ΜΕΛΕΤΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΓΙΑ ΟΙΚΙΑΚΗ ΧΡΗΣΗ

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΜΕΛΕΤΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΓΙΑ ΟΙΚΙΑΚΗ ΧΡΗΣΗ"

Transcript

1 Τ Ε Χ Ν Ο Λ Ο ΓΙ Κ Ο Ε Κ Π Α Ι ΔΕΥΤΙ Κ Ο Ι Δ Ρ Υ Μ Α Κ Α Β Α Λ Α Σ Σ Χ Ο Λ Η Τ Ε Χ Ν Ο Λ Ο Γ Ι Κ Ω Ν Ε Φ Α Ρ Μ Ο Γ Ω Ν Τ Μ Η Μ Α Τ Ε Χ ΝΟ Λ Ο ΓΙ Α Σ Π Ε Τ Ρ Ε Λ Α Ι Ο Υ & Φ Υ Σ Ι Κ Ο Υ Α Ε ΡΙ Ο Υ ΜΕΛΕΤΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΓΙΑ ΟΙΚΙΑΚΗ ΧΡΗΣΗ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ ΣΩΤΗΡΙΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΜΗΤΡΩΟΥ: 2810 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Δρ. ΓΕΡΑΣΙΜΟΥ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΚΑΒΑΛΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟ ΕΤΟΣ:

2 Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά, τους υπεύθυνους καθηγητές, Δρ. Γερασίμου Ευάγγελο και Δρ. Παπαδόπουλο Χρήστο, για την αμέριστη βοήθεια και την κατανόηση τους, για την συγγραφή της πτυχιακής εργασίας. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους καθηγητές τους τμήματος για τα πνευματικά εφόδια που μου δώσανε, για να ανταπεξέλθω επάξια στις απαιτήσεις του επαγγέλματος. Αφιερώνεται στην οικογένεια μου, για την υπομονή, την κατανόηση και την αγάπη που δείξανε για όλα αυτά τα χρόνια.

3 Περιεχόμενα: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο Ιστορική αναδρομή Εισαγωγή Ιστορική αναδρομή Το φυσικό αέριο Τα κοιτάσματα και η εκμετάλλευση τους Η ιστορία του φ. αερίου και η Ελλάδα Κατεργασίες στην επιφάνεια Απομάκρυνση υδρατμών από το φ. αέριο Διάταξη ξηράνσεως αερίου με γλυκόλη Υγροποιημένο φ. αέριο (LNG) Ιστορία του υ.φ. αερίου Τι είναι το υγροποιημένο φ. αέριο Κίνδυνοι από το LNG Φυσικοί κίνδυνοι του LNG Αποστάσεις αποκλεισμού Επιδόσεις ασφάλειας εγκαταστάσεων LNG Τα σημαντικότερα ατυχήματα του LNG Χρονολογική λίστα με ατυχήματα LNG Γενικές πληροφορίες για το LNG Συστήματα ασφαλείας LNG Ανταγωνιστικότητα του LNG Από πού έρχεται το φυσικό αέριο Ποίες χώρες εισάγουν LNG Εγκαταστάσεις LNG Πως μεταφέρεται το LNG Πως αποθηκεύεται το LNG Παγκόσμια αποθέματα LNG Πως μπορεί το LNG να βοηθήσει Συμπιεσμένο φ. αέριο Το φ. αέριο στην παγκόσμια ενεργειακή σκηνή Παραγωγή και κατανάλωση φ. αερίου Τα αποθέματα και το παγκόσμιο απόθεμα φ. αερίου Το φ. αέριο στην Ελληνική ενεργειακή σκηνή 60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Ιδιότητες των αερίων καυσίμων Γενικά Το ιδανικό αέριο και τα πραγματικά αέρια Ποσότητα αερίου Οικογένειες αερίων, ομάδες Χαρακτηριστικές ιδιότητες συνδεόμενες με την τεχνική της καύσης Πυκνότητα Θερμογόνος δύναμη Δείκτης Wobbe Λοιπές φυσικές ιδιότητες Θερμοχωρητικότητα Θερμική αγωγιμότητα Ιξώδες Απαιτήσεις για τις ιδιότητες των αερίων Γενικά Απαιτήσεις του Σχεδίου Τεχνικού Κανονισμού για τις ιδιότητες των 83 αερίων Απαιτήσεις των γερμανικών κανονισμών για τις ιδιότητες των αερίων Ταξινόμηση των καυσίμων αερίων με βάση το πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ Επεξηγήσεις για τα χαρακτηριστικά δεδομένα της τεχνικής της καύσης 88 I

4 II Συνολική περιοχή, ονομαστική τιμή και εύρος διακύμανσης Ανώτερη Θερμογόνος Δύναμη και δείκτης Wobbe Σχετική Πυκνότητα Πίεση Σύνδεσης Επεξηγήσεις για τα συστατικά και τις προσμίξεις των αερίων Υδρογονάνθρακες Νερό Οξυγόνο Μονοξείδιο του άνθρακα Διοξείδια του άνθρακα Νέφος, σκόνη Οξείδια του αζώτου, αμμωνία, υδροκυάνιο Ενώσεις του Θείου Συμπληρωματικοί κανόνες για αέρια 2 ης οικογένειας αερίων Γενικά Αέρια για τη ρύθμιση κατάστασης Πρόσθετα Αέρια Εναλλακτικά αέρια Μέτρα για την χρήση φυσικών αερίων με οριακές τιμές του δείκτη 95 Wobbe ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Καύση και ενέργεια Ισοζύγια μάζας και ενέργειας Γενικές αρχές Στοιχειομετρική καύση με καθαρό οξυγόνο Καύση απλών ουσιών Καύση ενώσεων Καύση με αέρα Στοιχειομετρική Καύση Πραγματικές ποσότητες καύσης Καύση μιγμάτων Καύση με περίσσεια αέρα Η υγρασία του αέρα και του καυσίμου Ποσότητες και σύσταση καυσαερίων Το σημείο δρόσου των καυσαερίων Ενεργειακοί υπολογισμοί της καύσης Μη πλήρης και ατελής καύση Έλεγχος καύσης Στόχος του ελέγχου Προσδιορισμός του λόγου αέρα μέσω ανάλυσης καυσαερίων Προσδιορισμός του βαθμού απόδοσης Θερμοκρασίες και ταχύτητα φλόγας Θερμοκρασία φλόγα, θερμοκρασία καύσης Θερμοκρασία ανάφλεξης Όρια ανάφλεξης Ταχύτητα φλόγας 122 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Μεταφορά και διανομή φυσικού αερίου Γενικά Γενική εικόνα για την διαχείριση του φυσικού αερίου Διακίνηση με πιεστικά Δίκτυα Επίγεια δίκτυα μεταφοράς Υποθαλάσσια δίκτυα μεταφοράς Το υγροποιημένο φυσικό αέριο (LNG) Ελληνικό δίκτυο μεταφοράς Δίκτυα μεταφοράς και διανομής Χαλύβδινα δίκτυα 143

5 Προγραμματισμός Στοιχεία για του σωλήνες τηλεδικτύων Χαλύβδινοι σωλήνες για άλλα δίκτυα Υπολογισμός πάχους τοιχώματος χαλύβδινων σωλήνων Η τοποθέτηση H διάβρωση Συνδέσεις χαλύβδινων σωλήνων Πλαστικά δίκτυα Σωλήνες Εξαρτήματα και συνδέσεις Διατάξεις υποβιβασμού πιέσεως Η πρόσδοση της οσμής Το κόστος του Δικτύου Δίκτυα πόλεως Τηλεδίκτυα Αλυσίδα LNG Δίκτυα Είδη δικτύων Κύρια τμήματα δικτύου Σχέδια υπολογισμού Χρήση ηλεκτρονικών υπολογιστών 172 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Εγκαταστάσεις φυσικού αερίου Γενικά Προσδιορισμός των διαμέτρων των σωληνώσεων Βασικές αρχές διαστασιολόγησης Υπολογισμός της παροχής όγκου αιχμής Γενική διαδικασία υπολογισμού Υπολογιστική διαδικασία Τεχνικές οδηγίες σωληνώσεων αερίου Ορισμός εννοιών Εγκατάσταση εσωτερικών σωληνώσεων Γενικά Κατευθυντήριες οδηγίες ως προς την όδευση αγωγών Κατευθυντήριες οδηγίες ως προς τις σωληνώσεις, τις συνδέσεις και τα 187 υλικά Κατευθυντήριες οδηγίες ως προς τον χώρο εγκατάστασης των 187 συσκευών Κατευθυντήριες οδηγίες για τις συσκευές αερίου Κατευθυντήριες οδηγίες για την απαγωγή των καυσαερίων Κατευθυντήριες οδηγίες για τις μαγειρικές συσκευές Κατευθυντήριες οδηγίες για τα λεβητοστάσια Δοκιμή και έλεγχος της εγκατάστασης Σημεία ελέγχου Εσωτερικών Εγκαταστάσεων Φυσικού Αερίου 191 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο Όργανα και συσκευές Όργανα εγκαταστάσεων Προστασία από διάβρωση Όργανα διακοπής Ασφάλειες λειτουργίας Ρυθμιστής πίεσης αερίου Επαγρυπνητές πιέσεως αερίου Φίλτρα αερίου Όργανα πυροπροστασίας Μετρητές αερίου Τοποθέτηση μετρητών αερίου Σύστημα απαγωγής καυσαερίων 198 III

6 6.2.1 Απαγωγή καυσαερίων μέσω καπνοδόχων Εφαρμογές του φ.α. σε συσκευές οικιακής χρήσης Επιτοίχιες μονάδες θέρμανσης αερίου Αρχή λειτουργίας Είδη επιτοίχιων μονάδων Όργανα ρύθμισης ασφαλείας Διάταξη απαγωγής καυσαερίων εφοδιασμένη με ασφάλεια ροής Επιτοίχιες μονάδες παροχής ζεστού νερού χρήσης και συνεχούς ροής Επιτοιχιοι λέβητες θέρμανσης και παραγωγής ζεστού νερού Boiler Συσκευές ανίχνευσης αερίου Λέβητες αερίου (πιεστικού ατμοσφαιρικοί Διάφοροι τύπου συσκευών αερίου 206 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ο Εξαρτήματα φυσικού αερίου Ορειχάλκινες βάνες (Brass Ball Valves): Εύκαμπτοι σύνδεσμοι αερίου (gas flexible hoses Φίλτρα αερίου (gas filters) Ηλεκροβαλβίδες αερίου (solenoid valves for gas) Εξαρτήματα ασφαλείας (safety fittinds) Ρυθμιστές πίεσης (Gas pressure regulators) Υλικά στεγανοποίησης σπειρωμάτων (thread sealing material) Ανιχνευτές αερίων(gas detectors) Φορητοί ανιχνευτές (portable detectors) Υλικά σήμανσης δικτύων αερίου (marking material for natural gas 218 network) 7.11 Υλικά καθοδκής προστασίας (cathodic protection material 218 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ο Μελέτες φυσικού αερίου Παράρτημα Α Φυσικές ιδιότητες Παράρτημα Β Τύποι συσκευών Πηγές IV

7 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή 1.Εισαγωγή 1.1 Ιστορική αναδρομή Η ιστορία των αερίων καυσίμων όπου συγκαταλέγετε και το φυσικό αέριο, αρχίζει με την παραγωγή καύσιμου αερίου με ξηρή απόσταση από στερεά καύσιμα, το οποίο χρησίμευε για τον φωτισμό. Γι αυτό τον λόγο και εκλήθη φωταέριο. Ο πρώτος που φαίνετε να έχει χρησιμοποιήσει το φωταέριο για συνεχή φωτισμό, ήτανε ο Minkelers στα τέλη του 18 ου αιώνα. Επίσης, το 1791 ο Lebon προσπάθησε στο Παρίσι να χρησιμοποιήσει το αέριο το οποίο έβγαινε από ξύλινες δάδες για φωτισμό. Η Βρετανία ήταν η πρώτη χώρα για την εμπορική χρήση του φυσικού αερίου. Γύρω στο 1785, το φυσικό αέριο που παραγότανε από τον άνθρακα χρησιμοποιήθηκε στα σπίτια για φωτισμό, καθώς και για οδικό φωτισμό. Το 1792 ο Merdoc, χρησιμοποίησε το φωταέριο για τον φωτισμό της κατοικίας του και του εργαστηρίου του. Η επιτυχία αυτή του Merdoc τον οδήγησε στην ίδρυση του πρώτου εργοστασίου φωταερίου στον κόσμο, το 1798 στο Μπίρμινγκχαμ, το οποίο αποτέλεσε σπουδαίο γεγονός στην ιστορία του πολιτισμού. Από το 1800, το φυσικό αέριο χρησιμοποιήθηκε σχεδόν αποκλειστικά ως καύσιμο για λάμπες. Επειδή δεν υπήρχαν αγωγοί να μεταφέρουν το φυσικό αέριο σε ιδιωτικές κατοικίες, το μεγαλύτερο μέρος του φυσικού αερίου χρησιμοποιείτε για τον φωτισμό της πόλης, ένας γερμανός βλέποντας την ομορφιά αυτού του φαινομένου το είχε αποκαλέσει ως το όγδοο θαύμα του κόσμου. Ο Samnuel Cleg, παλαιός συνεργάτης του Merdoc, συνέβαλε αποτελεσματικά στην ανάπτυξη του φωταερίου, ο οποίος εφηύρε όλα τα βοηθητικά μηχανήματα όπως για τον καθαρισμό, την συλλογή και αποθήκευση, την ρύθμιση της παραγωγής αλλά και την μέτρηση του φωταερίου. Επίσης, ήτανε εκείνος ο οποίος έδωσε ώθηση στην περαιτέρω εξέλιξη των μηχανημάτων παραγωγής. Χρησιμοποίησε τα μηχανήματα αυτά για την παραγωγή του φωταερίου και το 1813 για πρώτη φορά στην ιστορία πραγματοποίησε τον φωτισμό των δρόμων του Λονδίνου. Πολύ σύντομα το φωταέριο χρησιμοποιήθηκε ως ευγενές καύσιμο το οποίο βοηθούσε σε διάφορους θερμικούς σκοπούς, στην οικιακή και εμπορική οικονομία. Χρησιμοποιούνταν π.χ. στο μαγείρεμα, στην θέρμανση του νερού, στην θέρμανση των χώρων ακόμα και για ειδικές κατεργασίες. Το 1816 στις ΗΠΑ, κατασκευάζεται το συνθετικό φυσικό αέριο, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για τον φωτισμό των δρόμων στη Βαλτιμόρη. Ωστόσο, αυτό το αέριο ήτανε πολύ λιγότερο αποδοτικό και λιγότερο φιλικό προς το περιβάλλον σε σχέση με το φυσικό αέριο που προέρχεται υπογείως. Το 1821 στο Fredonia της Νέας Υόρκης, ο William A. Hart άνοιξε ένα βαθύ πηγάδι 27 ποδιών σε μια προσπάθεια διάτρησης της επιφάνειας της γης, να πάρει ένα αέριο μεγαλύτερης ροής. Αυτή ήταν η πρώτη και σκόπιμη διάτρηση για την απόκτηση φυσικού αερίου από τα έγκατα της γης. Ο Hart, θεωρείται από πολλούς ως ο «πατέρας του φυσικού αερίου» στην Αμερική. Τελικά διαμορφώθηκε, να είναι η πρώτη αμερικανική εταιρεία φυσικού αερίου η Fredonia Gas Light Company. 1

8 Κατά το μεγαλύτερο μέρος του 19ου αιώνα, το φυσικό αέριο χρησιμοποιήθηκε σχεδόν αποκλειστικά ως πηγή φωτός. Εάν δεν υπήρχε η υποδομή αγωγών, ήταν δύσκολο για τη μεταφορά του φυσικού αερίου για μεγάλες αποστάσεις ή σε σπίτια που το χρησιμοποιούσανε για θέρμανση ή για μαγείρεμα. Οι περισσότεροι αγωγοί φυσικού αερίου που δημιουργήθηκαν σε αυτήν την εποχή, ήταν κατασκευασμένα από τον άνθρακα, σε αντίθεση με τη μεταφορά από ένα πηγάδι. Κοντά στο τέλος του 19 ου αιώνα (το 1890), με την άνοδο της ηλεκτρικής ενέργειας, η φωταγώγηση με φυσικό αέριο είχε μετατραπεί σε ηλεκτρική και έτσι πολλές πόλεις άρχισαν να αντικαθιστούν τις λάμπες αερίου του δρόμου με την ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό οδήγησε τους παραγωγούς φυσικού αερίου να αναζητούν νέες αγορές για τα προϊόντα τους. Το 1885, ο Robert Bunsen, επινόησε αυτό που είναι τώρα γνωστό, ως καυστήρα Bunsen. Κατάφερε να δημιουργήσει μια συσκευή που αναμειγνύονται με φυσικό αέριο και αέρα στις κατάλληλες ποσότητες, δημιουργώντας μια φλόγα που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί με ασφάλεια για την παροχή θερμότητας για το μαγείρεμα και τη θέρμανση κτιρίων. Η εφεύρεση του καυστήρα Bunsen, δημιουργήσει νέες ευκαιρίες για τη χρήση του φυσικού αερίου στην Αμερική, και σε όλο τον κόσμο. Η εφεύρεση της ρύθμισης θερμοκρασίας με θερμοστατικό διακόπτη των συσκευών η οποία επιτρέπεται για την καλύτερη αξιοποίηση του δυναμικού θέρμανσης του φυσικού αερίου, που επιτρέπει τη θερμοκρασία της φλόγας, πρέπει να ρυθμίζεται και να παρακολουθείται. Οι πρώτες μεγάλες αποστάσεις αγωγού φυσικού αερίου έφταναν τα 25 μίλια (40 χλμ) από το ένα πεδίο φυσικού αερίου στο Ρότσεστερ στη Νέα Υόρκη, το 1872 και χρησιμοποιούσανε κορμούς δέντρων. Ο πρώτος σημαντικός αγωγός κατασκευάστηκε το Ο αγωγός αυτός ήταν 120 μίλια (192 χλμ) μακριά και η μεταφορά του φυσικού αερίου από πηγάδια στο κέντρο της Ιντιάνα στην πόλη του Σικάγου. Ωστόσο, αυτός ο πρώιμος αγωγός ήταν πολύ στοιχειώδης, και δεν ήταν πολύ αποτελεσματική η μεταφορά φυσικού αερίου. Παρά αυτές τις αρχικές τους προσπάθειες, η έλλειψη ενός καλού συστήματος διανομής φυσικού αερίου, λόγω της περιορισμένη χρήση σε τοπικές περιοχές, όπου το φυσικό αέριο βρέθηκε. Τα περισσότερα από τα αέρια που βγήκαν στην επιφάνεια, ως μέρος της εξόρυξης πετρελαίου, σε πιο απομακρυσμένες περιοχές ήταν απλά εξαεριζόμενα προς την ατμόσφαιρα ή να καίγονταν μονίμως, φωτίζοντας τον ουρανό μέρα- νύχτα. Μέχρι το 1910, οι εταιρείες πετρελαίου συνειδητοποίησε ότι η πρακτική αυτή, θα τους απέφερε πιθανά κέρδη και ξεκίνησαν ένα επενδυτικό πρόγραμμα για την εγκατάσταση αγωγών φυσικού αερίου σε μεγάλες μητροπολιτικές περιοχές σε όλες τις Ηνωμένες Πολιτείες. Δεν ήταν παρά μόνο μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο που το πρόγραμμα αυτό, ο αγωγός είχε φτάσει αρκετές πόλεις να κάνουν το φυσικό αέριο μια ελκυστική εναλλακτική λύση για την ηλεκτρική ενέργεια και τον άνθρακα. Μετά την περίοδο αυτή, πολύ λίγοι αγωγοί φυσικού αερίου χτίστηκαν μέχρι το τέλος του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου. Κατά τη διάρκεια του δευτέρου παγκοσμίου πολέμου μεγάλη πρόοδο όσον αφορά τα χαρακτηριστικά: μέταλλο, τεχνικές συγκόλλησης και σωλήνες παραγωγής, επιτεύχθηκαν στην κατασκευή αξιόπιστων αγωγών, να γίνει οικονομικά ελκυστική και προσιτή χρήση στην οικονομία, τα νοικοκυριά και επέτρεψε την κατασκευή χιλιάδες χιλιομέτρων αγωγού στην Αμερική. 2

9 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Μόλις η μεταφορά του φυσικού αερίου ήταν δυνατή, νέες χρήσεις για το φυσικό αέριο ανακαλύφθηκαν. Αυτές περιελάμβαναν τη χρήση φυσικού αερίου για τη θέρμανση κατοικιών και τη λειτουργία συσκευών, όπως θερμαντήρες νερού και φούρνο! Η βιομηχανία άρχισε να χρησιμοποιεί το φυσικό αέριο στην παραγωγή και στις μονάδες επεξεργασίας. Επίσης, το φυσικό αέριο χρησιμοποιήθηκε για τη θέρμανση λεβήτων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Η υποδομή μεταφορών είχε κάνει το φυσικό αέριο προσιτό και περισσότερο δημοφιλές ως μορφή ενέργειας Τα διάφορα στερεά καύσιμα που χρησιμοποιούνταν για την παραγωγή του φωταερίου, ήτανε ο λιθάνθρακας και ιδιαίτερα ο λιθάνθρακας αερίου, ο οποίος έδινε συγχρόνως κατάλληλής ποιότητας κοκ για πολλές χρήσεις. Ενδιαφέρουσα είναι και η ανάπτυξη- χρήση των κλιβάνων παραγωγής. (πίνακας 1.1) Μετά από την επιτυχή εφαρμογή και χρήση του φωταερίου στους διάφορους τομείς κατευθυνθήκαμε στην αξιοποίηση του κάθε αερίου το οποίο παράγονταν η θα μπορούσε να παραχθεί με οποιονδήποτε τρόπο. Με αυτόν τον τρόπο περνάμε σε μια νέα εποχή, την εποχή των βιομηχανικών αερίων. Ως πρώτο βιομηχανικό αέριο μπορούμε να θεωρήσουμε το αέριο των υψικαμίνων, το οποίο αέριο καίγονταν χωρίς να αξιοποιηθεί. Ο Bischof συνέλαβε την ιδέα του δια αέρος αεριογόνου (εμφύσηση αέρα ανεπαρκούς για καύση δια διαπύρου στρώματος κοκ) και παρήγαγε επίσης ένα πτωχό αέριο το 1839 (Luftgas, gas du generateur). Ακολούθησε η παραγωγή υδαταερίου (Wassergas, gaz a l eau) το οποίο παράγεται με την προσθήκη υπέρθερμου υδρατμού σε διάπυρο κοκ (ή και λιθάνθρακα) σε θερμοκρασία 1000 o C. Στην συνέχεια άλλο είδος είναι το φυσικό αέριο. Σε πετρελαιοπαραγωγικές χώρες μαζί με την εξόρυξη του αργού πετρελαίου γίνεται και η εξόρυξη του φυσικού αερίου που αποτελείτε κατά βάση από μεθάνιο. Πρώτους απ όλους οι αμερικανοί σκέφθηκαν την συλλογή και αξιοποίηση του αερίου αντί να το καίνε. Έτσι, δημιουργήθηκαν τα πρώτα δίκτυα μεταφοράς για βιομηχανική χρήση και στην συνέχεια για την κάλυψη των οικιακών αναγκών. Κατά την διαδικασία της κλασματικής απόσταξης του αργού πετρελαίου, λαμβάνουμε ως προϊόν κάποια αέρια (αιθάνιο, προπάνιο, βουτάνιο), όπου αν ασκηθεί μία πίεση στο προπάνιο και στο βουτάνιο μπορούν να υγροποιηθούν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Έτσι, δημιουργήθηκε και μία άλλη κατηγορία, η κατηγορία των υγραερίων. 3

10 Πίνακας 1.1 εξέλιξη των κλιβάνων παραγωγής αερίου Μέχρι το 2000, υπήρχαν πάνω από 600 μονάδες επεξεργασίας φυσικού αερίου στις Ηνωμένες Πολιτείες, οι οποίες συνδέονται με περισσότερα από μίλια ( χιλιόμετρα) των βασικών αγωγών μεταφοράς. Παγκοσμίως, υπάρχουν επίσης, σημαντικά κοιτάσματα φυσικού αερίου στην πρώην Σοβιετική Ένωση, στον Καναδά, στην Κίνα, και στις Αραβικές χώρες του Κόλπου και της Μέσης Ανατολής Το φυσικό αέριο Τα κοιτάσματα και η εκμετάλλευση τους. Το φυσικό αέριό δημιουργήθηκε προ πολλών εκατομμυρίων ετών στους πυθμένες των θαλασσών από μεγάλες ποσότητες μικροοργανισμών με την βοήθεια έλλειψης αέρα και υπό την δράση των βακτηριδίων.(εικ.1.1 α ) Κατά την διάρκεια γεωλογικών αιώνων, δηλ. σε εκατομμύρια έτη, οι μικροοργανισμοί- βακτήρια, σκεπάστηκαν από μεγάλα στρώματα γής. Το αέριο που δημιουργήθηκε με αυτό τον τρόπο διέφυγε στους πόρους του μητρικού πετρώματος και παρέμεινε εκεί. Με το πέρασμα των χρόνων, μέσα από τις διάφορες γεωλογικές διαμορφώσεις (σεισμούς, ρί*γματα, διαβρώσεις των επιφανειακών στρωμάτων κλπ.), το αέριο μεταναστεύει στα διάφορα πορώδη πετρώματα και παγιδεύεται σε διάφορες θέσεις όπου υπάρχει η δυνατότητα αποθηκευτικού πετρώματος (αντίκλινο, μετάπτωση, στρωματογραφική πτώση κλπ.), οι οποίες χαρακτηρίζονται στην γεωλογική ορολογία ως πιθανές παγίδες υδρογονανθράκων. (εικόνα 1.1 β,γ ) 4

11 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Εικόνα 1.1 α Σχηματισμός πετρελαίου και φυσικού αερίου Εικόνα 1.1 β Σχηματισμός υδρογονανθράκων 5

12 Εικόνα 1.1 γ Διαμορφώσεις στις οποίες συγκεντρώνεται το φυσικό αέριο Τέτοιες γεωλογικές διαμορφώσεις, ερευνούνται με διάφορες μεθόδους οι οποίες θα μπορέσουν να αναδείξουν αν οι παγίδες είναι διαθέσιμες προς εκμετάλλευση και αξιοποίηση. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τέτοιου είδους έρευνες είναι η σεισμική και η μαγνητική. Στην μαγνητική μέθοδο προσδιορίζονται οι αποκλίσεις από την κανονική κατανομή του μαγνητικού πεδίου, η οποία μπορεί να καθορισθεί από το αεροπλάνο ή το ελικόπτερο. Αντιθέτως, με την σεισμική μέθοδο, προκαλούνται τεχνητές ταλαντώσεις του εδάφους, δηλαδή ελεγχόμενες εκρήξεις όπου μετράμε ανάλογα με το πάχος του κάθε στρώματος ο χρόνος διαδρομής είναι διαφορετικός. Τα σεισμικά κύματα ανακλώνται εν μέρει στις επιφάνειες των διαφόρων στρωμάτων και συλλαμβάνονται από τα γεώφωνα (ειδικό όργανο σύλληψης των κυμάτων). Οι πληροφορίες αυτές συλλέγονται, επεξεργάζονται και δίνουν την πλήρη εικόνα του υπεδάφους λεγόμενα ως γεωλογικά χαλιά. Τα γεωλογικά χαλιά, δεν μπορούν να δώσουν την πλήρη εικόνα για το που ακριβώς υπάρχουν οι παγίδες υδρογονανθράκων, αλλά για πιθανές περιπτώσεις. Για να μπορέσουμε να διαπιστώσουμε αν οι παγίδες που βλέπουμε στο χαλί μας οι οποίες 6

13 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή θα μπορέσουν να είναι κερδοφόρες, γίνεται με γεωτρήσεις. (Στην Αμερική 1, η έρευνα και ο υπολογισμός των αποθεμάτων γίνεται μέσω δορυφόρων την τελευταία δεκαετία). Οι γεωτρήσεις έχουνε βάθος από τα 2500 m και μπορεί να φτάσουνε μέχρι τα m. Στην πράξη φτάνουνε τα m και η πιθανή εύρεση υδρογονανθράκων είναι της τάξεως %. Η τεχνολογία των γεωτρήσεων για την εύρεση των υδρογονανθράκων ξεκίνησε με διάνοιξη οπής με σφυροκόπημα. Στην ιστορία, αναφέρεται ότι οι πρώτες γεωτρήσεις έγιναν πριν από 4000 χρόνια περίπου, από τους Κινέζους και τους αρχαίους Αιγυπτίους όταν κατασκεύαζαν τις πυραμίδες. Για να ανοίγουν τρύπες στα πετρώματα, χρησιμοποιούσαν ράβδους οπλισμένες στο άκρο τους με πολύτιμους λίθους, τις οποίες περιστρέφανε χειρονακτικά. Εκπληκτικά όμοια τεχνολογία χρησιμοποίησαν και οι αμερικανοί άποικοι με πρώτο τον συνταγματάρχη Edwin Drake. Με την αυξανόμενη ζήτηση άρχισε και η αναζήτηση κοιτασμάτων πετρελαίου με γεωτρήσεις. Διάσημος σ' αυτόν τον τομέα έγινε ο Edwin Drake (Ντρέϊκ, ), ένας τέως εισπράκτορας που έψαχνε επί δύο χρόνια με ανάθεση από τον βιομήχανο George H. Bissell. Προβληματικό ήταν για τον Ντρέϊκ να βρει συνεργείο γεωτρήσεων, γιατί μέχρι τότε ήταν γνωστές μόνο οι γεωτρήσεις για νερό. Όταν πρότεινε σε μια εταιρία να κάνει για λογαριασμό του γεώτρηση για πετρέλαιο, στο Titusville της Πενσυλβάνιας, έλαβε ο Ντρέϊκ την εξής απάντηση: «Γεωτρήσεις για πετρέλαιο; Εννοείς να κάνουμε τρύπες στη γη για να βρούμε πετρέλαιο; Σίγουρα θα είσαι τρελός...» Το έτος 1859, μετά από αποτυχημένες αναζητήσεις δύο ετών, εντοπίστηκε σε βάθος περί τα 21 μέτρα ένα σημαντικό κοίτασμα πετρελαίου! Αυτό αποτέλεσε και την έναρξη όλων των μεταγενέστερων προσπαθειών για έρευνα, γεωτρήσεις και άντληση πετρελαίου. Η όρυξη των πηγαδιών, βασιζόταν σε ένα απλό κρουστικό σύστημα, το οποίο περιελάμβανε ένα ογκώδες κοπίδι, όμοιο με σμίλη γλύπτη, που μέσω μιας βαριάς ράβδου, συνδεόταν στην επιφάνεια με δοκό κινούμενη κατά την κατακόρυφη διεύθυνση. Η θραύση του πετρώματος γινόταν με την απότομη πτώση του κοπιδιού. Η αποκομιδή των θρυμμάτων, η οποία έπρεπε να γίνεται κατά διαστήματα, ακολουθούσε περίπου την ακόλουθη διαδικασία: Το πηγάδι γέμιζε νερό, ένα λασπώδες μίγμα προέκυπτε από το νερό και τα θρύμματα. Ένα κυλινδρικό εργαλείο, που έφερε στο ένα άκρο υποτυπώδη βαλβίδα, κατέβαινε στον πυθμένα κενό, γέμιζε με το λασπώδες μίγμα, η βαλβίδα έκλεινε και το εργαλείο ανελκύετο στην επιφάνεια. (εικ. 1.2) Το Titus Ville έγινε γνωστό από το 1860 για το πετρέλαιο, ό,τι ήταν η Καλιφόρνια για τους χρυσοθήρες, από το Σε ενάμιση χρόνο από την πρώτη επιτυχή γεώτρηση, υπήρχαν στην περιοχή 75 άλλες γεωτρήσεις που παρήγαγαν αργό πετρέλαιο και η κωμόπολη έγινε το επίκεντρο εμπορικών συναλλαγών τεράστιου οικονομικού ύψους και τόπος συγκέντρωσης ριψοκίνδυνων κερδοσκόπων. Συναλλαγές με αντικείμενο τα δικαιώματα γεωτρήσεων, μετοχές εταιριών, αγοραπωλησίες πιθανών πετρελαιοφόρων εκτάσεων, δεσμεύσεις εξειδικευμένου προσωπικού, «μυστικές» πληροφορίες για νέα κοιτάσματα, καινούργια μηχανήματα κ.ά. ήταν στην ημερήσια διάταξη. 1 Αναφορά της κ. Παπαδοπούλου Μαρίας στο μάθημα μηχανική ταμιευτήρων, του τμήματος τεχνολογίας πετρελαίου & φυσικού αερίου 7

14 Εικόνα 1.2 περιστρεφόμενο γεωτρύπανο Στους πρώτους μήνες του 1861, εντοπίστηκε στην ίδια περιοχή κοίτασμα με μεγάλη πίεση και παραγωγή χιλίων, βαρελιών (1 barrel = ~159 λίτρα) ημερησίως. περισσότερο από ότι όλες οι άλλες γεωτρήσεις μαζί. Η παραγωγή στη δυτική Πενσυλβανία, έφτασε το 1860 τα 450 χιλιάδες βαρέλια και το 1862 τα 3 εκατομμύρια. Και ενώ η παραγωγή αυξανόταν διαρκώς, οι τιμές ανεβοκατέβαιναν απρόβλεπτα και συχνά καταστροφικά: Τον Ιανουάριο 1851 κόστιζε το βαρέλι 10 δολάρια και στο τέλος του ίδιου έτους μόνο 10 σεντς, αλλά στο τέλος του 1862 η τιμή είχε σταθεροποιηθεί στα 4 δολάρια. Οι περισσότερες «εταιρίες του ενός ανδρός», εξαφανίστηκαν φυσικά από την αγορά με τέτοια αστάθεια των τιμών. Ο παράλληλα εξελισσόμενος εμφύλιος πόλεμος στις ΗΠΑ, έκανε τις επιχειρηματικές και εμπορικές προβλέψεις ακόμα πιο ανασφαλείς, στο βαθμό που ο πρωτοπόρος Ντρέϊκ έχασε όλα τα κέρδη και τις συμμετοχές του και κατέληξε επαίτης. Αργότερα, του απονεμήθηκε από την πολιτεία της Πενσυλβάνιας, μια τιμητική σύνταξη. Ο τρόπος αυτός διάτρησης των πετρωμάτων με πρωτόγονα εργαλεία, συνεχίσθηκε μέχρι τα μέσα του 19ου αιώνα, οπότε ο Ελβετός μηχανικός Lechaut, συνέλαβε την ιδέα να τοποθετήσει χονδρόκοκκα βιομηχανικά διαμάντια σε ένα χαλύβδινο στεφάνι για διάνοιξη διατρημάτων. Επί της αρχής αυτής, κατασκεύασε το πρώτο γεωτρύπανο το Το 1885, ο Σουηδός μηχανικός P.A. Craelius, κατασκεύασε το πρώτο ελαφρό και απλό σε χειρισμό γεωτρύπανο δειγματοληψίας πυρήνος. Στη συνέχεια, η ανάπτυξη και η εξέλιξη των γεωτρυπάνων είναι γρήγορη και στενά συνδεδεμένη με την ανάπτυξη του πετρελαιοκινητήρα, των κραμάτων, των υδραυλικών συστημάτων, των βελτιωμένων μεθόδων εμφύτευσης και στερέωσης 8

15 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή μικρών διαμαντιών στα κοπτικά άκρα, γεγονός που μείωσε το κόστος διάτρησης, και γενικά με την ανάπτυξη της τεχνολογίας. Το σύγχρονο γεωτρύπανο, είναι μηχάνημα ισχυρής κατασκευής, υψηλής απόδοσης, εύχρηστο με απλούς χειρισμούς και απαιτεί περιορισμένη χειρονακτική εργασία. Διαθέτει περισσότερες από μια ταχύτητες περιστροφής και έχει την ικανότητα διάτρησης σε οποιαδήποτε κλίση, σε βάθη μεγαλύτερα των 2000 μέτρων. Το 1900, ο Antony Lucas, κατέδειξε την αποτελεσματικότητα της περιστροφικής διάτρησης με την ανακάλυψη του κοιτάσματος Spindeltop στο Texas. Ήταν ο πρώτος, που συνδύασε τη χρήση της περιστροφικής διάτρησης, με τη συνεχή εισπίεση πολφού. Από τότε η τεχνολογία της περιστροφικής διάτρησης, έχει αποκτήσει τεράστια εφαρμογή παγκοσμίως και έχει ενσωματώσει σημαντικά τεχνολογικά επιτεύγματα. Στην περιστροφική διάτρηση, χρησιμοποιούνται τρίκωνα κοπτικά άκρα το οποία φέρουν δόντια ή κοπτικά άλλου τύπου, όπως αδαμαντοκορώνες και πολυκρυσταλλικά αδαμαντοτρύπανα (Polycrystalline Diamond Compacts-PDC). Η αποσύνθεση του πετρώματος, γίνεται με ταυτόχρονη περιστροφή του κοπτικού και άσκηση πίεσης επί αυτού. Γενικώς, το κοπτικό περιστρέφεται με την περιστροφή ολόκληρης της διατρητικής στήλης (διατρητικών στελεχών και αντιβάρων), μέσω της περιστροφικής τράπεζας η οποία εδράζεται επί της υποδομής του γεωτρυπάνου. Η δύναμη (βάρος), επί του κοπτικού, ασκείται μέσω στελεχών με μεγάλο πάχος τοιχωμάτων (αντιβάρων και βαριών στελεχών), τα οποία τοποθετούνται στη διατρητική στήλη αμέσως πάνω από το κοπτικό άκρο. Σοβαρό πλεονέκτημα αποτελεί η συνεχής κυκλοφορία ρευστού, το οποίο εισπιέζεται μέσω της διατρητικής στήλης και του κοπτικού. Μεταφέρει τα θρύμματα στην επιφάνεια, έτσι ώστε το μέτωπο κοπής (επαφή κοπτικού-πετρώματος) να είναι συνεχώς ελεύθερο από τα προκύπτοντα θρύμματα. Η μεταφορά των θρυμμάτων, γίνεται μέσω του δακτυλίου της γεώτρησης (διάκενο μεταξύ διατρητικής στήλης και τοιχωμάτων γεώτρησης). Το ρευστό που επιστρέφει στην επιφάνεια ακολουθεί διαδικασία καθαρισμού και επανάχρησης. Ο πολφός, έχει και άλλες ιδιότητες για την χρησιμοποίηση του, όπως : Για τον έλεγχο της πορεία της γεώτρησης, Αντισταθμίζει τις πιέσεις των υδρογονανθράκων και δεν επιτρέπουν την απότομη εκτίναξη τους κατά τη διάρκεια γεώτρησης Με την πλήρωση του φρεατίου με τον πολφό μειώνεται, λόγω άνωσης, το βάρος των γεωτρητικών στελεχών και της μεταλλικής επένδυσης τους και ως εκ τούτου διευκολύνεται το έργο των ανυψωτικών μηχανών. Η συνεχής ροή του γεωτρητικού πολφού, συντελεί στον καθαρισμό, την ψύξη και την λίπανση των στρεπτών τμημάτων του γεωτρυπάνου. Η έξοδος του από το σημείο του κοπτικού άκρου, προσπίπτει με πίεση στα τοιχώματα του πηγαδιού και διαβρωτικά σε αυτά και με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται πιο γρήγορα η γεώτρηση. Τα διατρητικά εργαλεία δένονται σε σωλήνες μήκους (συνήθως) 9 m και πάχους mm από εκλεκτό χάλυβα, που μεταφέρουν και την περιστροφική κίνηση από την επιφάνεια στο διατρητικό εργαλείο. Οι ανοιγόμενες οπές, ξεκινάνε από ø700 και καταλήγουν σε ø 100. Ανάλογα με το βάθος της γεώτρησης, γίνεται και ο αντίστοιχος οπλισμός των τοιχωμάτων της με τσιμέντωση και όχι η χρήση χαλυβδοσωλήνα. 9

