ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ <<ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ ΧΘΕΣ ΣΗΜΕΡΑ ΑΥΡΙΟ>> Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ

Transcript

1 Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ <<ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ ΧΘΕΣ ΣΗΜΕΡΑ ΑΥΡΙΟ>> ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ ΠΕΧΛΙΒΑΝΗΣ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΚΩΣΤΗΣ Ι. ΓΕΩΡΓΙΟΣ Α.Ε.Μ ΚΑΒΑΛΑ, ΜΑΡΤΙΟΣ 2010

2 Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ <<ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ ΧΘΕΣ ΣΗΜΕΡΑ ΑΥΡΙΟ>> ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ ΠΕΧΛΙΒΑΝΗΣ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΣ Α.Ε.Μ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΚΩΣΤΗΣ Ι. ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΒΑΛΑ, ΜΑΡΤΙΟΣ 2010

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Το Φυσικό Αέριο έχει αναγνωρισθεί παγκοσμίως ως το πιο καθαρό αέριο καύσιμο, το οποίο μπορεί να συμβάλλει με το δικό του τρόπο για ένα καθαρότερο περιβάλλον, καθώς και στη μείωση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Κυρίως στα μεγάλα αστικά κέντρα του κόσμου η συμβολή του είναι καθοριστική, αφού έχει τη δυνατότητα να αντικαθιστά άλλες μορφές ενέργειας, οι οποίες συνήθως είναι ρυπογόνες. Επιπρόσθετα, η ολοένα σταδιακή ελάττωση της πετρελαϊκής παραγωγής, που ως επακόλουθο έχει τη συνεχή αύξηση της τιμής του πετρελαίου, μας ωθεί στην αναζήτηση μιας νέας ενεργειακής πολιτικής, όπως αυτή του φυσικού αερίου. Γι αυτόν το λόγο, γίνονται όλο και περισσότερες προσπάθειες από τις κυβερνήσεις των κρατών για την εισαγωγή Φυσικού Αερίου στις χώρες τους. Έτσι λοιπόν στόχος αυτής της πτυχιακής εργασίας είναι να ενημερώσει για το τι ακριβώς είναι το Φυσικό Αέριο, τα πλεονεκτήματα της χρήσης του για τον άνθρωπο αλλά και τον πλανήτη, τα μειονεκτήματα απέναντι σε άλλες μορφές ενέργειας, τον τρόπο μεταφοράς του, τις εφαρμογές και γενικότερα ό,τι μπορεί να έχει σχέση με το φυσικό αέριο.

4 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Σελίδα ΠΕΡΙΛΗΨΗ 11 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ε.1 Αναφορά Στα Αέρια Καύσιμα 13 Ε.2 Ιστορική Αναδρομή του Φυσικού Αερίου 13 Ε.3 Είδη Αέριων Καυσίμων 14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ 1.1 Φυσικές και Χημικές Ιδιότητες Πυκνότητα (p) Σχετική πυκνότητα (d) Θερμογόνος Δύναμη (Η) Ανώτερη & Κατώτερη Θερμογόνος Δύναμη Σχέση μεταξύ Κ.Θ.Δ & Α.Θ.Δ Θερμογόνος Δύναμη ανά Μονάδα Μάζας Δείκτης WOBBE GAS MODULUS Διάφορες Ιδιότητες Φυσικού Αερίου Σύνθεση Φυσικού Αερίου Προέλευση Φυσικού Αερίου Συστατικά οργανικής προέλευσης Συστατικά ανόργανης προέλευσης Μορφές Φυσικού Αερίου Ξηρό φυσικό αέριο Υγρό φυσικό αέριο Συγκέντρωση και Παγίδευση στα Κοιτάσματα Ροή Φυσικού Αερίου 27 1

5 Σελίδα 1.7 Ποιοτικός Έλεγχος Φυσικού Αερίου Μέθοδος αέριας χρωματογραφίας Προσδιορισμός πυκνότητας Ανάλυση σημείου δρόσου Ανάλυση Θείου 31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΚΑΥΣΗ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 2.1 Γενικά Σημείο Ανάφλεξης Σημείο Καύσης Σημείο Αυτανάφλεξης Φλόγα Θεωρητική Ποσότητα Αέρα Θεωρητική Ποσότητα Καυσαερίων Έλεγχος της Καύσης Το Τρίγωνο Καύσης (κατά Ostwald) Υπολογισμός της Απόδοσης Καύσης (π.χ για λέβητα) Όργανα Ελέγχου της Καύσης 39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΚΑΙ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 3.1 Αποθήκευση σε Αέρια Κατάσταση Αποθήκευση σε Υγρή Κατάσταση Μεταφορά Φυσικού Αερίου Υγροποιημένο Φυσικό Αέριο (LNG=liquefied natural gas) 45 2

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Σελίδα 4.1 Βιομηχανικός Τομέας Στις Έμμεσες Θερμικές Χρήσεις Στις Άμεσες Θερμικές Χρήσεις Ατμοπαραγωγή Αποκέντρωση Θερμικών Χρήσεων Άμεσες Θερμικές Χρήσεις Τεχνολογικές Εξελίξεις στον χώρο του φυσικού αερίου Εφαρμογές Υψηλών Θερμοκρασιών 50 A. Κεραμικές Ίνες 50 B. Καυστήρες Ανάκτησης Ενέργειας 51 C. Θάλαμοι Καύσης Υπέρυθρης Ακτινοβολίας Εφαρμογές Χαμηλών Θερμοκρασιών 53 A. Εφαρμογές για την Θέρμανση Λουτρών Δεξαμενών 53 B. Εφαρμογή για Ξήρανση Διάφορων Προϊόντων Εμπορικός Τομέας Οικιακός Τομέας Παραγωγή Ζεστού Νερού Χρήσης Θέρμανση Χώρων Σύστημα Κεντρικής Θέρμανσης Οικοδομής Ατομικό σύστημα θέρμανσης Αυτόνομη θέρμανση δωματίου Μαγείρεμα Τομέας Μεταφορών Γενικά Ο Κύκλος Συμπίεσης Τεχνολογία Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Μελέτες για την Χρήση Φυσικού Αερίου στην Ελλάδα Άλλες Χρήσης της Αεριοκίνησης Σύστημα Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού Θερμότητας 66 3

7 Σελίδα Γενικά Λειτουργία ΣΗΘ με Μηχανή Εσωτερικής Καύσης Λειτουργία ΣΗΘ με Αεριοστρόβιλο Λειτουργία Συστήματος Συνδυασμένου Κύκλου 69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ 5.1 Το Φαινόμενο του θερμοκηπίου Οι Αλλαγές στο Γήινο Περιβάλλον βάσει Μοντέλων 72 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΔΙΚΤΥΟ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ 6.1 Περιγραφή του Ελληνικού Συστήματος Διανομής Επέκταση, μελλοντικός σχεδιασμός εγκαταστάσεων και υποδομής Προμηθευτές 78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΑΓΟΡΑΣ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 7.1 Γενικά περί της Εξέλιξης της Αγοράς του Φυσικού Αερίου Αγορά Φυσικού Αερίου στην Ελλάδα Επενδυτική πολιτική για την Αγορά του Φυσικού Αερίου Τιμές του Φυσικού Αερίου στην Ελλάδα Τιμολογιακή πολιτική Τέλη Σύνδεσης Υπολογισμός Τιμής Φυσικού Αερίου Χρέωση Ισχύος 86 4

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ Σελίδα 8.1 Αποθέματα και Παγκόσμια Παραγωγή του Φυσικού Αερίου 88 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΧΡΗΣΗΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 9.1 Πλεονεκτήματα Χρήσης Φυσικού Αερίου Μειονεκτήματα Χρήσης Φυσικού Αερίου 92 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10 ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΤΗΣ ΧΡΗΣΗΣ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 94 ΕΠΙΛΟΓΟΣ 96 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 99 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 100 5

9 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΙΝΑΚΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σελίδα Πίνακας Ε.1 Χαρακτηρισμός αερίων Α και Β κατηγορίας 15 Πίνακας Ε.2 Χαρακτηρισμός αερίων L και H κατηγορίας 16 Πίνακας Ε.3 Χαρακτηρισμός αερίων προπανίου και βουτανίου 16 Πίνακας Ε.4 Χαρακτηρισμός αερίων υδρογονανθράκων 17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ Πίνακας 1.1 Τιμή του αριθμού WOBBE ανά ομάδες αερίων 21 Πίνακας 1.2 Μοριακός τύπος, πυκνότητα και θερμογόνος δύναμη για διάφορα αέρια 22 Πίνακας 1.3 Σύνθεση φυσικού αερίου που εισάγεται στην Ελλάδα 23 Πίνακας 1.4 Χαρακτηριστικά του αερίου που πρέπει να έχει το φυσικό αέριο που εισάγεται στην Ελλάδα 29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΚΑΥΣΗ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Πίνακας 2.1 Θερμοκρασία ανάφλεξης για ορισμένα αέρια 33 Πίνακας 2.2 Απαραίτητος αέρας για την καύση ορισμένων ενώσεων 35 Πίνακας 2.3 Σύσταση και ποσότητα των ξηρών και υγρών θεωρητικών Καυσαερίων 36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Πίνακας 4.1 Μορφές ενέργειας που αντικαθιστά το φυσικό αέριο στις διάφορες μορφές κατανάλωσής του 57 6

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΑΓΟΡΑΣ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Σελίδα Πίνακας 7.1 Τιμές Φυσικού Αερίου στην Αττική 86 Πίνακας 7.2 Τιμές Φυσικού Αερίου στην Θεσσαλονίκη και στη Θεσσαλία 87 7

