ZESZYTY NAUKOWE PO LITECH NIKI ŚLĄ SKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 125
1995 N r kol. 1280
ECdward KOSTOWSKI
P ’olitechnika Śląska, In sty tu t Techniki Cieplnej
PRZEGLĄD ZAGADNIEŃ ENERGETYCZNYCH CIEPŁOWNICTWA
S tr e sz c z e n ie . Dokonano przeglądu problemów energetycznych cie
płownictwa, zwłaszcza dotyczących wpływu doboru paliw n a ich zużycie oraz obciążenie środow iska. Podkreślono pew ne specyficzne cechy cie
płownictwa w województwie katow ickim .
REVIEW OF THE ENERGY PR O BLEM S IN DISTRIC T HEATING S u m m ary. A review of energy problem s in th e d istrict heating, especially of th e influence of fuel choice on th e energy consum ption and their costs as well on th e environm ent pollution is presented. In th e Katowice region th ey are im p o rta n t th is problem s, w hich w ith th e coal m ining are connected, for exam ple th e u sin g of Coal Bed M ethane as well th e local w aste h e a t utilization.
U E B E R SIC H T D E R EN ER G ETISC H EN PROBLEM E VON FE R N H EIZ U N G
Z u sa m m en fa ssu n g . Eine ku rze U ebersicht von energetischen Problem e der F ernw ärm eheizung w urde dargestellt. Sehr w ichtig sind die m it dem B rennstoffausw ahl verbundene, welche sowie die Oekonomie der H eizung wie auch die U m w eltbelastung beeinflussen.
Im Katowice Region soll m an auch diese, welche im Zusam m enhang m it der K ohlenförderung au ftreten , genau betrach ten.
1. ’WSTĘP
(Ogrzewanie m ieszkań, obiektów przem ysłow ych i użyteczności publicznej, w ttym pow ietrza wentylacyjnego, a również przygotow anie ciepłej wody użyt
kow ej jest jednym z głównych konsum entów energii pierw otnej. Ocenia się, że w sskali k raju zużycie to wynosi ok. 1200 P J/a, co stanow i w przybliżeniu 40%
zapotrzebow ania n a energię fin aln ą [1, 2]. Z podanej wielkości blisko połowa
(500 600 PJ/a) je s t dostarczane przez system y ciepłownicze, o różnej wielko
ści i stru k tu rz e , a więc centralnie, re sz ta pochodzi z kotłowni blokowych, obsługujących domy jednorodzinne, indyw idualnych pieców lub naw et kuchni węglowych. W ciepłownictwie i przem yśle znajduje się łącznie około 37000 kotłów o mocach od 0,5 do 120 MW (z tego ok. 22000 o znacznym stopniu zużycia i obniżonych spraw nościach) [1, 2], W roku 1990 ok. 5,3 m in mieszkań (74% ich ogólnej liczby w m iastach) miało in stalację centralnego ogrzewania, z czego ok. 3 m in z m iejskich systemów ciepłowniczych. Równocześnie w budownictwie indyw idualnym , które stanow i około połowy całego budownic
tw a, w przybliżeniu rejestrow ano:
— 9,0 m in pieców grzewczych ceram icznych i metalowych,
— 6,6 m in kuchni węglowych (sprawność rzęd u 10 •+• 20% [2]),
— 1,43 m in kotłów małej mocy n a paliwo stałe.
Sprawność tych urząd zeń grzewczych szacuje się n a poziomie 30 -s- 50%, jej podniesienie je s t jed n ą z większych potencjalnych rezerw w zużyciu paliw.
Województwo katow ickie (2,1% powierzchni k raju oraz ok. 4 m in mieszkań
ców) to w przybliżeniu 10% krajowego potencjału ciepłownictwa. Stwierdza się tu ta j pełn ą różnorodność zabudowy, cechą wyróżniającą je s t jed n ak kon
centracja przem ysłu, w tym zwłaszcza obecność górnictw a, co tworzy proble
my nie spotykane w innych regionach kraju . N iniejszy a rty k u ł (referat) ma ograniczony c h a ra k te r przeglądowy, poruszone zostaną w nim tylko wybrane problem y zw iązane z aktualnym stan em oraz prow adzoną przebudow ą stru
k tu ra ln ą i m odernizacją techniczną i technologiczną ciepłownictwa.