16 Όταν συναντήσουμε το στρώμα με τους υδρογονάνθρακες, δεν σταματάμε την γεώτρηση αλλά συνεχίζουμε περαιτέρω για την αναζήτηση βαθύτερων στρωμάτων, για την εξασφάλιση ότι δεν θα υπάρχουν άλλες παγίδες υδρογονανθράκων. Όταν διαπιστωθεί με την έρευνα, ότι δεν υπάρχει κάποιο άλλο πηγάδι, τότε η γεώτρηση επενδύεται για να ολοκληρωθεί η τσιμέντωση και η σύνδεση των σωλήνων για την παραγωγή υδρογονανθράκων. (εικόνα 1.3) Εικόνα 1.3 σωλήνωση μιας γεώτρησης αερίου Η ιστορία του φυσικού αερίου και η Ελλάδα Για πρώτη φορά, το ζήτημα του φυσικού αερίου τέθηκε τον Οκτώβριο του 1979 στη Μόσχα, στη συνάντηση του τότε Πρωθυπουργού Κωνσταντίνου Καραμανλή με το Ρώσο ομόλογό του Αντρέι Κοσύγκιν. Στη συνάντηση εκείνη εξετάστηκε η δυνατότητα προμήθειας φυσικού αερίου από τη Ρωσία και η κατασκευή κεντρικού αγωγού για τη μεταφορά του στη χώρα μας. Λίγα χρόνια αργότερα, το 1983, στελέχη της τότε Δημόσιας Επιχείρησης Πετρελαίου (ΔΕΠ), αποτέλεσαν τον πρώτο πυρήνα για την προετοιμασία της Εμπορικής Σύμβασης Προμήθειας Φυσικού Αερίου, που υπογράφηκε στις 26 Ιουλίου 1988, σε συνέχεια της Διακρατικής Συμφωνίας μεταξύ της Ελληνικής Δημοκρατίας και της Σοβιετικής Ένωσης που είχε υπογραφεί ένα χρόνο νωρίτερα, στις 7 Οκτωβρίου 1987, όταν Πρωθυπουργός ήταν ο Ανδρέας Παπανδρέου και υπουργός Βιομηχανίας, Ενέργειας και Τεχνολογίας ο Αναστάσιος Πεπονής. 10

17 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Εικόνα 1.4 Ο σταθμός υγροποιημένου φυσικού αερίου στη Ρεβυθούσα. Η εισαγωγή του φυσικού αερίου στο ενεργειακό ισοζύγιο της Ελλάδας συνιστά, μια μεγάλη εθνική προσπάθεια, που ξεκίνησε στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και συνεχίζεται εντατικά έως σήμερα, στα πλαίσια της ενεργειακής στρατηγικής της χώρας μας. Παρακάτω παραθέτονται οι πιο σημαντικές χρονιές για την πορεία του φυσικού αερίου στη χώρα μας Καταρτίζεται, η πρώτη προμελέτη για το Φυσικό Αέριο στην Ελλάδα, για λογαριασμό της Δημόσιας Επιχείρησης Πετρελαίου (ΔΕΠ) Υπογράφεται, η πρώτη διακρατική συμφωνία μεταξύ Ελλάδας και Ρωσίας, για τον εφοδιασμό της χώρας μας με ρωσικό Φυσικό Αέριο Το Φεβρουάριο, υπογράφεται η πρώτη διακρατική συμφωνία μεταξύ Ελλάδας και Αλγερίας, για τον εφοδιασμό της χώρας μας με Υγροποιημένο Φυσικό Αέριο. Το Σεπτέμβριο ιδρύεται η Δημόσια Επιχείρηση Αερίου (ΔΕΠΑ), ως θυγατρική εταιρεία της Δημόσιας Επιχείρησης Πετρελαίου Το Δεκέμβριο, η ΔΕΠΑ υπογράφει την πρώτη σημαντική της συμφωνία κατασκευής του αγωγού μεταφοράς Φυσικού Αερίου, που έχει μήκος 512 χλμ, ξεκινά από τα ελληνοβουλγαρικά σύνορα και καταλήγει στην Αττική Εκκινούν τα έργα κατασκευής του Κεντρικού Αγωγού του Συστήματος Μεταφοράς Φυσικού Αερίου Η ΔΕΠΑ, υπογράφει την πρώτη συμφωνία παροχής Φυσικού Αερίου με τη ΔΕΗ Δημιουργείται, το ρυθμιστικό και νομικό πλαίσιο για την ίδρυση των περιφερειακών Εταιρειών Διανομής Αερίου (ΕΔΑ), με τη συμμετοχή της ΔΕΠΑ και ιδιωτών επενδυτών Αρχές του έτους, ολοκληρώνεται η κατασκευή του αγωγού και του Μετρητικού Σταθμού Συνόρων Σιδηροκάστρου. Το αέριο εισάγεται στον αγωγό και γίνονται οι πρώτες δοκιμές. Το Νοέμβριο γίνεται η πρώτη διάθεση Φυσικού Αερίου στη βιομηχανική μονάδα της Ελληνικής Βιομηχανίας Ζάχαρης (Ε.Β.Ζ.), στη Λάρισα. 11

18 2000 Ξεκίνησε η λειτουργία του τερματικού σταθμού υγροποιημένου φυσικού αερίου (LΝG) στη βραχονησίδα Ρεβυθούσα, ανοικτά των Μεγάρων, όπου παραδίδονται υγροποιημένο φυσικό αέριο από το δεύτερο βασικό προμηθευτή της χώρας, την Αλγερία Υπογράφεται, η πρώτη διακρατική συμφωνία μεταξύ Ελλάδας και Τουρκίας, για τον εφοδιασμό της χώρας μας με φυσικό αέριο Ψηφίζεται από τη Βουλή των Ελλήνων ο Ν. 3428/2005 για την απελευθέρωση της αγοράς φυσικού αερίου, ο οποίος προβλέπει τη δημιουργία της θυγατρικής εταιρίας της ΔΕΠΑ ΑΕ με την επωνυμία Διαχειριστής Εθνικού Συστήματος Φυσικού Αερίου (ΔΕΣΦΑ ΑΕ). (ΦΕΚ 313, ) Ο Υπουργός Ανάπτυξης, ύστερα από θετική γνωμοδότηση της Ρ.Α.Ε., υπογράφει την Υπουργική Απόφαση για τα τιμολόγια μεταφοράς φυσικού αερίου, με τα οποία καθορίζονται τα κόμιστρα χρήσης του Εθνικού Συστήματος Φυσικού Αερίου (Υ.Α.4955 / ΦΕΚ 360, ) Σύσταση Εθνικού Φορέα Υδρογονανθράκων Με τη νομοθετική αυτή ρύθμιση δημιουργείται ο Εθνικός Φορέας Υδρογονανθράκων, ο οποίος θα διαχειρίζεται τα αποκλειστικά δικαιώματα του Δημοσίου σε θέματα αναζήτησης, έρευνας και εκμετάλλευσης των υδρογονανθράκων της χώρας και θα εισηγείται την παραχώρηση αυτών των δικαιωμάτων σε ενδιαφερόμενες πετρελαϊκές εταιρείες. Η Ελλάδα είναι η μόνη χώρα της ΕΕ που δεν διέθετε ένα κρατικό φορέα για τη διαχείριση των δικαιωμάτων της σε ό,τι αφορά στον ενεργειακό της πλούτο σε υδρογονάνθρακες και φυσικό αέριο και την προστασία του περιβάλλοντος. Η δημιουργία ενός κρατικού φορέα, ενίσχυσε σημαντικά την ενεργειακή αυτάρκεια της χώρας καθώς θα συμβάλει στην αύξηση της εγχώριας παραγωγής υδρογονανθράκων. Επιπρόσθετα, τα οφέλη για την εθνική οικονομία από μια συστηματική εκμετάλλευση των κοιτασμάτων υδρογονανθράκων που βρίσκονται στο ελληνικό υπέδαφος θα είναι εξαιρετικά σημαντικά Κατεργασίες στην επιφάνεια. Το φυσικό αέριο, όταν φτάνει στην επιφάνεια της γής δεν είναι καθαρό. Κατά την εξόρυξη του συμπεριλαμβάνονται διάφορα αδρανή επιβλαβή στοιχεία. Το κυριότερο επιβλαβές στοιχείο είναι το υδρόθειο, που μπορεί να περιέχεται σε χαμηλή αναλογία. Όταν η ποσότητα του υδρόθειου είναι μεγαλύτερη του 1% κατ όγκο χαρακτηρίζεται το αέριο ως όξινο, ενώ όταν η ποσότητα του υδρόθειου είναι μικρότερη του 1% κατ όγκο χαρακτηρίζεται το αέριο ως ισχνά (leagnas, magergas). Τα αέρια αυτά μπορούν να αποϋδροθειωθούνε με απλές μεθόδους. Τα όξινα φ. αέρια, αποθειώνονται ή γλυκαίνονται (γι αυτό τα αποϋδροθειωμένα φ.αέρια χαρακτηρίζονται γλυκά αέρια) ώστε οι συγκεντρώσεις του H 2 S να κρατούνται σε χαμηλά επίπεδα (κάτω από τα 3 ppm) εξαιτίας της υψηλής τοξικότητα του. Το υδρόθειο είναι τοξικό και μαζί με το ελεύθερο νερό, δρα ισχυρά διαβρωτικά στα μέταλλα, καταστρέφοντας τα δίκτυα μεταφοράς και τις αντλίες. Από την καύση του υδρόθειου παράγεται διοξείδιο του θείου (SO 2 ) 3, το οποίο είναι επίσης τοξικό και διαβρωτικό αέριο. Το υδρόθειο απομακρύνεται από το φ. αέριο κάνοντας το πλύσεις 12

19 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή με νερό ή με υδατικά διαλύματα, στα οποία το υδρόθειο είναι διαλυτό. Τα τελευταία ίχνη υδρόθειου απομακρύνονται με καυστικό νάτριο, σύμφωνα με την αντίδραση: H 2 S + NaOH NaSH + H 2 O Το παραγόμενο υδρόθειο, οδηγείται στη συνέχεια σε μια μονάδα Claus, όπου μετασχηματίζεται σε στοιχειακό θείο, σύμφωνα με τις αντιδράσεις: H 2 S Ο 2 SO 2 + H 2 O 2H 2 S + SO 2 3S + 2H 2 O Το παραγόμενο τελικό προϊόν, δηλ. το στοιχειακό θείο, αποτελεί μια βασική πρώτη ύλη της χημικής βιομηχανίας (π.χ. στην παραγωγή θειϊκου οξέος). Σε αντίθεση με το υδρόθειο, το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να γίνει ανεκτό σε μικρά ποσοστά. Μεγαλύτερα ποσοστά διοξειδίου του άνθρακα είναι ανεπιθύμητα επειδή : Αυξάνουν το κόστος μεταφοράς του φ. αερίου Μειώνουν τις ιδιότητες ανάφλεξης και την θερμογόνο δύναμη του. Προκαλούν σε συνεργία με το νερό τοπικές οξειδώσεις στα μέταλλα. Το διοξείδιο του άνθρακα, απομακρύνεται κύρια, με διεργασίες απορρόφησης με διαλύτες. Οι C 2+ -υδρογονάνθρακες, μπορεί να συμπυκνώνονται κατά τη μεταφορά του φ. αερίου και να προσβάλουν τους πλαστικούς σωλήνες και τις συσκευές ελέγχου. Η απομάκρυνση των βαρύτερων υδρογονανθράκων, γίνεται με πλύσεις στους -15 o C κάτω από πίεση με τη βοήθεια λαδιών. Καμιά φορά, το φ. αέριο δίνεται και σε πλησίον κειμένους σταθμούς και χωρίς αποϋδροθείωση. Τα ελεύθερα αέρια υδρόθειου χαρακτηρίζονται σαν γλυκά αέρια. Η αποϋδρωθείωση των όξινων αερίων είναι μία δύσκολη διαδικασία η οποία κοστίζει ακριβά. Η αφαίρεση του CO 2, του H 2 S καθώς και άλλων οργανικών ενώσεων του θείου, γίνεται με έκπλυση του αερίου με κατάλληλα διαλύματα, τα οποία συγκρατούν με χημική ή με φυσική απορρόφηση. Τα διαλύματα αναγεννώνται και ανακτώνται τα απορροφηθέντα. Με αυτές τις διαδικασίες, η παραγωγή του θείου επιβαρύνει την ατμόσφαιρα. Για την συγκράτηση των βαρύτερων υδρογονανθράκων, το φ. αέριο ψύχεται κυρίως στους -30 o C. Υπάρχουν και άλλες μέθοδοι, όπως με έκπλυση. Οι συγκεντρωμένοι υδρογονάνθρακες διαχωρίζονται σε αιθάνιο, LPG(υγραέρια όπως προπάνιο & βουτάνιο), νάφθα και καύσιμα αέρια τα οποία χρησιμοποιούνται για την παραγωγή θερμότητας. Τα αέρια, που περιέχουν μεγάλη συγκέντρωση αζώτου (που φθάνει μέχρι και 50%), μπορούν να αξιοποιηθούν και να μπουν σε μεγάλα συστήματα, εφόσον απομακρυνθεί 13

20 ένα μέρος του αζώτου. Με την βοήθεια της ψύξης, στους -160 και -170 o C, το μεθάνιο υγροποιείται και το άζωτο αφήνεται να διαφύγει στην ατμόσφαιρα. Το φ. αέριο, δεν το παίρνουμε από την φύση μόνο στην αέρια του φάση, αλλά το βρίσκουμε στις παγίδες υδρογονανθράκων αναμεμιγμένο με το πετρέλαιο. Γνωρίζουμε, ότι τα κοιτάσματα βρίσκονται υπό ορισμένη θερμοκρασία και πίεση. Θα μπορούσαμε να πούμε, ότι ανά 100m βάθους η θερμοκρασία αυξάνεται κατά 3 o C και η πίεση κατά 10 bar. Ένα κοίτασμα το οποία βρίσκεται στα 5000m βάθος, θα μπορούσαμε να πούμε ότι το κοίτασμα έχει πίεση 500 bar και θερμοκρασία 150 o C. Σε αυτές τις συνθήκες, το φ. αέριο, βρίσκεται διαλυμένο μέσα στο αργό πετρέλαιο. Κατά την διαδικασία της άντλησης του αργού πετρελαίου, όπως ανεβαίνει προς την επιφάνεια, η πίεση μειώνεται και εκλύεται αέριο που δημιουργείται αφρός, όπως ακριβώς συμβαίνει με την σαμπάνια όταν την ανοίγουμε. Ο διαχωρισμός πετρελαίου και αερίου γίνεται σε δεξαμενές υπό πίεση, οι οποίες βρίσκονται στην επιφάνεια της Γής. Το φ. αέριο περιέχει, συνήθως σημαντικό ποσοστό βαρύτερων αέριων υδρογονανθράκων (C 4 C 5, υδρογονάνθρακες), οι οποίοι θα πρέπει να διαχωριστούν και στην συνέχεια να αποθηκευτούν υπό πίεση ως υγραέρια. Το φ. αέριο περιέχει επίσης και υδρατμό. Το «μίγμα φ. αερίου», μπορεί να έχει υγρασία. Στον πίνακα 1.2 φαίνεται η μερική πίεση του υδρατμού ps (bar) και η απόλυτη υγρασία ρs (ή g ) σε κορεσμένα υδρατμό αέρια. Πίνακας 1.2 μερική πίεση του υδρατμού ps (g ) σε κορεσμένα φ. αέρια 14

21 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Απομάκρυνση υδρατμών από το φ. αέριο Η απομάκρυνση των υδρατμών είναι αναγκαία για δύο λόγους. Πρώτον, γιατί υπό ορισμένες συνθήκες πιέσεως και θερμοκρασίας, σχηματίζουν με τους υδρογονάνθρακες κρυσταλλικές ενώσεις, ονομαζόμενες Gashydrate, οι οποίες ενώσεις φράζουν τους αγωγούς. Δεύτερον, σε συνδυασμό με το διοξείδιο του άνθρακα και άλλα επίσης συστατικά του αερίου, προκαλούν διαβρώσεις στους αγωγούς (Korrosion). Η ξήρανση των αερίων, γίνεται μέχρι σημείου δρόσου, από -5 o C έως -20 o C για πιέσεις από 70bar μέχρι 80 bar. Η απομάκρυνση των υδρατμών από το φ. αέριο γίνεται κυρίως, είτε με βαθειά ψύξη είτε με υγρά απορροφητικά υλικά όπως γλυκόλη και σε ειδικές περιπτώσεις και με στερεά. Η βαθειά ψύξη γίνεται με εκτόνωση και όταν δεν επαρκεί αυτή τότε γίνεται με πρόσθετη ψύξη, που επί το πλείστον προηγείται της εκτόνωσης. Η απομάκρυνση των υδρατμών με γλυκόλη, η οποία είναι μία πολύ υγροσκοπική υγρή ουσία που απορροφά μεγάλες ποσότητες νερού, γίνεται με διατάξεις όπως φαίνεται στην εικ.1.5. Εικόνα 1.5 Διάταξη ξηράνσεως φυσικού αερίου με γλυκόλη Διάταξη ξηράνσεως φυσικού αερίου με γλυκόλη Από την γεώτρηση, φέρεται το αέριο υπό την υψηλή πίεση της αντιθλήψεως στον πρώτο διαχωριστή, όπου αποτίθεται το ελεύθερο νερό και τυχόν συμπαρασυρόμενα στερεά που στην συνέχεια διοχετεύονται στην δεξαμενή νερού. Το αέριο εισέρχεται στον προθερμαντήρα, που προθερμαίνεται κατάλληλα και στη συνέχεια αποτονώνεται μέσω του μειωτή πιέσεως στην πίεση της εγκαταστάσεως. Το νερό που καταπίπτει, διαχωρίζεται στον διαχωριστή από το αέριο και οδηγείται στην δεξαμενή του νερού. Το αέριο οδηγείται στο κάτω μέρος του ξηραντήρα, που είναι μια κολώνα υπερκείμενους κώδωνες, στην οποία ρέει από πάνω προς τα κάτω γλυκόλη. Αυτήν, συγκρατεί την υπόλοιπη υγρασία του αερίου, έτσι ώστε τούτο εξέρχεται από πάνω ξηρό και οδηγείται στο σύστημα μεταφοράς (6) ή το σύστημα περαιτέρω 15

22 καθαρισμού. Το επιβλαβέστερο στοιχείο, που πρέπει γα συγκρατηθεί είναι το υδρόθειο (H 2 S), που σε πολλά κοιτάσματα συνευρίσκεται με το αέριο σε σημαντική αναλογία. Τούτο συγκρατείται σε ειδικές εγκαταστάσεις (συνήθως με την μέθοδο Glaus) μετατρεπόμενο σε θείο. Η γλυκόλη πρέπει στη συνέχεια να αναγεννηθεί. Οδηγείται πρώτα σε ένα θερμαντήρα (9) όπου βράζει στους 200 ο C. Οι ατμοί της γλυκόλης συμπυκνούνται στην ειδική διάταξη (10), που μοιάζει με κολώνα αποστάξεως και με υπερχείλιση οδηγούνται στην δεξαμενή (12). Οι υδρατμοί συμπυκνώνονται στο ψυγείο (11) και οδηγούνται στην δεξαμενή νερού (3). Το καθαρισμένο και αφυγρασμένο φυσικό αέριο είναι έτοιμα για την μεταφορά Για την ολοκλήρωση της εικόνας των φυσικών αερίων δίδονται στον πίνακα 1.3 στοιχεία για τα φυσικά αέρια, που ενδιαφέρουν την Ευρώπη. Πίνακας 1.3 συνθέσεις φυσικών αερίων Ποιάς σπουδαιότητας όμως για την ενεργειακή οικονομία του κόσμου είναι πλέον το φυσικό αέριο; Μια εικόνα αυτού μας δίδει ο πίνακας 1.4 όπου φαίνονται οι καταναλώσεις των διαφόρων πρωτογενών μορφών ενεργείας 16

23 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Πίνακας 1.4 Καταναλώσεις ενέργειας σε εκατομμύρια τόνους ισοδύναμου πετρελαίου Η υψηλή αυτή κατανάλωση του φυσικού αερίου κατά τομείς φαίνεται στον πίνακα 1.5. Χαρακτηριστικό στοιχείο, που προκύπτει από τον πίνακα είναι ότι το φυσικό αέριο καλύπτει θερμικές ανάγκες των μικρών καταναλωτών και κατά δεύτερο λόγο της βιομηχανίας. Οι ιδιότητες του φυσικού αερίου, οδήγησαν τελικά την τελευταία εικοσαετία και παρά τις δύο πετρελαϊκές κρίσεις σε σημαντική αύξηση της καταναλώσεώς του, που προκαλεί πολλές σκέψεις για το μέλλον. Εικόνα αυτής της αυξήσεως δίδει το διάγραμμα του (εικ.1.6). Αυτό, οδήγησε και σε μεγάλη ανάπτυξη του διεθνούς εμπορίου εικόνα του οποίου έχουμε από τους πίνακες 1.6 α και 1.6 β όπου φαίνονται οι διακινούμενες ποσότητες φυσικού αερίου από χώρα σε χώρα αφ ενός με πιεστικά δίκτυα και αφ ετέρου με υγροποίηση υπό ψύξη. Η τόση ζήτηση φυσικού αερίου, προκαλεί και σκέψεις για τα αποθέματα του. Περί αυτών, δίδει στοιχεία ο πίνακας 1.7. Αυτά δεν είναι πολλά, αλλά επαρκούν περισσότερο από το πετρέλαιο και με τα ανακαλυπτόμενα συνεχώς νέα κοιτάσματα, ασφαλώς επαρκούν μέχρι το 2050 μ.χ, το έτος, που φθάνουν οι σημερινές προβλέψεις ενεργείας, οπότε ελπίζεται να υπάρξει νέα τεχνολογία για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών (συνθετικά φυσικό αέρια,, σύντηξη κλπ.). 17

24 Πίνακας 1.5 Καταναλώσεις ενέργειας Εικόνα 1.6 Αύξηση καταναλώσεως φ. αερίου 18

25 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Πίνακας 1.6 α Διακινούμενες ποσότητες φ αερίου, από χώρα σε χώρα με πιεστικά δίκτυα 10 9 m 3 /α (1990) Πίνακας 1.6 β Διακινούμενες ποσότητες LNG από χώρα σε χώρα 10 9 m 3 /α (1990) 19

26 Πίνακας 1.7 Βεβαιωμένα αποθέματα σε m 3, ποσοστό επί το σύνολο σε % και λόγος αποθεμάτων/ παραγωγής σε έτη την 31 δεκ Υγροποιημένο Φυσικό Αέριο (LNG) Ιστορία του υγροποιημένου φ. αερίου. Το Υγροποιημένο φ. αερίο (ΥΦΑ), έγινε πιο προσιτό το 1917, όταν οι πρώτες μονάδες υγροποιημένου φ. αερίου τέθηκαν σε λειτουργία στη Δ. Βιρτζίνια. Η πρώτη εμπορική μονάδα υγροποίησης χτίστηκε στο Κλίβελαντ του Οχάιο το 1941.Τον Ιανουάριο του 1959, το πρώτο δεξαμενόπλοιο υγροποιημένου φυσικού αερίου στον κόσμο που μετέφερε φορτίο από το Lake Charles, Λουιζιάνα στο Canvey Island, Ηνωμένο Βασίλειο. Η μεταφορά αυτή έδειξε, ότι μεγάλες ποσότητες υγροποιημένου φυσικού αερίου θα μπορούσαν να μεταφερθούν με ασφάλεια σε ολόκληρο τον ωκεανό. Το 1961, η Βρετανία υπέγραψε μια 15-ετή σύμβαση για να υλοποιείται λιγότερο από 1 εκατ. τόνους ετησίως (mtpa) από την Αλγερία, αρχίζει το Η πρώτη μονάδα υγροποίησης στον κόσμο ανατέθηκε να προμηθεύσει την παρούσα σύμβαση με την παραγωγή φυσικού αερίου που προέρχεται από τεράστια αποθέματα φυσικού αερίου που βρίσκονται στη Σαχάρα. Το επόμενο έτος η Γαλλία υπέγραψε παρόμοια συμφωνία για αγορά υγροποιημένου φ. αερίου από την Αλγερία. Στο εργοστάσιο της Αλάσκας, η Kenai, άρχισε παραδόσεις ΥΦΑ στο Τόκιο της Ιαπωνίας για την χρήση του αερίου και για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας το Το 1972, το Μπρουνέι έγινε ο πρώτος παραγωγός της Ασίας, με αποτέλεσμα να λειτουργεί μία μονάδα υγροποιημένου φ. αερίου στη Lumut η οποία έχει χωρητικότητα 6,5 mtpa. Εργοστάσιο της Λιβύης στο Marsa el Brega άρχισε τις παραδόσεις στην Ισπανία το Η Ιταλία επίσης τροφοδοτείται από τη Λιβύη, σηματοδοτώντας την είσοδο ενός νέου παραγωγού και δύο νέους αγοραστές στις τάξεις του εμπορίου υγροποιημένου φ. αερίου. 20

27 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Στην Αμερική, οι εισαγωγές από την Αλγερία, έχουνε αρχίσει από το 1972 με την Distrigaz της Βοστώνης, της οποίας η δέσμευση ήτανε να αγοράσει 50 εκατομμύρια κυβικά πόδια την ημέρα (MMscfd) από το εργοστάσιο Skikda για περίοδο 20 ετών. Η ζήτηση για LNG στην Ασία εξακολούθησε να αυξάνεται και η Μαλαισία εισήλθε στην αγορά υγροποιημένου φ. αερίου το 1983 (ο όγκος συμβολαίου αρχικά ήτανε σε 6 mtpa αλλά στη συνέχεια αυξήθηκε σε 7,5 mtpa), ακολουθούμενη από την Αυστραλία το 1989 (ομοίως με αρχικό όγκο σύμβασης με 6 mtpa που έχει πλέον αυξηθεί στα 7,5 mtpa). Το Κατάρ έγινε η δεύτερη παραγωγός της Μέσης Ανατολής ΥΦΑ, με την παράδοση του πρώτου φορτίου του υγροποιημένου φ. αερίου από τις εγκαταστάσεις υγροποιημένου φ. αερίου Qatargas, τον Ιανουάριο του Πιο πρόσφατα αρκετές μονάδες έχουν έρθει στη γραμμή: Τρινιντάντ (3 mtpa) η οποία ξεκίνησε τον Απρίλιο του 1999, η Ras Laffan (6.6 mtpa) ξεκίνησε τον Μάιο του 1999 και η Νιγηρία (5,6 mtpa) τον Οκτώβριο του Τον Απρίλιο του 2000, το Ομάν άρχισε τη δραστηριότητά τους με μια μονάδα δυναμικότητας σχεδιασμού των 6,6 mtpa. Που το πρώτο φορτίο θα παραδοθεί στην Κορέα Τι είναι το Υγροποιημένο φυσικό αέριο (Liquefied Natural Gas, LNG) Το υγροποιημένο φυσικό αέριο, είναι το φ. αέριο που έχει μετατραπεί σε υγρή μορφή για να διευκολυνθεί η αποθήκευση και η μεταφορά του. Είναι άοσμο, άχρωμο, μη τοξικό και μη διαβρωτικό. Η διαδικασία υγροποίησης περιλαμβάνει τον αρχικό καθαρισμό του από ξένες προσμίξεις (π.χ. νερό, χώμα, ήλιο, βαρύτεροι υδρογονάνθρακες) και στη συνέχεια συμπυκνώνεται σε υγρή μορφή σε πίεση κοντά στην ατμοσφαιρική (η μέγιστη πίεση μεταφοράς είναι περίπου 25kPa (3.6 psi)) με ψύξη του στους -163 C. Απομακρύνοντας αυτές τις προσμίξεις, δεν μπορεί να δημιουργηθούν στερεές ουσίες με την ψύξη του φυσικού αέριου. Σαν αποτέλεσμα, το ΥΦΑ περιέχει κυρίως μεθάνιο. Επειδή το ΥΦΑ είναι ένα εξαιρετικά ψυχρό υγρό που σχηματίζεται με ψυχτικά μέσα, δεν αποθηκεύεται υπό πίεση. Είναι λανθασμένη η πεποίθηση ότι το ΥΦΑ είναι ένα συμπιεσμένο αέριο. Εικόνα 1.7 Σύγκριση συστατικών φ. αερίου με υγροποιημένο φυσικό αέριο 21

28 Η μεταφορά του, γίνεται είτε μέσω ειδικά διαμορφωμένων πλοίων με την αντίστοιχη ψυκτική ικανότητα είτε μέσω αντίστοιχων βυτιοφόρων. Η αποθήκευσή του γίνεται σε ειδικά κατασκευασμένες δεξαμενές. Ο όγκος του, είναι ίσος με το 1/614 του όγκου του φυσικού αερίου, σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, κάνοντας αποδοτική τη μεταφορά του σε μεγάλες αποστάσεις, όπου δεν υπάρχουν αγωγοί. Το υγροποιημένο φυσικό αέριο, προσφέρει μια πυκνότητα ενέργειας συγκρίσιμη με εκείνη του πετρελαίου και της βενζίνης, ενώ ταυτόχρονα, δημιουργεί λιγότερη μόλυνση, όμως το σχετικά υψηλό κόστος της παραγωγικής διαδικασίας και η ανάγκη αποθήκευσής του σε μια ακριβή κρυογεννητική δεξαμενή, έχει περιορίσει την διάδοσή του για εμπορική χρήση. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οχήματα φυσικού αερίου ως καύσιμο, αν και τα περισσότερα από αυτά είναι σχεδιασμένα να χρησιμοποιούν συμπιεσμένο φυσικό αέριο. Οι συνθήκες που απαιτούνται για την συμπύκνωση του φυσικού αερίου σε υγρή μορφή, εξαρτώνται από την ακριβή του σύνθεση, από την αγορά για την οποία προορίζεται και από τη διαδικασία που χρησιμοποιείται. Τυπικές τιμές θερμοκρασίας κυμαίνονται, από -120 έως -170 ºC (το καθαρό μεθάνιο υγροποιείται στους C) και πιέσεις μεταξύ 101 και 6000 kpa (περίπου 1-60 atm). Το υψηλής πίεσης φυσικό αέριο που συμπυκνώνεται, στη συνέχεια μετατρέπεται σε χαμηλής πίεσης για αποθήκευση και αποστολή. Η πυκνότητα του υγροποιημένου φυσικού αερίου είναι περίπου 467 γραμμάρια ανά λίτρο, μικρότερη σε σύγκριση με την πυκνότητα του νερού, (η οποία είναι περίπου 994 γραμμάρια ανά λίτρο) ή kg/l, ανάλογα με τη θερμοκρασία, την πίεση και τη σύσταση. Έτσι, αν το ΥΦΑ χυθεί στο νερό, επιπλέει και εξατμίζεται γιατί είναι ελαφρύτερο από το νερό. Οι ατμοί ΥΦΑ από την εξάτμιση είναι εύφλεκτοι και μπορεί να δημιουργήσουν έκρηξη κάτω από ορισμένες συνθήκες. Οι ατμοί ΥΦΑ γίνονται εύφλεκτοι όταν η συγκέντρωση τους στον αέρα είναι μεταξύ 5% και 15% (κατ 'όγκο αέρα). Όταν η συγκέντρωση ατμών ΥΦΑ στο αέρα υπερβαίνει το 15% δεν μπορεί να πάρουν φωτιά γιατί υπάρχει λίγο οξυγόνο. Όταν η συγκέντρωση ατμών ΥΦΑ στον αέρα είναι κάτω από το 5% (κατώτατο όριο δεν μπορεί να καούν γιατί είναι πολύ λίγο το φυσικό αέριο. Η ικανότητα της θερμογόνου δύναμης που έχει, δεν είναι συγκεκριμένη, εφόσον εξαρτάται από τη σύσταση του φυσικού αερίου, από την προέλευσή του και από την επεξεργασία του. Η ανώτερη θερμογόνος δύναμή του, είναι κατ εκτίμηση, 24MJ/L στους -164 C ενώ για το ίδιο υγροποιημένο φυσικό αέριο, η κατώτερη θερμογόνος δύναμη είναι 21MJ/L. Το υγροποιημένο φυσικό αέριο, δεν περιέχει κανένα στοιχείο το οποίο να παγώνει στην θερμοκρασία υγροποίησης. Η τελική, καθαρή του μορφή μπορεί να περιέχει πάνω από 90% μεθάνιο (μερικές φορές και σχεδόν 100%), ενώ περιέχει επιπλέον αιθάνιο, προπάνιο, βουτάνιο ή και βαρύτερα αλκάνια. 22

29 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Σύντομη επισκόπηση χαρακτηριστικών Υ.Φ.Α. Το υγροποιημένο φ. αέριο είναι μί απολύ καθαρή μορφή του φ. αερίου και δεν είναι καρκινογενές ή τοξικό. Το Φ. αέριο για να υγροποιηθεί πρέπει να απομακρύνονται όλες οι προσμίξεις όπως είναι: Θείο, το διοξείδιο του θείου και ο υδράργυρος είναι διαβρωτικά για τον εξοπλισμό του ΥΦΑ. Νερό, το οποίο θα μπορούσε να παγώσει και να προκαλέσει απόφραξη του εξοπλισμού Κίνδυνοι από το υγροποιημένο φυσικό αέριο Οι κίνδυνοι που συνδέονται με την ασφάλεια των τερματικών σταθμών ΥΦΑ είναι σε συζήτηση για πολλές δεκαετίες. Το ατύχημα στο Κληβελαντ το 1944, μία από τις πρώτες εγκαταστάσεις υγροποιημένου φυσικού αερίου στο οποίο σκοτώθηκαν 128 άτομα που δημιούργησε φόβους για τους κινδύνους του ΥΦΑ που εξακολουθούν να υπάρχουν και σήμερα. Βελτιώσεις στην τεχνολογίας και πρότυπα ασφαλείας από το 1940 έχουν κάνει ασφαλέστερες τις εγκαταστάσεις ΥΦΑ, παρόλα αυτά σοβαροί κίνδυνοι παραμένουν, γιατί το ΥΦΑ είναι εγγενώς ασταθής και συνήθως μεταφέρεται και αποθηκεύεται σε μεγάλες ποσότητες. Τον Ιανουάριο του 2004, το ατύχημα σε τερματικό ΥΦΑ στην Skikda της Αλγερίας όπου σκοτώθηκαν 27 άτομα και τραυματίστηκαν πάνω από 100 εργαζόμενοι έχουν φέρει στην επικαιρότητα τις ανησυχίες για την ασφάλεια των εγκαταστάσεων ΥΦΑ. Ανησυχίες για την ασφάλεια των εγκαταστάσεων αποθήκευσης και τερματικών λιμενικών σταθμών έχουν δημιουργήσει εκτεταμένη αντιπαράθεση σε περιοχές όπου σχεδιάζεται η κατασκευή τέτοιων εγκαταστάσεων. Για παράδειγμα, στην ακτή του Maine, Long Island Sound ο σχεδιασμός τερματικού σταθμού ΥΦΑ (γνωστός σαν Broadwater Energy) έχει ξεσηκώσει τις τοπικές κοινωνίες και πολλοί πολιτικοί ανάμεσα τους και η Χίλαρι Κλίντον έχουν εκφράσει δημόσια την έντονη αντίθεσή τους). Ένας τερματικός σταθμός υγροποιημένου φυσικού αερίου ορίζεται από τη ΕΕ νομοθεσία (οδηγία 96/82/ΕΚ) σαν μια από τις τα πιο επικίνδυνες εγκαταστάσεις - μια εγκατάσταση Seveso II. Η οδηγία 96/82/ΕΚ ονομάζεται οδηγία Σεβέζο ΙΙ, (και η οδηγία 82/501/ΕΟΚ οδηγία Σεβέζο Ι) αφορά την πρόληψη και καταστολή Βιομηχανικών Ατυχημάτων Μεγάλης Έκτασης. Πήρε το όνομα της από το γνωστό ατύχημα διαρροής χημικών (διοξίνης) στο Σεβέζο της Ιταλίας το Φυσικοί κίνδυνοι του ΥΦΑ Γενικά, οι κίνδυνοι περιλαμβάνουν αναφλεξιμότητα, κατάψυξη και ασφυξία. Το φυσικό αέριο είναι εύφλεκτο και η ανεξέλεγκτη απελευθέρωση υγροποιημένου φυσικού αερίου δημιουργεί κίνδυνους "πυρκαγιάς λίμνης" ή σε περιορισμένους χώρους κινδύνους έκρηξης. «Πυρκαγιές λίμνης» (fire pools). Μολονότι εξακολουθούν να εκφράζονται διαφωνίες για συγκεκριμένους κινδύνους ΥΦΑ, φαίνεται να υπάρχει ομοφωνία για τις «πυρκαγιές λίμνης» (fire pools) ότι είναι από τους σοβαρότερους κινδύνους από το ΥΦΑ. Μια «πυρκαγιά λίμνης» είναι μια φωτιά στροβιλώδους διάδοσης, που καίει 23

