Maciej CHACZYKOWSKI, Marian RUBIK
Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji
Politechnika Warszawska
GAZOWE RÓDŁA CIEPŁA  WYKORZYSTANIE GAZU ZIEMNEGO W NOWOCZESNYCH
TECHNIKACH I TECHNOLOGIACH GRZEWCZYCH
Streszczenie
W artykule omówiono nowoczesne urządzenia grzewcze zasilane gazem ziemnym. Zwrócono uwagę na ekonomiczne
oraz ekologiczne aspekty stosowania gazu ziemnego na potrzeby ogrzewania na tle innych pierwotnych noS
ników ener-
gii. Omówione zostały trzy nowe techniki ogrzewcze, polegające na wytwarzaniu ciepła w skojarzeniu z wytwarzaniem
energii elektrycznej, zastosowaniu pomp ciepła zasilanych gazem ziemnym oraz zastosowaniu ogniw paliwowych zasi-
lanych gazem ziemnym.
Wstęp
ródłem największych zanieczyszczeń S
rodowiska sa procesy konwersji energii, w wyniku których powstają odpady za-
nieczyszczające powietrze, glebę oraz wodę. Szczególnie niebezpieczne są, obecnie najbardziej rozpowszechnione,
procesy spalania paliw, przy czym produkty spalania emitowane do ekosfery są przyczynami niodwracalnych zmian kli-
matycznych i przyrodniczych oraz strat gospodarczych. Z tych powodów podejmowane są różne działania zarówno
prawne, jak i techniczne zmierzające do zmniejszenia zużycia paliw pierwotnych i ograniczenia emisji do otoczenia pro-
duktów spalania. W tzw. sektorze bytowo-komunalnycm (gospodarstwa domowe) główne sposoby zmniejszenia zuży-
cia paliwa i ograniczenia emisji zanieczyszczeń do otoczenia to:
" racjonalizacja wytwarzania i użytkowania ciepła,
" spalanie w piecach i kotłach paliwa, do którego przystosowane są paleniska tych urzadzeń grzewczych,
" substytucja paliw, tj. zastępowanie paliw stałych (węgla, koksu) paliwami mniej obciążającymi S
rodowisko natu-
ralne,
" wprowadzenie nowych technik i technologii grzewczych,
" wykorzystanie niekonwencjonalnych, najczeS
ciej odnawialnych x
ródeł ciepła.
Obecnie najczęsciej stosowanym sposobem ograniczania tzw. niskiej emisji, której x
ródła stanowią domowe urządzenia
grzewcze (kotły, podgrzewacze wody itp.) jest zastępowanie paliw stałych  paliwami węglowodorowymi, a głównie ga-
zem ziemnym.
Gaz ziemny, w porównaniu z innymi pierwotnymi noS
nikami energii, ma następujące zalety:
" proces spalania tego paliwa charakteryzuje wysoka jakoS
ć i sprawnoS
ć przy małej emisji zanieczyszczeń,
" łatwoS
ć automatyzacji procesu spalania,
" palniki gazowe są stosunkowo proste konstrukcyjnie i łatwe w obsłudze,
" nie występuje koniecznoS
ć magazynowania paliwa przez użytkownika.
Dodatkową zaletą gazu ziemnego jako noS
cnika energii jest względnie niska cena otrzymywanego ciepła. W tablicy 1 po-
dano jednostkowe koszty wytwarzania ciepła przy użyciu różnych noS
ników energii (poziom cen  koniec 2000 roku)
Te zalety gazu spowodowały wzrost zużycia w gospodarce S
wiatowej, a także w Polsce. Obecnie zużycie gazu ziemnego
w Polsce wynosi ok. 11 mld m3/a, co stanowi niewiele ponad 9 % całkowitego zużycia pierwotnych noS
ników energii. Zu-
życie to stawia nasz kraj na dalekim miejscu w gospodarce S
wiatowej (23 %), a także za krajami Unii Europejskiej (20%).
W wyniku inwestycji w przemyS
le gazowniczym, długoS
ć sieci przesyłowej przekroczyła w Polsce 17 tys. km, a rozdziel-
czej 80 tys km. Ponadto powiększono czynną pojemnoS
ć podziemnych magazynów do prawie 1 mld m3, co znacznie
poprawiło możliwoS
ci pokrywania krótkookresowych szczytowych zapotrzebowań na to paliwo.
