GAZOWE RÓD A CIEP A WYKORZYSTANIE GAZU ZIEMNEGO W NOWOCZESNYCH TECHNIKACH I TECHNOLOGIACH GRZEWCZYCH

Transkrypt

1 Maciej CHACZYKOWSKI, Marian RUBIK Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji Politechnika Warszawska GAZOWE RÓD A CIEP A WYKORZYSTANIE GAZU ZIEMNEGO W NOWOCZESNYCH TECHNIKACH I TECHNOLOGIACH GRZEWCZYCH Streszczenie W artykule omówiono nowoczesne urz¹dzenia grzewcze zasilane gazem ziemnym. Zwrócono uwagê na ekonomiczne oraz ekologiczne aspekty stosowania gazu ziemnego na potrzeby ogrzewania na tle innych pierwotnych noœników energii. Omówione zosta³y trzy nowe techniki ogrzewcze, polegaj¹ce na wytwarzaniu ciep³a w skojarzeniu z wytwarzaniem energii elektrycznej, zastosowaniu pomp ciep³a zasilanych gazem ziemnym oraz zastosowaniu ogniw paliwowych zasilanych gazem ziemnym. Wstêp ród³em najwiêkszych zanieczyszczeñ œrodowiska sa procesy konwersji energii, w wyniku których powstaj¹ odpady zanieczyszczaj¹ce powietrze, glebê oraz wodê. Szczególnie niebezpieczne s¹, obecnie najbardziej rozpowszechnione, procesy spalania paliw, przy czym produkty spalania emitowane do ekosfery s¹ przyczynami niodwracalnych zmian klimatycznych i przyrodniczych oraz strat gospodarczych. Z tych powodów podejmowane s¹ ró ne dzia³ania zarówno prawne, jak i techniczne zmierzaj¹ce do zmniejszenia zu ycia paliw pierwotnych i ograniczenia emisji do otoczenia produktów spalania. W tzw. sektorze bytowo-komunalnycm (gospodarstwa domowe) g³ówne sposoby zmniejszenia zu ycia paliwa i ograniczenia emisji zanieczyszczeñ do otoczenia to: racjonalizacja wytwarzania i u ytkowania ciep³a, spalanie w piecach i kot³ach paliwa, do którego przystosowane s¹ paleniska tych urzadzeñ grzewczych, substytucja paliw, tj. zastêpowanie paliw sta³ych (wêgla, koksu) paliwami mniej obci¹ aj¹cymi œrodowisko naturalne, wprowadzenie nowych technik i technologii grzewczych, wykorzystanie niekonwencjonalnych, najczeœciej odnawialnych Ÿróde³ ciep³a. Obecnie najczêsciej stosowanym sposobem ograniczania tzw. niskiej emisji, której Ÿród³a stanowi¹ domowe urz¹dzenia grzewcze (kot³y, podgrzewacze wody itp.) jest zastêpowanie paliw sta³ych paliwami wêglowodorowymi, a g³ównie gazem ziemnym. Gaz ziemny, w porównaniu z innymi pierwotnymi noœnikami energii, ma nastêpuj¹ce zalety: proces spalania tego paliwa charakteryzuje wysoka jakoœæ i sprawnoœæ przy ma³ej emisji zanieczyszczeñ, ³atwoœæ automatyzacji procesu spalania, palniki gazowe s¹ stosunkowo proste konstrukcyjnie i ³atwe w obs³udze, nie wystêpuje koniecznoœæ magazynowania paliwa przez u ytkownika. Dodatkow¹ zalet¹ gazu ziemnego jako noœcnika energii jest wzglêdnie niska cena otrzymywanego ciep³a. W tablicy 1 podano jednostkowe koszty wytwarzania ciep³a przy u yciu ró nych noœników energii (poziom cen koniec 2000 roku) Te zalety gazu spowodowa³y wzrost zu ycia w gospodarce œwiatowej, a tak e w Polsce. Obecnie zu ycie gazu ziemnego w Polsce wynosi ok. 11 mld m 3 /a, co stanowi niewiele ponad 9 % ca³kowitego