Spis treści
O wodorze jako paliwie przyszłości napisano i powiedziano już chyba wszystko, ale zrobiono znacznie mniej. Trwają pierwsze przymiarki do budowy sieci wodorociągów, ale jakie docelowo będzie najpowszechniejsze zastosowanie wodoru – o tym jak zwykle zadecydują regulacje i ekonomika danego procesu. Jednym z tych procesów ma być spalanie lub współspalanie wodoru w turbinach gazowych. Pierwszą próbę tego ostatniego zastosowania w Polsce mamy już za sobą. I była to próba udana.
Wodór fajny, ale złośliwy
Wodór jako paliwo do spalania w tradycyjnych układach gazowych ma jedną niezaprzeczalną zaletę: jest zeroemisyjny. Z jego spalenia w powietrzu powstaje jedynie woda. Pomijając oczywiście tlenki azotu, te jednak tworzą się w każdym wysokotemperaturowym procesie w powietrzu, ale też dają się eliminować, na przykład w procesie SCR.
Jednak w porównaniu z gazem ziemnym, czyli metanem, właściwości fizykochemiczne wodoru stawiają ten gaz na nieco innej pozycji. Wodór jest 2,5 raza bardziej kaloryczny od metanu, ale w przeliczeniu na jednostkę masy. Gaz ten jest jednak znacznie lżejszy, ta sama masa wodoru zajmuje 7,5 razy większą objętość niż metanu przy porównywalnym ciśnieniu.
W przeliczeniu na jednostkę objętości wodór jest trzy razy mniej kaloryczny. Z drugiej jednak strony przedział palności wodoru jest znacznie szerszy niż metanu. Jeśli domieszka metanu w powietrzu przekracza 15%, gaz ten przestaje się palić. Dla wodoru granica ta sięga 75%.
Czyli teoretycznie da się uzyskać tyle samo energii ze spalenia metra sześciennego mieszaniny z powietrzem. Tyle, że domieszka wodoru musi być kilkakrotnie wyższa niż ta metanu. A jeszcze inne właściwości mają mieszaniny obu tych gazów. Ból głowy inżynierów firm produkujących turbiny z naklejką „Hydrogen Ready” polega więc na tym, żeby dało się w nich spalać tak różne paliwa.
Na szczęście temperatura spalania obu gazów jest mniej więcej taka sama, co oszczędza problemów. Ale, jak się okazuje, da się z powodzeniem zasilić mieszaniną wodoru nawet turbinę bez magicznej naklejki. Taki właśnie test – pierwszy w Polsce – przeprowadziła Polenergia w swojej Elektrociepłowni Nowa Sarzyna na turbinie gazowej o mocy rzędu 40 MW.
Gdy wodór wkracza, zadanie dla mieszacza
Testy współspalania wodoru z gazem ziemnym były przeprowadzane poprzez stopniowe zwiększanie domieszki wodoru w mieszaninie paliwowej. W samych układach spalania i przepływowym turbiny nie dokonano żadnych zmian, wprowadzono jednak zmiany w układzie kondycjonowania paliwa.
Jak mówi nam Mirosław Rokicki, dyrektor techniczny i zzłonek zarządu Polenergii Elektrociepłownia Nowa Sarzyna, przeprojektowana została instalacja podająca gaz ziemny. Dobudowano układ podawania wodoru i kontroli jego ilości, dodatkowe urządzenia regulacyjno-zabezpieczające.
Zamontowany został również mieszacz statyczny – element, którego zadaniem jest homogenizacja, czyli dokładne wymieszanie składników paliwa – metanu i wodoru. Mieszacz statyczny nie ma żadnych części ruchomych – mieszanie jest skutkiem przepływu, w tym przypadku gazów, przez odpowiednio ukształtowane elementy.
W turbinie gazowej w każdej z 10 komór spalania zainstalowano dodatkowe pomiary temperatury dysz paliwowych oraz wysokotemperaturowe detektory ciśnienia. Detektory temperatury wykorzystano do zabezpieczenia układu spalania przed cofnięciem płomienia do strefy zabronionej. Detektory ciśnienia zostały wykorzystane do analizy procesu spalania i jego optymalizacji poprzez dynamiczny podział paliwa pomiędzy grupami dysz paliwowych.
Algorytm dozowania wodoru do gazu ziemnego został zaprojektowany w ten sposób, aby energia zawarta w paliwie dostarczonym do turbiny gazowej nie uległa zmianie.
Jaki był efekt? – W czasie testów parametry turbiny gazowej nie uległy zauważalnej zmianie, nie zaobserwowano spadku mocy, czy wydajności cieplnej, nie nastąpiło pogorszenie sprawności turbiny – podkreśla Rokicki.
Pierwotnie Polenergia planowała zadowolić się dziesięcioprocentową domieszką wodoru w paliwie, jednak w trakcie prób udało się ją podnieść do 15% objętościowo. Co oznacza, że na godzinę turbina zużywała, obok metanu – także 1835 metrów sześciennych wodoru. Z technicznego punktu widzenia można więc mówić o sukcesie.
