๊าซที่เกิดจากชีวมวลที่ถูกย่อยสลายโดยจุลินทรีย์ภายใต้สภาวะที่ไม่มีออกซิเจน โดยมีอุณหภูมิ ความชื้นและความเป็นกรด-เบสที่เหมาะสม แก๊สที่เกิดขึ้นเป็นก๊าซผสมกันหลายชนิด ได้แก่ แก๊สมีเทน (CH4) แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) แก๊สไนโตรเจน (N2) และแก๊สไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) แต่ส่วนใหญ่แล้วจะประกอบด้วยก๊าซมีเทนเป็นหลักซึ่งมีคุณสมบัติติดไฟได้ แก๊สเหล่านี้สามารถพบได้ในการบำบัดน้ำเสียจากครัวเรือน โรงงานผลิตแอลกอฮอล์ โรงงานกำจัดขยะ โรงงานผลิตกรดมะนาวโรงงานแป้งมันสำปะหลัง โรงงานข้าวโพด โรงงานน้ำมันปาล์ม ฟาร์มเลี้ยงสุกร โรงฆ่าสัตว์ ซึ่งน้ำเสียจากแหล่งเหล่านี้สามารถผลิตก๊าซชีวภาพได้จำนวนมาก และนับเป็นพลังงานที่สามารถนำมาใช้ทดแทนหรือใช้ร่วมกับพลังงานอื่นที่ราคาแพงได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะการผลิตไฟฟ้า นอกจากนี้ ความร้อนที่เกิดขึ้นยังนำไปใช้ให้ความร้อนกับหม้อน้ำ (BOILER) อบแห้งหรือนำไปใช้โดยตรงในชีวิตประจำวัน อาทิเช่น ใช้เป็นแหล่งพลังงานของระบบปรับอากาศ เป็นต้น ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งกับภาวะขาดแคลนพลังงานในปัจจุบัน และถือได้ว่าเป็นพลังงานทดแทนที่สำคัญชนิดหนึ่ง

การผลิตพลังงานไฟฟ้าจากแก๊สชีวภาพสามารถกระทำได้ด้วยวิธีหลักๆ 3 วิธีกล่าวคือ
1.ระบบกังหันไอน้ำ
2.ระบบกังหันแก๊สเดินคู่กับระบบกังหันไอน้ำ
3.ระบบเครื่องยนต์แก๊สสันดาปภายใน

1. การผลิตพลังงานไฟฟ้าด้วยระบบกังหันไอน้ำ                                                                     วิธีนี้เป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไป โดยระบบกังหันไอน้ำแต่ละระบบจะต่างกันตรงชนิดเชื้อเพลิงที่นำมาเผาให้ความร้อนแก่หม้อน้ำเท่านั้น ระบบนี้เป็นการนำก๊าซชีวภาพมาเผาเพื่อต้มน้ำในหม้อน้ำโดยตรงให้กลายเป็นไอน้ำ จากนั้นใช้ไอน้ำไปหมุนกังหันไอน้ำที่ต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอีกทอดหนึ่ง อุปกรณ์หลักประกอบด้วย เตาเผาก๊าซชีวภาพ หม้อน้ำ (BOILER) ระบบจ่ายน้ำและบำบัดน้ำ เครื่องควบแน่น (CONDENSER) หอหล่อเย็น (COOLING TOWER) กังหันไอน้ำ (TURBINE) และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งประกอบด้วยอุปกรณ์สำคัญที่ซับซ้อนหลายชนิด

จุดเด่นของระบบ คุณภาพและความดันของแก๊สชีวภาพที่ใช้ไม่จำเป็นต้องสูงมากนัก สิ่งที่ต้องระวังก็คือ อย่าให้การเผาแก๊สก่อความเสียหายแก่เตาเผาการจัดการกับแก๊สในระบบนี้ทำได้ง่าย

จุดด้อยของระบบ ระบบนี้มีความซับซ้อนมาก ค่าใช้จ่ายในการลงทุนสูง การติดตั้งต้องใช้เวลานานและใช้พื้นที่มาก การเคลื่อนย้ายระบบทำได้ลำบาก ปริมาณน้ำที่ใช้สูง ใช้แรงงานในการจัดการมาก และประสิทธิภาพของระบบต่ำอยู่ที่ประมาณ15%

2. การผลิตพลังงานไฟฟ้าด้วยระบบกังหันก๊าซเดินคู่กับระบบกังหันไอน้ำ                                        วิธีนี้น่าจะมีประสิทธิภาพดีที่สุด หลักการทำงานก็คือ ใช้ระบบกังหันก๊าซชนิดเดียวกับที่ใช้ในเครื่องบินไอพ่น โดยอัดอากาศผ่านเครื่องอัดความดันสูง แล้วนำอากาศความดันสูงที่ได้มาเผาร่วมกับก๊าซชีวภาพในห้องเผาไหม้ ซึ่งทำให้ ก๊าซที่เผาไหม้แล้วเกิดการขยายตัวทันที กลายเป็นพลังงานไปหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เนื่องจากก๊าซเสีย (ก๊าซผสม ที่ปล่อยทิ้ง) มีอุณหภูมิสูงถึง 450–550 องศา ดังนั้น จึงสามารถนำไปใช้ให้ความร้อนแก่หม้อน้ำ เพื่อไปหมุนกังหันไอน้ำที่ใช้ขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้อีกทอดหนึ่ง ระบบนี้ให้ประสิทธิภาพโดยรวมประมาณ 30% 