zu ycia pierwotnych noœników energii. Zu- ycie to stawia nasz kraj na dalekim miejscu w gospodarce œwiatowej (23 %), a tak e za krajami Unii Europejskiej (20%). W wyniku inwestycji w przemyœle gazowniczym, d³ugoœæ sieci przesy³owej przekroczy³a w Polsce 17 tys. km, a rozdzielczej 80 tys km. Ponadto powiêkszono czynn¹ pojemnoœæ podziemnych magazynów do prawie 1 mld m 3, co znacznie poprawi³o mo liwoœci pokrywania krótkookresowych szczytowych zapotrzebowañ na to paliwo. 53

2 Noœnik energii Œrednioroczna sprawnoœæ Jednostkowy koszt ciep³a, wytwarzania. % gr/mj Koks Wêgiel kamienny Gaz ziemny GZ Propan-butan Olej opa³owy Energia elektryczna Tablica 1. Jednostkowe koszty wytwarzania ciep³a przy u yciu ró nych noœników energii (poziom cen koniec 2000 r.) Interesuj¹ca jest struktura odbiorców gazów w Polsce (tab. 2). Z tablicy 2 wynika, e gospodarstwa domowe s¹ drugim co do wielkoœci (po przemyœle) odbiorc¹ gazu ziemnego, co stwarza dobre perspektywy dla producentów gazowych urz¹dzeñ grzewczych (kot³ów i gazowych podgrzewaczy wodu). Rodzaj odbiorcy Gaz ziemny wysokometanowy Gaz ziemny zaazotowany TJ % TJ % Przemys³ , ,8 Transport 639 0, ,5 Budownictwo 452 0,2 28 0,1 Gospodarstwa domowe , ,3 Rolnictwo 371 0, ,3 Pozostali odbiorcy ,2 -- Razem , ,0 Tablica 2. Struktura krajowych odbiorców gazu ziemnego w 1999 r. W najbardziej rozpowszechnionych gazowych urz¹dzeniach grzewczych zmiana energii chemicznej paliwa na ciep³o nastêpuje w wyniku procesu spalania. D¹ eniem konstruktorów tych urz¹dzeñ jest maksymalizacja stopnia wykorzystania tej energii i to nie tylko w odniesieniu do wartoœci opa³owej, lecz równie ciep³a spalania paliwa. Równoczeœnie d¹ ¹ oni do minimalizacji emisji szkodliwych produktów spalania: tlenków azotu, tlenku wêgla i sadzy. Oprócz tradycyjnych technik ogrzewczych polegaj¹cych na spalaniu gazu w wymiennikach ciep³a rozwijane s¹ równie nowe techniki, o o znacznie wy szym stopniu rozwoju technologicznego: wytwarzanie ciep³a w skojarzeniu z wytwarzaniem energii elektrycznej, pompy ciep³a zasilane gazem ziemnym, ogniwa paliwowe zasilane gazem ziemnym. 1. Skojarzone wytwarzanie ciep³a i energii elektrycznej z wykorzystaniem gazu ziemnego Skojarzone wytwarzanie ciep³a i energii elektrycznej jest technologi¹ stosowan¹ dotychczas w warunkach polskich zazwyczaj w du ych uk³adach elektrociep³owni parowych zasilanych wêglem kamiennym. Dziœ staje siê przedmiotem zainteresowania szerokiej grupy odbiorców oraz producentów ciep³a i energii elektrycznej. Sta³o siê tak za spraw¹ znacznego postêpu w budowie turbin gazowych i t³okowych silników spalinowych na paliwa gazowe, zw³aszcza w odniesieniu do urz¹dzeñ ma³ych i œrednich mocy. Wykorzystanie gazowego silnika t³okowego do produkcji energii elektrycznej i ciep³a jest jednym najczêstszych przypadków wykorzystania tego urz¹dzenia w uk³adach kogeneracyjnych. W projektach realizowanych na œwiecie mo na zaobserwowaæ ró ne warianty kojarzenia obiegów cieplnych w zale noœci od wymaganego efektu u ytecznego. Najbardziej popularne z nich to [4]: po³¹czenie silnika z pomp¹ ciep³a daj¹ce w efekcie wysokosprawny uk³ad grzewczy, przy czym pompa mo e byæ napêdzana bezpoœrednio przez silnik b¹dÿ te urz¹dzenia te mog¹ byæ od siebie oddalone, a pompa zasilana jest generowan¹ energi¹ elektryczn¹; 54

