plik

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 ener-

gii. 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 zasi-

lanych gazem ziemnym.

Wstêp

%ród³em najwiêkszych zanieczyszczeñ œrodowiska sa procesy konwersji energii, w wyniku których powstaj¹ odpady za-

nieczyszczaj¹ce powietrze, glebê oraz wodê. Szczególnie niebezpieczne s¹, obecnie najbardziej rozpowszechnione,

procesy spalania paliw, przy czym produkty spalania emitowane do ekosfery s¹ przyczynami niodwracalnych zmian kli-

matycznych 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 pro-

duktów spalania. W tzw. sektorze bytowo-komunalnycm (gospodarstwa domowe) g³ówne sposoby zmniejszenia zu¿y-

cia 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 natu-

ralne,

• 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 ga-

zem 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 po-

dano 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

/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 rozdziel-

czej 80 tys km. Ponadto powiêkszono czynn¹ pojemnoœæ podziemnych magazynów do prawie 1 mld m

, co znacznie

poprawi³o mo¿liwoœci pokrywania krótkookresowych szczytowych zapotrzebowañ na to paliwo.

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).

Tablica 2. Struktura krajowych odbiorców gazu ziemnego w 1999 r.

W najbardziej rozpowszechnionych gazowych urz¹dzeniach grzewczych zmiana energii chemicznej paliwa na ciep³o na-

stêpuje w wyniku procesu spalania.

D¹¿eniem konstruktorów tych urz¹dzeñ jest maksymalizacja stopnia wykorzystania tej energii i to nie tylko w odniesie-

niu do wartoœci opa³owej, lecz równie¿ ciep³a spalania paliwa. Równoczeœnie d¹¿¹ oni do minimalizacji emisji szkodli-

wych 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 za-

zwyczaj w du¿ych uk³adach elektrociep³owni parowych zasilanych wêglem kamiennym. Dziœ staje siê przedmiotem za-

interesowania szerokiej grupy odbiorców oraz producentów ciep³a i energii elektrycznej. Sta³o siê tak za spraw¹ znacz-

nego postêpu w budowie turbin gazowych i t³okowych silników spalinowych na paliwa gazowe, zw³aszcza w odniesie-

niu do urz¹dzeñ ma³ych i œrednich mocy.

Wykorzystanie gazowego silnika t³okowego do produkcji energii elektrycznej i ciep³a jest jednym najczêstszych przypad-

ków wykorzystania tego urz¹dzenia w uk³adach kogeneracyjnych. W projektach realizowanych na œwiecie mo¿na zaob-

serwowaæ 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;

Rodzaj odbiorcy

Gaz ziemny wysokometanowy

Gaz ziemny zaazotowany

Przemys³

177218

50,8

16309

50,8

Transport

639

0,2

168

0,5

Budownictwo

452

0,2

0,1

Gospodarstwa domowe

120544

34,5

15541

48,3

Rolnictwo

371

0,1

106

0,3

Pozostali odbiorcy

49470

14,2

Razem

348949

100,0

32152

100,0

Noœnik energii

Œrednioroczna sprawnoœæ Jednostkowy koszt ciep³a,

wytwarzania. %

gr/MJ

Koks

2.66

Wêgiel kamienny

2.87

Gaz ziemny GZ50

2.08

Propan-butan

2.91

Olej opa³owy

5.1

Energia elektryczna

100

8.33

• wykorzystanie silnika do bezpoœredniego napêdu sprê¿arek lub uk³adów ziêbniczych przy odzysku ciep³a na po-

trzeby procesu ogrzewania;

• produkcja energii elektrycznej i wykorzystanie ciep³a odpadowego z silnika w uk³adach klimatyzacji z ch³odziar-

k¹ 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¿e-

nie 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 jed-

nak 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 atrakcyj-

n¹ 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 ³¹cz-

nej 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

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 ziem-

nego) i tak, np. w Niemczech w 1995 r. 86% systemów skojarzonych zasilanych by³o gazem, a tylko 12% olejem napê-

dowym. Jednostkowy koszt inwestycyjny bloku pr¹dowo-grzewczego, w zale¿noœci od wyposa¿enia, szacuje siê

w Niemczech na 1000 – 2000DM/kWel.

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 wykorzy-

stanie 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 do-

mowej lub zamra¿arce) umo¿liwiaj¹ wykorzystanie ciep³a o niskiej temperaturze (praktycznie bezu¿ytecznego) do wy-

twarzania 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 doprowadze-

nia do pompy ciep³a energii napêdowej. Mo¿e to byæ energia elektryczna, mechaniczna lub energia chemiczna zawar-

ta w paliwie pierwotnym (np. gazie ziemnym), przy czym rodzaj energii napêdowej zale¿y od konstrukcji i systemu pom-

py ciep³a.