Emisyjność spada jeśli wodór zielony
15% domieszka wodoru do metanu w paliwie przekłada się na spadek emisyjności całej jednostki. Wynosi on ok. 5,5 pkt procentowego – mówi Mirosław Rokicki. Nowoczesne układy CCGT zasilane gazem ziemnym mają emisyjność nieco poniżej 230 g CO2 na kWh. Łatwo więc obliczyć, że z domieszką wodoru emisyjność spada do około 215 g CO2 na kWh. Wodór powinien być jednak „zielony”, czyli wytworzony w procesie elektrolizy z prądu pochodzącego z OZE.
W Nowej Sarzynie docelowo właśnie tak ma być, Polenergia ma już pozwolenie na budowę przy elektrociepłowni m.in. elektrolizera o mocy 5 MW, który miałby być zasilany energią elektryczną ze źródeł odnawialnych. Wodór do testów jeszcze nie był „zielony”, został zakupiony na działającym rynku dostaw i dystrybucji tego gazu i dostarczony w specjalnych cysternach.
Perspektywa stosowania wodoru w technice turbin gazowych opiera się na koncepcji zagospodarowywania nadwyżek „zielonego” wodoru i energii ze źródeł odnawialnych – tłumaczy Mirosław Rokicki.
– Otwiera to nowe możliwości w sytuacji, gdy wystąpi niedobór mocy w systemie elektroenergetycznym, powodowany spadkiem produkcji energii. W obszarze samych turbin gazowych i ich faktycznego, znaczącego udziału w systemie elektroenergetycznym, dołączenie do opisanego powyżej łańcucha ma istotne znaczenie. Polega ono na nowych możliwościach funkcjonowania w sposób alternatywny do stosowanego dzisiaj gazu ziemnego. Pozwoli to na dalszą eksploatację istniejącego potencjału wytwórczego, uwolnionego od emisji gazów cieplarnianych – dodaje dyrektor techniczny Nowej Sarzyny.
Jak jednak zastrzega, wykorzystanie zielonego wodoru w energetyce i instalacjach CHP będzie też zależało od innych sposobów zagospodarowania tego gazu. Celem jest kierowanie surowca w miejsca, w których znalezienie innej metody dekarbonizacji będzie najtrudniejsze, a efekty ekonomiczne i środowiskowe wykorzystania największe. Oznacza to, że wykorzystanie zielonego wodoru może mieć inne priorytety (nie tylko z przyczyn ekonomicznych), niż stosowanie go w turbinach gazowych w ciągu najbliższych lat – zaznacza Rokicki.
W Sejmie też pompują wodór
Aby jednak taka perspektywa była otwarta, potrzeba m.in. zmian regulacyjnych, przede wszystkim uznania wodoru za paliwo. Taką właśnie zmianę zawiera projekt zmiany Prawa energetycznego, przyjęty w połowie października przez rząd i skierowany już do Sejmu. Wprowadza on definicje: wodoru niskoemisyjnego, wodoru odnawialnego pochodzenia niebiologicznego, wodoru odnawialnego, sieci przesyłowej wodorowej, sieci dystrybucyjnej wodorowej, sieci wodorowej ograniczonej geograficznie czy magazynowania wodoru. Regulacje nie dotyczą jednak transportu metanu domieszkowanego wodorem sieciami gazowymi. Ta działalność ma podlegać reżimowi regulacyjnemu dla gazu.
Istotne jest, aby nowy wymiar regulacyjny nie dotknął w sposób negatywny obszarów dzisiejszego zastosowania wodoru. Ponadto, istnieje potrzeba wprowadzenia regulacji wspierających ekonomicznie nowo tworzony sektor gospodarki – tak, aby osiągnął skalę pozwalającą na funkcjonowanie i rozwój w warunkach pełnej konkurencyjności – zaznacza Rokicki
Podsumowując, mamy więc techniczne potwierdzenie, że metan z dodatkiem wodoru może być użyty w zespole z turbiną przystosowaną tylko do gazu, ale z dodatkowymi modyfikacjami poza samą turbiną.
Czy to się opłaca?
Strona ekonomiczna całego procesu to kwestia jeszcze otwarta. Będzie zależeć od regulacji, no i korzyści, czyli ceny samego wodoru i oszczędności na kosztach emisji.
Jak zastrzega Rokicki, wykorzystanie zielonego wodoru w energetyce i instalacjach CHP będzie też zależało od innych sposobów zagospodarowania tego gazu. Celem jest kierowanie surowca w miejsca, w których znalezienie innej metody dekarbonizacji będzie najtrudniejsze, a efekty ekonomiczne i środowiskowe wykorzystania największe. Oznacza to, że wykorzystanie „zielonego” wodoru może mieć inne priorytety, nie tylko z przyczyn ekonomicznych, niż stosowanie go w turbinach gazowych w ciągu najbliższych lat – podkreśla dyrektor.
Zresztą w przyszłości, w miarę rosnącego nasycenia systemów energetycznych źródłami odnawialnymi, jednostki gazowe będą pracować coraz mniej. Widać to chociażby po założeniach przygotowywanego w Niemczech przetargu na wsparcie dla jednostek, gotowych do spalania wodoru. W pierwszej kolejności niemiecki rząd wystawi na przetarg wsparcie dla nowych jednostek o mocy do 5 GW i przeróbek na wodór źródeł o mocy do 2 GW, ale przy założeniu, że subsydiowana będzie jedynie ich praca przez co najwyżej 800 godzin rocznie, bo z kalkulacji wynika, że tylko przez taki czas będą potrzebne, aby zbilansować czasowe braki produkcji OZE.
