مولد الغاز الحيوي، كمجموعة كاملة من المعدات التي تحول الغاز الحيوي الناتج من التخمير اللاهوائي للكتلة الحيوية إلى طاقة كهربائية، له تصميم هيكلي يؤثر بشكل مباشر على كفاءته التشغيلية واستقراره وأدائه البيئي. بشكل عام، يتكون من وحدة تحضير وتنقية الغاز، ونظام إمداد الغاز، ووحدة توليد الطاقة، وجهاز استعادة الحرارة المهدورة، ووحدة الكهرباء والتحكم، ونظام حماية السلامة. تعمل هذه المكونات معًا لتحقيق عملية التحويل الكاملة من الغاز الخام إلى الطاقة الكهربائية المؤهلة.
تمثل وحدة تحضير الغاز وتنقيته-الواجهة الأمامية للنظام بأكمله. تشتمل هذه الوحدة بشكل أساسي على الهاضم اللاهوائي، وجهاز التحريك، وجهاز التسخين والتحكم في درجة الحرارة، وخطوط أنابيب تجميع الغاز. يستخدم الهاضم اللاهوائي عادةً هيكلًا مغلقًا من الفولاذ أو الخرسانة، مع الحفاظ على درجة حرارة متوسطة - (35–38 درجة ) أو درجة حرارة عالية- (55–58 درجة ) داخليًا لتسهيل توليد الميثان بكفاءة بواسطة الكائنات الحية الدقيقة. يضمن جهاز التحريك الاتصال الكافي بين المادة والكائنات الحية الدقيقة، بينما يحافظ جهاز التحكم في درجة الحرارة والتسخين على درجة حرارة تفاعل ثابتة. يتم نقل الغاز الحيوي الخام الناتج عبر خطوط الأنابيب إلى وحدة التنقية لإزالة الشوائب الضارة مثل كبريتيد الهيدروجين والرطوبة والجسيمات والسيلوكسان. تتضمن معدات التنقية عادةً برج إزالة الكبريت (عملية جافة أو رطبة)، وفاصل المكثفات، ومرشح الجسيمات، وجهاز امتصاص الكربون المنشط للتأكد من أن تركيبة ونظافة الغاز الداخل إلى وحدة توليد الطاقة تلبي متطلبات الوحدة.
نظام إمداد الغاز مسؤول عن توصيل الغاز الحيوي المنقى بشكل ثابت إلى غرفة الاحتراق. يتكون هذا النظام من ضاغط أو منفاخ غاز، وصمام تنظيم الضغط، وجهاز قياس التدفق، وصمام إغلاق أمان-. يقوم صمام تنظيم الضغط تلقائيًا بضبط ضغط إمداد الغاز وفقًا للتغيرات في حمل الوحدة وضغط الغاز لضمان الاحتراق المستقر؛ يقوم جهاز قياس التدفق بمراقبة إمداد الغاز في الوقت الفعلي، مما يوفر أساسًا لمطابقة الحمل والتحكم فيه؛ يستطيع صمام الإغلاق الآمن-قطع إمداد الغاز بسرعة عندما يكتشف تسرب الغاز أو الضغط غير الطبيعي أو انطفاء اللهب لمنع تفاقم الحادث.
وحدة توليد الطاقة هي جوهر مولد الغاز الحيوي. حاليًا، يتمثل النهج السائد في استخدام مجموعة مولدات محرك الاحتراق الداخلي بالغاز، مع استخدام توربينات الغاز أو محركات ستيرلينغ في حالات قليلة. يتكون محرك الاحتراق الداخلي الغازي من أسطوانة ومكبس وآلية قضيب التوصيل ومجموعة الصمامات ونظام الإشعال. يجب أن يتكيف تصميم غرفة الاحتراق مع القيمة الحرارية المنخفضة وخصائص التركيب المتقلبة لوقود الغاز الحيوي. يستخدم نظام الإشعال في المقام الأول إشعالًا إلكترونيًا عالي الطاقة-لضمان الإشعال الموثوق به حتى مع التغيرات في تركيز الغاز. يتم توصيل العمود المرفقي لمحرك الاحتراق الداخلي بدوار المولد عبر أداة التوصيل، مما يحول الحركة الترددية إلى طاقة ميكانيكية دورانية، والتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى طاقة كهربائية بواسطة المولد. تم تجهيز بعض الطرازات بشواحن توربينية لغاز العادم لزيادة كثافة الهواء الداخل وإنتاج الطاقة.
يستخدم جهاز استرداد الحرارة المهدرة الحرارة التي يحملها غاز العادم ذو الحرارة المرتفعة-من محرك الاحتراق الداخلي ومياه تبريد بطانة الأسطوانة، مما يحولها إلى طاقة حرارية قابلة للاستخدام من خلال المبادلات الحرارية. يستعيد المبادل الحراري لغاز العادم معظم الحرارة المعقولة من غاز العادم لتسخين وعزل أجهزة الهضم اللاهوائية أو تدفئة المناطق؛ يقوم المبادل الحراري للمياه ببطانة الأسطوانة بإزالة الحرارة من مياه التبريد لاستخدامها كمياه ساخنة للإنتاج المنزلي أو تسخين العمليات، وبالتالي تحسين كفاءة الطاقة الإجمالية للنظام بشكل كبير.
تشتمل الوحدة الكهربائية ووحدة التحكم على مجموعة المفاتيح الكهربائية لإخراج المولد، ومنظم الجهد الأوتوماتيكي، وجهاز التحكم في توصيل الشبكة، ونظام المراقبة المركزي. يحافظ منظم الجهد الأوتوماتيكي على جهد خرج مستقر، ويضمن جهاز التحكم في اتصال الشبكة التزامن والاتصال الآمن مع شبكة الطاقة أو الأحمال المستقلة. يقوم نظام المراقبة المركزي، المعتمد على PLC أو الكمبيوتر الصناعي، بجمع وعرض -بيانات في الوقت الفعلي حول ضغط الغاز ودرجة الحرارة ومعدل التدفق وسرعة الوحدة وإخراج الطاقة ومؤشرات الانبعاثات. كما أنه يتميز بإنذارات الأخطاء، والإغلاق التلقائي، وقدرات الاتصال عن بعد.
تم دمج نظام حماية السلامة في جميع أنحاء كل وحدة، وهي مجهزة بكاشفات تسرب الغاز القابل للاحتراق، وكاشفات اللهب، وأجهزة استشعار درجة الحرارة، وأجهزة حماية الضغط، وأزرار التوقف في حالات الطوارئ. عند اكتشاف حالة خطرة، ينفذ النظام على الفور إجراءات الطوارئ مثل إغلاق الغاز-وإيقاف التشغيل والتهوية لضمان سلامة الأفراد والمعدات.
وبشكل عام، يعكس تصميم مولد الغاز الحيوي تكامل العديد من التخصصات: بدءًا من التفاعلات الكيميائية الحيوية وحتى الطاقة الحرارية، ومن ثم إلى الأتمتة الكهربائية وحماية السلامة، حيث ترتبط جميع الجوانب ارتباطًا وثيقًا. لا يضمن الهيكل المصمم علميًا إنتاج طاقة فعال ومستقر فحسب، بل يوفر أيضًا دعمًا فنيًا موثوقًا لاستخدام الموارد والإنتاج النظيف للنفايات العضوية.