W ostatnich latach gaz ziemny zyskuje coraz większe znaczenie w światowej gospodarce. Gaz jest paliwem znacznie tańszym od ropy naftowej, łatwo go przesyłać rurociągami, a instalacje służące do jego spalania są tanie w budowie, łatwe w eksploatacji i emitują bardzo niewiele zanieczyszczeń.
Jednym z czynników, który przesądził o rosnącej popularności kotłów i elektrowni na gaz, jest ich wysoka efektywność – elektrownia na gaz ziemny może osiągnąć sprawność 60%, czyli zamieniać na prąd trzy piąte wartości opałowej paliwa, a jeśli dodatkowo zaczniemy wykorzystywać ciepło oddawane przez elektrownię, możemy zamienić w energię dla nas użyteczną ponad 90% wartości opałowej paliwa.
Najprostszym i najpowszechniej wykorzystywanym silnikiem na gaz jest turbina gazowa. Jej konstrukcja jest bardzo podobna do budowy silnika odrzutowego. Powietrze jest zasysane z otoczenia, sprężane przez sprężarkę do ciśnienia 30-40 atmosfer i kierowane do komory spalania. Tam wtryskiwane jest paliwo, które miesza się z powietrzem i spala, podnosząc temperaturę gazu. Gorące spaliny kierowane są do turbiny właściwej, gdzie rozprężają się z powrotem do ciśnienia atmosferycznego, oddając energię. Spalanie paliwa powoduje zwiększenie temperatury paliwa, a więc jego objętości – przez turbinę przepływa większa objętość gazu, niż przez sprężarkę i dzięki temu generowana jest nadwyżka energii, która napędza wał.
Rys. 1. Uproszczony schemat turbiny gazowej. Na rysunku widać powietrze wchodzące do sprężarki, które następnie jest kierowane do komory spalania i turbiny. Turbina, za pośrednictwem znajdującego się w środku urządzenia wału napędza sprężarkę. Nadmiar mocy z turbiny służy do napędzania śmigła lub generatora prądu.
Turbina gazowa jest niezwykle kompaktowym urządzeniem. Największe turbiny, o mocy 400 megawatów, są mniej więcej wielkości autobusu i ważą kilkaset ton. W elektrowni węglowej o tej samej mocy sam kocioł ma 100 metrów wysokości i waży wiele tysięcy ton. Mniejsze turbiny gazowe, o mocy kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy koni mechanicznych, stosowane są powszechnie w lotnictwie do napędu samolotów i śmigłowców, ze względu na dużą moc i małą masę. Praktycznie wszystkie większe samoloty cywilne napędzane są silnikami turbośmigłowymi, lub turbowentylatorowymi, czyli turbinami gazowymi napędzającymi śmigło.
Turbiny gazowe są również powszechnie stosowane w przemyśle. Znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie potrzeba wielkiej mocy generowanej przez małe urządzenie. Turbiny gazowe zasilają w prąd platformy wiertnicze, napędzają pompy tłoczące ropę naftową na polach naftowych i sprężarki gazu na gazociągach. Są również stosowane przez wojsko do napędu czołgów, śmigłowców i okrętów.
Przyjrzyjmy się efektywności współczesnych turbin gazowych. Jak pamiętamy, najwyższą sprawność mają silniki, w których paliwo spalane jest w jak najwyższej temperaturze, a oddawane do otoczenia spaliny mają jak najniższą temperaturę. W komorze spalania współczesnej turbiny gazowej temperatura osiąga 1500 stopni Celsjusza, czyli prawie 1800 kelwinów. Spaliny wylatujące z turbiny mają temperaturę ok. 620 stopni Celsjusza, czyli 900 K. Najwyższa sprawność termodynamiczna, jaką może osiągnąć urządzenie realizujące ten obieg termodynamiczny to 50%. Rzeczywiste turbiny mają mniejszą efektywność – od 30% dla małych turbin do 41% dla największych urządzeń. Ubytek wynika przede wszystkim z tarcia i zawirowań gazu na łopatkach sprężarki i turbiny.