30 πάνω από μια οριζόντια «λίμνη», εξατμιζόμενου καυσίμου, όπου το καύσιμο έχει μηδενική ή χαμηλή αρχική ορμή. Η «πυρκαγιά λίμνης» μπορεί να είναι στατική (π.χ. όταν η «λίμνη» καύσιμου είναι περιορισμένη) ή μια "ταχέως εξαπλούμενη" πυρκαγιά. Αν το ΥΦΑ διαρρεύσει κοντά σε μια πηγή ανάφλεξης, οι ατμοί ΥΦΑ που δημιουργούνται από την εξάτμιση (σε μια εύφλεκτη συγκέντρωση με τον αέρα, 5% μέχρι 15%), θα καούν πάνω από την κηλίδα του υγρού ΥΦΑ. Η προκύπτουσα «πυρκαγιά λίμνης» θα εξαπλωθεί όπως εξαπλώνεται η κηλίδα ΥΦΑ μακριά από την πηγή διαρροής και το ΥΦΑ θα συνεχίσει να εξατμίζεται σε ατμούς. Μια τέτοια «πυρκαγιά λίμνης», είναι πολύ έντονη, η καύση της είναι πολύ γρήγορη και αναπτύσσει πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες από ότι οι φωτιές πετρελαίου ή βενζίνης. Εικόνα 1.8 «Πυρκαγιά λίμνης» από ΥΦΑ σε μικρής κλίμακας πείραμα Μια τέτοια πυρκαγιά δεν μπορεί να κατασβησθεί. Θα πρέπει να αναλωθεί πρώτα όλο το ΥΦΑ για να σβήσει. Δεδομένου, ότι η «πυρκαγιά λίμνης» ΥΦΑ αναπτύσσει πολύ ψηλές θερμοκρασίες σε γρήγορο χρόνο, η θερμική ακτινοβολία μπορεί να τραυματίσει ανθρώπους και κάνει ζημία σε ιδιοκτησίες που βρίσκονται σε σημαντική απόσταση από την «πυρκαγιά λίμνης». Πολλοί ειδικοί συμφωνούν ότι η πυρκαγιά λίμνης από ΥΦΑ, ειδικά πάνω σε νερό, είναι ο πιο σοβαρός κίνδυνος ΥΦΑ. Διασπορά, ανάφλεξη και έκρηξη ατμών ΥΦΑ. Το ΥΦΑ αν διαρρεύσει, αεριοποιείται γρήγορα και δημιουργεί ένα νέφος ψυχρών ατμών φυσικού αερίου. Ο όγκος του αυξάνει 600 φορές και αναμειγνυόμενο με τον αέρα, ψύχει τον αέρα και σχηματίζει ένα κρύο λευκό σύννεφο ατμών που επειδή είναι μεγαλύτερο σε πυκνότητα από τον αέρα δεν διαλύεται. Το σύννεφο αυτό μπορεί να ταξιδέψει με τον άνεμο σε σημαντικές αποστάσεις, μέχρις ότου να συναντήσει μία πηγή ανάφλεξης ή να διαλυθεί όταν αυξηθεί αρκετά η θερμοκρασία των ατμών. Το φυσικό αέριο όταν είναι σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (όπως το αέριο αγωγού), είναι ελαφρύτερο από τον αέρα και ανεβαίνει στην ατμόσφαιρα οπού και διαλύεται γρήγορα σε περίπτωση διαρροής. Ωστόσο, το ΥΦΑ λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας του, ψύχει τον αέρα, καθώς αεριοποιείται και αναμειγνύεται με τον αέρα. Το κρύο νέφος ατμών ΥΦΑ που δημιουργείται, παραμένει πυκνότερο από τον αέρα και (δεν διαλύεται) αλλά μετακινείται προς την κατεύθυνση του άνεμου. Εάν το κρύο νέφος του αεριοποιημένου ΥΦΑ εισέρθει σε ένα κλειστό χώρο (π.χ. ένα δωμάτιο ή κτήριο) και αναφλεχθεί θα εκραγεί. Στην καταστροφή του Κλήβελαντ, το ΥΦΑ διέρρευσε από ένα ρήγμα σε δεξαμενή στο σύστημα αποχέτευσης, όπου αεριοποιήθηκε και εξερράγη. Στη συνέχεια, το νέφος ατμών ΥΦΑ μπήκε σε κτίρια και σπίτια όπου με 24

31 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή την ανάφλεξη εξερράγη, εκτός του ότι δημιούργησε μια μεγάλη πυρκαγιά στην περιοχή διαρροής του. Αν η ανάφλεξή των ατμών ΥΦΑ γίνει κοντά στη πηγή της διαρροής, το θερμικό φορτίο από την ανάφλεξη, μπορεί να (ή να μην) διαφέρει σημαντικά από μια «πυρκαγιά λίμνης» (fire pool), επειδή η ανάφλεξη του σύννεφου ατμών ΥΦΑ, θα μπορούσε πιθανότατα να καεί προς τα πίσω μέχρι την πηγή της διαρροής του ΥΦΑ (γνωστή και σαν flash fire ή cloud fire) και να μετατραπεί σε «πυρκαγιά λίμνης» (fire pool). Αν το σύννεφο αναφλεχθεί σε σημαντική απόσταση από την διαρροή, η θερμική ζώνη επικινδυνότητας μπορεί να επεκταθεί σημαντικά. Η θερμική ακτινοβολία, που προέρχεται από την ανάφλεξη ενός σύννεφου ατμών ΥΦΑ, μπορεί να είναι πολύ υψηλή, μέσα στο αναφλεγόμενο σύννεφο, και κατά συνέπεια, ιδιαίτερα επικίνδυνη για τους ανθρώπους. Εάν υπάρξει κάποιος περιορισμός στο σύννεφο ατμού ΥΦΑ, το μεθάνιο μπορεί να προκαλέσει τέτοιες καταστρεπτικές υπερπιέσεις που θα οδηγήσουν σε έκρηξη. Αυτός ο περιορισμός, μπορεί να παρασχεθεί σε περιοχές γεμάτες με εξοπλισμό και οι κατασκευές, μπορούν επίσης να διευκολύνουν τις καταστρεπτικές υπερπιέσεις, εάν ένα σύννεφο ατμού αναφλεγεί μέσα σε αυτές Αποστάσεις Αποκλεισμού Πειραματικά δεδομένα και αναλυτικές εκτιμήσεις για εξάπλωση ατμών ΥΦΑ δείχνουν ότι ένα μεγάλο νέφος ατμών μπορεί να επεκταθεί σε μεγάλες αποστάσεις, ανάλογα με τις ατμοσφαιρικές συνθήκες και την μορφολογία του εδάφους. Με βάση τα παραπάνω, υπάρχουν δύο είδη ζωνών ασφαλείας γύρω από τον τερματικό σταθμό και την εγκατάσταση ΥΦΑ: 1)η θερμική ζώνη ασφαλείας ή αποκλεισμού, που επεκτείνεται σε μια απόσταση, όπου η θερμική ακτινοβολία από πιθανή φωτιά στην εγκατάσταση, μειώνεται σε κάτω από BTU/hr/ft². Αυτό, είναι το όριο όπου η φωτιά είναι επικίνδυνη για άτομα που βρίσκονται σε εξωτερικούς χώρους μετά από 30 δευτερόλεπτα έκθεσης. 2) Η ζώνη ασφαλείας για το νέφος ατμών ΥΦΑ, που είναι η μέγιστη απόσταση που το νέφος ατμών ΥΦΑ μπορεί να ταξιδέψει και να εξακολουθεί να παραμένει εύφλεκτο. Άνθρωποι και περιουσίες στη ζώνη αυτή, θα καούν εάν το νέφος ατμών ΥΦΑ αναφλεχθεί. Και οι δύο αυτές ζώνες ασφαλείας είναι σημαντικές. Το νέφος ατμών ΥΦΑ, μπορεί να σκοτώσει εκείνους που εκτίθενται στο νέφος, σε περίπτωση που αναφλεχθεί και υπάρχουν πολλές διαθέσιμες πηγές ανάφλεξης στις κατοικήσιμες περιοχές. Μια φωτιά, θα κάψει εκείνους που εκτίθενται σε θερμική ακτινοβολία σε επίπεδα υψηλότερα από BTU / hr/ft ². Για τον προσδιορισμό της ζώνης αποκλεισμού (ασφαλείας), οι κανονισμοί καθορίζουν, ότι η περιοχή κίνδυνου από το νέφος ατμών ΥΦΑ, θεωρείται η περιοχή όπου η μέση συγκέντρωση φυσικού αερίου στον αέρα είναι ίση προς ή μεγαλύτερη από το 2,5 %. 25

32 Να σημειώσουμε ότι, η έκταση μέσα και στις δυο ζώνες ασφαλείας (θερμική και διασποράς ατμών ΥΦΑ), σύμφωνα, με την Αμερικανική νομοθεσία θα πρέπει να ανήκει ή ελέγχεται από φορέα εκμετάλλευσης της εγκατάστασης ΥΦΑ. Εικόνα 1.9 Δυνατή έκταση της ασφυξίας και ανάφλεξης Μελέτη του Δρ Jerry Havens, που έγινε από το Public Utilities Commission of the State of California, για την Ομοσπονδιακή Ρυθμιστική Επιτροπή Ενέργειας, καταλήγει στο συμπέρασμα, ότι άτομα που ζουν σε ακτίνα 3 μιλίων (5 χιλιομέτρων) από ένα τερματικό σταθμό ΥΦΑ βρίσκονται σε κίνδυνο. Η μελέτη του, καταλήγει στο συμπέρασμα, ότι θα πρέπει να υπάρχει μια ζώνη ασφάλειας τουλάχιστον 3 μιλίων (5 χιλιομέτρων) μεταξύ ενός τερματικού σταθμού υγροποιημένου φυσικού αερίου και μιας κατοικημένη περιοχής Έκθεση της IoMosaic Corporation, διαπίστωσε ότι η μέγιστη επίδραση της θερμικής ακτινοβολίας από πυρκαγιά σε ένα δεξαμενόπλοιο μεταφοράς ΥΦΑ χωρητικότητας κυβικών μέτρων, θα οδηγήσει σε 50% απώλειες ζωής αυτών που ζουν σε απόσταση 3,7 χιλιόμετρα από την πηγή της πυρκαγιάς. Να σημειώσουμε ότι, σύμφωνα με την νομοθεσία σε πολλές χώρες και στις δυο ζώνες ασφαλείας, οι αποστάσεις καθορίζονται κατά περίπτωση με υπολογιστικά μοντέλα που παίρνουν υπόψη τους, της κατά τόπου συνθήκες (ταχύτητα του ανέμου, την ατμοσφαιρική θερμοκρασία και τη σχετική υγρασία, μορφολογία κλπ). Για παράδειγμα, ο κ. Μπαλαούρας υπολόγισε ότι για τον τερματικό σταθμό ΥΦΑ της Ρεβυθούσας, οι ατμοί ΥΦΑ είναι επικίνδυνοι σε μια ακτίνα μετρων από το τερματικό σταθμό για μια διαρροή 14,300 κυβικών μέτρων ΥΦΑ. Μια μελέτη από την Shannon LNG για ενα τερματικό σταθμό ΥΦΑ στη Ιρλανδία, βρήκε οτι οι ατμοί ΥΦΑ μπορούν να ταξιδέψουν 12.4 χλμ πριν αναφλεχθούν. Έκθεση, απο τα Sandia National Laboratories το 2006 υπολόγισε οτι οι ατμοί ΥΦΑ είναι εύφλεκτοι μέχρι 11.7 χλμ από την εγκατάσταση ΥΦΑ στο Cabrillo. Οι ζώνες ασφάλειας διαφέρουν για τα πλοία εν πλω και τα πλοία στο λιμάνι. Οι ζώνες ασφάλεια των λιμένων, καθορίζονται από τις λιμενικές αρχές με βάση τον 26

33 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή ειδικό παράγοντες κινδύνου σε ένα δεδομένο τερματικό. Υπάρχουν δύο σκοποί για τις ζώνες ασφαλείας για πλοία ΥΦΑ: 1) να ελαχιστοποιηθεί η πιθανότατα σύγκρουσης όταν το πλοίο είναι εν πλω και 2) κατά τον ελλιμενισμό, να προστατεύσει ιδιοκτησίες και το προσωπικό, από τους κινδύνους που θα μπορούσαν να συνδέονται με μια ανάφλεξη. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι τερματικοί σταθμοί υγροποιημένου φυσικού αερίου, είναι ειδικά κατασκευασμένοι λιμένες που χρησιμοποιούνται αποκλειστικά και μόνο για την εκφόρτωση του υγροποιημένου φυσικού αερίου (όχι άλλες χρήσεις), όπως στην Ρεβυθούσα. To SIGTTO (The Society of International Gas Tanker and Terminal Operators Ltd) στις εκθέσεις του Site Selection και LNG Operations in Port Areas: Essential best practices for the industry, συμβουλεύει ότι,είναι καλή πρακτική να θεσπιστεί ένα είδος ζώνης αποκλεισμού γύρω από τα διερχόμενα δεξαμενόπλοια ΥΦΑ. "Σε περίπτωση που η κίνηση πλοίων είναι προς στην κατεύθυνση του δεξαμενόπλοιου, η ζώνη αυτή, μπορεί να εκτείνεται περίπου 1 έως 2 μίλια πριν από το δεξαμενόπλοιο ΥΦΑ. Μια απόσταση, που καθορίζεται από την απόσταση που απαιτείται για να σταματήσει με ασφάλεια ένα δεξαμενόπλοιο ΥΦΑ. Κίνηση που ακολουθεί το δεξαμενόπλοιο ΥΦΑ θα πρέπει να αποκλειστεί σε ανάλογη απόσταση, επιτρέποντας περιθώρια για το δεξαμενόπλοιο να επιβραδύνει και να κάνει ελιγμούς χωρίς αυτό να παρεμποδίζεται από την προσέγγιση πλοίων. Σε γενικές γραμμές, η κίνηση πλοίων δεν θα πρέπει να είναι κοντύτερα από 1,5 μίλια μπροστά ή 0,5 μίλια πίσω από το δεξαμενόπλοιο ΥΦΑ»(σελίδα 15 της έκθεσης). To SIGTTO επίσης, με σαφήνεια καθορίζει τα κριτήρια που πρέπει να ακολουθηθούν για τη "επιλογή του χώρου και του σχεδιασμού για προβλήτες και λιμένες ΥΦΑ». Αυτά περιλαμβάνουν (σελίδα 12 της έκθεσης): 1) Βρείτε μια θέση κατάλληλη μακριά από πληθυσμιακά κέντρα 2) Βρέστε μια ασφαλή θέση, μακριά από άλλη κίνηση πλοίων και κυματισμό. Για ένα "δεξαμενόπλοιο ΥΦΑ χωρητικότητας κυβικών μέτρων, κύματα που ενδέχεται να έχουν δυσμενή αποτελέσματα είναι εκείνα που προσεγγίζουν άμεσα από μπροστά ή από πίσω, και έχουν ύψος πάνω από 1,5 μέτρο για περιόδους μεγαλύτερες των 9 δευτερόλεπτων" (σελίδα 7 της έκθεσης). Πίνακας 1.8, Κριτήρια τραυματισμών εγκαυμάτων από την Federal Emergency Management Agency (FEMA 1990) 27

34 Πίνακας 1.9, όρια έκθεσης που συστήνει η API(1997) για την έκθεση εργαζομένων στην θερμική ακτινοβολία από τις φλόγες Κρυογενικά "εγκαύματα" -Άμεση Κατάψυξη.- Το ΥΦΑ, επίσης, εγκυμονεί κινδύνους, διότι είναι ακραία κρύο (-161ο C). Η άμεση επαφή με το υγροποιημένο φυσικό αέριο, θα προκαλέσει άμεση κατάψυξη των εγκαταστάσεων και των ατόμων. Ευρεία έκθεση, μπορεί να προκαλέσει σοβαρή ζημία και θάνατο. Συστήματα δευτερεύοντων προστατευτικών περιβλημάτων γύρω από τις δεξαμενές αποθήκευσης υγροποιημένου φυσικού αερίου, είναι σχεδιασμένα για να συγκρατούν το περιεχόμενο των δεξαμενών, και σε επικίνδυνες περιοχές, το προσωπικό χρησιμοποιεί προστατευτικό ιματισμό. Ασφυξία. Σε μία μεγάλης κλίμακας απελευθέρωση ΥΦΑ, αυτό θα αρχίσει να εξατμίζεται και οι ατμοί του να εκτοπίζουν τον αναπνεύσιμο αέρα. Εάν το ήδη εξατμισμένο ΥΦΑ δεν αναφλεγεί, και η συγκέντρωση του αερίου στον αέρα είναι αρκετά υψηλή, τότε αυτό είναι ικανό να δημιουργήσει ασφυξία. Πίνακας 10 χαρακτηριστικά συμπτώματα έλλειψης Ο 2 Οποιαδήποτε μείωση στην συγκέντρωση του οξυγόνου έχει κάποιο ρίσκο όσο αναφορά τον πληθυσμό λόγω της αυξημένης ευαισθησίας τους (πνευμονικές, καρδιακές παθήσεις). Πάντως, αναφορές έχουν δείξει, ότι το ποσοστό μόνιμων τραυματισμών είναι πολύ μικρό σε ανθρώπους με καλή φυσική κατάσταση και σε 28

35 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή συνθήκες με συγκέντρωση οξυγόνου πάνω από 12.5% στο επίπεδο της θάλασσας. Για συγκέντρωση πάνω από 14% η συχνότητα των τραυματισμών (μόνιμων) είναι ακόμα μικρότερη Επιδόσεις ασφάλειας εγκαταστάσεων υγροποιημένου φυσικού αερίου Η βιομηχανία δεξαμενόπλοιων ΥΦΑ ισχυρίζεται ότι έχει καλές επιδόσεις ασφάλειας κατά τα τελευταία 40 χρόνια. Η διεθνή θαλάσσια μεταφορά ΥΦΑ, δεδομένου ότι ξεκίνησε το 1959,στα δεξαμενόπλοια που έχουν μεταφερθεί φορτία ΥΦΑ χωρίς σοβαρό ατύχημα στη θάλασσα ή στα λιμάνια. Τα δεξαμενόπλοιων ΥΦΑ, έχουν εμπειρία από προσαράξεις και συγκρούσεις κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, αλλά καμιά δεν έχει καταλήξει σε μεγάλες διαρροές. Η επίδοση ασφάλειας των δεξαμενόπλοιων ΥΦΑ, είναι εν μέρει, λόγω του διπλού κύτους τους. Αυτός ο σχεδιασμός, τα καθιστά πιο ανθεκτικά και λιγότερο επιρρεπή σε διαρροές από ότι τα δεξαμενόπλοια μονού κύτους, όπως πετρελαίου και χημικών, όπως το Exxon Valdez, το οποίο η οποία προκάλεσε μια μεγάλη πετρελαιοκηλίδα στη Αλάσκα μετά την προσάραξη το Το ιστορικό επιδόσεων ασφαλείας των τερματικών σταθμών υγροποιημένου φυσικού αερίου στην ξηρά είναι ανάμεικτα. Υπάρχουν περίπου 50 τερματικοί σταθμοί υγροποιημένου φυσικού αερίου (και πάνω από 150 άλλες εγκαταστάσεις αποθήκευσης υγροποιημένου φυσικού αερίου) παγκοσμίως. Από το 1944, υπήρξαν περίπου 13 σοβαρά ατυχήματα σε αυτές τις εγκαταστάσεις υγροποιημένου φυσικού αερίου. Δύο από αυτά τα ατυχήματα που προκάλεσαν το θάνατο εργαζομένων στις εγκαταστάσεις το πρώτο στην Αλγερία το 1977, και το άλλο στο Cove Point του Maryland, το Στις 19 Ιανουαρίου 2004, μια φωτιά σε εγκατάσταση επεξεργασίας ΥΦΑ στην Skikda της Αλγερίας σκότωσε 27 εργαζόμενους και τραυμάτισε 74. Η φωτιά κατέστρεψε εντελώς την εγκατάσταση επεξεργασίας ΥΦΑ στη Skikda και κατέστρεψε το αγκυροβόλιο. Σύμφωνα με δημοσιεύματα του Τύπου, προκαταρκτική έρευνα αναφέρεται ότι το ατύχημα προκλήθηκε από διαρροή ΥΦΑ από αγωγό, το οποίο μετατράπηκε σε σύννεφο ατμών και στη συνέχεια αναφλεχθεί Τα σημαντικότερα ατυχήματα ΥΦΑ Το 1944, στο Cleveland, Ohiο, η δεξαμενή υγροποιημένου φυσικού αερίου, κατασκευασμένη από χάλυβα χαμηλό σε νικέλιο και είχε υποστεί χαμηλή θερμοκρασία θραύση και το περιεχόμενό της διέφυγε στους δρόμους και στο αποχετευτικό σύστημα. Από την έκρηξη και πυρκαγιά σκοτώθηκαν 128 άνθρωποι Arzew, Αλγερία Κατά τη διάρκεια εργασιών φόρτωσης, κεραυνός έπληξε το σύστημα εξαερισμού ΥΦΑ δεξαμενόπλοιου Methane Progress και οδήγησε σε ανάφλεξή των ατμών. Μια παρόμοια περίπτωση που συνέβη στις αρχές του 1965, ενώ το σκάφος βρισκόταν στη θάλασσα αμέσως μετά την έξοδο από το Arzew. Και στις δύο περιπτώσεις, η φλόγα σβήστηκε γρήγορα 1965 Jules Verne Spill, Arzew, Αλγερία. Διαρροή ΥΦΑ από υπερχείλιση μιας δεξαμενής είχε ως αποτέλεσμα τη θραύση του Βανιζέ της δεξαμενής και των παρακείμενων στο κατάστρωμα βανιζέ 1971, Esso Brega δεξαμενόπλοιο ΥΦΑ. Η πρώτη τεκμηριωμένη περίπτωση «ανατροπής» ΥΦΑ (Rollover). Μια δεξαμενή αποθήκευσης ανάπτυξε μια 29

36 30 ξαφνική αύξηση της πίεσης. Ατμοί ΥΦΑ ξέφυγαν από τις βαλβίδες ασφαλείας δεξαμενών και τις οπές αερισμού. Η οροφή της δεξαμενής με ελαφρά βλάβη 1972, Ανατολικό Μόντρεαλ, Καναδά Κατά τη διάρκεια της απόψυξης των δραστηριοτήτων σε μια εγκατάσταση ΥΦΑ υπερσυμπίεση του συμπιεστή προκάλεσε είσοδο του φυσικό αέριο στο κέντρο έλεγχου, ακολουθούμενη από την έκρηξη, όταν ένας εργαζόμενος άναψε τσιγάρο. 1973, Staten Island, ΗΠΑ. Πυρκαγιά ξέσπασε σε εκτός λειτουργίας δεξαμενή ΥΦΑ που επισκευαζόταν. 40 εργαζόμενοι μέσα στη δεξαμενή σκοτώθηκαν. Υγροποιημένο φυσικό αέριο, το οποίο είχε διαρρεύσει κατά τη διάρκεια προηγούμενων εκφορτώσεων, είχε συσσωρευτεί στο έδαφος, κάτω και γύρω από τσιμεντένιο τοίχωμα της δεξαμενής.

37 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή 31

38 , Canvey Island, Ηνωμένο Βασίλειο. Μια μικρή ποσότητα ΥΦΑ ήταν διέρρευσε σε νερά βροχής προκάλεσε έκρηξη των ατμών χωρίς φλόγες που είναι γνωστή ως «απότομη μετάβαση φάσης». 1977, Arzew, Αλγερία Βλάβη σε βαλβίδα αλουμινίου από τις κρυογονικές θερμοκρασίες απελευθέρωσε ΥΦΑ, που οι ατμοί δεν αναφλέχθηκαν. Ένας εργαζόμενος απεβίωσε. 1979, Cove Point, Maryland ΗΠΑ, Διαρροή ΥΦΑ από αντλία σε ηλεκτρικό υποσταθμό, με αποτέλεσμα έκρηξη που σκότωσε ένα εργαζόμενο και τραυματίστηκε σοβαρά άλλο. Έγιναν 3 εκατ. δολάρια ζημιές. 1983, Bontang, Ινδονησία. Ένα ρήγμα σε εγκατάσταση ΥΦΑ ως αποτέλεσμα της υπερπίεσης σε εναλάκτη θερμότητας από μια κλειστή βαλβίδα 2004, Skikda, Αλγερία. Ένας ατμολέβητας που ήταν μέρος μιας εγκατάστασης ΥΦΑ εξερράγη, προκαλώντας μια δεύτερη, πιο μαζική έκρηξη νέφους ατμών ΥΦΑ και πυρκαγιά. 27 άτομα σκοτώθηκαν και 74 τραυματίστηκαν σοβαρά.

39 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Εικ Ατύχημα ΥΦΑ στο Κλήβελαντ το 1944, 2004 Τρινιντάντ & Τομπάγκο Τον Ιούνιο του 2004, οι εργαζόμενοι είχαν εκκενωθεί πριν από έκρηξη σε αεριοστρόβιλο σε εγκατάσταση ΥΦΑ. 2004, Νορβηγία. Ένα δεξαμενόπλοιο ΥΦΑ με πλήρες φορτίο και πλήρωμα 14 άτομα κλυδωνίζεται δυτικά του Fedje, στη δυτική ακτή της Νορβηγίας, βόρεια του Μπέργκεν. Το πλοίο είχε σταματήσει τις μηχανές, και οι άγκυρες ήταν άχρηστες; στο θυελλώδη καιρό. Ρυμουλκά πλοία μπόρεσαν να ρυμουλκήσουν το δεξαμενόπλοιο μόλις 30 μέτρα πριν χτυπήσει σε βράχους. Ειχαν γίνει προετοιμασίες για να εκκενώσουν τα 800 άτομα που ζουν στο νησί της Fedje απο φόβο ότι το δεξαμενόπλοιο θα εκρήγνυτο αν προσάραζε 2005 Νιγηρία. Υπόγειος αγωγός ΥΦΑ εξερράγη και η πυρκαγιά που προκάλεσε εκτιμάτε ότι έκαψε 27 τετραγωνικά χιλιόμετρα. Έντεκα άτομα αγνοούνται και η υδρόβια ζωή καταστράφηκε ολοσχερώς στην ψαράδικη κοινότητα Ogoloma στο Kalakama, στο νησί Okrika. 33

40 34 Εικ :Aτύχημα Υ.Φ.Α. στην Skikda Αλγερίας, 2004

41 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή 2004, Ghislenghien Βέλγιο. Αγωγός που μετέφερε αέριο από ένα τερματικό σταθμό ΥΦΑ στο Zeebrugge εξερράγη και σκότωσε 23 άτομα και τραυμάτισε σοβαρά 50. Εικ Ghislenghien Βέλγιο

42 Εικ.1.20:Νιγηρία 2005, έκρηξη εργοστασίου Ζάχαρης Χρονολογική λίστα με ατυχήματα ΥΦΑ 36

43 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή 37

44 1.3.8 Γενικές πληροφορίες για το ΥΦΑ Συστήματα Ασφαλείας ΥΦΑ Τέσσερις απαιτήσεις για την ασφάλεια πρωτεύων «προστατευτικό περίβλημα», δευτερεύων «προστατευτικό περίβλημα» του αερίου, συστήματα διασφάλισης και απόσταση ασφαλείας (ζώνη ασφαλείας) - εφαρμόζεται σε ολόκληρη τον κύκλο του ΥΦΑ, από την παραγωγή, την υγροποίηση και τη μεταφορά, για αποθήκευση και εκ νέου αεριοποίηση. Πρωτεύων «προστατευτικό περίβλημα». Η πρώτη και πιο σημαντική προϋπόθεση για την ασφάλεια βιομηχανίας είναι να αποθηκεύσουν το ΥΦΑ. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση κατάλληλων υλικών για τις δεξαμενές και τον υπόλοιπο εξοπλισμό, καθώς και ο κατάλληλος σχεδιασμός τεχνικών σε όλο το κύκλο του ΥΦΑ Δευτερεύων προστατευτικό περίβλημα Το δεύτερο αυτό επίπεδο προστασίας διασφαλίζει ότι, εάν συμβούν διαρροές, το ΥΦΑ μπορεί να συγκρατηθεί και να απομονωθεί. Για τις χερσαίες εγκαταστάσεις, αναφέρεται σε αναχώματα από προχώματα γύρω από τις δεξαμενές αποθήκευσης για να συλλάβουν το ΥΦΑ σε περίπτωση διαρροής. Σε ορισμένες εγκαταστάσεις ενισχυμένο σκυρόδεμα περιβάλλει το εσωτερικό της δεξαμενής που συνήθως κρατά το ΥΦΑ. Το δευτερεύων προστατευτικό περίβλημα έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να υπερβαίνει τον όγκο της δεξαμενής αποθήκευσης. Όπως θα αναπτυχθεί περαιτέρω, διπλά και πλήρη προστατευτικά περιβλήματα για τις χερσαίες δεξαμενές αποθήκευσης (δες φωτογραφίες παρακάτω) μπορεί να εξαλείψουν την ανάγκη για αναχώματα και προχώματα. Συστήματα διασφάλισης. Στο τρίτο επίπεδο προστασίας, ο στόχος είναι η ελαχιστοποίηση της απελευθέρωση του υγροποιημένου φυσικού αερίου και η άμβλυνση των συνεπειών της απελευθέρωσης του. Για αυτό το επίπεδο ασφαλείας, οι επιχειρήσεις ΥΦΑ χρησιμοποιούν συστήματα ανίχνευσης υγρού, αερίου και φωτιάς για να εντοπίσουν γρήγορα οποιαδήποτε παράβαση στην συγκράτηση και τηλεχειριζόμενα, αυτόματα συστήματα διακοπής παροχής για την ελαχιστοποίηση των διαρροών σε περίπτωση βλάβης. Τα επιχειρησιακά συστήματα (διαδικασίες, εκπαίδευση και επέμβαση σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης) βοηθούν στην πρόληψη/μετριασμό των κινδύνων. Η τακτική συντήρηση των συστημάτων αυτών είναι ζωτικής σημασίας για να εξασφαλιστεί η αξιοπιστία τους. Απόσταση ασφαλείας/αποκλεισμού. Οι κανονισμοί απαιτούν πάντοτε ότι οι εγκαταστάσεις υγροποιημένου φυσικού αερίου θα πρέπει να τοποθετούνται σε ασφαλή απόσταση από τις γειτονικές βιομηχανικές, κοινότητες και άλλες δημόσιες περιοχές. Επίσης, υπάρχουν ζώνες ασφαλείας για δεξαμενόπλοια ΥΦΑ ενώ βρίσκονται εν πλω και ενώ είναι αγκυροβολημένα. Οι αποστάσεις ασφαλείας ή ζώνες αποκλεισμού βασίζονται στην διασπορά των ατμών ΥΦΑ, καθώς και τα περιγράμματα της θερμική ακτινοβολία και σε άλλα κριτήρια, όπως ορίζονται από τους κανονισμούς. 38

45 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Ανταγωνιστικότητα του ΥΦΑ Μεγάλα αποθέματα φυσικού αερίου υπάρχουν σε όλο τον κόσμο. Αποθέματα τέτοιων υδρογονανθράκων είναι διεσπαρμένα στη Βόρεια Αφρική, τη Δυτική Αφρική, Νότια Αμερική, την Καραϊβική, τη Μέση Ανατολή, την Ινδονησία, τη Μαλαισία, την Αυστραλία και τη βορειοδυτική Αλάσκα. Ορισμένες ποσότητες από το φυσικό αέριο που παράγεται υγροποιείται για τη θαλάσσια μεταφορά σε περιοχές όπου η χρήση φυσικού αερίου υπερβαίνει την τοπική προσφορά. Τέτοιες αγορές είναι: Ιαπωνία, Ταϊβάν, Κορέα, Δυτική Ευρώπη και ΗΠΑ. Το εμπόριο υγροποιημένου φυσικού αερίου, προσφέρει μεγαλύτερη ευελιξία από τους αγωγούς, γιατί επιτρέπει την μεταφορά φυσικού αερίου όπου υπάρχει μεγαλύτερη ανάγκη και οι εμπορικοί όροι είναι πιο ανταγωνιστικοί. Το σχήμα που ακολουθεί, δείχνει,ότι όσο η απόσταση στην οποία το φυσικό αέριο πρέπει να μεταφερθεί αυξάνεται, τόσο η χρήση του ΥΦΑ έχει οικονομικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τη χρήση αγωγών. Σε γενικές γραμμές, η υγροποίηση φυσικού αέριου και η θαλάσσια μεταφορά του γίνεται φθηνότερη από τη μεταφορά φυσικού αερίου σε υπεράκτιους αγωγούς για αποστάσεις άνω των 700 μιλίων ή για επίγειους αγωγούς στην ξηρά για αποστάσεις μεγαλύτερες από μίλια. Εικόνα 1.21, Η τεχνολογία μεταφοράς φ. αερίου και το κόστος σε σχέση με την απόσταση Από που έρχεται το φ. αέριο. Η προμήθεια υγροποιημένου φυσικού αερίου προέρχεται από χώρες με μεγάλα αποθέματα φυσικού αερίου. Οι χώρες αυτές είναι: Αλγερία, Αυστραλία, Μπρουνέι, Ινδονησία, Λιβύη, Μαλαισία, Νιγηρία, Ομάν, Κατάρ, Τρινιντάντ & Τομπάγκο Ποιες χώρες εισάγουν υγροποιημένο φυσικό αέριο Σε όλο τον κόσμο υπάρχουν 60 τερματικοί σταθμοί υποδοχής υγροποιημένου φυσικού αερίου (βρίσκονται στην Ιαπωνία, τη Νότια Κορέα, τις ΗΠΑ και ορισμένες Ευρωπαϊκές χώρες) 39

46 Εγκαταστάσεις υγροποιημένου φυσικού αέριου Οι εγκαταστάσεις ή ο κύκλος του υγροποιημένου φυσικού αέριου αποτελείται από τέσσερα αλληλεξαρτώμενα στάδια: 1) εξόρυξη και παραγωγή (ή Ε & Π); 2) την υγροποίηση 3) Μεταφορά από το σημείο της υγροποίησης για τον τελικό προορισμό και 4) την παραλαβή, αποθήκευση και αεριοποίηση στον τελικό προορισμό. Εικόνα 1.22: Ο κύκλος του Υγρού Φυσικού Αερίου Πώς μεταφέρεται το ΥΦΑ; Το υγροποιημένο φυσικό αέριο, μεταφέρεται με πλοία διπλού κύτους που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για να χειρίζονται την χαμηλή θερμοκρασία του υγροποιημένου φυσικού αερίου. Τα εν λόγω δεξαμενόπλοια, είναι μονωμένα για να περιορίζουν την απώλεια υγροποιημένου αερίου λόγω εξάτμισής του. Αυτές οι απώλειες εξάτμισης χρησιμοποιούνται για τη συμπλήρωση των καυσίμων των πλοίων. Σύμφωνα με το World Gas Intelligence (2008), σε ένα τυπικό ταξίδι, εκτιμάται ότι περίπου το 0,1% - 0,25% του φορτίου ΥΦΑ εξατμίζεται κάθε μέρα, ανάλογα με την αποτελεσματικότητα της μόνωσης και την τραχύτητα του ταξιδιού. Σε ένα τυπικό ταξίδι, 20 ημερών μπορεί να εξατμιστεί από το 2% - 6% του συνολικού όγκου του ΥΦΑ. Τρεις τύποι δεξαμενόπλοιων ΥΦΑ: Σφαιρικού (Moss) σχεδιασμού (44%) Σχεδιασμού μεμβράνης (51%) Διαρθρωτικού πρισματικού σχεδιασμού Εικ : Δεξαμενόπλοια ΥΦΑ σφαιρικού σχεδιασμού -(Moss) 40

47 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Εικ. 1.26:Δεξαμενόπλοιο ΥΦΑ σχεδιασμού μεμβράνης Εικ. 1.27: Mozah, το μεγαλύτερο δεξαμενόπλοιο ΥΦΑ τύπου Q-MAX σχεδιασμού μεμβράνης με χωρητικότητα κυβ. μέτρα Τα δεξαμενόπλοια μεταφοράς ΥΦΑ έχουν μήκος μέχρι 300 μέτρα μήκος, 46 μέτρα πλάτος και απαιτούν ένα ελάχιστο βάθος υδάτων 12 μέτρα όταν είναι πλήρως φορτωμένα. Αυτή τη στιγμή υπάρχουν 155 δεξαμενόπλοια που μεταφέρουν περισσότερο από 120 εκατ. τόνους υγροποιημένου φυσικού αερίου ανά έτος. 41

48 42 Εικ 1.28: Διατομή δεξαμενής δεξαμενόπλοιου ΥΦΑ σφαιρικού τύπου

49 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Εικ 1.29: Εσωτερικό δεξαμενής, δεξαμενόπλοιου ΥΦΑ τύπου μεμβράνης Εικ.1.30: Διατομή δεξαμενής δεξαμενόπλοιου ΥΦΑ τύπου μεμβράνης 43

50 Εικ.1.31: Διατομή δεξαμενής δεξαμενόπλοιου ΥΦΑ διαρθρωτικού πρισματικού σχεδιασμού Σήμερα υπάρχουν 155 δεξαμενόπλοια ΥΦΑ συνολικής χωρητικότητας 18 εκατ. κυβ. μέτρων 125 δεξαμενόπλοια με χωρητικότητα πάνω από 120 κυβ. χιλιόμετρα 15 δεξαμενόπλοια με χωρητικότητα κυβ. χιλιόμετρα 15 δεξαμενόπλοια με χωρητικότητα κάτω από 50 κυβ. χιλιόμετρα Πώς αποθηκεύεται το ΥΦΑ; Όταν το ΥΦΑ φτάσει στους τερματικούς σταθμούς, μεταφέρετε σε ειδικές μονωμένες δεξαμενές αποθήκευσης. Οι δεξαμενές αυτές μπορεί να είναι πάνω ή κάτω από το έδαφος και διατηρούν το υγρό σε χαμηλή θερμοκρασία για να ελαχιστοποιηθεί το ύψος της εξάτμισης. Αν δεν απελευθερωθούν ατμοί ΥΦΑ, η πίεση και η θερμοκρασία στο εσωτερικό της δεξαμενής αυξάνεται. Το υγροποιημένο φυσικό αέριο χαρακτηρίζεται ως κρυογενικό και διατηρείται στην υγρή του κατάσταση σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Η θερμοκρασία στο εσωτερικό της δεξαμενής θα παραμείνει σταθερή, αν η πίεση παραμένει σταθερή, επιτρέποντας το εξατμισμένο φυσικό αέριο να απελευθερώνεται από τη δεξαμενή. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως αυτοκατάψυξη. Οι απώλειες εξάτμισης συλλέγονται και χρησιμοποιούνται ως πηγή καυσίμων στην εγκατάσταση ή για το δεξαμενόπλοιο μεταφοράς. Το υγροποιημένο φυσικό αέριο θερμαίνεται στο σημείο που μπορεί να μετατραπεί σε αέρια κατάσταση για να μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας μια διαδικασία απενεργοποίησης με εναλλάκτες θερμότητας. 44

51 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Εικ. 1.32: Δεξαμενή ΥΦΑ Εικ.1.33: Δεξαμενές ΥΦΑ πλήρους συγκράτησης 45

52 Εικ.1.34:Δεξαμενές ΥΦΑ διπλής συγκράτησης Εικόνα 1.35: Τυπικός τερματικός σταθμός υποδοχής/ αεριοποίησης ΥΦΑ 46

53 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Εικ :Εγκαταστάσεις ΥΦΑ νήσου Ρεβυθούσας. Πίνακας 1.38: φυσικό αέριο που μεταφέρεται στο Blaise της Γαλλίας 47

54 Υπεράκτιες (off-shore) εγκαταστάσεις ΥΦΑ Εικόνα : υπεράκτιος σταθμός σταθμός ΥΦΑ στην Αδριατική O υπεράκτιος τερματικός σταθμός ΥΦΑ Exxon Mobil στην Αδριατική είναι ο πρώτος στον κόσμο που με σταθερές υπεράκτιες εγκαταστάσεις αποθήκευσης και επαναεριοποίησης ΥΦΑ. Συγκεκριμένα, η τσιμεντένια στηριζομένη στην βαρύτητα κατασκευή (gravity-based structure GBS) είναι υπό κατασκευή στο Algeciras της Ισπανίας, από όπου θα μεταφερθεί με πλοία στην Βορειοανατολική Ιταλία. Περιλαμβάνει δύο μεγάλες δεξαμενές αποθήκευσης υγροποιημένου φυσικού αερίου και που στηρίζουν πάνω τους τον εξοπλισμό αεριοποίησης 48

55 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Εικόνα 1.41 ConocoPhillips Beacon Port Εικόνα 1.42: chevron port pelican 49