53
NoS
nik energii R
rednioroczna sprawnoS
ć Jednostkowy koszt ciepła,
wytwarzania. % gr/MJ
Koks 60 2.66
Węgiel kamienny 55 2.87
Gaz ziemny GZ50 93 2.08
Propan-butan 93 2.91
Olej opałowy 90 5.1
Energia elektryczna 100 8.33
Tablica 1. Jednostkowe koszty wytwarzania ciepła przy użyciu różnych noS
ników energii (poziom cen  koniec 2000 r.)
Interesująca jest struktura odbiorców gazów w Polsce (tab. 2). Z tablicy 2 wynika, że gospodarstwa domowe są drugim
co do wielkoS
ci (po przemyS
le) odbiorcą gazu ziemnego, co stwarza dobre perspektywy dla producentów gazowych
urządzeń grzewczych (kotłów i gazowych podgrzewaczy wodu).
Rodzaj odbiorcy Gaz ziemny wysokometanowy Gaz ziemny zaazotowany
TJ % TJ %
Przemysł 177218 50,8 16309 50,8
Transport 639 0,2 168 0,5
Budownictwo 452 0,2 28 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
Tablica 2. Struktura krajowych odbiorców gazu ziemnego w 1999 r.
W najbardziej rozpowszechnionych gazowych urządzeniach grzewczych zmiana energii chemicznej paliwa na ciepło na-
stępuje w wyniku procesu spalania.
Dążeniem konstruktorów tych urządzeń jest maksymalizacja stopnia wykorzystania tej energii i to nie tylko w odniesie-
niu do wartoS
ci opałowej, lecz również ciepła spalania paliwa. RównoczeS
nie dążą oni do minimalizacji emisji szkodli-
wych produktów spalania: tlenków azotu, tlenku węgla i sadzy.
Oprócz tradycyjnych technik ogrzewczych polegających na spalaniu gazu w wymiennikach ciepła rozwijane są również
nowe techniki, o o znacznie wyższym stopniu rozwoju technologicznego:
" wytwarzanie ciepła w skojarzeniu z wytwarzaniem energii elektrycznej,
" pompy ciepła zasilane gazem ziemnym,
" ogniwa paliwowe zasilane gazem ziemnym.
1. Skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej
z wykorzystaniem gazu ziemnego
Skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej jest technologią stosowaną dotychczas w warunkach polskich za-
zwyczaj w dużych układach elektrociepłowni parowych zasilanych węglem kamiennym. DziS
staje się przedmiotem za-
interesowania szerokiej grupy odbiorców oraz producentów ciepła i energii elektrycznej. Stało się tak za sprawą znacz-
nego postępu w budowie turbin gazowych i tłokowych silników spalinowych na paliwa gazowe, zwłaszcza w odniesie-
niu do urządzeń małych i S
rednich mocy.
Wykorzystanie gazowego silnika tłokowego do produkcji energii elektrycznej i ciepła jest jednym najczęstszych przypad-
ków wykorzystania tego urządzenia w układach kogeneracyjnych. W projektach realizowanych na S
wiecie można zaob-
serwować różne warianty kojarzenia obiegów cieplnych w zależnoS
ci od wymaganego efektu użytecznego. Najbardziej
popularne z nich to [4]:
" połączenie silnika z pompą ciepła dające w efekcie wysokosprawny układ grzewczy, przy czym pompa może być
napędzana bezpoS
rednio przez silnik bądx
też urządzenia te mogą być od siebie oddalone, a pompa zasilana
jest generowaną energią elektryczną;
54
" wykorzystanie silnika do bezpoS
redniego napędu sprężarek lub układów ziębniczych przy odzysku ciepła na po-
trzeby procesu ogrzewania;
" produkcja energii elektrycznej i wykorzystanie ciepła odpadowego z silnika w układach klimatyzacji z chłodziar-
ką absorpcyjną;
" produkcja energii elektrycznej i wykorzystanie ciepła odpadowego z silnika w procesach suszenia.
Podstawową korzyS
cią dla użytkowników energii produkowanej na potrzeby lokalne, w skojarzeniu jest znaczne obniże-
nie jej kosztów oraz niższe koszty inwestycji związanych z wytwarzaniem energii elektrycznej. Skojarzenie wytwarzania
ciepła i energii elektrycznej jest możliwe tylko wtedy, gdy istnieje zapotrzebowanie na oba rodzaje energii. Istnieje jed-
nak kilka warunków ograniczających zastosowanie układów skojarzonych, takich jak jednoczesne zapotrzebowanie na
oba noS
niki energii, system taryf, niezawodnoS
ć i dostępnoS
ć urządzeń, uregulowania ekologiczne oraz przewidywane
koszty inwestycyjne. Należy podkreS
lić, że skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej jest technologią atrakcyj-
ną z ekonomicznego punktu jedynie w przypadku odpowiedniej struktury cen energii elektrycznej, ciepła i paliwa.