3 wykorzystanie silnika do bezpoœredniego napêdu sprê arek lub uk³adów ziêbniczych przy odzysku ciep³a na potrzeby procesu ogrzewania; produkcja energii elektrycznej i wykorzystanie ciep³a odpadowego z silnika w uk³adach klimatyzacji z ch³odziark¹ absorpcyjn¹; produkcja energii elektrycznej i wykorzystanie ciep³a odpadowego z silnika w procesach suszenia. Podstawow¹ korzyœci¹ dla u ytkowników energii produkowanej na potrzeby lokalne, w skojarzeniu jest znaczne obni enie jej kosztów oraz ni sze koszty inwestycji zwi¹zanych z wytwarzaniem energii elektrycznej. Skojarzenie wytwarzania ciep³a i energii elektrycznej jest mo liwe tylko wtedy, gdy istnieje zapotrzebowanie na oba rodzaje energii. Istnieje jednak kilka warunków ograniczaj¹cych zastosowanie uk³adów skojarzonych, takich jak jednoczesne zapotrzebowanie na oba noœniki energii, system taryf, niezawodnoœæ i dostêpnoœæ urz¹dzeñ, uregulowania ekologiczne oraz przewidywane koszty inwestycyjne. Nale y podkreœliæ, e skojarzone wytwarzanie ciep³a i energii elektrycznej jest technologi¹ atrakcyjn¹ z ekonomicznego punktu jedynie w przypadku odpowiedniej struktury cen energii elektrycznej, ciep³a i paliwa. Modu³owe urz¹dzenia zasilane gazem ziemnym do produkcji energii w skojarzeniu s¹ coraz powszechniej stosowane w Europie Zachodniej. W ostatnich latach w Niemczech zbudowano ponad 1800 modu³ów pr¹dowo-grzewczych o ³¹cznej mocy prawie 1000 MW, przy czym wiêcej ni po³owa jednostek ma moc elektryczna przekraczaj¹c¹ 300 kw. Proces wytwarzania ciep³a oraz energii elektrycznej w skojarzeniu w przypadku uk³adów ma³ej mocy jest najbardziej efektywny w przypadku sprzê enia silnika zasilanego gazem (lub olejem napêdowym) z generatorem pr¹du. Generator zamienia energiê mechaniczn¹ na energiê elektryczna, a ciep³o pozyskiwane jest do celów grzewczych lub produkcji ciep³ej wody u ytkowej (ciep³o pochodzi z uk³adu ch³odzenia silnika, obiegu oleju oraz spalin). Dla wiêkszych mocy stosowane s¹ turbiny gazowe. W Europie Zachodniej utrzymuje siê tendencja do coraz powszechniejszego stosowania gazu (szczególnie gazu ziemnego) i tak, np. w Niemczech w 1995 r. 86% systemów skojarzonych zasilanych by³o gazem, a tylko 12% olejem napêdowym. Jednostkowy koszt inwestycyjny bloku pr¹dowo-grzewczego, w zale noœci od wyposa enia, szacuje siê w Niemczech na DM/kW el. 2. Pompy ciep³a zasilane gazem ziemnym Wykorzystanie odnawialnych Ÿróde³ energii staje siê coraz istotniejszym wymogiem wspó³czesnej energetyki i ekologii. Równie w Polsce w ostatnich latach obserwuje siê wzrost zainteresowania pompami ciep³a, które umo liwiaj¹ wykorzystanie ciep³a niskotemperaturowego i odpadowego