Zm niejszenie zużycia energii osiąga się we w szystkich ogniwach łańcucha ciepłowniczego, począwszy od rodzaju paliw a, n a lepszym izolowaniu domów kończąc. Po stronie źródeł popraw ienie spraw ności osiąga się np. zastępując m ałe piece węglowe kotłam i blokowymi lub piecam i gazowymi, przez zastoso
w anie ciepłowni, wreszcie przez skojarzoną produkcję ciepła grzejnego i ener
gii elektrycznej, czego u zasadniać tu ta j nie trzeba. Dotychczasowe rezultaty n iestety nie zawsze są zadowalające, np. w ostatn ich latach rozwój potencjału ciepłowniczego w Polsce odbywał się głównie przez rozbudowę kotłów wod
nych, w związku z czym udział ciepła wytworzonego w skojarzeniu zm alał [1], Tym czasem w wielu k rajach europejskich obserwuje się rozwój tej formy zaopatrzćnia w ciepło grzejne.
In n a efektyw na droga to zastąpienie węgla kam iennego przez gaz ziemny.
J e s t ona oczywista w rozproszonym budownictwie indyw idualnym , ale obec
nie coraz w yraźniejsza je s t możliwość stosow ania układów skojarzonych z tu rb in ą gazową, co pod względem energetycznym je s t znacznie bardziej korzy
stne [3]. W polskim ciepłownictwie, a zwłaszcza w regionie przemysłowym G O P -u dom inuje jed n a k węgiel kam ienny; od niego wypada rozpocząć niniej
szy przegląd.
Przegląd zagadnień energetycznych ciepłownictwa 207
Węgiel k am ienny stw arza różne problem y nie tylko jako paliwo; niektóre z nich m ają c h a ra k te r sprzężony. Przybliżony rejestr, w którym każdy tem a t można obszernie przedstaw ić osobno, zapisano poniżej:
a) kopalniane kotłownie lub elektrociepłownie jako lokalne źródła ciepła, b) spalanie węgla i em isja szkodliwych produktów spalania,
c) spalanie gazu zaazotowanego oraz koksowniczego w kopalnianych kotłow
niach,
d) pozyskiwanie gazu ziemnego zaazotowanego,
e) zapotrzebowanie ciepła do podgrzew ania pow ietrza wentylacyjnego (szcze
gólnie w kopalniach gazowych rejonu Jastrzęb ia), f) odsalanie wód kopalnianych,
g) produkcja koksu opałowego lub paliw a bezdymnego,
h) budownictwo ciepłowni lub elektrociepłowni oraz sieci ciepłowniczej w w arun k ach szkód górniczych.
2. PALIWA W CIEPŁOW NICTW IE
W skali k raju , a również w regionie, głównym paliw em je s t węgiel k am ien
ny. W województwie katow ickim zużywa się go ok. 10 m in t/a; spalanie takiej ilości węgla powoduje obciążenie środow iska ponad 2 m in ton odpadów s ta łych, ok. 200 tys. t pyłu i tyleż ton S 0 2 w ciągu roku. Znaczna liczba pieców je s t ponadto źródłem tzw. niskiej emisji, w tym szkodliwych węglowodo
rów [4]. O stosow aniu węgla decyduje jego dostępność i cena. Dla danych z końca roku 1994 cena jedn o stki energii chemicznej wynosiła:
— dla m iału węglowego - ok. 40000 zł/GJ,
— dla sortym entów grubych - ok. 60000 zł/GJ,
— m uł lub p rz e ro s ty - kosztują jeszcze - ok. 30000 -s- 35000 zł/GJ.
Dla porów nania, dla innych paliw cena (w zł/GJ) wynosi w przybliżeniu:
— koks opałowy (ok. 11% p, 9% w) - 83000 (loco koksownia),
— gaz ziem ny (ok. 35,5 M J/m n3 ) - 113000 (4000 zł/mn3 ),
— olej opałowy lekki (0,8% S) — 185000 (ok. 6700 zł/l),
— en. elektryczna „nocna” — 200000 (ok. 720 zł/kWh),
— en. elektr. dla odbiorców indywid. — 375000 (1350 zł/kWh).
