Důlní plyn jako druhotný zdroj energie pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla

Úvod

Všeobecně diskutovaná je oblast využití obnovitelných zdrojů energie a kombinovaná výroba elektřiny a tepla. Vedle obnovitelných zdrojů energie (sluneční energie, biomasa, větrná nebo geotermální energie apod.) se zájem přesouvá i na druhotné zdroje energie, k nimž patří i důlní plyn. Menší povědomí o něm souvisí s jeho vazbou na lokální ložiska zejména černého uhlí v ostravsko-karvinské, případně rosicko-oslavanské pánvi.

Původ důlního plynu

Uhelná ložiska jsou doprovázena i ložisky důlního plynu. Ten vzniká z původně biologické hmoty během geologických procesů při jejím zuhelňování. Otevřením uhelných ložisek v důsledku jejich těžby dochází k uvolnění důlního plynu, který prostupuje jak do vytěžených podzemních prostorů, tak i nad zemský povrch.

Charakteristika důlního plynu

Složení důlního plynu je závislé na mnoha geologických předpokladech i na podmínkách spojených s těžbou uhlí nebo situací důlních děl - tzv. stařin, kde již byla těžba ukončena.

Orientační charakteristika důlního plynu na počátku těžby uhelného ložiska:

metan	90 %
vyšší uhlovodíky	3 %
tzv. inerty (převážně dusík a oxid uhličitý)	7 %

Důlní plyn, který máme na mysli v tomto případě, tj. plyn z ukončených důlních děl, vystupující na povrch většinou ve směsi se vzduchem, má nižší obsah metanu. Současná měření uvádějí, že obsah metanu se pohybuje v rozmezí cca 30 ÷ 60 % a jeho výhřevnost je v rozmezí cca 11 ÷ 20 MJ.Nm^-3.

S ohledem na minimální náklady spojené se získáváním důlního plynu se jedná o velmi zajímavý zdroj energie. Z pohledu energetického obsahu i složení lze důlní plyn srovnávat s bioplynem, který má ostatně podobné složení (40 až 60 % metanu, CO₂ a další plyny v malých množstvích) i použitelnost.

Nebezpečí a následná opatření

Značný podíl metanu činí z důlního plynu nebezpečnou látku, která ve směsi se vzduchem vytváří vysoce třaskavou směs (pouze ale v koncentraci od 5 do 15 % plynu ve vzduchu). Důlní plyny odjakživa patřily k postrachu horníků v uhelných revírech.

V ostravsko-karvinské oblasti je řada obcí i měst ležících na poddolovaném území. Důlní plyn vystupující na povrch by mohl znamenat bezprostřední ohrožení. Z toho důvodu se již v minulosti prováděla pasivní opatření v podobě:

1. označení míst výstupu plynu a zřízení ochranných pásem,
2. odsávání plynu v kontrolních místech s jeho následným spalování v místě výtlaku kompresorů.

Tato opatření přispěla sice k zajištění bezpečnosti v okolí, nevyužila však energetický potenciál důlního plynu, naopak vykazovala spotřebu energie (pohon kompresorů) a zatěžovala ovzduší emisemi z otevřeného spalování důlního plynu.

V posledních letech nastal výrazný posun z hlediska zajištění bezpečnosti okolí, využití energie důlního plynu i ochrany životního prostředí v podobě výstavby kogeneračních jednotek, spalujících důlní plyn v místech jeho výskytu. Kromě uvedených přínosů není zanedbatelný ani ekonomický efekt z prodeje vyrobené elektřiny a tepla.

Technologický proces

Kogenerační zdroj a jeho provoz

Pojem kogenerace znamená kombinovanou výrobu elektrické energie a tepla. Oproti klasickým elektrárnám, ve kterých je teplo vzniklé při výrobě elektrické energie vypouštěno do okolí, využívá kogenerační jednotka teplo k vytápění a šetří tak palivo i finanční prostředky potřebné na jeho nákup.

Vstup energií do procesu, jejich přeměna a ztráty v klasických a kogeneračních zdrojích jsou znázorněny na následujícím schématu.

Využití paliva v různých energetických zdrojích

Elektrická energie vzniká ve velkých tepelných elektrárnách roztočením elektrického generátoru pomocí turbíny. Teplo nutné k výrobě páry, která turbínu pohání, se většinou získává spalováním uhlí nebo štěpením jader uranu, v současnosti se rozvíjí spoluspalování biomasy. Velká část tepla však není využita a je bez užitku vypouštěna do ovzduší. Účinnost výroby v tepelných elektrárnách se pohybuje kolem 30%, nejmodernější paroplynové elektrárny pak mají účinnost kolem 50%, ovšem k dalším ztrátám ve výši asi 11% dochází při transformaci a dálkovém přenosu elektrické energie.