2.1. Zasada dzia³ania pomp ciep³a

W pompie ciep³a zachodzi proces podnoszenia potencja³u cieplnego, tj. proces pobierania ciep³a ze Ÿród³a o tempera-

turze ni¿szej To i przekazywania go do Ÿród³a o temperaturze wy¿szej Tg (rys. 1). O efektywnoœci stosowania pompy
ciep³a decyduje jej jakoœæ energetyczna zdefiniowana jako stosunek skutku jej dzia³ania, tj. iloœci ciep³a uzyskanego

w skraplaczu Qg, 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 Perfor-

mance – COP (patrz rys. 1.)

Rys. 1. Zasada dzia³ania pompy ciep³a: a) pompa podnosz¹ca ciecz,

b) pompa ciep³a, c) spiêtrzenie temperatury czynnika.

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 ener-

gii napêdowej (wyra¿enie Qo/L we wzorze 2-1) jest tym wiêkszy, im temperatura To bli¿sza jest temperaturze Tg, to pom-
pa ciep³a jest tym bardziej efektywna, im mniejsze s¹ wymagania co do wartoœci temperatury Tg (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 górne-

go 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. ziem-

nym pokazano na rys. 3.

Rys. 2. Zasada dzia³ania ró¿nych systemów pomp ciep³a oraz ich porównanie z ch³odziark¹ i silnikiem cieplnym.

j =

+ = +

Rys. 3. Zasilanie gazem ziemnym ró¿nych systemów pomp ciep³a: Qw – ciep³o dostarczane do warnika, Q – ciep³o

u¿yteczne, Q0 – ciep³o pobrane z dolnego Ÿród³a.

3. Ogniwa paliwowe zasilane gazem ziemnym

Najnowszym osi¹gniêciem techniki s¹ urz¹dzenia do produkcji energii w skojarzeniu z wykorzystaniem ogniw paliwo-

wych.

Ogniwo paliwowe jest elektrochemicznym przetwornikiem energii chemicznej paliwa bezpoœrednio na energiê elektrycz-

na. 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 wêglo-

wodorowego, 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 sa-

mym 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 ziem-

ny 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 elek-

tronów 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 naj-

czystsze. Aspekty ochrony œrodowiska s¹ powa¿nym atutem w rozwoju technologii ogniw paliwowych. Obecnie, wyraŸ-

nie zarysowuj¹ siê dwa kierunki rozwoju technologii ogniw paliwowych: elektroenergetyka oraz transport. Nale¿y pod-

kreœliæ ¿e dotychczasowy rozwój technologii ogniw paliwowych w elektroenergetyce by³ stymulowany przede wszystkim

przez instytucje zwi¹zane z przemys³em gazowniczym.

Prac

Sprê¿arkowa
pompa
ciep³a

Absorpcyjna
pompa
ciep³a

Palnik
gazowy

mperatura

Silnik

gazowy

Rys. 4 Schemabudowy ogniwa

Rys. 5. Sprawnoœæ elektryczna ogniw

palowowego

paliwowych oraz innych technologii

podukcji energii elektrycznej

Ogniwa paliwowe charakteryzuj¹ siê wysok¹ sprawnoœci¹ ca³kowit¹ osi¹gan¹ bez dodatkowych strat zwi¹zanych z ko-

niecznoœci¹ 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. Roz-

wa¿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 œrodowi-

sku naturalnemu w wyniku redukcji ha³asu, zmniejszenia lub eliminacji gazowych substancji toksycznych i gazów cie-

plarnianych. Wysokoœæ emisji innych zanieczyszczeñ przedstawia tablica 3.

Tablica 3. Emisja zanieczyszczeñ w ogniwach paliwowych PAFC [1]

Rodzaj zanieczyszczenia Wielkoœæ emisji, g/m

Py³y brak Zwi¹zki siarki praktycznie brak Tlenki azotu < 5 mg/m

Tlenki

wêgla <15 mg/m

Wêglowodory < 10 mg/m

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 40 000h. Szacuje siê jednak, ¿e je¿eli koszt

instalacji obni¿y siê do poziomu 700÷900 $/kW, ogniwa stan¹ siê konkurencyjne dla innych technologii produkcji ener-

gii 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 Japane-

se Gas Utilities, 20th World Gas Conference, Kopenhaga, 1998

2. Rubik M., Pompy ciep³a, Poradnik, Oœrodek Informacji „Technika Instalacyjna w Budownictwie”, Warszawa, 1999

Rodzaj zanieczyszczenia

Wielkoœæ emisji, g/m

Py³y

brak

Zwi¹zki siarki

praktycznie brak

Tlenki azotu

<5 mg/m

Tlenki wêgla

<15 mg/m

Wêglowodory

<10 mg/m