Wpływ standardów energetycznych i rodzaju zaopatrzenia w ciepło na emisję zanieczyszczeń oraz koszty ekonomiczne

Sezon grzewczy w wielu miejscowościach w Polsce kojarzy się z radykalnym pogorszeniem jakości powietrza, występowaniem wysokich stężeń pyłu PM10 i PM2,5, tlenków siarki (SO_x), tlenków azotu (NO_x), tlenków węgla (CO, CO₂), lotnych związków węglowodorowych (VOC), w tym wysokotoksycznych jedno- i wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych: JWA (MAH) i WWA (PAH).
Źródłem antropogenicznym tego stanu są procesy spalania paliw w źródłach mobilnych oraz stacjonarnych (piecach i małych kotłowniach) i związana z tym niska emisja (czyli emisja z niskich źródeł).

W 2011 roku w Polsce liczba domów jednorodzinnych kształtowała się na poziomie 5,5 miliona i rosła [4], co pokazuje skalę występowania zjawiska.

Aspektami mającymi istotny wpływ na jakość powietrza są również warunki meteorologiczne:
- prędkość wiatru,
- wartość pionowego gradientu temperatury
- oraz warunki topograficzne miejscowości.

Są to czynniki niezależne od człowieka, które jednak należy uwzględnić w procesie projektowania systemu zaopatrzenia osiedla lub miejscowości w ciepło [2].

Budynki mieszkalne w Polsce różnią się istotnie jednostkowym rocznym zapotrzebowaniem na energię do ogrzewania. Wyodrębniono następujące grupy budynków:

• pasywne: q_r ≤ 15 kWh/m²/rok (≤ 0,05 
  GJ/(m2/rok),
• energooszczędne: q_r = 50–70 kWh/m²/rok (0,18−0,25 GJ/m²/rok),
• obecnie budowane: q_r = 80–120 kWh/m²/rok (0,29−0,43 GJ/m²/rok),
• starsze ocieplone: q_r = 140–160 kWh/m²/rok (0,5−0,58 GJ/m²/rok),
• starsze nieocieplone: q_r = 170–200 kWh/m²/rok (0,61−0,72 GJ/m²/rok).

W wielu przypadkach istniejące budynki nie spełniają warunków technicznych obowiązujących od 1 stycznia 2014 r. Brak izolacji termicznej o odpowiedniej grubości, wybór komponentów budowlanych dyktowany wyłącznie ceną i stosowanie kotłów, w których spalany jest niesortymentowany węgiel, lub dwóch źródeł ciepła – na gaz oraz na węgiel, odpady drzewne i komunalne – zwiększają emisję zanieczyszczeń [7, 9].

Według danych GUS zawartych w opracowaniu pt. „Zużycie energii w gospodarstwach domowych w 2012 r.” [5] w Polsce na 1 m² powierzchni użytkowej średnie roczne zużycie w gospodarstwie domowym gazu ziemnego wysokometanowego wynosiło 13,8 m³/m²/rok (0,5 GJ/m²/rok), oleju opałowego lekkiego 11,1 dm³/m²/rok (0,5 GJ/m²/rok), węgla kamiennego 31,6 kg/m²/rok (0,8 GJ/m²/rok), drewna opałowego 0,1 m³/m²/rok (0,5 GJ/m²/rok), a energii elektrycznej 83,2 kWh/m²/rok (0,3 GJ/m²/rok).

Wielkości zużycia nośników energii podano w przeliczeniu na gospodarstwo domowe, które rzeczywiście zużywa dany nośnik energii do ogrzewania pomieszczeń. Oznacza to, że średnie wartości zużycia nośników energii odpowiadają standardom starych budynków nieocieplonych lub ocieplonych. Wyjątkiem jest energia elektryczna wykorzystywana do ogrzewania głównie w budynkach energooszczędnych.

Opracowanie GUS dało podstawę do analizy kosztów ekologicznych i ekonomicznych zaopatrzenia w ciepło dla budynków o zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania: 150 kWh/m²/rok (budynki stare ocieplone) oraz 190 kWh/m²/rok (budynki stare nieocieplone).

Średnia powierzchnia użytkowa domu jednorodzinnego na wsi wg GUS [5] wynosi 103,7 m².

W celu nadania klarowności obliczeniom do celów analizy przyjęto powierzchnię użytkową budynku równą 100 m² [3].