Jest kilka metod pozwalających zwiększyć moc i efektywność turbiny gazowej. Najprostszym jest schłodzenie powietrza do niższej temperatury. Większość silników tego typu zasysa powietrze wprost z otoczenia, więc osiągi urządzenia zależą od pogody. Obniżenie temperatury powietrza przed wlotem można osiągnąć poprzez dodanie do niego wody, która odparowuje, chłodząc je o kilka stopni. W gorących, suchych miejscach, takich jak Półwysep Arabski można w ten sposób zwiększyć moc turbiny o kilka procent, jednak traci się przy tym dużo wody słodkiej.
Rys. 2. Moc i efektywność turbiny gazowej zależą od temperatury i wilgotności powietrza. Niebieską linią zaznaczono maksymalną moc urządzenia, w porównaniu z warunkami standardowymi (temperatura 15ºC, wilgotność 60%). Przy temperaturze -12ºC maksymalna moc turbiny rośnie o 15%, a przy temperaturze 45ºC spada o 20%. Czerwona linia przedstawia jednostkowe zużycie paliwa. Jak widać, turbiny gazowe znacznie lepiej pracują, gdy jest zimno.
Innym sposobem na zwiększenie efektywności jest podwyższenie temperatury spalania paliwa. Głównym ograniczeniem, z jakim muszą się mierzyć konstruktorzy, jest tu wytrzymałość łopatek turbiny. Muszą one wytrzymać napór gorących spalin poruszających się z prędkością setek kilometrów na godzinę, jednocześnie obracając się z ogromną szybkością wokół wału. Łopatki często mają postać monokryształu, wykonanego ze stopu wielu drogich i trudno dostępnych metali. Aby wytrzymały w tak gorącym środowisku muszą być chłodzone – w ich wnętrzu znajdują się kanały z chłodziwem. Łopatki nowoczesnych turbin gazowych są lekkie, opływowe i puste w środku, a przy tym zachowują niesamowitą wytrzymałość nawet w najwyższych temperaturach.
Spaliny opływające łopatki najnowszych turbin gazowych mają temperaturę 1500-1600 stopni Celsjusza, czyli o ponad 100 stopni więcej, niż wynosi temperatura topnienia materiału, z którego wykonane są łopatki. Wyższych temperatur nie wytrzymają żadne współczesne materiały.
Największe turbiny gazowe zamieniają na energię mechaniczną 38-41% energii paliwa. Praktycznie cała reszta ucieka w postaci ciepła ze spalinami, których temperatura po rozprężeniu do ciśnienia atmosferycznego ciągle wynosi ok. 600ºC. W nowoczesnych elektrowniach na gaz ziemny ciepło to wykorzystuje się do produkcji prądu, poprzez wpuszczenie spalin do kotła, w którym generowana jest para wodna pod wysokim ciśnieniem. Para wodna ogrzana przez spaliny kierowana jest następnie do turbiny parowej, skraplacza i z powrotem wpompowywana do kotła, podobnie, jak w elektrowni węglowej.
Dzięki wykorzystaniu ciepła spalin do wytworzenia pary, można zamienić na prąd prawie jedną trzecią ciepła spalin i podnieść całkowitą sprawność elektrowni z 40% do 60%. Praktycznie wszystkie obecnie budowane elektrownie na gaz ziemny to obiekty gazowo-parowe. Często spaliny z dwóch turbin gazowych trafiają do jednej turbiny parowej, takie rozwiązanie techniczne nazywane jest duo-blokiem.
