1 sierpnia 2014 roku na mocy rozporządzenia w sprawie szczegółowych zasad kształtowania i kalkulacji taryf oraz rozliczeń w obrocie paliwami gazowymi [5] wprowadzona została nowa jednostka rozliczeniowa – kilowatogodzina (kWh) za zużywany gaz. Ilość gazu zużywanego w jednostce objętości (m3) nie uwzględnia jego rodzaju i parametrów. Natomiast kilowatogodzina (kWh) daje informację o ilości zużytej energii. Z kolei cena energii podawana w zł/kWh umożliwia porównywanie różnych nośników po uwzględnieniu ich sprawności przetwarzania.
Obecnie na fakturze odbiorcy gazu widnieje informacja o zużytym gazie w jednostkach objętości (m3), ale także współczynnik konwersji (kWh/m3) służący do przeliczenia ilości zużytego gazu na jednostkę energii (kWh). Po zastosowaniu ceny uwzględniającej przesył (zł/kWh) i nośnik (zł/kWh) otrzymuje się koszt zużytego medium (zł). Od wprowadzenia tych zasad minęło już siedem lat, ale nie zawsze odbiorcy gazu mają świadomość, za co płacą. Należy podkreślić, że pod pojęciem energii wygenerowanej po spaleniu gazu dostawca rozumie kaloryczność gazu, czyli wartość ciepła spalania.
Podział dostarczanego gazu w Polsce
- E (dawniej: wysokometanowy, GZ-50)
- L (dawniej: zaazotowany, GZ-25, GZ-30, GZ-35, GZ-41,5).
Wartość energetyczna każdego z nich jest inna, a prowadzenie rozliczeń w m3 w ogóle tego nie pokazuje. Problem ten wyeliminowano, wprowadzając rozliczenie w jednostkach energii poprzez podawanie współczynnika konwersji służącego do określenia energii, jaka została wygenerowana po spaleniu tego gazu.
Warto przeanalizować problem prawidłowego obliczania kosztów nośnika, w tym przypadku gazu grupy E. Na początek przyda się powtórka z termodynamiki [1] – w celu zrozumienia dalszych analiz.
Wartość opałowa to ilość ciepła wydzielana przy spalaniu jednostki masy lub jednostki objętości paliwa przy jego całkowitym i zupełnym spalaniu, przy założeniu, że para wodna zawarta w spalinach nie ulega skropleniu, pomimo że spaliny osiągną temperaturę początkową paliwa. Jej wartości dla danego okresu podaje KOBiZE.
Ciepło spalania (entalpia)
Ciepło (entalpia [1]) spalania jest wartością kaloryczną paliwa. Jest to ilość ciepła wydzielana przy spalaniu jednostki masy lub jednostki objętości paliwa przy jego całkowitym i zupełnym spalaniu, przy założeniu, że spaliny osiągną temperaturę początkową paliwa i trwały dla nich stan skupienia w danych warunkach normalnych, tzn. przy ciśnieniu 101,325 kPa i temperaturze 25°C. Woda pochodząca z wilgoci paliwa i procesu spalania (nasycona CO2) znajduje się w postaci ciekłej i jest w stanie równowagi z jej parą, a popiół występuje w stanie stałym (wg PN-ISO 1928:2002 [7]). Czyli woda zawarta w spalinach ulega skropleniu, pomimo że spaliny osiągną temperaturę początkową paliwa. Aby to zjawisko wystąpiło w technice, zajść musi proces obniżenia temperatury spalin poniżej temperatury punktu rosy – np. w wymienniku kotła kondensacyjnego.
Czytaj też: Nowoczesne systemy instalacyjne w przyłączach gazowych >>
Temperatura punktu rosy tr to temperatura, w której rozpoczyna się proces skraplania gazu lub wybranego składnika mieszaniny gazów przy ustalonym ciśnieniu, a w przypadku mieszaniny gazów również przy określonym składzie. W procesie spalania przy współczynniku nadmiaru powietrza λ = 1,2 i wilgotności powietrza użytego do procesu spalania φ = 50% temperatury punktu rosy wynoszą:
- dla spalin z gazu ziemnego: 56–57°C,
- dla spalin z gazu płynnego: ok. 52°C,
- dla spalin z oleju opałowego: ok. 47°C.
Utajone ciepło skraplania QC to różnica pomiędzy wartością opałową a ciepłem spalania – jest zmienna i zależy do tego, do jakiej temperatury zostaną schłodzone substraty procesu spalania. Podana temperatura spalin 25°C, która ma zostać osiągnięta po schłodzeniu, jest „temperaturą urzędniczą” i rzadko jest rzeczywiście osiągana.
Przejście z fazy gazowej do ciekłej
Reakcję przejścia z fazy gazowej do ciekłej można zapisać równaniem:
W tabeli 1 podano wartości ciepła skraplania w zależności od temperatury przy ciśnieniu atmosferycznym. Dodatkowo podano różnicę pomiędzy ciepłem skraplania przy danej temperaturze i w temperaturze z poprzedniej kolumny – niższej o 5 albo 10°C. Przy zmianie temperatury o 10°C zmiana wartości ciepła skraplania wynosi od 23 do 25 kJ/kg.
W tabeli 2 podano wartości ciepła skraplania QC i wartości opałowe QW dla różnych paliw oraz iloraz ciepła spalania i wartości opałowej.
