Elektrownie gazowe pomostem do energetyki przyszłości

Wobec przyjętego przez Unię Europejską kursu na docelową, całkowitą rezygnację z paliw kopalnych przyczyniających się do emisji dwutlenku węgla i innych substancji szkodliwych dla środowiska i klimatu, elektrownie na paliwo gazowe mają do wykonania ważne zadanie, będące już zapewne łabędzim śpiewem elektrowni cieplnych. Nowoczesne bloki opalane gazem ziemnym, korzystające z najczystszych i najbardziej sprawnych technologii generacyjnych, zapewnić mają stabilność pracy systemów elektroenergetycznych, w których ubywać będzie mocy ze stopniowo wyłączanych elektrowni klasycznych na rzecz rosnącego udziału odnawialnych źródeł energii (OZE) – elektrowni wiatrowych na morzu i lądzie oraz setek tysięcy prosumenckich instalacji fotowoltaicznych. Z dużą dozą prawdopodobieństwa można przypuszczać, że trzeba będzie jeszcze długo polegać na elektrowniach gazowych, aż do chwili, gdy stabilność i niezawodność zasilania energetyki bazującej na OZE wspomogą w dostatecznym stopniu przyszłościowe systemy magazynowania energii elektrycznej.

Fot. materiały prasowe Siemens Energy

Paliwo gazowe

Gaz ziemny powstał w wyniku fosylizacji mikroskopijnych roślin, które żyły w okresie karbońskim, około 300 milionów lat temu. Z biegiem czasu gaz migrował ze skał, w których powstał, gromadząc się w zbiornikach pod nieprzepuszczalnymi czapami skalnymi. Eksploatacja złóż gazu metodami tradycyjnymi sprowadza się do dowiercenia się do tychże naturalnych rezerwuarów w celu utorowania drogi dla gazu na powierzchnię ziemi. Nowoczesne technologie wydobywcze (w tym szczelinowanie hydrauliczne) pozwoliły w ostatnich dziesięcioleciach na rozpoczęcie eksploatacji złóż gazu uwięzionego w skałach o niskiej przepuszczalności – głównie w łupkach.

Podstawowym składnikiem gazu ziemnego, stanowiącym wagowo zwykle więcej niż 90%, jest metan (CH₄). Pozostała część to inne węglowodory: etan (C₂H₆), propan (C₃H₈) i butan (C₄H₁₀), a także dodatki związków organicznych i mineralnych. Spalanie gazu ziemnego w powietrzu atmosferycznym wiąże się ze znacznie mniejszą emisją CO₂ niż w przypadku spalania węgla (do 60%) czy też surowej ropy naftowej (do 30%) na jednostkę uzyskanej energii elektrycznej. Znacznie mniej powstaje też innych szkodliwych produktów spalania, takich jak dwutlenek siarki czy też tlenki azotu, zaś praktycznie do zera ograniczona jest emisja pyłów.

Wartość opałowa gazu ziemnego waha się od 19,8 MJ/kg (gaz ziemny zaazotowany) do 37,6 MJ/kg (gaz ziemny wysokometanowy). Jest to więcej niż w przypadku węgla kamiennego (od 20 do 30 MJ/kg), ale mniej niż w przypadku oleju opałowego (42 MJ/kg) oraz benzyny (47 MJ/kg) i znacznie mniej niż wodoru (120 MJ/kg) uważanego za paliwo przyszłości.

Największymi zasobami tego surowca dysponują: Federacja Rosyjska, a w dalszej kolejności Iran oraz kraje Zatoki Perskiej (Katar, Arabia Saudyjska i Zjednoczone Emiraty Arabskie), USA (w ostatnich latach pozycja dodatkowo wzmocniona przez wydobycie gazu łupkowego), Algieria, Wenezuela, Nigeria i Irak. W Europie największymi zasobami pochwalić się może Norwegia, wydobywająca gaz spod dna Morza Północnego.

Ceny gazu ziemnego na rynkach światowych w minionych dziesięcioleciach były niestabilne i gaz uważany był raczej za paliwo drogie, co więcej sprowadzane z niestabilnych politycznie rejonów świata. Szerokie wprowadzenie wydobycia gazu łupkowego w USA spowodowało spadek cen tego surowca energetycznego w Ameryce Północnej, a stopniowo także w innych częściach świata.