Uw zględniając różną spraw ność pieców lub kotłów [5], m ożna orientacyjnie przyjąć n astępujący koszt k (w NZP/GJ) samego tylko paliw a (nośnika ener
gii) na jednostkę ciepła grzejnego:
— piece węglowe — k = ok. 20 (węgiel, r| = 30%),
— kotły indywid. małej mocy — k = 8 (m iał węglowy, p = 50%),
— kotły wodne w ciepłowni - k = 5 + 6 (miał, p = 70 +■ 80%),
— kotły opalane olejem - k = ok. 22 ( p = 85%),
— kotły gazowe — k = 14 -s-11,5 ( p = 80 100%),
— grzejniki elektryczne - k = 37,5 ( p = 100%), (ciepło z PEC-ów - ok. 15 NZP/GJ; NZP - nowy złoty polski) .
Oczywiście koszt paliw a stanow i tylko część kosztów całkowitych, ale już te w artości w skazują n a istniejące ograniczenia.
2.1. G az z iem n y
J e s t to obecnie najlepsze i stosunkowo niedrogie paliwo, ale cena gazu może ulegać różnym w ahaniom [6]. Gaz ziem ny pochodzi w ok. 60% z importu, w przyszłości przew iduje się dodatkowy im port z nowego gazociągu oraz pozy
skanie znacznych ilości tzw. „m etanu z pokładów w ęgla” [13]. Lokalnie pozy
skuje się też pewne ilości z odm etanow ania kopalń (gaz ten je s t prawie w całości spalan y w elektrociepłowniach lub kotłow niach kopalnianych); spoty
k a się też gaz ziem ny zaazotowany w innych regionach kraju. Bezpośrednie spalanie gazu ziemnego może znacznie obniżyć tzw. n isk ą emisję, zwłaszcza w rozproszonym budownictwie indyw idualnym lub w starym budownictwie w m iastach (ogrzewanie etażowe). N ajkorzystniejsze je s t jed n a k stosowanie te
go paliw a w układach skojarzonych z tu rb in ą gazową; możliwe są przy tym różne u kłady cieplne [3, 7]. Gaz ziem ny pozwala też zmniejszyć szkodliwy wpływ n a środowisko, w tym zm niejsza relatyw nie em isję C 0 2, co jest istotne ze względu n a efekt cieplarniany.
3. ZAGADNIENIA TECHNICZNE
3.1. S k o ja rzon a g o sp o d a r k a c ie p ln o -e n e r g e ty c z n a
Równoczesne w ytw arzanie energii elektrycznej i ciepła grzejnego jest pod
staw ow ą m etodą stosow aną w celu zm niejszenia zużycia paliw a dla potrzeb ciepłownictwa. P lany przew idują instalow anie w wielu elektrow niach turbin ciepłowniczych w miejsce dotychczasowych kondensacyjnych (np. bloki BC-100 w miejsce TK-50 lub Skoda-55); szczegółowy wykaz mogą przedstawić n a si koledzy z ENERGOPROJEKTów (Gliwice, Katowice). W iększym proble
mem je s t przystosow anie bloków 200 MW do pracy ciepłowniczej, częściowo już w drażane.
Oprócz kw estii ruchowych i finansowych bardzo w ażny je s t też fakt, że na każde 10 MW oddane do system u ciepłowniczego, moc elektryczna w zależno
ści od tem p e ra tu ry podgrzania wody sieciowej i sposobu poboru pary obniży się o 1 2,7 MW [8].
Z gospodarką skojarzoną ściśle są zw iązane p a ra m etry wody sieciowej.
Stosow ana w Polsce te m p e ra tu ra wody 150/70°C je s t zdecydowanie za wyso
ka. Postuluje się jej obniżenie (do poziomu 100/50°C, a naw et 90/40°C w system ach mniejszej mocy [2]), co w ydatnie popraw ia efekty energetyczne [2, 9],
Przegląd zagadnień energetycznych ciepłownictwa 209
W arto zwrócić uw agę n a to, że gospodarka skojarzona je s t rozw ijana w ta k ic h krajach ja k np. D ania i RFN, przy czym podstawowym paliwem jest w ęgiel (kam ienny i brunatny ), ale sp ala się również gaz ziemny, olej opałowy czy n a w e t śmieci. W wym ienionych k raja ch sprzyjają tem u jed n ak również u w a ru n k o w an ia p raw ne i finansow e [2].
