paliwa kopalne

17 February 2020

The emission of CO2 from combustion processes realized in various sectors of the economy in Poland

biomass, CO2 emission, combustion, emisja CO2, emissions, fossil fuels, paliwa kopalne

Wstęp

W grudniu 2018 r. w Katowicach odbyło się spotkanie Stron Ramowej Konferencji Klimatycznej Narodów Zjednoczonych. COP24 uważany jest za największe i najważniejsze wydarzenie związane z globalną ochroną środowiska w ostatnim czasie. Za podstawowy środek, który miałby zapobiec niebezpiecznej zmianie klimatu, ponownie uznana została globalna redukcja emisji CO2. Propozycje padające z ust ekspertów na temat metod efektywnej realizacji tego zadania, skłaniają do przemyśleń. Najczęściej można było usłyszeć o koniecznej redukcji emisji CO2 o połowę do 2030 roku i do zera w 2050 roku. Czy jest to realne w warunkach Polski? Czy należy przekładać te kalkulacje na nasze lokalne warunki, gdy mowa jest o redukcji globalnej? Żeby myśleć o tym co jest możliwe do przeprowadzenia i snuć plany na najbliższe kilkadziesiąt lat, należy zacząć od stanu obecnego i obecnie wykorzystywanych paliw i rozwiązań technicznych.

Wybór i opis najczęściej stosowanych paliw w Polsce pod kątem produkcji CO2

Za wyjątkiem produkcji ciepła i energii elektrycznej z bezpośrednim wykorzystaniem energii słonecznej, nuklearnej, wiatru czy też wody, produkcja energii wymaga spalania paliw. Jeśli w składzie określonego paliwa znajduje się pierwiastek węgiel, to jego spalenie skutkuje powstawaniem CO2 i innych produktów spalania, stanowiących zanieczyszczenia powietrza. O ile emisję tych substancji, np. NOX czy też SOX można i trzeba ograniczać, o tyle emisji CO2 ze spalania paliw zawierających węgiel, w sposób bezpośredni uniknąć nie można. Spalanie węgla dla wytwarzania energii elektrycznej i ciepła jest więc w praktyce gospodarczej nierozerwalnie związane z produkcją CO2.

Można bez problemu wskazać paliwa, które najczęściej pojawiają się w tzw. sektorze ogrzewnictwa indywidualnego, czyli są spalane w urządzeniach grzewczych pracujących w mieszkaniach i domach (kotły c.o., piece) oraz te, które spala się na potrzeby produkcji ciepła i energii elektrycznej dla szerszej grupy odbiorców, w sektorze tzw. energetyki zawodowej. Oprócz tych właśnie paliw, na potrzeby artykułu uwzględniono dodatkowo paliwa wykorzystywane w transporcie. Zestawienie wybranych paliw, ich wartości opałowe oraz zawartości pierwiastka węgla podano w tablicy 1. W przypadku węgla kamiennego, brunatnego, koksu i biomasy uwzględniono najlepsze i najgorsze tego typu paliwa dostępne na rynku. Dla węgla, pod nazwą węgiel kamienny min. został uwzględniony węgiel kamienny niskiej jakości – np. sortyment miał, a pod nazwą węgiel kamienny max. uwzględniono węgiel kamienny bardzo dobrej jakości – np. sortyment groszek. Podobnie ma się sprawa dla węgla brunatnego, koksu i biomasy, gdzie indeks min. oznacza niskie parametry jakościowe tego paliwa, a max. najlepsze jakościowo paliwo tego typu dostępne na rynku. Przykładowo dla biomasy takim bardzo dobrym „sortymentem”, który można spalać z wysoką sprawnością, są pelety drzewne. Parametry paliw bezdymnych lub niskoemisyjnych można przyjąć na poziomie takim jak dla koksu.

Na wykresie rys.1. przedstawiono uszeregowanie rozważanych paliw, ze względu na ilość CO2 teoretycznie powstającego z idealnego (tzn. całkowitego i zupełnego) spalenia 1 kg każdego z nich. Jest to zależność wprost proporcjonalna do zawartości węgla w danym paliwie, co oznacza, że im więcej węgla pierwiastkowego znajduje się w 1 kg paliwa tym większą ilością CO2 skutkuje jego spalenie. Zgodnie z tablicą 1, najmniej uwęglonym paliwem jest niskiej jakości biomasa, zawiera bowiem tylko 35% węgla. W wyniku spalania idealnego z 1 kg tego paliwa powstanie 1,28 kg CO2. Najbardziej uwęglonym z rozważanych paliw jest dobrej jakości koks, który zawiera około 90% węgla. Z idealnego spalania 1 kg tego paliwa powstanie 3,30 kg CO2.