11 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ Σελίδα Εικόνα 1.1 Κατώτερη Θερμογόνος Δύναμη ορισμένων καυσίμων 19 Εικόνα 1.2 Παραγωγή φυσικού αερίου από οργανική ύλη 24 Εικόνα 1.3 Εξέδρα άντλησης Φυσικού Αερίου 27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΚΑΥΣΗ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Εικόνα 2.1 Χρώματα της φλόγας για ατελή και τέλεια καύση 34 Εικόνα 2.2 Ενδεικτικό διάγραμμα Ostwald 38 Εικόνα 2.3 Ένας αναλυτής Bacharch με τον ανιχνευτή του για τη λήψη του δείγματος των καυσαερίων στο πάνω μέρος της εικόνας αριστερά, το σχήμα ενός αναλυτή orsat κάτω αριστερά και μια αντλία εμφύσησης στα δεξιά της εικόνας 40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΚΑΙ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Εικόνα 3.1 Υπόγεια αποθήκευση αερίου μέσα σε στρώμα αλατιού 43 Εικόνα 3.2 Υπόγεια αποθήκευση μέσα σε λεκάνη που περιέχει νερό 44 Εικόνα 3.3 Τομή ενός αεριοφυλακίου 44 Εικόνα 3.4 Το πρώτο μεθανιοφόρο πλοίο Ιούλιος Βερν 46 Εικόνα 3.5 Δύο πλοία μεταφοράς μεθανίου με διαφορετικές δεξαμενές 47 8

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Σελίδα Εικόνα 4.1 Τυπική κατανομή κατανάλωσης καυσίμων σε διάφορους βιομηχανικούς κλάδους 49 Εικόνα 4.2 Καυστήρας εμβάπτισης με φυσικό αέριο-υγραέριο 50 Εικόνα 4.3 Κλίβανος πορσελάνης με φυσικό αέριο 51 Εικόνα 4.4 Καυστήρας ανάκτησης θερμότητας 52 Εικόνα 4.5 Θάλαμοι καύσης Υπέρυθρης Ακτινοβολίας 52 Εικόνα 4.6 Εφαρμογή θέρμανσης λουτρών δεξαμενών 54 Εικόνα 4.7 Καταμερισμός της ενέργειας 55 Εικόνα 4.8 Επιτοίχιος λέβητας ζεστού νερού 56 Εικόνα 4.9 Λέβητας κεντρικής θέρμανσης αερίου 58 Εικόνα 4.10 Λέβητας ατομικής θέρμανσης αερίου 59 Εικόνα 4.11 Σώμα αερίου κλειστής εστίας καύσης 60 Εικόνα 4.12 Σχηματική παράσταση συστήματος τροφοδοσίας φυσικού αερίου 60 Εικόνα 4.13 Κύκλος ψύξης με συμπίεση 61 Εικόνα 4.14 Σταθμός ανεφοδιασμού φυσικού αερίου 63 Εικόνα 4.15 Απορριμματοφόρο του Δήμου Αθηναίων που χρησιμοποιεί για την κίνησή του φυσικό αέριο 65 Εικόνα 4.16 Ένα ΣΗΘ με μηχανή εσωτερικής καύσης 67 Εικόνα 4.17 Δημιουργία φλόγας σε ένα ΣΗΘ με αεροστρόβιλο 68 Εικόνα 4.18 Σχέδιο Συστήματος Συμπαραγωγής με Αεριοστρόβιλο 69 Εικόνα 4.19 Σχέδιο συστήματος συνδυασμένου κύκλου 70 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Εικόνα 5.1 Η αύξηση της θερμοκρασίας της γης με την πάροδο των χρόνων 72 9

13 Εικόνα 5.2 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τη χρήση των πιο Σελίδα διαδεδομένων πηγών ενέργειας 73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΔΙΚΤΥΟ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Εικόνα 6.1 Κεντρικό δίκτυο διανομής φυσικού αερίου 76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΑΓΟΡΑΣ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Εικόνα 7.1 Σύγκριση τιμών εισαγωγής φυσικού αερίου σε επιλεγμένες χώρες (Euroc/kWh) και σύγκριση με τιμές αργού πετρελαίου 81 Εικόνα 7.2 Σύγκριση τιμών φυσικού αερίου βιομηχανικών καταναλωτών σε επιλεγμένες χώρες της Ευρώπης (Euro/GJ) 82 Εικόνα 7.3 Σύγκριση τιμών φυσικού αερίου οικιακών καταναλωτών σε επιλεγμένες χώρες της Ευρώπης (Euro/GJ) 83 Εικόνα 7.4 Προβλέψεις Ζήτησης Φυσικού Αερίου στην Ελλάδα (σε bcm) 84 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ Εικόνα 8.1 Ποσότητες Φυσικού Αερίου ανά χώρα 89 Εικόνα 8.2 Χρησιμοποίηση του Φυσικού Αερίου σε σχέση με τις άλλες πηγές ενέργειας. 90 Εικόνα 8.3 Επιβεβαίωση συνεχούς ανάπτυξης του Φυσικού Αερίου 90 Εικόνα 8.4 Χώρες που εισάγουν Φυσικό Αέριο 91 ΕΠΙΛΟΓΟΣ Εικόνα Ε.1 Ετήσιες ανάγκες φυσικού αερίου ανά τον κόσμο 98 10

14 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Το Φυσικό Αέριο είναι ένα αέριο καύσιμο που χρησιμοποιείται από τα αρχαία χρόνια και στις μέρες μας διαδίδεται με πολύ γοργούς ρυθμούς ανά τον κόσμο. Το γεγονός αυτό παρατηρείται από τις προσπάθειες πολλών χωρών, μέσα σ αυτές και η Ελλάδα, να εισαχθούν σε όλο και περισσότερα διεθνή δίκτυα, ώστε να εισάγουν Φυσικό Αέριο, ή να βοηθήσουν στην τροφοδοσία άλλων χωρών, μέσω αγωγών σε δικά τους εδάφη. Στο Κεφάλαιο 1 αναλύονται οι Φυσικές και Χημικές Ιδιότητες του Φυσικού Αερίου, η σύνθεσή και η προέλευσή του. Επιπλέον, γίνεται αναφορά στις μορφές του Φυσικού Αερίου, στη συγκέντρωση και τη παγίδευση στα κοιτάσματα, στη ροή του, και τέλος στον ποιοτικό έλεγχό του. Το Κεφάλαιο 2 αναφέρεται στην καύση του Φυσικού Αερίου, και το Κεφάλαιο 3 στη μεταφορά και αποθήκευσή του. Το Κεφάλαιο 4 είναι ένα απ τα κυριότερα κεφάλαια, γιατί σ αυτό μπορούμε να διαπιστώσουμε πόσο σημαντικό είναι το Φυσικό Αέριο στη ζωή μας, αφού εδώ αναφέρονται όλοι οι τομείς που μπορεί να χρησιμοποιηθεί, όπως ο βιομηχανικός, ο εμπορικός, ο οικιακός, ο τομέας μεταφορών, καθώς επίσης και στη συμπαραγωγή ηλεκτρισμού θερμότητας. Στο Κεφάλαιο 5 καταγράφονται οι αλλαγές στο γήϊνο περιβάλλον βάσει μοντέλων, οι επιπτώσεις στο περιβάλλον από τη χρήση των πιο διαδεδομένων πηγών ενέργειας, μέσα στα οποία είναι και το Φυσικό Αέριο. Στο 6 ο Κεφάλαιο περιγράφεται το ελληνικό σύστημα διανομής Φυσικού Αερίου, οι σκέψεις για επέκταση του δικτύου, ο μελλοντικός σχεδιασμός εγκαταστάσεων και υποδομής. Επιπρόσθετα, στο ίδιο κεφάλαιο αναφέρονται και οι προμηθευτές της Ελλάδας σε Φυσικό Αέριο. Το Κεφάλαιο 7 ασχολείται με την εξέλιξη της αγοράς του Φυσικού Αερίου, την επενδυτική πολιτική για την αγορά του και τις τιμές του στην Ελλάδα. Στο 8 ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται οι τελευταίες εκτιμήσεις ως αναφορά τα αποθέματα και την παγκόσμια παραγωγή Φυσικού Αερίου. Στο Κεφάλαιο 9 γίνεται μια αναφορά στα πλεονεκτήματα και στα μειονεκτήματα της χρήσης του Φυσικού Αερίου. Στο τελευταίο κεφάλαιο, 10, ρίχνουμε μια ματιά στο δυσοίωνο μέλλον της χρήσης του Φυσικού Αερίου. 11

15 Ως επίλογο προτίμησα να χρησιμοποιήσω ένα άρθρο του καθηγητή Αντώνη Φώσκολου, στο οποίο αποδεικνύει ότι οι εποχές που έρχονται θα είναι όλο και δυσκολότερες, ως αναφορά τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. 12