Z a s to s o w a n ie p o m p y grzejn ej. Pod względem energetycznym je s t to przedsięw zięcie przew ażnie korzystne, ale n a przeszkodzie stoją głównie w zględy finansowe (tj. koszty instalacji pom py ciepła) [5]. W referacie [10]
a u to r sceptycznie oceniał szanse szerokiego stosow ania pomp ciepła; a k tu a l
nie je d n a k proponuje się np. uk ład o mocy cieplnej 125 MW dla Lublina [11], W ydaje się, że je s t to obecnie sposób o ograniczonym znaczeniu.
W y k o r z y sta n ie e n e r g ii o d p a d o w ej. W regionie górnośląskim istnieje w iele zakładów przem ysłow ych z różnego rodzaju urządzeniam i i in stalacja
mi, k tó re są źródłem ciepła odpadowego. Szczególnie dotyczy to pieców prze
mysłowych, gdzie do otoczenia oddaw ane są spaliny o wysokiej tem peraturze;
m ogą to być również np. ścieki wody technologicznej. Tę energię odpadową m o żn a niekiedy odzyskać niew ielkim kosztem ; u trudnieniem może być jej nierów nom ierne pow staw anie (wynikające z procesu technologicznego) oraz rozm ijanie się ch arak tery sty k zapotrzebow ania (na ciepło grzejne lub c.w.u.) i w y tw a rz an ia nośnika energii odpadowej. Paliwo pierw otne je s t w tedy oszczę
d zan e w źródłach ciepła grzejnego, co także zm niejsza obciążenie środowiska.
T en sposób tzw. terytorialnych układów odzyskiw ania energii odpadowej [14], m im o różnych trudności (zwłaszcza w podziale korzyści ekonomicznych), za
słu g uje n a uw ażne potraktow anie, szczególnie w województwie katowickim.
Z a s to s o w a n ie tu r b in g a z o w y c h . Dostępność gazu ziemnego jako paliw a oraz tu rb in gazowych o odpowiednio długim czasie pracy powoduje, że skoja
rzo n a gospodarka cieplna rozwija się nie tylko w oparciu o tu rb in ę przeciw- p rę ż n ą lub pompę ciepła, lecz również o te m aszyny. Sprawność obiegów z tu rb in ą gazową sięga 50% (przy w ytw arzan iu tylko energii elektrycznej);
zastosow anie obiegów parow o-gazow ych lub w ykorzystanie spalin wyloto
wych do produkcji ciepła grzejnego daje znaczne korzyści energetyczne w porów nan iu z typowymi uk ład am i parow ym i [3]. Obiegi tu rb in gazowych m ają ponadto znacznie niższe w skaźniki em isji produktów szkodliwych do otoczenia. Projekty zainstalow ania tu rb in gazowych w układach ciepłowni
czych są zaaw ansow ane; n iestety nie dotyczy to naszego regionu.
3.2. Z m n ie jsz e n ie e m isji p r o d u k tó w s z k o d liw y c h
Z agadnienie to je s t m .in. przedm iotem ekspertyzy PAN [12], gdzie wymie
n ia się cztery główne sposoby obniżania emisji. Stosuje się wszystkie możliwe m etody, a więc zam ianę paliw (np. gaz lub koks - zam iast węgla), paliw a niskosiarkow e, palniki niskoem isyjne, kotły fluidalne, odsiarczanie spalin.
Norm y ochrony środowiska, które będą obowiązywać od 1997 roku, wymusza
ją różne przedsięwzięcia. N ajtrudniej zapew ne będzie dotrzym ać warunków emisji tlenków azotu. Bardzo zaaw ansow ane są prace zw iązane z wdrożeniem kotłów fluidalnych ze złożem cyrkulacyjnym , które zapew niają dobre spalanie złych rodzajów węgla przy dotrzym aniu w ym agań ochrony środowiska; insta
lowane są również u kłady odsiarczania spalin.
