Paliwa

"Zrobił wilk elektrownię, lecz by prąd uzyskać Spalał w niej cały węgiel z kopalni od liska Kopalnia z elektrowni cały prąd zżerała Stąd brak światła i węgla, ale SYSTEM DZIAŁA!"

To fraszka Andrzeja Waligórskiego, która stanie się mottem dzisiejszego wykładu o paliwach.

Być może nie wiemy o tym, albo nie chcemy wiedzieć, ale często w produkcji prądu lub ciepła, spotykamy się z tak żenująco niską sprawnością lub tak energochłonnym procesem, że znacznie korzystniej byłoby go zaniechać. Jako przykład bezsensowności spalania paliwa, w imię ochrony naszego środowiska i walki z globalnym ociepleniem (!!!) polecam załączony artykuł, w którym opisuję współspalanie biopaliwa w elektrowniach zawodowych w kotłach pyłowych („Współspalanie biomasy w elektrowniach. Zysk czy strata?”). Okazuje się, że sprawność wykorzystania energii ze spalonej biomasy w większości naszych elektrowni jest bliska zera i nikomu to nie przeszkadza…, bo „System działa!”; setki tysięcy ton (chyba już nawet miliony!!!) spalanej biomasy w elektrowniach jest bezpowrotnie marnowana… w imię głupiego prawa i braku poszanowania dla nas ludzi i naszego środowiska (odsyłam do artykułu). Po tak mocnym wstępie przyjrzyjmy się niektórym rodzajom paliwa spalanego w naszych źródłach ciepła. Zacznę od najbardziej popularnego „polskiego złota”, czyli:

Węgiel

Mamy różne gatunki węgla (miał energetyczny, groszek, eko-groszek, orzech, „flot”). Ostatnio bardzo popularnym paliwem stał się eko-groszek, który może być spalany w „bezobsługowych” kotłach węglowych retortowych. Kotły te nie wymagają prawie obsługi, gdyż należy tylko napełnić zbiornik paliwa (raz na kilka dni) i od czasu do czasu usunąć popiół z popielnika. Paliwo do takiego kotła (do retorty) podawane jest małymi porcjami przy pomocy ślimaków. Oczywiście jednostki większe (powyżej 100 kW) wymagają codziennej obsługi, ale i tak, w porównaniu z tradycyjnymi kotłami, czas pracy palacza ogranicza się do dwóch-trzech godzin na dobę. Parametry węgla mogą być bardzo różne. Określamy je zamawiając węgiel u dostawcy. Często parametry te podawane są na fakturach za węgiel.

Np. Orzech 26/08/06

Pierwszy człon (26) oznacza, że z naszego węgla możemy otrzymać 26 GJ energii z każdej tony. Ilość GJ w tonie opału, zwana wartością opałową, jest najważniejszym parametrem węgla i od tego parametru zależy w zasadzie cena tego węgla.

W polskich węglach wartość opałowa jest bardzo różna i wynosi od 21 GJ (kiepski miał energetyczny) do 29 GJ (antracyt).

Drugi parametr naszego węgla (08), to zawartość popiołu w %, czyli w naszym przypadku zawartość popiołu wyniesie 8%. W naszych węglach ta zawartość popiołu też jest zmienna i wynosi od kilku do kilkunastu %.

Ostatni człon (06) oznacza zawartość siarki w węglu…, ale uwaga, wartość ta podawana jest w dziesiętnych procenta, więc nasz węgiel ma 0,6% siarki. Zawartość siarki też będzie zmienna i wynosi od 0,4 do 1,2%.

Aby utrwalić sobie tą metodykę czytania faktur za węgiel spróbujmy ocenić, jakie będą średnie parametry spalanego opału dla kotłowni węglowej, która zużyła:

80 ton węgla o parametrach 24/10/06 i 60 ton węgla o parametrach 26/07/10.

Węgiel nie jest zbyt „ekologicznym” paliwem.

Średnio przy spaleniu 1 tony węgla emisja zanieczyszczeń wynosi:

• 300 kg popiołu
• 20 kg pyłu
• 35 kg SO2
• 6 kg NOx
• 2 tony CO2

Można zapytać, skąd 30% popiołu skoro zawartość popiołu w naszych węglach wynosi 5÷15%? Jest to wynik tzw. „niepełnego spalania…” po prostu, w normalnych warunkach eksploatacyjnych nie spalimy tak dokładnie węgla i ta pozostałość po „niepełnym spalaniu” pozostanie nam w popiele i żużlu.