Tablica 1.
Zestawienie wybranych paliw wraz z ich parametrami uwzględnianymi w trakcie dalszych analiz [1,2]

Rys.1.
Emisja CO2 ze spalania idealnego 1 kg wybranych paliw

Rys.2.
Emisja CO2 z idealnego spalania wybranych paliw dla uzyskania 1 GJ energii cieplnej (ze sprawnością 100%)

Spalanie jednostkowej masy każdego z paliw przyniesie zdecydowanie różną ilość wyprodukowanego ciepła, zależną od wartości opałowej konkretnego paliwa. W obrębie grupy paliw, jaką uwzględniono w ramach niniejszej pracy, nie obserwuje się zależności pomiędzy wzrostem zawartości pierwiastka węgla, a wzrostem wartości opałowej paliwa (a więc zdolności do produkcji ciepła/energii z jednostki masy).

Na wykresie rys. 2. przedstawiono paliwa uszeregowane w kolejności rosnącej stosunku emisji CO2 do ilości ciepła uwalnianego w procesie idealnego spalania poszczególnych paliw. I tak najmniej CO2, bo 54,9 kg, powstanie podczas idealnej produkcji ciepła z metanu, którego do produkcji 1 GJ energii należy zużyć 20 kg. Najwięcej CO2 w przypadku paliwa kopalnego – około 122 kg, powstanie podczas spalania węgla brunatnego niskiej jakości, którego do idealnej produkcji 1 GJ należy zużyć 83 kg, natomiast relatywnie najwięcej CO2 – około 128 kg, powstanie podczas spalania niskiej jakości biomasy, której do idealnej produkcji 1 GJ należy zużyć około 100 kg. Warto zwrócić uwagę, że dla tego samego efektu produkcji ciepła, spalając w sposób idealny najlepszą biomasę, wyprodukuje się więcej CO2, niż spalając dobrej jakości węgiel kamienny. Przyjmuje się, że energetyczne wykorzystanie biomasy, ze względu na fotosyntezę roślin, nie powoduje wzrostu zawartości tego gazu w atmosferze, jednak tak jak w przypadku każdego paliwa zawierającego węgiel, również spalanie biomasy powoduje bezpośrednią emisję CO2, i to – jak pokazano na wykresie (rys. 2) – wcale nie małą.

Analiza ilości CO2 emitowanego ze spalania w warunkach rzeczywistych

Procesy spalania realizowane w celu produkowania ciepła w praktyce odbywają się w rzeczywistych urządzeniach, które charakteryzują się mocno zróżnicowaną sprawnością, znacznie odbiegającą od 100%. Im niższa sprawność urządzenia, tym więcej paliwa zostanie spalone, aby wyprodukować 1 GJ ciepła użytkowego, co oznacza, że dla otrzymania tego samego efektu energetycznego zostanie wytworzone więcej CO2.

Zagadnienie to zostało przeanalizowane w niniejszych rozważaniach poprzez przypisanie poszczególnym paliwom stałych, charakterystycznych sprawności ich spalania, niezależnie od rodzaju urządzeń, w jakich to spalanie się odbywa. Założenie takie, z pewnością kontrowersyjne, umożliwia jednak ogólną analizę wpływu zastosowania poszczególnych paliw na emisję CO2. Zestawienie przyjętych do obliczeń charakterystycznych sprawności przedstawiono w tablicy 2. Wprowadzono w niej podział na urządzenia spotykane w infrastrukturze sektora ogrzewnictwa indywidualnego i w tzw. energetyce zawodowej (ciepłownie zawodowe o mocy > 5 MW, elektrociepłownie, elektrownie). Ponieważ wydaje się interesujące w tym kontekście porównanie wykonane dla paliw używanych w transporcie, w tablicy 2 uwzględniono również spalanie w typowych silnikach stosowanych w pojazdach samochodowych. Transport towarowy o charakterze komercyjnym odbywa się głównie z wykorzystaniem pojazdów wyposażonych w silniki Diesla, a silniki benzynowe w większości montowane są w samochodach osobowych, zatem te pierwsze znalazły się w kolumnie „energetyka zawodowa”, a służące osobom prywatnym silniki benzynowe w kolumnie „ogrzewnictwo indywidualne”.