4. TERMORENOWACJA BUDYNKÓW
Ogrzewane budynki (m ieszkalne, użyteczności publicznej lub obiekty prze
mysłowe) znajdują się n a drugim końcu w sto sunku do źródeł, ale to one oraz przebyw ający w nich ludzie d eterm in ują zapotrzebow anie. Przez wiele lat budowano rozrzutnie, w ym agany w spółczynnik p rzenik ania ciepła i inne kry
te ria uległy ostatnio w yraźnem u zaostrzeniu [19], Są więc budynki słabo zaizolowane, nadm iernie przeszklone, z w adam i budowlanymi, bardzo często z instalacjam i c.o. w złym stan ie technicznym . Popraw ienie ich standardu cieplnego, zwane term orenow acją, przynosi ok. 15% obniżenie zużycia ciepła grzejnego [20], Ocenia się jed n ak, że przy kompleksowym podejściu (m.in.
zastosow aniu właściwego opom iarowania, autom atyki i system u rozliczeń) efekt może być większy; jeżeli obejmie też w ym ianę okien, stacje wymienni
ków i sieć ciepłowniczą (rury preizolowane, niższe param etry) może sięgać ok.
25 -s- 30% dotychczasowego zużycia. O kolejności działań powinien decydować rach u n ek ekonomiczny [5], w tym n arzędzia i w skaźniki przyjmowane ze wzorów zachodnich (m etoda kosztów unikniętych, w artość bieżąca netto itp. - [15 ■+■18]). W ażną p rzesłank ą tych działań je s t fakt, że term orenow acja obniża zapotrzebow anie n a nośniki energii w długiej perspektyw ie czasowej.
4.1. S tru k tu ra o r g a n iza c y jn a c ie p ło w n ic tw a
W k ra ju m a miejsce ogólna reorganizacja s tru k tu r organizacyjnych cie
płownictwa. Polega ona n a likwidacji daw nych WPEC-ów (przedsiębiorstw państwowych) i tw orzeniu zakładów podporządkow anych gminom. Przeważ
nie pow stają spółki z o.o., często też zakłady budżetowe. Są to w ocenie autora jednostki zbyt słabe (zwłaszcza finansowo), aby były w stanie rozwiązywać kompleksowo, a przy tym optym alnie wym ienione problemy. Niewydolność s tru k tu r gm innych je s t szczególnie widoczna w województwie katowickim, gdzie n.b. zm iany przeprowadzono dotychczas tylko częściowo. Istnieje potrze
b a dyskusji, ja k przekształcić obecne stru k tu ry , aby z jednej strony usatysfa
kcjonować gm iny (oraz by były one pod k ontrolą samorządów), z drugiej zaś aby mogły one efektywnie rozwiązywać problem y ciepłownictwa, w tym ener
getyczne, których ograniczony przegląd przedstawiono w niniejszym referacie.
Przegląd zagadnień energetycznych ciepłownictwa 211
LITERATURA
[1] Kierunki rozwoju energetyki kompleksowej w Polsce do 2010 r. E ksper
tyza PAN. K om itet Problem ów E nergetyki, W arszaw a 1994.
[2] Mańkowski S.: K ierunki m odernizacji M iejskich Systemów Ciepłowni
czych. M ater. Konferencji: Ciepło i Środowisko, PZITS, W arszaw a 1995.
[3] Szargut J.: Efektywność energetyczna skojarzonego w ytw arzania ciepła i energii elektrycznej w zespole tu rb in y gazowej. Gospod. Paliw am i i Energią (1994), n r 11.
[4] Król A.: Zapotrzebow anie i pokrycie potrzeb cieplnych regionu katow ic
kiego. R eferat n a Sem inarium : Problem y ciepłownictwa regionu k ato wickiego; Kom isja E nergetyki Oddz. PAN i inni, E lektr. Rybnik 1988.
[5] Szargut J. (red.) i inni: Racjonalizacja użytkow ania energii w zakładach przemysłowych. Biblioteka Fundacji Poszanow ania Energii, W arszaw a
1994.
