《Biomass and Bioenergy》：Evaluation of the efficiency of a biogas plant through energy and exergy analysis
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•评估了全尺寸沼气厂的热力学性能。•基于实时运行数据进行了能量和?分析。•厌氧消化器的能量效率在 90% 到 98% 之间。•沼气发动机达到了 70.2% 的第一定律效率和 48.8% 的第二定律效率。•联合发电配置提高了整体能源利用率和可靠性。引言技术的快速进步，加上化石燃
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评估了全尺寸沼气厂的热力学性能。
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基于实时运行数据进行了能量和?分析。
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厌氧消化器的能量效率在 90% 到 98% 之间。
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沼气发动机达到了 70.2% 的第一定律效率和 48.8% 的第二定律效率。
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联合发电配置提高了整体能源利用率和可靠性。
引言
技术的快速进步，加上化石燃料储量的有限性，加剧了全球对可持续和可再生能源替代品的追求。化石资源的加速消耗和能源消耗的持续上升，给满足世界日益增长的能源需求带来了严峻挑战。在此背景下，可再生能源作为传统化石燃料的有前途的替代品脱颖而出。它们清洁和环境友好的特性不仅有助于可持续能源的产生，还在缓解不断上升的能源成本和减少环境影响方面发挥着 vital 作用 [[1], [2], [3], [4]]。
全球人口的持续增加导致全球能源需求迅速上升。然而，应对这一挑战不仅限于发现新的能源，还包括提高现有能源系统的效率。有效利用可用资源可以延长能源储量的寿命，并缓解对未来能源短缺的担忧。有效的能源管理需要详细的分析和持续的数据记录，以尽量减少不必要的损失并提高系统效率。通过这种方法，既可以加强能源资源的可持续性，也可以加强全球能源安全 [5]。
在可再生能源中，生物质能近年来因其 在可持续能源生产和环境废物管理中的战略作用而获得了重要地位。生物质来源于各种生物来源的材料，如动物废物、水生和陆生植物、森林残留物以及工业有机副产品。这些资源的基本特征是它们在自然生态系统循环中持续更新。因此，生物质不仅实现了废物的环境友好型处置，还有助于能源产生，提供经济 和生态效益。生物质能可以通过热化学、生物化学和物理化学转化过程转化为有用的能量形式。在这些转化过程中，生物质通过发酵、直接燃烧或气化等方法进行处理，以产生热量、电力或生物燃料。在这方面，生物质能有助于能源供应安全，同时在平衡碳循环和支持环境可持续性方面发挥着至关重要的作用 [6,7]。
在能源效率研究中，理解系统的定义和运行机制至关重要。获取诸如系统运行时间、流动特性和测量点等详细信息，在比较效率改进前后的性能方面发挥着至关重要的作用。对于提高能源效率实践，准确定义系统并根据其运行特性确定适当的步骤是必要的。
近年来，关于沼气能源系统的研究已扩展到传统能量和?分析之外，包括?经济评估和多目标优化技术。例如，?经济优化已应用于一种新型的沼气驱动的双蒸发器电力/制冷联合发电系统，以评估其热力学和经济性能 [8]。在另一项研究中，使用综合的 3E（能量 -? -经济）分析、敏感性分析和优化方法，调查了与生物甲烷生产设施集成的沼气驱动联合发电系统 [9]。此外，还调查了与电制氢和制水设施集成的基于沼气的双回路双蒸发器喷射器制冷循环的技术经济优化和工作流体选择，展示了其提高整体系统性能的潜力 [10]。尽管这些研究对先进沼气联合发电和多联产系统的开发和优化做出了重大贡献，但它们主要集中在所提出的系统配置的理论建模、模拟和优化上。基于真实运行数据的全尺寸工业沼气厂的综合热力学评估，特别是在子系统层面，在文献中仍然稀缺。因此，本研究旨在通过使用长期运行数据对运行中的工业规模沼气厂的所有主要子系统执行详细的第一和第二定律热力学分析，从而填补这一空白，从而提供对其在实际运行条件下的能量和?性能的现实评估。