Modułowe urządzenia zasilane gazem ziemnym do produkcji energii w skojarzeniu są coraz powszechniej stosowane
w Europie Zachodniej. W ostatnich latach w Niemczech zbudowano ponad 1800 modułów prądowo-grzewczych o łącz-
nej mocy prawie 1000 MW, przy czym więcej niż połowa jednostek ma moc elektryczna przekraczającą 300 kW.
Proces wytwarzania ciepła oraz energii elektrycznej w skojarzeniu w przypadku układów małej mocy jest najbardziej
efektywny w przypadku sprzężenia silnika zasilanego gazem (lub olejem napędowym) z generatorem prądu. Generator
zamienia energię mechaniczną na energię elektryczna, a ciepło pozyskiwane jest do celów grzewczych lub produkcji
ciepłej wody użytkowej (ciepło pochodzi z układu chłodzenia silnika, obiegu oleju oraz
spalin). Dla większych mocy stosowane są turbiny gazowe.
W Europie Zachodniej utrzymuje się tendencja do coraz powszechniejszego stosowania gazu (szczególnie gazu ziem-
nego) i tak, np. w Niemczech w 1995 r. 86% systemów skojarzonych zasilanych było gazem, a tylko 12% olejem napę-
dowym. Jednostkowy koszt inwestycyjny bloku prądowo-grzewczego, w zależnoS
ci od wyposażenia, szacuje się
w Niemczech na 1000  2000DM/kWel.
2. Pompy ciepła zasilane gazem ziemnym
Wykorzystanie odnawialnych x
ródeł energii staje się coraz istotniejszym wymogiem współczesnej energetyki i ekologii.
Również w Polsce w ostatnich latach obserwuje się wzrost zainteresowania pompami ciepła, które umożliwiają wykorzy-
stanie ciepła niskotemperaturowego i odpadowego do ogrzewania, wentylacji i przygotowania c. w. u.
Dodatkową zaletą pomp ciepła jest możliwoS
ć ich wykorzystania do chłodzenia pomieszczeń w okresie letnim.
Pompy ciepła, w których realizowany jest obieg identyczny z obiegiem chłodniczym (zachodzącym np. w lodówce do-
mowej lub zamrażarce) umożliwiają wykorzystanie ciepła o niskiej temperaturze (praktycznie bezużytecznego) do wy-
twarzania ciepła o wyższej temperaturze, które można z kolei wykorzystać do ogrzewania i wentylacji pomieszczeń lub
przygotowania c. w. u. OczywiS
cie proces podnoszenia temperatury ciepła na poziom użyteczny wymaga doprowadze-
nia do pompy ciepła energii napędowej. Może to być energia elektryczna, mechaniczna lub energia chemiczna zawar-
ta w paliwie pierwotnym (np. gazie ziemnym), przy czym rodzaj energii napędowej zależy od konstrukcji i systemu pom-
py ciepła.
2.1. Zasada działania pomp ciepła
W pompie ciepła zachodzi proces podnoszenia potencjału cieplnego, tj. proces pobierania ciepła ze x
ródła o tempera-
turze niższej To i przekazywania go do x
ródła o temperaturze wyższej Tg (rys. 1). O efektywnoS
ci stosowania pompy
ciepła decyduje jej jakoS
ć energetyczna zdefiniowana jako stosunek skutku jej działania, tj. iloS
ci ciepła uzyskanego
w skraplaczu Qg, do nakładu, który trzeba ponieS
ć, aby ten skutek uzyskać, tj. do zużycia energii napędowej L. JakoS
ć
energetyczna pompy ciepła nazywana jest współczynnikiem wydajnoS
ci grzejnej (cieplnej) j lub Coefficient of Perfor-
mance  COP (patrz rys. 1.)
55
Rys. 1. Zasada działania pompy ciepła: a) pompa podnosząca ciecz,
b) pompa ciepła, c) spiętrzenie temperatury czynnika.