do ogrzewania, wentylacji i przygotowania c. w. u. Dodatkow¹ zalet¹ pomp ciep³a jest mo liwoœæ ich wykorzystania do ch³odzenia pomieszczeñ w okresie letnim. Pompy ciep³a, w których realizowany jest obieg identyczny z obiegiem ch³odniczym (zachodz¹cym np. w lodówce domowej lub zamra arce) umo liwiaj¹ wykorzystanie ciep³a o niskiej temperaturze (praktycznie bezu ytecznego) do wytwarzania ciep³a o wy szej temperaturze, które mo na z kolei wykorzystaæ do ogrzewania i wentylacji pomieszczeñ lub przygotowania c. w. u. Oczywiœcie proces podnoszenia temperatury ciep³a na poziom u yteczny wymaga doprowadzenia do pompy ciep³a energii napêdowej. Mo e to byæ energia elektryczna, mechaniczna lub energia chemiczna zawarta w paliwie pierwotnym (np. gazie ziemnym), przy czym rodzaj energii napêdowej zale y od konstrukcji i systemu pompy ciep³a Zasada dzia³ania pomp ciep³a W pompie ciep³a zachodzi proces podnoszenia potencja³u cieplnego, tj. proces pobierania ciep³a ze Ÿród³a o temperaturze ni szej T o i przekazywania go do Ÿród³a o temperaturze wy szej T g (rys. 1). O efektywnoœci stosowania pompy ciep³a decyduje jej jakoœæ energetyczna zdefiniowana jako stosunek skutku jej dzia³ania, tj. iloœci ciep³a uzyskanego w skraplaczu g, do nak³adu, który trzeba ponieœæ, aby ten skutek uzyskaæ, tj. do zu ycia energii napêdowej L. Jakoœæ energetyczna pompy ciep³a nazywana jest wspó³czynnikiem wydajnoœci grzejnej (cieplnej) j lub Coefficient of Performance COP (patrz rys. 1.) 55

4 Rys. 1. Zasada dzia³ania pompy ciep³a: a) pompa podnosz¹ca ciecz, b) pompa ciep³a, c) spiêtrzenie temperatury czynnika. + L j= = = 1+ L L L g o o Wartoœæ wspó³czynnika wydajnoœci grzejnej pompy ciep³a zale y g³ównie od wymaganej temperatury zasilania górnego Ÿród³a (odbiornika ciep³a instalacji c. o., c. w. u. itp.) oraz temperatury dolnego Ÿród³a, z którego pobierane jest ciep³o niskotemperaturowe. Poniewa stosunek ciep³a przejêtego z otoczenia do ciep³a powstaj¹cego z przekszta³cenia energii napêdowej (wyra enie o /L we wzorze 2-1) jest tym wiêkszy, im temperatura T o bli sza jest temperaturze T g, to pompa ciep³a jest tym bardziej efektywna, im mniejsze s¹ wymagania co do wartoœci temperatury T g (odbiorników ciep³a u ytkowego instalacji c. o. i c. w. u.). Jak wiadomo, prawie wszystkie potrzeby bytowe cz³owieka i wielu technologii przemys³owych znajduj¹ siê w pobli u poziomu temperatury otoczenia; sprawia to, e zakres mo liwych zastosowañ pomp ciep³a jest bardzo szeroki. Podstawowe zadanie pompy ciep³a, tj. przenoszenie ciep³a ze Ÿród³a dolnego o ni szej temperaturze do Ÿród³a górnego o wy szej temperaturze (patrz rys. 1) mo e byæ urzeczywistnione ró nymi sposobami (rys. 2). Obecnie najczêœciej w praktyce wykorzystywany jest do tego celu lewobie ny obieg parowy (identyczny z obci¹ eniem ch³odziarki parowej, lecz realizowany w innym przedziale temperatury). Przyk³ady zasilania ró nych systemów pomp ciep³a gazem, np. ziemnym pokazano na rys. 3. Rys. 2. Zasada dzia³ania ró nych systemów pomp ciep³a oraz ich porównanie z ch³odziark¹ i silnikiem cieplnym. 56

