Artykuł opublikowany pod adresem:     http://gigawat.net.pl/article/articleprint/763/-1/66/

Proste i tanie lokalne elektrociepłownie...
Informacje Numery Numer 07/2006

Autor: prof. zw. dr hab. Włodzimierz Kotowski

Data publikacji: 02.06.2006 12:16

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 CO2: 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.

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:


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.

Zasadę działania ogniwa paliwowego ilustruje rys. 2. Istota jego jest podobna do akumulatora, przy czym pojedyncza celka, wg rys. 2, działa następująco: między siatkowymi elektrodami z platyny anody (-) i katody (+) 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 1999-2000“, 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.

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 500-650 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 m3 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: SO2, NOx, 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 NOx w spalinach dodaje się amoniak w części już do komory spalania, a resztę do spalin przed reaktorem katalitycznej przemiany NH3 i NOx 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.
Uzyskana ze spalania odpadów energia gorących spalin zostaje wykorzystana w kotle wodno-parowym, 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).

Największa tego typu elektrociepłownia, która przetwarza 600 000 ton/rok odpadów komunalnych, obejmująca cztery bloki, została kosztem 250 mln euro wybudowana w Magdeburgu-Rothensee.
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.

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.

Dokończenie znajdziesz w wydaniu papierowym. Zamów prenumeratę miesięcznika ENERGIA GIGAWAT w cenie 108 zł za cały rok, 54 zł - za pół roku lub 27 zł - za kwartał. Możesz skorzystać z formularza, który znajdziesz tutaj

Zamów prenumeratę




| Powrót |

Artykuł opublikowany pod adresem:     http://gigawat.net.pl/article/articleprint/763/-1/66/

Copyright (C) Gigawat Energia 2002