Energia XXII – Ciepło, Elektroenergetyka, Gaz
Dodatek reklamowy do RZECZPOSPOLITEJ.
nr 86 (5556) 11 kwietnia 2000 r.
Nowoczesne technologie użytkowania gazu
Siła napędowa rynku gazowego w Polsce
Gospodarka Polski, po raz pierwszy w swojej powojennej historii, znalazła się w sytuacji nadwyżki podaży surowców i nośników energii nad ich zapotrzebowaniem. Wynika to w głównej mierze ze znacznego wzrostu efektywności wykorzystania energii zarówno w przemyśle, jak i w gospodarstwach domowych i komunalnych.
Warunki wewnętrzne, jak i zewnętrzne Polski stwarzają dogodną sytuację do kontynuacji szybkiej modernizacji systemów energetycznych w kraju. Z jednej strony spodziewane przystąpienie do Unii Europejskiej oraz podjęte zobowiązania na „szczytach ekologicznych” w Rio de Janeiro i Kioto zmuszają nas do ograniczenia emisji CO2, SO2 i pyłów, z drugiej zaś strony aktualna nadwyżka podaży gazu ziemnego nad jego zapotrzebowaniem w połączeniu z zakontraktowanymi dostawami tego surowca z gazociągu Jamał – Europa Zachodnia w latach najbliższych daje okazję do uczynienia gazu ziemnego siłą napędową modernizacji ogrzewnictwa, wytwarzania energii elektrycznej i transportu.
Nowe zastosowania gazu ziemnego mogą spowodować przyspieszenie wzrostu zużycia gazu w Polsce. Pomimo dobrych perspektyw w ostatnich latach obserwujemy stagnację na rynku gazu ziemnego, bowiem przyrost zużycia gazu w gospodarce komunalnej jest kompensowany spadkiem zużycia w przemyśle, głównie metalurgicznym i nawozów azotowych.
W dalszej części artykułu przedstawiono nowoczesne techniki użytkowe z zastosowaniem gazu ziemnego jako paliwa.
W kolejności stopnia rozwoju są to:
- tradycyjne urządzenia do ogrzewania gazem,
- ogrzewanie w skojarzeniu z wytwarzaniem energii elektrycznej,
- pompy ciepła zasilane gazem ziemnym,
- ogniwa paliwowe zasilane gazem ziemnym,
- transport samochodowy zasilany sprężonym gazem ziemnym (CNG).
Tradycyjne urządzenia do ogrzewania gazem
Urządzenia grzewcze powszechnego użytku
Obecnie dostępne są następujące urządzenia grzewcze powszechnego użytku:
- kotły gazowe stojące,
- kotły gazowe stojące wyposażone w zbiornik ciepłej wody użytkowej,
- kotły gazowe wiszące,
- kotły gazowe wiszące dwufunkcyjne,
- kotły gazowe kondensujące,
- ogrzewacze pomieszczeń gazowe konwekcyjne (grawitacyjne i z przepływem wymuszanym powietrza),
- z otwartą komorą spalania (typu B),
- z zamkniętą komorą spalania (typu C),
- promienniki gazowe (typu A).
Urządzenia te mają sprawność od 87% dla ogrzewaczy konwekcyjnych do około 107% dla kotłów kondensujących. Ich konstrukcja umożliwia ogrzewanie pomieszczeń mieszkalnych niemal w każdej możliwej sytuacji budowlanej, to jest niezależnie od dostępności układów kominowych. W przypadku, gdy istnieją wolne przewody kominowe można zastosować, po zainstalowaniu w nim odpowiedniego przewodu ze stali nierdzewnej, klasyczny kocioł gazowy z otwartą komorą spalania. Przy braku przewodów kominowych można stosować ogrzewacze konwekcyjne z zamkniętą komorą spalania i wyprowadzeniem spalin poprzez ścianę budynku (do 5 kW) lub zastosować kocioł ze specjalnym przewodem powietrzno-spalinowym wyprowadzonym powyżej dachu budynku. Promienniki gazowe bez odprowadzenia spalin mogą być stosowane wyłącznie pod okapem z odprowadzeniem spalin lub w pomieszczeniach otwartych – balkony, tarasy, altanki, itp.
