Ekonomiczno-techniczne aspekty wykorzystania gazu w energetyce

Janusz Kotowicz

W1

Wydział Inżynierii i Ochrony ŚrodowiskaPolitechnika Częstochowska

Układ prezentacji wykładów W1,W2,W3

1. Wprowadzenie

2. Zasoby gazu ziemnego na świecie

3. Zużycie gazu ziemnego w Polsce

4. Gazownictwo w Polsce

5. Zalety paliwa gazowego

6. Przykładowe parametry gazu

7. Koszty paliwa gazowego

W1Podstawowe wielkości charakteryzujące

paliwa gazowe

Rodzaje i postaci energii

Energia pierwotna - energia chemiczna zawarta w paliwie w miejscu i stanie w jakim paliwo pierwotnie się znajdowało. Nośnikami energii pierwotnej są np. organiczne paliwa kopalne, paliwa jądrowe czy odnawialne źródła energii.

Energia finalna - ilość energii użytecznej uzyskana z paliwa po uwzględnieniu strat wynikających z konwersji, transportu etc. Nośnikami energii wtórnej są np. energia elektryczna, ciepło, koks, gazy opałowe, produkty przerobu ropy naftowej.

Rodzaje i postaci energii

Energia pierwotna: odnawialna i nieodnawialna.

Energetyczne zasoby odnawialne:

energia promieniowania słonecznego,

energia fal morskich i pływów oceanicznych,

energia biomasy,

energia wiatru,

energia związana z istnieniem gradientów temperatury w morzach i oceanach,

energia cieków wodnych,

energia geotermalna.

Rodzaje i postaci energii

Energetyczne zasoby nieodnawialne:

Paliwa organiczne: węgiel kamienny i brunatny, ropa naftowa, gaz ziemny, gaz syntezowy, torf, drewno, łupki bitumiczne,

Paliwa jądrowe rozszczepialne: uran, tor,

Paliwa jądrowe energii syntezy: deuter, lit, hel.

Ocena ilościowa zasobów

Jednostki masy (Mg, mn3),

tona paliwa umownego (tpu) – tona paliwa o wartości opałowej równej 7000 kcal/kg (dla oceny zasobów paliw stałych):

MWh 141,8J103076,29kg

kcal7000kg10 tpu1 93 =⋅=⋅=

tona oleju ekwiwalentnego (toe) (dla oceny zasobów paliw ciekłych):

GJ 41,86tpu4286,1 toe1 ==

przeliczeniowy metr sześcienny normalny (mn3):

MJ 34,33J 1033,34kcal 8200)(m 1 63n =⋅==p

Przedrostki do tworzenia nazw jednostek wtórnych

Jednostki wielokrotne

Przedrostek Skrót 10n

deka da 10hekto h 102

kilo k 103

mega M 106

giga G 109

tera T 1012

peta P 1015

eksa E 1018

Zużycie energii pierwotnej (2006)

Zużycie energii pierwotnej - Świat 2006 (13000 Mtoe)

11,1%

22,0%

6,7%

35,3%

22,2%2,3%

0,4%

węgielropa naftowagaz ziemnypaliwa jądrowebiomasawodnainna odnawialna

Zużycie energii pierwotnej - Polska 2006 (110 Mtoe)

0,01%0,6%0,0%

22,0%

12,0%

5,4%

60,0%

węgielropa naftowagaz ziemnypaliwa jądrowebiomasawodnainna odnawialna

Zużycie energii finalnej – Świat (2006)

13,6%

16,1%

11,0%

40,9%

14,3%

4,1%węgielropa naftowagaz ziemnyelektrycznośćbiomasa i odpadyinna odnawialna

Prognozy energetyczne

Zużycie energii pierwotnej na świecie

Prognozy energetyczne

Energia pierwotna, EJ Udziały, %Rodzaj energii pierwotnej

Wzrost zużycia2001 r. 2030 r. 2001 r. 2030 r.

Węgiel 98,6 151,0 1,53 23,4 22,1

Ropa naftowa 150,9 241,5 1,6 35,7 35,4

Gaz ziemny 87,3 176,0 2,01 20,7 25,8

Energia jądrowa 28,2 29,4 1,04 6,7 4,3

Energia wodna 9,6 15,3 1,59 2,2 2,2

Pozostałe OZE 47,8 69,2 1,48 11,3 10,2

Świat ogółem 423,3 682,4 1,61 100,0 100,0

Prognoza światowego zapotrzebowania energii i jego struktura w latach 2001 – 2030 w EJ (EJ = 1018 J)

Prognoza światowej produkcji energii elektrycznej

Energia elektryczna, TWh Udziały, %Energia pierwotna

Wzrost produkcji2001 r. 2030 r. 2001 r. 2030 r.

Węgiel 5989 11591 1,94 38,9 36,8

Paliwa ciekłe 1241 1326 1,07 8,1 4,2

Gaz ziemny 2676 9923 3,45 17,4 31,4

Wodór (ogniwa paliwowe)

0 349 - - 1,1

Paliwa jądrowe 2586 2697 1,04 16,8 8,6

Energia wodna 2650 4259 1,61 17,2 13,5

Pozostałe OZE 249 1381 5,55 1,6 4,4

Świat ogółem 15391 31524 2,05 100,0 100,0

Prognoza światowej produkcji energii elektrycznej według struktury rodzajów paliw w latach 2001 – 2030

Kluczowe dane dla polskiej energetyki (2004)

