برای تولید انرژی الکتریکی درمقادیر با مقیاس‌های پایین معمولاً از موتورهای الکتریکی که به وسیله سوخت دیزل، بیوگاز و یا گاز طبیعی به حرکت درمی‌آیند استفاده می‌شود. ازموتورهای دیزل معمولاً برای سیستم‌های پشتیبانی و یا برق اضطراری درولتاژهای پایین استفاده می‌شود. اما بیوگاز معمولا ًدرمحل تولید یعنی در مکان‌هایی مانند محل‌های دفن زباله یافاضلاب سوزانده می‌شود و به وسیله یک موتورمتناوب و یا میکروتوربین به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

با توجه به اهمیت تولید و استفاده از انرژی های پاک و تلاش روزافزون کشورهای جهان درراستای کاهش آلودگی‎های زیست محیطی وکاهش هزینه های مربوط به تولید انرژی برق، حرکت به سمت استفاده ازگازهای قابل اشتعال شامل گاز طبیعی، گاز زباله، بیوگاز، گازچوب و غیره ...، برای تولید انرژی ارزانتر وپاکتر سبب راه اندازی واحدهای تحقیق و توسعه در مراکز دانشگاهی جهان و ایجاد خط تولید موتورهای احتراق داخلی بر پایه گاز در بیشتر کارخانه‎های تولید موتور ژنراتور طی سه دهه اخیر درسطح جهان شده است که این خود گویای اهمیت استفاده از تکنولوژی‎های جدید در راستای تولید برق ارزانتر می‎باشد.

در کشور ایران با توجه به وسعت شبکه گازرسانی و نیز برخورداری از دومین ذخایر بزرگ گاز طبیعی در جهان، مقدمات لازم برای استفاده از این شیوه تولید برق در تولیدات پراکنده فراهم بوده است و بر این اساس عمده برنامه¬ریزی‎ها و اهداف در نظر گرفته شده برای توسعه مولدهای مقیاس کوچک متمرکز بر سوخت گاز طبیعی و تکنولوژی موتورهای احتراق داخلی می‎باشد.

 

موتور احتراق جرقه‎ای در سال 1876 توسط نیکلاس اوتو اختراع شد. تا سال 1980 موتورهای احتراق جرقه ای از یک کاربراتور برای تبخیر سوخت و مخلوط کردن آن با هوا استفاده می کردند.

سرعت موتور توسط تراتل ( شیر پروانه ای) که جریان مخلوط هوا و سوخت به موتور را محدود می کند کنترل می‎شود. کاهش جریان هوا در اثر این مکانیسم مانع تنفس موتور شده و در نتیجه راندمان کلی را کاهش می دهد، به خصوص در سرعت های پایین موتور و بطور کلی می‎توان گفت بالاترین راندمان موتورها در شرایط بار نامی خواهد بود و در غیر از آن افت راندمان وجود خواهد داشت.

پس از 100 سال استفاده از کاربراتور در موتورهای چرخه اوتو، سیستم های تزریق سوخت در سال 1980 معرفی شدند. با توجه به قابلیت کنترل بسیار بیشتر این سیستم‎ها در طی فرایند احتراق، به سرعت جایگزین کاربراتورهای زمخت ولی قابل اعتماد شدند.

 

این موتورها در سال 1894 توسط رودولف دیزل اختراع شدند. موتورهای احتراق تراکمی (دیزل) مشابه موتورهای چرخه اوتو هستند با این تفاوت که موتورهای دیزل به منظور دستیابی به راندمان حرارتی بالاتر با نسبت فشرده سازی بسیار بالاتری کار می کنند. 

سرعت موتور توسط تغییر جریان سوخت کنترل می شود و موتور دیزل هیچ تراتلی( ساسات) جهت محدود کردن جریان هوا ندارد. این خصوصیت آن را در سرعت های پایین بسیار کارآمد تر از موتور چرخه اوتو می‎کند.

به دلیل امکان دستیابی به دماهای احتراق بالا به دلیل استفاده از موتورهایی با فشرده سازی بالا، موتورهای دیزل می‎توانند از سوخت های با قابلیت احتراق کمتر و یا فراریت کمتر استفاده کنند که این به نوبه خود به موتور اجازه می دهد که از رنج وسیعتری از سوخت ها استفاده کند.

 

موتورهای احتراق داخلی با سوخت گاز طبیعی به دلیل اقتصادی بودن استفاده از این سوخت در کشور ایران به شدت مورد توجه می‎باشد .

گاز طبیعی فشرده(Compress Natural Gas)به عنوان یکی از سوختهای جایگزین مورداستفاده قرار می گیرد. ترکیب عمده گاز طبیعی، متان (CH4) است که 85 الی 95 درصد کل گاز CNG را تشکیل می‎دهد و مابقی آن دی اکسیدکربن،نیتروژن و مقدار کمی اتان،پروپان و بوتان است. از مزایای استفاده از گاز طبیعی می توان به آلایندگی کمتر، عدد اکتان بالا (130)، افزایش راندمان و فراوانی و قیمت مناسب نام برد.