V kogenerační jednotce vzniká elektrická energie stejným způsobem jako v jiných elektrárnách - roztočením elektrického generátoru, a to pomocí pístového spalovacího motoru. Motory v kogeneračních jednotkách jsou standardně konstruovány na zemní plyn, mohou však spalovat i jiná kapalná či plynná paliva.

Teplo, které se ve spalovacím motoru uvolňuje, je prostřednictvím chlazení motoru, oleje a spalin efektivně využíváno a díky tomu se účinnost kogeneračních jednotek pohybuje v rozmezí 80 - 90 %. Ze stejného množství paliva získá přibližně dvojnásobné množství energie, z níž část může prodávat, a tím opět snižovat vlastní náklady. Použití kogeneračního způsobu výroby tepla a elektrické energie představuje zhruba 40% úsporu paliva. Převedeno na peníze to znamená, že za stejné množství energie zaplatí uživatel pouze 60% finančních prostředků.

Teplo i elektrická energie navíc vznikají v místě své spotřeby, čímž odpadají náklady na rozvod energie i ztráty tímto dálkovým rozvodem způsobené. Teplo vznikající v kogenerační jednotce je využito k vytápění budov, přípravě teplé užitkové vody nebo k přípravě technologického tepla. Protože se při použití kogeneračního způsobu výroby elektřiny a tepla ušetří asi 40% paliva, zatěžuje kogenerace z ekologického hlediska přibližně o totéž procento méně životní prostředí.

Kogenerační jednotky slouží často též jako nouzové zdroje elektrické energie v místech její nepřetržité potřeby.

Lokální zdroje

První kogenerační jednotky byly instalovány přednostně v místě bývalých dolů (Vrbice, Staříč, Paskov, Dukla, Franišek, Darkov, Odra, Sviadnov, Žofie, Rychvald), ale i v průmyslových závodech (ŽD Bohumín, OKD Doprava Muglinov) nebo v městských lokalitách (Ostrava, Orlová). V současné době jsou jen na ostravsko-karvinsku instalovány více než dvě desítky kogeneračních jednotek s výkonem od 400 do 2000 kW.

Mapka č. 1 - Poloha některých kogeneračních jednotek

Situační a dispoziční uspořádání

Následný snímek dokumentuje původní stav řešení bezpečnosti odsávacími jednotkami s volným spalováním plynu na tzv. fléře - stříbrný komín, viz obrázek 1. V blízkosti objektu v pozadí byla vybudována kogenerační jednotka. Původní a konečný stav lokality s novou kogenerační jednotkou je vidět na následujících fotografiích.

Obrázek č. 1 - Odsávací stanice důlního plynu

Obrázek č. 2 - Území pro výstavbu kogenerační jednotky v Orlové

Obrázek č. 3 - Území zastavěné kogenerační jednotkou

Systémové využití pro celé lokality

V nedávné době byla zpracována studie komplexního využití důlního plynu v oblasti Orlové a jejího přechodu na zásobování teplem z kogeneračních zdrojů, spalujících důlní plyn. Níže uvedená mapka naznačuje možnosti rozmístění kogeneračních zdrojů v rámci komplexnějšího využití důlního plynu pro zásobování města.

Mapka č. 2 - Předpoklad umístění kogeneračních zdrojů v Orlové

Orlová je dnes zásobována ze systému CZT, do které dodává teplo elektrárna Dětmarovice. Kromě toho jsou ve městě ostrovní systémy s plynovými i uhelnými kotelnami a rovněž lokální zdroje pro některé bytové a rodinné domy. Existují zde i průmyslové areály v různém stavu provozu, z nichž u některých se počítá s využitím pro budoucí průmyslové zóny.

Další přínosy z využití důlního plynu

Kromě již naznačených přínosů v oblasti bezpečnostní a energetické má popsané využití důlního plynu i svůj význam i pro životní prostředí nebo ekonomiku provozu. Závěry energetického auditu, porovnávající mj. dodávky elektřiny a tepla z klasické uhelné elektrárny nebo z kogeneračního zdroje spalujícího důlní plyn jsou zřejmé z následujících tabulek a grafů.

Pokles emisí po instalaci kogenerační jednotky

Budoucnost důlního plynu

V současné době pokračuje na ostravsko-karvinsku projektová příprava dalších kogeneračních zdrojů včetně průzkumu vhodných ložisek důlního plynu. V budoucnu však lze počítat i s postupným poklesem výkonů existujících vrtů a s potřebou hledat nová ložiska za cenu větších nákladů. Z tohoto pohledu může být zajímavé, že kontejnerové uspořádání kogenerační jednotky umožňuje její poměrně snadný přesun mezi lokalitami.