PE_2_NAJ_Elektrownie gazowe OK

Gaz przyszłością energetyki?
Autor: Grzegorz Ozaist
(„Polska Energia” – nr 2/2013)
Gaz ziemny jako paliwo dla elektroenergetyki stosuje się od wielu lat. Ostatnio, ze względów
ekologicznych i ekonomicznych, zainteresowanie tym paliwem rośnie
Amerykańska „rewolucja łupkowa” zmieniła światowy rynek gazu ziemnego: Doprowadziła
do zainteresowania wydobyciem gazu z łupków w wielu krajach i zwiększenia opłacalności
inwestycji w elektrownie gazowe. Jeszcze kilka lat temu uważano, że światowe zasoby gazu
ziemnego skończą się w ciągu 20-40 lat. Dziś wiadomo, że dzięki odkryciu nowych złóż i
wprowadzeniu nowoczesnych technologii wydobycia błękitne paliwo będzie nam
towarzyszyć znacznie dłużej. Budowa elektrowni zasilanych gazem ziemnym jest znacznie
mniej kosztowna od inwestycji w inne źródła energii elektrycznej, krótszy jest też czas ich
budowy. Jednak o opłacalności produkcji elektryczności w siłowniach gazowych w znaczącej
części decyduje cena paliwa. A tu rozrzut jest duży – od około 100 dol. w Stanach
Zjednoczonych do ponad 450 dolarów za tysiąc m sześc. (jak w Polsce).
Od przedwojennej staruszki do arabskiego giganta
Pierwszą przemysłową instalacją, w której zastosowano turbinę gazową do wytwarzania
energii elektrycznej, była siłownia uruchomiona w 1939 r. w Neuchatel w Szwajcarii. Turbina
napędzała generator. Urządzenie zbudowała spółka BCC Brown Boveri & Cie i działało ono
od 1939 do 2002 r. Moc instalacji wynosiła 4 MW, a sprawność 17,4 proc. (współczesne
elektrownie gazowo-parowe osiągają nawet 60 proc.). Jednym z ojców współczesnych turbin
gazowych był Aurel Stodola, słowacki inżynier i fizyk, profesor uniwersytetu w Zurychu,
który nadzorował testy prowadzone podczas montażu najstarszej turbiny energetycznej. Dziś
spędza ona emeryturę w szwajcarskiej miejscowości Birr – znajduje się w nowoczesnym
budynku ufundowanym przez władze koncernu Alstom, który przejął firmę Brown Boveri i
właśnie w Birr ma zakłady oraz centrum badawczo-rozwojowe.
Do największych współczesnych elektrowni gazowych należą obiekty w Japonii – gaz może
stać się w Kraju Kwitnącej Wiśni podstawowym paliwem do produkcji elektryczności, jeśli
władze w Tokio ostatecznie zrezygnują z elektrowni atomowych. Trudno jednak wskazać
największą elektrownię gazową na świecie – nowe jednostki powstają szybko, wciąż
powiększając zainstalowaną moc. Można przyjąć (w ujęciu geograficznym), że
prawdopodobnie największą moc osiągnęła Jebel Ali Power and Desalination Station w
Zjednoczonych Emiratach Arabskich. To w rzeczywistości kompleks siłowni z instalacjami
odsalania wody, rozbudowywany już w latach 80. ubiegłego wieku. Pod koniec roku 2011
moc zainstalowana Jebel Ali przekraczała 6600 MW, a po zakończeniu kolejnej inwestycji
mocno przekroczyła 7000 MW. Wszystkie siłownie są wyposażone w instalacje odsalania
wody – mogą dziennie uzdatnić 400 MIGD – milionów galonów imperialnych dziennie,
(czyli ponad 1800 mln l wody). Najnowsze dziecko tego kompleksu to elektrownia parowogazowa oddana do użytku w ubiegłym roku. Ma 2000 MW zainstalowanej mocy i wydajny
system odsalania. Składa się z sześciu turbozespołów.
Japonia stawia na gaz
O ile dla władz w Dubaju potężne inwestycje w rozbudowę systemu elektroenergetycznego w
dużej mierze wiążą się z koniecznością pozyskiwania słodkiej wody, o tyle dla pozbawionej
paliw kopalnych Japonii najważniejsze wyzwania to bezpieczeństwo dostaw i sprostanie
zapotrzebowaniu. Przy wytwarzaniu na poziomie 1000 TWh rocznie Kraj Wschodzącego
Słońca jest jednym z największych producentów elektryczności na świecie. Przez lata źródła
wytwarzania były zrównoważone: elektrownie węglowe, gazowe i jądrowe miały podobne
udziały w produkcji. Po trzęsieniu ziemi, tsunami i zniszczeniu reaktorów w Fukushimie w
2011 r. sytuacja się zmieniła: energetyka jądrowa prawdopodobnie pójdzie w odstawkę, a
siłownie gazowe mogą stać się głównym źródłem zasilania. Już dziś japońskie obiekty
okupują czołówkę listy największych elektrowni gazowych na naszym globie. W pierwszej
dziesiątce poza Jebel Ali figurują jeszcze dwie siłownie: z Rosji i z Tajwanu. Pozostałe
miejsca zajmują instalacje japońskie. Elektrownia Kawagoe, należąca do spółki Chubu
Electric Power, ma moc 4802 MW. Gaz ziemny wykorzystywany jest w niej jako paliwo do
produkcji pary napędzającej turbiny. Korporacja ma elektrownie o łącznej mocy prawie 24
GW, w tym cztery gazowe (łącznie 10758 MW) i jedną dwupaliwową, na gaz i lekki olej
opałowy, o mocy 3966 MW. Po zwiększeniu dostaw w wyniku zawieszenia działalności
elektrowni atomowej siłownie zużywają rocznie ok. 13 mln ton LNG (ang. Liquefied Natural
Gas – gaz ziemny w postaci ciekłej). To prawie 18 mld m sześc. – znacznie więcej niż
zużywa cała Polska. Dostawy zapewnia 190 statków rocznie. Głównym dostawcą jest Katar,
znaczący udział mają Nigeria i Rosja.