نوع دیگری از گاز طبیعی، گاز طبیعی مایع یا(LNG)(Liquid natural Gas)می باشد.جهت تولیدLNG، گاز طبیعی را تا دمای تقریبی 2/327- درجه فارنهایت یا 164- در جه سیلسیوس سرد کرده و سپس به مایع تبدیل می‎کنند.آب، دی اکسید کربن، نیتروژن،اکسیژن و ترکیبات سولفور از جمله اجزای تشکیل دهنده گاز طبیعی هستند که طی مراحل تبدیل گاز به مایع، اکسیژن، دی اکسید کربن، آب و ترکیبات سولفور از آن جدا شده و مقدار متان موجود درLNGتقریباً به بیش از 98% می رسد که در آن مقادیر کمی اتان، پروپان و سایر هیدرو کربن های سنگین تر نیز وجود دارد.در حالت گازی، انرژی گاز طبیعی فشرده (CNG) در حدود 200 برابر گاز طبیعی غیر فشرده است ولی در حالت مایع، انرژی گاز مایع طبیعی (LNG) در حدود 600 برابر گاز طبیعی غیر فشرده می باشد، که بدلیل هزینه های تبدیل گاز طبیعی به مایع و شرایط نگهداری آن، استفاده از گاز مذکور برای تولید برق اقتصادی نمی‎باشد.

 

در این قسمت با توجه به گستردگی موضوع تنها به مهمترین مزایا و معایب نیروگاه‎های برق با استفاده از موتورهای احتراق داخلی پرداخته می‎شود و از بیان جزئیات موضوع پرهیز می‎شود. بر این اساس مهمترین مزایا و معایب سیستم به صورت زیر می‎باشد.

مهمترین مزایای موتورهای احتراق داخلی:

راندمان حرارتی بالاتر نسبت به نیروگاه های حرارتی 

طراحی و اجرای ساده و ارزان قیمت تر در مقایسه با نیروگاه های حرارتی 

راندمان بالا برای بار کمتر از بار نامی

زمان کوتاه برای رسیدن به بار حداکثر

راه اندازی سریع

تعمیر ساده و آسان

انعطاف پذیری در مقابل نوع سوخت

نیاز به فضای کم

نیاز به آب کم جهت خنک سازی

مهمترین معایب موتورهای احتراق داخلی

محدودیت سایز موتور

طول عمر مفید کوتاهتر در مقایسه با دیگر نیروگاه ها

آلودگی صوتی زیاد

هزینه بالای تعمیرات

هزینه بالای روغن کاری

آلودگی زیست محیطی

مهمترين مسئله موتورهاي پيستوي آلايندگي آنها مي باشد. عناصر اصلي گازهاي آلاينده خروجي اين موتورها اكسيدهاي نيتروژن (NOx)، منواكسيدكربن (CO)و تركيبات آلي فرارVOC)ها و هيدروكربن‎هاي نسوخته ) مي‎باشند. وجود آلاينده های ديگر مثلا اكسيدهاي گوگرد (SOx)وذرات جامد معلق (PM)به سوخت مورد استفاده بستگي دارد. انتشار تركيبات گوگرد به خصوصSO2 به مقدار گوگرد سوخت وابسته است. انتشار  Sox در موتورهايي كه گاز طبيعي يا نفت تقطير شده مي‎سوزانند كه در پالايشگاه گوگردشان استخراج شده ناچيز است. معمولاً انتشار Sox تنها در موتورهاي ديزلي كم سرعت و بزرگ با سوخت مازوت زياد است.ذرات جامد معلق  (PM)از آلايندههاي مهم موتورهايي كه ازسوخت مايع استفاده مي‎كنند، مي‎باشند.

انتشار NOx مساله اصلي در استفاده از موتورهايي است كه گاز طبيعي مي‎سوزانند و اغلب تركيبي از NO و NO2 با نسبتهای مختلف می‎باشد. مقدار NOx دراندازه گیریها با واحدPPMV گزارش می‎شود. در موتورهای پیستونی این مقدار باgm/hp-hr نیز بیان می‎شوند. در بین موتورها، موتورهایی که گاز طبیعی رقیق می‎سوزانند کمترین NOx و موتورهای دیزل بیشترین NOx را انتشار می‎دهند.

كنترل حداكثر دماي شعله با احتراق گاز رقيق يكي از راههاي محدود نمودن NOx در موتورهای گاز سوز است. موتورهای دیزل دمای احتراق بالاتر و در نتیجه NOx بیشتری تولید می کنند.

در موتورها معمولا برای کاهش انتشار NOx و افزایش بازده بررسی های بسیاری انجام شده تا راه حل مناسب انتخاب گردد. این مساله در مورد کاهش انتشار محصولات نیم سوخته احتراق (CO و هیدروکربن های نسوخته) نیز وجو داشته است. برای نهایی نمودن این موازنه سه راه وجود دارد که مقررات زیست محیطی و اقتصاد پروزه تعیین کننده بهترین روش است. اولین راه کنترل مقدار NOx و رساندن آن به کمترین حد قابل قبول در ازای مقداری کاهش بازده و بیشترین انتشار CO و هیدروکربن می باشد. دومین راه یافتن یک بالانس بهینه بین انتشار آلاینده ها و بازده است. سومین راه طراحی موتور برای بالاترین بازده و استفاده از کنترلرهای مجهز گاز خروجی می باشد. 

 

هم اكنون حداقل بيش از پنج نمايندگي از سازندگان بزرگ اين تجهيزات در كشور موجود است. اما بعلت وضع تحريم‌ها چند سازنده اين تجهيزات در اين زمينه فعاليتي در كشور ما ندارند. وضعيت مونتاژ اين موتورها هم در كشور رونقي ندارد و بطور كلي تجهيزات بازيافت توليد همزمان در اين موتورها فعلا درايران ساخته نمي‎شود. فقط بعضي از شركتهاي ايراني موتور را بصورت آماده ازخارج وارد نموده وسپس با ژنراتور كه آن نيز خارجي است كوپله مي‎كنند. البته بايد ذكر كرد كه ساخت قسمت بازيافت پيچيدگي خاصي ندارد و براحتي قابل ساخت حداقل در كارخانجاتي نظير شركت آذرآب و يا ماشين سازي اراك مي‎باشد.