Qg Qo + L Qo
j= = = 1+
L L L
WartoS
ć współczynnika wydajnoS
ci grzejnej pompy ciepła zależy głównie od wymaganej temperatury zasilania górnego
x
ródła (odbiornika ciepła  instalacji c. o., c. w. u. itp.) oraz temperatury dolnego x
ródła, z którego pobierane jest ciepło
niskotemperaturowe. Ponieważ stosunek ciepła przejętego z otoczenia do ciepła powstającego z przekształcenia ener-
gii napędowej (wyrażenie Qo/L we wzorze 2-1) jest tym większy, im temperatura To bliższa jest temperaturze Tg, to pom-
pa ciepła jest tym bardziej efektywna, im mniejsze są wymagania co do wartoS
ci temperatury Tg (odbiorników ciepła
użytkowego  instalacji c. o. i c. w. u.). Jak wiadomo, prawie wszystkie potrzeby bytowe człowieka i wielu technologii
przemysłowych znajdują się w pobliżu poziomu temperatury otoczenia; sprawia to, że zakres możliwych zastosowań
pomp ciepła jest bardzo szeroki.
Podstawowe zadanie pompy ciepła, tj. przenoszenie ciepła ze x
ródła dolnego o niższej temperaturze do x
ródła górne-
go o wyższej temperaturze (patrz rys. 1) może być urzeczywistnione różnymi sposobami (rys. 2). Obecnie najczęS
ciej
w praktyce wykorzystywany jest do tego celu lewobieżny obieg parowy (identyczny z obciążeniem chłodziarki parowej,
lecz realizowany w innym przedziale temperatury). Przykłady zasilania różnych systemów pomp ciepła gazem, np. ziem-
nym pokazano na rys. 3.
Rys. 2. Zasada działania różnych systemów pomp ciepła oraz ich porównanie z chłodziarką i silnikiem cieplnym.
56
Palnik
T
gazowy
Q
Q
Q
Praca
Silnik
gazowy
Q
Q
0
Sprężarkowa Absorpcyjna
pompa pompa
ciepła ciepła
Rys. 3. Zasilanie gazem ziemnym różnych systemów pomp ciepła: Qw  ciepło dostarczane do warnika, Q  ciepło
użyteczne, Q0  ciepło pobrane z dolnego x
ródła.
3. Ogniwa paliwowe zasilane gazem ziemnym
Najnowszym osiągnięciem techniki są urządzenia do produkcji energii w skojarzeniu z wykorzystaniem ogniw paliwo-
wych.
Ogniwo paliwowe jest elektrochemicznym przetwornikiem energii chemicznej paliwa bezpoS
rednio na energię elektrycz-
na. W odniesieniu do baterii i akumulatorów ogniwo paliwowe nie ulega rozładowaniu, lecz funkcjonuje tak długo, jak
długo paliwo i utleniacz są doprowadzane do elektrod. Na elektrodach zachodzi reakcja katalityczna, w wyniku której
wytwarzany jest prąd elektryczny, woda i ciepło. Ten proces konwersji energii ma następujące zalety:
" dużą sprawnoS
ć energetyczną układu, która nie zależy od stopnia obciążenia,
" brak szkodliwych substancji odpadowych,
" nie występuje hałas,
" możliwoS
ć wykorzystania rónych rodzajów paliw węglowodorowych,
" szybka reakcja na zmienne zapotrzebowanie na energię.
Ogniwa paliwowe są zasilane gazem o dużej zawartoS
ci wodoru, który może być uzyskiwany z każdego paliwa węglo-
wodorowego, np. gazu ziemnego.
Protoplastą ogniwa paliwowego jest ogniwo galwaniczne Volty o konstrukcji znanej od prawie 200 lat. Podstawową róż-
nicą pomiędzy obydwoma ogniwami jest to, że reagenty w ogniwie paliwowym podawane są w sposób ciągły i tym sa-
mym w sposób ciągły zachodzi w nim konwersja energii chemicznej reagentów na energię elektryczną. Reagentami
(substratami) reakcji są: paliwo gazowe (czysty wodór, produkty konwersji gazu ziemnego, węglowodory  gaz ziem-
ny lub płynny, metanol) oraz utleniacz (czysty tlen lub tlen z powietrza).
Znane są cztery podstawowe typy ogniw paliwowych: ogniwo zasadowe (AFC), ogniwo kwasowo-fosforowe (PAFC),
ogniwo węglanowe (MCFC), ogniwo paliwowe z tlenkami w fazie stałej (SOFC).
W ogniwie reakcja utleniania paliwa została rozdzielona na dwa procesy elektrodowe, którym towarzyszy przepływ elek-
tronów od anody do katody. Proces elektrodowy zachodzi na granicy: przewodnik elektronowy i przewodnik jonowy
(metal, półprzewodnik  elektrolit).