Zużycie energii

pierwotnej

Produkcja krajowa

Import netto

Końcowe zużycie energii

Produkcja energii

elektrycznejRodzaj energii

Mtoe TWh

Paliwa stałe 54,6 69,2 -14,6 11,3 141,6

Ropa naftowa 22,0 1,5 20,9 17,3 2,5

Gaz 11,9 3,9 8,1 8,3 5,0

Paliwa jądrowe

Elektryczność -0,8 8,6

Źródła odnawialne 4,3 4,3 3,9 3,1

Inne -0,3 0,5 7,5 1,9

Razem 92,5 79,5 13,6 56,9 154,2

Kluczowe wskaźniki dla polskiej energetyki (2004)

Wskaźnik Polska UE-27

Energia na mieszkańca (kgoe/cap) 2423 3689

Uzależnienie od importowanej energii (%) 14,7 50,1

Emisja CO2 (Mt) 292 4004

Intensywność CO2 (tCO2/toe) 3,2 2,2

CO2 na mieszkańca (kg/cap) 7652 8180

Podstawowe paliwa gazowe

Gaz ziemny wysokometanowy (najczęściej systemowy):- LNG (gaz ziemny płynny),- CNG (sprężony gaz ziemny),gaz ziemny zaazotowany,biogazy:- gaz z fermentacji biologicznej (np. z oczyszczalni ścieków),- gaz wysypiskowy,- gaz ze zgazowania biomasy (piroliza biomasy),gaz LPG (propan – butan),gaz z odmetanowania kopalń,gaz ze zgazowania węgla,wodór:- wysokotemperaturowe układy gazowe (układy przyszłościowe),- ogniwa paliwowe (niskotemperaturowe utlenianie wodoru),gaz koksowniczy,gazy przemysłowe (wielkopiecowy, konwertorowy itp.).

Podstawowe wielkości charakteryzujące paliwa gazowe

Parametry fizykochemiczne:skład (udziały objętościowe/molowe):

składniki palne: CH4, C2H6, CmHn, H2, COskładniki niepalne: N2, O2, CO2

wartość opałowa Wd jest to energia uzyskana ze spalenia jednostki masy lub jednostki objętości paliwa przy jego całkowitym i zupełnym spalaniu, przy założeniu, że para wodna zawarta w spalinach nie ulega skropleniu, wyrażana np. w MJ/kmol, MJ/mn3 (MJ/kg),gęstość w warunkach normalnych (0ºC, 1 atm) ρ, kg/m3,prędkość spalania (m/s), zależna od stosunku nadmiaru powietrza do spalania λ,

Podstawowe wielkości charakteryzujące paliwa gazowe

liczba metanowa LM - odporność paliwa na spalanie stukowe, im większa wartość liczby metanowej, tym większa odporność paliwa na spalanie stukowe.

CH4: LM = 100; H2: LM = 0,Wartość liczny metanowej odpowiada udziałowi objętościowemu metanu w mieszaninie metanu z wodorem. Przykładowo wartość LM = 90 (gaz ziemny) odpowiada odporności na spalanie stukowe mieszaniny o składzie objętościowym 90% metanu i 10% wodoru.

liczba Wobbego k wyraża strumień energii doprowadzonej do palnika bądź komory spalania za pomocą dyszy z odpowiedniąśrednicą otworu wylotowego. Jest to jeden z podstawowych parametrów określających możliwość zamiennego stosowanie różnych paliw gazowych. Zwykle urządzenia energetyczne mogą byćzasilane paliwami gazowymi o podobnej wartości liczby k.

3MJ/m np. ,

a

g

dWk

ρρ

=

Parametry ekonomiczne i eksploatacyjne gazów

Cena jednostkowa (PLN/GJ, PLN/mn3),

zużycie gazu (np. mn3/h),

maksymalne zużycie (np. mn3/h),

ciśnienie, (np. MPa),długotrwałość kontraktu,nierównomierność odbioru gazu,dopuszczalne zanieczyszczenie gazu,wysokość nakładów po stronie dostawcy gazu.

Parametry ekonomiczne i eksploatacyjne gazów

Paliwo gazowe Skład gazu%

Gęstośćnormalna

kg/m3

Wartośćopałowa

Wd,MJ/mn

3

Prędkośćspalania

m/s

Liczba metanowa

Wodór H2 = 100 0,0899 10,78 0,302 0

Tlenek węgla CO = 100 1,25 12,6 0,24 75

Metan CH4 = 100 0,717 35,89 0,041 100

Propan C2H6 = 100 2,03 93,60 0,045 33

Gaz ziemny wysokometanowy

np.: CH4 = 88,5C2H6 = 4,7C3H8 = 1,8N2 = 5,0

0,798 36,51 0,041 80

Gaz ziemny zaazotowany

np.: CH4 = 48,6C2H6 = 1,0 C3H8 = 0,4N2 = 50,0

0,995 18,42 0,025 101

Parametry ekonomiczne i eksploatacyjne c.d.

Paliwo gazowe Skład gazu%

Gęstośćnormalna

kg/m3

Wartośćopałowa

Wd,MJ/mn

3

Prędkośćspalania

m/s

Liczba metanowa

Biogaz np.: CH4 = 65,0CO2 = 35,0 1,158 23,41 0,027 135

Gaz wysypiskowy

np.: CH4 = 50,0CO2 = 40,0N2 = 10,0

1,274 17,64 0,020 150

Gaz syntezowy(drzewny)

np.: H2 =7,0CO = 17,0CnHm = 5,0CO2 = 15,0N2 = 56,0

1,258 4,96 0,015 brak danych

Gaz z odmetanowania kopalni

np.: CH4 = 51,0CO2 = 1,5N2 = 40,0O2 = 7,5

0,995 18,36 0,022 103