Przy określaniu ceny węgla nie zapomnijcie o kosztach transportu i ewentualnych kosztów usunięcia popiołu lub opłat środowiskowych (jeżeli są).

Olej opałowy

Mamy różne oleje opałowe, które różnią się głównie gęstością. Najczęściej, w większości kotłowni, stosujemy olej opałowy lekki klasy L–1.

Podstawowe parametry takiego oleju:

• gęstość: 860 kg/m3
• wartość opałowa: 42,6 MJ/kg
• zawartość siarki: 0,2%

Cena oleju jest zmienna i niestety, w ostatnich latach, bardzo wzrosła. Obecnie wynosi ok. 2,70 zł/litr. Przy obliczaniu ceny za 1 GJ musimy, więc pamiętać, że wartość opałową oleju podajemy najczęściej w odniesieniu do jednego kilograma, natomiast cenę podajemy za 1 litr. Jeżeli o tym zapomnimy, to źle policzymy koszty energii… należy więc wartość opałową wynoszącą 42,6 MJ/kg pomnożyć przez gęstość 0,86 kg/m3 i dopiero wtedy możemy wyliczać ile kosztuje GJ:

Nie jest to tanie paliwo…

W dużych kotłowniach olejowych czasem stosujemy olej ciężki, z uwagi na niższą cenę. Wymaga on jednak specjalnych palników do spalania.

Gaz ziemny

Gaz ten jest lżejszy od powietrza.

Gęstość gazu GZ-50 wynosi: 0,78 kg/m³ (powietrze ok. 1,2 kg/m3)

Wartość opałowa > 31 MJ/m³

Ciepło spalania > 34 MJ/m³

W praktyce przyjmujemy, że wartość opałowa gazu ziemnego GZ-50 wynosi 35,5 MJ/m³. Przy dużych odbiorach gazu, czasami wartość ta podawana jest w fakturach, gdyż tak naprawdę płacić powinniśmy nie za m3 dostarczonego gazu, ale za ilość energii, którą ten 1 m3 gazu zawiera. Głównym składnikiem gazu jest metan CH4, który stanowi 90% składu.

Podałem dwie wielkości kaloryczności gazu: ciepło spalania i wartość opałowa. Aby zrozumieć, jaka jest różnica podam definicję tych pojęć:

Wartość opałowa to ilość ciepła uzyskana przy całkowitym i zupełnym spaleniu jednostki masy paliwa oraz ochłodzeniu produktów spalenia do temperatury początkowej bez uwzględniania ciepła skraplania pary wodnej zawartej w paliwie.

Ciepło spalania natomiast dodatkowo uwzględnia jeszcze ciepło zawarte w parze wodnej, która powstanie w trakcie spalania paliwa.

W technice przyzwyczailiśmy się do operowania wartością opałową, więc zakładamy, że nie wykorzystujemy ciepła zawartego w parze wodnej…, ale nie zawsze tak jest. Przykładem najlepszym to kotły kondensacyjne (gazowe lub olejowe), których sprawność przekracza 100%… dlaczego? Właśnie z powodu przyjętej metodyki określania sprawności źródeł ciepła odnoszącej się do wartości opałowej paliwa, a nie do jego ciepła spalania.

Kotły kondensacyjne, jak sama nazwa wskazuje, posiadają wymiennik kondensacyjny, w których spaliny schładzane są poniżej tzw. punktu rosy i, w którym następuje odbiór ciepła z pary zawartej w spalinach… para kondensuje do postaci cieczy i przy tej przemianie (tzw. przemiana fazowa…, czyli zamiana pary w wodę) wydzielane są bardzo duże ilości energii. Energia ta pochodzi z pary zawartej w paliwie i pary zawartej w powietrzu, które jest niezbędne w procesie spalania (w procesie spalania gazu teoretycznie na każdy 1 m3 spalonego gazu potrzebujemy, co najmniej 11 m3 powietrza, a w praktyce nawet więcej) Teoretycznie sprawność w odniesieniu do wartości opałowej paliwa, może być większa nawet o 11% (sprawności maksymalne niektórych kotłów kondensacyjnych gazowych wynoszą 104÷109%).