5 Temperatura 0 Praca Sprê arkowa pompa ciep³a Silnik gazowy T Absorpcyjna pompa ciep³a Palnik gazowy Rys. 3. Zasilanie gazem ziemnym ró nych systemów pomp ciep³a: w ciep³o dostarczane do warnika, ciep³o u yteczne, 0 ciep³o pobrane z dolnego Ÿród³a. 3. Ogniwa paliwowe zasilane gazem ziemnym Najnowszym osi¹gniêciem techniki s¹ urz¹dzenia do produkcji energii w skojarzeniu z wykorzystaniem ogniw paliwowych. Ogniwo paliwowe jest elektrochemicznym przetwornikiem energii chemicznej paliwa bezpoœrednio na energiê elektryczna. W odniesieniu do baterii i akumulatorów ogniwo paliwowe nie ulega roz³adowaniu, lecz funkcjonuje tak d³ugo, jak d³ugo paliwo i utleniacz s¹ doprowadzane do elektrod. Na elektrodach zachodzi reakcja katalityczna, w wyniku której wytwarzany jest pr¹d elektryczny, woda i ciep³o. Ten proces konwersji energii ma nastêpuj¹ce zalety: du ¹ sprawnoœæ energetyczn¹ uk³adu, która nie zale y od stopnia obci¹ enia, brak szkodliwych substancji odpadowych, nie wystêpuje ha³as, mo liwoœæ wykorzystania rónych rodzajów paliw wêglowodorowych, szybka reakcja na zmienne zapotrzebowanie na energiê. Ogniwa paliwowe s¹ zasilane gazem o du ej zawartoœci wodoru, który mo e byæ uzyskiwany z ka dego paliwa wêglowodorowego, np. gazu ziemnego. Protoplast¹ ogniwa paliwowego jest ogniwo galwaniczne Volty o konstrukcji znanej od prawie 200 lat. Podstawow¹ ró - nic¹ pomiêdzy obydwoma ogniwami jest to, e reagenty w ogniwie paliwowym podawane s¹ w sposób ci¹g³y i tym samym w sposób ci¹g³y zachodzi w nim konwersja energii chemicznej reagentów na energiê elektryczn¹. Reagentami (substratami) reakcji s¹: paliwo gazowe (czysty wodór, produkty konwersji gazu ziemnego, wêglowodory gaz ziemny lub p³ynny, metanol) oraz utleniacz (czysty tlen lub tlen z powietrza). Znane s¹ cztery podstawowe typy ogniw paliwowych: ogniwo zasadowe (AFC), ogniwo kwasowo-fosforowe (PAFC), ogniwo wêglanowe (MCFC), ogniwo paliwowe z tlenkami w fazie sta³ej (SOFC). W ogniwie reakcja utleniania paliwa zosta³a rozdzielona na dwa procesy elektrodowe, którym towarzyszy przep³yw elektronów od anody do katody. Proces elektrodowy zachodzi na granicy: przewodnik elektronowy i przewodnik jonowy (metal, pó³przewodnik elektrolit). Poniewa zasada dzia³ania ogniwa paliwowego opiera siê na reakcji chemicznej a nie na spalaniu, emisje z tego typu systemu s¹ znacznie mniejsze od emisji z konwencjonalnego systemu, wykorzystuj¹cego procesy spalania, nawet najczystsze. Aspekty ochrony œrodowiska s¹ powa nym atutem w rozwoju technologii ogniw paliwowych. Obecnie, wyraÿnie zarysowuj¹ siê dwa kierunki rozwoju technologii ogniw paliwowych: elektroenergetyka oraz transport. Nale y podkreœliæ e dotychczasowy rozwój technologii ogniw paliwowych w elektroenergetyce by³ stymulowany przede wszystkim przez instytucje zwi¹zane z przemys³em gazowniczym. 57