W artykule dokonano oceny typowych źródeł zaopatrzenia w ciepło dla zabudowy niskiej, których zamiana jest możliwa bez kompleksowej wymiany instalacji centralnego ogrzewania. Analizie poddano wartości emisji zanieczyszczeń oraz koszty ekonomiczne w przypadku budynków starych o zapotrzebowaniu na energię q_r = 150 kWh/m²/rok oraz q_r = 190 kWh/m²/rok, jednocześnie porównując ze standardem obecnie budowanych domów jednorodzinnych (q_r = 100 kWh/m²/rok), budynkami energooszczędnymi (q_r= 60 kWh/m²/rok) i pasywnymi (q_r= 15 kWh/m²/rok) dla różnych paliw. Przedstawiono realne kierunki ograniczenia wielkości oraz uciążliwości emisji zanieczyszczeń powietrza pod względem technicznym i ekonomicznym. Celem artykułu jest wskazanie możliwości znaczącego poprawienia jakości powietrza wynikające z procesów produkcji ciepła, szczególnie na obszarach intensywnej zabudowy niskiej.

Paliwo

Parametrem charakteryzującym każde paliwo jest wartość opałowa, czyli ilość energii wytwarzanej podczas spalenia całkowitego i zupełnego jednostki masy lub objętości paliwa, lecz bez skroplenia się pary wodnej, przy osiągnięciu przez spaliny temperatury początkowej paliwa.

Za pomocą wartości opałowej możliwe jest określenie ilości potrzebnego do spalania paliwa na potrzeby ogrzewania i ciepłej wody użytkowej. Dlatego przy zakupie paliwa należy cenę uzależniać od wartości opałowej.

Poza kalorycznością paliwa ważnymi parametrami określającymi jego jakość są spiekalność oraz zawartość popiołu, siarki i wilgoci [12].

Na podstawie danych publikowanych przez koncerny paliwowe, składy węgla kamiennego i nadleśnictwa zestawiono charakterystyki paliw oraz ich koszt zakupu w Polsce.

Wielkość ziaren węgla determinuje sposób, w jaki należy zapewnić efektywne spalanie. Wyróżnia się sortymenty zasadnicze [13, 14]:

• drobne o granulacji ziaren poniżej 10 mm,
• średnie o granulacji ziaren:10–30 mm,
• grube o granulacji ziaren większej niż 30 mm.

W tab. 1, która powstała na podstawie ofert opublikowanych przez składy węgla w Polsce, przedstawiono zawartość popiołu i siarki w węglu kamiennym dyktowaną uziarnieniem, dla wybranego sortymentu.

Dla każdego sortymentu węgla kamiennego zakres wartości opałowej dostępny na rynku jest podobny. Wraz ze wzrostem uziarnienia rośnie koszt zakupu (tab. 2). Wynika to z faktu, że im grubszy sortyment, tym trudniej go uzyskać [12].

Gaz ziemny wysokometanowy wg danych GUS [4] stanowił w 2012 roku 10% wśród nośników energii użytkowej w gospodarstwach domowych.

Minimalna wartość opałowa gazu gwarantowana przez PGNiG to 31 MJ/m³, co daje wartość 8,61 kWh/m³.

Przykładowy skład gazu ziemnego wysokometanowego typu E (dawniej GZ-50) podawany przez PGNiG [15] przedstawia się następująco:

• metan: ok. 97,8%;
• etan, propan, butan: ok. 1%;
• azot: ok. 1%;
• dwutlenek węgla i inne: 0,2%.

Cena 1 m³ oleju opałowego lekkiego podlega ciągłym wahaniom.

Według danych publikowanych przez koncerny naftowe w latach 2006–2012 utrzymywała się tendencja wzrostowa, aż do momentu osiągnięcia poziomu 3300 zł/m³ netto.

W tab. 2 przedstawiono uśrednioną cenę oleju opałowego lekkiego obowiązującą w 2016 roku.

Przykładowy udział masowy poszczególnych jego składników rozkłada się następująco [1]:

• węgiel: 86,6%;
• wodór: 12,65%;
• siarka: 0,25%;
• tlen: 0,55%.

Najczystszym paliwem stałym jest drewno o zawartości siarki i popiołu nawet poniżej 0,1%.