16 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ε.1 Αναφορά Στα Αέρια Καύσιμα Τα αέρια καύσιμα είναι μια μορφή ενέργειας και χρησιμοποιούνται κυρίως στη βιομηχανία και στα νοικοκυριά. Περιλαμβάνουν μια μεγάλη ποικιλία αερίων, μερικά από τα οποία βρίσκονται μέσα στη γη, ενώ άλλα παράγονται βιομηχανικά. Στις μέρες μας το Φυσικό Αέριο αποτελεί το σημαντικότερο αέριο καύσιμο. Τα διάφορα είδη των αέριων καυσίμων αναφέρονται στη συνέχεια. Ε.2 Ιστορική Αναδρομή του Φυσικού Αερίου Το Φυσικό Αέριο είναι ένα ιδανικό καύσιμο και πρώτη ύλη για τη βιομηχανία. Συνήθως συναντάται εκεί οπού βρίσκεται πετρέλαιο, γιατί οι γεωλογικές συνθήκες που συντελούν στη δημιουργία του πετρελαίου είναι ευνοϊκές και για τη δημιουργία του Φυσικού Αερίου. Η άσφαλτος και τα βιτουμένια είναι από τα πιο παλιά γνωστά προϊόντα του πετρελαίου. Ενδείξεις για διαρροή Φυσικού Αερίου βρέθηκαν μεταξύ π.χ στις χώρες Ιράν Ιράκ. Η χρήση του φυσικού αερίου αναφέρεται στην Κίνα το 900 π.χ περίπου, οπού ανοίχθηκαν φρέατα και το αέριο μεταφερόταν με αγωγούς από ξύλο μπαμπού. Στην Ευρώπη αυτά τα επιτεύγματα ήταν άγνωστα και το Φυσικό Αέριο δεν χρησιμοποιήθηκε παρά το 1659 μ.x στην Αγγλία. Αφού ξεκίνησε η χρήση του Φυσικού Αερίου και μετά από δέκα χρόνια στασιμότητας, ανακαλύπτεται το 1670 το αέριο από απόσταξη ανθράκων (ανθρακαέριο φωταέριο), το οποίο όμως άρχισε να χρησιμοποιείται το 1790, γιατί ήταν πιο εύκολη η μεταφορά, η αποθήκευση και η χρησιμοποίησή του σε μηχανές εσωτερικής καύσης και στο φωτισμό των δρόμων και των σπιτιών. Το 1821 η πόλη Φριντόνια στην περιφέρεια της Νέας Υόρκης φωτιζόταν με Φυσικό Αέριο, αλλά η χρήση του εξακολουθούσε να είναι περιορισμένη, γιατί δεν είχε επινοηθεί τρόπος για τη μεταφορά του σε μεγάλες αποστάσεις και έτσι, επί έναν αιώνα, το Φυσικό Αέριο παρέμενε στο περιθώριο της βιομηχανικής εξέλιξης, που βασίστηκε στον άνθρακα και το πετρέλαιο. Η μέθοδος μεταφοράς του Φυσικού Αερίου με αγωγούς εξελίχθηκε ιδιαίτερα στη δεκαετία του 1920 και αποτέλεσε ένα σημαντικό στάδιο στη χρήση του φυσικού αερίου. 13

17 Στη Γαλλία η βιομηχανία παραγωγής αερίου ανθίζει μέχρι το 1930 και όλες οι σημαντικές ή μεσαίες πόλεις, καθώς και μερικές κωμοπόλεις διέθεταν δίκτυο διανομής αερίου, που τροφοδοτούνταν από ένα τοπικό εργοστάσιο. Όμως, η εμφάνιση στην αγορά μεγάλων ποσοτήτων υγρών ή αέριων παραγώγων πετρελαίου συντέλεσε ως ένα σημείο στην ανάσχεση της επεκτάσεως διανομής του αερίου πόλεως με δίκτυο σωληνώσεων. Ιδιαίτερα οι επιχειρήσεις πετρελαίου που διέθεταν αυξημένες ποσότητες προπανίου και βουτανίου, ανάπτυξαν τη διοχέτευση στην κατανάλωση υγροποιημένου αερίου (Υγραερίου) σε φιάλες, κυρίως στις αγροτικές περιοχές. Μετά το Β παγκόσμιο πόλεμο και την ανακάλυψη σημαντικών κοιτασμάτων φυσικών αερίων στην Αφρική, Ασία, Ρωσία, Ευρώπη, άλλαξε εντελώς η φυσιογνωμία της βιομηχανίας του φωταερίου. Ο λιθάνθρακας, που ήταν η βασικότερη πηγή παραγωγής φωταερίου, αντικαταστάθηκε εξ ολοκλήρου από τα υγρά ή αέρια παράγωγα του πετρελαίου. Έτσι λοιπόν το φυσικό αέριο και το υγραέριο ανακτά το χαμένο έδαφος τόσων χρόνων και καταλαμβάνουν την πρώτη θέση στις πωλήσεις. Σαν συνέπεια όλων αυτών, ενώ το 1960 η παγκόσμια παραγωγή αερίων (Φυσικού Αερίου και υγραερίου) ήταν 470 δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα, το 1979 ήταν τρισεκατομμύρια κυβικά μέτρα. Τέλος, φτάνοντας στη σημερινή πραγματικότητα, παρατηρούμε τη χρήση του φυσικού αερίου, αλλά και του υγραερίου, να επεκτείνεται τόσο σε οικιακές όσο και σε βιομηχανικές και εμπορικές χρήσεις. Ε.3 Είδη Αέριων Καυσίμων Αέριο Κωκερίας : είναι αέριο που παράγεται στις κωκερίες των χαλυβουργείων και στα ορυχεία, κατά την απόσταξη των λιθανθράκων μέσα στους κλίβανους παραγωγής του κωκ. Υδαταέριο : είναι το αέριο που περιέχει βασικά υδρογόνο και μονοξείδιο του άνθρακα και που παράγεται από την αποσύνθεση του υδρατμού υπό την επίδραση πυρακτωμένου κωκ σε θερμοκρασία o C. Αέριο Υψικαμίνου : είναι το αέριο που λαμβάνεται στην έξοδο του επάνω στομίου των υψικαμίνων κατά τη διάρκεια της κατεργασίας του χυτοσιδήρου. Υγραέριο : είναι το αέριο που προέρχεται από τη διύλιση του πετρελαίου και από τα κοιτάσματα του φυσικού αερίου και αποτελείται κυρίως από προπάνιο και βουτάνιο. 14

18 Λιθανθρακαέριο : είναι το αέριο που αποκτάται με την πυρογένεση ή την απόσταξη των γαιανθράκων (γαιάνθρακες ονομάζονται γενικά όλοι οι άνθρακες που εξορύσσονται από τη γη, σε αντίθεση με τους ξυλάνθρακες). Παραγόμενο Αέριο : ή συνθετικό φυσικό αέριο που παράγεται από φυσικές ή χημικές επιδράσεις πάνω σε καύσιμα κάθε μορφής. Φυσικό Αέριο : είναι το σύνολο των αερίων υδρογονανθράκων που βρίσκονται μέσα σε πετρώματα- ταμιευτήρες, απ όπου εξορύσσονται. Χρησιμοποιούνται σαν καύσιμα ή σαν πρώτη ύλη της πετροχημικής βιομηχανίας. Φτωχό Αέριο ή Αεραέριο : είναι αέριο που παράγεται με την ατελή καύση του κωκ και που περιέχει βασικά μονοξείδιο του άνθρακα, λίγο άζωτο και υδρογόνο. Αναμορφωμένο Αέριο : είναι το αέριο που προέρχεται από μια πράξη μετατροπής των μορίων των υδρογονανθράκων. Αέριο Πόλεως ή Φωταέριο : είναι ανθρακαέριο, καθώς και άλλα τεχνητά αέρια της ίδιας περίπου θερμογόνου δύναμης των 4200 Kcal/m 3. Όλα τα παραπάνω καύσιμα αέρια κατατάσσονται σύμφωνα με τη Γερμανική Τεχνική Οδηγία TECHNICHE REGELN FUR GAS-INSTALLATIONEN DVGW-TRG1 και την αντίστοιχη Τεχνική Οδηγία του ΤΕΕ για τα καύσιμα αέρια, χωρίζοντάς τα σε τέσσερις ομάδες με βάση την εναλλακτικότητα. Η κατάταξη αυτή σημαίνει κατ αύξουσα σειρά και μεγαλύτερη θερμογόνο δύναμη του αερίου. Οι ομάδες αυτές είναι οι παρακάτω : 1 η ομάδα Στην ομάδα αυτή περιλαμβάνονται τα αέρια πόλεως που χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, την Α και Β. Είναι καύσιμα αέρια που παράγονται σε εγκαταστάσεις απαερίωσης ή εξαέρωσης του άνθρακα, κοντά ή μακριά από πόλεις με μεγάλη περιεκτικότητα σε Η 2 (Πίνακας Ε.1). Χαρακτηρισμός Μονάδα Κατηγορία Α Κατηγορία Β Ανώτερη Kcal/m θερμογόνος δύναμη Περιεκτικότητα Η 2 Η 2 % 40-60% 45-67% Πίεση σύνδεσης mbar 8 Πίνακας Ε.1 Χαρακτηρισμός αερίων Α και Β κατηγορίας 15

19 2 η ομάδα. Στην ομάδα αυτή περιλαμβάνονται τα φυσικά αέρια (γαιαέρια, ελαιαέρια) και όλα τα εναλλάξιμα προς αυτά, όπως το αέριο που παράγεται στις εγκαταστάσεις του Ασπροπύργου και διανέμεται από τη ΔΕΦΑ. Χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, τις H και L. Στην κατηγορία H ανήκει και το φυσικό αέριο που εισάγουμε στη χώρα μας (Πίνακας Ε.2). Χαρακτηρισμός Μονάδα Κατηγορία L Κατηγορία H Ανώτερη θερμογόνος δύναμη Kcal/m Πίεση σύνδεσης mbar Πίνακας Ε.2 Χαρακτηρισμός αερίων L και H κατηγορίας 3 η ομάδα Στην ομάδα αυτή περιλαμβάνονται τα υγραέρια προπάνιο και βουτάνιο και τα μίγματά τους. Είναι προϊόντα διύλισης του πετρελαίου και αποτελούνται κατά 95% από προπάνιο ή βουτάνιο ή μίγματα και των δύο (Πίνακας Ε.3). Χαρακτηρισμός Είδη υγραερίων 1) προπάνιο 2) βουτάνιο Πίεση σύνδεσης Ανώτερη Θερμογόνος Δύναμη ~22000 Kcal/m mbar Πίνακας Ε.3 Χαρακτηρισμός αερίων προπανίου και βουτανίου 4 η ομάδα. Στην ομάδα αυτή ανήκουν μίγματα υδρογονανθράκων, δηλαδή αέρια που παρασκευάζονται από υγραέρια ή και από φυσικά αέρια κατά αναλογία. (Πίνακας Ε.4). 16