56 1.3.9Παγκόσμια αποθέματα LNG Εικόνα 1.43: Παγκόσμια αποθέματα αερίου Πώς το LNG μπορεί να βοηθήσει Υπάρχουν τεράστια αποθέματα φυσικού αερίου στον κόσμο, που δεν έχουν πρόσβαση σε τοπικές αγορές.. Παγκόσμια αποθέματα εφοδιασμού με φυσικό αέριο και ζήτηση Αποθεματικά (Tcf) (TCF) Κατανάλωση (TCF / έτος) Αποθεματικά / (Έτη) Βόρεια Αμερική (πρώην Αρκτική) Ευρώπη Asia Pacific S & C Αμερικής Πρώην Σοβιετικής Ένωσης Αφρική Μέση Ανατολή Σύνολο Πίνακας 1.10: Source: BP 2006 Annual Statistic Review Πηγή: BP 2006 Ετήσια Επισκόπηση Στατιστικά 50

57 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Το διάγραμμα απεικονίζει πάνω από το σημερινό επίπεδο των αποθεμάτων φυσικού αερίου στις περιοχές παραγωγής σε όλη την υδρόγειο.. Αποκαλύπτει επίσης, τα μέσα ετήσια επίπεδα της κατανάλωσης φυσικού αερίου στις περιοχές αυτές. Τι είναι το πιο αποκαλυπτικό είναι η τρίτη στήλη, η οποία θέτει μια κατά προσέγγιση χρονοδιάγραμμα για την εξάντληση των αποθεμάτων φυσικού αερίου από την περιοχή τους σημερινούς ρυθμούς κατανάλωσης. Αυτό δείχνει γιατί περιοχές όπως η Μέση Ανατολή και την Αφρική θα έχουν επιπλέον παραδόσεις φυσικού αερίου που μπορεί να μετατραπεί σε LNG και να εφοδιάσει περιοχές με φθίνουσα παραγωγή και τα υψηλότερα επίπεδα κατανάλωσης. Η παγκόσμια αγορά υγροποιημένου φυσικού αερίου θα τριπλασιαστεί σε μέγεθος και να παίξει έναν πιο σημαντικό ρόλο στον ενεργειακό εφοδιασμό σε όλο τον κόσμο τα επόμενα 20 χρόνια Συμπιεσμένο φυσικό αέριο (Compressed Natural Gas, CNG) Το συμπιεσμένο φυσικό αέριο είναι φυσικό αέριο το οποίο έχει συμπιεστεί και αποθηκευτεί σε συγκολλητές φιάλες, σε πιέσεις μέχρι και 3600 psi (25 MPa). Τυπικά η σύνθεσή του είναι η ίδια με εκείνη του φυσικού αερίου που μεταφέρεται με αγωγούς, με μια ποσότητα νερού να έχει αφαιρεθεί. Τόσο το υγροποιημένο φυσικό αέριο όσο και το συμπιεσμένο φυσικό αέριο μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμα σε κατάλληλα διαμορφωμένες μηχανές εσωτερικής καύσης. Το υγροποιημένο φυσικό αέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παραχθεί συμπιεσμένο φυσικό αέριο και η διαδικασία απαιτεί πολύ λιγότερο αρχικό εξοπλισμό και περίπου το 15% του αντίστοιχου με την κανονική διαδικασία παραγωγής, του κόστους λειτουργίας και συντήρησης. 1.5 Το φ. αέριο στην παγκόσμια ενεργειακή σκηνή. Οι καθημερινά αυξανόμενες ανάγκες σε ενέργεια και πρώτες ύλες από τη μια και τα συγκριτικά πλεονεκτήματα του έναντι των άλλων καυσίμων από την άλλη συντέλεσαν στην ενδυνάμωση του ρόλου του φ.α., στην παγκόσμια ενεργειακή σκηνή. Παγκοσμίως, η κατανάλωση φ. αερίου, αυξήθηκε κατά 3,3 % το 2004, ενώ το 2005 το ποσοστό αυτό κυμάνθηκε στα επίπεδα του μέσου ρυθμού αύξησης της τελευταίας δεκαετίας, δηλαδή στο 2,3%. Οι ποσότητες φ.α που διακινήθηκαν μέσω αγωγών ανά τον κόσμο το 2004, σημείωσαν αύξηση 1%, ενώ πο ποσότητες υ.φ.α. οι οποίες μεταφέρθηκαν με πλοία μέσα στο 2004 παρουσίασαν αύξηση 5,4% Παραγωγή & κατανάλωση φ. αερίου Η συνολική παραγωγή φ.α. ανά τον κόσμο το 2010 έφτασε τα 3.151,6δις m 3 σημειώνοντας αύξηση σε σύγκριση με το Στο παρακάτω γράφημα (γραφ.1.1), κατανέμεται γεωγραφικά ως εξής: 51

58 Γράφημα 1.1 Στο ακόλουθο γράφημα, παρατηρούμε τις χώρες με τη μεγαλύτερη ικανότητα παραγωγής φ. αερίου. Γράφημα 1.2 Ρωσία 21.9 % (589.1 δις m 3 ). ΗΠΑ 20.2 % (542.9 δις m 3 ). Καναδάς 6.8 % (182.8 δις m 3 ). Μεγάλη Βρετανία 3.6 % (95.9δις m 3 ). Ιράν 3.2 % (85.5 δις m 3 ). Αλγερία 3.0 % (82.0 δις m 3 ). 52

59 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Στον αντίποδα, η παγκόσμια κατανάλωση Φ.Α. [Γραφ. 1.3] κατανέμεται γεωγραφικά ως εξής : Γράφημα 1.3 Ειδικότερα, οι χώρες οι οποίες έχουνε με τις μεγαλύτερες ανάγκες φ. αερίου είναι οι εξής: ΗΠΑ Ρωσία Μεγάλη Βρετανία Καναδάς Ιράν Γερμανία 53

60 Εικόνα 1.44 κατανάλωση ανά κάτοικο το 2009 (toe) Τα αποθέματα και το παγκόσμιο απόθεμα φ. αερίου. Τα συνολικά ασφαλή-επιβεβαιωμένα, μέσω γεωτρήσεων, αποθέματα Φ.Α. ανέρχονται σε τρις m 3 ή Gtoe (1000 m 3 = 0.9 toe : ton of oil equivalent ή τόνος Ισοδύναμου Πετρελαίου). Αυτά γεωγραφικά κατανέμονται ως εξής : Γράφημα 1.5 Επιβεβαιωμένα αποθέματα φ. αερίου στον κόσμο το 2009 (10 12 m 3 ) 54

61 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Γράφημα 1.6 Πηλίκο αποθεμάτων προς παραγωγή στο τέλος του 2009 (R/P reserves to production ratio) Όπως φαίνεται στο ακόλουθο γράφημα οι ΗΠΑ προκειμένου να ικανοποιήσουν τις μεγάλες τους απαιτήσεις σε Φ.Α. εισάγουν αντίστοιχα μεγάλες ποσότητες, όντας ο μεγαλύτερος εισαγωγέας Φ.Α. παγκοσμίως. Πιο αναλυτικά : Γράφημα

62 ΗΠΑ 20.3 % ( δις m 3 ). Γερμανία 18.3 % (91.76 δις m 3 ). Ιταλία 12.2 % (61.40 δις m 3 ). Γαλλία με 7.4 % (37.05 δις m 3 ). Το εμπόριο Υ.Φ.Α. απαιτεί εγκαταστάσεις ελλιμενισμού και υποδοχής των ειδικών πλοίων μεταφοράς του και δε θα μπορούσε να αφορά παρά νησιωτικές ή χώρες που βρέχονται από θάλασσα. Έτσι, λοιπόν, οι μεγαλύτερες ποσότητες Υ.Φ.Α [Γραφ1.9] εισάγονται από τις ακόλουθες χώρες : Ιαπωνία δις m 3 (43.2 %). Νότιος Κορέα δις m 3 (16.8 %). ΗΠΑ δις m 3 (10.4%). Ισπανία δις m 3 (9.9 %). Ταϊβάν 9.13 δις m 3 (5.1 %). Γαλλία 7.63 δις m 3 (4.3 %). Ιταλία 5.90 δις m 3 (3.3 %). Γράφημα

63 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή Εικόνα 1.45 Κύριες εμπορικές κινήσεις (10 9 m 3 ) Γράφημα 1.10 τιμή φυσικού αερίου (US$ ανά 10 9 Btu) 57

64 58

65 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή 59

66 1.6. Το φ. αέριο στην ελληνική ενεργειακή σκηνή. Πρόδρομος του φ. αερίου στην Ελλάδα ήτανε το φωταέριο. Το διέθεσε για πρώτη φορά το 1857, η Γαλλική Εταιρεία Φωταερίου, η οποία το 1939 περιήλθε στο δήμο Αθηναίων. Η Δημοτική Επιχείρηση Φωταερίου (ΔΕΦΑ) συνέχισε να προμηθεύει τους καταναλωτές της με φωταέριο έως το Τη χρονιά αυτή έγινε η σύνδεση με τα ελληνικά διυλιστήρια Ασπροπύργου (ΕΛΔΑ) και ξεκίνησε η τροφοδότηση του δικτύου της ΔΕΦΑ με ναφθαέριο, το οποίο χρησιμοποιήθηκε έως το Το φ. αέριο λαμβάνεται μετά το 1982 από τις πετρελαιοπηγές του Πρίνου και χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη στη βιομηχανία φωσφορικών λιπασμάτων. Η κατανάλωση κωκαερίας υπήρχε από το 1972 έως το 1981, ενώ κατανάλωση αερίου υψικάμινου από το 1967 έως το Η κατανάλωση υγρών υδρογονανθράκων του φ. αερίου άρχισε το Το 1983, είναι ένα έτος που καταρτίζεται η πρώτη προμελέτη φυσικού αερίου στην Ελλάδα. Η μελέτη γίνεται για λογαριασμό της τότε Δημόσια Επιχείρηση Πετρελαίου (ΔΕΠ) και το 1987 υπογράφεται η πρώτη διακρατική συμφωνία μεταξύ Ελλάδος και Ρωσίας για την προμήθεια του φ. αερίου. Ακολουθούν οι συμφωνίες της ΔΕΠ με την ρώσικη Sojuzgazexport, σημερινή Gazexport, η οποία είναι θυγατρική της Gazprom, και με την Sonatrach της Αλγερίας. Η επιλογή της εισαγωγής υγρού φ. αερίου από την Αλγερία, παρότι συνεπάγεται μεγαλύτερο κόστος σε σχέση με την εισαγωγή φ. αερίου από την Ρωσία, εντούτοις κρίνεται ωφέλιμη, καθώς εξασφαλίζει την κάλυψη της ημερήσιας ζήτησης αιχμής, με τον εμπλουτισμό των ήδη υπαρχόντων ποσοτήτων αερίου αλλά ενισχύει και την αξιοπιστία του συστήματος με τη διασφάλιση της πτώσης πίεσης, ιδιαιτέρα τους χειμερινούς μήνες που είναι σύνηθες το φαινόμενο. Στο πλαίσιο αυτό, εντάσσεται και η νεώτερη συμφωνία με την τουρκική εταιρεία Botas, η οποία υπογράφτηκε στις 23/12/2003, για την προμήθεια 0,75 δις m 3 φ. αέριο ετησίως. Το φ. αέριο δεν έχει σταθερή σύνθεση και μπορεί να διαφέρει από κοίτασμα σε κοίτασμα. Αυτό το γεγονός σε συνδυασμό με την ανάγκη μεταφοράς μέσω των διεθνών διασυνδεδεμένων δικτύων καθιστά απαραίτητο τον έλεγχο της σύστασης και των ιδιοτήτων του για τον υπολογισμό των ποσοτήτων ενέργειας και του κόστους βάσει των διεθνών συμβάσεων προμήθειας. Στον ακόλουθο πίνακα 1.11, δίδεται η χημική σύσταση και οι ιδιότητες των δυο αερίων από τις εισαγόμενες χώρες. Σύσταση Ρωσικό φ. αέριο Αλγερινό φ. αέριο Περιεκτικότητα % w/w CH 4 85 min C 2 H 4 7 max C 3 H 8 3 max

67 Κεφ. 1 ο Ιστορική Αναδρομή C 4 H 10 2 max C 5 H 12 1 max N 2 5 max CO 2 3 max H 2 S 5 mg/m 3 max 0.5 ppm max C v H 2v S 15 mg/m 3 max 2.3 mg/m 3 max S 2 60 mg/m 3 max 30 mg/m 3 max Ρ kg/m kg/m 3 H o 9524 kcal/nm kcal/nm 3 H u 8686 kcal/nm kcal/nm 3 Πίνακας 1.11: χημική σύσταση και οι ιδιότητες των δυο αερίων από τις εισαγόμενες χώρες Για το ρωσικό φ. αέριο το m 3 και η ανωτέρα θερμογόνος δύναμη ορίζονται σε θερμοκρασία 20 ο C και πίεση 1,01325 bar, ενώ το αλγερινό φ. αέριο τα αντίστοιχα μεγέθη ορίζονται στους 0 ο C και 1,01325 bar. Το Σεπτέμβριο του 1988 ιδρύθηκε η Δημόσια Επιχείρηση Αερίου( ΔΕΠΑ) ως 100% θυγατρική της τότε ΔΕΠ, νύν ΕΛΠΕ (ελληνικά πετρέλαια), η οποία έχει το 35% της ΔΕΠΑ και το 65% το έχει το ελληνικό δημόσιο. Η ΔΕΠΑ είναι υπεύθυνη για την: 1) Εισαγωγή, μεταφορά και αποθήκευση φ. αερίου. Η σύμβαση με την gazexport είναι 20ετούς διάρκειας με αφετηρία το Σεπτέμβριο του 1996 και αφορά την προμήθεια 2,24 δις m 3 ετησίως με δυνατότητα επέκτασης στα 2,8 δις m 3 έως το 2016, με πρόβλεψη ανανέωσης το Με την αλγερινή Sonatrach είχε αφετηρία τον Φεβρουάριο του 2000 αντίστοιχης διάρκειας μέχρι το 2020 και αφορά την τροφοδοσία 0,51-0,68 δις m 3 φ. αερίου. 2) Κατασκευή και εκμετάλλευση του Εθνικού Συστήματος Φυσικού Αερίου (ΕΣΦΑ). 3) Πώληση φ. αερίου σε μεγάλους καταναλωτές με ετήσια κατανάλωση άνω των m 3. 4) Πώληση φ. αερίου σε εταιρείες παροχής αερίου (ΕΠΑ), στις οποίες συμμετέχουν ιδιώτες επενδυτές κατά 49%. Το 1995 η ΔΕΠΑ ίδρυσε τρείς θυγατρικές εταιρείες, τις εταιρείες διανομής αερίου (ΕΔΑ) Αττικής, Θεσσαλονίκης και Θεσσαλίας, των οποίων κατέχει σήμερα το σύνολο των μετοχών τους. Οι τρείς ΕΔΑ, διεξήγαγαν διεθνούς διαγωνισμούς για την εξεύρεση ιδιωτών επενδυτών προκειμένου από κοινού να συστήσουν τις αντίστοιχες ΕΠΑ, οι οποίες δραστηριοποιούνται στους τομείς της ανάπτυξης λειτουργίας, συντήρησης και εκμετάλλευσης του 61

68 Συστήματος Διανομής Αερίου που εντάσσεται στις περιοχές τους. Μετά την ολοκλήρωση των διαγωνισμών που ανέδειξαν ως πλειοδότες της εταιρείας Cinergy Shell για την περιοχή της Αττικής και η εταιρεία Italgaz για τις περιοχές Θεσσαλίας και Θεσσαλονίκης. Συστήθηκαν οι, ΕΠΑ Αττικής, ΕΠΑ Θεσσαλονίκης και ΕΠΑ Θεσσαλίας, με συμμετοχή των αντίστοιχων ΕΔΑ κατά 51% και των Cinergy- Shell και Italgaz αντίστοιχα 49%. Η ΔΕΠΑ βρίσκεται στη διαδικασία ίδρυσης νέων θυγατρικών εταιρειών ΕΠΑ, οι οποίες θα δραστηριοποιούνται στις περιοχές της Κ. Μακεδονίας, Ανατολικής Μακεδονίας και Θράκης καθώς και στην περιοχή της Ανατολικής Στερεάς Ελλάδος και Εύβοιας. 5) Διανομή φ. αερίου σε περιοχές που δεν έχουν συσταθεί Εταιρείες Παροχής Αερίου. Αξίζει να σημειωθεί, ότι με την επικείμενη απελευθέρωση της αγοράς φ. αερίου, ο ρόλος της ΔΕΠΑ αναμένεται να μεταβληθεί έτσι ώστε να είναι σύμφωνη με τις διατάξεις της Κοινοτικής οδηγίας 2003/55/ΕΚ. 62

69 Κεφ 2 ο Ιδιότητες των αέριων καυσίμων 2.1 Γενικά Ο μηχανικός ο οποίος σχεδιάζει, κατασκευάζει ή λειτουργεί εγκαταστάσεις και συσκευές καύσιμων αερίων, πρέπει να είναι γνώστης των φυσικών, τεχνολογικών και υγιεινολογικών ιδιοτήτων τους. Οι ιδιότητες των καύσιμων αερίων εξαρτώνται από τη σύσταση τους. Τα καύσιμα αέρια είναι μίγματα αερίων, ενώ συνήθως περιέχουν σε μικρές ποσότητες ορισμένες προσμίξεις, αέριες, υγρές ή και στερεές. Τα καύσιμα αέρια σε χαμηλές πιέσεις (μέχρι 100 mbar) και όχι χαμηλές θερμοκρασίες μπορούν με καλή ακρίβεια να αντιμετωπισθούν ως ιδανικά αέρια, ενώ υψηλές πιέσεις και χαμηλές θερμοκρασίες προκαλούν απόκλιση από την ιδανική συμπεριφορά. Οι ιδιότητες οι οποίες θα εξεταστούν στη συνέχεια μπορούν να διακριθούν σε ιδιότητες στις οποίες επιβάλλονται απαιτήσεις από κανονισμούς και σε λοιπές ιδιότητες. Οι πρώτες μπορούν και πρέπει να ρυθμίζονται από τις εταιρείες διανομής των αερίων. Οι δεύτερες, αν και επηρεάζονται από τη ρύθμιση των επιβαλλομένων απαιτήσεων και είναι επίσης σημαντικές, δεν υπόκεινται σε προδιαγραφές. Ιδιότητες με επιβαλλόμενες τιμές όπως θα δούμε και στη συνέχεια, είναι η ανωτέρως θερμογόνος δύναμη, η πυκνότητα, ο δείκτης Wobbe, και οι περιεκτικότητες ορισμένων βασικών αερίων και προσμίξεων ( όπως και η πίεση σύνδεσης). Λοιπές ενδιαφέρουσες ιδιότητες είναι η απόκλιση από την ιδανική συμπεριφορά, το ιξώδες, η ειδική θερμοχωρητικότητα και η θερμική αγωγιμότητα. 2.2 Το ιδανικό αέριο και τα πραγματικά αέρια Το ιδανικό ( η τέλειο) αέριο είναι ένα θερμοδυναμικά πρότυπο αέριο, το οποίο έχει ορισθεί σκοπίμως για την περιγραφή της καταστατικής συμπεριφοράς των αερίων. Χαρακτηρίζεται από την έλλειψη δυνάμεων ασκουμένων μεταξύ μορίων και από την παραδοχή μηδενικού όγκου των μορίων. Τα πραγματικά αέρια, φυσικά, αποτελούνται από μόρια τα οποία εξασκούν ελκτικές δυνάμεις μεταξύ τους, ενώ καταλαμβάνουν δεδομένο όγκο. Οι δυνάμεις μεταξύ των μορίων μειώνονται, όταν αυξάνουν οι αποστάσεις μεταξύ τους, δηλαδή όταν το αέριο έχει χαμηλή πίεση και άρα είναι αραιό, ενώ οι δυνάμεις αυξάνουν, όταν το αέριο έχει υψηλή πίεση. Επίσης σε χαμηλές θερμοκρασίες, λόγω της χαμηλής κινητικής ενέργειας των μορίων, οι ελκτικές δυνάμεις επικρατούν. Έτσι, όταν η πίεση του αερίου είναι χαμηλή και η θερμοκρασία του υψηλή, τότε η συμπεριφορά του πλησιάζει εκείνη του ιδανικού αερίου. 63

70 Οι ιδιότητες ενός αερίου, οι οποίες δεν εξαρτώνται από την μορφή του, παριστούν την κατάσταση του. Η κατάσταση μιας ποσότητας ενός ιδανικού αερίου χαρακτηρίζεται από τα μεγέθη: Απόλυτη πίεση p, Απόλυτη θερμοκρασία Τ και Όγκος V και τα ονομάζουμε καταστατικά μεγέθη. Η θερμοκρασία αερίου θ μετριέται σε o C. Μεταξύ της απόλυτης θερμοκρασίας Τ σε Kelvin και της μετρώμενης θερμοκρασίας θ υφίσταται η ακόλουθη σχέση : θ = Τ- Τ n Τ n = 273,15 [K] (Kelvin) (2.1) Η απόλυτη πίεση p ενός αερίου προκύπτει από την ατμοσφαιρική πίεση p amb και την υπερπίεση (ή ενεργό πίεση) p e, την οποία μετρούν τα όργανα μέτρησης της πίεσης. p= p amb + p e [Pa= N/m 2 ] (Pascal) (2.2) Η απόλυτη πίεση p λαμβάνει μόνο θετικές τιμές, ενώ η υπερπίεση μπορεί να έχει και αρνητικές τιμές, οπότε μιλάμε για υποπίεση. Η μονάδα μέτρησης της Pa είναι πολύ μικρή και γι αυτό χρησιμοποιούνται πολλαπλάσια της, το bar για υψηλές πιέσεις και το mbar για χαμηλές πιέσεις : 1bar = 10 5 Pa, 1mbar= 100 Pa = 1 hpa Η συνολική πίεση ενός αερίου συντίθεται από τις μερικές πιέσεις των συστατικών του αερίου, αν πρόκειται για μίγμα. Αν το αέριο είναι υγρό, δηλαδή περιέχει υδρατμούς και πρέπει να δοθεί μόνον η πίεση του ξηρού αερίου, τότε πρέπει να αφαιρεθεί η μερική πίεση των υδρατμών p D : P ξ = p amb + p e - p D (2.3) Συχνά η μερική πίεση των υδρατμών δίνεται με την μορφή p D = φ* p s (2.4) όπου φ, η σχετική υγρασία p s, η πίεση κορεσμού Η πίεση κορεσμού των υδρατμών p s είναι μονοσήμαντη συνάρτηση της θερμοκρασίας. Στον πίνακα 2.1 δίνεται η πίεση κορεσμού των υδρατμών για θερμοκρασίες 0-20 o C. Εκτενέστερος πίνακας δίνετε στο παράρτημα Α. 64

71 Κεφ 2 ο Ιδιότητες των αέριων καυσίμων Πίνακας 2.1 Πίεση κορεσμού των υδρατμών θ σε o C Ps σε mbar 6,11 7,05 8,13 8,72 9,34 10,73 12,28 14,02 15,98 θ σε o C Ps σε mbar 17,05 18,17 20,63 23,28 Ορισμένες ιδιότητες των αερίων, π.χ. η πυκνότητα, εξαρτώνται από την πίεση και την θερμοκρασία λειτουργίας, δηλαδή την κατάσταση του αερίου. Η κατάσταση λειτουργίας θα χαρακτηρίζεται με τους δείκτες «p,t» ή «Λ». Για τη σύγκριση μεγεθών εξαρτωμένων από την κατάσταση πρέπει να χρησιμοποιείται μία κατάσταση αναφοράς κοινή για όλα, η οποία καλείται κανονική κατάσταση. Αυτή χαρακτηρίζεται με το γράμμα «n» ως δείκτη και ορίζει Κανονική πίεση p n = 1,01325 bar (= 1013,25 mbar ή hpa) και Κανονική θερμοκρασία Τ n = 273,15 K (= 0 o C) Η πίεση και η θερμοκρασία του αερίου είναι μεγέθη εντατικά, μη εξαρτώμενα από την ποσότητα του. Εκστατικά μεγέθη, δηλ. εξαρτώμενα από την ποσότητα του αερίου, είναι ο όγκος V [m 3 ] και η μάζα [kg]. Αντί της μάζας m μπορεί να μετριέται η ποσότητα της ύλης n σε kmol. 1 kmol καταλαμβάνει το μοριακό όγκο Vm, ο οποίος σε κανονικές συνθήκες είναι V m,n = 22,41 m3/kmol (ακριβέστερα 22,41383) Οι μοριακές μάζες ορισμένων αερίων δίνονται στον πίνακα 2.2 Για το ιδανικό αέριο τα ανωτέρω μεγέθη συνδέονται με την καταστατική εξίσωση (η οποία είναι γνωστή και ως Νόμος των τέλειων αερίων) ή pv = n R T (2.5) pv = m RT (2.6) M όπου R η παγκόσμια σταθερά των αερίων με τιμή 8314 J/kmol K). Τα πραγματικά αέρια ή μίγματα αερίων παρουσιάζουν συμπεριφορά, η οποία αποκλίνει από εκείνη του ιδανικού αερίου. Το μέγεθος της απόκλισης εξαρτάται από 65

72 τη σύσταση του αερίου, την πίεση και την θερμοκρασία. Για να ληφθεί απ όψη η απόκλιση εισάγεται στην καταστατική εξίσωση ένας διορθωτικός συντελεστής, ο παράγων πραγματικού αερίου Ζ. Z p,t = pv p,t nrt (2.7) Οπότε pv = nzrt (2.8) Στον πίνακα 2.2, δίνονται τιμές του Ζ για την κανονική κατάσταση για ορισμένα αέρια της δημόσιας διανομής. Για την αναγωγή στην κανονική κατάσταση μπορεί να χρησιμοποιείται ο συντελεστής συμπιεστότητας Κ. Με αυτόν, η πραγματική συμπεριφορά στην κατάσταση λειτουργίας ανάγεται στην κανονική κατάσταση Κ p,τ = Z P,t Z n (2.9) Ο συντελεστής συμπιεστότητας Κ, προφανώς εξαρτάται από τη σύσταση του αερίου καθώς και από την πίεση και την θερμοκρασία. Ο Κ λαμβάνει τιμές μικρότερες ή μεγαλύτερες από 1, ενώ τη μεγαλύτερη απόκλιση παρουσιάζουν τα πολυατομικά αέρια. Πίνακας 2.2 Παράγων πραγματικού αερίου Z n για 0 o C και p = 1,01325 bar Αέριο πόλης Φυσικά αέρια Ομάδα L Ομάδα H Ομάδα Α Ομάδα Β W o = 12,4 kwh/m 3 W o = 15,0 kwh/m 3 0,9995 0,9997 0,9975 0,9967 Για την αυτόματη αναγωγή στην κανονική κατάσταση ενός όγκου αερίου μετρημένου στην κατάσταση λειτουργίας πολλές φορές χρησιμοποιείται ο καταστατικός συντελεστής συμβολιζόμενος με το Ζ, ο οποίος ορίζεται Z = T n T p amb +p e φp s p n 1 K (2.10) 66

73 Κεφ 2 ο Ιδιότητες των αέριων καυσίμων Οπότε V n = ZV p,t = V p,t T n T p amb +p e φp s p n 1 K (2.11) Η αναγωγή στην κανονική κατάσταση είναι αναγκαία για να υπάρχει κοινή βάση αναφοράς, επειδή η καταστατική (πίεση και θερμοκρασία) υπόκειται σε μεταβολές. Τα πραγματικά αέρια παρουσιάζουν κανονικό μοριακό όγκο Vm,n,r διαφορετικό από εκείνο του ιδανικού αερίου. Οι τιμές των μοριακών όγκων πραγματικών αερίων δίνονται στον πίνακα Ποσότητα αερίου Οι ποσότητες αερίου οι οποίες διανέμονται από τις εταιρείες Αερίου συνήθως προσδιορίζονται ωε όγκοι V σε m 3. οι προσδιορισμοί ποσοτήτων αερίων ωε μάζες σε kg ή ως ποσότητες ύλης σε kmol χρησιμοποιούνται λιγότερο στην τεχνική των αερίων. Αυτό φυσικά δημιουργεί κατ αρχή ένα πρόβλημα εξοικείωσης σε κάποιον, ο οποίος έχει συνηθίσει να κάνει υπολογισμούς ισοζυγίων μαζών και ενέργειας ανηγμένου σε kg. Ενώ οι προσδιορισμοί της μάζας m ή της ποσότητας ύλης n είναι ανεξάρτητοι από την κατάσταση του αερίου, ο προσδιορισμός του όγκου εξαρτάται από την κατάσταση. Σε όλους τους προσδιορισμούς ποσοτήτων αερίων πρέπει να προσεχθεί η υγρασία του αερίου, ενώ σε προσδιορισμούς όγκου πρέπει να προσεχθούν επιπροσθέτως η πίεση, η θερμοκρασία η πραγματική συμπεριφορά. Έτσι στον προσδιορισμό μίας ποσότητας αερίου ως όγκο λειτουργία V λ ή V P,T περιλαμβάνει πάντοτε ο προσδιορισμός της κατάστασης λειτουργίας. Ο κανονικός όγκος V n μίας ποσότητας αερίου, δηλ. ο όγκος στην κανονική κατάσταση (στην πίεση P n και την θερμοκρασία T n ) μπορεί να υπολογισθεί από τον όγκο λειτουργίας, την κατάσταση λειτουργίας, και την πραγματική συμπεριφορά του αερίου σύμφωνα με την εξίσωση V n = V p,t p p n T n T Z n p T = V n Z p,t p,t p n T 1 K p,t (2.12) Τα διανεμόμενα αέρια καύσιμα είναι μίγματα αερίων. Περιέχουν κύρια συστατικά και προσμίξεις των αερίων 67

74 68

75 Κεφ 2 ο Ιδιότητες των αέριων καυσίμων Τα κύρια συστατικά ενός αερίου προσδιορίζονται ως κλάσματα όγκου, μοριακά ή μάζας %. Αυτά καθορίζουν και την κατάταξη καυσίμων αερίων σε οικογένειες αερίων Τα κλάσματα όγκου φ i ορίζονται φ i = V i V i (2.13) Όπου V i ο όγκος του θεωρητικού συστατικού i V i το άθροισμα των όγκων Τα μοριακά κλάσματα x i ορίζονται x i = n i n i (2.14) Όπου n i ο αριθμός kmol του θεωρητικού συστατικού i Σn i το άθροισμα των kmol Σε σπανιότερες περιπτώσεις η σύσταση των αερίων καυσίμων δίνεται σε κλάσματα μάζας ή ξ c + ξ H2 + ξ 02 + ξ S + ξ N2 + ξ A + ξ H2 O = 1 (2.15) c + h + o + s + n + a + w = 1 (2.16) όπου c η περιεκτικότητα σε άνθρακα, h σε υδρογόνο, o σε οξυγόνο, s σε θείο, n σε άζωτο, a σε αδρανή και w σε υγρασία. Τα κλάσματα μάζας ξ i ορίζονται ξ i = m i m i (ξ c c = m c m i, ξ h h = m h m i ) (2.17) Όπου m i η μάζα του θεωρημένου συστατικού i και Σm i το άθροισμα των μαζών Οι προσμίξεις των αερίων μπορούν να είναι αέριες, υγρές ή στερεές. Για την πλειοψηφία των προσμίξεων των αερίων συνηθίζεται ο προσδιορισμός των συγκεντρώσεων σε mg/m 3, cm/m 3 καθώς και σε vppm (volume parts per million= μέρη όγκου στο εκατομμύριο), σε mg/kg καθώς και σε ppm = μέρη στο εκατομμύριο. 69

76 2.4 Οικογένειες αερίων, ομάδες Διεθνώς τα διατιθέμενα σε δημόσια διανομή καύσιμα αέρια με, σε μεγάλη έκταση, κοινές ιδιότητες καύσης συμπεριλαμβάνονται σε οικογένειες αερίων. Εφ όσον απαιτείται για λόγους τεχνικής των συσκευών, οι οικογένειες αερίων διαιρούνται σε ομάδες. Η ελληνική Τεχνική Οδηγία ΤΟΤΕΕ 2471/86 διακρίνει τρείς οικογένειες αέριων καυσίμων, όπως το ευρωπαϊκό πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 437. Οι γερμανικοί κανόνες για τα καύσιμα αέρια εισάγουν και μία τέταρτη οικογένεια. Η 1 η οικογένεια αερίων περιλαμβάνει αέρια πλούσια σε υδρογόνο. Αυτή διαιρείται ανάλογα με το δείκτη Wobbe (βλέπε κατωτέρω) στην ομάδα Α (συνήθως αντιστοιχούν τα αέρια της πόλης (standtgas, Town gas)) και στην ομάδα Β (συνήθως αντιστοιχούν τα τηλεαέρια (Ferngas, Grid gas)). Από τις δύο ομάδες μόνο η ομάδα Α έχει πλέον σημασία στα πλαίσια της ΕΕ. Η 2 η οικογένεια αερίων περιλαμβάνει αέρια πλούσια σε μεθάνιο. Αυτά είναι τα φυσικά αέρια, δηλαδή γαιαέρια προερχόμενα από την φυσική ύπαρξη, συνθετικά φυσικά αέρια (SNG = Synthetic (ή Substitude) Natural Gas) καθώς και τα εναλλακτικά αέρια. Διαιρείται ανάλογα με το δείκτη Wobbe στην ομάδα L low ( με δείκτη Wobbe χαμηλής τιμής), στην ομάδα Η High (με δείκτη Wobbe υψηλής τιμής) και στην ομάδα Ε. Η 3 η οικογένεια αερίων περιλαμβάνει υγραέρια, διαιρούμενα σε ομάδες B/P, P και Β. Αυτά δεν περιλαμβάνονται στο αντικείμενο του παρόντος, ούτε στο πεδίο ισχύος της ΤΟΤΕΕ 2471/86 και των γερμανικών κανόνων TRG. Η 4 η οικογένεια αερίων περιλαμβάνει μίγματα υδρογονανθράκων/ αέρια, τα οποία παρασκευάζονται από υγραέρια ή κατ αναλογία φυσικά αέρια και αέρα. Ούτε αυτά περιλαμβάνονται στο αντικείμενο του παρόντος. Τα καύσιμα αέρια διακρίνονται σε βασικά, εναλλακτικά και πρόσθετα αέρια: Τα βασικά αέρια είναι τα αέρια τα οποία συνήθως διανέμονται σε μια περιοχή τροφοδοσίας. Τα εναλλακτικά αέρια είναι μίγματα αερίων, τα οποία, παρ ότι η σύσταση τους και ενδεχομένως τα χαρακτηριστικά δεδομένα τους αποκλίνουν από εκείνα του βασικού αερίου, για την ίδια πίεση αερίου και αμετάβλητη ρύθμιση της συσκευής παρουσιάζουν μία συμπεριφορά καύσης ισότιμη προς εκείνη του βασικού αερίου. 70

77 Κεφ 2 ο Ιδιότητες των αέριων καυσίμων Τα πρόσθετα αέρια είναι μίγματα αερίων, τα οποία διαφέρουν ουσιαστικά από το βασικό αέριο ως προς τη σύσταση και τα χαρακτηριστικά δεδομένα τη τεχνικής της καύσης. Αυτά μπορούν να προστεθούν στο βασικό αέριο σε περιορισμένες ποσότητες, όπου η απαίτηση για ισότιμη συμπεριφορά του μίγματος στον καυστήρα καθορίζει το ύψος της προστιθέμενης ποσότητας. Επίσης έχουν προτυποποιηθεί διεθνώς (π.χ. ΕΛΟΤ ΕΝ 437, DIN 3362 Teil2) ορισμένα αέρια καλούμενα αέρια δοκιμής. Τα αέρια δοκιμής είναι τεχνικώς καθαρά αέρια ή κατ αναλογία μίγματα των αερίων αυτών. Χρησιμεύουν στη δοκιμή των συσκευών και εστιών καύσης αερίων για κανονική συμπεριφορά καύσης, για τις επί μέρους οικογένειες ή κατ αναλογία ομάδες αερίων αντιστοιχούν ιδιαίτερα αέρια δοκιμής. 2.5 Χαρακτηριστικές ιδιότητες συνδεόμενες με την τεχνική της καύσης Με τον όρο χαρακτηριστικές ιδιότητες συνδεόμενες με την τεχνική της καύσης εννοείται το σύνολο των χαρακτηριστικών δεδομένων, τα οποία καθορίζουν τη συμπεριφορά καύσης ενός αερίου και την ισχύ ενός καυστήρα. Αυτές είναι Η πυκνότητα Η θερμογόνος δύναμη Ο δείκτης Wobbe Πρόκειται για τις ιδιότητες στις οποίες επιβάλλονται απαιτήσεις από τους κανονισμούς Πυκνότητα ρ Η πυκνότητα ρ ενός αερίου είναι το πηλίκο της μάζας m προς το όγκο V στην πίεση P και την θερμοκρασία Τ. Μονάδα μέτρησης είναι kg/m 3. Διακρίνουμε Την πυκνότητα λειτουργίας και Την κανονική πυκνότητα. Η πυκνότητα λειτουργίας ρ P,T = ρ Λ εξαρτάται από το είδος του αερίου και τις συνθήκες, άρα είναι μεταβλητό μέγεθος και υπολογίζεται σύμφωνα με την εξίσωση ρ p,t = m V p,t (2.18) Η κανονική πυκνότητα ρ n ενός αερίου είναι η πυκνότητα στην κανονική κατάσταση. ρ n = m V n (2.19) 71

78 Εξαρτάται μόνο από το είδος του αερίου. Τιμές της κανονικής πυκνότητας για ορισμένα αέρια δίνονται στον πίνακα 2,3. ομοίως στο παράρτημα Α, πίνακες Α.2 έως Α.5, δίνεται η πυκνότητα για σταθερή πίεση (1,01235 bar= mbar), για ορισμένα αέρια, αέρια της 1 ης και 2 ης οικογένειας καθώς και για τα καυσαέρια φυσικού αερίου της ομάδας Η, σε εξάρτηση από την θερμοκρασία. Αν ένα αέριο έχει θερμοκρασία και πίεση οι οποίες απέχουν από το σημείο συμπύκνωσης, και άρα η συμπεριφορά του μπορεί να αποδοθεί από το Νόμο των ιδανικών αερίων, τότε η πυκνότητα ρ P,T μπορεί να υπολογισθεί με καλή προσέγγιση ρ p,t = m = pm V p,t RT (2.20) Στην τεχνική των αερίων χρησιμοποιείται συχνά η σχετική πυκνότητα. Η σχετική πυκνότητα d ενός αερίου είναι ο λόγος της πυκνότητας του προς εκείνη του ξηρού αέρα στην ίδια θερμοκρασία και στην ίδια πίεση. d = ρ αέριο ρ αέρας (2,21) Η αριθμητική τιμή της σχετικής πυκνότητας d μπορεί να αναφέρεται σε μια καθορισμένη κατάσταση P,T του αερίου και του αέρα και άρα να είναι μεταβλητό μέγεθος. Για να έχει σταθερή τιμή, είναι ανηγμένη στην κανονική κατάσταση Θερμογόνος δύναμη d = ρ n,αέριο ρ n,αέρας (2.22) Η θερμογόνος δύναμη είναι η κύρια ενεργειακή ιδιότητα μιας ουσίας. Μας δίνει πληροφορία για την ποσότητα θερμότητας, η οποία εκλύεται κατά την πλήρη καύση της μονάδας ποσότητας της ουσίας (ορθότερα από θερμοδυναμική άποψη η εκλυόμενη ενέργεια θα έπρεπε να ονομάζεται ενθαλπία καύσης) μετριέται σε ειδικές συσκευές καλούμενες θερμιδόμετρα. Η θερμογόνος δύναμη (Η) είναι ένας συλλογικός χαρακτηρισμός για την ανώτερη θερμογόνο δύναμη Η 0 και την κατώτερη θερμογόνο δύναμη H u. Η ανώτερη και η κατώτερη θερμογόνος δύναμη ενός αερίου σύμφωνα με τα πρότυπα (π.χ. DIN 51850) δίνονται από την αρνητική τιμή της ενθαλπίας αντίδρασης (ΔΗ) R, η οποία εκλύεται κατά την καύση του αερίου υπό σταθερή πίεση P= bar. Η θερμοκρασία αναφοράς έχει διεθνώς καθορισθεί στους 25 o C. Η ανώτερη θερμογόνος δύναμη Η ο παριστάνει τη θερμότητα, η οποία εκλύεται υπό τις προηγουμένως αναφερόμενες συνθήκες για πλήρη καύση ενός ξηρού αερίου με καθαρό αέριο οξυγόνο, όταν ως προϊόντα της καύσης εμφανίζονται μόνον διοξείδιο 72