Polecamy:

Instalacja gazowa w budynku – przepisy

Gazociąg Strachocina–granica RP po odbiorze eksploatacyjnym

Nietypowe metody posadowienia rurociągów

Turbina z lotniczym rodowodem

Pierwszym wielkoskalowym zastosowaniem gazu ziemnego było oświetlenie miast latarniami gazowymi, co nastąpiło jeszcze w XIX w. Gaz jako paliwo wykorzystywany był również od dawna w elektrowniach. Na przykład już w sierpniu 1922 r. francuska Spółka Naftowa „Premier” uruchomiła w Borysławiu elektrownię przemysłową opalaną gazem, przeznaczoną wyłącznie na potrzeby własne związane z wydobyciem i przetwarzaniem ropy z tamtejszego zagłębia naftowego. Osiem lat później, w 1930 r. elektrownia Miejskich Zakładów Elektrycznych we Lwowie została przestawiona całkowicie na opalanie gazem ziemnym dostarczanym ułożonym nieco wcześniej gazociągiem z Daszawy do Lwowa. Wcześniej elektrownię tę opalano mazutem (tj. ciężkim olejem opałowym – do 1913 r.), a następnie węglem kamiennym przywożonym z Górnego Śląska. Przejście na paliwo gazowe spotkało się wówczas z dużym uznaniem władz miejskich i mieszkańców Lwowa, przyczyniając się do zmniejszenia zanieczyszczenia powietrza w mieście. Na szkodliwe oddziaływanie spalin z węgla były też narażone drzewa rzadkich gatunków rosnące we lwowskim Parku Stryjskim.

W elektrowniach z pierwszej połowy XX w., takich właśnie jak te w Borysławiu i Lwowie, spalanie gazu służyło podgrzewaniu kotłów wytwarzających gorącą parę pod wysokim ciśnieniem do napędzania dobrze już wówczas znanych turbin parowych – podobnie jak w przypadku zastosowania paliw takich jak węgiel czy też mazut. Wkrótce jednak pojawiło się nowe rozwiązanie techniczne – turbina gazowa. Już w 1903 r. norweski inżynier Ægidius Elling skonstruował pierwszą na świecie turbinę gazową o mocy zaledwie 8 kW (11 koni mechanicznych). Urządzenie to generowało więcej mocy, niż potrzebowało do zasilenia własnych elementów, w tym przede wszystkim sprężarki, co uznano wówczas za sukces. Kolejne lata przyniosły dalsze osiągnięcia w rozwoju turbin gazowych. W 1906 r. we Francji powstał silnik turbinowy Armengaud-Lemale z komorą spalania chłodzoną wodą, w 1910 r. turbina impulsowa Holzwartha osiągnęła moc 150 kW, zaś w 1913 r. Nikola Tesla opatentował turbinę wykorzystującą efekt warstwy przyściennej.

Jednak prawdziwy przełom w tej dziedzinie techniki przyniosła II wojna światowa i związany z nią żywiołowy rozwój technologii lotniczych, prowadzący ostatecznie do wyprodukowania silnika turbo-odrzutowego. W Wielkiej Brytanii powstanie tego nowatorskiego napędu umożliwiły prace Franka Whittle’a, który swój silnik turboodrzutowy opatentował w 1930 r., nie wzbudzając początkowo entuzjazmu Królewskich Sił Powietrznych. We wdrożeniu tego wynalazku do produkcji seryjnej skuteczniejsi okazali się Niemcy. Ich silniki Jumo 004 na ponad rok przed końcem wojny zastosowano do napędu myśliwca Messerschmitt Me 262, dziesiątkującego alianckie wyprawy bombowe.

W okresie powojennym coraz sprawniejsze turbiny gazowe stały się podstawą nowoczesnych napędów w wielu zastosowaniach cywilnych i wojskowych: turboodrzutowych, turbośmigłowych, turbowałowych, w samolotach, śmigłowcach, statkach i okrętach, a nawet samochodach i czołgach.

W dalszej części artykułu

Jak działa turbina gazowa?

Układ gazowo-parowy – klucz do wysokiej sprawności

Nowoczesne elektrownie gazowo-parowe w Polsce

dr inż. Jacek Nowicki sekretarz generalny Stowarzyszenia Elektryków Polskich

Sprawdź: Produkty budowlane