6 Rys. 4 Schemabudowy ogniwa palowowego Rys. 5. Sprawnoœæ elektryczna ogniw paliwowych oraz innych technologii podukcji energii elektrycznej Ogniwa paliwowe charakteryzuj¹ siê wysok¹ sprawnoœci¹ ca³kowit¹ osi¹gan¹ bez dodatkowych strat zwi¹zanych z koniecznoœci¹ transportu noœników energii (rys. 5). Wodór mo na uzyskaæ z ró nych Ÿróde³ energii pierwotnej. Obecnie wykorzystywane s¹ gaz ziemny, ropa naftowa lub alkohole, jednak mo liwe jest równie stosowanie innych Ÿróde³. Rozwa a siê wykorzystanie lokalnych Ÿróde³ energii, takich jak biogaz. Podstawow¹ zalet¹ ogniw paliwowych w stosunku do tradycyjnych metod wytwarzania energii jest wy sza sprawnoœæ ca³kowita oraz praktyczna eliminacja emisji toksycznych produktów spalania: tlenku wêgla, dwutlenku siarki i tlenków azotu. Wynika to z faktu, e substancje szkodliwe powstaj¹ tylko w procesie przygotowania paliwa zasilaj¹cego ogniwo. Technologiczny wymóg odsiarczania paliwa eliminuje obecnoœæ zwi¹zków siarki a iloœæ odpadowego dwutlenku wêgla jest œrednio o 30% ni sza ni w przypadku maszyn cieplnych. Iloœæ dwutlenku wêgla na jednostkê wyprodukowanej energii w porównaniu z tradycyjnymi technologiami jest najni sza i wynosi oko³o 620g/kWh. Ogniwa paliwowe daj¹ mo liwoœæ wytwarzania energii elektrycznej w sposób wydajny, bezpieczny i przyjazny œrodowisku naturalnemu w wyniku redukcji ha³asu, zmniejszenia lub eliminacji gazowych substancji toksycznych i gazów cieplarnianych. Wysokoœæ emisji innych zanieczyszczeñ przedstawia tablica 3. Rodzaj zanieczyszczenia Wielkoœæ emisji, g/m 3 Py³y brak Zwi¹zki siarki praktycznie brak Tlenki azotu <5 mg/m 3 Tlenki wêgla <15 mg/m 3 Wêglowodory <10 mg/m 3 Tablica 3. Emisja zanieczyszczeñ w ogniwach paliwowych PAFC [1] Rodzaj zanieczyszczenia Wielkoœæ emisji, g/m 3 Py³y brak Zwi¹zki siarki praktycznie brak Tlenki azotu < 5 mg/m 3 Tlenki wêgla <15 mg/m 3 Wêglowodory < 10 mg/m 3 Niew¹tpliw¹ zalet¹ ogniw paliwowych jest ich modu³owa konstrukcja i szybka zdolnoœæ reagowania na zmienne obci¹- enie. Wad¹ ogniw jest obecnie wysoka cena i czas pracy nie przekraczaj¹cy h. Szacuje siê jednak, e je eli koszt instalacji obni y siê do poziomu $/kw, ogniwa stan¹ siê konkurencyjne dla innych technologii produkcji energii elektrycznej, przy czym istotn¹ rolê odegra czysty ekologicznie sposób produkcji. W tablicy 3-6 zestawione zosta³y zalety i wady ogniw paliwowych. Literatura 1. Inaya A., Hirai K., Ito T., Yoshida H., Shinkai H., Current Status Of Field Tests Of Phosphoric Acid Fuel Cell In Japanese Gas Utilities, 20th World Gas Conference, Kopenhaga, Rubik M., Pompy ciep³a, Poradnik, Oœrodek Informacji Technika Instalacyjna w Budownictwie, Warszawa,

7 3. Rubik M., Wykorzystanie systemów gazowniczych do zasilania urz¹dzeñ ch³odniczych, Gazterm, Miêdzyzdroje, Skorek J., Kalina J., Skojarzone wytwarzanie ciep³a grzejnego i energii elektrycznej w zasilanych gazem ziemnym urz¹dzeniach ma³ej energetyki, Nowoczesne Gazownictwo 1/ Warowny W., Zastosowanie ogniw paliwowych, Gazterm, Miêdzyzdroje,