79 Κεφ 2 ο Ιδιότητες των αέριων καυσίμων του άνθρακα CO 2 (αέριο), νερό Η 2 Ο (αέριο), άζωτο Ν 2 (αέριο) και διοξείδιο του θείου SO 2 (αέριο). Η κατώτερη θερμογόνος δύναμη Η u παριστάνει τη θερμότητα, η οποία εκλύεται υπό τις προηγουμένως αναφερόμενες συνθήκες για πλήρη καύση ενός ξηρού αερίου με καθαρό αέριο οξυγόνο, όταν ως προϊόντα της καύσης εμφανίζονται μόνον διοξείδιο του άνθρακα CO 2 (αέριο), νερό Η 2 Ο (αέριο), άζωτο Ν 2 (αέριο) και διοξείδιο του θείου SO 2 (αέριο). Σύμφωνα με το πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 437 ως θερμοκρασία αναφοράς προτείνεται να υιοθετηθεί η θερμοκρασία των 15 o C. Επίσης αντί του δείκτη ο θα χρησιμοποιείται ο δείκτης s και αντί του δείκτη u ο δείκτης i. Η ανώτερη και η κατώτερη θερμογόνος δύναμη ενός αερίου δίνονται σε kwh/m 3 ή σε kj/m 3 και MJ/m 3, ενώ ο προσδιορισμός σε Kj/kg (συμβατό με το Διεθνές Σύστημα Μονάδων, SI) ή σε Kj/kmol χρησιμοποιείται λιγότερο στην τεχνική των αερίων. Τιμές της ανώτερης και κατώτερης θερμογόνου δύναμης δίνονται στον πίνακα 2.3 για τα σημαντικότερα καύσιμα αέρια. Η διαφορά μεταξύ ανώτερης και κατώτερης θερμογόνου δύναμης προκύπτει από την ενθαλπία (θερμότητα) εξάτμισης του νερού. Εκ τούτο η διαφορά εμφανίζεται μόνον για αέρια, στα οποία κατά την καύση παράγεται υδρατμός. Η ανώτερη θερμογόνος δύναμη περιέχει την ενθαλπία εξάτμισης (ή συμπύκνωσης) ΔΗ V της ποσότητας νερού που παράγεται κατά την καύση. Η αριθμητική τιμή της στους 25 o C είναι ΔΗ V = 2442 KJ/kg ή ΔΗ V,n = 1963 KJ/m 3 ή ΔΗ V,m = 44,0 MJ/kmol 73

80 Πίνακας 2.4 Λόγος ανώτερης και κατώτερης θερμογόνου δύναμης Μονάδα Αέριο Πόλης Φ. Αέριο L Φ. Αέριο Η Προπάνιο Βουτάνιο Η ο kwh/m 3 5,48 9,78 11,46 28,28 37,22 Η u kwh/m 3 4,87 8,83 10,35 25,99 34,31 F= H o.n / - 1,13 1,11 1,11 1,09 1,09 H u,n Έτσι Η ο -Η u = x v,n ΔΗ V,n (2.23) Όπου x v,n η ποσότητα υγρασίας, η οποία παράγεται κατά την καύση 1m 3 Ο λόγος ανώτερης και κατώτερης θερμογόνου δύναμης f= H o.n / H u,n εξαρτάται από την περιεκτικότητα του καυσίμου σε υδρογόνο. Για καθαρό υδρογόνο έχει τιμή 1,182 ενώ για τον άνθρακα είναι 1. Για τα σημαντικότερα καύσιμα αέρια η τιμή του δίνεται στο πίνακα 2.4 Όπως αναφέραμε, η ανώτερη και η κατώτερη θερμογόνος δύναμη ενός αερίου δίνονται σε kwh/m 3 ή σε MJ/m 3. Επειδή ο όγκος είναι ένα μέγεθος εξαρτώμενο από την κατάσταση, ο προσδιορισμός της κατάστασης είναι απαραίτητος. Έτσι ορίζονται Οι H o.n και H u,n ανηγμένες στην κανονική κατάσταση και Οι H o.λ και H u,λ ανηγμένες στην κατάσταση λειτουργίας με προσδιορισμό των P και Τ. Η ανώτερη και η κατώτερη θερμογόνος δύναμη λειτουργίας μπορούν να υπολογισθούν από τις αντίστοιχες κανονικές με αναγωγή στην πραγματική κατάσταση από την άποψη της πίεσης, της θερμοκρασίας και της περιεκτικότητας σε υγρασία. Π.χ. 273,15 p Η u,λ = Η amb +p e φp s u,n, p i σε mbar (2.24) 273,15+θ 1013,25 Στην συμβατική τεχνική της καύσης καταβάλλεται η προσπάθεια με κατασκευαστικά και λειτουργικά μέτρα να μη προκύπτει συμπύκνωση των υδρατμών για να αποφεύγεται η διάβρωση. Έτσι όλες οι συσκευές καύσης στερεών και υγρών καυσίμων καθώς και οι περισσότερες συσκευές καύσης αερίων καυσίμων 74

81 Κεφ 2 ο Ιδιότητες των αέριων καυσίμων σχεδιάζονται έτσι, ώστε να μην προκύπτει συμπύκνωση των υδρατμών. Γι αυτό το λόγο στους ενεργειακούς υπολογισμούς χρησιμοποιείται η κατώτερη θερμογόνος δύναμη. Σε ορισμένες, όμως, συσκευές καύσης αερίων καυσίμων, ειδικά σχεδιασμένες, εκμεταλλευόμαστε την ενθαλπία συμπύκνωσης των υδρατμών. Στους ενεργειακούς υπολογισμούς αυτών των συσκευών χρησιμοποιείται η ανώτερη θερμογόνος δύναμη Η ο. Φυσικά, αν σε συσκευές καύσης αερίων καυσίμων εκμεταλλευόμαστε την ενθαλπία συμπύκνωσης των υδρατμών, ο βαθμός απόδοσης θα είναι μεγαλύτερος. Πίνακας 2.5 Σύγκριση κατωτέρων θερμογόνων δυνάμεων διαφόρων καυσίμων Ηu Ελ. Πετρέλαιο Μαζούτ Προπάνιο Βουτάνιο Μεθάνιο Φ. αέριο Η*) KJ/kg kwh/kg 11,666 10,972 12,875 12,964 13,89 13,05 kwh/m ,99 34,31 9,965 10,35 *) Μέσες τιμές Ο αναγνώστης συνιστάται να προσέχει κατά την σύγκριση των καυσίμων. Είναι σύνηθες οι πωλητές αερίων καυσίμων και υγραερίων, για να προπαγανδίσουν τα καύσιμα τους εμφανίζοντας τα ως ενεργειακός πλουσιότερα, να δίνουν ως ενέργεια καύσης την ανώτερη θερμογόνο δύναμη, χωρίς φυσικά να το εξηγούν, ενώ στις αντίστοιχες συσκευές δεν προβλέπεται συμπύκνωση. Για να βοηθηθεί ο αναγνώστης δίνεται ο συγκριτικό πίνακας 2.5. Η επιλογή του κατάλληλου για την περίπτωση καυσίμου πρέπει να είναι αποτέλεσμα τεχνικοοικονομικής μελέτης Δείκτης Wobbe Για τη θερμορροή, η οποία εξέρχεται από το ακροφύσιο ενός καυστήρα αερίου, καθοριστική είναι η θερμική φόρτιση Q B. Ενώ για τη ρύθμιση των συσκευών η θερμική ισχύς υπολογίζεται Q B,u = V nh u,n = V ΛΗ u,λ (2.25) Γενικά στην τεχνική της καύσης, όπως π.χ. στο θέμα εναλλακτικότητας, χρησιμοποιείται ο ορισμός με βάση την ανώτερη θερμογόνο δύναμη 75

82 Q B = V nh ο,n = V ΛΗ ο,β (2.26) Από τη ρευστομηχανική μας είναι γνωστό, ότι για πραγματική ροή με τριβές η παροχή η εξερχόμενη από το ακροφύσιο υπολογίζεται (βλέπε εικόνα 2.1) V n = Αα 2(p 1 p amb) ρ (2.27) Όπου Α α ρ P 1 P amb η διατομή του ακροφυσίου συντελεστής ακροφυσίου πυκνότητα αερίου πίεση αερίου ατμοσφαιρική πίεση Η διαφορά P 1 -P atb προφανώς εκφράζει την υπερπίεση του αερίου P u,1 στο ακροφύσιο. Έτσι η θερμική φόρτιση προκύπτει Q B = V nh ο,n = Αα 2p u,1 ρ H o,n (2.28) Με αντικατάσταση τη πυκνότητας ρ μέσω της σχετικής πυκνότητας d, η ανωτέρω εξίσωση μετασχηματίζεται Q B = Αα 2p u,1 ρ αέρα H o,n d (2.29) Με σταθερή την (υπερ)πίεση του ακροφυσίου P u,1, η παράσταση Αα 2p u,1 ρ αέρα = const Είναι σταθερή και η θερμική φόρτιση της συσκευής υπολογίζεται Q B = const H o,n d = const W o,n (2.30) 76

83 Κεφ 2 ο Ιδιότητες των αέριων καυσίμων Εξαρτώμενη μόνο από το μέγεθος W o, το οποίο είναι το πηλίκο της ανώτερης θερμογόνου δύναμης Η ο και της τετραγωνικής ρίζας της σχετικής πυκνότητας d και καλείται ανώτερος δείκτης Wobbe. Συνήθως δίνεται ο ανηγμένος στην κανονική κατάσταση W o,n = H o,n d (2.31) Ομοίως ισχύει για τον κατώτερο δείκτη Wobbe, Ο οποίος είναι το πηλίκο της κατώτερης θερμογόνου δύναμης Η u,n και της τετραγωνικής ρίζας της σχετικής πυκνότητας d W u,n = H u,n d (2.32) Ο δείκτης Wobbe, επειδή η σχετική πυκνότητα d είναι αδιάστατη, έχει τις ίδιες μονάδες μέτρησης με τη θερμογόνο δύναμη : kwh/m 3, MJ/m 3. Ο δείκτης Wobbe θεωρείται ως χαρακτηριστική τιμή για τη θερμική φόρτιση: καύσιμα αέρια με διαφορετική σύσταση αλλά με τον ίδιο δείκτη Wobbe αποδίδουν υπό την ίδια πίεση (πίεση ροής) στον καυστήρα κατά προσέγγιση την ίδια θερμική φόρτιση. Αν ένα αέριο 1 αντικατασταθεί από ένα αέριο 2, η θερμική φόρτιση θα μεταβληθεί ανάλογα προ το λόγο των δεικτών Wobbe. Q B,2 = Q B,1 W 0.1 W 0.1 (2.33) Επειδή η πίεση του δικτύου και άρα η πίεση της σύνδεσης των συσκευών μπορεί να διακυμαίνεται μέσα σε κάποια όρια (βλέπε 2.7), έχει εισαχθεί ένας διευρυμένος δείκτης Wobbe W o,e, W u,e. Ο διευρυμένος δείκτης Wobbe λαμβάνει υπ όψη εκτός από τα υλικά μεγέθη, τα οποία ήδη εμπεριέχονται στο δείκτη Wobbe και την πίεση ροής P e (σε mbar) ως προς την επίδραση της στη ροή του αερίου και επομένως στη θερμική φόρτιση Κατ αναλογία W o,e = W o,n p e (2.34) 77

84 W u,e = W u,n p e (2.35) Ως πίεση σύνδεσης P e θεωρείται η πίεση ροής στη σύνδεση με τη συσκευή αερίου μετρούμενη σε mbar. Επίσης σε ορισμένες περιπτώσεις για λόγους σύγκρισης χρησιμοποιείται ο σχετικός δείκτης Wobbe. Με το σχετικό δείκτη Wobbe W o, rel ή κατ αναλογία W u,rel ανάγεται ο δείκτης Wobbe ενός αερίου σε εκείνο του μεθανίου. Ως αδιάστατος αριθμός δίνει την άμεση σύγκριση διαφόρων καυσίμων αερίων. Ο σχετικός δείκτης Wobbe του μεθανίου είναι εξ ορισμού εκ τούτου W o,rel =1. Στους πίνακες 2.6 και 2.7 δίνονται οι συστάσεις και οι ιδιότητες ορισμένων αερίων. Πίνακας 2.6 Σύσταση %w/v διαφόρων καύσιμων αερίων αέρια Αέριο πόλης Α Αέριο πόλη ς Β Wo = 12,0 kwh/m3 Wo = 15,0 kwh/m3 διοξει.άνθρακα CO ,02 2,02 max 3 Ρώ σικο φ. αέριο Αλγερινό φ. αέριο άζω το N ,67 0,65 max 5 0,2/1,4 οξυγόνο O max 0,02 υδρογόνο H μονοξ.άνθρακα CO μεθάνιο CH ,6 85,6 min 85 85,65/ 96,6 αιθάνιο C 2 H ,96 7,93 max 7 3,2/8,5 αιθυλένιο C2H προπάνιο C 3 H ,07 2,76 max 3 max προπένιο C 3 H βουτάνιο C 4 H ,02 0,82 max 2 max 1,22 πεντάνιο C 5 H ,01 0,17 max 1 εξάνιο C 6 H ,03 επτάνιο C 7 H ,01 βενζόλιο C 6 H ,01 78

85 Κεφ 2 ο Ιδιότητες των αέριων καυσίμων Πίνακας 2.7 Φυσικές ιδιότητες διαφόρων αέριων καυσίμων αέρια Αέριο πόλης Α Αέριο πόλης Β Wo = 12,0 kwh/m3 Wo = 15,0 kwh/m3 Μοριακή Μάζα M kg/mol 13,4 11,323 18,525 19,049 Μοριακός Όγκος V m,n m 3 /kmol 22,348 22,407 22,35 22,34 Πυκνότητα ρn kg/m 3 0,6 0,505 0,8285 0,8527 Σχετ. πυκνότητα d - 0,464 0,391 0,641 0,6595 Σταθερά αερίου Ri kj/m 3 K 0,372 0,371 0,372 0,372 Ανώτερη θερμογόνος δύναμη Κατώτερη Θερμογόνος δύναμη Δελικτης Wobbe 2.6 Λοιπές φυσικές Ιδιότητες Θερμοχωρητικότητα H o,n H u,n W o,n W u,n kwh/m 3 5,059 5,444 9,961 12,206 MJ/m 3 18,211 10,598 35,36 43,942 kwh/m 3 4,54 4,837 8,99 11,046 MJ/m 3 16,343 17,414 32,364 39,766 kwh/m 3 7,428 8,708 12,443 15,03 MJ/m 3 26,743 31,35 44,797 54,109 kwh/m 3 6,666 7,738 11,23 13,602 MJ/m 3 23,999 27,856 40,43 48,967 Η θερμοχωρητικότητα είναι η φυσική ιδιότητα ενός σώματος, η οποία εκφράζει την ικανότητα να αποθηκεύει θερμότητα. Η ειδική θερμοχωρητικότητα c είναι ιση με την ενέργεια η οποία είναι αναγκαία για να αυξηθεί κατά 1 Κ η θερμοκρασία της μονάδας μάζας μίας ουσίας. Στην τεχνική των αερίων, όπως ήδη αναφέραμε, χρησιμοποιείται αντί της μονάδας μάζας, η μονάδα όγκου στην κανονική κατάσταση. Έτσι αντί του kj/kgk χρησιμοποιείται ως μονάδα μέτρησης της ειδικής θερμοχωρητικότητας το kj/m 3 K. Στα αέρια η ειδική θερμοχωρητικότητα εξαρτάται από: 1. το είδος του αερίου 2. τη θερμοκρασία 3. την πίεση και 4. το είδος της καταστατικής μεταβολής. Στη ειδική περίπτωση του ιδανικού αερίου δεν υπάρχει εξάρτηση από την πίεση. Αν η καταστατική μεταβολή είναι ισοβαρής (ανοικτά συστήματα, όπως συμβαίνει πχ. Στις καύσεις σε λέβητες και λοιπές συσκευές) χρησιμοποιείται η ειδική θερμοχωρητικότητα υπό σταθερή πίεση c p. Στους πίνακες του παραρτήματος Α.6 έως Α.9 δίνεται σε kj/m 3 K η ειδική θερμοχωρητικότητα υπό σταθερή πίεση c p σε εξάρτιση από τη θερμοκρασία, για σταθερή πίεση (1,01235 bar), για ορισμένα αέρια, 79

86 αέρια 1 ης και 2 ης οικογένειας καθώς και για καυσαέρια φυσικού αερίου της ομάδας Η. Αν ο αναγνώστης χρειαστεί την ειδική θερμοχωρητικότητα υπό σταθερή πίεση c p σε kj/m 3 K, μπορεί να την υπολογίσει διαιρώντας της με την πυκνότητα p. C p [ kj ] = C p[ kgk kj m 3 K ] ρ[ kg m 3] (2.36) Αν η καταστατική μεταβολή είναι ισόχωρη (κλειστά συστήματα, όπως συμβαίνει π.χ. στις βόμβες) χρησιμοποιείται η ειδική θερμοχωρητικότητα υπό σταθερό όγκο c v. Η ειδική θερμοχωτητικότητα υπό σταθερό όγκο c v έχει προφανώς μικρότερη τιμή c v = c p R M = c pr (2.37) Όπου R η παγκόσμια σταθερά των αερίων, Μ η μοριακή μάζα και τ η ειδική σταθερά του αερίου Επειδή πρακτικά όλα τα συστήματα μας είναι ανοικτά, ουσιαστικά χρησιμοποιούμε μόνο την ειδική θερμοχωρητικότητα υπό σταθερή πίεση c p. Η ειδική θερμοχωρητικότητα c p χρησιμοποιείτε στους ενεργειακούς υπολογισμούς, για τον υπολογισμό της ειδικής ενθαλπίας h = Στην στατιστική ορίζεται ως μέση τιμή θ 2 c p (θ)dθ θ 1 (2.38) c p,m = 1 θ c p (θ)dθ θ 1 (2.39) Έτσι, η ειδική ενθαλπία μπορεί να υπολογισθεί h = c p,m ( 2 1 ) (2.40) Mε τη βοήθεια της μέσης ειδικής ενθαλπίας c p,m, την οποία στη συνέχεια θα συμβολίζουμε c m.. στους πίνακες Α.10 και Α.11 του παραρτήματος δίνεται σε kj/m 3 K η μέση ειδική θερμοχωρητικότητα υπό σταθερή πίεση c m σε εξάρτηση από την θερμοκρασία για σταθερή πίεση (1,01235bar), για ορισμένα αέρια και για καυσαέρια φυσικού αερίου της ομάδας Η Θερμική αγωγιμότητα Ο συντελεστής θερμική αγωγιμότητα λ, εκφράζει την ικανότητα μίας ουσίας να άγει τη θερμότητα, δηλ. αποτελεί τη σημαντικότερη ιδιότητα για τη μετάδοση θερμότητας. Ορίζεται από την εξίσωση του Fourier 80

87 Κεφ 2 ο Ιδιότητες των αέριων καυσίμων q = λ dθ dn (2.41) Όπου q η πυκνότητα θερμορροής dθ dn η κλίση (gradient) της θερμορροής. Το αρνητικό πρόσημο δείχνει ότι η θερμορροή προχωρεί στην κατεύθυνση της θερμοκρασιακής κλίσης. Τα αέρια έχουν μικρούς συντελεστές θερμικής αγωγιμότητας. Μονάδα μέτρησης το W/mK. Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας εξαρτάται από το είδος του αερίου, από τη θερμοκρασία, ενώ για πίεση μέχρι 10 bar δεν εξαρτάται ουσιαστικά από την πίεση. Στους πίνακες Α.12 έως Α.15 του παραρτήματος δίνεται σε kw/mk, ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας σε εξάρτηση από τη θερμοκρασία, για σταθερή πίεση (1,01325 bar), για ορισμένα αέρια, αέρια της 1 ης και 2 ης οικογένειας καθώς και για καυσαέρια φυσικού αερίου της ομάδας Η. Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας μίγματος αερίων υπολογίζεται λ = n r 3 i i M i λ i n 3 1 r i M i (2.42) Όπου r i η μοριακή περιεκτικότητα Ιξώδες Μ i η μοριακή μάζα του συστατικού i. Το ιξώδες είναι η φυσική ιδιότητα ενός ρευστού η οποία εκφράζει την αντίσταση ροής. Διακρίνουμε το δυναμικό ιξώδες η μετρούμενο σε kg/ms ή Pas, και το κινηματικό ιξώδες v μετρούμενο σε m2/s. Τα δυο ιξώδη συνδέονται μέσω της σχέσης n = νρ (2.43) Το δυναμικό ιξώδες ορίζεται από την εξίσωση του Newton τ = n du dy (2.44) Όπου τ οι διατμητικές τάσεις που ανθίστανται στη ροή και du/dy η κλίση (gradient) της ταχύτητας. Στους πίνακες Α.16 έως Α.19 του παραρτήματος, δίνεται σε kg/ms το δυναμικό ιξώδες σε εξάρτηση από τη θερμοκρασία, για σταθερή πίεση ( bar) για ορισμένα αέρια, αέρια της 1 ης και 2 ης οικογένειας καθώς και για καυσαέρια φυσικού αερίου της ομάδας Η. 81

88 2.7 Απαιτήσεις για τις ιδιότητες των αερίων Γενικά Για να μπορεί ένα αέριο να καταταγεί σε μια οικογένεια και σε μία ομάδα αερίων και να επιτραπεί η δημόσια διανομή του, πρέπει να ικανοποιούνται ορισμένες απαιτήσεις. Οι απαιτήσεις αυτές αφορούν: Τη σύσταση των αερίων Τη σχετική πυκνότητα Την ανώτερη θερμογόνο δύναμη και το δείκτη Wobbe, Την πίεση σύνδεσης Με τον όρο σύσταση των αερίων εννοούμε εκτός από το βασικό αέριο, το οποίο χαρακτηρίζει την ομάδα (υδρογόνο για την 1 η οικογένεια, μεθάνιο για την 2 η κλπ) και μία σειρά προσμίξεων των αερίων, οι οποίες μπορούν να είναι τόσο αέριες, όσο και υγρές ή στερεές : Υδρογονάνθρακες Νερό (υδρατμοί) Οξυγόνο Μονοξείδιο του άνθρακα Διοξείδιο του άνθρακα Νέφος (πίσσα, λάδι, γλυκόλη ή άλλα μη πτητικά υγρά) Σκόνη Οξείδια του αζώτου, αμμωνία, υδροκυάνιο Ενώσεις του θείου. Αυτές εμπεριέχονται στο αέριο είτε εκ φύσεως, είτε προέρχονται από μια ενδεχομένως εφαρμοσθείσα διεργασία παραγωγής, είτε προστίθενται στο αέριο σκοπίμως ενεργή ουσία, είτε προκύπτουν κατά την μεταφορά του αερίου. Στη χώρα μας οι απαιτήσεις για τις διάφορες οικογένειες και ομάδες αερίων καθορίζονταν από την ΤΟΤΕΕ 2471/86, αλλά σήμερα ισχύει το πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 437. Το σχέδιο Τεχνικού Κανονισμού το οποίο πρόκειται να αντικαταστήσει την ΤΟΤΕΕ 2471/86, προσαρμόζει τις απαιτήσεις στο πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 437 και τις συμπληρώνει με απαιτήσεις για τις προσμίξεις. Εκτός από τις απαιτήσει του Σχεδίου Τεχνικού Κανονισμού, για σύγκριση δίνονται οι αντίστοιχες απαιτήσεις των κανονισμών της Γερμανικής Ένωσης του Κλάδου Αερίου και Υδραυλικών (DVGW- Deutscher Verien des Gas und Wasserfaches). Όλα τα αέρια που διανέμονται σε οικιακούς καταναλωτές, πρέπει να παρουσιάζουν μία προειδοποιητική οσμή. Δεν υπάρχει κάποια ελληνική προδιαγραφή. Όσον αφορά τους γερμανικούς κανονισμούς αντιμετωπίζεται στο Φύλλο Εργασίας G

89 Κεφ 2 ο Ιδιότητες των αέριων καυσίμων Οι αναλυτικές μέθοδοι για την έρευνα των ιδιοτήτων των αερίων έχουν συγκεντρωθεί στο Φύλλο Εργασίας G 261(DVGW- Arbeitsbl att G261) Απαιτήσεις του Σχεδίου Τεχνικού Κανονισμού για τις ιδιότητες των αερίων Το Σχέδιο Τεχνικού Κανονισμού ορίζει τις απαιτήσεις μόνο για την 2 η οικογένεια αερίων, επειδή δεν προβλέπεται χρήση άλλων αερίων στη χώρα μας. Τα αέρια πρέπει να ανταποκρίνονται από την άποψη των χαρακτηριστικών δεδομένων της τεχνικής της καύσης και της περιεκτικότητας τους σε αέρια συστατικά και σε προσμίξεις των αερίων στις τιμές οι οποίες εμπεριέχονται στους πίνακες 2.8 και 2.9. Πίνακας 2.8 Απαιτήσεις αερίων 2 ης οικογένειας Χαρακτηρισμός Σύμβολο Μονάδα Ομάδα L Ομάδα Η Δείκτης Wobbe kwh/m 3 10,9 έως 12,7 έως 12,4 15,2 Συνολική Περιοχή MJ/m 3 39,1 'εως 45,7 έως W 44,8 54,7 o,n kwh/m 3 11,8 14,5 Ονομαστική τιμή MJ/m 3 44,6 54,0 Επιτρεπτό εύρος διακύμανσης Ανώτερη Θερμογόνος Δύναμη H o,n kwh/m 3 +0,6 +0,7-1,2-1,4 kwh/m 3 8,7 έως 13,1 MJ/m 3 31,3 έως 47,2 Σχετική πυκνότητα d 1 0,55 έως 0,70 Πίεση σύνδεσης Συνολική Περιοχή p e mbar 18 έως 25 Ονομαστική τιμή mbar 20 Πίνακας 2.9 Μέγιστες τιμές για τις προσμίξεις αερίων 2 ης οικογένειας Ουσία Μονάδα Τιμή Συμπυκνώσιμοι υδρογονάνθρακες ο C Σημείο Συμπύκνωσης Θερμοκρασία εδάφους στην Νερό: Σημείο Δρόσου ο C εκάστοτε πίεση του αγωγού Νέφος, Σκόνη, Υγρό Τεχνικά καθαρό Κλάσμα Όγκου του Οξυγόνου % Σε Ξηρά Δίκτυα Διανομής 3 Σε Υγρά Δίκτυα Διανομής 0,5 Συνολικό Θείο mg/m Βραχυχρόνια mg/m Θειούχος Μερκαπτάνη mg/m 3 10 Βραχυχρόνια mg/m 3 15 Υδρόθειο mg/m

90 Τα αέρια συνιστάται να είναι ξηρά, δηλαδή να έχουν σχετική υγρασία φ<60%. Αν και επιτρέπεται ελάχιστη πίεση σύνδεσης 18 mbar η πίεση σύνδεσης στη συσκευή για απρόσκοπτη ρύθμιση με ρυθμιστή πίεσης δεν πρέπει να είναι μικρότερη από 20 mbar. Επεξηγήσεις στον πίνακα Πίνακας Απαιτήσεις του Arbeitsblatt G 260/1 για αέρια 1 ης οικογένειας Χαρακτηρισμός Σύμβολο Μονάδα Ομάδα Α Ομάδα Β Δείκτης Wobbe Συνολική Περιοχή kwh/m 3 W 6,4 έως 7,8 7,8 έως 9,3 o,n MJ/m 3 23,0 έως 28,1 έως 28,1 33,5 Ανώτερη Θερμογόνος Δύναμη Συνολική Περιοχή Ονομαστική τιμή Επιτρεπτό εύρος διακύμανσης στην τοπική περιοχή διανομής Σχετική πυκνότητα H o,n d kwh/m3 4,6 έως 5,5 5,0 έως 5,9 MJ/m3 16,6 έως 18,0 έως 19,8 21,2 kwh/m3 4,9 5,5 MJ/m3 17,6 19,8 kwh/m3 1 ±0,3 ± 0,3 0,40 έως 0,32 έως 0,60 0,55 Κλάσμα Όγκου Υδρογόνου H 2 Συνολική Περιοχή % 40 έως έως 67 Επιτρεπτό εύρος διακύμανσης στην τοπική περιοχή διανομής a) % ± 5 ± 5 Πίεση σύνδεσης p e Συνολική Περιοχή b) mbar 7,5 έως 15 Ονομαστική τιμή mbar 8 Α) οι αναφερόμενη δυνατότητα διακύμανσης για το κλάσμα υδρογόνου ισχύει για αέρια με κανονικό κλάσμα οξυγόνου. Αν προστεθούν πρόσθετα αέρια πλουσιότερα σε οξυγόνο (π.χ. μίγματα υδρογονανθράκων/ αέρα) επιτρέπονται μεγαλύτερες διακυμάνσεις του κλάσματος υδρογόνου καθώς και παραβιάσεις προς τα κάτω της συνολικής περιοχής, π.χ. στην ομάδα Β μέχρι το 40% περίπου. Β) Η ελάχιστη πίεση σύνδεσης των 7,5 mbar πρέπει σύμφωνα με το Φύλλο Εργασίας DVGW- Arbeitsblatt G600 να χρησιμοποιείται ως βάση για τον προσδιορισμό των διαμέτρων των σωλήνων. Για μια άψογη ρύθμιση των διατάξεων κατανάλωσης αερίου με ρυθμιστές αερίου θα έπρεπε η πίεση σύνδεσης να (πίεση ροής) στη συσκευή να μην είναι κάτω από 8 mbar. Σ αυτή την πίεση σύνδεσης αντιστοιχεί π.χ. σε ένα δείκτη Wobbe W o = 7 kwh/m 3 ένας διευρυμένος δείκτης Wobbe W o,e =19,8. Για δείκτη Wobbe μικρότερο από 7 kwh/m 3 είναι αναγκαίο, προς αποφυγή μιας υπερφόρτισης της συσκευής, να αυξηθεί τόσο η πίεση ροής, ώστε να διατηρηθεί η προαναφερόμενη τιμή του διευρυμένου δείκτη Wobbe. Αν δεν 84

91 Κεφ 2 ο Ιδιότητες των αέριων καυσίμων επιτευχθεί ο διευρυμένος δείκτης Wobbe, οι διατάξεις κατανάλωσης αερίου δεν μπορούν να ρυθμιστούν σε πλήρη φόρτιση χωρίς αλλαγή ακροφυσίου Απαιτήσεις των γερμανικών κανονισμών για τις ιδιότητες των αερίων Οι απαιτήσεις των γερμανικών κανονισμών για τις ιδιότητες των αερίων έχουν κωδικοποιηθεί σε δύο τεύχη (καλούμενα Arbeitsblätter = φύλλο εργασίας). Αυτά είναι το DVGW- Arbeitsblatt G 260/ Ι και G 260/ΙΙ. Στο πρώτο τεύχος δίνονται οι γενικές απαιτήσεις για τα αέρια, ενώ το δεύτερο περιλαμβάνει πρόσθετους κανόνες για τα αέρια της 2 ης οικογένειας. Πίνακας Μέγιστες τιμές για τις προσμίξεις στα αέρια της 1 ης οικογένειας Βενζολικοί υδρογονάνθρακες g/m 3 10 Ναφθαλίνη mg/m 3 50/p (p σε bar) Συμπυκνώσιμοι υδρογονάνθρακες Σημείο Συμπύκνωσης C θερμοκρασία εδάφους στην εκάστοτε πίεση του Νερό: Σημείο Δρόσου C αγωγού Ομίχλη, Σκόνη, Υγρό τεχνικά καθαρό Κλάσμα Όγκου του Οξυγόνου % Σε Ξηρά Δίκτυα Διανομής 3 Σε Υγρά Δίκτυα Διανομής 0,5 Οξείδια Αζώτου cm 3 /m 3 0,2 Συνολικό Θείο mg/m3 200 Υδρόθειο mg/m3 2 Αμμωνία mg/m3 3 Υδροκυάνιο mg/m3 150 Κλάσμα Όγκου Μονοξειδίου Άνθρακα % 6 Οι απαιτήσεις των γερμανικών κανονισμών για τα αέρια της 1 ης οικογένειας δίνονται στους πίνακες και , για τα αέρια της 2 ης οικογένειας στους πίνακες και , για τα αέρια της 3 ης οικογένειας στους πίνακες και και για τα αέρια της 4 ης οικογένειας στον πίνακα Πίνακας Απαιτήσεις του Arbeitsblatt G 260/1 για αέρια 2 ης οικογένειας Χαρακτηρισμός Σύμβολο Μονάδα Ομάδα L Ομάδα Η Δείκτης Wobbe kwh/m 3 10,5 έως 12,8 έως 13,0 15,7 Συνολική Περιοχή MJ/m 3 37,8εως 46,1 έως 46,8 56,5 W o,n kwh/m 3 12,4 15 Ονομαστική τιμή MJ/m 3 44,6 54,0 Επιτρεπτό εύρος διακύμανσης στην τοπική kwh/m 3 +0,6 +0,7 περιοχή διανομής -1,2-1,4 Ανώτερη Θερμογόνος kwh/m 3 8,4 έως 13,1 H Δύναμη o,n MJ/m 3 30,2 έως 47,2 Σχετική πυκνότητα d 1 0,55 έως 0,70 85

92 Πίεση σύνδεσης Συνολική Περιοχή p e mbar 18 έως 24 Ονομαστική τιμή mbar 20 Πίνακας Μέγιστες τιμές για τις προσμίξεις στα αέρια της 2 ης οικογένειας Ουσία Μονάδα Τιμή Συμπυκνώσιμοι υδρογονάνθρακες Σημείο Συμπύκνωσης C Θερμοκρασία εδάφους στην εκάστοτε πίεση του Νερό: Σημείο Δρόσου ο C αγωγού Ομίχλη, Σκόνη, Υγρό Τεχνικά καθαρό Κλάσμα Όγκου του Οξυγόνου % Σε Ξηρά Δίκτυα Διανομής 3 Σε Υγρά Δίκτυα Διανομής 0,5 Συνολικό Θείο mg/m Βραχυχρόνια mg/m Θειούχος Μερκαπτάνη mg/m 3 6* Βραχυχρόνια mg/m 3 16 Υδρόθειο mg/m 3 5 * Η κατευθυντήρια τιμή για την περιεκτικότητα της θειούχου μερκαπτάνης των 6 mg/m 3 δεν μπορεί προς το παρόν να τηρηθεί για όλα τα φυσικά αέρια. Πίνακας Απαιτήσεις του Arbeitsblatt G 260/1 για αέρια 3 ης οικογένειας Χαρακτηρισμός Απαιτ'ησεις 1. προπάνιο κατά DIN μίγματα προπανίου/ βουτανίου για οικιακούς σκοπούς με κλάσμα μάζας των υδρογονανθράκων C 4 το πολύ 60% κατά DIN πίεση σύνδεσης Συνολική περιοχή p e mbar 47,5 έως 57,5 ονομαστική τιμή mbar 50,0 86

93 Κεφ 2 ο Ιδιότητες των αέριων καυσίμων Πίνακας Μέγιστες τιμές για τις προσμίξεις στα αέρια της 3 ης οικογένειας Υδρογόνο + άζωτο+οξυγόνο +μεθάνιο κλλάσμα μάζας % % υδρόθειο αρνητικό στοιχειακό θείο mg/kg 1,5 σουλφίδιο του μονοξειδίου του άνθρακα - mg/kg θείο + στοιχειακό θείο 5 υπόλλειμα εξάτμισης mg/kg 50 αμμωνία αρνητικό νερό αρνητικό άλμη αρνητικό Προσμίξεις των αερίων Τα κλάσματα των υδρογονανθράκων αυτών των μιγμάτων πρέπει να αντιστοιχούν στις μέγιστες τιμές για τις προσμίξεις των αερίων της αντίστοιχης οικογένειας. Πίνακας 2.13 Απαιτήσεις του Arbeitsblatt G 260/1 για αέρια 4 ης οικογένειας φυσικό υγραέριο/ αέριο/ αέρας a) Χαρακτηρισμός Σύμβολο Mονάδα αέρας Δείκτης Wobbe kwh/m 3 W 6,8 έως 7,0 7,0 b) o,n Συνολική Περιοχή MJ/m 3 24,5 εως 25,2 25,2 Επιτρεπτό εύρος διακύμανσης στην kwh/m 3 ±0,2 τοπική περιοχή διανομής Ανώτερη Θερμογόνος Δύναμη Επιτρεπτό εύρος διακύμανσης στην τοπική περιοχή διανομής Σχετική πυκνότητα Πίεση σύνδεσης p e H o,n d kwh/m 3 7,5 6,0 έως 6,4 MJ/m 3 21,6 έως 27,0 23,0 kwh/m 3 ± 0,2 1,15 έως 1 1,22 0,75 έως 0,85 Συνολική Περιοχή mbar 12 έως 18 c) 7,5 έως 15 Ονομαστική τιμή mbar 15 8 Επεξηγήσεις στον πίνακα 2.13: Α) ισχύει για υγραέριο κατά DIN με κλάσμα μάζας των ακόρεστων υδρογονανθράκων C 4 κατά μέγιστο 10%. Β) ονομαστική τιμή για τη ρύθμιση των μιγμάτων και κατ αναλογία των συσκευών. Γ) για διανομή προπανίου/ αέρα επιτρέπεται ελάχιστη πίεση σύνδεσης 7,5 mbar όμως σε αυτή την περίπτωση πιθανώς ενδέχεται η ονομαστική φόρτιση των συσκευών 87