Urządzenia grzewcze stosowane w przemyśle
Przy ogrzewaniu pomieszczeń przemysłowych odchodzi się obecnie od stosowanego poprzednio powszechnie centralnego ogrzewania, zwłaszcza w przypadku pracy na jedną lub dwie zmiany. Stosowane są następujące urządzenia grzewcze:
- nagrzewnice powietrza,
- nagrzewnice powietrza kondensujące,
- ogrzewacze pomieszczeń typu rura promieniująca,
- promienniki gazowe,
- nagrzewnice powietrza bezwymiennikowe.
Tabela 1
Dane techniczne gazowej pompy ciepła o mocy 8 kW
| Nowy model | Konwencjonalny model | |
| Producent | MITSUBISHI | |
| Wydajność [kW] | ||
| – chłodzenie | 8,0 | 8,0 |
| – ogrzewanie | 10,0 | 10,0 |
| COP (sprawność) | ||
| – chłodzenie | 0,96 | 0,79 |
| – ogrzewanie | 1,02 | 1,02 |
| Poziom hałasu [dB] | 49 | 49 |
| Wymiary (w-s-g) [in] | 1,3-1,015-0,34 | 1,73-0,8-0,38 |
| Opcja | ogrzewanie podłogowe | – |
| Okres pracy pomiędzy przeglądami [h] | 6 000 | 2 000 |
Tabela 2
Parametry ogniw paliwowych
| Typ ogniwa paliwowego | Elektrolit | Temperatura pracy | Zastosowanie | Moc |
| AFC | KOH | 600C + 1200C | wojskowe, kosmiczne | |
| PAFC | stężony H3PO4 |
1600C + 2200C | systemy energetyczne, ciepło odpadowe, T<1800C | 11 MW |
| MCFC | węglany: LiCO3 K2CO3 |
6000C + 6500C | systemy energetyczne, ciepło odpadowe, wysoka temperatura, produkcja energii elektrycznej | 100 + 250 kW półtechnika |
| SOFC | stały ceramiczny: ZrO2, Y2O3 |
9000C + 10000C | systemy energetyczne, produkcja energii elektrycznej | 3 + 25 MW |
Szczególnie atrakcyjne ekonomicznie jest ogrzewanie pomieszczeń przemysłowych lub usługowych na drodze promieniowania. Uzyskane oszczędności energii w porównaniu z tradycyjnym ogrzewaniem centralnym dochodzą do 35÷40% dla budynków nowoczesnych o dobrej izolacji i nawet do 60% dla budynków źle izolowanych. Oszczędności te znacznie rosną przy pracy jednozmianowej, ze względu na szybki rozruch ogrzewaczy tego typu. Przy zastosowaniu ogrzewania na drodze promieniowania możliwe jest ogrzewanie bezpośrednio ludzi i stanowisk pracy bez konieczności ogrzewania całej objętości budynków. Ten rodzaj ogrzewania staje się coraz bardziej popularny w Polsce. Nagrzewnice powietrza bezwymiennikowe stosowane są przeważnie do ogrzewania powierzchni magazynowych, w których ludzie przebywają rzadko.
Ogrzewanie w skojarzeniu z wytwarzaniem energii elektrycznej
Skojarzone wytwarzanie energii cieplnej i elektrycznej jest korzystne zarówno dla dostawców nośników energii, ich użytkowników, jak i całych społeczeństw. Lepsze wykorzystanie paliwa pozwala na zmniejszenie jego zużycia, a więc na ograniczenie jego kosztów i zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska.
Rys. 1. Sprawności wytwarzania energii elektrycznej różnymi metodami
Podstawową korzyścią dla użytkowników energii jest znaczne obniżenie jej kosztów oraz niższe inwestycje związane z wytwarzaniem energii elektrycznej, a także obniżenie emisji CO2, pyłów i związków siarki na skutek zastąpienia węgla gazem ziemnym oraz podniesienie sprawności procesu.