[6] Parczewski Z., B ojarski W.: W pływ zm ian kosztów wydobycia węgla kamienego i cen m iędzynarodowych paliw i energii n a przewidywane bilanse energetyczne Polski. Gospod. Paliw am i i E nergią (1994), n r 11.
[7] T urbina gazowa 50 MW, typ GT8. Inform acja techniczna ABB Zamech Ltd.
[8] Mierzejewski J., Zygm ański W.: W ybrane zagadnienia ciepłownictwa w regionie katow ickim . M ater. S em inarium - ja k poz. 4.
[9] Portacha J., Sm yk A.: Oszczędność paliw a przy w ytw arzaniu ciepła n a ogrzewanie i ciepłą wodę użytkow ą w gospodarce skojarzonej. Konferen
cja Problem y Badawcze E nergetyki Cieplnej, W arszaw a 1993.
[10] Kurpisz K.: Perspektyw y w ykorzystania pomp grzejnych w ciepłownic
twie. M ater. Sem inarium - ja k poz. 4.
[11] Juśko M., Kwiatkowski J.: Pom pa ciepła 125 MW - Lublin. Mater.
Konf. - ja k poz. 2.
[12] Spalanie Paliw ze szczególnym uw zględnieniem problemów ekologicz
nych. E kspertyza PAN. K om itet Term odynam iki i Spalania, W arszaw a 1992.
[13] M etan pokładów węgla. B iuletyn FEW E, n r 4, czerwiec 1993.
[14] Ziębik A., M ajza E.: T erytorialny u k ład odzyskiw ania energii odpadowej.
Archiwum Energetyki, n r 3 — 4, 1993.
[15] Balcerowski W.: Ekonom iczny i gospodarczy sens racjonalizacji użytko
w ania paliw i energii. M ater. Konf. - ja k poz. 2.
[16] Górzyński J.: Opłacalność term orenow acji budynków przemysłowych.
Gospod. Paliw am i i E nergią (1992), n r 5.
[17] Górzyński J.: M ateriały szkoleniowe do audytingu energetycznego w przem yśle. Fundacja Poszanow ania Energii, W arszaw a 1994.
[18] Doskonalenie energetyki cieplnej dla obniżenia energochłonności gospo
d ark i i ochrony środowiska. E ksp erty za PAN. K om itet Termodynamiki i S palania, W arszaw a 1991.
[19] Rabjasz R.: Term orenow acja i jej wpływ n a w ym iarow anie i eksploatację centralnego ogrzewania. M ater. Konf. - ja k poz. 2.
[20] Hopkowicz M., O karm us W., Pietrzyk Z.: Możliwość oszczędzania ener
gii w ogrzew aniu budynków wielorodzinnych. M ater. Konf. - ja k poz. 9.
[21] Folwarczny J.: W artość podstawowego sk ładn ika ceny ciepła grzewcze
go. Gospod. Pal. i E nergią (1993), n r 12.
Recenzent: D r hab. inż. M arian HOPKOWICZ
Wpłynęło do Redakcji 11. 04. 1995 r.
A b stra ct
H eating of houses and in d u stria l buildings is a g rea t consum er of the prim ary energy, i.e. various fuels. The h e a t dem and is in Poland total 1200 P J/a, i.e. about 40% of all used energy. U nfortunately the heat production is carried out in h e a t sources w ith a low efficiency. Im proving this processes m ay give a significant reduction of fuel consumption. From the other h an d sim ilar resu lts m ay be obtain by replacem ent of n a tu ra l gas (in the place of fine power coal or pea coal), however th e com parison of fuel prices show, th a t today th e fine coal is th e m ost economic fuel. O ther way to the reduction of fuel consum ption is th e combined production of electricity and h e a t in power stations. Sim ilar or b e tte r resu lts give th e combined electricity - h e a t production w ith usin g th e gas tu rb in e (for n a tu ra l gas). In the Katowice region is im p o rtan t a good connection betw een h e a t production and energy m anag em en t of th e coal m ines as well th e local w aste h e a t utilization. And la s t - th e therm orenovation (i.e. th e im provem ent of th e technical stand ard of existing buildings) give th e reduction of fuel consum ption too.