จุดเด่นของระบบ การทำงานของระบบมีความแน่นอนเชื่อถือได้ เมื่อพิจารณาถึงคุณภาพของก๊าซชีวภาพ แม้จะมีกำมะถันและสิ่งอื่นเจือปนอยู่บ้างก็ไม่เป็นปัญหา เนื่องจากระบบกังหันก๊าซมีประสิทธิภาพสูง แต่ขนาดไม่ใหญ่ สะดวกต่อการเคลื่อนย้าย ดังนั้น จึงเหมาะกับโครงการก๊าซชีวภาพที่ไม่มีความแน่นอนในเรื่องวัตถุดิบที่นำมาทำเชื้อเพลิง (ทั้งนี้ ยังไม่รวมส่วนของระบบกังหันไอน้ำที่ใช้ก๊าซเสียจากระบบกังหันก๊าซเป็นแหล่งความร้อน)

จุดด้อยของระบบ ใช้พลังงานสูงในกระบวนการผลิตไฟฟ้า โดยเฉพาะระบบกังหันก๊าซซึ่งแม้จะมีประสิทธิภาพสูง แต่ก็ต้องการพลังงานสูงเช่นกันในการอัดก๊าซผสมจำนวนมาก ทำให้พลังงานไฟฟ้าที่ได้ลดลงถึง 15–20% เมื่อรวมกับพลังงานไฟฟ้าจากระบบกังหันไอน้ำ ส่งผลให้ประสิทธิภาพต่ำลง 10–15% นอกจากนี้ยังมีข้อเสียอื่น ๆ ของระบบกังหันไอน้ำเช่นเดียวกับวิธีที่ใช้ผลิตไฟฟ้าด้วยระบบกังหันไอน้ำ

3. การผลิตพลังงานไฟฟ้าด้วยระบบเครื่องยนต์แก๊สสันดาปภายใน                                                 เครื่องยนต์สันดาปภายในเครื่องแรกที่ใช้แก๊สเป็นเชื้อเพลิง ผลิตขึ้นในปี ค.ศ.1876 ที่ประเทศเยอรมนี ต่อมาอีก 10 ปี เครื่องยนต์สันดาปภายใน 4 จังหวะที่ใช้น้ำมันเป็นเชื้อเพลิงได้ถือกำเนิดขึ้นที่เยอรมันเช่นกัน สำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้ก๊าซธรรมชาติและใช้ก๊าซชีวภาพนั้น การทำงานของเครื่องยนต์จะมีลักษณะเหมือนกับการทำงานของเครื่องยนต์ในรถยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซิน ซึ่งต้องมีการจุดระเบิดโดยใช้หัวเทียน แต่มีส่วนประกอบหรือชิ้นส่วนต่าง ๆ เหมือนกับเครื่องยนต์ดีเซลมากกว่า โดยก๊าซที่เผาไหม้ในกระบอกสูบของเครื่องยนต์ก๊าซสันดาปภายในที่จุดศูนย์กลาง อาจมีอุณหภูมิสูงถึง 1,400 องศา ทำให้ประสิทธิภาพของการผลิตไฟฟ้าด้วยระบบนี้สูงกว่าระบบที่ใช้กังหันก๊าซเดินคู่กับระบบกังหันไอน้ำโดยมีค่าอยู่ที่ 32–40 % และค่าเฉลี่ยทั่วไปจะอยู่ที่ 35%

จุดเด่นของระบบ 
1. คุณภาพของแก๊สไม่จำเป็นต้องสูงมากนักและไม่ต้องเพิ่มความดันให้กับก๊าซที่นำมาใช้ ถ้าปริมาณ H2S ในก๊าซชีวภาพไม่เกิน 200 mg/cu.m. ก็สามารถนำมาใช้ได้โดยตรง
2. ประสิทธิภาพในการผลิตพลังงานไฟฟ้าสูงถึง 32 – 40 % หากนำความร้อนจากไอเสียมาใช้ให้เป็นประโยชน์ โดยทำน้ำร้อนและน้ำเย็นเพื่อใช้เป็นระบบปรับอากาศ อาจจะได้ประสิทธิภาพสูงถึง 80 %
3. การสูญเสียพลังงานในระบบการผลิตมีน้อย ปริมาณน้ำที่ใช้ไม่มาก พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ในกระบวนการผลิตประมาณ 2-4%
4. ค่าใช้จ่ายในการลงทุนต่ำ การติดตั้งใช้เวลาน้อย เครื่องยนต์ก๊าซสันดาปภายในใช้เทคโนโลยีไม่สูง ส่วนประกอบของเครื่องยนต์ 80% เหมือนกับเครื่องยนต์ดีเซล การซ่อมบำรุงรักษาทำได้ง่าย การรื้อถอนและขนย้ายทำได้สะดวก
5. สามารถสร้างได้ตั้งแต่ขนาดเล็กจนถึง 10 MW

 

อ้างอิงจาก

http://www.dede.go.th/

http://protectionrelay.blogspot.com/2010/10/blog-post_25.html
            http://www.jiam-energy.com/
            http://www.np-biogas.com/