W tablicach 3 i 4 przedstawiono orientacyjne wartości CO2, powstającego w procesach spalania rozważanych paliw w rzeczywistych urządzeniach pracujących w sektorach ogrzewnictwa indywidualnego i energetyki zawodowej oraz w transporcie. Analizując wyniki obliczeń można zauważyć, że w pierwszym z tych sektorów uzyskanie tej samej ilości energii skutkuje największą emisją CO2 przy spalaniu dwóch paliw: biomasy drzewnej o niskiej jakości (257 kgCO2/GJ) i niskokalorycznego węgla brunatnego (244 kgCO2/GJ), w dalszej zaś kolejności niskokalorycznego węgla kamiennego (176 kgCO2/GJ) i innych paliw. W przypadku sektora energetyki zawodowej, największą emisją CO2 przypadającą na jednostkową ilość wyprodukowanego ciepła charakteryzuje się kolejno spalanie węgla brunatnego o niskiej jakości (175 kgCO2/GJ), biomasy o niskiej jakości (151 kgCO2/GJ), węgla brunatnego o wysokiej jakości (131 kgCO2/GJ) i niskokalorycznego węgla kamiennego (125 kgCO2/GJ). Spalanie 4 wymienionych paliw skutkuje przy tym zbliżonym poziomem emisji względem ilości wytwarzanej energii. W prezentowanym w tablicy 3 porównaniu najbardziej korzystnie pod względem emisji wypadają: olej opałowy, propan i gaz ziemny, których spalanie w celu wytworzenia 1 GJ ciepła powoduje powstawanie 3 do 4 krotnie mniejszej ilości CO2 niż w przypadku paliw stałych. Również w energetyce zawodowej spalanie oleju opałowego i gazu ziemnego skutkuje najmniejszymi emisjami CO2 w odniesieniu do wytwarzanej energii – w tym jednak przypadku są one 2 do 3 razy niższe niż w przypadku najgorszych paliw stałych. Dodatkowo olej opałowy i gazy palne są paliwami, które z utleniaczem tworzą niemal idealną mieszankę homogeniczną, co m.in. skutkuje zdecydowanie mniejszą emisją większości pozostałych zanieczyszczeń charakterystycznych dla procesów spalania, niż w przypadku spalania paliw stałych. Różnica emisji CO2 w przypadku paliw używanych w transporcie do napędu silników benzynowych i wysokoprężnych wydaje się niewielka, jednak biorąc pod uwagę duże zużycie paliw w skali globalnej, jest ona istotna.

W drugiej kolumnie tablicy 4, przedstawiono obliczenia emisji CO2 odpowiadające pozyskaniu 1 GJ ciepła z energii elektrycznej. Przyjęto, że przemiana energii elektrycznej na ciepło następuje ze sprawnością 100%. Równocześnie założono sprawność przemiany energii pierwotnej paliwa w energię elektryczną na identycznym dla każdego paliwa poziomie 35% (uwzględniającym straty przesyłowe). W praktyce polskiej energia elektryczna jest wytwarzana przede wszystkim z węgli kamiennych gorszej jakości oraz węgla brunatnego niższej jakości, dla których wskaźniki emisji dwutlenku węgla są najbardziej niekorzystne i wynoszą odpowiednio 303 oraz 349 kgCO2/GJ.

Tablica 2.
Zestawienie charakterystycznych sprawności spalania paliw, w podziale na infrastrukturę sektora ogrzewnictwa indywidualnego i energetyki zawodowej w Polsce oraz w silnikach samochodowych

Tablica 3.
Zestawienie ilości CO2 emitowanych z procesów spalania paliw dla wyprodukowania 1 GJ energii w ogrzewnictwie indywidualnym

Tablica 4.
Zestawienie ilości CO2 przy pozyskaniu 1 GJ energii z procesów spalania paliw w energetyce zawodowej oraz przy wykorzystaniu energii elektrycznej

Podsumowanie i wnioski

Analiza wpływu produkcji ciepła na środowisko poprzez pryzmat wielkości emisji CO2, wskazuje przede wszystkim na silnie negatywne oddziaływanie metod produkowania ciepła z energii elektrycznej wytwarzanej w oparciu o tradycyjne w warunkach polskich paliwa kopalne gorszej jakości – węgiel kamienny oraz węgiel brunatny. W przypadku gdy do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje się węgiel kamienny, emisja CO2 przy produkcji ciepła z energii elektrycznej jest 1,7 (lub 2,5 przy wykorzystaniu w źródłach ciepła węgla lepszej jakości) oraz odpowiednio 2,4 razy większa niż przy wytworzeniu analogicznej ilości ciepła w oparciu o źródła indywidualne lub energetykę zawodową. Gdyby założyć, że produkcja energii elektrycznej jest prowadzona w oparciu o węgiel brunatny, ilość uwalnianego w jej wyniku CO2 byłaby 2 razy wyższa od ilości CO2 emitowanego ze źródeł indywidualnych opalanych bezpośrednio węglem kamiennym gorszej jakości i 2,8 razy wyższa dla przypadku źródeł indywidualnych opalanych węglem kamiennym wysokiej jakości. W związku z tym pojawiające się twierdzenia, iż zamiana domowych urządzeń grzewczych zasilanych paliwami kopalnymi na urządzenia zasilane energią elektryczną zmniejsza emisję CO2, są pozbawione racjonalnych podstaw. Ta sama zasada wydaje się także dotyczyć transportu, aczkolwiek ostateczne rozstrzygnięcie tej kwestii wymaga pogłębionej analizy.