Skojarzenie wytwarzania ciepła i energii elektrycznej jest możliwe tylko wtedy, gdy istnieje zapotrzebowanie na obie formy energii. W niektórych krajach energia elektryczna wytwarzana w skojarzeniu z energią cieplną stanowi aż 65% – w Danii i 35% – w Holandii.
W literaturze światowej wymienia się trzy rodzaje przeszkód utrudniających szersze zastosowanie układów skojarzonych, a mianowicie:
- przeszkody strukturalne, wynikające głównie z istniejącej infrastruktury energetycznej. Przedsiębiorstwa wytwarzające energię elektryczną mają na ogół charakter przedsiębiorstw użyteczności publicznej. Energetyka jest zarządzana i regulowana przez agencje rządowe; w tej sytuacji ceny energii są ustalane centralnie i mają charakter polityczny. Dopiero ostatnio obserwuje się w Unii Europejskiej deregulację sektora energetycznego,
- przeszkody ekonomiczne wynikają z faktu, że amortyzacja inwestycji w układ skojarzony w zakładzie przemysłowym powinna nastąpić w okresie, w jakim następuje amortyzacja urządzeń wytwarzających podstawowy jego produkt. Spełnienie tego warunku jest trudne, gdyż inwestycje energetyczne mają zazwyczaj znacznie dłuższy okres zwrotu (10-15 lat). Jednocześnie wiadomo, że zbudowane wcześniej źródła energii istnieją i mogą być dalej wykorzystywane,
- przeszkody technologiczne wynikają z tego, że małe układy skojarzone muszą spełniać te same funkcje co duże elektrownie, jeśli chodzi o sterowalność, bezpieczeństwo, synchronizację z siecią energetyczną, itp. Wymagania te znacznie podwyższają koszty inwestycyjne. Również emisja zanieczyszczeń, choć mniejsza, odbywa się często w miastach, co powoduje protesty władz lokalnych. To samo dotyczy hałasu.
W Polsce znanych jest kilka projektów układów skojarzonych opalanych gazem ziemnym. Największym jest modernizacja elektrociepłowni w Gorzowie. Elektrociepłownia jest zasilana gazem ziemnym zaazotowanym ze złoża Barnówko-Mostno-Buszewo (BMB) w ilości 263 mln m3/rok. Wartość opałowa gazu wynosi 20,2 MJ/m3.
Blok parowo-gazowy ma następujące parametry:
- moc elektryczna turbozespołu GT&C – 54, 49 MW,
- prędkość obrotowa – 6200 obr/min,
- temperatura spalin za komorą spalania – 1100°C,
- ciśnienie pary wodnej za kotłem – 4,0 MPa,
- nominalna wydajność kotła – 140 t/h.
W wyniku uruchomienia elektrociepłowni zasilanej gazem ziemnym emisja pyłu zmniejszy się o 90%. Brak danych odnośnie sprawności.
Innym przykładem układu skojarzonego jest produkcja ciepła i energii elektrycznej dla potrzeb rozdzielni gazu w Wielkopolskim Okręgowym Zakładzie Gazownictwa, gdzie zastosowano agregat o następujących parametrach:
- moc doprowadzona – 24 kW,
- moc mechaniczna – 6 kW,
- moc elektryczna – 5 kW,
- moc cieplna – 12,5 kW,
- sprawność elektryczna – 63,3%,
- sprawność cieplna – 51,8%,
- sprawność ogólna – 88,1%.
Układ zasilano gazem ziemnym zaazotowanym GZ-35. Przeprowadzona analiza ekonomiczna wykazała zwrot nakładów inwestycyjnych po okresie 8 lat. Pozostałe zapotrzebowanie ciepła rozdzielni gazu pokrywają dwa kotły gazowe o mocy sumarycznej 560 kW.