Dalsze podniesienie efektywności można osiągnąć wykorzystując ciepło oddawane przez parę w skraplaczu. Para wodna to bardzo dobre medium grzewcze – jeden kilogram pary wodnej o temperaturze 100ºC może oddać do otoczenia o temperaturze 40ºC aż 10-krotnie więcej ciepła, niż kilogram wody o tej samej temperaturze. Z tego powodu para spuszczana z turbin energetycznych często jest wykorzystywana jako źródło ciepła w zakładach przemysłowych. Para wodna z turbiny może być też wykorzystana do ogrzewania ciepłej wody użytkowej lub wody w systemie centralnego ogrzewania. Obecnie w Polsce buduje się kilka elektrociepłowni gazowo-parowych, m.in. w Stalowej Woli, Gorzowie Wielkopolskim, Rzeszowie i Zgierzu. Rozważana jest budowa kolejnych, jeszcze większych elektrociepłowni na gaz ziemny w Puławach, Bydgoszczy, Wrocławiu i na warszawskim Żeraniu. Elektrociepłownia gazowo-parowa wykorzystuje nawet 90% energii zawartej w paliwie – 50% jest zamieniane na prąd, 40% na ciepło, a 10% to straty, wynikające głównie z tego, że spaliny wylatujące przez komin ciągle mają znacznie wyższą temperaturę od otoczenia.
Elektrownie i elektrociepłownie na gaz ziemny są efektywniejsze i emitują znacznie mniej zanieczyszczeń (w tym CO2) niż obiekty węglowe, ale pomimo to wymagają dodatkowego dofinansowania, aby mogły działać z zyskiem. Za każdą megawatogodzinę wyprodukowanej energii elektrycznej elektrociepłownia gazowa dostaje nie tylko 160 zł normalnej ceny za prąd, ale też ok. 130 zł w postaci tak zwanych „żółtych certyfikatów” – czyli świadectwa, że wykorzystuje gaz ziemny do produkcji prądu i ciepła. Jeśli tego wsparcia nie dostanie, to będzie stała bezczynnie, albo nawet w ogóle nie powstanie. Wynika to z dość wysokiej ceny gazu w Polsce.
Globalne zużycie gazu ziemnego nieustannie rośnie. Jest to klasyczny przykład Paradoksu Jevonsa. Nowoczesne elektrownie gazowe są tańsze, efektywniejsze i łatwiejsze w obsłudze, niż te budowane 30 lat temu i dlatego świat ma dziś zapotrzebowanie na znacznie więcej gazu, niż wtedy.
Podniesienie efektywności elektrowni na gaz ziemny z 35% do 60%, sprawiło, że gaz ziemny jest dziś w wielu krajach najtańszym surowcem do produkcji prądu, wypierając zarówno węgiel i ropę, jak i odnawialne źródła energii. W wielu krajach, szczególnie w USA, Chinach i na Bliskim Wschodzie, gaz ziemny jest również postrzegany paliwo ekologiczne, które pomoże zmniejszyć uzależnienie od węgla i ropy. Jest to nieprawda – podczas wydobycia i transportu gazu ziemnego, kilka procent wydobytego metanu trafia do atmosfery, wzmacniając efekt cieplarniany. Jeśli wydobycie gazu prowadzone jest niefrasobliwie, może być on nawet bardziej niebezpiecznym dla klimatu paliwem od węgla. Dodatkowo gaz ziemny jest paliwem znacznie bardziej niepewnym – finansowo i politycznie. Jest trudniejszy w transporcie i magazynowaniu niż ropa, węgiel, czy uran, stąd jego ceny podlegają dużym wahaniom. W 2012 roku, gdy w USA wybuchła gorączka łupkowa, gaz ziemny sprzedawany był w cenie 70$ za 1000 metrów sześciennych (Rosja sprzedaje gaz do Europy po 400 $/1000m3). Od tego czasu cena gazu w USA rośnie i obecnie wynosi ok. 170$. Według BP rezerwy gazu w USA wystarczą zaledwie na 13 lat przy obecnym poziomie wydobycia, co oznacza, że już niedługo czeka ich szczyt wydobycia gazu i drastyczny wzrost cen, gdyż rynkowa cena importu skroplonego gazu ziemnego wynosi dziś ok. 560 $ za tysiąc m3.
Gaz ziemny nie jest paliwem przyszłości. Już w najbliższych dekadach zderzymy się ze światowym szczytem wydobycia gazu i gwałtownym wzrostem jego cen. A wtedy używanie gazu ziemnego jako paliwa, nieważne, jak efektywnie, stanie się nieopłacalne.