20 Χαρακτηρισμός Μονάδα Υγραέριο/αέρας Φυσικό αέριο/αέρας Ανώτερη θερμογόνος Kcal/m δύναμη Πίεση σύνδεσης mbar mbar mbar Πίνακας Ε.4 Χαρακτηρισμός αερίων υδρογονανθράκων *Στις τιμές των παραπάνω πινάκων παρατηρήθηκαν μικρές διακυμάνσεις από βιβλιογραφία σε βιβλιογραφία. Στους παραπάνω επιλέχθηκαν οι στρογγυλοποιημένες τιμές. 17

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ 1.1 Φυσικές και Χημικές Ιδιότητες Πυκνότητα (p) Πυκνότητα είναι η μάζα που περιέχεται σε 1 m 3 αερίου υπό κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Εκφράζεται σε Kg/m 3. Παίζει πολύ σημαντικό ρόλο γιατί είναι απαραίτητη στον υπολογισμό των διαστάσεων των αγωγών ροής δοχείων αποθήκευσης, την καταναλισκόμενη ενέργεια στους συμπιεστές, το σχήμα της σχηματιζόμενης φλόγας κ.α Σχετική πυκνότητα (d) Σχετική πυκνότητα είναι η σχέση μεταξύ της πυκνότητας του αερίου και του αέρα στην ίδια θερμοκρασία και πίεση και είναι ανεξάρτητη από τις συνθήκες αναφοράς. Η σχετική πυκνότητα είναι αδιάστατος αριθμός. d αερίου ί / έ Θερμογόνος Δύναμη (Η) Η θερμογόνος δύναμη ενός καυσίμου είναι η ποσότητα θερμότητας που εκλύεται κατά την τέλεια καύση με αέρα υπό κανονική ατμοσφαιρική πίεση (1,013 bar) της ποσοτικής μονάδας του καυσίμου, όταν αυτό όπως και το οξειδωτικό μέσο έχουν θερμοκρασία 0 ο C και τα προϊόντα της καύσης ψύχονται στους 0 ο C. Μονάδες που χρησιμοποιούνται για την θερμογόνο δύναμη είναι η Kwh, Mj, Kcal. Η ποσοτική μονάδα του αέριου καυσίμου είναι το κανονικό m 3, δηλαδή η μάζα που περιέχεται σε ένα κυβικό μέτρο αερίου στους 0 o C και κάτω από πίεση 1,013 bar. Επίσης χρησιμοποιείται σαν ποσοτική μονάδα και το Kg αλλά αυτό το βλέπουμε κυρίως στα υγραέρια. Έτσι συνοψίζοντας η θερμογόνος δύναμη εκφράζεται σε Kwh/m 3, Kcal/m 3, Kcal/Kg, Kwh/kg. 18

22 Ανώτερη & Κατώτερη Θερμογόνος Δύναμη Η θερμογόνος δύναμη καλείται ανώτερη, όταν το νερό που προκύπτει από την καύση του στοιχείου του υδρογόνου και των υδρογονανθράκων θεωρείται ότι βρίσκεται σε υγρή κατάσταση στα προϊόντα της καύσης. Εικόνα 1.1 Κατώτερη Θερμογόνος Δύναμη ορισμένων καυσίμων Η θερμογόνος δύναμη καλείται κατώτερη, όταν το νερό που προκύπτει από την καύση θεωρείται ότι βρίσκεται σε κατάσταση ατμού στα προϊόντα της καύσης (Εικόνα 19

23 1.1). Η Ανώτερη Θερμογόνος Δύναμη (ΑΘΔ) του φυσικού κυμαίνεται από Kcal/Nm Σχέση μεταξύ Κατώτερης Θερμογόνου Δύναμης (ΚΘΔ) και Ανώτερη Θερμογόνου Δύναμης (ΑΘΔ) Ο λόγος ΚΘΔ/ΑΘΔ για όλα τα καύσιμα εξαρτάται από την αναλογία του άνθρακα και του υδρογόνου στο αέριο καύσιμο. Για τους καθαρούς και κεκορεσμένους υδρογονάνθρακες η αναλογία C/H αυξάνει καθώς προχωράμε από το μεθάνιο προς τους βαρύτερους υδρογονάνθρακες. Αλλά για τα συνήθη αέρια καύσιμα γενικά ισχύει ΚΘΔ/ΑΘΔ=0, Θερμογόνος Δύναμη ανά Μονάδα Μάζας Είναι ο λόγος ΑΘΔ/ρ και εκφράζεται σε Kwh/Kgr ή Kcal/Kgr. Χρησιμοποιείται κυρίως για το βουτάνιο το προπάνιο και το μίγμα τους, που πωλούνται υγροποιημένα Δείκτης WOBBE Ο ρυθμός παροχής ενέργειας σ έναν καυστήρα (ισχύς εξόδου) εξαρτάται από δύο παράγοντες : Το ρυθμό ροής του όγκου (μάζας) του καυσίμου. Τη θερμογόνο δύναμη του συγκεκριμένου καυσίμου. Έτσι μπορούμε να πούμε πως η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά την καύση είναι ανάλογη προς το γινόμενο του ρυθμού ροής του όγκου και της θερμογόνου δυνάμεως. Είναι γνωστό ότι σε αέρια καύσιμα που τροφοδοτούνται σε χαμηλές πιέσεις, ο ρυθμός ροής του όγκου είναι ανάλογος της τετραγωνικής ρίζας της πίεσης ροής στον αγωγό και αντιστρόφως ανάλογος προς την τετραγωνική ρίζα της σχετικής πυκνότητας. Δηλαδή : Q ΘΔ d p 20

24 Το μέγεθος d καλείται δείκτης WOBBE και αποτελεί πολύ χρήσιμο χαρακτηριστικό των αέριων καυσίμων. Σε περιπτώσεις που τροφοδοτούνται διαφορετικά αέρια καύσιμα κάτω από τις ίδιες συνθήκες σε μία συσκευή, ο δείκτης αυτός προσδιορίζει την αλλαγή (άνοδο ή πτώση) στην ισχύ εισόδου της συσκευής. Αν θέλουμε να διατηρήσουμε την ίδια ισχύ σε μία συσκευή, όταν έχουμε δύο αέρια καύσιμα με διαφορετικό δείκτη WOBBE, θα πρέπει να αλλάξουμε την πίεση τροφοδοσίας ώστε να ισχύει : W 1 p 1 W 2 * p 2 το χαρακτηριστικό αυτό μέγεθος( W p ) ονομάζεται δείκτης WOBBE. (Kcal/m 3 ή J/m 3 ). Ο δείκτης αυτός χρησιμοποιείται επίσης για να προσδιορίσουμε την δυνατότητα εναλλαγής δύο αέριων καυσίμων σε μία συσκευή όπως επίσης και στην ταξινόμηση γενικότερα των αέριων καυσίμων (Πίνακας 1.1). ΑΡΙΘΜΟΣ WOBBE ΑΝΑ ΟΜΑΔΕΣ ΑΕΡΙΩΝ Αέρια 1 η ομάδα 2 η ομάδα 3 η ομάδα 4 η ομάδα Αριθμός WOBBE(Kcal/m 3 ) Πίνακας 1.1 Τιμή του αριθμού WOBBE ανά ομάδες αερίων Όλα αυτά που αναφέρθηκαν στις παραπάνω παραγράφους φαίνονται στον παρακάτω Πίνακα 1.2 συγκεντρωμένα. 21

25 Αέριο Μορ.τύπος Πυκνότητα Θερμογόνος δύναμη Kg/m 3 Ανώτερη Kcal/m 3 Κατώτερη Kcal/m 3 Μεθάνιο CH 4 0,6797 9, Αιθάνιο C 2 H 6 1, Προπάνιο C 3 H 8 1, n-βουτάνιο C 4 H 10 2, ισοβουτάνιο C 4 H 10 2, n-πεντάνιο C 5 H 12 3, ισοπεντάνιο C 5 H 12 3, Διοξείδιο άνθρακα Μονοξείδιο άνθρακα CO 2 1, CO 1, Άζωτο N 2 1, Ήλιο He 0, Υδρογόνο H 2 0, Οξυγόνο Ο 2 1,3538 Πίνακας 1.2 Μοριακός τύπος, πυκνότητα και θερμογόνος δύναμη για διάφορα αέρια GAS MODULUS Το μέτρο αερίου gas modulus είναι μια αριθμητική έκφραση που συσχετίζει την απαγόμενη θερμότητα από έναν καυστήρα με την πίεση που απαιτείται για να παρασχεθεί επιτυχής αερισμός στη φλόγα του καυστήρα. Δίνει μια εικόνα του πως οι συνθήκες αερισμού και θερμικού φορτίου μπορούν να παραμείνουν όταν εναλλάσσουμε ένα αέριο με ένα άλλο. P GAS MODULUS= WOBBE 22