Analizy techniczno-ekonomiczne przeprowadzane dla potencjalnych użytkowników niewielkich układów skojarzonych na rynku polskim pozwalają na wyciągnięcie następujących wniosków:
- stosowanie układów skojarzonych dla obiektów typu motel może być uzasadnione dużą dysproporcją w odległościach pomiędzy źródłami energii,
- w stacjach paliwowych zwłaszcza wyposażonych w zaplecze gastronomiczne uzyskuje się wysokie stopnie wykorzystania energii elektrycznej i ciepła,
- w budynku mieszkalnym zastosowanie wymuszonej wentylacji daje możliwość stałego poboru energii elektrycznej w skojarzeniu z poborem ciepła dla podgrzewania ciepłej wody użytkowej.
- układy skojarzone małej mocy są idealnym rozwiązaniem dla obiektów wymagających dwóch źródeł zasilania energią elektryczną (banki, szpitale itp.). Przy poborze ciepła dla podgrzewania ciepłej wody użytkowej i wydzielonego sektora odbiorników energii elektrycznej o pracy ciągłej, można uzyskać bardzo wysoką efektywność ekonomiczną pracy takiego układu z możliwością natychmiastowego przełączenia energii do obszaru chronionego.
Ogólnie można stwierdzić, że przy stosunkowo jeszcze umiarkowanych cenach nośników energii w Polsce i wysokich cenach urządzeń, zastosowanie układów skojarzonych napędzanych gazem nie jest powszechne i powinno być analizowane indywidualnie, przy uwzględnieniu lokalnych uwarunkowań. Polityka Urzędu Regulacji Energetyki poprzez ceny i taryfy powinna preferować takie rozwiązania.
Pompy ciepła zasilane gazem ziemnym stosowane do ogrzewania i chłodzenia
Podstawowym zadaniem pompy ciepła jest przenoszenie ciepła ze źródła o niższej temperaturze do odbiornika ciepła o wyższej temperaturze. Zazwyczaj źródłem ciepła o niższej temperaturze jest powietrze atmosferyczne, ziemia względnie woda. Na ogół pompy ciepła używane są zarówno do ogrzewania pomieszczeń w zimie, jak i do ich schładzania latem. Stąd największy rozwój tych urządzeń nastąpił w Stanach Zjednoczonych i w Japonii, gdzie warunki klimatyczne zmuszają do ogrzewania zimą i chłodzenia latem, a jednocześnie są to kraje o wysokim stopniu rozwoju technicznego.
Tradycyjnie pompy ciepła były zasilane energią elektryczną, jednak w ostatnich latach również przemysły gazownicze wielu krajów zaczęły interesować się możliwością zarówno podwyższenia zużycia gazu ziemnego w okresie letnim dzięki wykorzystaniu go do zasilania pomp ciepła pracujących w cyklu chłodzenia, jak i zmniejszenia zużycia gazu w zimie, dzięki większej sprawności (współczynnik wydajności – coefficient of performance COP) pomp ciepła pracujących w cyklu ogrzewania od tradycyjnych. Dla przykładu poniżej podano sprawności (COP) różnych urządzeń grzewczych i chłodniczych:
- ogrzewanie: kocioł tradycyjny 0,85 ÷ 0,9, kocioł kondensujący 1,1, pompa cieplna 1,4,
- chłodzenie: pompa cieplna konwencjonalna 0,7, pompa cieplna nowoczesna 0,8, pompa cieplna w trakcie badań 0,9.
W niektórych krajach (Japonia, USA, Włochy, Hiszpania), w których największe zużycie energii elektrycznej występuje w miesiącach letnich, również przemysł elektroenergetyczny jest zainteresowany wzrostem zużycia gazu do zasilania urządzeń chłodzących.
Pompy ciepła sprężarkowe
Sprężarkowe pompy ciepła zasilane gazem są szczególnie popularne w USA i Japonii, gdzie już poprzednio powszechnie stosowano pompy ciepła i klimatyzatory napędzane silnikami elektrycznymi. Przykładem gazowej pompy ciepła jest urządzenie o mocy 8 kW, które jest rozwijane w ramach rządowego programu rozwojowego. W tabeli 1 podano niektóre parametry tej gazowej pompy ciepła.
