Możliwości wykorzystania specjalnych postaci gazu ziemnego: LNG i CNG

Wprowadzenie

O specjalnych postaciach gazu ziemnego LNG i CNG sporo się ostatnio mówi w kontekście używania ich jako paliw alternatywnego w stosunku do paliw płynnych. Mówiąc o tych odmianach gazu ziemnego, wciąż jeszcze często myślimy głównie o gotowaniu czy ogrzewaniu domu. Tymczasem jest to tanie i wygodne paliwo, które można wykorzystywać do wielu rozmaitych celów, zastępując tradycyjne, drogie źródła energii. Substytuty silnika spalinowego napędzanego benzyną czy też olejem napędowym są poszukiwane od początku motoryzacji. Do najważniejszych paliw alternatywnych można zaliczyć mieszaninę skroplonych gazów propan i butan LPG oraz gaz ziemny w postaci sprężonej CNG i skroplonej LNG (Rys.).

Na wstępie zaznaczmy jednak, że cytowany często gaz LPG jest paliwem ropopochodnym, tak jak benzyna czy olej napędowy. CNG to w zasadzie nic innego jak zwykły gaz ziemny, sprężony i oczyszczony z wody, który pochodzi z naturalnych pokładów gazu z wnętrza ziemi. CNG i LPG to dwa "gazowe paliwa". Różnica pomiędzy nimi jest jednak zasadnicza. Np., przy zastosowaniu ekologicznego CNG samochód zużywa ok. 10% mniej paliwa w stosunku do benzyny. Przy użyciu LPG zużycie rośnie zazwyczaj o około 20%. Inną zaletą CNG jest jego niska cena.

Rys. Podział paliw alternatywnych stosowanych do zasilania silników spalinowych

Rys. Podział paliw alternatywnych stosowanych do zasilania silników spalinowych

Źródło: http://archiwum.komunalny.home.pl/archiwum/index.php?mod=tekst&;id=12739

CNG (ang. Compressed Natural Gas) jest to paliwo – gaz ziemny w postaci sprężonej do ciśnienia 20-25 MPa. Natomiast skroplony gaz ziemny czyli Liquefied Natural gas (LNG) produkowany jest poprzez obniżanie temperatury gazu poniżej punktu wrzenia i jego oczyszczanie. Zmiana stanu skupienia pozwala na efektywne przechowywanie i transport gazu ziemnego. Jest to możliwe dzięki zmniejszeniu objętości LNG w stosunku do gazu pod normalnym ciśnieniem ponad 600 razy. LNG może być stosowany w różnych instalacjach, najszersze jednak zastosowanie znajduje w transporcie gazu na b. duże odległości, przy braku odpowiedniej sieci przesyłowej gazociągami i umożliwia przechowywanie gazu w stosunkowo ograniczonych objętościowo zbiornikach.

NFOŚiGW, który planuje utworzenie nowego źródła dofinansowania inwestycji w pojazdy zasilane CNG, podjął próbę obliczenia efektu ekologicznego: aktualnego (w grupie badanych firm stosujących CNG) i potencjalnego (w grupie największych potencjalnych przyszłych użytkowników). Obliczając efekt ekologiczny przyjęto, że spalenie jednego litra ON emituje 2,63 kg CO2, natomiast spalenie jednego m3 CNG emituje do atmosfery 1,93 kg CO2.[1] Dokonując obliczenia efektu ekologicznego przedsiębiorstw (respondenci wywiadów indywidualnych), w pierwszej kolejności został oszacowany obecny efekt ekologiczny, wynikający z eksploatacji pojazdów zasilanych CNG zamiast ON (wg średniego spalania na 100 km). Następnie, w oparciu o obecne spalanie pojazdów zasilanych ON oszacowano efekt ekologiczny w przypadku wymiany obecnie posiadanego taboru zasilanego ON na tabor zasilany CNG (w przeliczeniu na 100 km).  

Tabela: Szacunek potencjalnego efektu ekologicznego, na podstawie obecnych odbiorców CNG (przedsiębiorstwa komunikacji zbiorowej)

Szacunek potencjalnego efektu ekologicznego na podstawie obecnych odbiorców CNG copy

Źródło: J.Osiak, SGGW.

Bezpieczeństwo przechowywania

CNG przechowywany jest w metalowych zbiornikach wzmacnianych włóknem szklanym pod ciśnieniem 200-250 atmosfer. Nawet w tym ciśnieniu ma on wartość opałową w przeliczeniu na jednostkę objętości 4 razy niższą niż benzyna. Tak przechowywany CNG służy do napędu pojazdów silnikowych zarówno z zapłonem iskrowym jak i z samoczynnym. Na świecie jeździ ponad 4 miliony samochodów zasilanych sprężonym gazem ziemnym. Funkcjonuje ponad 8 tys. stacji zasilania tym paliwem. Wartość energetyczna 1 m3 w warunkach normalnych (Nm3) jest w przybliżeniu równa 1 litrowi benzyny. Masa 1 Nm3 gazu ziemnego wynosi w przybliżeniu 0,7 kg i jest uzależniona od składu gazu.