94 Ταξινόμηση των καυσίμων αερίων με βάση το πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 437 Τα αέρια ταξινομούνται σε τρείς οικογένειες, ενώ κάθε οικογένεια διαιρείται σε ομάδες, συναρτήσει του ανώτερου δείκτη Wobbe. Η ταξινόμηση δίνεται στον πίνακα Πίνακας 2.14 Ταξινόμηση αέριων καυσίμων με βάση το πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 437 Οικογένειες και ομάδες αερίων δείκτης Wo [MJ/m 3 ] σε 15 ο C και 1013,25 mbar ελάχιστη τιμή μέγιστη τιμή 1 η οικογένεια ομάδα a 22,4 24,8 2 η οικογένεια 39,1 54,7 ομάδα Η 45,7 54,7 ομάδα L 39,1 44,8 ομάδα E 40,9 54,7 3 η οικογένεια 72,9 87,3 ομάδα B/P 72,9 87,3 ομάδα P 72,9 76,8 ομάδα B 81,8 87,3 2.8 Επεξηγήσεις για τα χαρακτηριστικά δεδομένα της τεχνικής της καύσης Συνολική περιοχή, ονομαστική τιμή και εύρος διακύμανσης. Για τις διάφορες οικογένειες αερίων και κατ αναλογία για τις ομάδες τους καθορίζονται συνολικές περιοχές, ονομαστικές τιμές και εύρος διακύμανσης μεγεθών. Ο καθορισμός τους έχει στόχο την απρόσκοπτη λειτουργία των συσκευών από την άποψη της συμπεριφοράς τους κατά την καύση. Η συνολική περιοχή μιας ιδιότητας μιας οικογένειας ή ομάδας αερίων καθορίζεται με μια ανώτερη και μια κατώτερη οριακή τιμή. Δεν επιτρέπεται σε καμία περίπτωση υπέρβαση της ανώτερης οριακής τιμής, ενώ μία παραβίαση της κατώτερης οριακής τιμής επιτρέπεται μόνον υπό ορισμένους όρους. Την ονομαστική τιμή μιας ιδιότητας είναι μία τιμή χαρακτηριστική του μεγέθους της. Συνήθως είναι μία μέση ή ελάχιστη τιμή. Το εύρος διακύμανσης χαρακτηρίζει το εύρος, μέσα στο οποίο επιτρέπεται να διακυμαίνεται η τιμή μιας ιδιότητας. Το εύρος διακύμανσης έχει αναφορά την ονομαστική τιμή ή σε επί μέρους περίπτωση μια άλλη καθορισμένη τιμή, η οποία αποκλίνει από την ονομαστική Ανώτερη Θερμογόνος Δύναμη και δείκτης Wobbe. Στην 1 η οικογένεια αερίων για την ανώτερη θερμογόνο δύναμη καθορίζονται για τις δυο ομάδες Α και Β συνολικές περιοχές, ονομαστικές τιμές και εύρος διακύμανσης. Για το δείκτη Wobbe καθορίζονται συνολικές περιοχές. 88

95 Κεφ 2 ο Ιδιότητες των αέριων καυσίμων Στην 2 η οικογένεια αερίων δεν καθορίζονται τιμές για την ανώτερο θερμογόνο δύναμη επειδή η ρύθμιση των συσκευών για αέρια αυτής της οικογένειας γίνεται με βάση το δείκτη Wobbe. Γι αυτόν καθορίζονται για τις δύο ομάδες Lκαι H συνολικές περιοχές, ονομαστικές τιμές και εύρος διακύμανσης. Στην 4 η οικογένεια αερίων για την ανώτερη θερμογόνο δύναμη και το δείκτη Wobbe καθορίζονται για τις δυο ομάδες είτε συνολικές περιοχές, είτε ονομαστικές τιμές και εύρος διακύμανσης. Αν συσκευές ρυθμιστούν για καύση αερίων της 2 ης οικογένειας για την ονομαστική τιμή μιας ομάδας, τότε το ανώτερο όριο της συνολικής περιοχής αυτής τα ομάδας και το ανώτερο όριο του εύρους διακύμανσης είναι ταυτόσημο. Αν για τη ρύθμιση συσκευών σε ειδική περίπτωση για ιδιαίτερους λόγους εκλεγεί μία χαμηλότερη τιμή, τότε για την σχετική περιοχή τροφοδοσίας δεν επιτρέπεται να εκμεταλλευθούμε το τμήμα της συνολικής περιοχής το οποίο τέθηκε επάνω από το ανώτερο όριο της περιοχής διακύμανσης, επειδή αυτό θα οδηγούσε υπερφόρτιση. Προς τα κάτω ο δείκτης Wobbe ή η ανώτερη θερμογόνος δύναμη επιτρέπεται να αποκλίνει σε μια περιοχή τροφοδοσίας μέχρι το κατώτερο όριο της συνολικής περιοχής, εφ όσον πληρούνται οι τεχνικές προϋποθέσεις για άψογη λειτουργία των συσκευών αερίου. Οι κατώτερες οριακές τιμές για το δείκτη Wobbe των δύο ομάδων της 2 ης οικογένειας αερίων έχουν καθορισθεί, λαμβάνοντας υπ όψη τις συνθήκες οι οποίες υφίστανται στην πράξη, περίπου 15% κάτω από την ονομαστική τιμή. Για το μέλλον προβλέπεται μία διερεύνηση στα 20%, για να είναι εκμεταλλεύσιμα και άλλα αέρια και αυτό λαμβάνεται υπ όψη από τους κατασκευαστές ήδη από σήμερα κατά την εξέλιξη, τυποποίηση και δοκιμή νέων συσκευών Σχετική Πυκνότητα Το ανώτερο όριο των περιοχών, οι οποίες αναφέρονται στους πίνακες και , μπορεί να παραβιασθεί, αν χρησιμοποιηθούν μίγματα υγραερίου/ αέρα ως εναλλακτικά αέρια ή ως πρόσθετα αέρια Πίεση Σύνδεσης Η συνολική περιοχή και η ονομαστική τιμή της πίεσης σύνδεσης ισχύουν για την περιοχή της οικιακής χρήσης. Για την πίεση σύνδεσης για βιοτεχνικές και βιομηχανικές εγκαταστάσεις μπορούν κατά τις περιστάσεις να συμφωνηθούν άλλες τιμές. Αν και για την 1 η και 2 η οικογένεια ορίζεται αντίστοιχα ελάχιστη πίεση σύνδεσης 7,5 mbar και 18 mbar (με πιθανή μείωση αργότερα σε 17,5 mbar) η πίεση σύνδεσης (πίεση ροής) στη συσκευή για απρόσκοπτη ρύθμιση με ρυθμιστή πίεσης δεν πρέπει να είναι αντίστοιχα μικρότερη από 8 mbar και 20 mbar. 89

96 Από την ονομαστική πίεση σύνδεση των 20 mbar και τη πίεση του δικτύου διανομής (για τη χώρα μας προβλέπεται πίεσης δικτύου 23 mbar) προκύπτει η διαθέσιμη πτώση πίεσης, με βάση την οποία θα διαστασιολογηθούν οι σωληνώσεις. Φυσικά κατά τον καθορισμό της μέγιστης διαθέσιμης πτώσης πίεσης, πρέπει να ληφθούν υπ όψη η πιθανότητα αλλαγής ομάδας αερίου και ένας συντελεστής ασφαλείας Επεξηγήσεις για τα συστατικά και τις προσμίξεις των αερίων. Κύρια συστατικά των καύσιμων αερίων τα οποία διανέμονται στη δημόσια διανομή αερίων είναι π.χ. το υδρογόνο, το μεθάνιο ή τα υγραέρια. Επί πλέον, όπως είδαμε μπορούν να εμπεριέχονται σε μια σειρά προσμίξεων των αερίων, οι οποίες μπορούν να είναι τόσο αέριες, όσο και υγρές ή στερεές Υδρογονάνθρακες Η περιεκτικότητα σε ανώτερους κεκορεσμένους και ακόρεστους καθώς και σε αρωματικούς υδρογονάνθρακες στο αέριο πρέπει να περιορίζεται, επειδή σε διαφορετική περίπτωση παρουσιάζονται προβλήματα στη διανομή των αερίων και στη συμπεριφορά καύσης. Η επιτρεπόμενη για μια άψογη καύση συγκέντρωση εξαρτάται από το είδος των υδρογονανθράκων, αλλά και από την περιεκτικότητα του αερίου σε υδρογόνο και οξυγόνο. Το διοξείδιο του άνθρακα ευνοεί σε σύγκριση με το άζωτο την καύση των ακόρεστων και αρωματικών υδρογονανθράκων, ιδιαίτερα στους καυστήρες διάχυσης. Τα αέρια της 1 ης οικογένειας καίγονται άψογα με συγκεντρώσεις μέχρι 10 g/m 3 σε βενζολικούς υδρογονάνθρακες, όταν το κλάσμα όγκου του υδρογόνου είναι τουλάχιστον 50%. Για χαμηλότερη περιεκτικότητα υδρογόνου πρέπει ενδεχομένως να μειωθεί η συγκέντρωση σε βενζολικούς υδρογονάνθρακες ή να αυξηθεί η περιεκτικότητα του οξυγόνου. Με τον όρο βενζολικοί υδρογονάνθρακες εννοείτε το άθροισμα των υγρών στη θερμοκρασία δωματίου υδρογονανθράκων, οι οποίοι προσδιορίζονται χρωματογραφικά ως C 5+. Με τον όρο ναφθαλίνη εννοείτε το άθροισμα των αρωματικών υδρογονανθράκων, οι οποίοι προσδιορίζονται αναλυτικά ως πιπικροί. Τα αέρια της 2 ης οικογένειας μπορούν ανάλογα με την προέλευση και τη διεργασία προετοιμασίας τους να περιέχουν σε συνθήκες λειτουργίας συμπυκνώσιμους υδρογονάνθρακες και μεταξύ αυτών και αρωματικούς υδρογονάνθρακες. Κατά την εκτόνωση του αερίου κάτω από την πίεση διεργασίας προετοιμασίας μπορούν να διαχωρισθούν υπό ορισμένες καταστάσεις λειτουργίας (αναδρομική συμπύκνωση). Τα μίγματα αερίου/ αέρα τα οποία περιέχουν υγραέριο θα πρέπει να έχουν βασικά τέτοια σύσταση, ώστε να αποκλείεται συμπύκνωση υπό συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας οι οποίες επικρατούν στις εγκαταστάσεις διανομής. 90

97 Κεφ 2 ο Ιδιότητες των αέριων καυσίμων Η συμπύκνωση υδρογονανθράκων καθορίζεται από το είδος και την ποσότητα των συμπυκνώσιμων συστατικών καθώς και από την πίεση και τη θερμοκρασία. Ο περιορισμός επιτυγχάνεται γενικά με καθορισμό του σημείου συμπύκνωσης, δηλαδή μιας θερμοκρασίας επάνω από την οποία για μια καθορισμένη πίεση ή κατ αναλογία για μια περιοχή πιέσεων δεν πρέπει να εμφανισθεί καθόλου συμπύκνωση Νερό Τα αέρια τα ευρισκόμενα υπό υψηλή και μέση πίεση πρέπει κατά το δυνατό να είναι ξηρά, δηλαδή να παρουσιάζουν μια σχετική υγρασία κάτω από 60%, για να αποφευχθούν διάβρωση και σχηματισμούς υδριτών των αερίων. Συνήθως τίθεται περιορισμός της υγρασίας κατά κανόνα με προσδιορισμό του σημείου δρόσου, δηλαδή μιας θερμοκρασίας επάνω από την οποία για μια καθορισμένη πίεση δεν πρέπει να εμφανισθεί καθόλου συμπύκνωση νερού Οξυγόνο Στα αέρια τα οποία περιέχουν υδρατμό, το οξυγόνο δρα διαβρωτικά. Η επιτρεπόμενη περιεκτικότητα του οξυγόνου εξαρτάται από τη σχετική υγρασία του αερίου. Το ανώτερο όριο των τιμών των αναφερομένων στους πίνακες και μπορεί να παραβιασθεί, αν χρησιμοποιηθούν μίγματα υδρογονανθράκων/ αέρα ως εναλλακτικά ή πρόσθετα αέρια Μονοξείδιο του άνθρακα Η περιεκτικότητα του CO εξαρτάται από την πρώτη ύλη και τις συνθήκες λειτουργίας της εγκατάστασης παραγωγής του αερίου. Σε υφιστάμενες εγκαταστάσεις μπορεί να παραβιασθεί η κατευθυντήρια τιμή. Τα αέρια από εγκαταστάσεις πυρόλυσης και εξαέρωσης του άνθρακα μπορεί να έχουν ένα κλάσμα όγκου του CO κάτω από το 3% Διοξείδια του άνθρακα Το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να υπάρχει είτε λόγω της διεργασίας παραγωγής αερίου είτε εκ φύσεως. Σε υγρά αέρια το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να ευνοήσει τη διάβρωση. Για την παρεμπόδιση της πρέπει, προφανώς, να προτιμηθεί ξήρανση του αερίου αντί της απομάκρυνσης του CO 2 ( π.χ. με απορρόφηση) Νέφος, σκόνη Η παρουσία νέφους (πίσσα, λάδι γλυκόλη ή άλλα πτητικά υγρά) στο αέριο εξαρτάται από την εφαρμοζόμενη μέθοδο προετοιμασίας. Επίσης οι εγκαταστάσεις συμπιεστών μπορούν κατά την περίπτωση να προκαλέσουν παρουσία νέφους λαδιού. 91

98 Αν για την άρση των διαρροών σε συνδέσεις με μούφες και για την δέσμευση σκόνης σε δίκτυο σωληνώσεων προστεθούν στα αέρια υγρά με τη μορφή νέφους (ψεκασμός), τότε η προστιθέμενη ποσότητα πρέπει να περιορισθεί τόσο, ώστε να μην επηρεασθούν αρνητικά οι ιδιότητες καύσης των αερίων και η λειτουργία των συσκευών αερίου. Η σκόνη μπορεί να εισχωρήσει κατά την παραγωγή του αερίου. Περαιτέρω δεν μπορεί να αποφευχθεί πλήρως η δημιουργία σκόνης λόγω της χημικής μετατροπής και της διάβρωσης μέσα στους αγωγούς (σκουριές). Για την απομάκρυνση ή κατακράτηση της σκόνης πρέπει να προβλέπονται μέτρα στην αναγκαία έκταση (π.χ. φίλτρο). Στα συστήματα διανομής ο σχηματισμός σκόνης μπορεί να περιορισθεί με τη μη υπέρβαση των κατευθυντηρίων τιμών για προσμίξεις των αερίων, οι οποίες ευνοούν τη διάβρωση. Τεχνικό καθαρό αέριο σημαίνει ότι τα συμπυκνώματα, το νέφος και η σκόνη απομακρύνονται σε τέτοιο βαθμό ώστε να είναι εγγυημένη η λειτουργία των συσκευών αερίου και των διατάξεων των σχετικών με τα αέρια, κανονικής ή ειδικής κατασκευής. Προς το παρόν δεν είναι το δυνατός ένας ακριβής έλεγχο των περιεκτικοτήτων σε νέφος και σκόνη και άρα ο καθορισμός οριακών τιμών Οξείδια του αζώτου, αμμωνία, υδροκυάνιο. Τα αέρια της 1 ης οικογένειας αερίων μπορούν να περιέχουν οξείδια του αζώτου, αμμωνία και υδροκυάνιο, οι περιεκτικότητες των οποίων προκύπτουν από τη σύσταση των πρώτων υλών και από τις συνθήκες λειτουργίας των εγκαταστάσεων παραγωγής αερίων. Αν χρησιμοποιηθεί κάποιο απαέριο (π.χ. καυσαέριο) ωε πρόσθετο αέριο για τη ρύθμιση της κατάστασης, τότε πρέπει να προσεχθεί η περιεκτικότητα σε οξείδια του αζώτου Ενώσεις του Θείου. Οι θειούχες προσμίξεις των αερίων είναι υδρόθειο, σουλφίδιο του διοξειδίου του άνθρακα, διθειάνθρακας και λοιπά οργανικά σουλφίδια, δισουλφίδια, μερκαπτάνες και θειοφένια. Η περιεκτικότητα σε ενώσεις του θείου στα παραγώμενα αέρια εξαρτάται από την χρησιμοποιούμενη πρώτη ύλη και από τον καθαρισμό του αερίου, ενώ στα φυσικά αέρια από τις πηγές αερίων καθώς και από τη μέθοδο προετοιμασίας. Η περιεκτικότητα των αερίων σε θείο επηρεάζει τη διάρκεια ζωής των σωληνώσεων και των διατάξεων κατανάλωσης. Για το λόγο αυτό πρέπει να είναι περιορισμένη για όλα τα καύσιμα αέρια. Οι εκ φύσεως περιεχόμενες σε ορισμένα φυσικά αέρια ποσότητες θειούχου μερκαπτάνης υπόκεινται σε διακυμάνσεις. Προβλέπεται σ αυτή την υπόθεση να 92

99 Κεφ 2 ο Ιδιότητες των αέριων καυσίμων συλλέγουν και να εκτιμηθούν περαιτέρω εμπειρίες. Η μέγιστη τιμή για τη περιεκτικότητα σε θειούχο μερκαπτάνη της 2 ης οικογένειας αερίων μπορεί ενδεχομένως να μεταβληθεί. Η μέγιστη τιμή για το υδρόθειο των 5mg/m 3 στα αέρια της 2 ης οικογένειας προς το παρόν δεν μπορεί ακόμη να τηρηθεί σε εξαιρετικές καταστάσεις για όλα τα φυσικά αέρια. Η τιμή αυτή επιτρέπεται τότε για σύντομο χρονικό διάστημα να παραβιασθεί μέχρι και κατά 5mg/m 3 ( ακραία τιμή 10mg/m 3 ). Και εδώ όμως πρέπει να τηρηθούν οι μέγιστες τιμές για το συνολικό θείο σύμφωνα με τον Πίνακα Συμπληρωματικοί κανόνες για αέρια 2 ης οικογένειας αερίων Γενικά Στη χώρα μας θα διανέμεται φυσικό αέριο, δηλαδή αέριο της 2 ης οικογένειας αερίων. Η ιδιαιτερότητα αυτή μας υποχρεώνει να επικεντρώσουμε την προσοχή μας σ αυτά. Οι ιδιότητες των διαθέσιμων φυσικών αερίων δεν ανταποκρίνονται πάντοτε στις απαιτήσεις των κανονισμών. Σ αυτές τις περιπτώσεις οι ιδιότητες πρέπει να ρυθμιστούν με ανάμιξη με άλλα αέρια, έτσι ώστε να ανταποκρίνονται ουσιαστικά στις απαιτήσεις αυτές. Οι απαιτήσεις αυτές ισχύουν και για τα μίγματα αερίων, η χρήση των οποίων καθίστανται αναγκαία για να αντιμετωπισθούν στενότητες διανομής ή για να χρησιμοποιηθούν αέρια άλλης προέλευσης. Αν οι απαιτήσεις αυτές δεν μπορούν να τηρηθούν σε όλη την έκταση τους, τότε δεν επιτρέπεται με τη χρήση των αερίων να προκύψουν επηρεασμοί της λειτουργίας και της ασφάλειας της διανομής και της χρησιμοποίησης σε κανονικές συσκευές. Οι πρόσθετοι όροι υπό τους οποίους είναι επιτρεπτή μια περιορισμένη απόκλιση από τις οριακές και κατευθυντήριες τιμές τις καθορισμένες στον πίνακα δεν δίνονται εδώ. Διακρίνονται: Αέρια για τη ρύθμιση της κατάστασης ενός ήδη διανεμόμενου αερίου, δηλαδή αέρια τα οποία προσμιγνύονται για τη ρύθμιση των χαρακτηριστικών δεδομένων της τεχνικής της καύσης του αερίου. Πρόσθετα αέρια, τα οποία προσμιγνύονται σε ένα βασικό αέριο για συμπλήρωση της προσφοράς αερίου ή για την αξιοποίηση τοπικώς διαθέσιμών αερίων (π.χ. για τα αέρια του Πρίνου), όπου το ύψος της προστιθέμενης ποσότητας περιορίζεται από την απαίτηση για ισοδύναμη συμπεριφορά καύσης. Εναλλακτικά αέρια, π.χ. για την αξιοποίηση αερίων από άλλες διεργασίες, τα οποία όμως μέσα στην οικογένεια αερίων για την ίδια πίεση αερίου και για ίδια ρύθμιση των συσκευών αερίου παρουσιάζουν μια ισοδύναμη συμπεριφορά καύσης. 93

100 Φυσικά αέρια με ιδιότητες στις οριακές περιοχές του πίνακα Αν τα χαρακτηριστικά δεδομένα του πίνακα δεν πληρούνται από τα τοπικώς διαθέσιμα αέρια, τότε η χρησιμοποίηση τους είναι δυνατή μόνο με ανάλογη ρύθμιση των συσκευών αερίου Αέρια για τη ρύθμιση κατάστασης. Για την επίτευξη των επιθυμητών χαρακτηριστικών δεδομένων της τεχνικής της καύσης μπορεί να ρυθμιστεί η κατάσταση αερίων της 2 ης οικογένειας με τα ακόλουθα αέρια: Αέρας, άζωτο Αέρια της 1 ης οικογένειας αερίων Φυσικά αέρια με άλλες ιδιότητες Υγραέρια Πρόσθετα Αέρια. Ως πρόσθετα αέρια χρησιμοποιούνται: Μίγματα αερίων/ αέρα Αέρια της 1 ης οικογένειας αερίων σε μίγμα με υγραέριο Εναλλακτικά αέρια σύμφωνα με την Λοιπά αέρια πλούσια σε μεθάνιο, ενδεχομένως σε μίγμα με υγραέριο. Η ανώτερη θερμογόνος δύναμη του συνολικού μίγματος πρέπει να προσανατολίζεται προς τη συνθήκη στην περιοχή διανομής ανώτερη θερμογόνος δύναμη. Οι συγκεντρώσεις των προσμίξεων δεν πρέπει να υπερβαίνουν τις οριακές τιμές του πίνακα Κατά τη χρήση των προσθέτων αερίων συνιστάται να μη μεταβάλλεται η περιοχή διακύμανσης του δείκτη Wobbe της τοπικής περιοχής τροφοδοσίας Εναλλακτικά αέρια. Ως εναλλακτικά αέρια χρησιμοποιούνται: Μίγματα υγραερίων/ αέρα Πλούσια αέρια Βιοαέρια (π.χ. αέρια από εγκαταστάσεις βιολογικού καθαρισμού) Κατά τη χρήση μιγμάτων βουτανίου/ αέρα μπορούν να προκύψουν τεχνικά προβλήματα καύσης, τόσο από την άποψη της ποιότητας καύσης, όσο και από την άποψη της σταθερότητας της φλόγας. 94

101 Κεφ 2 ο Ιδιότητες των αέριων καυσίμων Μέτρα για τη χρήση φυσικών αερίων με οριακές τιμές του δείκτη Wobbe. Σύμφωνα με την επιτρέπεται υπό ορισμένους όρους μια περιορισμένη παραβίαση προς τα κάτω της συνολικής περιοχής του δείκτη Wobbe μιας ομάδας. 95

102 3.1. Ισοζύγια μάζας και ενέργειας Γενικές αρχές. Ως καύση χαρακτηρίζεται η χημική αντίδραση καύσιμων ουσιών με οξυγόνο. Η καύση συνοδεύεται από έκλυση θερμότητας και άρα υψηλές θερμοκρασίες. Διατηρείται όσο υπάρχουν επαρκείς ποσότητες καυσίμου και οξυγόνου. Στη συνέχεια θα ασχοληθούμε με τον υπολογισμό αυτών των ποσοτήτων καυσίμου και οξυγόνου, καθώς και των εκλυόμενων ποσοτήτων θερμότητας. Η εξίσωση της καύσης μπορεί να γραφεί σε γενική μορφή Καύσιμο + Οξυγόνο Προϊόντα καύσης + Θερμότητα Το απαραίτητο για την καύση οξυγόνο κατά κανόνα λαμβάνει από τον ατμοσφαιρικό αέρα και μόνον σε ειδικές εφαρμογές(π.χ. αυτογενής συγκόλληση), όπου απαιτούνται υψηλές θερμοκρασίες, χρησιμοποιείται καθαρό οξυγόνο. Τα καύσιμα συστατικά των καυσίμων είναι κυρίως το υδρογόνο Η 2 και ο άνθρακας C και δευτερευόντως το θείο S, το οποίο όμως, όπως θα αναλύσουμε σε επόμενη παράγραφο, είναι ανεπιθύμητο. Στα καύσιμα πιθανώς περιέχονται και ορισμένα συστατικά τα οποία δεν καίγονται, τα καλούμενα αδρανή, όπως π.χ. άζωτο, νερό (υδρατμός) ή διοξείδιο του άνθρακα. Επίσης είναι πιθανό να περιέχεται και οξυγόνο, είτε φυσικής προέλευσης είτε πρόσθετο. Τα αέρια καύσιμα, σε σύγκριση με τα στερεά και τα υγρά καύσιμα, έχουν πλεονεκτήματα ότι δεν απαιτούν κάποια διαδικασία προετοιμασίας τους (π.χ. άλεση για τα στερεά ή σταγονιδιοποίηση για τα υγρά). Αρκεί μια καλή ανάμιξη με τον αέρα καύσης, η οποία μπορεί να γίνει με σχετικώς απλά κατασκευαστικά μέτρα. Τα αέρια προϊόντα της καύσης θα τα ονομάζουμε καυσαέρια. Ο αναγνώστης μπορεί να τα συναντήσει στην βιβλιογραφία ως καπναέρια (κυρίως αν περιέχουν αιθάλη, σκόνη και πίσσα) ή ως απαέρια (κυρίως καθαρά). Τα αέρια καύσιμα είναι σχεδόν πάντοτε μίγματα καύσιμων αερίων και συνήθως δίνεται η σύσταση τους σε κλάσματα όγκου φ i (τα οποία, όπως αποδεικνύεται, για τα ιδανικά αέρια είναι ίσα με τα μοριακά κλάσματα x i (βλέπε και την 2.3). και φ CO + φ H2 + φ CH4 + φ C x H y + φ co2 + φ o2 + φ N2 + φ H2 O = 1 (3.1) x CO + x H2 + x CH4 + x C x H y + x co2 + x o2 + x N2 + x H2 O = 1 (3.2) 96

103 Κεφ 3 ο Καύση και ενέργεια Σε σπανιότερες περιπτώσεις η σύσταση των αέριων καυσίμων δίνεται σε κλάσματα μάζας ή ξ c + ξ H2 + ξ CH4 + ξ S + Ξ N2 + ξ A + ξ H2 O = 1 (3.3) c + h + o + s + n + a + w = 1 (3.4) Αν τα συστατικά καύσιμα καούν με την ακριβώς υπολογιζόμενη από τα ισοζύγια γραμμοατόμων ποσότητα οξυγόνου, χωρίς καμιά περίσσεια ή έλλειμμα, τότε η καύση χαρακτηρίζεται ως στοιχειομετρική. Αν τα συστατικά σε μια στοιχειομετρική καύση μετατραπούν πλήρως σε CO 2 και H 2 O, οπότε στα καυσαέρια δεν περιέχεται καύσιμο ή οξυγόνο, τότε η καύση χαρακτηρίζεται τέλεια και πλήρης. Η περίπτωση της στοιχειομετρικής τέλειας καύσης έχει μόνο θεωρητική σημασία. Η πλήρης καύση συνήθως απαιτεί περίσσεια οξυγόνου. Αν στο καύσιμο προσαχθεί οξυγόνο λιγότερο από το στοιχειομετρικά απαιτούμενο, τότε η καύση είναι μη πλήρης. Η καύση χαρακτηρίζεται ως ατελής, όταν παρ ότι παρέχεται το στοιχειομετρικά απαιτούμενο οξυγόνο, δεν καταναλίσκεται όλο το καύσιμο Στοιχειομετρική καύση με καθαρό οξυγόνο Καύση απλών ουσιών Η στοιχειομετρική εξίσωση καύσης του υδρογόνου Η 2 με οξυγόνο Ο 2 γράφεται Η Ο 2 H 2 Ο Από την εξίσωση αυτή διαπιστώνουμε, ότι για την καύση 1kmol H 2 (ή αντίστοιχα 1m 3 H 2 ) απαιτούνται στοιχειομετρικά ½ kmol Ο 2 (ή αντίστοιχα ½ m 3 Ο 2 ) και παράγεται 1 kmol υδρατμού (ή αντίστοιχα 1 m 3 Η 2 Ο). Ομοίως διαπιστώνουμε, ότι για την καύση 2 kg H 2 απαιτούνται στοιχειομετρικά 16 kg O 2 και παράγονται 18 kg H 2 O (περίπου). Η στοιχειομετρικά εξίσωση καύσης του άνθρακα C με το οξυγόνο Ο 2 γράφεται C + O 2 CO 2 Από την εξίσωση αυτή, διαπιστώνουμε, ότι για την καύση 1 kmol C απαιτούνται στοιχειομετρικά 1 kmol O 2 ( ή αντίστοιχα 22,41 m 3 O 2 ) και παράγεται 1 kmol CO 2 (ή αντίστοιχα 22,41 m 3 CO 2 ). Ομοίως διαπιστώνουμε, ότι για την καύση 12 kg C απαιτούνται στοιχειομετρικά 32 kgl O 2 και παράγεται 44 kg CO 2 (περίπου). 97

104 Στην περίπτωση στη οποία η ποσότητα του οξυγόνου δεν είναι επαρκής, αντί για παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα έχουμε παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα, το οποίο ως γνωστόν είναι ισχυρό και ύπουλο δηλητήριο. C O 2 CO Από την εξίσωση αυτή διαπιστώνουμε, ότι για την ατελή καύση 1 kmol C απαιτούνται στοιχειομετρικά ½ kmol O 2 ( ή αντίστοιχα 11.2 m 3 O 2 ) και παράγεται 1 kmol CO (ή αντίστοιχα 22,41 m 3 CO). Ομοίως διαπιστώνουμε, ότι για την ατελή καύση 12 kg C απαιτούνται στοιχειομετρικά 16 kgl O 2 και παράγεται 28 kg CO 2 (περίπου). Στις ανωτέρω περιπτώσεις οι αναφερόμενοι όγκοι και οι μάζες είναι προσεγγιστικοί. Οι πραγματικοί όγκοι και μάζες υπολογίζονται, αν ληφθούν υπ όψη οι ακριβείς πραγματικοί όγκοι και οι μοριακές μάζες, οι οποίες δόθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο. Οι ακριβέστεροι υπολογισμοί θα δοθούν στη συνέχεια. Οι εξισώσεις καύσης προφανώς αποτελούν ισοζύγια γραμμοατόμων. Έτσι αντίστοιχες εξισώσεις μπορούν να γραφούν για άλλες καύσιμες ουσίες Καύση ενώσεων Οι εξισώσεις καύσης των ουσιών που μας ενδιαφέρουν, οι οποίες συνηθέστερα είναι υδρογονάνθρακες, μπορούν να σχηματισθούν ως ισοζύγια γραμμοατόμων με τη βοήθεια των εξισώσεων καύσης του άνθρακα και του υδρογόνου. Έτσι η στοιχειομετρική εξίσωση καύσης του μεθανίου (CH 4 ) με οξυγόνο γράφεται CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O Από την εξίσωση αυτή διαπιστώνουμε, ότι για την καύση 1kmol CH 4 (ή αντίστοιχα 1m 3 H 2 ) απαιτούνται στοιχειομετρικά 1 kmol Ο 2 (ή αντίστοιχα 2 m 3 Ο 2 ) και παράγεται 1 kmol CO 2 (ή αντίστοιχα 1 m 3 CO 2 ) καθώς και 2 kmol υδρατμού (ή αντίστοιχα 2 m 3 Η 2 Ο). Ομοίως διαπιστώνουμε, ότι για την καύση 16 kg CH 4 απαιτούνται στοιχειομετρικά 64 kg O 2 και παράγονται 44 kg CO 2 και 2*18=36 kg υδρατμού (περίπου). Η εξίσωση για το αιθάνιο (C 2 H 6 ) γράφεται C 2 H 6 + 3,5O 2 2CO 2 + 3H 2 O Από την εξίσωση αυτή διαπιστώνουμε ότι η ελάχιστη ποσότητα οξυγόνου (την οποία θα συμβολίζουμε Ο 2,min ) για να καεί το C 2 H 6, είναι Ο 2,min = 3,5 m 3 /m 3. Και στις ανωτέρω περιπτώσεις οι αναφερόμενοι όγκοι και οι μάζες είναι, όπως εξηγήσαμε, προσεγγιστικοί. 98

105 Κεφ 3 ο Καύση και ενέργεια Με ανάλογο τρόπο γράφονται οι στοιχειομετρικές εξισώσεις για τις λοιπές ενώσεις: Αιθυλένιο C 2 H 4 + 3O 2 2CO 2 + 2H 2 O Προπάνιο C 3 H 8 + 5O 2 3CO 2 + 4H 2 O Προπυλένιο C 3 H 6 + 4,5O 2 3CO 2 + 3H 2 O Βουτάνιο C 4 H ,5O 2 4CO 2 + 5H 2 O Βουτένιο C 4 H 8 + 6O 2 4CO 2 + 4H 2 O Πεντάνιο C 5 H O 2 5CO 2 + 6H 2 O Εξάνιο C 6 H ,5O 2 6CO 2 + 7H 2 O Επτάνιο C 7 H O 2 7CO 2 + 8H 2 O Για τυχόντα υδρογονάνθρακα C x H y C x H y + (x + y 4 ) O 2 xco 2 + y 2 H 2O Καύση με αέρα Στοιχειομετρική Καύση Όπως ήδη αναφέραμε, στην πράξη η καύση γίνεται με ατμοσφαιρικό αέρα και μόνον σε ειδικές περιπτώσεις με καθαρό οξυγόνο. Ο ατμοσφαιρικός αέρας αποτελείται κυρίως από άζωτο (Ν 2 ) και οξυγόνο (Ο 2 ), ενώ περιέχει σε μικρότερες περιεκτικότητες διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), ευγενή αέρια, υγρασία κλπ. Με ικανοποιητική ακρίβεια για τους υπολογισμούς καύσης θεωρούμε ότι ο αέρας αποτελείται από 99

106 Ν 2 : 79% v/v Ο 2 : 21% v/v Επομένως για κάθε 1kmol Ο 2 (ή αντίστοιχα 1 m 3 Ο 2 ) θα απαιτούνται και 79/21 = 3,76 kmol Ν 2 (ή αντίστοιχα 3,76 m 3 Ν 2 ) και άρα συνολικά 4,76 kmol αέρα (ή αντίστοιχα 4,76 m 3 αέρα). Έτσι η εξίσωση στοιχειομετρικής καύσης μεθανίου με αέρα θα γραφεί CH 4 + 2O 2 + 3,76*2 Ν 2 CO 2 + 2H 2 O + 3,76* 2 Ν 2 ή CH 4 + 2O 2 + 7,52 Ν 2 CO 2 + 2H 2 O + 7,52 Ν 2 Από την εξίσωση αυτή διαπιστώνουμε ότι η ελάχιστη ποσότητα αέρα (την οποία θα συμβολίζουμε με L min ) για να καεί το CH 4 είναι L min = 2 + 7,52 = 9,52 m 3 /m 3. Γενικά η ελάχιστη ποσότητα αέρα L min θα υπολογίζεται από την ελάχιστη ποσότητα οξυγόνου (Ο 2,min ) L min = Q 2,min 0,21 (3.5) Επίσης από την εξίσωση διαπιστώνουμε ότι η ελάχιστη συνολική ποσότητα παραγόμενων καυσαερίων (την οποία θα την συμβολίζουμε με Vmin,σ)από την καύση του CH 4 είναι V min,σ = ,52 = 10,52 m 3 /m 3. Ενώ η ελάχιστη ποσότητα παραγόμενων ξηρών καυσαερίων( την οποία θα την συμβολίζουμε Vmin,ξ) από την καύση του CH 4 είναι Vmin,ξ= 1+7,52= 8,52 m 3 /m 3. Γενικά η ελάχιστη συνολική ποσότητα καυσαερίων Vmin,σ υπολογίζεται V min,σ = V CO2 + V H2 O + V N 2 (3.6) Ενώ η ελάχιστη ποσότητα ξηρών καυσαερίων Vmin,ξ υπολογίζεται V min,ξ = V CO2 + V N2 (3.7) Στην περίπτωση της στοιχειομετρικής καύσης του CH 4 με αέρα, το μοριακό κλασμα του CO 2 στα ξηρά καυσαέρια είναι x CO2 = 1 8,52 = 0,

107 Κεφ 3 ο Καύση και ενέργεια Η τιμή αυτή είναι η μέγιστη τιμή της περιεκτικότητας του CO 2 για την καύση του μεθανίου. Η τιμή της περιεκτικότητας του CO 2, χρησιμοποιείται για των έλεγχο των εστιών καύσης Πραγματικές ποσότητες καύσης Οι εξισώσεις καύσης οι οποίες παρουσιάσθηκαν στις προηγούμενες παραγράφους βασίζονται στην παραδοχή ότι όλα τα αέρια είναι ιδανικά. Αποτέλεσμα τούτου είναι να διαφέρουν οι πραγματικές ποσότητες αέρα καύσης και καυσαερίων από τις υπολογιζόμενες. Οι πραγματικοί μοριακοί όγκοι και μάζες των αερίων καυσίμων δίνονται στον πίνακα 2.2. Με τη βοήθεια αυτού προσδιορίστηκαν οι πραγματικές ποσότητες αέρα καύσης και καυσαερίων, οι οποίες δίνονται στον πίνακα

108 Καύση μιγμάτων Σε πολλές περιπτώσεις το καύσιμο είναι μίγμα αερίων και ατμών, οπότε πρέπει να γνωρίζουμε τη μοριακή σύσταση (η σύσταση κατ όγκο) x CO + x H2 + x CH4 + x C x H y + x co2 + x o2 + x N2 + x H2 O = 1 (3.2) Στις περιπτώσεις αυτές οι ποσότητες της καύσης του μίγματος Ο 2,min, L min, V min,σ, V min,ξ προσδιορίζονται αναλογικά προς τις περιεκτικότητες x i από τις αντίστοιχες ποσότητες κάθε συστατικού i, Ο 2,min, L min, V min,σ, V min,ξ O 2,min = x i O 2,min (3.8) L min = x i L min,i (3.9) V min,σ = x i V min,σ,i (3.10) V min,ξ = x i V min,ξ,i (3.11) Ειδικότερα οι ποσότητες της καύσης του μίγματος μπορούν να υπολογίζονται Ο 2min = 0,5xH 2 + 0,5xCO + 2xCH 4 + (x + y 4 ) xc xh y xo 2 [m 3 /m 3 ] (3.12) L min = O 2,min 0,21 (3.13) V co2 = xco + xco 2 + xch 4 + xxc x H y [m 3 /m 3 ] (3.14) V H2 O = xh 2 + 2xCH 4 + y 2 xc xh y [m 3 /m 3 ] (3.15) V N2 = xn 2 + 0,79 L min [m 3 /m 3 ] (3.16) V min,σ = V co2 + V H2 O + V N2 [m 3 /m 3 ] (3.17) V min,ξ = V co2 + V N2 [m 3 /m 3 ] (3.18) Καύση με περίσσεια αέρα Η καύση με στοιχειομετρική ποσότητα αέρα δεν μπορεί να είναι τέλεια λόγω τεχνολογικών προβλημάτων. Για να ήταν τέλεια η καύση με στοιχειομετρική ποσότητα αέρα, θα έπρεπε να είναι δυνατή τέλεια ανάμιξη καυσίμου και αέρα. Έτσι η καύση με στοιχειομετρική ποσότητα αέρα οδηγεί πρακτικά σε ατελή καύση. Για να αντιμετωπισθεί το πρόβλημα αυτό στις πρακτικές εφαρμογές παρέχουμε αυξημένες ποσότητες αέρα καύσης. Το πηλίκο του πραγματικού παρεχόμενου αέρα καύσης V πρ = L με τον θεωρητικά απαιτούμενο (στοιχειομετρικό) V στ = L min, ονομάζουμε λόγο αέρα, τον οποίο συμβολίζουμε με το λ: 102