W ramach tego programu badany jest także układ o mocy 5,6 kW (w cyklu chłodzenia). Przewiduje się, że pompy ciepła będą konkurencyjne w stosunku do pomp napędzanych silnikami elektrycznymi zarówno pod względem kosztów, jak i parametrów pracy. Należy podkreślić, że w Japonii w roku 1997 sprzedano przeszło 35 tys. gazowych pomp ciepła.
Absorpcyjne pompy ciepła
Przykładem absorpcyjnej pompy ciepła są urządzenia badane przez Interofex Ltd. będącą spółką Gas Natural SDG SA (Hiszpania), British Gas plc. (W. Brytania), Lennox Industries Inc. (USA) i Fagor Electrodemesticos Coop SA (Hiszpania). Niektóre prace badawcze są prowadzone w ramach programu THERMIE Unii Europejskiej. Proces Interofex wykorzystuje typowy układ desorber/kondensator połączony z pompą ciepła w podwójnym obiegu. Dotychczasowe badania pozwoliły na uzyskanie COP na poziomie 0,8, a także pozostałych parametrów zgodnie z założeniem. Przewiduje się osiągnięcie planowanego COP = 0,9.
Ogniwa paliwowe zasilane gazem ziemnym 
Ogniwa paliwowe zostały wynalezione 150 lat temu przez W. R. Grove, jednak ich rozwój i zastosowanie nastąpiły dopiero w amerykańskich programach kosmicznych. Od tego czasu są one intensywnie rozwijane, głównie w USA i Japonii, ale także w kilku krajach europejskich (Francja, RFN, Szwajcaria, Hiszpania, Włochy, Holandia, Norwegia).
Ogniwo paliwowe jest elektrochemicznym przetwornikiem energii chemicznej paliwa (wodór lub mieszanina wodoru i innych gazów) bezpośrednio na energię elektryczną. Paliwo jest doprowadzane w sposób ciągły do anody, a utleniacz – czysty tlen lub powietrze jest również w sposób ciągły podawany do katody.
Na anodzie wodór jest donorem ujemnego ładunku elektrycznego, zachodzi w niej proces elektrochemicznego utleniania, natomiast na katodzie tlen jest akceptorem ładunku ujemnego i zachodzi proces elektrochemicznej redukcji. W wyniku tych procesów następuje przepływ elektronów od anody do katody. Zamknięcie obwodu następuje dzięki jonom przenoszonym przez elektrolit.
Proces ten jest zjawiskiem odwrotnym do procesu elektrolizy, w której pod wpływem prądu elektrycznego następuje rozkład wody na tlen i wodór.
Proces wytwarzania energii elektrycznej w ogniwie paliwowym charakteryzuje się wysoką sprawnością nie ograniczoną obiegiem Carnota. W obecnie istniejących jednostkach osiąga się sprawności wytwarzania energii elektrycznej w granicach 40÷55%, przewidywana sprawność jest oceniana na 65%.
Porównanie sprawności wytwarzania energii elektrycznej w znanych procesach przedstawiono na rysunku.
Ponieważ napięcie prądu wytwarzanego w pojedynczej celi ogniwa paliwowego jest niewielkie (poniżej 1V), to ogniwa zestawiane są zwykle w postaci stosów składających się z kilkudziesięciu lub kilkuset ogniw.
Poza wysoką sprawnością ogniwa paliwowe mają szereg zalet, a mianowicie:
- nie wytwarzają substancji odpadowych i hałasu, całkowita emisja zanieczyszczeń ograniczona jest do kilku ppm. Mają także najniższą emisję dwutlenku węgla;
- mogą być zasilane różnymi rodzajami paliwa. Gaz ziemny ulega konwersji w samym ogniwie;
- mogą być szybko dostosowywane do zmiennego zapotrzebowania na energię;
- mają stałą i niezależną od obciążenia sprawność;
- łatwe instalowanie i całkowita automatyzacja pracy.
Ogniwa paliwowe mają jednak także kilka wad:
- stosunkowo wysoki koszt inwestycyjny;
- ograniczony czas pracy ogniwa (do około 40 000 h);
- wrażliwość na zanieczyszczenie paliwa (w różnym stopniu, zależnie od typu ogniw).
Obecnie znane są cztery główne typy ogniw paliwowych:
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||