另一方面，热力学第一定律基于能量守恒，指出能量不能凭空产生或完全破坏。在此定律范围内进行的能量分析揭示了系统的总能量平衡，并涉及能量的数量。然而，这种分析没有考虑系统内不可逆性（熵产）导致的质量损失。相比之下，热力学第二定律研究了状态变化过程中能量质量的降低、熵的产生以及系统的做功潜力。在这种情况下，除了可逆系统外，可用能量（?）不守恒。一部分?由于系统内的不可逆性而被破坏，另一部分作为废?从系统边界转移到环境中。?分析已成为近年来在能源系统设计、优化和性能评估中广泛使用的有效方法，因为它提供了确定系统中发生的?损失的位置、类型和大小的可能性。这种分析方法通过允许计算?效率，指示系统接近理想条件的程度，为减少热力学低效和开发更高效的系统设计提供了重要工具 [11]。在基于沼气的能量转换系统的背景下，Sevinchan 等人 [12] 对多联产系统进行了能量和?分析，报告了 72.5% 和 30.44% 的能量和?效率，展示了集成沼气利用的潜力，同时强调了?分析在识别热力学损失方面的重要性。He 等人 [13] 提出并优化了一种基于沼气改性的多联产系统，用于同时发电、制冷和制氢，报告了 31.51% 和 31.14% 的能量和?效率，并展示了集成沼气转换系统在生产多种能量产品方面的潜力。
准确评估用于将沼气转化为能量的系统的热力学和经济性能，对于确定这些技术的可持续性至关重要。此时，虽然热力学分析揭示了系统的总能量平衡，但?分析可以定义能量质量和系统内不可逆性造成的损失。此外，?经济分析将这些损失与经济参数联系起来，从而实现系统在技术和财务方面的优化 [14,15]。
同时，近年来，关于将废水处理厂产生的沼气通过热机或斯特林发动机转化为能量的研究正在增加。这些系统被认为非常适合沼气应用，因为它们可以有效地利用低温能源。在此范围内进行的热力学、?和?经济分析提供了增加系统性能、减少能源损失和确保成本效益的重要结果。已经对一种利用废水处理厂获得的沼气通过斯特林发动机进行能源生产的系统进行了热力学、?和?经济分析 [16]。该研究的目的是确定系统组件中发生的能量和?损失，并评估系统的效率和经济可行性。
章节片段
系统定义
该设施属于位于宾格尔省中心区的一家私人公司，由于公司的保密政策，其数据受到限制。该厂于 2020 年投产，电力容量为 6.4 MW，拥有六台电动机，每日废物处理能力为 900 吨。关于其运行配置，西门塔尔奶牛的液态粪污被用作废物原料。这种液态粪污最初被转移到均化
能量和?效率计算
在沼气厂进行的过程中，在确定了用于计算根据废物负荷产生的沼气量的基本方程以及流体的热力学性质后，将使用相关的热力学分析方程进行能量和?效率计算，以评估系统性能。这些方程可以列示如下。
用于热力学计算的方程：
对于稳态开放
结论
在本研究中，进行了基于沼气的联合发电系统的能量和?分析，以评估其整体热力学性能。结果表明，该设施在能量转换过程中以高效率运行，每个组件在集成系统内都发挥着重要作用。基于流向分析，沼气鼓风机表现出 75% 的能量效率和 79% 的?效率。观察到鼓风机效率是
CRediT 作者贡献声明
Ozan Bozkir: 撰写 – 初稿，数据整理。 ?kram Orak: 撰写 – 审查与编辑，撰写 – 初稿，指导，数据整理。
出版同意书
作者还声明该工作是原创的，且未在任何地方提交或发表。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。
Ozan Bozkir|?kram Orak