109 Κεφ 3 ο Καύση και ενέργεια λ = V πρ V στ = L L min (3.19) Για καύση με λόγο αέρα λ, η παρεχόμενη ποσότητα αέρα L(m 3 /m 3 ) είναι L= λ L min (3.20) Η συνολική ποσότητα παραγομένων καυσαερίων V σ θα είναι αντίστοιχα V σ = V min,,σ + (λ-1) L min (3.21) Ενώ η συνολική ποσότητα ξηρών καυσαερίων (χωρίς να ληφθεί υπ όψη η υγρασία του αέρα) V ξ = V min,,ξ + (λ-1) L min (3.22) Στις βιομηχανικές εφαρμογές (καυστήρες) ο λόγος αέρα παίρνει τιμές για υγρά καύσιμα 1,15 1,50 για αέρια καύσιμα 1,08 1,40 Στις οικιακές εφαρμογές, ο λόγος αέρα πρέπει σε κάθε περίπτωση να έχει ελάχιστη τιμή 1,15 δηλαδή, για λόγους ασφαλείας πρέπει πάντοτε να έχουμε περίσσεια αέρα τουλάχιστον 15%, επειδή διαφορετικά θα έχουμε ατελή καύση και παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα ή και ακαύστων. Καύση μπορεί να λάβει χώρα και για τιμές του λόγου αέρα μικρότερες από λ=1, οπότε φυσικά θα είναι μη πλήρης. Μας είναι γνωστή η περίπτωση της μη πλήρους καύσης στους κινητήρες με πλούσιο μίγμα (τραβηγμένο τσόκ). Καύση λαμβάνει χώρα και για τιμές του λόγου αέρα μεγάλες, λ>2. Γενικά καύση είναι δυνατή για τιμές του λόγου αέρα περίπου 0,6 < λ < 3. Τα όρια αυτά, όπως θα δούμε παρακάτω, μαζί με τις εξισώσεις καύσης καθορίζουν τα όρια ανάφλεξης ή εκρηκτικότητας των αερίων μιγμάτων Η υγρασία του αέρα και του καυσίμου. Ο αέρας καύσης και τα καύσιμα αέρια περιέχουν υδρατμούς, το ποσοστό των οποίων πρέπει κατά περίπτωση να ληφθεί υπ όψη κατά τους υπολογισμούς. Η υγρασία στον αέρα αυξάνει την αναγκαία ποσότητα αέρα καύσης, ενώ η υγρασία στο καύσιμο την μειώνει. Συνήθως μας δίνεται η σχετική υγρασία του αέρα φ L αντί της απόλυτης υγρασίας w L. Η απόλυτη υγρασία του αέρα w L είναι ίση με το κλάσμα του όγκου των υδρατμών προς το όγκο του ξηρού αέρα. 103

110 W L = x D x L = p D p L = p D p p L (3.23) Όπου p D η μερική πίεση των υδρατμών p L η μερική πίεση του ξηρού αέρα p η συνολική πίεση του αέρα Η απόλυτη υγρασία του αέρα υπολογίζεται από τη σχετική υγρασία του αέρα W L = φ L p S p φ L p S (3.24) Όπου p s η πίεση των υδρατμών, η οποία εξαρτάται από τη θερμοκρασία και μπορεί να ληφθεί από τον πίνακα Α.1 Κατ αναλογία για την υγρασία του αερίου ισχύει 104

111 Κεφ 3 ο Καύση και ενέργεια 105

112 W G = φ G p S p φ G p S (3.25) Έτσι η διορθωμένη ποσότητα αέρα L διορθ θα υπολογίζεται L διορθ = L (1+W L) (1+W G ) (3.26) Ποσότητες και σύσταση καυσαερίων Οι ποσότητες και η σύσταση των καυσαερίων για καύση των αερίων της ομάδας Η της 2 ης οικογένειας με περίσσεια αέρα υπολογίσθηκαν με βάση τα προηγουμένως εκτεθέντα και δίνονται στον πίνακα 3.2 Τα συνολικά καυσαέρια υπολογίζονται V σ = VCO 2 + VH 2 O + VN 2 + VO 2 (3.27) ή αν είναι γνωστά τα ελάχιστα συνολικά αέρια Τα ξηρά καυσαέρια υπολογίζονται V σ = V min,σ + (λ-1) L min [m 3 /m 3 ] (3.28) V ξ = V min,ξ + (λ-1) L min [m 3 /m 3 ] (3.29) Για πλήρη καύση τα συστατικά των καυσαερίων υπολογίζονται: Διοξείδιο του άνθρακα Υδρατμοί Άζωτο Οξυγόνο V co2 = xco + xco 2 + xch 4 + xxc x H y [m 3 /m 3 ] (3.14) V H2 O = xh 2 + 2xCH 4 + y 2 xc xh y + W L λl min + W G [m 3 /m 3 ] ( 3.30) Το σημείο δρόσου των καυσαερίων. V N2 = xn 2 + 0,79 λ L min [m 3 /m 3 ] (3.31) V O2 = 0,21 (λ 1)L min [m 3 /m 3 ] (3.32) Τα καυσαέρια περιέχουν πάντοτε ποσότητες υδρατμών, συνήθως σημαντικές. Οι υδρατμοί αυτοί προέρχονται από: 106

113 Κεφ 3 ο Καύση και ενέργεια την καύση των υδρογόνων του καυσίμου την υγρασία του καυσίμου την υγρασία του αέρα καύσης. Το Κλάσμα των υδρατμών στα καυσαέρια εξαρτάται από το είδος του καυσίμου το λόγο αέρα καύσης το μέγεθος της υγρασίας του αέρα καύσης. Οι υδρατμοί συμπυκνώνονται, όταν κατά μια ισοβαρή ψύξη η θερμοκρασία των καυσαερίων επάνω στις επιφάνειες των θερμαντικών επιφανειών, σωλήνων ή αγωγών κλπ. φθάσει τη θερμοκρασία συμπύκνωσης των καυσαερίων, η οποία είναι γνωστή και ως θερμοκρασία ( ή σημείο) δρόσου των καυσαερίων. Η θερμοκρασία δρόσου των καυσαερίων είναι σημαντικά υψηλότερη από τη θερμοκρασία συμπύκνωσης των καθαρών υδρατμών, όταν στο καύσιμο υπάρχει θείο, το οποίο καιόμενη δίνει SO 2 και SO 3, τα οποία είναι ανυδρίτες του θειώδους H 2 SO 3 και θειικού οξέος H 2 SO 4, γνωστά διαβρωτικά οξέα. Στη θερμοκρασία δρόσου των καθαρών υδρατμών η πίεση κορεσμού των υδρατμών p s =p o H 2 O είναι ίση με την μερική πίεση των υδρατμών p D =P H2O p H 2 O = ph 2 O (3.33) Η πίεση κορεσμού των υδρατμών γνωρίζουμε ότι είναι μονοσήμαντη συνάρτηση της θερμοκρασίας p H 2 O = f( ) (3.34) Χαρακτηριστικά ζεύγη τιμών της συνάρτησης αυτής δίνονται στον πίνακα Α.1. Η μερική πίεση των υδρατμών εξαρτάται από το μοριακό κλάσμα των υδρατμών στα καυσαέρια και από τη συνολική πίεση p, η οποία συνήθως είναι ίση με την ατμοσφαιρική p amb. p H2 O = x H2 O p Οι υπολογισμοί του σημείου δρόσου δίνουν θερμοκρασίες της τάξης των 50 ο C. Για τα στερεά και υγρά καύσιμα, όπου η παρουσία κάποιας ποσότητας θείου είναι αναπόφευκτη, παρά την αποθείωση στην οποία μπορούν να υποβληθούν, η ύπαρξη των οξειδίων του θείου ανεβάζει τη θερμοκρασία δρόσου στους 140 ο C. Έτσι για τους λέβητες οικιακής χρήσης, οι οποίοι καίουν αποθειωμένο πετρέλαιο θέρμανσης, τα ευρωπαϊκά πρότυπα επιτρέπουν ελάχιστη θερμοκρασία 160 ο C στην έξοδο από τον λέβητα (εκτός εάν έχουν ειδική καπνοδόχο). 107

114 Για αέρια καύσιμα, τα οποία περιέχουν απειροελάχιστες ποσότητες θειούχων ενώσεων, το πρόβλημα δεν υφίσταται. Έτσι η επιθυμία των κατασκευαστών να αυξήσουν το βαθμό απόδοσης των συσκευών οδήγησε σε σχεδιασμό συσκευών, στις οποίες επιτυγχάνεται κατά το δυνατόν εκτεταμένη υγροποίηση των υδρατμών και άρα εκμετάλλευση της ενθαλπίας συμπύκνωσης του. Πρόκειται για τους λέβητες ανώτερης θερμογόνου δύναμης. Για το φυσικό αέριο της ομάδας Η της 2 ης οικογένειας αερίων δίνεται στον πίνακα 3.3 το σημείο δρόσου συναρτήσει του λόγου αέρα λ, μειώνεται η περιεκτικότητα των καυσαερίων σε υδρατμούς, οπότε μειώνεται το σημείο δρόσου, ενώ χειροτερεύει η δυνατότητα εκμετάλλευσης της ενθαλπίας συμπύκνωσης τους Ενεργειακοί υπολογισμοί της καύσης. Η καύση είναι εξώθερμη χημική αντίδραση και άρα συνοδεύεται από έκλυση θερμότητας με αποτέλεσμα υψηλές θερμοκρασίες. Η ενέργεια αυτή εξαρτάται φυσικά 108

115 Κεφ 3 ο Καύση και ενέργεια και από τις συνθήκες της διεργασίας. Έτσι κατά την καύση του CH 4 στους 25 ο C θα έχουμε (οι ποσότητες σε kmol) CH 4 + 2O 2 2H 2 O (αέριο) kj (το αρνητικό πρόσημο είναι θέμα σύμβασης και σημαίνει έκλυση ενέργειας) Από την εξίσωση αυτή βλέπουμε ότι κατά την καύση 1 kg CH 4 λαμβάνουμε ενθαλπία (θερμότητα) αντίδρασης (ΔΗ) R = / = Kj Η ποσότητα θερμότητας εκλυόμενη κατά την καύση δεδομένης ποσότητας καυσίμου, όπως είδαμε, ονομάζεται θερμογόνος δύναμη. Η ποσότητα αναφοράς μπορεί να είναι 1Kg ή 1Nm 3 (κανονικά m 3, δηλ υπό πίεση 1atm = 1,013 bar και θερμοκρασίας 0 ο C). Όπως είδαμε και στο προηγούμενο κεφάλαιο, διακρίνουμε ανώτερη θερμογόνο δύναμη με σύμβολο Η ο και κατώτερη θερμογόνο δύναμη με σύμβολο Η u. Κατά τη μέτρηση προϋποτίθεται, ότι η θερμοκρασία των προϊόντων αντίδρασης μετά την καύση είναι ίση με τη θερμοκρασία των συστατικών τα οποία συμμετέχουν στην καύση πριν την καύση. Αυτή η θερμοκρασία αναφοράς έχει διεθνώς καθορισθεί στους 25 ο C. Η ανώτερη θερμογόνος δύναμη και η κατώτερη θερμογόνος δύναμη ενός στερεού ή υγρού δίνονται σε kwh/kg, σε kcal/kg ή σε MJ/kg. Η ανώτερη θερμογόνος δύναμη και η κατώτερη θερμογόνος δύναμη ενός αερίου δίνονται σε kwh/m 3 ή σε MJ/m 3, ενώ ο προσδιορισμός ανά kg ή ανά mol χρησιμοποιείται λιγότερο στην τεχνική των αερίων. Η ποσότητα της θερμότητας της καύσης, αν δεν αφαιρεθεί από τα καυσαέρια με κάποιο τρόπο, θα έχει αποτέλεσμα την άνοδο της θερμοκρασίας τους. Αν η διεργασία είναι αδιαβατική ( δηλαδή τα καυσαέρια δεν χάνουν θερμότητα προς το περιβάλλον), τότε τα καυσαέρια θα αποκτήσουν τη μέγιστη δυνατή θερμοκρασία, την αδιαβατική θερμοκρασία καύσης ή αδιαβατική θερμοκρασία φλόγας θ αδ, η οποία υπολογίζεται H u + c pb Β + m L c pl L + m ki c pki αδ (3.35) Όπου m L M ki η μάζα του αέρα καύσης η μπάζα του συστατικού i των καυσαερίων c L η μέση ειδική θερμοχωρητικότητα του αέρα (υπό σταθερή πίεση) για το θερμοκρασιακό εύρος από 0 έως τη θερμοκρασία του αέρα θ ο L C c pβ η μέση ειδική θερμοχωρητικότητα του καυσίμου για το θερμοκρασιακό εύρος από 0 έως τη θερμοκρασία του αέρα θ B ο C 109

116 c pki η μέση ειδική θερμοχωρητικότητα του συστατικού i για το θερμοκρασιακό εύρος από 0 έως τη θερμοκρασία του αέρα θ αδ ο C. Η ενθαλπία του αέρα καύσης και του καυσίμου μπορούν να ληφθούν αμελητέες, αν ο αέρας και το καύσιμο δεν έχουν προθερμανθεί. Στην περίπτωση αυτή γράφεται απλούστερα Ή ακόμη απλούστερα Όπου m k η συνολική μάζα των καυσαερίων Η u = m ki c pki αδ (3.36) Η u = m k c pk αδ (3.37) C pk η μέση ειδική θερμοχωρητικότητα των καυσαερίων για το θερμοκρασιακό εύρος από 0 έως τη θερμοκρασία του αέρα θ αδ ο C Στις ανωτέρω εξισώσεις όλα τα μεγέθη αναφέρονται στη μάζα. Είναι όμως σύνηθες για τα αέρια οι υπολογισμοί να γίνονται με αναφορά στον όγκο. Έτσι οι εξισώσεις 3.36 & 3.37 θα γραφθούν αντίστοιχα Η u = V ki c pki αδ = V σ c pgk αδ (3.38) Όπου H u η θερμογόνος δύναμη σε KJ/m 3 καυσίμου. V ki ο όγκος του καυσαερίου i σε m 3 /m 3 C pki η μέση ειδική θερμοχωρητικότητα του καυσαερίου i σε kj/m 3 K για το θερμοκρασιακό εύρος από 0 έως τη θερμοκρασία του αέρα θ αδ ο C V σ ο συνολικός όγκος των καυσαερίων C pgk η μέση ειδική θερμοχωρητικότητα των καυσαερίων σε σε kj/m 3 K για το θερμοκρασιακό εύρος από 0 έως τη θερμοκρασία του αέρα θ αδ ο C Η αδιαβατική θερμοκρασία εξαρτάται από το είδος του καυσίμου το οποίο καθορίζει τη θερμογόνο δύναμη και τον ελάχιστο αέρα καύσης, και από το λόγο αέρα λ. Προφανώς η αύξηση του λόγου αέρα προκαλεί αύξηση της ποσότητας των καυσαερίων και άρα μείωση της αδιαβατικής θερμοκρασίας. 110

117 Κεφ 3 ο Καύση και ενέργεια 111

118 Η αδιαβατική θερμοκρασία για τα περισσότερα αέρια καύσιμα θ αδ είναι τάξης μεγέθους ο C για καύση με αέρα, με τιμές λ λίγο μεγαλύτερες από 1. για καύση με καθαρό οξυγόνο η θερμοκρασία ξεπερνά του 4000 ο C. Οι πραγματικές θερμοκρασίες καύσης είναι γενικώς σημαντικά χαμηλότερες λόγω της απόδοσης θερμότητας από τη φλόγα, κυρίως με ακτινοβολία. Έτσι η αδιαβατική θερμοκρασία έχει σημασία μόνον για συγκρίσεις. Στον πίνακα 3.4 δίνονται οι αδιαβατικές θερμοκρασίες καύσης αερίων για διάφορους λόγους αέρα λ Μη πλήρης και ατελής καύση. Μας είναι γνωστό από την καθημερινότητα ότι σε ορισμένες περιπτώσεις σκοπίμως καίμε ένα καύσιμο μη πλήρως, παρέχοντας οξυγόνο λιγότερο από το στοιχειομετρικό απαιτούμενο, δηλ. με λ<1. Έτσι έχουμε την εμπειρία του τραβήγματος του τσοκ στο μη καταλυτικό αυτοκίνητο μας με σκοπό τη προθέρμανση του κινητήρα. Φυσικά κατά την καύση με λ<1 δεν έχουμε πλήρη μετατροπή των προϊόντων προς CO 2 και Η 2 Ο,αλλά λαμβάνουμε κυρίως CO και δευτερευόντως σε σχετικά ασήμαντες ποσότητες Η 2. αν θελήσουμε να αντιμετωπίσουμε την αντίδραση μόνο με ισοζύγια μάζας, τότε η εξίσωση καύσης πχ. Του CH 4 για λ<1 μπορεί να γραφεί (θεωρώντας πλήρη καύση του Η 2 ) γενικά CH 4 +λ* 2O 2 + λ*7,52 Ν 2 αco 2 +βco + 2H 2 O + λ*7,52 Ν 2 Ο υπολογισμός των α και β γίνεται μέσω των ισοζυγίων γραμμοατόμων C: 1= α + β Ο: 4λ = 2α+β+2= α + (α + β) + 2 = α+1+2= 3+α α= 4λ 3 β= 1 α = 1 (4λ 3)= 4 4λ = 4 (λ-1) οπότε τελικά λαμβάνουμε CH 4 +λ* 2O 2 + λ*7,52 Ν 2 (4λ 3)CO 2 +4 (λ-1) CO + 2H 2 O + λ*7,52 Ν 2 Η ανωτέρω θεώρηση, όπως και όλες οι προηγούμενες, ελάμβαναν ως δεδομένο ότι οι αντιδράσεις προχωρούν πλήρως προς την κατεύθυνση των προϊόντων και τελικά τα αντιδρώντα καταναλίσκονται σχηματίζοντας προϊόντα. Η τελική αυτή κατάσταση χαρακτηρίζεται ως χημική ισορροπία. Στην πράξη όμως ένα μέρος των αντιδράσεων δεν καταναλίσκεται (και έτσι έχουμε άκαυστα) ή καίγεται ατελώς (π.χ. παραγωγή CO αντί CO 2 ), παρ ότι υπάρχει περίσσεια αέρα, δηλ. λ>1. Έτσι για να δειχθεί ότι στα προϊόντα θα συναντήσουμε, έστω και σε απειροελάχιστες ποσότητες, κάποια από τα αντιδρώντα, οι εξισώσεις γράφονται αμφίδρομες π.χ. CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O 112

119 Κεφ 3 ο Καύση και ενέργεια Ή γενικά V R1 R 1 + V R2 R 2 V P1 P 1 + V P2 P 2 (3.39) Όπου v Ri ο στοιχειομετρικός αριθμός kmol του αντιδρώντος συστατικού i Ri το αντιδρών συστατικό i v pi ο στοιχειομετρικός αριθμός kmol του προϊόντος συστατικού i Pi το προϊόν συστατικό i Για τον προσδιορισμό των περιεκτικοτήτων των συστατικών των προϊόντων της αντίδρασης πρέπει να βρεθεί τρόπος σύνδεσης μεταξύ τους, εκτός από τα ισοζύγια μάζας. Η βολικότερη σύνδεση των περιεκτικοτήτων γίνεται μέσω των μερικών πιέσεων τω προϊόντων p ρi. Αυτή η σύνδεση επιτυγχάνεται μέσω της σταθεράς ισορροπίας Κ p, η οποία ορίζεται Κ p = (p Pi po )V Pi ( p Ri po )V Ri (3.40) Όπου v Ri, v pi οι συντελεστές της στοιχειομετρικής αντίδρασης p ο η πίεση αναφοράς, η οποία είναι διεθνώς τυποποιημένη, p o = 1atm= 1,01325 bar p Ri, p pi οι μερικές πιέσεις των προϊόντων της αντίδρασης, στα οποία συγκαταλέγονται και όσα αντιδρώντα δεν καταναλώθηκαν. Έτσι για την καύση CH 4 γράφεται K p = ( p CO 2 po )1 ( p H2O po )2 ( p CH4 po )1 ( p O2 2 ή K p = pco2ph2o po ) p CH 2 4p O 2 2 (3.41) Αν δεχθούμε ότι κατά την προσέγγιση p o = 1bar. Η σταθερά ισορροπίας, επειδή αναφέρεται σε δεδομένη πίεση, εξαρτάται μόνον από τη θερμοκρασία Κp = Kp (T) (3.42) 113

120 114

121 Κεφ 3 ο Καύση και ενέργεια Τιμές της σταθεράς ισορροπίας για ορισμένες αντιδράσεις, οι οποίες λαμβάνουν χώρα κατά την καύση των αερίων καυσίμων δίνονται στον πίνακα 3.5. για άλλες αντιδράσεις ο αναγνώστης πρέπει να καταφύγει στην ειδική βιβλιογραφία. Στον προσδιορισμό των προϊόντων της καύσης υπεισέρχεται επίσης και η κινητική των χημικών αντιδράσεων. Επειδή το ανωτέρω ξεφεύγουν του σκοπού του παρόντος βιβλίου, δεν θα αναλυθούν. Ο ενδιαφερόμενος αναγνώστης πρέπει πάλι να καταφύγει στην ειδική βιβλιογραφία. Η αδιαβατική θερμοκρασία θ αδ μη πλήρους καύσης υπολογίζεται με μεγάλη ακρίβεια (επειδή η καταναλισκόμενη ενέργεια σχηματισμού των λοιπών δευτερευόντων προϊόντων είναι αμελητέα λόγω της ελάχιστης ποσότητας τους) λαμβάνοντας υπ όψη μόνον την παραγωγή CO. H u m co H u,co = m ki c pki θ αδ (3.43) Όπου H u m CO η θερμογόνος δύναμη του καυσίμου σε kj/kg η μάζα του παραχθέντος CO H u,co η θερμογόνος δύναμη του CO σε kj/kg m ki η μάζα του συστατικού i των καυσαερίων. C pki η μέση ειδική θερμοχωρητικότητα του συστατικού i των καυσαερίων για το θερμοκρασιακό εύρος από 0 έως τη θερμοκρασία του αέρα θ ο αδ C σε kj/m 3 K Η ανωτέρω εξίσωση μπορεί να γραφεί με αναφορά σε 1 m 3 καυσίμου. H u V co H u,co = V ki c pki θ αδ (3.44) Όπου H u η θερμογόνος δύναμη του καυσίμου σε kj/ m 3 m CO η μάζα του παραχθέντος CO H u,co η θερμογόνος δύναμη του CO σε kj/ m 3 v ki ο όγκος του συστατικού i των καυσαερίων. C pki η μέση ειδική θερμοχωρητικότητα του συστατικού i των καυσαερίων για το θερμοκρασιακό εύρος από 0 έως τη θερμοκρασία του αέρα θ ο αδ C σε kj/m 3 K Στον πίνακα 3.4 δίνονται οι αδιαβατικές θερμοκρασίες καύσης αερίων για διάφορους λόγους αέρα λ>1. 115

122 Έλεγχος καύσης Στόχος του ελέγχου. Γνωρίζουμε ότι για να είναι οικονομικότερη η εκμετάλλευση της ενέργειας των καυσίμων πρέπει ο λόγος αέρα λ να κρατηθεί όσο το δυνατόν χαμηλός, χωρίς βέβαια να προκληθεί παραγωγή ακαύστων (CO, CH 4, H 2, C x H y ), τα οποία είναι βλαβεροί ρύποι. Μεγάλος λόγος αέρα έχει ως αποτέλεσμα αφ ενός χαμηλή θερμοκρασία καύσης και αφ ετέρου αυξημένες θερμικές απώλειες με τα αυξημένης ποσότητας καυσαέρια. Έτσι για να ελεγχθεί η ποιότητα της καύσης πρέπει να προσδιοριστεί ο λόγος αέρα και ενδεχομένως η ύπαρξη ρύπων στα καυσαέρια. Αν ήταν γνωστή, με υπολογισμό η ελάχιστη ποσότητα αέρα L min, τότε με μια μέτρηση της πραγματικά προσαγόμενης ποσότητας αέρα L, θα μπορούσαμε να προσδιορίσουμε το λόγο αέρα. Η μέτρηση της πραγματικά προσαγόμενης ποσότητας αέρα L είναι από την άποψη της τεχνικής των μετρήσεων δαπανηρή και σχετικά δύσκολη, όπως σχετικά δύσκολη είναι και η μέτρηση της ποσότητας των καυσαερίων. Αντιθέτως, είναι οικονομική και από τεχνικής άποψης, απλή ανάλυση των καυσαερίων, η οποία σύσταση, όπως διαπιστώσαμε, εξαρτάται μονοσήμαντα από το λόγο αέρα. Έτσι είναι ευκολότερος ο προσδιορισμός του λόγου αέρα μέσω ανάλυσης των καυσαερίων. Μάλιστα, επειδή στο σύστημα λήψης δείγματος των καυσαερίων ο υδρατμός τους συμπυκνώνεται, οι συσκευές μετρήσεων προσδιορίζουν τη σύσταση των ξηρών καυσαερίων Προσδιορισμός του λόγου αέρα μέσω ανάλυσης καυσαερίων. Ο λόγος αέρα λ, μπορεί να προσδιορισθεί από τη σύσταση των ξηρών καυσαερίων και τη σύσταση του καύσιμου αερίου με τη σχέση λ = 1 0,79L min [ (x CO2,α +x CO,α +x CH4,α + x x CxHy,α)xN 2,K x CO2,K +x CO,K +x CH4,K x N2,α ] (3.45) Όπου ο δείκτης α σημαίνει αναφορά στο καύσιμο αέριο, ενώ ο δείκτης κ σημαίνει αναφορά στο καυσαέριο. Φυσικά η σχέση είναι δύσχρηστη. Γι αυτό έχουν αναπτυχθεί απλούστερες σχέσεις, οι οποίες για πλήρη καύση δίνουν το λόγο αέρα, αν είναι γνωστή η περιεκτικότητα του CO 2 ή O 2 του στα ξηρά καυσαέρια: Και λ = 1 + ( χ CO2,max x CO 2 1) V min,ξ L min (3.46) 116

123 Κεφ 3 ο Καύση και ενέργεια λ = 1 + ( χ O2 0,21 x O 2 ) V min,ξ L min (3.47) Οι τιμές των X co2,max και V min,ξ, L min μπορούν να ληφθούν από τους πίνακες 3.1 και 3.2. Για τα αέρια καύσιμα ο λόγος V min,ξ, /L min μπορεί να ληφθεί κατά προσέγγιση ίσος με 0,9. Αν η καύσης είναι μη πλήρης, ο λόγος αέρα μπορεί να προσεγγιθεί λ = 1 + ( χ CO2,max 1) V min,ξ x CO 2 +x (3.48) CO L min Προσδιορισμός του βαθμού απόδοσης. Κατά την ενεργειακή αξιολόγηση των συστημάτων παραγωγής θερμότητας πρέπει να εφαρμοσθούν δύο διαφορετικές προσεγγίσεις. Η πρώτη προσέγγιση θεωρεί μόνιμες καταστάσεις και χρησιμοποιεί του βαθμούς απόδοσης n. Οι βαθμοί απόδοσης είναι στιγμιαίοι και συγκρίνουν μεταξύ τους είτε ενέργειες (kwh ή kj), είτε ροές ενέργειας (kw). Η δεύτερη προσέγγιση χρησιμοποιεί ισοζύγια ενέργειας (kwh ή kj) για μια εκτεταμένη χρονική περίοδο, συνήθως ένα έτος, όπου λαμβάνονται υπ όψη απώλειες κατά τους χρόνους ακινησίας και προετοιμασίας, οι οποίες είναι συχνά καθοριστικές για τα ισοζύγια ενέργειας. Κατά τη δεύτερη προσέγγιση χρησιμοποιούνται οι (π.χ. ετήσιοι) βαθμοί εκμετάλλευσης n α. Ο βαθμός απόδοσης υπολογίζεται από το λόγο της ωφέλιμης ενέργειας προς την καταναλισκόμενη. n = ωφέλιμη ενέργεια καταναλισκόμενη ενέργεια = καταναλισκόμενη ενέργεια απώλειες καταναλισκόμενη ενέργεια Οι γενικώς εμφανιζόμενες απώλειες σε συστήματα παραγωγής θερμότητας με καύση είναι θερμικές απώλειες στα καυσαέρια Q κ θερμικές απώλειες από το περίβλημα της συσκευής με ακτινοβολία, αγωγή και συναγωγή Q M θερμικές απώλειες λόγω ακαύστων στα καυσαέρια (παραγωγή CO) Q A θερμικές απώλειες λόγω ακαύστων υπολειμμάτων Q Υ Στις εστίες καύσης αερίου δεν συναντώνται οι δυο τελευταίες απώλειες. Έτσι ο βαθμός απόδοσης ενός λέβητα ή μιας συσκευής αερίου υπολογίζεται η Λ = Η u,n Q k Q M H u,n = 1 Q k H u,n Q M H u,n = 1 q K q M (3.49) 117

124 Είναι δυνατόν ο βαθμός απόδοσης να αναφέρεται στην ανώτερη θερμογόνο δύναμη, πράγμα το οποίο εφαρμόζεται σε ορισμένες χώρες. Τούτο πρέπει να λαμβάνεται υπ όψη κατά τις συγκρίσεις. Το πρότυπο ΕΛΟΤ 234 καθορίζει της απαιτήσεις για το βαθμό απόδοσης των λεβήτων. Από ισχύει για λέβητες ισχύος μέχρι 300 kw το ευρωπαϊκό πρότυπο ΕΝ 303. Στους σύγχρονους λέβητες η συσκευές αερίου οι απώλειες από το περίβλημα είναι μικρές λόγω της καλής μόνωσης, q M = 0,005 0,04, της τάξεως δηλ. 0,5 έως 4%. Οι μέγιστες θερμικές απώλειες με τα καυσαέρια καθορίζονται σύμφωνα με το πρότυπο ΕΛΟΤ 324 για τους 280 ο C. Όμως το ευρωπαϊκό πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 303 για τους λέβητες πετρελαίου προβλέπει μέγιστη θερμοκρασία 220Κ επάνω από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, ενώ για τους λέβητες αερίου επιτρέπεται ακόμη και συμπύκνωση. Στους λέβητες με συμπύκνωση των υδρατμών, αν ο βαθμός απόδοσης είναι ανηγμένος στην κατώτερη θερμογόνο δύναμη (όπως συμβατικά επιβάλλεται από τα πρότυπα), είναι δυνατόν ο βαθμός απόδοσης να είναι μεγαλύτερος από το 1. η Λ = Η o,n Q k Q M H u,n Επειδή f>1 (βλέπε 2.5.2) = Η o,n H u,n Q k H u,n Q M H u,n = f q K q M > 1 (3.50) Η ακριβής μέτρηση του βαθμού απόδοσης ενός λέβητα ή μιας συσκευής είναι δυνατόν μόνο σε εργαστήριο. Για τον λόγο αυτό, για τον έλεγχο υφισταμένων εγκαταστάσεων στην πράξη χρησιμοποιείται ο βαθμός απόδοσης της εστίας καύσης n Ε. Σ αυτόν αμελούνται οι θερμικές απώλειες από το περίβλημα της συσκευής και άρα ορίζεται n Ε = 1 - q κ (3.51) Οι πληροφορίες οι οποίες λαμβάνονται από τον βαθμό απόδοσης της εστίας n E, θεωρούνται για την πράξη επαρκείς, επειδή οι απώλειες στα καυσαέρια είναι πολύ μεγαλύτερες από τις απώλειες από το περίβλημα. 118

125 Κεφ 3 ο Καύση και ενέργεια 3.2. Θερμοκρασίες και ταχύτητα φλόγας Θερμοκρασία φλόγα, θερμοκρασία καύσης. Ως θερμοκρασία φλόγας (ή σημείο φλόγας) ενός υγρού καυσίμου χαρακτηρίζεται η θερμοκρασία εκείνη, στην οποία δημιουργείται τόση ποσότητα καυσίμων ατμών, ώστε να σχηματίσει ένα αναφλέξιμο μίγμα με τον αέρα τον ευρισκόμενο επάνω από την επιφάνεια του υγρού, το οποίο μίγμα μπορεί να καεί λάμποντας για σύντομο χρόνο, όταν προσαχθεί μια φλόγα. Η θερμοκρασία φλόγα ορισμένων ουσιών δίνεται στον πίνακα 3.6. Ως θερμοκρασία καύσης (ή σημείο καύσης) ενός υγρού καυσίμου χαρακτηρίζεται η θερμοκρασία εκείνη, στην οποία δημιουργείται τόση ποσότητα καυσίμων ατμών, ώστε να σχηματίσει ένα αναφλέξιμο μίγμα με τον αέρα τον ευρισκόμενο επάνω από την επιφάνεια του υγρού, το οποίο μίγμα μπορεί να συνεχίσει να καίγεται, ακόμη και όταν απομακρυνθεί η φλόγα. Η θερμοκρασία καύσης προφανώς είναι υψηλότερη από την θερμοκρασία φλόγας. 119

126 Η θερμοκρασία φλόγας είναι κριτήριο για την επικινδυνότητα πυρκαγιάς των καυσίμων Θερμοκρασία ανάφλεξης Ως θερμοκρασία ανάφλεξης ή έναυσης (ή σημείο έναυσης) ενός καυσίμου χαρακτηρίζεται η θερμοκρασία εκείνη, στην οποία πρέπει να θερμανθεί το καύσιμο για να είναι δυνατή η καύση του. Η θερμοκρασία ανάφλεξης ορισμένων ουσιών δίνεται στον πίνακα 3.6. Η θερμοκρασία ανάφλεξης εξαρτάται από την ενέργεια ενεργοποίησης της χημικής αντίδρασης καύσης του θεωρούμενου καυσίμου (θεωρία του Arhenius). Η θερμοκρασία ανάφλεξης είναι σημαντική και για την αυτανάφλεξη καυσίμων, κυρίως υγρών και αερίων αλλά και στερεών, μέσα στα όρια ανάφλεξης. Όσο χαμηλότερη η θερμοκρασία ανάφλεξης, τόσο μεγαλύτερος και ο κίνδυνος ανάφλεξης αυτανάφλεξης Όρια ανάφλεξης Ως όρια ανάφλεξης ή έναυσης ενός υγρού ή αέριου καυσίμου χαρακτηρίζονται η μέγιστη και η ελάχιστη περιεκτικότητα του σε ένα μίγμα με αέρα, το οποίο μπορεί να αναφλεγεί και να καίει. Τα όρια ανάφλεξης είναι ταυτόσημα με τα όρια έκρηξης. Τα όρια ανάφλεξης ορίζουν την περιοχή ανάφλεξης. Εκφράζονται σε περιεκτικότητα % κατ όγκο και δίνονται (χονδρικά) για ορισμένα καύσιμα στον πίνακα 3.6. Τα όρια ανάφλεξης εξαρτώνται και από την θερμοκρασία. Όσο μεγαλύτερη η θερμοκρασία, τόσο διευρύνεται και η περιοχή ανάφλεξης, όπως φαίνεται στον πίνακα 3.7. Όσο χαμηλότερο το κάτω όριο ανάφλεξης και όσο υψηλότερο το άνω όριο (δηλ. όσο μεγαλύτερη η περιοχή), τόσο μεγαλύτερος και ο κίνδυνος ανάφλεξης και έκρηξης. Τα όρια ανάφλεξης εξαρτώνται από την ελάχιστη και τη μέγιστη τιμή του λόγου αέρα λ, με την οποία είναι δυνατή η καύση. Σε προηγούμενη παράγραφο είδαμε ότι η ελάχιστη τιμή είναι περίπου λ = 0,6 και η μέγιστη τιμή είναι περίπου λ= 3. ας γράψουμε τώρα την εξίσωση καύσης του μεθανίου CH 4 με λόγο αέρα λ. CH 4 +2 λo 2 + 7,52 λ Ν 2 CO 2 + 2H 2 O + 7,52 λ Ν 2 + (λ-1) 2 O 2 Από την εξίσωση αυτή βλέπουμε ότι η περιεκτικότητα του CH 4 στα αντιδρώντα είναι λ + 7,52λ 120

127 Κεφ 3 ο Καύση και ενέργεια Για το μεθάνιο από τον πίνακα 3 λαμβάνονται τα όρια ανάφλεξης: 5% και 15% κατ όγκο. Άρα 121

128 0,05 = 0,15 = λ + 7,52λ = ,52λ λ λ + 7,52λ = 1 λ 0, ,52λ Διαπιστώνεται ότι τα όρια ανάφλεξης είναι ανάλογα προς τις αναμενόμενες τιμές του λόγου αέρα λ. το άνω όριο αντιστοιχεί σε μεγάλη ποσότητα καυσίμου (άρα μικρό λ), ενώ το κάτω όριο σε μικρή Ταχύτητα φλόγας Ως ταχύτητα φλόγας ή ταχύτητας ανάφλεξης χαρακτηρίζεται η ταχύτητα με την οποία μετακινείται ένα μέτωπο καύσης σε ένα μείγμα καυσίμου- αέρα. Το μείγμα μπορεί να ηρεμεί (μείγμα που δημιουργήθηκε σε ένα δωμάτιο λόγω διαρροής) ή να βρίσκεται σε ροή (π.χ. ροή προαναμεμιγμένου μείγματος αέρα καυσίμου σε σωλήνα τροφοδοσίας καυστήρα). Σε περίπτωση ροής πρέπει να ρυθμίζονται έτσι η ταχύτητα φλόγας και η ταχύτητα ροής, ώστε το μέτωπο καύσης να παραμένει σταθερό. Στην εικόνα 3.2 δίνεται η αλληλεπίδραση ταχύτητας φλόγας και ταχύτητας ροής. Αυτές συνδέονται με τη σχέση Λ = -u * sinβ (3.52) Προφανώς χαμηλές ταχύτητες ροής δημιουργούν οξείες φλόγες, ενώ υψηλές δημιουργούν αμβλείες φλόγες, όπως φαίνεται στην εικόνα

129 Κεφ 3 ο Καύση και ενέργεια Αν η ταχύτητα φλόγας Λ είναι πολύ μεγαλύτερη από την ταχύτητα ροής, τότε το μέτωπο φλόγας μπορεί να κινηθεί αντίθετα προς την κατεύθυνση ροής, δηλαδή να έχουμε αντεπιστροφή φλόγας (φαινόμενο γνωστό από τις οξυγονοκολλήσεις). Η ταχύτητα της φλόγας εξαρτάται από το είδος του καυσίμου, το είδος του οξειδωτικού, (οξυγόνο ή αέρας), τη θερμοκρασία και την αναλογία καυσίμου οξειδωτικού (λόγος αέρα λ). Στον πίνακα 3.8 δίνονται οι μέγιστες ταχύτητες φλόγες για διάφορα αέρια μαζί με την αντίστοιχη συγκέντρωση C του καυσίμου % κατ όγκο για στρωτή ροή. Διαπιστώνεται ότι η ταχύτητα της φλόγας είναι πολύ μεγαλύτερη, όταν η καύση γίνεται με οξυγόνο. Στον πίνακα 3.9 δίνεται η ταχύτητα της φλόγας για μεθάνιο και στον πίνακα 3.10 για φυσικό αέριο συναρτήσει της θερμοκρασίας και του λόγου αέρα. 123