Ponieważ zasada działania ogniwa paliwowego opiera się na reakcji chemicznej a nie na spalaniu, emisje z tego typu
systemu są znacznie mniejsze od emisji z konwencjonalnego systemu, wykorzystującego procesy spalania, nawet naj-
czystsze. Aspekty ochrony S
rodowiska są poważnym atutem w rozwoju technologii ogniw paliwowych. Obecnie, wyrax
-
nie zarysowują się dwa kierunki rozwoju technologii ogniw paliwowych: elektroenergetyka oraz transport. Należy pod-
kreS
lić że dotychczasowy rozwój technologii ogniw paliwowych w elektroenergetyce był stymulowany przede wszystkim
przez instytucje związane z przemysłem gazowniczym.
57
Temperatura
Rys. 4 Schemabudowy ogniwa Rys. 5. SprawnoS
ć elektryczna ogniw
palowowego paliwowych oraz innych technologii
podukcji energii elektrycznej
Ogniwa paliwowe charakteryzują się wysoką sprawnoS
cią całkowitą osiąganą bez dodatkowych strat związanych z ko-
niecznoS
cią transportu noS
ników energii (rys. 5). Wodór można uzyskać z różnych x
ródeł energii pierwotnej. Obecnie
wykorzystywane są gaz ziemny, ropa naftowa lub alkohole, jednak możliwe jest również stosowanie innych x
ródeł. Roz-
waża się wykorzystanie lokalnych x
ródeł energii, takich jak biogaz.
Podstawową zaletą ogniw paliwowych w stosunku do tradycyjnych metod wytwarzania energii jest wyższa sprawnoS
ć
całkowita oraz praktyczna eliminacja emisji toksycznych produktów spalania: tlenku węgla, dwutlenku siarki i tlenków
azotu. Wynika to z faktu, że substancje szkodliwe powstają tylko w procesie przygotowania paliwa zasilającego ogniwo.
Technologiczny wymóg odsiarczania paliwa eliminuje obecnoS
ć związków siarki a iloS
ć odpadowego dwutlenku węgla
jest S
rednio o 30% niższa niż w przypadku maszyn cieplnych. IloS
ć dwutlenku węgla na jednostkę wyprodukowanej
energii w porównaniu z tradycyjnymi technologiami jest najniższa i wynosi około 620g/kWh.
Ogniwa paliwowe dają możliwoS
ć wytwarzania energii elektrycznej w sposób wydajny, bezpieczny i przyjazny S
rodowi-
sku naturalnemu w wyniku redukcji hałasu, zmniejszenia lub eliminacji gazowych substancji toksycznych i gazów cie-
plarnianych. WysokoS
ć emisji innych zanieczyszczeń przedstawia tablica 3.
Rodzaj zanieczyszczenia WielkoS
ć emisji, g/m3
Pyły brak
Związki siarki praktycznie brak
Tlenki azotu <5 mg/m3
Tlenki węgla <15 mg/m3
Węglowodory <10 mg/m3
Tablica 3. Emisja zanieczyszczeń w ogniwach paliwowych PAFC [1]
Rodzaj zanieczyszczenia WielkoS
ć emisji, g/m3 Pyły brak Związki siarki praktycznie brak Tlenki azotu < 5 mg/m3 Tlenki
węgla <15 mg/m3 Węglowodory < 10 mg/m3
Niewątpliwą zaletą ogniw paliwowych jest ich modułowa konstrukcja i szybka zdolnoS
ć reagowania na zmienne obcią-
żenie. Wadą ogniw jest obecnie wysoka cena i czas pracy nie przekraczający 40 000h. Szacuje się jednak, że jeżeli koszt
instalacji obniży się do poziomu 700�900 $/kW, ogniwa staną się konkurencyjne dla innych technologii produkcji ener-
gii elektrycznej, przy czym istotną rolę odegra czysty ekologicznie sposób produkcji. W tablicy 3-6 zestawione zostały
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 ciepła, Poradnik, OS
rodek Informacji  Technika Instalacyjna w Budownictwie , Warszawa, 1999
58
3. Rubik M., Wykorzystanie systemów gazowniczych do zasilania urządzeń chłodniczych, Gazterm, Międzyzdroje, 1999
4. Skorek J., Kalina J., Skojarzone wytwarzanie ciepła grzejnego i energii elektrycznej w zasilanych gazem ziemnym urzą-
dzeniach  małej energetyki , Nowoczesne Gazownictwo 1/1999
5. Warowny W., Zastosowanie ogniw paliwowych, Gazterm, Międzyzdroje, 1999
59