Udział procentowy pierwiastków chemicznych w drewnie energetycznym jest następujący:

• węgiel: 50–52%;
• wodór: 6–6,5%;
• tlen: 40–44%;
• azot: ok. 0,2%;
• siarka: ok. 0,1%;
• związki mineralne (wapń, magnez, potas): ok. 0,5–1,0% [6].

Najwyższą wartość energetyczną ma drewno liściaste, a zwłaszcza grab, jesion, brzoza i dąb.

W tab. 2 zamieszczono wartości opałowe drewna wysuszonego na powietrzu, które uzależnione są od wielkości jego kawałków oraz przedstawiono ceny 1 m³ drewna w zależności od jego rodzaju i miejsca składowania.

Źródła ciepła

W tab. 3 zestawiono przykładowe źródła ciepła w budynkach jednorodzinnych. Scharakteryzowano kotły, które są obecnie najpopularniejszymi rozwiązaniami w Polsce.

Emisja zanieczyszczeń

Wartości emisji zanieczyszczeń uzyskiwane podczas spalania węgla kamiennego (sortyment 50–60 mm) obliczono na podstawie wskaźników zamieszczonych w pracach [8, 11].

Analiza została wykonana dla węgla o wartości opałowej w_d = 31,55 MJ/kg, spalanego w kotle z rusztem stałym o mocy Q_k = 30 kW. Powietrze wymagane do prawidłowego prowadzenia procesu spalania doprowadzono grawitacyjnie jako powietrze pierwotne (ok. 8,1 m³/kg) i wtórne (ok. 11,4 m³/kg). Uśredniony strumień dozowanego paliwa wynosił 6,1 kg/h. Wyniki obliczeń przedstawiono na rys. 1.

Wartości emisji zanieczyszczeń uzyskiwane podczas spalania kawałków drewna sosnowego o średnicy 50–60 mm obliczono również na podstawie wskaźników zamieszczonych w pracach [8, 11]. Wartość opałowa paliwa wynosiła wd = 19,49 MJ/kg.

• Spalanie odbywało się tak jak w przypadku węgla kamiennego w kotle z rusztem stałym o mocy Q_k = 30 kW.
• Powietrze doprowadzono grawitacyjnie: pierwotne ok. 8,1 m³/kg, wtórne ok. 11,4 m³/kg.
• Uśredniony strumień dozowanego paliwa wynosił 10 kg/h. Wyniki obliczeń dla pięciu standardów przedstawiono na rys. 2.

Wartości emisji zanieczyszczeń otrzymane podczas spalania gazu ziemnego wysokometanowego typu E (dawniej GZ-50) obliczono na podstawie wskaźników podanych w pracy [1]. Wartość opałowa gazu ziemnego wynosiła wd = 43,9 MJ/kg, przy średniej sprawności kotła 92%. Wyniki obliczeń przedstawiono na rys. 3.

Wartości emisji przy spalaniu oleju obliczono również na podstawie wskaźników podanych w pracy [1]. Analizowany olej opałowy lekki ma wartość opałową w_d = 41,9 MJ/kg oraz zawartość siarki s = 0,25%. Średnia sprawność kotła olejowego wynosiła 90%. Wyniki obliczeń przedstawiono na rys. 4.

W celu porównania rocznej emisji zanieczyszczeń warunkowanej rodzajem paliwa wykonano zestawienie emitowanych substancji powstałych w wyniku spalania paliw na potrzeby ogrzewania budynku o zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania równym 150 kWh/m²/rok i pow. 100 m² (rys. 5).

Największe różnice są widoczne w przypadku tlenku węgla.

Potwierdzono, że najwyższe wartości emisji zanieczyszczeń osiągane są podczas spalania węgla kamiennego, natomiast najniższe odnoszą się zazwyczaj do gazu ziemnego wysokometanowego, z wyjątkiem ditlenku azotu o zauważalnej ilości w skali roku.

Największe różnice są widoczne w przypadku tlenku węgla.

Potwierdzono, że najwyższe wartości emisji zanieczyszczeń osiągane są podczas spalania węgla kamiennego, natomiast najniższe odnoszą się zazwyczaj do gazu ziemnego wysokometanowego, z wyjątkiem ditlenku azotu o zauważalnej ilości w skali roku.