Rys. Schemat silnika gazowego

Schemat silnika gazowego

Źródło: http://archiwum.komunalny.home.pl/archiwum/index.php?mod=tekst&;id=12739

LNG przechowuje się w dużych zbiornikach kriogenicznych, izolowanych i pod nadciśnieniem nieprzekraczającym 0,5 bara dla instalacji lądowych oraz dla transportu morskiego. W transporcie lądowym oraz instalacjach zasilania paliwowego typowe ciśnienie w zbiorniku izolowanym próżniowo wynosi 3,5 do 10,3 bar.[2] Pozwala to na utrzymanie gazu bez potrzeby odprowadzania oparów przez okres do 80 dni. Cysterny drogowe do przewozu LNG mają objętość do 57 m³, kolejowe do 76 m³ zaś zbiorniki w kontenerach 40 stopowych do 47 m³. Trwają prace nad zbiornikami, których kształt może być dostosowany do dowolnej przestrzeni. Aker-Solutions proponuje zastosowanie profili przestrzennych do budowy zbiorników, które całkowicie wypełniają zarówno prostopadłościany kontenerów jak i pomieszczenia wewnątrz statków.  

Główne zagrożenia związane są z ryzykiem eksplozji oraz bardzo niską temperaturą. LNG jako ciecz nie jest ani substancją wybuchową, toksyczną ani żrącą. Pod ciśnieniem atmosferycznym paruje w temperaturze powyżej minus 162ºC. Metan, główny składnik gazu ziemnego staje się wybuchowy po wymieszaniu z powietrzem, przy swoim udziale od 5% do 15% mieszaniny. Temperatura samozapłonu wynosi około 540ºC (dla mieszaniny 10% metanu w powietrzu). Porównywalnie, olej napędowy zapala sie w temperaturze rzędu 260 do 371ºC. W przypadku rozlania LNG i powstania obłoku gazu w powietrzu, mało prawdopodobne jest, że będzie on w krótkim czasie jednorodną mieszaniną. W związku z tym niemożliwe jest nagłe wyzwolenie całej energii zawartej w zgromadzonym gazie[3].

Dla systemów LNG nie stosuje się wysokich ciśnień.[4] Wynika to stąd, że ciecz stosunkowo bezpieczna przy wycieku bez udziału ciśnienia, może przy pęknięciu urządzenia ciśnieniowego wydostać się z naczynia strumieniem łatwo mieszającym się z powietrzem dzięki postaci kropelkowej. Powoduje to szybką wymianę ciepła oraz gwałtowne powstawanie mieszaniny łatwopalnej i wybuchowej. Innego rodzaju zagrożeniem jest zjawisko zwane RPT (Rapid Phase Transition) czyli gwałtowna zmiana stanu skupienia możliwa do wystąpienia w przypadku obfitego, nagłego wycieku LNG do wody. LNG unosi się na jej powierzchni ze względu na swój ciężar właściwy wynoszący mniej niż połowę ciężaru wody (0,47). Efekt RPT przyrównać można do eksplozji choć jest tylko gwałtownym wrzeniem. Powstają przy tym fale uderzeniowe w powietrzu i w wodzie, które spowodować mogą zniszczenia w bezpośrednim sąsiedztwie wydarzenia. Jak do tej pory nie zanotowano tego typu katastrof. Zjawisko zaobserwowano w trakcie prób laboratoryjnych, przy spełnieniu pewnych niezbędnych warunków.[5]

Rys. Budowa drugiego zbiornika LNG w terminalu gazowym Świnoujściu

Budowa drugiego zbiornika LNG w terminalu gazowym Świnoujściu

Źródło: fot. arch. PAP/Jerzy Undro

Możliwości zastosowanie LNG

Zgodnie z analizami przeprowadzonymi przez DNV w ramach projektu Triality[6] rozpatrującego zbiornikowiec VLCC o nośności 300 000 DWT, gaz zgromadzony w zbiornikach o pojemności 13500 m³, zainstalowanych na pokładzie głównym, pozwoli na zasięg pływania rzędu 25000 mil morskich. Stosowanie zbiorników ciśnieniowych, w których opary mają ciśnienie rzędu 5-6 bar pozwala zasilać systemy paliwowe gazem, bez potrzeby instalacji pomp paliwa transportowych oraz niskiego ciśnienia[7].