26 1.1.6 Διάφορες Ιδιότητες Φυσικού Αερίου Το φυσικό αέριο είναι άχρωμο και άοσμο. Η χαρακτηριστική του οσμή δίνεται τεχνικά, ώστε να γίνεται αντιληπτό σε τυχόν διαρροές. Ανήκει στη δεύτερη οικογένεια των αέριων καυσίμων. Είναι ελαφρύτερο από τον αέρα, αφού έχει ειδικό βάρος ίσο με 0,59. Για τα φυσικά αέρια έχει οριστεί μια κατάσταση αναφοράς που καλείται κανονική και σε αυτή ανάγονται οι ποσότητές τους. Αυτή είναι οι 273,15 ο Κ (0 ο C) για τη θερμοκρασία και 1,01325 bar για την πίεση. 1.2 Σύνθεση Φυσικού Αερίου Όπως προαναφέραμε, το φυσικό αέριο που εισάγουμε από την Ρωσία και την Αλγερία δεν αποτελείται μόνο από μεθάνιο CH 4, αλλά και από κάποια άλλα στοιχεία τα οποία φαίνονται στον παρακάτω Πίνακα 1.3. ΡΩΣΙΚΟ Φ.Α ΑΛΓΕΡΙΝΟ Φ.Α ΣΥΣΤΑΣΗ Περιεκτικότητα %κ.ο Μεθάνιο 98% 91,2% Αιθάνιο 0,6% 6,5% Προπάνιο 0,2% 1,1% Βουτάνιο 0,2% 0,2% Πεντάνιο και βαρύτερα 0,1% - Άζωτο 0,8% 1,0% Διοξείδιο του Άνθρακα 0,1% - Πίνακας 1.3 Σύνθεση φυσικού αερίου που εισάγεται στην Ελλάδα 1.3 Προέλευση Φυσικού Αερίου Η συγκέντρωση του αερίου όπως και του πετρελαίου σε κοιτάσματα είναι αποτέλεσμα διαδοχικών σταδίων μετατροπής πρώτων υλών, που ακολουθείται από 23

27 παγίδευση σε κοιλώματα του υπεδάφους. Η διαφορετική σύσταση του φυσικού αερίου φανερώνει τις ποικίλες προελεύσεις των συστατικών του. Τα περισσότερα από τα συστατικά του προέρχονται από την παγίδευση οργανικής ύλης μέσα σε ιζηματογενή πετρώματα επί μεγάλες χρονικές περιόδους. Άλλα συστατικά του όμως έχουν καθαρά ανόργανη προέλευση Συστατικά οργανικής προέλευσης Τα σύγχρονα ιζήματα που αποτίθενται στον πυθμένα των θαλασσών και των λιμνών αποτελούν υλικό στο οποίο η έντονη βακτηριακή δραστηριότητα μπορεί να προκαλέσει την παραγωγή Μεθανίου, Διοξειδίου του Άνθρακα, Αζώτου, Μονοξείδιο του Αζώτου, από τις ενσωματωμένες στο ίζημα οργανικές ύλες (Εικόνα 1.2). Εικόνα 1.2 Παραγωγή φυσικού αερίου από οργανική ύλη Αν και το Μεθάνιο σχηματίζεται σε μεγάλες ποσότητες, το Αιθάνιο και οι βαρύτεροι υδρογονάνθρακες δε σχηματίζονται σχεδόν καθόλου. Ορισμένα είδη βακτηρίων (τα βακτήρια που ανάγουν το Θείο S ) σχηματίζουν το Υδρόθειο(H 2 S). 24

28 1.3.2 Συστατικά ανόργανης προέλευσης Το Ήλιο και τα ίχνη Αργού που βρίσκονται στο φυσικό αέριο είναι προϊόντα ραδιενεργής διάσπασης. Το Ήλιο προέρχεται από ραδιοϊσότοπα της οικογένειας του Θορίου και του Ουρανίου και το Αργό προέρχεται από Κάλιο. Όπως θα περίμενε κανείς, οι παλαιότερες συγκεντρώσεις αερίου παλαιοζωικής εποχής είναι οι πλουσιότερες σε ήλιο, γιατί αυτοί οι γεωλογικοί σχηματισμοί έχουν δεχθεί μεγάλα ποσά ραδιενέργειας. Η δράση των ηφαιστείων μπορεί να αποτελέσει εξ άλλου πηγή διοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου. 1.4 Μορφές Φυσικού Αερίου Ξηρό φυσικό αέριο Είναι εκείνο το φυσικό αέριο που δεν περιέχει συστατικά που μπορούν να συμπυκνωθούν εύκολα σε κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Έτσι το αέριο αυτό περιέχει πολύ λίγους (λιγότερους από 13,3 litres στα 1000 m 3 φυσικού αερίου) υδρογονάνθρακες βαρύτερους από το αιθάνιο δηλαδή προπάνιο και βουτάνιο Υγρό φυσικό αέριο Είναι το φυσικό αέριο που βρίσκεται σε κοιτάσματα υπό αέρια ή αέρια και υγρή μορφή, επειδή περιέχει και υδρογονάνθρακες που μπορούν να συμπυκνωθούν εύκολα (ενώσεις άνθρακα και υδρογόνου βαρύτερες από το αιθάνιο π.χ. προπάνιο και βουτάνιο). Τα αέρια αυτά χαρακτηρίζονται συνήθως από τον όγκο ή το βάρος των συμπυκνωμένων αερίων που περιέχονται σ ένα δοθέντα όγκο αερίου. Ο αριθμός αυτός, που υπολογίζεται για όγκους σε θερμοκρασία 15 ο C και πίεση 750 mm Hg, εκφράζεται συνήθως σε γαλόνια ανά χίλια κυβικά πόδια ή ως gr/m 3. Ένα αέριο χαρακτηρίζεται σαν υγρό, αν περιέχει περισσότερα από 39,9 lit συμπυκνωμένων αερίων σε 1000 m 3. Τα συμπυκνώσιμα προϊόντα ανακτώνται και εμφιαλώνονται υπό μικρή πίεση (προπάνιο και βουτάνιο). 25

29 1.5 Συγκέντρωση και Παγίδευση στα Κοιτάσματα Τα ιζήματα τα οποία περιέχουν την οργανική ύλη που παράγει το αέριο είναι αργιλώδη ή ασβεστολιθικά, είναι δηλαδή πετρώματα κυρίως συμπαγή και σχετικά αδιαπέραστα. Το αέριο ελευθερώνεται και μεταναστεύει προς τα φιλοξενούντα πετρώματα που είναι πορώδεις και διαπερατοί σχηματισμοί, όπως άμμοι, ψαμμίτες, ανθρακικά πετρώματα με έντονο σύστημα διακλάσεων, όπως ασβεστόλιθοι και δολομίτες. Αυτή η μετανάστευση γίνεται λόγω της διαφοράς πιέσεως, που υπάρχει ανάμεσα στα πορώδη φιλοξενούντα πετρώματα (στα οποία η πίεση είναι περίπου η ίδια με την υδροστατική) και στα συμπαγή μητρικά πετρώματα (εκείνα που συμπιέζονται από το βάρος των υπερκειμένων πετρωμάτων). Το αέριο μέσα στο φιλοξενούν πέτρωμα κυκλοφορεί στον πορώδη χώρο π.χ ανάμεσα στους κόκκους της άμμου. Κανονικά οι πόροι που έχουν συνήθως διάμετρο μικρότερη από ένα χιλιοστό του μέτρου γεμίζουν με νερό, αλλά το αέριο, λόγω της πολύ μικρότερης πυκνότητας του, τείνει να καταλάβει τα ανώτερα μέρη της οριζόντιας επιφάνειας του κοιτάσματος, ενώ το νερό παραμένει στα χαμηλότερα. Για να συγκεντρωθεί το αέριο πρέπει να παγιδευτεί, δηλαδή να καλυφθεί με ένα μη διαπερατό πέτρωμα (άργιλο ή ορυκτό άλας ) και ολόκληρο το κάλυμμα του κοιτάσματος να έχει τέτοιο σχήμα, ώστε να προστατεύει το αέριο από διαρροές προς τα ανώτερα στρώματα και ιδιαίτερα προς την επιφάνεια. Οι παγίδες φυσικού αερίου είναι όμοιες με τους φύλακες συσσωρεύσεως πετρελαίου και μπορεί να είναι αρκετών τύπων. Οι αρχικές ιζηματογενείς αποθέσεις μπορεί να σχηματίσουν στρωματογραφική παγίδα, λόγω της πλευρικής μεταβολής της πετρολογικής σύστασης, π.χ με τη δημιουργία ψαμμιτικών ή ασβεστολιθικών φακών μέσα σε αργίλους, ενώ τα επόμενα ιζήματα μπορούν να σχηματίσουν παγίδα με αποσφήνωση ενός στρώματος. Στο εσωτερικό των παγίδων μπορούν να συνυπάρχουν και τα τρία ρευστά (αέριο, αργό πετρέλαιο και νερό), που διατάσσονται από την κορυφή προς τον πυθμένα ανάλογα με τα ειδικά τους βάρη. Στις παγίδες μπορεί να υπάρχει μόνο αέριο ή αέριο και νερό ή νερό και πετρέλαιο ή μόνο νερό ανάλογα με τις συνθήκες σχηματισμού του κοιτάσματος, την έκταση της μετανάστευσης και τη διαρροή προς την επιφάνεια μέσω των ρωγμών του φιλοξενούντος πετρώματος. 26

30 Εικόνα 1.3 Εξέδρα άντλησης Φυσικού Αερίου 1.6 Ροή Φυσικού Αερίου Οι νόμοι που διέπουν τη ροή του φυσικού αερίου σε πορώδες μέσο είναι πολύπλοκοι και πρέπει να εισαχθούν στην εξίσωση της κίνησης ως μη γραμμικοί όροι. Η συνολική πτώση της πίεσης σε κυκλικό κοίτασμα ακτίνας R στο οποίο ανοίγεται φρέαρ 27