Koszty uzyskania komfortu cieplnego

Na rys. 6 przedstawiono roczny koszt zakupu paliw dla budynku o powierzchni użytkowej równej 100 m2 dla pięciu standardów energetycznych określonych zapotrzebowaniem na energię do ogrzewania przy uwzględnieniu sprawności kotłów.

Dla drewna energetycznego obliczenia wykonano przy założeniu, że procentowy udział wilgotności spalanego drewna to 20%, a sprawność kotła wynosi 84%. Sprawność kotła, w którym spalano węgiel kamienny, również założono na poziomie 84%.

Koszt ogrzewania budynku gazem ziemnym wysokometanowym obliczono przy sprawności kotła równej 103% (kocioł kondensacyjny) i 92% (kocioł konwencjonalny), natomiast dla oleju opałowego lekkiego wartości te wynoszą kolejno: 104% (kocioł kondensacyjny) i 90% (kocioł konwencjonalny).

Na rys. 7 zobrazowano roczne koszty zakupu nośników energii dla osiedla skupiającego 100 starych ocieplonych budynków (zapotrzebowanie 150 kWh/m2/rok) w porównaniu z osiedlem 100 budynków wykonanych w standardzie obecnie dominującym wśród nowo powstających domów jednorodzinnych (100 kWh/m2/rok).

Całkowite zapotrzebowanie na energię do ogrzewania dla osiedli wynosi odpowiednio 1500 i 1000 MWh.

Podsumowanie

Wysoka energochłonność budynku oraz zastosowanie kotła, w którym spalany jest niesortymentowany węgiel, odpady drzewne lub komunalne, zwiększa emisję wysokotoksycznych związków, jak również awaryjność kotła oraz obniża jego sprawność. Dlatego na zapewnienie płynnej i ekonomicznie opłacalnej pracy kotła istotny wpływ ma wybór dobrej jakości spalanego paliwa oraz dostosowanie kotłów (pieców) do rodzaju paliwa [10].

Roczne koszty ogrzewania osiedli o zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania równym 1500 i 1000 MWh/rok różnią się w zależności od paliwa – od 60 000 do 140 000 zł. Potwierdza to, że zwrot termomodernizacji następuje po kilku latach, a przy większej liczbie obiektów o powtarzającej się strukturze koszty inwestycyjne zostają dodatkowo pomniejszone. Przy budowie nowych obiektów dobrą praktyką jest przeprowadzenie na etapie projektowania analizy kosztów budynków o różnym stopniu energooszczędności.

Różnica kosztów ogrzewania w skali osiedla pomiędzy budynkami, w których zastosowano kocioł węglowy, a budynkami, w których źródłem ciepła jest gazowy kocioł kondensacyjny, wynosi około 100 000 zł. Należy jednak pamiętać, że w przypadku kotłów na paliwo stałe proces spalania wymaga ciągłej kontroli i w wielu starych kotłowniach sprawności kotłów podane przez producentów nie zostają osiągnięte, co generuje dodatkowe koszty w postaci zakupu dodatkowego paliwa, będące konsekwencją niecałkowitego spalania.

Jednocześnie w odniesieniu do emisji w wyniku spalania gazu ziemnego znacząco zwiększona zostaje emisja zanieczyszczeń. Dodatkowo w budynkach z tradycyjnym kotłem węglowym (bez automatyki) temperatura wewnętrzna podlega ciągłym wahaniom i komfort cieplny w wielu przypadkach nie jest uzyskiwany.

W celu usprawnienia procesu spalania nowoczesne kotły na paliwa stałe (również o małej mocy) są tworzone z myślą o konkretnym paliwie, o określonych wymiarach i jakości.

Wyposażone w system sterowania zapewniający automatyczne ciągłe dozowanie porcji paliwa oraz wprowadzający wymaganą ilość powietrza do stref spalania ułatwiają obsługę (brak konieczności ciągłego monitorowania procesu spalania przez człowieka) i utrzymanie sprawności kotła na wysokim poziomie. Celem zapewnienia optymalnych warunków pracy kotła jest uzyskanie tzw. czystego spalania, którego produktami są jedynie ditlenek węgla i woda.

Obecnie najmniej opłacalnym ekonomicznie nośnikiem energii dla domów jednorodzinnych jest olej opałowy lekki – koszty jego zakupu są nawet ponad dwukrotnie wyższe w odniesieniu do pozostałych analizowanych paliw. Jednak w porównaniu do paliw stałych zapewnia on wysoki komfort obsługi i umożliwia transportowanie i magazynowanie w miejscach zlokalizowanych poza zasięgiem tradycyjnych sieci gazowych.

