Proste i tanie lokalne elektrociepłownie... Na ścieki i odpady

Transkrypt

1 Proste i tanie lokalne elektrociepłownie... Na ścieki i odpady Autor: prof. zw. dr hab. inż. Włodzimierz Kotowski ( Energia Gigawat czerwiec 2006) Nie tylko w Polsce, ale również np. w Niemczech sektor mieszkaniowy jest najbardziej energochłonnym wśród wszystkich innych gałęzi gospodarki. Niedostateczna izolacja obiektów mieszkalnych oraz użyteczności publicznej (szkół, szpitali, hal handlowych, itp.), a nade wszystko niska sprawność systemów ciepłowniczych wykazują ogrom tkwiących tu potencjalnych rezerw energetycznych, sięgających 85 TWh rocznie w naszym kraju oraz 125 TWh - na terenie Niemiec. Odpowiadają one finansowym, możliwym do osiągnięcia oszczędnościom w nośnikach energii na poziomie około 2,8 mld /rok w naszym kraju i prawie 4 mld /rok w RFN. Chcąc wyzwolić te potencjalne rezerwy energetyczne, konieczne są nakłady inwestycyjne w wysokości około 13,5 mld w Polsce oraz prawie 20 mld na terenie Niemiec (R. Hirschberg, A. Frommann; VDI nahrichten, 15, 12, 2006 r.). Teraz kiedy ceny nośników energii drastycznie wzrosły (szczególnie ropy i gazu ziemnego) i godzą nawet w poziom życia nie tylko mieszkańców krajów europejskich, dalsze zwlekanie z realizacją tego zadania staje się niemożliwe również i w naszym kraju. Chodzi tu nie tylko o pokaźne efekty ekonomiczne z obniżania zużycia nośników energii, ale plonem tych inwestycji będzie również ograniczenie emisji CO 2 : w Niemczech o prawie 30 mln t/rok, a w Polsce o nieco ponad 20 mln t/rok. Podczas, gdy redukcja ogromnych strat ciepła - poprzez izolację wszelkiego rodzaju budynków - jest przedsięwzięciem powszechnie znanym i akceptowalnym, to technologie oraz techniki efektywnego wytwarzania ciepła użytkowego wspólnie z energią elektryczną nie znajdują w naszym kraju już takiego zrozumienia. Tymczasem to tu tkwią gigantyczne rezerwy energetyczne. 1

2 Osiedla bywają na ogół zasilane ciepłem poprzez systemy rur sieciowych z lokalnych elektrociepłowni. Tymczasem straty spalanych nośników energii wynoszą w dobrze pracujących ciepłowniach około 44%, natomiast w elektrociepłowniach tylko około 11%. Stąd ogólne i oczywiste zalecenie, aby wszelkiego typu ciepłownie jak najszybciej zastępować lokalnymi elektrociepłowniami. Ogólna sprawność (a zatem i ekonomika) lokalnych elektrociepłowni zależy od wielu czynników. Ich specyfikacja oraz charakterystyka nie dają jednak przeciętnemu obywatelowi dostatecznego wyobrażenia co do kryteriów wyboru możliwych do efektywnego zastosowania tu określonych rozwiązań techniczno-technologicznych. W tej sytuacji autor wybrał dwa wariantowe typy elektrociepłowni, które winne znaleźć w Polsce powszechne zastosowanie. Są proste i tanie w realizacji, bazują na lokalnych nośnikach energii i dzięki temu mogą być współfinansowane ze środków Unii Europejskiej. Lokalna elektrociepłownia sprzężona z miejscową oczyszczalnią ścieków Poniżej przedstawia się lokalną elektrociepłownię dzielnicy Hamburg-Bahrenfeld, RFN, zaopatrującą w ciepło oraz energię elektryczną osiedle z 680 mieszkańcami. Wiadomo, że głównymi elementami każdej pompy ciepła są: - odparowalnik, w którym czynnik roboczy (freon, amoniak, propan-butan, itp.) odparowując po redukcji jego ciśnienia, pobiera ciepło z otoczenia a w omawianym przypadku - z płynących ścieków; - sprężarka, która komprymując czynnik roboczy do około 1,5 MPa, ogrzewa go do prawie 100 st. C. Do jej napędu stosuje się na ogół silnik elektryczny. Ale w omawianej elektrociepłowni zastosowano silnik spalinowy Otta, zasilany gazem ziemnym lub biogazem pozyskiwanym właśnie z własnej miejskiej oczyszczalni ścieków! Sam silnik wymaga chłodzenia; ciepło w omawianym przypadku odprowadza się do cyrkulującej wody, ogrzewającej mieszkania dzielnicy Hamburg- 2