31 ακτίνας a και το οποίο έχει ταχύτητα ροής Q m μέσα στο φρέαρ δίνεται από τον παρακάτω τύπο. 2 P ( R) P 2 ( a) A Q m 2 m BQ όπου P(R) είναι η μέση πίεση του στρώματος και P(a) είναι η πίεση στο φρέαρ, ενώ Α και Β είναι οι συντελεστές που εξαρτώνται από τα χαρακτηριστικά του αερίου και του κοιτάσματος. Αυτός ο τύπος χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του φρέατος, αφού δίνει τη σχέση μεταξύ της πίεσης της στατικής κατάστασης και της ροής. Η γραφική της έκφραση ονομάζεται καμπύλη αρχικής πίεσης του φρέατος. Επειδή η παραγωγή από τα κοιτάσματα αερίου άρχισε πριν από τη θεωρητική έρευνα της ροής, οι περισσότερες καμπύλες αρχικής πιέσεως περιγράφονται συνήθως από την ακόλουθη εμπειρική σχέση: Q a P R P n m [ 2 ( ) 2 (a)] στην οποία ο εκθέτης (n) και ο συντελεστής (α) βγαίνουν εμπειρικά. Παρόλο που η θεωρητική και η εμπειρική έκφραση δεν είναι ισοδύναμες, μπορούν να χρησιμοποιηθούν εναλλακτικά, αφού είναι συνήθως μικρότερες από τα λάθη των μετρήσεων. Όταν οι ταχύτητες ροής είναι αρκετά μικρές, όπως σε ορισμένα μέρη του κοιτάσματος μακριά από τις γεωτρήσεις, είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν απλούστεροι νόμοι ροής για υγρά. 1.7 Ποιοτικός Έλεγχος Φυσικού Αερίου Ο ποιοτικός έλεγχος ή αλλιώς έλεγχος ποιότητας είναι το σύνολο των λειτουργικών τεχνικών διαδικασιών που επιβεβαιώνουν την ποιότητα ενός προϊόντος ή υπηρεσίας βάσει συγκεκριμένων προδιαγραφών. Έτσι λοιπόν σε αυτήν την παράγραφο έχουμε να κάνουμε με τον έλεγχο της ποιότητας που αγοράζει και πουλά η ΔΕΠΑ. Έτσι λοιπόν για να μπορούμε να βρισκόμαστε πάντα μέσα στα παραπάνω επιθυμητά όρια, η διαρκή μέτρηση και καταγραφή της ποιότητας γίνεται με ένα Σύστημα Αναλυτών, που περιλαμβάνει τα εξής: 28

32 Δύο χρωματογράφους συνδεδεμένους με υπολογιστικές μονάδες Αναλυτή της πυκνότητας Αναλυτή του σημείου δρόσου Αναλυτή του θείου Ρωσικό Φ.Α Αλγερινό Φ.Α Συστατικό Min% Max% Min% Max% Μεθάνιο 85-85,65 96,6 Αιθάνιο - 7,00 3,2 8,5 Προπάνιο - 3,00-3,00 Βουτάνιο - 2,00 0,00 0,7 Ισοβουτάνιο - - 0,0 0,52 Πεντάνιο - 1,0 0 0,23 CO 2-3, N 2-5,00 0,20 1,40 H 2 S - 5mg/m 3-0,83mg/m 3 S μερκαπτών - 15mg/m 3-2,3mg/m 3 Ολικό θείο - 60mg/m 3-30mg/m 3 ΑΘΔ Kcal/m WOBBE Σ.δρόσου υδρ/κες - 0 ο C - - Σ.δρόσου νερού - -8 ο C - - *Για το ρωσικό Φ.Α ορίζονται ΑΘΔ στους 20 ο C και πίεση 1,01325 bar ενώ για το Αλγερινό ορίζονται στους 0 ο C και 1,01325 bar. Πίνακας 1.4 εισάγεται στην Ελλάδα Χαρακτηριστικά του αερίου που πρέπει να έχει το φυσικό αέριο που 29

33 Παρακάτω γίνεται μια σύντομη περιγραφή των μεθόδων Μέθοδος αέριας χρωματογραφίας Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για την ποσοτική και ποιοτική ανάλυση των παρακάτω: των Υδρογονανθράκων του Υδρογόνου των Ευγενών Αερίων του Οξυγόνου του Διοξειδίου του Άνθρακα του Αζώτου. Η μέθοδος απαιτεί δύο χρωματογραφικές στήλες. Στη μία διαχωρίζεται το Ήλιο, το Υδρογόνο και το Οξυγόνο, που ανιχνεύονται από ένα ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας. Στην άλλη στήλη ανιχνεύονται το Άζωτο, το Διοξείδιο του Άνθρακα και οι Υδρογονάνθρακες. Οι δύο αναλύσεις πραγματοποιούνται ανεξάρτητα και τα αποτελέσματά τους συνδυάζονται. Το δείγμα του προς ανάλυση αερίου δεν πρέπει να περιέ-χει συμπυκνώματα Υδρογονανθράκων ή Νερό. Επίσης οι μετρήσεις συγκρίνονται με την ανάλυση ενός πρότυπου μείγματος αερίου το οποίο είναι 99,9% καθαρό Προσδιορισμός πυκνότητας Σύμφωνα με το ISO καθορίζονται οι μέθοδοι για τον υπολογισμό της θερμογόνου δύναμης, της πυκνότητας και της σχετικής πυκνότητας, όταν οι τιμές των φυσικών ιδιοτήτων των καθαρών συστατικών καθώς και η % μοριακή σύσταση του αερίου είναι γνωστές Ανάλυση σημείου δρόσου Μια μέθοδος για την εύρεση του σημείου δρόσου περιγράφεται στο gas Analysis - determination of the water dew point of natural gas cooled surface condensation hydrometers. 30

34 Το σημείο δρόσου του νερού για μεταφερόμενο δια μέσου αγωγών φυσικό αέριο κυμαίνεται συνήθως μεταξύ των 25 ο C και +5 ο C, που αντιστοιχεί σε συγκεντρώσεις νερού από ppc, ανάλογα με την πίεση του φυσικού αερίου. Μ αυτή τη μέθοδο μετρούμε το περιεχόμενο νερό στο φυσικό αέριο μέσω της μέτρησης του σημείου δρόσου. Μια λεία και στιλπνή μεταλλική επιφάνεια της οποίας η θερμοκρασία μπορεί να μειώνεται και να μετράται με ακρίβεια, εκτίθεται στο δείγμα του Φ.Α που πρόκειται να εξεταστεί. Κατόπιν η επιφάνεια ψύχεται μέχρι τη θερμοκρασία που αρχίζει η πρώτη συμπύκνωση και παρατηρείται η πρώτη σταγόνα. Κάτω απ αυτήν τη θερμοκρασία η συμπύκνωση μεγαλώνει με το χρόνο, ενώ πάνω απ αυτήν, η συμπύκνωση μειώνεται ή δεν συμβαίνει. Η θερμοκρασία που έχει η μεταλλική επιφάνεια είναι το σημείο δρόσου Ανάλυση Θείου Για τον προσδιορισμό του ολικού περιεχομένου S μια μέθοδος ανάλυσης είναι αυτή με υδρογόνωση.(standard test method for total sulfure in natural gas by hydrogenation) Κατ αυτήν την μέθοδο ένα μετρημένο δείγμα φυσικού αερίου αναμιγνύεται με υγρό Υδρογόνο και περνά πάνω από φύλλο λεπτής πλατίνας στους 900 ο C. Το Θείο που περιέχεται στο φυσικό αέριο μετατρέπεται σε Υδρόθειο H 2 S που απορροφάται από διάλυμα Οξικού Ψευδαργύρου και προσδιορίζεται με τη μέθοδο (methyline blue procedure). Η μέτρηση του περιεχομένου του Υδρόθειου H 2 S πραγματοποιείται με την ανάλυση ενός γνωστού δείγματος μ ένα άγνωστο χρησιμοποιώντας μια χρωματομετρική μέθοδο ανάλυσης. Καθαρό Υδρόθειο H 2 S χρησιμοποιείται και αναμιγνύεται ογκομετρικά με το προς ανάλυση αέριο (το οποίο δεν περιέχει θείο), ώστε να δημιουργηθεί ένα δείγμα αναφοράς. Το προς ανάλυση αέριο υγραίνεται και περνά πάνω από χαρτί εμποτισμένο με Οξικό Μόλυβδο, το οποίο κινείται με σταθερή ταχύτητα. Το Υδρόθειο αντιδρά με τον Οξικό Μόλυβδο για να σχηματισθεί Θειούχος Μόλυβδος, ο οποίος προκαλεί μια καφέ κηλίδα στο χαρτί. Η αλλαγή του χρώματος είναι ανάλογη με την περιεχόμενη ποσότητα Υδρόθειου H 2 S. 31

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΚΑΥΣΗ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 2.1 Γενικά Καύση μπορούμε να ονομάσουμε κάθε εξώθερμη αντίδραση ενός υλικού καυσίμου με το οξυγόνο, που όμως συντελείται με αρκετά υψηλό ρυθμό απόδοσης θερμότητας, έτσι ώστε η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά τη διάρκειά της να είναι τεχνικά εκμεταλλεύσιμη. Έτσι η οξείδωση του σιδήρου π.χ. στο περιβάλλον, που είναι εξώθερμη χημική αντίδραση του σιδήρου με το οξυγόνο του αέρα, δεν μπορεί να χαρακτηρισθεί σαν καύση, επειδή ο ρυθμός παροχής της θερμότητας είναι πρακτικά μηδενικός. Κατά την καύση μετατρέπεται η χημική ενέργεια του καυσίμου σε θερμική. Το οξυγόνο που απαιτείται για τη διεξαγωγή της λαμβάνεται από τον αέρα του περιβάλλοντος ή συνυπάρχει με το καύσιμο, όπως στα εκρηκτικά υλικά. Μερικές φορές η καύση γίνεται με καθαρό οξυγόνο, όπως στην περίπτωση των πυραυλοκινητήρων. Όπως σε κάθε χημική αντίδραση έτσι και στην καύση η έρευνα του φαινομένου χωρίζεται σε δύο βασικούς τομείς. Την παρακολούθηση των ουσιών που παίρνουν μέρος στην καύση, από ποιοτική και ποσοτική σκοπιά (δηλαδή τη μελέτη σχηματισμού τους κατά την καύση και τη διατύπωση των σχέσεων μεταξύ ποσοτήτων των αρχικών υλών και των προϊόντων της καύσης). Τα θέματα αυτά εξετάζει η στοιχειομετρία. Τον προσδιορισμό της ταχύτητας της αντίδρασης. Η γνώση του παράγοντα αυτού έχει βασική σημασία για την εκλογή του μεγέθους της μηχανής ή συστήματος για τη λήψη προκαθορισμένης ισχύος. Οι βασικές αντιδράσεις καύσης των αερίων καυσίμων περιγράφονται από τις παρακάτω χημικές αντιδράσεις: C n H m +(n+m/4) O 2 H 2 + 1/2O 2 nco 2 + m/2h 2 O H 2 O CO + ½ O 2 CO 2 32