Tablica45.
Ilości zanieczyszczeń produkowane przy wytwarzaniu 1 GJ ciepła w kotłach c.o. z automatycznym podawaniem paliwa: biomasy i węgla kamiennego, o mocy znamionowej 25 kW [3,4]

Emisja CO2 jest nieodłącznym elementem spalania paliw węglowych i węglowodorowych, i nie może być ograniczona lub wyeliminowana poprzez ingerencję w sam proces spalania (jak to ma miejsce w odniesieniu do niektórych innych składników spalin). Dodatkowo jest to zanieczyszczenie produkowane w procesie spalania w największych ilościach. W tablicy 5 przedstawiono przykładową emisję typowych zanieczyszczeń z kotłów c.o. spełniających aktualne BAT, zasilanych węglem kamiennym sortyment groszek i peletami drzewnymi, o mocy znamionowej około 25 kW.

Analiza przedstawionych w tabeli danych pokazuje, że podczas spalania powstaje znacznie więcej CO2, niż innych substancji stanowiących zanieczyszczenia powietrza. Oceniając jednak rzeczywisty stopień oddziaływania CO2 na środowisko względem innych zanieczyszczeń, należy wziąć pod uwagę i porównać stopień ich szkodliwości.

I tak, dwutlenek węgla jest gazem, zresztą nie jedynym, powodującym zwiększanie absorpcji selektywnej promieniowania słonecznego, czego skutkiem jest wzrost temperatury atmosfery ziemskiej z różnymi tego skutkami ekologicznymi, zazwyczaj znacznie rozciągniętymi w czasie. Równocześnie nie zagraża on bezpośrednio zdrowiu ludzkiemu, a jego znaczny nadmiar w powietrzu, przejawiający się ograniczeniem zawartości potrzebnego do oddychania tlenu, może skutkować, co najwyżej pojawieniem się uczucia duszności. Tymczasem pozostałe, wskazane w tablicy 5 substancje, stanowią dla zdrowia człowieka zagrożenie o charakterze bezpośrednim i niemal natychmiastowych skutkach. Dotyczy to śmiertelnie niebezpiecznego w dużych stężeniach czadu (CO), lotnych związków organicznych (LZO) mających udział w powstawaniu szkodliwego ozonu troposferycznego, niebezpiecznych dla zdrowia tlenków azotu (NOx), dwutlenku siarki (SO2) będącego jedną z przyczyn powstawania kwaśnych deszczy i smogu typu londyńskiego, kancerogennego i mutagennego benzo-alfa-pirenu (B(a)P) i wywołującego liczne dolegliwości zdrowotne pyłu zawieszonego.

W tym kontekście tłumaczone tzw. polityką klimatyczną rozwiązania mające na celu ochronę klimatu, sprowadzające się głównie do ograniczania emisji CO2 i innych gazów cieplarnianych, wydają się nie przystawać do polskich realiów. W Polsce wymienione powyżej zanieczyszczenia, szczególnie pyły i BaP, stanowią poważny problem ekologiczny, a efektem ich wysokich stężeń w powietrzu są: zwiększona zachorowalność i duża liczba przedwczesnych zgonów [5]. Dlatego też walka z nadmierną emisją tych właśnie zanieczyszczeń, prowadzona w imieniu i na rzecz zagrożonego społeczeństwa, powinna stanowić podstawowy element ochrony środowiska realizowany na różnych poziomach decyzyjnych z wykorzystaniem społecznych środków finansowych. Ograniczanie emisji CO2 powinno raczej być realizowane tam, gdzie towarzyszy ono ograniczaniu innych wymienionych zanieczyszczeń lub gdzie może zostać uzyskane metodami bezkosztowymi.

L I T E R AT U R A :

[1] G. Wielgosiński, R. Zarzycki, Technologie i procesy ochrony powietrza, PWN 2018

[2] Recknagel, Sprenger, Hönmann, Schramek, Poradnik Ogrzewanie+Klimatyzacja, EWFE 94/95

[3] Sprawozdanie IChPW „Innowacyjny system optymalizujący strumień powietrza procesowego dedykowany do kotłów c.o. z automatycznym podawaniem paliwa stałego w tym biomasy”, Zabrze 2018

[4] Sprawozdanie IChPW „Innowacyjne konstrukcje kotłów c.o. zoptymalizowane pod kątem efektywnego, eksploatacyjnego zmniejszenia zużycia paliw stałych”, Zabrze 2017

[5] EEA Report No 12/2018. Air quality in Europe — 2018 report. European Environment Agency, Copenhagen 2018.