130 Παράδειγμα 3.1 Ρωσικό φυσικό αέριο (2 ης οικογένειας, ομάδας Η) καίγεται με λόγο αέρα λ= 1,15. να υπολογισθούν: 1. ο αναγκαίος αέρας καύσης, 2. τα παραγόμενα καυσαέρια και η σύσταση τους, 3. το σημείο δρόσου των καυσαερίων, 4. η αδιαβατική θερμοκρασία καύσης και 5. ο βαθμός απόδοσης, όταν τα καυσαέρια εξέρχονται από τον λέβητα με θερμοκρασία α)200 o C και β) 50 o C (για ευκολία να αμεληθεί η υγρασία του αέρα) Λύση: Η σύσταση του συγκεκριμένου αερίου (λαμβανόμενη από φυλλάδια της ΔΕΠΑ) δίνεται στον παρακάτω πίνακα 3.11 (οι μέσες τιμές αποτελούν εκτιμήσεις του γράφοντος για να χρησιμοποιηθούν σε υπολογισμούς). Οι εξισώσεις καύσης, λαμβάνονται από την Στον πίνακα 3.12 δίνονται επίσης για κάθε συστατικό οι θερμογόνοι δυνάμεις, λαμβάνονται από τον πίνακα 3.2, καθώς και ο ελάχιστος 124

131 Κεφ 3 ο Καύση και ενέργεια αναγκαίος αέρα καύσης L min και τα ελάχιστα παραγόμενα καυσαέρια Vmin,σ, λαμβανόμενα από τον πίνακα 3.2. Από τις περιεκτικότητες και τα L min,i και V min,σ,i των συστατικών, υπολογίζονται για το φυσικό αέριο ο ελάχιστος αναγκαίος αέρας καύσης: L min = 10,095 Νm 3 /Nm 3 τα παραγόμενα καυσαέρια: V min,σ = 11,067 Νm 3 /Nm 3 καυσίμου. Με τις τιμές αυτές των L min, και V min,σ και με λόγο αέρα λ = 1,15 υπολογίζονται ο αέρας καύσης L, τα καυσαέρια V, οι ποσότητες και οι περιεκτικότητες των συστατικών στα καυσαέρια. Οι υπολογισμοί δίνονται στον πίνακα

132 L=λL min = 1.15 * 10,095 = 11,610 m 3 /m 3 V= V min,σ + (λ-1)l min = 11,067 + (1,15-1)10,095 = 12,581 m 3 /m 3 Υπολογίζονται: Ο 2 = (λ-1)ο 2,min = 0,21(λ-1) L min = 0,21* 0,15* 10,095 = 0,318 m 3 /m 3 N 2 = 0,79 L = 0,79 * 11,610 = 9,172 m 3 /m 3 Το σημείο δρόσου καθορίζεται από την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε υδρατμούς: 15,55%. Αν δεχθούμε ότι η ολική πίεση είναι p ολ = 1bar, τότε η μερική πίεση των υδρατμών είναι p υδρ = x υδρ * p ολ = 0,1555 * 1= 0,1555 bar. Με την τιμή αυτή από τον πίνακα Α.1 του παραρτήματος λαμβάνεται θερμοκρασία δρόσου θ δρ = 54,9 o C. Διαπιστώνουμε ότι η τιμή αυτή ελάχιστα διαφέρει από την τιμή, η οποία λαμβάνεται από τον πίνακα 3.3 για καύση φυσικού αερίου με λ= 1,15 για υγρασία φ = 0 o C (54,4 o C). Η αδιαβατική θερμοκρασία καύσης θ αδ υπολογίζεται από το (απλουστευμένο) ισοζύγιο Η u = V ki c pki αδ = V σ c pgk αδ (3.38) 126

133 Κεφ 3 ο Καύση και ενέργεια Οι τιμές των όγκων καυσαερίων σε m 3 /m 3 καυσίμου λαμβάνονται από τον πίνακα Οι ειδικές θερμοχωρητικότητες των συστατικών c pki λαμβάνονται kj/m 3 K από τους πίνακες του παραρτήματος. Η αδιαβατική θερμοκρασία προεκτιμάτε (για να ληφθούν οι c pki ) 1800 o C. αδ = Η u αδ = V ki c pki Η u = V ki c pki 1,104 2, ,956 2, ,20 1, ,318 1,556 = 1837 Αν συγκρίνουμε την τιμή αυτή με τις τιμές του πίνακα 3.2, θα διαπιστώσουμε ότι είναι περίπου ίση με την αδιαβατική θερμοκρασία καύσης του μεθανίου (1822 o C). Είναι λίγο αυξημένη, επειδή οι μέσες ειδικές θερμοχωρητικότητες προεκτιμήθηκαν για θερμοκρασία 1800 o C, δηλ. λίγο μικρότερες. Αν επαναληφθεί ο υπολογισμός με μέσες ειδικές θερμοχωρητικότητες λαμβανόμενες για θερμοκρασία 1825 o C, η τιμή θα προσεγγίσει περισσότερο τους 1822 o C Α) ο βαθμός απόδοσης, όταν τα καυσαέρια εξέρχονται από το λέβητα με θερμοκρασία θ κ >θ δρ υπολογίζεται η Λ = Η u,n Q k Q M H u,n = 1 Q k H u,n Q M H u,n Όπου Qκ οι απώλειες με τα καυσαέρια και Q M οι απώλειες από τη μόνωση. Αυτές ας τις εκτιμήσουμε ως ποσοστό 2%. Οι απώλειες με τα καυσαέρια Qκ υπολογίζονται Q K = V ki c pki αδ Για θ κ = 200 o C Q κ = (1,104*1, ,956* 1, ,201* 1,305+ 0,318* 1,337)*200= 3509 kj/m 3 η Λ = 1 Q k Q M = ,02 = 1 0,092 0,02 = 0,888 ή 88,8% H u,n H u,n β) όταν τα καυσαέρια ψυχθούν μέχρι τους 50 o C, τότε θα εξέλθουν από τον λέβητα κορεσμένα σε υδρατμό με μερική πίεση (πίνακας Α1), p υδρ =0,12335 bar αντί 0,1555 bar. Η ποσότητα των υδρατμών θα μειωθεί κατά 100*(0,1555-0,12335) /0,1555 = 20,7%. Θα υγροποιηθούν οι υδρατμοί περίπου V υδρ = 0,207 * 1,956 = 0,405 m 3 /m 3 για κάθε m 3 υδρατμών λαμβάνεται επιπλέον ενέργεια ΔΗ v,n = 1,963 kj/m 3 ( 2.5.2) ο βαθμός απόδοσης, όταν τα καυσαέρια εξέρχονται από τον λέβητα με θερμοκρασία θ κ <θ δρ υπολογίζεται 127

134 η Λ = 1 Q k H u,n Q M H u,n + V υδρδη V H u,n Για θ κ = 50 o C Q K = (1,104 1, ,956 1, ,201 1, ,318 1,308)50 = 865 kj/m 3 η Λ = 1 Q k H u,n Q M H u,n + V υδρδη V H u,n η Λ = ,02 + = 1 0,023 0,02 + 0,021 = 0,978 ή 97,8% Ο βαθμός απόδοσης πλησίασε 100%. Αν είχαμε συμπύκνωση διπλάσιας ποσότητας υδρατμών ( ψύξη στους 40 o C), ο βαθμός απόδοσης θα ήτανε μεγαλύτερος το 100%. Αυτό προφανώς οφείλεται στο ότι ως μέγεθος αναφοράς για τον ορισμό του βαθμού απόδοσης λαμβάνεται η κατώτερη θερμογόνος δύναμη, η οποία δεν λαμβάνει υπ όψη την ενθαλπία συμπύκνωσης. 128

135 Κεφ. 4 0 Μεταφορά & διανομή φυσικού αερίου. 4.1 Γενικά Γενική εικόνα για την διαχείριση του φυσικού αερίου. Όπως γνωρίζουμε, οι καταναλωτές φυσικού αερίου βρίσκονται μακριά από τις διάφορες πηγές του. Εξαιτίας αυτού του προβλήματος αναπτύχθηκαν διάφορα συστήματα μεταφοράς μεγάλων ποσοτήτων αερίου σε τεράστιες αποστάσεις, μεγάλης κλίμακας διεθνούς εμπορίου. Έτσι, μπορούμε να αναφέρουμε ότι η γενική διαχείρισης του φυσικού αερίου γίνεται σε τρία στάδια, τα οποία φαίνονται στο ακόλουθο διάγραμμα 4.1 α, το οποίο αναφέρεται στην επικρατούσα οικονομική και εμπορική οργάνωση Διακίνηση με πιεστικά Δίκτυα Επίγεια δίκτυα μεταφοράς. Διάγραμμα 4.1 α Το μεγαλύτερο ποσοστό του φυσικού αερίου διακινείται με δίκτυα πιεστικών αγωγών. (Αφορά, όχι μόνο μέσα στις παραγωγικές χώρες αλλά και το διεθνές εμπόριο.) Ευνόητο είναι, ότι η αύξηση της δυναμικότητας παροχής, επιδιώκεται με αύξηση των πιέσεων. Οι σύγχρονες γραμμές μεταφοράς, λειτουργούν με πίεση 67,5 ή 80 bar και στο εγγύς μέλλον στα 120 bar. Στον παρακάτω πίνακα.4.1, παρουσιάζονται διάφορα στοιχεία για την εξέλιξη των δικτύων μεταφοράς. Για τις δυνατότητες μεταφοράς γίνεται στον πίνακα 4.2, σύγκριση προς ένα υπέργειο δίκτυο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας από τριπλό αγωγό 380 ΚV, που μπορεί να μεταφέρει ενέργεια 1,4 *10 6 KWh/h. Η σύγκριση έγινε με ισοτιμία H 0 = 11,4 KWh/m 3. O πίνακας δείχνει, πως τα σημερινά δίκτυα φυσικού αερίου μπορούν να μεταφέρουν συγκριτικά προς τα 129

136 δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας, πολύ μεγάλες ποσότητες ενέργειας. Καλύτερη εικόνα των δυνατοτήτων μεταφοράς παρουσιάζονται στο διάγραμμα. 4.1 β. Πίνακας 4.1 Εξέλιξη δικτύων μεταφοράς φ. αερίου Τα δίκτυα φυσικού αερίου τοποθετούνται σε βάθος 2 2,5m(εικ.4.1) και έχουν ζώνη εργασίας m, στην οποία μπορεί να γίνει κατάλληλη αγροτική παραγωγή (χαμηλά φυτά, όχι θάμνοι, όχι δέντρα κλπ.). Προβλέπεται προστασία έναντι υγρασίας και του ηλεκτρισμού. Στα χαμηλότερα σημεία του δικτύου τοποθετούνται συστήματα συγκράτησης για τυχόν συμπυκνούμενους βαρύτερους υδρογονάνθρακες. Με αυτά τα μέτρα προστασίας υπολογίζεται ότι ο χρόνος ζωής των δικτύων ανέρχεται στα 50 χρόνια τουλάχιστον, πράγμα που επιβεβαιώνεται εμπράκτως( τα περισσότερα δίκτυα που λειτουργούν είναι πάνω από 70 χρόνια). Πίνακας 4.2 Σύγκριση μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας και φ. αερίου Τα κυριότερα προβλήματα που τίθονται στον σχεδιασμό των δικτύων είναι: Αριθμός παράλληλων αγωγών (ένας ή περισσότεροι) Επιλογή διαμέτρου Μέγιστη πίεση λειτουργίας Απόσταση σταθμών συμπιέσεως 130

137 Κεφ. 4 0 Μεταφορά & διανομή φυσικού αερίου. Σχέση συμπιέσεως των σταθμών Αποθήκευση αερίου ή εγκατάσταση παραγωγής συμπληρωματικού αερίου για την αντιμετώπιση των αιχμών. Διάγραμμα 4.1 β Δυνατότητες μεταφοράς σημερινών αγωγών. Τα σημερινά δίκτυα υπερβαίνουν τα 1*10 6 km πιεστικών αγωγών. Η Δ. Ευρώπη παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρων στην γραμμή μεταφοράς του ρωσικού αερίου της Σιβηρίας μήκους Km και ποσότητα 65*10 9 m n 3 /a. Εικόνα 4.1 Τοποθέτηση αγωγών Υποθαλάσσια δίκτυα μεταφοράς Το μεγαλύτερο ποσοστό των αναγκών της Ευρώπης σε φυσικό αέριο καλύπτεται από τις πηγές της βόρειας θάλασσας που φαίνεται στην εικ.4.2. Ο χάρτης αυτός, δείχνει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την Δ. Ευρώπη, η υποθαλάσσια μεταφορά με πιεστικούς αγωγούς. 131

138 Υπάρχουν κατασκευές που έχουν γίνει για μεγαλύτερα βάθη με νεώτερη τεχνολογία. Το σύστημα τροφοδοσίας της Ιταλίας από την Αλγερία (συνεργασία με ΕΝΙ) από το Hassi Mrel μέσω Skihda και του ακρωτηρίου Bon στην Τυνησία προς Σικελία, αποτελείται από ένα τετραπλό αγωγό 20 (508mm) που φθάνει σε βάθος έως 608m. Το σύστημα αυτό που θα φτάσει την πίεση των 180 bar θα έχει δυναμικότητα 19*10 9 m 3 n /a. Η γραμμή Arzew- Αλμερία για τροφοδότηση της Ισπανίας και της Γαλλίας (συνεργασία Enagas & Gaz de France) φθάνει βάθος 1500m. Σήμερα η υποθαλάσσιοι αγωγοί τοποθετούνται μέχρι τα 2000m λόγω ανάπτυξης νεώτερης τεχνολογίας. Οι υποθαλάσσιες γραμμές συνδέουν της βρετανικές πηγές της Β. Θάλασσας προς την Σκωτία και την μέση Αγγλία. Από τον νορβηγικό πεδίο του Ekofisk στη Β. Θάλασσα, λειτουργεί μία υποθαλάσσια γραμμή μήκους 440Km, η οποία τροφοδοτεί την Emden από το 1977 με 6*10 6 m n 3 /a. Η σύνδεση του Νορβηγικού πεδίου του Heimdal προς το Ekofisk αυξάνει την τροφοδότηση αυτή κατά μερικά ακόμη δισεκατομμύρια m n 3 ετησίως. Η τελική δυνατότητα μεταφοράς του αγωγού αυτού (Ø 144mm)με δυο ενδιάμεσους σταθμούς συμπίεσης και αύξηση της πίεσης σε 138 bar θα φθάσει τα 22*10 9 m n 3 /a. Εικόνα 4.2 Πηγές της Βόρειας Θάλασσας Η τροφοδότηση της Νορβηγίας προβλέπεται με υποθαλάσσιο αγωγό από το νορβηγικό πεδίο της Β. θάλασσας προς Karmoy ή Sotra.To περίσσευμα θα δοθεί προς 132

139 Κεφ. 4 0 Μεταφορά & διανομή φυσικού αερίου. το σύστημα αγωγών, Heimdal και Sleipner προς Ekofisk. Το όλο σύστημα έχει μήκος 850 Κm. Στο σύστημα τροφοδότησης της Δ. Ευρώπης έχει περιληφθεί και το πρωτοανακαλυφθέν το 1979 και μετέπειτα μεγάλο κοίτασμα πέραν του πεδίου Statfjord (βάθος 300m). Εικόνα 4.2 α χάρτης του ευρωπαικού δκτύου αγωγών φ. αερίου Το υγροποιημένο φυσικό αέριο (LNG) Από το 1959 καρποφορεί η προσπάθεια των αμερικανικών, αγγλικών και γαλλικών επιχειρήσεων για την υγροποίηση του φυσικού αερίου και την μεταφορά με πλοία του υγροποιημένου αερίου, με το πρώτο ταξίδι του μικρού δοκιμαστικού πλοίου «Methane Pioneer». Το 1964 αρχίζει η συστηματική μεταφορά με μεγαλύτερα πλοία, όπως το «Methane Princess και Methane Progress, τα οποία μετέφεραν 25000m 3 μεταξύ των περιοχών Arzew της Αλγερίας - Canvey της Αγγλίας και από το Arzew Le Havre της Γαλλίας. Ταχύτατα αναπτύσσονταν και άλλες γραμμές μόνιμης μεταφοράς, όπως: Αλγερία προς Fros (France, 1973),Βαρκελώνη (Ισπανία.1976) και Βοστώνη (ΗΠΑ,1976) 133

140 Από Marsael Brega (Λιβύη) προς La specia (Ιταλία,1970) και Βαρκελώνη (Ισπανία1970) Lumet (Brunei) προς Yokahama (Ιαπωνία, 1972) Badak (Ινδονησία) προς Osaka (Ιαπωνία,1977) και Los Angeles (ΗΠΑ,1978) Aby Dhabi προς Τόκιο (Ιαπωνία, 1976) Στην συνέχεια οργανώνονται γραμμές μεταφοράς LNG από: Thrinidad προς Corpus Christi (USA) Bonny (Νιγηρία) προς ΗΠΑ Αυστραλία προς Ιαπωνία Ινδονησία προς Ιαπωνία και Los Angeles (ΗΠΑ) Αλγερία προς Cave Point (USA), Zeebrugge (Βέλγιο), St. Nazaire (Γαλλία), Wihelmshafen (Δυτ. Γερμανία) και St. John (Canada) Σοβιετική ένωση προς ΗΠΑ και Ιαπωνία. Μία εικόνα αυτών των γραμμών, φαίνονται στην εικόνα 4.3. Οι μόνιμες αυτές γραμμές, χαρακτηρίζονται από κυκλικότητα λειτουργίας, όπως φαίνονται και στην εικόνα 4.4. το παραγόμενο φυσικό αέριο (από την πηγή) μεταφέρεται με υπό πίεση στο λιμάνι φόρτωσης, όπου ψύχεται στην θερμοκρασία υγροποίησης του. Το υγροποιημένο φ. αέριο, αποθηκεύεται υπό ατμοσφαιρική πίεση στις δεξαμενές φορτώσεως. Από εκεί, φορτώνεται στα πλοία που χρησιμοποιούν για την κίνηση τους το αεριοποιημένο LNG και το μεταφέρουν στις δεξαμενές του παραλήπτη. Το σύστημα είναι πλήρες μονωμένο έτσι ώστε η αυτόματη αεριοποίηση του LNG, να είναι της τάξεως 0,25 % ανά 24ωρο. Τα σημερινά πλοία των m 3 αποτελούν το δεύτερο άλμα εξέλιξη τους. Από τα πρώτα πλοία τύπου Jules Verue των m 3 με κυλινδρικές ελεύθερες ιστάμενες δεξαμενές, προχωρήσαμε σε πλοία τύπου Polar Alaska m 3 με δεξαμενές μεμβρανών για να καταλήξουμε σε πλοία των m 3 τύπου Moss Rosenberg με αυτόνομες σφαιρικές δεξαμενές. Η αύξηση χωρητικότητας των πλοίων, αύξησε τις μεταφερόμενες ποσότητες στην αλυσίδα, με συνέπεια την αύξηση ελάχιστου οικονομικού όγκου διακινήσεως και του ελάχιστου οικονομικού μεγέθους του σταθμού παραλαβής από 500*10 6 m 3 /a σε 1000*10 6 m 3 /a. Η ελαχιστοποίηση του κόστους του μεγάλου εγχειρήματος. Οδήγησε σε περιορισμό χρόνων φορτώσεως και εκφορτώσεως, μέχρι και μια ημέρα. 134

141 Κεφ. 4 0 Μεταφορά & διανομή φυσικού αερίου. Εικόνα 4.3 Θαλάσσια μεταφορά φ. αερίου Εικόνα 4.4 Αλυσίδα μεταφοράς LNG αερίου Ο σταθμός εκφορτώσεως (εικ. 4.5) από το πλοίο(1) αποτελείται κατ αρχήν από την εξέδρα παραλαβής (2), και τις δεξαμενές του LNG (3),που αποθηκεύεται με ατμοσφαιρική πίεση και θερμοκρασία -161,5 o C. Από αυτές, παραλαμβάνεται το LNG. Ο σταθμός αεριοποίησης, αποτελείται από τις αντλίες (4), που το συμπιέζουν σε πίεση κάπως μεγαλύτερη από την πίεση λειτουργίας του πιεστικού δικτύου (8)[συνήθως 70-80bar]. Το συμπιεσμένο LNG, θερμαίνεται με θάλασσα, (μείωσης της θερμοκρασίας της κατά 5-7 o C στον εναλλάκτη (5) και μετά τυχόν κάποια επεξεργασία (6), οδηγείται στον μετρητή (7) και από εκεί στο πιεστικό δίκτυο μεταφοράς. 135

142 Εικόνα 4.5. Σταθμός παραλαβής και αεριοποίησης LNG Για την ολοκλήρωση της εικόνας των διεργασιών υγροποιήσεως και αεριοποιήσεως, δίνονται τα απαραίτητα στοιχεία στον πίνακα 4.3 καθώς και οι συναρτήσεις p=f(t) των συνθετικών του φ. αερίου στο διάγραμμα 4.2 Πίνακας 4.3 Χαρακτηριστικά υγροποιήσεως των αερίων 136

143 Κεφ. 4 0 Μεταφορά & διανομή φυσικού αερίου Ελληνικό δίκτυο μεταφοράς Διάγραμμα 4.2 Συνάρτηση p=f(t) των αερίων Όπως ήδη έχει αναφερθεί, το Φ.Α. αφού συλλεχθεί και υποστεί τον απαραίτητο καθαρισμό, μεταφέρεται στο χώρο χρησιμοποίησης του. Οι εξελιγμένες τεχνολογίες επιτρέπουν σήμερα τη μεταφορά του Φ.Α. σε πολύ μεγάλες αποστάσεις. Η μεταφορά του Φ.Α. επιτυγχάνεται με δυο τρόπους (Εικ. 4.6 α,4,6 β ). Ο ένας, αφορά τη μεταφορά του αερίου υπό υψηλή πίεση μέσω υπόγειου ή υποθαλάσσιου δικτύου αγωγών, όπου κάθε Km, απαιτείται επανασυμπίεση του αερίου, η οποία γίνεται σε ειδικούς σταθμούς. Σε περιοχές που δεν προσφέρονται για μεταφορά με αγωγούς, το Φ.Α., υγροποιείται και μεταφέρεται με ειδικά δεξαμενόπλοια. Το Φ.Α. υγροποιείται στους 162 C και παρουσιάζει μείωση του όγκου του 600:1 Εικόνα 4.6 α Διαδικασία μεταφοράς φ. αερίου μέσω αγωγών 137

144 Εικόνα 4.6 β Διαδικασία μεταφοράς Υ.Φ αερίου μέσω ειδικών πλοίων Η εισαγωγή και αξιοποίηση του Φ.Α. προϋποθέτει την ύπαρξη κατάλληλης υποδομής για τη μεταφορά, την αποθήκευση και τη διανομή του. Η βασική υποδομή του Ελληνικού Συστήματος Φυσικού Αερίου (Εικ. 4.7) περιλαμβάνει: Εικόνα 4.7 Ελληνικό σύστημα μεταφοράς φ. αερίου 138

145 Κεφ. 4 0 Μεταφορά & διανομή φυσικού αερίου. 1) Τον κύριο χαλύβδινο αγωγό υψηλής πίεσης, μήκους 511 Km, ο οποίος εισέρχεται από τα ελληνοβουλγαρικά σύνορα (περιοχή Κουλά) στον Προμαχώνα με πίεση εισόδου της τάξης των 50 bar (προδιαγραφών αντοχής 70 bar) και διάμετρο έως τη Νέα Μεσήμβρια Ø 36 (inch). O κυρίως αγωγός συνεχίζει διασχίζοντας μέσω των Τεμπών τη Θεσσαλία, την Φθιώτιδα και μέσω της Βοιωτίας καταλήγει στην Αττική, στην περιοχή Ασπροπύργου, βόρεια των Ελληνικών Διυλιστηρίων (ΕΛΔΑ). Παράλληλα συνδέεται με παράπλευρους κλάδους μήκους 400 Km και διαμέτρου έως και Ø 30 (inch). Ενδεικτικά, αναφέρονται οι ακόλουθες διατομές των αγωγών Θεσσαλονίκης Α & Β (24 in), Κομοτηνής (24 in), Πλατέως Ημαθίας (10 in), Βόλου (10 in), Οινόφυτων (10 in), Λαυρίου (30/24 in), Κερατσινίου (30/14 in) και των υποθαλλάσιων αγωγών σύνδεσης της Ρεβυθούσας (24 in). Εικόνα 4.7 Αγωγός μεταφοράς φ. αερίου 2) Το συνοριακό σταθμό μέτρησης του Στρυμονοχωρίου (Border station) και τον Τερματικό Σταθμό της Ρεβυθούσας, οι οποίοι παραλαμβάνουν τις ποσότητες Φ.Α. και Υ.Φ.Α. από Ρωσία και Αλγερία, αντίστοιχα. Ο Σταθμός του Στρυμονοχωρίου αποτελείται από 4 παράλληλους αγωγούς και διαθέτει τον εξοπλισμό για μέτρηση και έλεγχο της ποιότητας του Φ.Α. Πιο συγκεκριμένα, εκεί μετρούνται: Οι εισαγόμενες ποσότητες με μετρητές διαφράγματος. Η θερμοκρασία και η πίεση, οι οποίες επεξεργάζονται από ηλεκτρονικούς υπολογιστές, καθώς και η ποιότητα του καυσίμου με τη βοήθεια χρωματογράφων, που κι αυτοί με τη σειρά τους είναι συνδεδεμένοι με υπολογιστικές μονάδες. 3) Τον Τερματικό Σταθμό Υποδοχής Υγροποιημένου Φυσικού Αερίου στη βραχονησίδα Ρεβυθούσα (Εικ.4.8), στον κόλπο των Μεγάρων, ο οποίος περιλαμβάνει: 139

146 Εικόνα 4.8 Πανοραμική άποψη των εγκαταστάσεων στη νήσο Ρεβυθούσα Εγκαταστάσεις υποδοχής και ελλιμενισμού δεξαμενοπλοίων Υ.Φ.Α. (LNG) μεγέθους έως m 3. Δυο δεξαμενές αποθήκευσης Υ.Φ.Α. χωρητικότητας m 3 η καθεμιά, οι οποίες είναι υπόγειες έως το ύψος πλήρωσής τους και έχουν κατασκευαστεί σύμφωνα με τον αμερικάνικο κανονισμό NFPA 59A. Δυο βραχίονες, μήκους 12 ποδιών (ft) έκαστος, φορτοεκφόρτωσης από την προβλήτα. Δυο αεριοποιητές θαλασσινού νερού ανοικτού τύπου για εξαέρωση του Υ.Φ.Α. και τροφοδοσία-σύνδεση στον κύριο αγωγό μεταφοράς δια μέσου των δυο δίδυμων υποθαλάσσιων αγωγών διασύνδεσης(ø 24 ) της Ρεβυθούσας με την απέναντι ακτή της Αγίας Τριάδας. Αντλιοστάσια Υ.Φ.Α. Δυο συμπιεστές για την υγροποίηση ασυμπύκνωτων αερίων. Σύστημα πυρσού με πυρσούς εδάφους, για την καύση περισσευμάτων αερίου. Σύστημα πυρανίχνευσης, πυρόσβεσης. Υποσταθμό ΔΕΗ. Αίθουσα ελέγχου και λειτουργίας, κτίρια διοίκησης, πυροσβεστικό σταθμό, σταθμό πρώτων βοηθειών και εκπαίδευσης προσωπικού. Η μεταφορά του Υ.Φ.Α. από την Αλγερία στην Ελλάδα γίνεται με το ειδικά κατασκευασμένο κρυογενικό πλοίο "Century" (Εικ. 4.9), με χρονοναυλοσύμφωνο που υπογράφτηκε μεταξύ της ΔΕΠΑ και της πλοιοκτήτριας εταιρείας BΕRGESEN στις 19/1/1998. Το "Century", που ναυπηγήθηκε το 1974 και διαθέτει 4 σφαιρικές δεξαμενές αλουμινίου τύπου Μoss, χωρητικότητας m 3 Υ.Φ.Α., μπορεί να μεταφέρει, επίσης, αιθάνιο, αιθυλένιο και υγραέριο σε 8 ημέρες, που διαρκεί ένα ολοκληρωμένο ταξίδι (Αλγερία-Ρεβυθούσα-Αλγερία). 140

147 Κεφ. 4 0 Μεταφορά & διανομή φυσικού αερίου. Εικόνα 4.9 Πλοίο μεταφοράς LNG, Century Σε εξέλιξη βρίσκεται η κατασκευή και τρίτης δεξαμενής, η οποία προβλέπεται να αυξήσει τη δυναμικότητα αεριοποίησης Υ.Φ.Α. από 270 m 3 /h σε 1000 m 3 /h. 4) Τους σταθμούς μέτρησης και μείωσης της πίεσης (Μetering & Regulating Stations ή αλλιώς Μ/R), οι οποίοι διακρίνονται σε σταθμούς τροφοδότησης Μ/R 60/19 (60 bar 19 bar) και σταθμούς διανομής Μ/R 19/4 (19 bar 4 bar). Οι σταθμοί Μ/R 19/4 τροφοδοτούν τα δίκτυα μέσης και χαμηλής πίεσης. Τα δίκτυα κατανομής και διανομής Φ.Α. στις πόλεις αριθμούν, περίπου, 3000 Km, ενώ αναμένεται κατά την πλήρη ανάπτυξη του έργου να φτάσουν τα 6500 Km. Στα ακόλουθα γραφήματα απεικονίζεται ένα τυπικό σύστημα διανομής φυσικού αερίου (Εικ.4.10), η καμπίνα αερίου (Εικ.4.11) και καμπίνα ελέγχου (Εικ.4.12) ενός σταθμού διανομής (Μ/R 19/4). Εικόνα 4.10 Τυπική διάταξη συστήματος διανομής 5) Τα κέντρα λειτουργίας και συντήρησης στην Αττική, τη Θεσσαλία και τη Θεσσαλονίκη, όπως επίσης και το Κέντρο κατανομής και ελέγχου φορτίου, το 141

148 οποίο βρίσκεται στο Πάτημα Ελευσίνας. Οι εγκαταστάσεις στο Πάτημα είναι εφοδιασμένες με το σύστημα τηλεμετρίας, δηλαδή σύστημα εποπτικού ελέγχου και συλλογής δεδομένων (SCADA) της εταιρείας Valmet, το οποίο επεξεργάζεται τα δεδομένα που συλλέγονται από τους σταθμούς αερίου. Επιπλέον, διαθέτουν εκτεταμένο σύστημα κινητών και σταθερών τηλεπικοινωνιών, το οποίο υποστηρίζεται από δίκτυο οπτικών ινών. Εικόνα 4.11Καμπίνα σταθμού διανομής M/R 19/4 bar Εικόνα 4.12 Καμπίνα οργάνων/ συσκευών σταθμού διανομής M/R 19/4 bar. 142

149 Κεφ. 4 0 Μεταφορά & διανομή φυσικού αερίου. 4.3 ΔΙΚΤΥΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΔΙΑΝΟΜΗΣ Χαλύβδινα δίκτυα Προγραμματισμός. Όπως φαίνεται από το διάγραμμα 4.1, μπορούν να δημιουργηθούν διάφορα προβλήματα κατά τη μεταφορά του φυσικού αερίου είτε προς τους καταναλωτές (ΔΕΗ) είτε προς τους σταθμούς παράδοσης αερίου στις εταιρείες διανομής. Επίσης, μπορεί να δημιουργηθούν στα όρια των δήμων οι οποίοι θα τροφοδοτηθούν, αφού από εκεί και έπειτα, κύριοι των ατόμων από όπου θα περάσουν οι αγωγοί είναι ίδιοι η δήμοι, που μπορεί βεβαίως να διαθέσουν το δικαίωμα τους στις εταιρείες μέσω των διαφόρων συμβάσεων. Γενικά το πρώτο στάδιο της όλης διαδικασίας σχεδιάσεως και κατασκευής ενός πιεστικού δικτύου είναι η πρώτη επιλογή των εδαφών, από όπου θα περάσουν οι αγωγοί. Τα στοιχεία αυτά τίθενται υπόψη των αρμοδίων, που πρέπει να συμφωνήσουν για την χάραξη. Εάν ο αγωγός περνάει από οικισμούς ή διασχίζει δρόμου, σιδηροδρομικές γραμμές, αυλάκια μεταφοράς νερού κλπ., εκτός από την κάτοψη χρειαζόμαστε και σχέδια κατακόρυφων τομών καθέτων και κατά μήκος. Στην διεθνή πρακτική ακολουθούν διάφορες συνεννοήσεις με τους ιδιοκτήτες των εδαφών, από τα οποία θα πρέπει να περάσει ο αγωγός, διότι πρέπει να συμφωνήσουν και αυτοί. Σε περίπτωση διαφωνίας, υπάρχει νομοθεσία η οποία επιλύει ταχέως τις διαφορές, με βάση το δημόσιο συμφέρον εφ όσον κριθεί ότι υπάρχει στην εκδικαζόμενη υπόθεση. Σε αυτή την περίπτωση, ο ιδιοκτήτης των εδαφίων υποχρεούται να δεχθεί τη διέλευση των αγωγών. Γενικά, σχεδιάζεται ένα χρονοδιάγραμμα για τον υπολογισμό του έργου, όπως φαίνεται στην εικ Εικόνα 4.13 Χρονοδιάγραμμα υπολογισμού έργου 143

150 Στοιχεία για του σωλήνες τηλεδικτύων. Για την κατασκευή των τηλεδικτύων και των δικτύων διανομής (εφ όσον η πίεση του δικτύου είναι μεγαλύτερη των 4 bar), χρησιμοποιούνται σωλήνες από χάλυβα. Βέβαια, άλλοι χαλύβδινοι σωλήνες χρησιμοποιούνται για τα τηλεδίκτυα και άλλοι για τα υπόλοιπα δίκτυα. Οι χαλύβδινοι σωλήνες που χρησιμοποιούνται για τα δίκτυα αερίου, πρέπει να έχουν κατασκευαστεί από χάλυβες οι οποίοι έχουν παραχθεί σε κάμινο Siemens- Martin ή σε ηλεκτροκαμίνους. Στον πίνακα 4.4, μπορούμε να διακρίνουμε πως οι χάλυβες St και οι St38.7 μπορούν να παραχθούν ως μη ησυχασμένοι 1 (U), ησυχασμένοι (R) ή και ιδιαιτέρως ησυχασμένοι (RR). Ο χάλυβας St43.7 πρέπει να είναι πάντοτε ησυχασμένος, ενώ οι χάλυβες St47.7 και St 53.7 πάντοτε ιδιαιτέρως ησυχασμένοι. Πίνακας 4.4. Χημική σύσταση των χαλύβων Άλλοι χάλυβες δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται για σωλήνες δικτύων μεταφοράς. Στον παραπάνω πίνακα 4.4, βλέπουμε την σύνθεση αυτών των χαλύβων και στον πίνακα 4.5, τα χαρακτηριστικά της μηχανικής αντοχής τους. 1 Ο Χάλυβας παρασκευάζεται με εξανθράκωση του χυτοσιδήρου. Ταυτοχρόνως απομακρύνονται κατά το δυνατόν το θείο και ο φωσφόρος, στοιχεία τα οποία όπως προαναφέρθηκε είναι επιβλαβή, και ρυθμίζεται η περιεκτικότητα σε μαγγάνιο και πυρίτιο, στοιχεία τα οποία εμπεριέχονται στον ακατέργαστο σίδηρο. Οι παραπάνω ρύποι απομακρύνονται δια της καύσης με την πρόσδωση οξυγόνου. Η επιθυμητή χημική σύσταση του χάλυβα επιτυγχάνεται με την αποξείδωση και την προσθήκη ασβέστου για την δέσμευση του φωσφόρου. Για την αποφυγή δημιουργίας φυσαλίδων, οι οποίες μπορούν να δημιουργηθούν κατά την χύτευση του ρευστού χάλυβα εξαιτίας υπολειμμάτων οξυγόνου και διοξειδίου του άνθρακα, προστίθενται στο κράμα συμπληρωματικώς πυρίτιο, μαγγάνιο, ασβέστιο ή αλουμίνιο. Οι κατ αυτόν τον τρόπο επεξεργασμένοι χάλυβες ονομάζονται ησυχασμένοι. Τα πλεονεκτήματά τους είναι ότι δεν επηρεάζονται από την γήρανση και συγκολλούνται ιδιαιτέρως καλά. 144

151 Κεφ. 4 0 Μεταφορά & διανομή φυσικού αερίου. Πίνακας 4.5 Μηχανικές ιδιότητες των χαλύβων Οι σωλήνες χωρίς ραφή πρέπει να έχουν κατασκευαστεί είτε εν θερμώ (δι ελάστρων 2, πιέσεως ή τραβήγματος) είτε εν ψυχρώ και να έχουν κανονική ανάπτυξη. Οι σωλήνες με ραφή, πρέπει να έχουν συγκολληθεί ( κατά μήκος ή ελικοειδώς) με ειδικές μεθόδους, που μπορούν να εξασφαλίσουν συντελεστή συγκολλήσεως u 0 = 1. Η υπερύψωση της ραφής δεν πρέπει να υπερβαίνει: Για πάχος τοιχώματος μέχρι 8 mm τα 2,5 mm Για πάχος τοιχώματος 8 mm έως 14 mm τα 3 mm Για πάχος τοιχώματος μεγαλύτερο των 14 mm τα 4 mm Η ανοχή στην διάμετρο είναι: Α) στους σωλήνες χωρίς ραφή ±1 % της εξωτερικής διαμέτρου d a Β) στους σωλήνες με ραφή (επί της εξωτερικής διαμέτρου d a ) Για d a 200 mm± 1 % Για d a = 200 mm έως 1000mm ± 0,5 % + 1mm Για d a = 1000 mm ± 6 % Οι σωλήνες πρέπει να μην έχουν απομακρύνσεις από την κυκλικότητα. Επιτρέπεται απομάκρυνση από τον κύκλο για πάχη s= 0,01 x d a μέχρι 1%. 2 έλαστρο το [élastro] Ο40 : (τεχν.) μηχάνημα που χρησιμοποιείται για την έλαση μεταλλικών όγκων και την παραγωγή ελασμάτων, ράβδων, συρμάτων κτλ.: H απλούστερη μορφή ελάστρου αποτελείται από δύο παραλλήλους και αντίρροπα στρεφόμενους κυλίνδρους. 145

152 Πλήρη στοιχεία για τους χαλύβδινους σωλήνες των τηλεδικτύων μπορούμε να βρούμε στο DIN Οι σωλήνες αυτοί έχουνε διαστάσεις που περιλαμβάνεται στην τυποποίηση DIN 2448 για σωλήνες χωρίς ραφή και DIN 2458 για σωλήνες με ραφή. Στοιχεία σχετικά με τα DIN φαίνονται στον πίνακα Χαλύβδινοι σωλήνες για άλλα δίκτυα Χαλύβδινοι σωλήνες και άλλων ποιοτήτων χρησιμοποιούνται επίσης στα δίκτυα αερίων. Και αυτοί μπορεί να μην είναι χωρίς ραφή ή με ραφή. Στοιχεία για τους σωλήνες χωρίς ραφή, κατά DIN 2460, μας δίνει ο πίνακας 4-7. Όπως διαπιστώνουμε και οι δύο ποιότητες υλικού ανήκουν στο DIN1629, η μεν St 00 κοινή εμπορίου και η St 35 με προδιαγραφές. Σημειώνεται, ότι κατόπιν συμφωνίας μπορούν να κατασκευαστούν και να χρησιμοποιηθούν σωλήνες άλλων ποιοτήτων με προδιαγραφές πάντα κατά DIN Για την κατασκευή χαλύβδινων δικτύων, χρησιμοποιούνται και οι σωλήνες με ραφή DIN Οι κυριότεροι από αυτούς είναι οι St33 και St37-2 έχουν τα χαρακτηριστικά του πίνακα 4.8. Συνιστάται οι εντός