Rys. Instalacja LNG w ramach projektu Triality

Instalacja LNG w ramach projektu Triality

Źródło: http://www.marinelog.com/DOCS/NEWSMMIX/2010dec00063.html

Skroplony gaz ziemny przed zastosowaniem jako paliwo wymaga przejścia ze stanu ciekłego w gazowy. To stwarza konieczność dostarczenia ogromnych ilości energii niezbędnej do jego ogrzania. Można pobrać ją pośrednio z powietrza, wody lub z produktów spalania. Można też znaleźć wymaganą energię w instalacjach chłodzących, takich jak magazyny chłodzone, klimatyzatory, instalacje skraplania powietrza, kondensacji oparów węglowodorowych oraz układy chłodzące maszyn, w tym turbin[8].

Najczęściej stosowanym medium pośredniczącym w wymianie ciepła w niewielkich podgrzewaczach, jest mieszanina glikolu z wodą, której temperatura zamarzania przy 60-70% udziale glikolu wynosi około - 50ºC, co przy zapewnieniu odpowiedniego przepływu przez podgrzewacz gazu wystarcza. Duże ilości gazu odparowywane są w wielkich podgrzewaczach typu SCV (Submerged Combustion Vaporizer)[9] opalanych gazem lub typu ORV (Open Rack Vaporizer), w których ciepło pobierane jest z wody, najczęściej morskiej.[10]

W przypadku zastosowania LNG w magazynach chłodniczych, w powiązaniu z urządzeniami zużywajacymi duże ilości gazu, jak na przykład elektrownie czy stacje sprężania gazu wytworzające CNG dla potrzeb zasilania samochodów, możliwe jest obniżenie kosztów instalacji oraz zapotrzebowania na energię elektryczną.[11] W zestawieniu z konwencjonalnymi systemami rozwiązanie to pozwala na osiągnięcie olbrzymich oszczędności a także zmniejszenie obciążenia środowiska emisjami gazów spalinowych i zanieczyszczeniem termicznym wody. Tutaj, urządzenia regazyfikujące LNG wspomagają lub zastępują systemy sprężania, chłodzenia, rozprężania i kondensowania czynnika chłodzącego.

Typowa instalacja zawiera chłodnice glikolu, jako czynnika pośredniczącego w wymianie ciepła i równolegle regazyfikatory SCV lub ORV, dla zapewnienia ciągłości dostaw gazu do np. elektrowni w przypadku obniżenia się zapotrzebowania na zimno przez chłodnię. Stosując odpowiednią liczbę wymienników ciepła i regulując przepływy można uzyskiwać różne temperatury chłodzonych komór..[12] Koszt inwestycji w oparciu o system LNG dla nowobudowanej chłodni przeznaczonej do magazynowania równocześnie 110 ton w temperaturze -35ºC, 390 ton w temperaturze - 20ºC i 150 ton w temperaturze 15ºC jest o 65% wyższy w zestawieniu z chłodnią tradycyjną, jednak zapotrzebowanie na energię wynosi zaledwie 16% wymaganego przy dotychczasowych rozwiązaniach.[13]

Dodatkowo, mniejsze są koszty utrzymania i remontów. Przewidywany okres spłaty inwestycji w tych warunkach wynosi jedynie parę lat. Przy założonej średniej zewnętrznej temperaturze, wynoszącej 34ºC, średnie, dzienne zapotrzebowanie na LNG wynosi 11.2 tony na godzinę. Duże oszczędności energii osiągane są w systemach skraplania powietrza z wykorzystaniem LNG. Zużycie prądu do skroplenia tlenu może być ograniczone o 60%-73,5% w porównaniu z systemami tradycyjnymi.[14]

Wspomnieć warto, że LNG jako paliwo stosowane jest w tysiącach ciężarówek posiadających silniki typu dual fuel. Głównie w USA i Australii. Samochody osobowe korzystają z CNG ze względu na zbyt wielką i ciężką instalację zbiorników i regazyfikacyjną. Amerykańska korporacja Chesapeake Energy, drugi co do wielkości producent gazu naturalnego w Stanach, ogłosiła plany zainwestowania 150 mln dolarów w przedsięwzięcia mające na celu zaoferowanie na rynku paliwa alternatywnego dla oleju napędowego głównie poprzez rozbudowę sieci dystrybucyjnej LNG oraz CNG obsługującej przede wszystkim pojazdy ciężarowe.[15] Za podaną kwotę zbudowanych ma być ponad 150 stacji tankowania ciężarówek paliwem LNG wzdłuż głównych tras przelotowych. Przewidywana cena LNG powinna być o około 0,5 dolara tańsza na litrze (do 2 dolarów za galon) od benzyny i oleju napędowego. Wykorzystanie właściwości LNG w transporcie morskim poza użyciem go jako paliwa jest wysokie. Niska temperatura gazu może być wykorzystana do wielu zadań, najczęściej w oparciu o zamknięte obiegi glikolu utrzymywanego w temperaturze powyżej -40ºC celem uniknięcia zamarzania.[16]

Rys. Schemat transportu gazu LNG

Schemat transportu gazu LNG

Źródło: http://www.natgas.info/html/gaspipelines.html



Newsletter



Wiadomość HTML?