Dla gazu ziemnego grupy E nadwyżka ciepła spalania w odniesieniu do wartości opałowej wynosi ok. 11%. Dokładne wartości potrzebne do obliczania kaloryczności gazu podawane są dla danego okresu rozliczeniowego na fakturach w postaci ilości zużytego gazu (m3) i współczynnika konwersji – mnożnika pozwalającego wyliczyć jednostkę energii (kWh). Mnożnik ten obliczany jest dla odbiorców o mocy do 110 kWh/h (moc do 110 kW) przez dostawcę jako iloraz średniej arytmetycznej wartości ciepła spalania z miesięcy okresu rozliczeniowego w MJ/m3 i liczby 3,6 (1 kWh = 3,6 MJ).
Czytaj też: Wymagania dotyczące ekoprojektu dla gazowych promienników podczerwieni >>
Urządzenie określające ciepło spalania
Jeśli odbiorca posiada urządzenia określające ciepło spalania, wtedy wartość tego ciepła ustalana jest na podstawie ich wskazań (np. chromatografu gazowego). Natomiast w przypadku innych odbiorców, którzy pobierają więcej niż 110 kWh/h, ciepło spalania jest określane dla danego okresu rozliczeniowego i wyrażane w kWh/m3 [3].
Ilość ciepła wykorzystanego z paliwa zależy od konstrukcji kotła, w którym to paliwo jest spalane. W kotle gazowym niskotemperaturowym „wykorzystywana” jest wartość opałowa, gdyż nie ma możliwości obniżenia temperatury spalin poniżej wartości punktu rosy w wymienniku ciepła. Natomiast w kotle kondensacyjnym jest możliwość „wykorzystania” ciepła spalania dzięki obniżeniu temperatury spalin poniżej temperatury punktu rosy i odzyskaniu ciepła utajonego. Wykorzystanie energii zawartej w paliwie prawie w całości (będzie to zależało od temperatury wody powracającej do kotła) występuje w przypadku zastosowania kotła kondensacyjnego. To, jak duża ilość ciepła zostanie dodatkowo odzyskana, zależy od tego, jak niską temperaturę uzyskają spaliny w wymienniku ciepła chłodzonym wodą (powracającą do kotła z instalacji) o odpowiednio niskiej temperaturze.
Wartości średniej sezonowej sprawności wytwarzania ciepła z nośnika energii podano na podstawie tabeli 2 z rozporządzenia w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku [4] i zamieszczono w tabeli 3.
Kotły na paliwo gazowe z palnikiem atmosferycznym a kotły kondensacyjne niskotemperaturowe
Różnica sprawności pomiędzy kotłem na paliwo gazowe z palnikiem atmosferycznym a kotłem kondensacyjnym niskotemperaturowym wynosi od 8 do 12% w zależności od mocy nominalnej kotła. Można przyjąć, że zmiana ta jest prawie w całości skutkiem odzysku utajonego ciepła skraplania w wyniku wystąpienia kondensacji pary wodnej zawartej w spalinach – przy temperaturze 45°C (temperatura powrotu instalacji), a nie wynikającej z definicji normowej temperatury 25°C.
Przeanalizujmy dwa przypadki odbiorników gazu i ceny za jednostkę energii w odniesieniu do ciepła spalania (tak rozumianej przez dostawcę gazu kaloryczności) w:
- kotle na paliwo gazowe niskotemperaturowym,
- kotle kondensacyjnym.
W tabeli 4 podano koszt energii odzyskanej w odniesieniu do kosztu kaloryczności gazu dla obu tych urządzeń.
W celu uzyskania stosunku kosztu energii odzyskanej do kosztu ciepła spalania równego jeden należy pomnożyć cenę gazu (sumarycznie gazu i dostawy w zł/kWh) zużywanego przez kocioł niskotemperaturowy przez wartość stosunku ciepła spalania do wartości opałowej – w analizowanym przypadku jest to 1,106.
Podsumowanie
Zmiana jednostki ceny służącej do rozliczania kosztu zużywanego gazu ze zł/m3 na zł/kWh umożliwiła porównywanie cen nośników energii, dla których taka stawka obowiązuje. Najczęściej dotyczy to cen gazu i energii elektrycznej. Cena gazu wyrażana w zł/kWh dotyczy ciepła spalania, a nie wartości opałowej, gdyż jest wówczas korzystniejsza w odniesieniu do energii elektrycznej. Takie podejście jest uzasadnione dla kotłów kondensacyjnych, ale nie dla pozostałych kotłów opalanych gazem.
Dla dokonywania różnych porównań kosztów eksploatacji właściwe byłoby przyjęcie jako własności kalorycznej gazu jego wartości opałowej, a nie ciepła spalania, aby odbiorca płacił za taką ilość energii, jaką może w sposób klasyczny wykorzystać. Warto pamiętać również, że wartość opałowa stosowana jest w obliczeniach przez różne urzędy, bez względu na typ zastosowanego kotła.
Literatura
- Szargut Jan, Termodynamika, Wyd. 7, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2021
https://pgnig.pl/ - Gaz – zasady przeliczania m3 na kWh, TAURON Polska Energia, https://www.tauron.pl/-/media/offer-documents/gaz/wspolne/gaz_zasady_przeliczania_m3_na_kwh.ashx (dostęp: 1.07.2021)
- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2015, poz. 376).
- Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2013 r. w sprawie szczegółowych zasad kształtowania i kalkulacji taryf oraz rozliczeń w obrocie paliwami gazowymi (DzU 2013, poz. 820, zastąpione przez DzU 2018, poz. 640, tekst jednolity – DzU 2021, poz. 280)
- PN-ISO 1928:2020-05 Paliwa stałe. Oznaczanie ciepła spalania metodą spalania w bombie kalorymetrycznej i obliczanie wartości opałowej (wersja angielska)