3 Bahrenfeld. Na tym jednak nie koniec, gdyż silnik spalinowy wytwarza spaliny i to o temperaturze około 350 st. C, którymi ogrzewa się cyrkulującą wodę grzewczą aż do około 100 st. C; - kondensator służy do wykraplania czynnika roboczego pod ciśnieniem około 1,5 MPa, z czym wiąże się odprowadzanie ciepła kondensacji do obiegu ciepłej wody dla mieszkańców osiedla; - między kondensatorem, a odparowalnikiem jest zawór redukcji ciśnienia, który zapewnia nieprzerwaną cyrkulację czynnika roboczego. Niezależnie od dwóch pomp ciepła zainstalowano na okresy silnych mrozów dwa kotły rezerwowe, opalane oczywiście własnym biogazem z lokalnej oczyszczalni ścieków, każdy o mocy termicznej 1200 kw. W okresie letnim, gdy zapotrzebowanie na ciepło przez mieszkańców każdego osiedla jest niewielkie, należy jak najbardziej racjonalnie wykorzystać biogaz z lokalnej oczyszczalni ścieków. Najefektywniejszym z ekonomicznego punktu widzenia okazało się przetwarzanie tegoż gazu (lub w mieszaninie z gazem ziemnym) do energii elektrycznej wraz z ciepłem w dwóch agregatach ogniw paliwowych, co na rys. 1 zaznaczono tylko odpowiednimi prostokątami. 3

4 Rys.1. Schemat osiedlowej elektrociepłowni w Hamburgu-Bahrenfeld, RFN. Źródłem ciepła są ścieki osiedlowe oraz biogaz z lokalnej oczyszczalni ścieków. 4

5 Wyposażona w pompę ciepła, dwa agregaty ogniw paliwowych oraz dwa kotły rezerwowe. Gaz ziemny jest paliwem rezerwowym. Zasadę działania ogniwa paliwowego ilustruje rys. 2. Rys.2. Schemat ogniwa paliwowego zasilanego gazem wodoronośnym i tlenem z powietrza. Membrana wysycona kwasem fosforowym. Temperatura eksploatacji 220ºC. Istota jego jest podobna do akumulatora, przy czym pojedyncza celka, wg rys. 2, działa następująco: między siatkowymi elektrodami z platyny anody (-) i katody (+) 5

6 umieszczona jest membrana z elektrolitem, którym jest kwas fosforowy. Wzdłuż anody - przy membranie płynie wodór (może być rozcieńczony dwutlenkiem węgla, pochodzącym z katalitycznego reformingu biogazu lub gazu ziemnego). Wodór ulega na siatce anody samorzutnemu rozpadowi do elektronu (-) oraz protonu (+). Elektrony odpływają od razu do odbieralnika energii elektrycznej, natomiast proton przenika przez membranę z elektrolitem - do siatki katody, na której łączy się z tlenem do wody. Proces ten jest typowy dla klasycznego utleniania wodoru a zatem silnie egzotermicznym. Między celkami ogniwa paliwowego są rurki z obiegiem wody chłodzącej służącej dla celów grzewczych mieszkańcom osiedla. Cały układ w omawianym przypadku pracuje w temperaturze około 220 st. C. Jak widać z tego opisu, w ogniwie paliwowym następuje bezpośrednia przemiana energii chemicznej w elektryczną przez cały czas przepływu reagentów, tj. trwania procesu utleniania wodoru do wody. Ogniwa paliwowe tak jak celki w akumulatorze łączy się zależnie od mocy szeregowo w tzw. stos. Tu uzyskuje się tzw. prąd stały, który w odpowiednim agregacie na miejscu zamienia się w zmienny i w takiej postaci dostarcza się mieszkańcom osiedla, a nadmiar odprowadza się do lokalnej sieci (H.Grubel, G.Newi; Forschungs-Verbund Sonnenenergie Themen , str. 65. Wydawca: Hahn-Meitner-Institut, Berlin, 2001 rok). Na ekonomikę całego przedsięwzięcia ma również wpływ fakt, że osady po fermentacji metanowej na oczyszczalni ścieków miesza się z 10% mas. pyłów skalnych z kamieniołomów, a przez to są doskonałym nawozem dla plantacji roślin energetycznych szczególnie wierzby krzewiastej Elektrociepłownia zasilana odpadami Lokalna elektrociepłownia w miejscowości Hameln w Niemczech opalana jest własnymi odpadami komunalnymi. Każda tego typu elektrociepłownia dysponuje stacją przyjmowania i rozładunku pojazdów specjalistycznych z odpadami komunalnymi, które magazynuje się bez sortowania i rozdrabniania w bunkrze betonowym. Stąd dźwigiem czerpakowym odpady ładowane są poprzez rynny szybowe do komory spalania, wyposażonej najczęściej w ruszty schodkowe. 6