Nie dajcie się jednak zwieść tą z pozoru darmową energią… pomijając już nawet cenę takiego kotła, który wyposażony w wymiennik kondensacyjny (stal nierdzewna!!!) musi być droższy od zwykłego kotła, to dodatkowo musimy zapewnić schłodzenie naszych spalin poniżej punktu rosy… a to czasami jest trudne. Punkt rosy dla oleju opałowego wynosi 48°C, a dla gazu 58°C. Oznacza to, że spaliny w kotle kondensacyjnym olejowym musimy schłodzić poniżej 48, a w kotle gazowym poniżej 58°C, czyli czynnik, który schładza te spaliny (woda grzewcza) także musi mieć temperaturę niższą od tych punktów rosy. Z tego powodu, kotły kondensacyjne znakomicie sprawdzają się przy niskich temperaturach czynnika grzewczego… np. w ogrzewaniach podłogowych lub przy krzywych grzewczych niskotemperaturowych (np. 60/40°C lub niższych).

W Polsce nasze stare instalacje grzewcze pracują na krzywych grzewczych bardzo wysokich; najbardziej popularną jest krzywa grzewcza 90/70°C… no tak, ale nie wyjaśniłem przecież, co to jest krzywa grzewcza.

Temperatura wody grzewczej w naszych instalacjach zmienia się w zależności od temperatury zewnętrznej. Jest to tzw. „regulacja pogodowa”. Im niższa jest temperatura na zewnątrz (atmosferyczna), tym wyższa jest temperatura wody grzewczej. W kotłach lub węzłach cieplnych ważne są dwie temperatury tej wody: temperatura zasilania Θz i temperaturę powrotu Θp. Obie te temperatury zmieniają się wraz ze zmianą temperatury zewnętrznej. Przedstawię to na wykresie.

Przedstawiona krzywa oznaczona parametrem 90/70°C, oznacza, że przy temperaturze projektowej obliczeniowej (minus 20°C) na wyjściu (zasilaniu) z naszego kotła (węzła) woda grzewcza ma temperaturę 90°C, a na powrocie 70°C. Oczywiście wraz ze wzrostem temperatury zewnętrznej zmniejszać się będzie także temperatury zasilania i powrotu wody grzewczej… np. dla średniej sezonu wynoszącej 4°C, parametry wody grzewczej wyniosą ok. 50°C (zasilanie) i 42°C powrót. Krzywe grzewcze mogą być bardzo różne, od bardzo wysokich (np. w kotłach wysokoparametrowych zasilających miasta występuje najczęściej krzywa grzewcza 150/70°C), wysokich (90/70°C), poprzez średnie (70/55°C), do niskich (50/35°C). W niektórych ogrzewaniach temperatury wody grzewczej są bardzo niskie, np. w ogrzewaniach podłogowych możemy spotkać krzywe grzewcze 30/26°C.

Dla kotłów kondensacyjnych, im niższa jest krzywa grzewcza, tym lepiej, gdyż wtedy większa jest sprawność wymiennika kondensującego. Kotły te najlepiej sprawdzają się jako kotły podgrzewające ciepłą wodę użytkową (cwu), gdyż temperatura wody zimnej średnio wynosi 10°C, i tam kondensacja zachodzi bez przerwy. Wróćmy jednak do naszych paliw…, opiszę kolejny gaz tzw. płynny.

Gaz płynny

Gaz „płynny” (LPG)… nazwa potoczna gazu dostarczanego w stanie skroplonym, przechowywanego lub transportowanego w butlach. Jest to najczęściej ciekły propan lub propan-butan (ten ostatni to raczej tylko w kuchenkach gazowych). Gaz ten, w przeciwieństwie do gazu ziemnego, jest cięższy od powietrza (jego gęstość przekracza 1,6 kg/m3) i dlatego nie wolno umieszczać zbiorników w przestrzeniach zamkniętych (gaz ziemny jest lżejszy od powietrza i można go łatwo usunąć przez typowe kanały wentylacyjne, a z LPG już nie jest to tak proste); najczęściej zbiorniki te umieszczane są na zewnątrz pomieszczeń. Wartość opałowa gazu propanu wynosi 45,6 MJ/kg, a gęstość w stanie ciekłym ok. 0,495 kg/litr. Porównując wiec ceny paliw, musimy pamiętać o tym, za co płacimy: czy za kg, czy za litr… przeważnie za litr, więc znów (jak dla oleju) należy wartość opałową pomnożyć przez 0,495, aby otrzymać wartość opałową jednego litra gazu płynnego i dopiero teraz możemy go przeliczać na koszt 1 GJ.

Biopaliwo

W tym wypadku, możemy mówić o bardzo różnych paliwach i różnej wartości opałowej (od 8 do 18 GJ/Mg).