Inna wielka elektrownia, Himeji, należy do Kansai Electric Power i ma niemal 4000 MW.
Koncern kilka lat temu zadecydował o przeróbce cieplnych elektrowni gazowych na
elektrownie gazowo-parowe, w których działa turbina gazowa napędzana spalinami,
natomiast ciepło spalin wykorzystuje się w turbinie parowej. Himeji w nowym wcieleniu
rozpocznie pracę w tym roku.
Elektrownie proste i złożone
Współcześnie producenci oferują dwa rodzaje elektrowni gazowych: pracujące w obiegu
prostym (simple cycle power plants) lub łączonym, gazowo-parowym (combined cycle power
plants).
W pierwszym przypadku jest to turbina gazowa z generatorem, stosunkowo prosta
konstrukcja, najlepiej sprawdzająca się w roli elektrowni szczytowej, dostarczającej energię
elektryczną w razie potrzeby – np. przy szybkim wzroście zapotrzebowania lub do zastąpienia
innego źródła w razie awarii albo źródeł odnawialnych (np. farm wiatrowych) w czasie, kiedy
nie są w stanie wytwarzać elektryczności. Są stosunkowo tanie, można je postawić w bardzo
krótkim czasie. Alstom wybudował taką jednostkę w F’Kirinie w Algierii. Umowę podpisano
w sierpniu 2003 r., a w październiku roku następnego siłownia o mocy 300 MW już działała.
Prawdopodobnie to najszybciej zbudowana elektrownia cieplna. Podobną elektrownię
postawiono w ciągu 16 miesięcy w miejscowości Braemar w Australii.
Drugie rozwiązanie łączy turbinę gazową z parową, wykorzystując ciepło spalin
przechodzących przez turbinę gazową. Takie rozwiązanie podnosi sprawność powyżej 50
proc. nawet do 60 – nowoczesne elektrownie cieplne osiągają ok. 45 proc. W cyklu łączonym
działa australijska elektrownia Pelican Point o mocy 487 MW. Gaz ziemny spala się w
mieszaninie ze sprężonym powietrzem, rozgrzane do wysokiej temperatury spaliny
wprowadzają w ruch turbinę gazową, a następnie trafiają do generatora pary, która trafia na
turbinę parową. Pelican Point osiągnął sprawność przekraczającą 53 proc.
Gazowa przyszłość
Od kilku lat pojawiają się nowe rozwiązania, jak uzupełnienie obiegu łączonego o słoneczną
energię cieplną (Integrated Solar Combined Cycle – ISCC). Działają już pierwsze takie
instalacje. Rozwiązanie polega na zbudowaniu tzw. wieży słonecznej, gdzie np. płaskie tafle
heliostatów (specjalnych zwierciadeł) kierują promienie słoneczne na umieszczony w wieży
odbiornik (kolektor) przekazujący ciepło do nośnika. Pozyskane ciepło może służyć do
wstępnego ogrzewania powietrza, które wraz z paliwem trafi do komory spalania, do
reformingu paliwa (procesu wpływającego na jego większą oktanowość) lub wsparcia
produkcji pary dla turbiny parowej. Według firmy General Electric elektrownia gazowoparowa o mocy 510 MW i sprawności ok. 61 proc. dzięki dołączeniu instalacji solarnej
mogłaby tę sprawność zwiększyć powyżej 70 proc. GE w 2009 r. uruchomiło siłownię
demonstracyjną o mocy 5 MW w Kalifornii. W Hassi-R’mel w Algierii działa elektrownia
ISCC osiągająca moc 150 MW, przy czym 20 MW zawdzięcza ciepłu pochodzącemu z 224
słonecznych kolektorów parabolicznych.
Gaz ziemny od lat odgrywał ważną rolę w światowej energetyce, ale dopiero od niedawna
staje się dla wielu inwestorów prywatnych i państw paliwem pierwszego wyboru. Przede
wszystkim przyczyniły się do tego Stany Zjednoczone i upowszechnienie gazu łupkowego –
wzrost produkcji i szybki spadek cen praktycznie uniezależniły Waszyngton od importu gazu
ziemnego, co spowodowało spadki cen surowca na świecie, szczególnie w transakcjach spot,
gdzie handluje się dostawami LNG. W źródła gazowe inwestuje Chile, by zmniejszyć
zależność od zagrożonych suszami elektrowni wodnych. Chiny budują elektrownie gazowe,
by zmniejszyć udział węgla w energetyce.
W Polsce ruszyła budowa elektrociepłowni gazowo-parowej o mocy elektrycznej 450 MW w
Stalowej Woli, wspólne przedsięwzięcie Taurona i PGNiG. Na razie największa
elektrociepłownia gazowa działa w Zielonej Górze. Jej moc elektryczna wynosi 198 MW.