7 Spalanie odpadów przebiega w kilku fazach, które obok siebie przebiegają kolejno w wspólnej komorze paleniskowej : suszenie odbywa się do około 250 st. C, a potem następują procesy pirolizy oraz odgazowania w temperaturze st. C. Widoczny w komorze paleniskowej płomień nie jest efektem bezpośredniego spalania odpadów, a nade wszystko wynik utleniania wytwarzanych niewielkich cząsteczek materiałów palnych i to w następstwie pirolizy oraz odgazowania pierwotnego paliwa. Przebiegające w tych warunkach temperaturowych rozrywania wiązań chemicznych w cząsteczkach składników odpadów wymagają pokaźnego doprowadzenia energii, którą dostarczają spalane (utleniane) lekkie produkty oraz wytworzony koks z pirolizy i odgazowania wsadu: różnorakie węglowodory, tlenek węgla oraz tworzący się koks. Te, spalając się zapewniają temperaturę w komorze paleniskowej powyżej 800 st. C. Dla pełnego spalenia powyższych konieczny jest około 5%-wy nadmiar tlenu i przez to zapotrzebowanie na powietrze wynosi 4000 m 3 na tonę odpadów. Dopływ powietrza pod ruszt uprzednio podgrzanego spalinami jest precyzyjnie regulowany układem komputerowym. Podczas spalania odpadów komunalnych powstają różnorakie zanieczyszczenia, a wśród nich kilka trujących: SO 2, NO x, HCl, dioksyny, furany, związki cynku, ołowiu oraz rtęć. Uchodzą one ze spalinami, z których zostają starannie usunięte, co doskonale uwidacznia rys 3. Dla minimalizacji zawartości NO x w spalinach dodaje się amoniak w części już do komory spalania, a resztę do spalin przed reaktorem katalitycznej przemiany NH 3 i NO x do wolnego azotu oraz pary wodnej. Inne zanieczyszczenia (trucizny) usuwane są w kilku reaktorach oraz różnych operacjach z udziałem koksu, wapna i węgla aktywnego, co doskonale ilustruje rys. 3. Szlaka ze spalania odpadów jest przy pomocy magnesów uwalniana od większości metali (sprzedawanych hutom), a następnie dostarczana firmom budownictwa drogowego. Godnym podkreślenia jest fakt, że niektóre elektrociepłownie, zamiast komór spalania z rusztami, stosują poziome bębny obrotowe, a w nich temperatura spalania dochodzi do 1200 st. C. 7

8 Rys. 3. Nowoczesna elektrociepłownia miasta Hameln, RFN opalana odpadami komunalnymi Uzyskana ze spalania odpadów energia gorących spalin zostaje wykorzystana w kotle wodnoparowym, sprzężonym z turbiną parową oraz elektrogeneratorem. Para po turbinie zostaje skondensowana w wymienniku ciepła, przez który płynie woda obiegowa, ogrzewająca dzielnice mieszkaniowe danego miasta. Natomiast kondensat wodny zawracany zostaje do kotła i cały proces wytwarzania energii elektrycznej oraz ciepła dla mieszkańców się powtarza (P. Stipp; Umwelt Magazin, str. 15, nr 6, 2003 rok). 8

9 Największa tego typu elektrociepłownia, która przetwarza ton/rok odpadów komunalnych, obejmująca cztery bloki, została kosztem 250 mln euro wybudowana w Magdeburgu-Rothensee. Rys. 4. Reaktor fluidalnego spalania oraz zgazowania (półspalania) wyselekcjonowanych odpadów komunalnych, przemysłowych oraz drzewnych. * Ze środków masowego przekazu dowiadujemy się o kłopotach finansowych szpitali, czy szkół. Są to zrozumiałe problemy ekonomiczne przy coraz droższych środkach opałowych: koksu, gazu ziemnego, czy oleju opałowego. 9

10 Poprzez skorzystanie z zamiany ciepłowni na w/w elektrociepłownie opalane różnego typu odpadami uzyska się tak znaczne efekty ekonomiczne, że będzie można nimi trwale rozwiązać liczne inne problemy finansowe. Jest to praktycznie jedyna droga na istotne rozwiązanie najważniejszych problemów ekonomicznych szpitali itp. instytucji w ramach ogólnokrajowego budżetu. 10