Wymienię najbardziej popularne biopaliwa:

• Pelet (zmielone trociny, poddane obróbce termicznej przy pomocy pary, tworzą małe walce – taki pocięty na kawałki ołówek)
• wierzba energetyczna
• słonecznik, malwa, trawa, słoma
• trociny, zrębki, ścinki drzew i odpady roślinne, drewno opałowe
• zboże (niestety! czasem nadprodukcja zboża powoduje, że opłaca się go spalić… kontrowersyjna to metoda wykorzystania)
• odpady organiczne przemysłowe
• odchody zwierząt
• i wiele innych

Popularne stają się także wszelkiego rodzaju biogazownie, które wykorzystują rośliny zielone, lub odpady (ścieki) bytowe przy produkcji biogazu. Taki „darmowy” biogaz może być produkowany np. w oczyszczalniach ścieków i wykorzystywany do produkcji prądu i ciepła, które to media wykorzystuje się w urządzeniach zainstalowanych w tych oczyszczalniach. Biogaz można także odzyskiwać ze składowisk odpadów (odwierty odgazowujące składowiska).

Energia odnawialna

Wspomnę tylko, o najważniejszych rodzajach energii, gdyż temu tematowi poświęcimy oddzielne wykłady.

• energia wiatru
• pompy ciepła
• wymienniki gruntowe
• energia geotermalna
• energia słoneczna
• energia wodna

Bardzo popularny temat na dziś i chętnie finansowany przez różnego rodzaju programy, oraz wspierany przez różne instytucje finansowe oraz przez odpowiednie rozwiązania prawne. Proponuję jednak, abyśmy do tych wszystkich „nowinek” podchodzili w sposób ostrożny… czasem, bowiem okazuje się, że takie wspieranie na siłę pewnych rozwiązań i technologii, przynosi bardzo mierne wyniki… a w niektórych przypadkach staje się nawet nieracjonalne.

Przykład? Pompa ciepła o współczynniku COP=3 (COP=3 oznacza, że z 1 kWh energii elektrycznej otrzymamy 3 kWh energii cieplnej).

Policzmy koszty produkcji takiej energii:

1 MWh prądu kosztuje 480 zł… z tej Megawatogodziny wyprodukujemy 3 MWh energii cieplnej…, czyli nasza MWh termiczna kosztuje 160 zł. W przeliczeniu na GJ daje to koszt

160/3,6) = 44 zł/GJ

Przy produkcji ciepła z gazu, koszt 1 GJ wyniesie ok. 49 zł (cena gazu 1,70 zł/m3, wartość opałowa 0,0355 GJ/m3 i sprawność kotła 98%… potraficie dojść do 48 zł/GJ?)…, mamy więc zysk 5 zł/GJ… To bardzo niewiele biorąc pod uwagę różnicę w kosztach inwestycyjnych, gdyż pompa ciepła to wydatek rzędu 40÷50 tys. zł, a kocioł gazowy ok. 10 razy mniej.

Liczymy zwrot nakładów:

Dla ogrzania domku jednorodzinnego o powierzchni 150 m² potrzebujemy ok. 0,4 GJ/m²/rok. Daje to wynik 60 GJ/rok. Jeżeli zaoszczędzimy 5 zł/GJ, to oznacza, że w ciągu roku nasz zysk wyniesie 300 zł…, czyli czas zwrotu inwestycji to ok. 150 lat. Ale to nie koniec naszych rozważań… do produkcji naszej energii cieplnej z pompy ciepła potrzebujemy prąd, który w Polsce jest produkowany głównie z węgla. Jeżeli porównamy współczynniki nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej to okazuje się, że taką energię musimy pomnożyć przez 3! Reasumując: wprawdzie 60 GJ energii cieplnej wyprodukujemy przy pomocy 20 GJ energii elektrycznej, ale dla energii pierwotnej efekt będzie żaden… znów mamy 60 GJ (bo tyle energii w paliwie zużyje elektrownia na wyprodukowanie naszych 20 GJ w „gniazdku”). Czy to oznacza, że mamy rezygnować z pomp ciepła?…, raczej nie, ale trzeba dostać dobre dofinansowanie (myślę, że minimum 50%) i stosować pompy o wyższym współczynniku COP (co najmniej 4). Pamiętajmy więc, aby przy podejmowaniu decyzji o wyborze naszego nośnika energii, kierować się nie tylko modą, czy „zachętami” prawno-finansowymi, ale także rachunkiem ekonomiczno-ekologicznym.