36 2.2 Σημείο Ανάφλεξης Είναι η κατώτερη θερμοκρασία στην οποία αν θερμανθεί το καύσιμο, αναφλέγεται κάτω από ορισμένες συνθήκες, αν το πλησιάσει μια πηγή θερμότητας, αλλά δεν συνεχίζει να καίγεται όταν απομακρυνθεί η πηγή. ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΑΝΑΦΛΕΞΗΣ ΓΙΑ ΟΡΙΣΜΕΝΑ ΑΕΡΙΑ Αέριο Υδρογόνο 400 Μον. Άνθρακα. 605 Μεθάνιο 537 Ακετυλένιο 310 Αιθάνιο 515 Προπάνιο 493 Ισοβουτάνιο 460 Βουτάνιο 365 ο C Πίνακας 2.1 Θερμοκρασία ανάφλεξης για ορισμένα αέρια 2.3 Σημείο Καύσης Είναι η κατώτερη θερμοκρασία του καυσίμου στην οποία αναφλέγεται και συνεχίζει να καίγεται και μετά την απομάκρυνση της πηγής της έναυσης. 2.4 Σημείο Αυτανάφλεξης Είναι η θερμοκρασία, στην οποία αν θερμανθεί το καύσιμο, αναφλέγεται κάτω από ορισμένες συνθήκες, χωρίς την προσέγγισή του από πηγή θερμότητας. Η ανάφλεξη εξαρτάται από την ικανότητα και την ταχύτητα αντίδρασης του καυσίμου με το οξυγόνο, αλλά και από παράγοντες όπως π.χ το μέγεθος του κόκκου του και την υγρασία του, η θερμοκρασία του περιβάλλοντος, η θερμική ακτινοβολία που δέχεται ή προσδίδει στο περιβάλλον, η ταχύτητα του αέρα της καύσης, ο βαθμός διασκορπισμού του (προκειμένου περί υγρού καυσίμου), δηλαδή μια σειρά από φυσικά ή κατασκευαστικά μεγέθη. 33

37 2.5 Φλόγα Όταν το μίγμα του αερίου καίγεται σχηματίζεται φλόγα. Η φλόγα είναι επομένως η περιοχή ή ο χώρος οπού γίνεται η χημική αντίδραση της καύσης. Επίσης από το χρώμα της φλόγας μπορούμε να καταλάβουμε αν είναι τέλεια ή ατελής καύση (Εικόνα 2.1). Εικόνα 2.1 Χρώματα της φλόγας για ατελή και τέλεια καύση 2.6 Θεωρητική Ποσότητα Αέρα Η θεωρητική ή στοιχειομετρική ποσότητα του αέρα που απαιτείται για την τέλεια καύση της μονάδας του όγκου ή του βάρους ενός καυσίμου καλείται θεωρητικός αέρας και εκφράζεται για τα αέρια καύσιμα σε m 3 ανά m 3 αερίου. Ο παρακάτω πίνακας 2.2 μας δίνει την ποσότητα το οξυγόνου που απαιτείται για τη στοιχειομετρική καύση ορισμένων αέριων καύσιμων, την ποσότητα του αζώτου που υπάρχει στον αέρα, καθώς και το θεωρητικό αέρα (O 2 +N 2 ) για το κάθε αέριο. Ο στοιχειομετρικός αέρας που απαιτείται για ένα καύσιμο μπορεί να υπολογισθεί, όταν είναι γνωστή η σύσταση και η συγκέντρωση των συστατικών του στη μονάδα του όγκου ή του βάρους του καυσίμου. 34

38 ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΟΣ ΑΕΡΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΥΣΗ ΟΡΙΣΜΕΝΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ Ένωση Τύπος Ο 2 m 3 (1) N 2 m 3 (2) (O 2 +N 2 )m 3 (3) Μεθάνιο CH 4 2 7,52 9,52 Αιθάνιο C 2 H 6 3,5 13,17 16,67 Προπάνιο C 3 H ,81 23,81 Βουτάνιο C 4 H 10 6,5 24,45 30,95 Πεντάνιο C 5 H ,10 38,10 Εξάνια C 6 H 14 9,5 35,74 45,24 Διοξείδιο του άνθρακα Μονοξείδιο του άνθρακα CO CO 0,5 1,88 2,38 Υδρογόνο H 2 0,5 1,88 2,38 Πίνακας 2.2 Απαραίτητος αέρας για την καύση ορισμένων ενώσεων (1) Τα m 3 O 2 που απαιτούνται για την ολική καύση 1m 3 ένωσης. (2) Τα m 3 N 2 αναμεμειγμένου με το Ο 2, που είναι απαραίτητο για τη θεωρητική καύση της ένωσης(στον ατμοσφαιρικό αέρα σε κάθε m 3 οξυγόνου αντιστοιχούν 3,762 m 3 αζώτου) (3) Τα m 3 του αέρα που είναι απαραίτητος για την θεωρητική καύση 1m 3 ένωσης. 2.7 Θεωρητική Ποσότητα Καυσαερίων Θεωρητικά καυσαέρια καλούνται τα προϊόντα που προκύπτουν από τη στοιχειομετρική καύση της μονάδας του όγκου ή του βάρους ενός καυσίμου. Ο πίνακας 2.3 δίνει την σύσταση και την ποσότητα των ξηρών και υγρών θεωρητικών καυσαερίων που παράγονται από την καύση 1 m 3 κάποιων αερίων καυσίμων, όταν το οξυγόνο λαμβάνεται από τον ατμοσφαιρικό αέρα. Τα θεωρητικά καυσαέρια αποτελούνται από διοξείδιο του άνθρακα και άζωτο, ενώ τα υγρά προϊόντα της καύσης περιέχουν νερό υπό μορφή υδρατμών. 35

39 Όπως για το θεωρητικό αέρα, μπορούμε να υπολογίσουμε τα θεωρητικά καυσαέρια ενός καυσίμου γνωρίζοντας την εκατοστιαία σύσταση του κατ όγκου ή του βάρους. ΘΕΩΡΗΤΙΚΑ ΚΑΥΣΑΕΡΙΑ (καύση με αέρα) Ένωση CO 2 (1) H 2 O (2) N 2 (3) (4)Ξηρά θεωρητικά καυσαέρια (5)Υγρά θεωρητικά καυσαέρια Μεθάνιο 1 2 7,52 8,52 10,52 Αιθάνιο ,17 15,17 18,17 Προπάνιο ,81 21,81 25,81 Βουτάνιο ,45 28,45 33,45 Πεντάνιο ,10 35,10 41,10 CO CO 1-1,88 2,88 2,88 Υδρογόνο ,88 1,88 2,88 Πίνακας 2.3 Σύσταση και ποσότητα των ξηρών και υγρών θεωρητικών καυσαερίων (1) Tα m 3 CO 2 που παράγονται από την καύση 1 m 3 της ένωσης. (2) Τα m 3 νερού που παράγονται από την καύση 1 m 3 της ένωσης. (3) Τα m 3 N 2 αναμεμειγμένων με το Ο 2 που απαιτείται για την οξείδωση του C και του Η (4) Τα m 3 ξηρών καυσαερίων που παράγονται από την καύση 1 m 3 της ένωσης. (5) Τα m 3 υγρών καυσαερίων που παράγονται από την καύση 1 m 3 της ένωσης (ξηρά καυσαέρια + νερό υπό μορφή υδρατμού) 2.8 Έλεγχος της Καύσης Σαν έλεγχος της καύσης νοείται κατά κανόνα η ανάλυση των προϊόντων της καύσης με σκοπό να διαπιστωθεί, αν το φαινόμενο λαμβάνει χώρα με το σωστό τρόπο. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η ατελής καύση και η μεγάλη περίσσεια αέρα οδηγούν σε σπατάλη ενέργειας και συνεπώς σε μείωση της απόδοσης. 36