Roczne koszty zakupu oleju opałowego lekkiego przy zastosowaniu kotła tradycyjnego (90%) lub kondensacyjnego (104%) różnią się o około 10%, dając znaczące korzyści, jednak obecnie różnica pomiędzy ceną kotła kondensacyjnego i tradycyjnego sięga nawet 10 000 zł.

Rozwiązaniem umożliwiającym całkowitą eliminację niskiej emisji jest centralizacja źródeł ciepła. Poprzez budowę lokalnej kotłowni dla osiedla domów jednorodzinnych liczba stacjonarnych źródeł ciepła ograniczana jest do jednego, zapewniającego wyniesienie szkodliwych substancji powyżej strefy cienia aerodynamicznego.

Na wysokość kominów mają wpływ: moc ciepłowni, rodzaj paliwa oraz lokalizacja względem zabudowy. Stosowane jednostki kotłowe o sumarycznej mocy do kilku MW są prawidłowo eksploatowane i często wyposażone w urządzenia do redukcji zanieczyszczeń, podlegają też ciągłej kontroli dozoru technicznego. Zasięg sieci cieplnej wynosi kilkaset metrów.

W celu utrzymania wysokiej jakości powietrza centralizacja źródeł ciepła powinna obejmować również osiedla z mieszkaniami, w których zainstalowane są piece gazowe jako źródła ogrzewania, ponieważ spalanie gazu ziemnego to również źródło emisji związków toksycznych, takich jak NO_x, które są wprowadzane do strefy przebywania ludzi.

Literatura

1. Bagieński Z., System ochrony powietrza. Zagadnienia wybrane. Część I, Fundacja na Rzecz Rozwoju Politechniki Poznańskiej, Poznań 2003.
2. Bagieński Z., Wpływ struktury zużycia energii na jakość powietrza w aglomeracji miejskiej w klimacie umiarkowanym, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2010.
3.  Bagieński Z., Jaskulska J., Ograniczenie wpływu źródeł zaopatrzenia w ciepło na jakość powietrza w obszarach intensywnej zabudowy niskiej, [w]: „Powietrze atmosferyczne. Jakość – zagrożenia – ochrona”, Gaj K., Kuropka J. red., Wrocław 2016, s. 18–29.
4. Dzikuć M., Adamczyk J., The ecological and economic aspects of a low emission limitation: a case study for Poland, „The International Journal of Life Cycle Assessment”, 2015, Vol. 20, No. 2, p. 217–225.
5.  Główny Urząd Statystyczny, Zużycie energii w gospodarstwach domowych w 2012 r., Warszawa 2014.
6.  Ebert H.-P., Palenie drewnem we wszystkich rodzajach pieców, Studio Astropsychologii, Białystok 2013.
7. Jaskulska J., Radomski B., Rzeźnik I., Figielek A., Analiza parametrów budynku dostosowanego do standardu pasywnego według kryteriów Passive House Institute, „Rynek Instalacyjny” nr 1–2/2016.
8. Jones J., Kubacki M., Kubica K., Ross A.B., Williams A., Devolatilisation characteristics of coal and biomass blends, „Journal of Analytical and Applied Pyrolysis”, 2005, Vol. 74, p. 502–511.
9.  Kurcz L., Filipowicz M., Źródła ciepła małej mocy w systemach ogrzewania, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 3/2015, s. 104–111.
10.  Lochno A. red., Opracowanie eksperckie w zakresie wprowadzenia ograniczeń w stosowaniu paliw stałych na obszarach Krakowa. Inteligentne rozwiązania, aby chronić środowisko, ATMOTERM, 2010.
11. Ross A.B., Jones J.M., Chaiklangmuang S. et al., Measurement and prediction of the emission of pollutants from the combustion of coal and biomass in a fixed bed furnace, „Fuel”, 2002, Vol. 81, p. 571–582.
12.  Zawistowski J., Janiszewski S., Paliwa węglowe dla małych kotłów c.o., „Rynek Instalacyjny” nr 7–8/2010.
13. www.khw.pl/oferta/sortyment_wegla.html (18.01.2016).
14. www.kwsa.pl (18.01.2016).
15.  pgnig.pl (1.02.2016).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!