40 Ο υπολογισμός της περίσσειας ή της έλλειψης αέρα, που χρησιμοποιείται κατά τη διάρκεια της καύσης, μπορεί να γίνει εύκολα με τα τριγωνικά διαγράμματα που μελετήθηκαν από τον Ostwald, τα ονομαζόμενα και τρίγωνα καύσης. 2.9 Το Τρίγωνο Καύσης (κατά Ostwald) Τα τριγωνικά διαγράμματα επιτρέπουν τη συσχέτιση τεσσάρων ποσοστιαίων ογκομετρικών μεγεθών CO 2, O 2, CO και περίσσειας αέρα. Η κατασκευή του διαγράμματος προϋποθέτει ότι α) είναι δεδομένη η ποσοστιαία σύσταση του καυσίμου, β) κατά τη διάρκεια της καύσης δεν υπάρχει συσχετισμός αιθάλης και γ) ότι το υδρογόνο του καυσίμου καίγεται τελείως αφήνοντας σαν μοναδικό προϊόν της ατελούς καύσης στα καυσαέρια το μονοξείδιο του άνθρακα (CO). Το διάγραμμα αποτελείται από ένα ορθογώνιο τρίγωνο, όπου στη μία κάθετη πλευρά, την τετμημένη, αναγράφεται η ποσοστιαία περιεκτικότητα του O 2 και στην άλλη κάθετη πλευρά, την τεταγμένη, αναγράφεται η ποσοστιαία περιεκτικότητα του CO 2. Η υποτείνουσα αποτελείται από το σύνολο των σημείων τέλειας καύσης του άνθρακα του καυσίμου με διάφορες τιμές περίσσειας αέρα. Οι ποσοστιαίες τιμές μονοξειδίου του άνθρακα αντιπροσωπεύονται από μία σειρά ευθύγραμμων τμημάτων παράλληλων προς την υποτείνουσα. Σε κάθε καύσιμο αντιστοιχεί ένα διάγραμμα Ostwald Υπολογισμός της Απόδοσης Καύσης (π.χ για λέβητα) Σαν απόδοση καύσης ενός λέβητα ορίζεται ο λόγος της διαθέσιμης ωφέλιμης ενέργειας (θερμότητα που μεταδόθηκε στο νερό ή ατμό) και της ενέργειας που παρέχεται από το καύσιμο. Ο λόγος είναι συνήθως μικρότερος της μονάδας και εκφράζεται σε εκατοστιαίο ποσοστό. Δύο είναι τα κυριότερα στοιχεία που επηρεάζουν την απόδοση ενός λέβητα. I. Οι απώλειες από τα τοιχώματα του II. Οι απώλειες της αισθητής θερμότητας από την καμινάδα. Φυσικά αυτό ισχύει με την προϋπόθεση ότι τα καυσαέρια δεν περιέχουν άκαυστες ύλες. Στους λέβητες που κυκλοφορούν συνήθως στο εμπόριο οι απώλειες θερμότητας από τα τοιχώματα του λέβητα είναι πολύ περιορισμένες από 1% έως 4%, αφού οι κατασκευάστριες εταιρίες μεριμνούν ιδιαίτερα γι αυτό. 37

41 Εικόνα 2.2 Ενδεικτικό διάγραμμα Ostwald Οι απώλειες αισθητής θερμότητας από την καμινάδα μπορούν να είναι λιγότερο ή περισσότερο σημαντικές και όπως προαναφέρθηκε εξαρτώνται από τη θερμοκρασία των καυσαερίων και την περίσσεια αέρα. Για τον υπολογισμό των απωλειών της αισθητής θερμότητας είναι ιδιαίτερα χρήσιμη η παρακάτω εξίσωση. Q s k t f t co 2 a o o 38

42 όπου : Q s =απώλεια της αισθητής θερμότητας % t f =θερμοκρασία καυσαερίων t a =θερμοκρασία του αέρα της καύσης. CO 2 =ποσοστό διοξειδίου του άνθρακα που υπάρχει στα καυσαέρια βάση της ανάλυσης των καυσαερίων. Κ =δείκτης ίσος προς 0,379+0,0097*CO 2 %(για το φυσικό αέριο) Απλουστευτικά η απόδοση του λέβητα μπορεί να υπολογισθεί εφόσον είναι γνωστές οι απώλειες της αισθητής θερμότητας. Θεωρώντας ότι τα προϊόντα της καύσης δεν περιέχουν άκαυστες ύλες και ότι η απώλεια θερμότητας από τα τοιχώματα του λέβητα είναι αμελητέα ισχύει η παρακάτω εξίσωση. Απόδοση %= Q s % Η απόδοση που υπολογίζεται από την παραπάνω σχέση με περισσότερη ακρίβεια ονομάζεται <<Απόδοση καύσης>> 2.11 Όργανα Ελέγχου της Καύσης Τα όργανα ανάλυσης που κατά κανόνα χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της καύσης διακρίνονται σε σταθερά και φορητά. Τα πρώτα εγκαθίστανται σε λεβητοστάσια με λέβητες μεγαλύτερης ισχύος από 1 εκατομμύριο Kcal. Η εγκατάσταση αυτών των οργάνων προβλέπεται από τους κανονισμούς. Οι φορητοί αναλυτές, που χρησιμοποιούνται τόσο για τους περιοδικούς ελέγχους όσο και για την ρύθμιση των καυστήρων, διακρίνονται σε δύο τύπους, τους χειροκίνητους και τους αυτόματους. Οι πλέον διαδεδομένοι χειροκίνητοι αναλυτές βασίζονται στην αρχή της απορρόφησης ενός αερίου από ένα συγκεκριμένο υγρό. Στην αρχή αυτή βασίζονται οι αναλυτές Bacharch & Οrsat για την ανίχνευση του οξυγόνου και του διοξειδίου του άνθρακα. Ο αναλυτής Orsat εκτός από τα παραπάνω μπορεί να ανιχνεύσει και άλλα αέρια όπως μονοξείδιο, μεθάνιο, υδρογόνο. Για την ανίχνευση του μονοξειδίου του άνθρακα χρησιμοποιούνται συνήθως ειδικές αντλίες εμφύσησης (πνεύμονες), όπου εφαρμόζονται 39

43 βαθμολογημένοι σωλήνες που περιέχουν άλατα, το χρώμα των οποίων μεταβάλλεται όταν έλθουν σε επαφή με το μονοξείδιο του άνθρακα, δείχνοντας έτσι την περιεκτικότητα της ένωσης σε μονοξείδιο του άνθρακα. Πρόκειται για όργανο που έχει τη δυνατότητα να ανιχνεύει πολλά αέρια, με την εφαρμογή διαφόρων σωλήνων για κάθε αέριο που πρόκειται να ανιχνευθεί. Εικόνα 2.3 Ένας αναλυτής Bacharch με τον ανιχνευτή του για τη λήψη του δείγματος των καυσαερίων στο πάνω μέρος της εικόνας αριστερά, το σχήμα ενός αναλυτή orsat κάτω αριστερά και μια αντλία εμφύσησης στα δεξιά της εικόνας. Οι αυτόματοι αναλυτές βασίζονται σε διαφορετικές αρχές λειτουργίας, ανάλογα με την ουσία που πρόκειται να ανιχνευθεί, αλλά οι περισσότεροι φορητοί αυτόματοι αναλυτές που διατίθενται σήμερα στο εμπόριο χρησιμοποιούν για την μέτρηση της ένωσης την ηλεκτροχημική κυψέλη. Η κυψέλη περιέχει ουσίες ευαίσθητες στο αέριο που πρόκειται να ανιχνευθεί και το οποίο, όταν υπάρχει, προκαλεί ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα χαμηλής τάσης. Στο κύκλωμα της μέτρησης παράγεται επομένως ρεύμα με ένταση ανάλογη προς τη συγκέντρωση του εξεταζόμενου αερίου, που οπτικοποιείται με δείκτη ή ψηφιακά συστήματα. Οι φορητοί αυτόματοι αναλυτές παραδίδονται συνήθως μέσα σε βαλιτσάκια, 40

44 που εκτός από το όργανο περιλαμβάνουν και τις διατάξεις λήψης αερίων. Ορισμένες από αυτές τις συσκευές, εκτός από την ανάλυση των προϊόντων της καύσης, δείχνουν απευθείας και τη θερμοκρασία των αερίων της καύσης και την απόδοση του λέβητα. 41

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΚΑΙ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 3.1 Αποθήκευση σε Αέρια Κατάσταση Οι πελάτες που χρησιμοποιούν το φυσικό αέριο υγραέριο δεν το καταναλίσκουν σταθερά και ομοιόμορφα κατά τη διάρκεια της ημέρας, της εβδομάδας ή του έτους, αλλά διακεκομμένα και ανομοιόμορφα, ενώ η βιομηχανία παραγωγής των αερίων προτιμά την όσο δυνατό σταθερή παραγωγή του. Έτσι δημιουργείται η ανάγκη αποθήκευσης του περίσσιου αερίου μέσα σε αεριοφυλάκια, ώστε να μπορούν να τροφοδοτηθούν τα δίκτυα διανομής σε ώρες αιχμής. Η αποθήκευση αυτή, για την αντιμετώπιση της εποχιακής διακύμανσης της ζήτησης αερίου από τον καταναλωτή, παρουσίασε μεγάλα προβλήματα. Έτσι αρχικά βρέθηκαν οι παρακάτω λύσεις: Να χρησιμοποιούν τα εξαντλημένα κοιτάσματα φυσικού αερίου, πετρελαίου εισάγοντας μέσα φυσικό αερίο - υγραέριο. Ακολουθώντας την ίδια λογική αναζητήθηκαν υπόγειοι γεωλογικοί σχηματισμοί υδροφόρου άμμου στους οποίους εισαγόταν με ισχυρή πίεση το αέριο, και απωθώντας το υπόγειο νερό, καταλάμβανε τη θέση του (Εικόνα 3.2). Έπρεπε βέβαια προηγουμένως να εξασφαλιστεί η στεγανότητα του μέρους. Τέλος μια άλλη λύση είναι το να ανοίγονται μέσα στη γη υπόγεια σπήλαια. Στη Γαλλία το πρώτο υπόγειο σπήλαιο ήταν στην Τερσάν μέσα σ ένα στρώμα άλατος σε βάθος μέτρων κάτω από το έδαφος, οπού το αέριο αποθηκευόταν με πίεση 200 bar (Εικόνα 3.1). 3.2 Αποθήκευση σε Υγρή Κατάσταση Όταν το αέριο μπορεί να υγροποιηθεί τότε στην υγρή του κατάσταση καταλαμβάνει πολύ μικρότερο χώρο από ότι στην αέρια κατάσταση. Για παράδειγμα το υγρό μεθάνιο καταλαμβάνει 600 φορές μικρότερο όγκο από ό,τι το αέριο. Το παραγόμενο βιομηχανικό αέριο που περιέχει σημαντική ποσότητα υδρογόνου είναι πρακτικά αδύνατο να υγροποιηθεί. Αντίθετα το φυσικό αέριο, το προπάνιο και το βουτάνιο υγροποιούνται πιο εύκολα. Έτσι στην ατμοσφαιρική πίεση το βουτάνιο υγροποιείται στους 0 o C το προπάνιο στους 42