Materiał powstał we współpracy z Endress+Hauser

Kryzys energetyczny, jaki zaczął się jesienią 2021 roku, a kilka miesięcy później – po rosyjskim ataku na Ukrainę – został gwałtownie spotęgowany, doprowadził do sytuacji, w której świat uświadomił sobie ryzyka związane z uzależnieniem od tradycyjnych paliw oraz zwyczajowych dostawców. Poszukiwanie alternatyw, które wcześniej było domeną raczej laboratoriów i naukowców, bardzo szybko stało się fundamentem pracy rządowych planistów i przedsiębiorców.

Widać to doskonale na przykładzie skroplonego gazu ziemnego (LNG), wcześniej traktowanego na świecie raczej jako uzupełnienie dostaw gazu naturalnego. Dziś LNG jest traktowany jako równoprawna alternatywa swojego naturalnego odpowiednika, a rejsy gazowców są uważnie śledzone przez media i opinię publiczną. Można przewidywać, że wraz z rozwojem kolejnych technologii energetycznych oraz paliw alternatywnych – jak bioLNG, biometan czy wodór – dostawy tych substancji będą traktowane z podobną uwagą.

Trzeba mieć jednak świadomość, że wyprodukowanie tych paliw to niejedyne wyzwanie, przed którym stoimy. Aby stały się one częścią energetycznego krwiobiegu państw, należy m.in. wypracować efektywne i wiarygodne metody pomiaru ich przepływu i rozliczania pomiędzy podmiotami – tylko w ten sposób przecież będzie można nimi handlować. Zarówno dostawca, jak i odbiorca chcą wiedzieć, czy wyprodukowano, dostarczono, odebrano – a wreszcie zużyto – zakontraktowaną ilość surowca. Dla dostawców aparatury pomiarowej to niemałe wyzwanie.

Nowy fundament energetyki

Skalę wyzwań dobrze widać na przykładzie LNG. To paliwo – zanim zamieni się w zużywaną przez nas energię – przechodzi długą drogę: od procesu wydobycia, oczyszczenia, skroplenia po jego transport i późniejszą regazyfikację w miejscu docelowym. W obliczeniach stosuje się wzory wykorzystujące takie parametry, jak objętość, gęstość i ciepło spalania (liczone w MMBtu/kg), uwzględnia się także pewne z góry ustalone korekty dla gazu odparowanego podczas przesyłania i zużytego do transportu/rozładunku.

Kluczowy dla rozliczeń pomiar tych wartości odbywał się dotychczas przy użyciu chromatografu gazowego, który dokonywał pomiaru zwykle po odparowywaniu fazy ciekłej. W aplikacjach dynamicznych, czyli np. procesach załadunku czy rozładunku paliwa, problemem nie jest samo urządzenie do pomiaru jakości gazu (bo jeśli ten gaz się mu dostarczy, to mierzy dobrze), a sam proces jego odparowania do fazy gazowej. Dlatego takim „Świętym Graalem" był pomiar bezpośrednio na fazie ciekłej w warunkach kriogenicznych. Zapewnienie odpowiednich warunków dla jego dokonania jest procesem kosztownym, czaso- i pracochłonnym.

Tu z pomocą nadciągają nowe technologie. Zainicjowany w 2017 r. projekt „Metoda Ramana do oznaczania i pomiaru składu LNG", w którym uczestniczyły Shell Global Solutions International, Endress+Hauser i jako gospodarz testów – belgijski terminal LNG, którego operatorem jest firma Fluxys, może ustanowić nowy standard pomiarów. Wykorzystanie spektroskopii ramanowskiej – a zatem użycie światła lasera oddziałującego z drganiami molekularnymi składników gazu – mogłoby uprościć i usprawnić procesy związane z oceną parametrów skroplonego gazu ziemnego: analizator ramanowski łatwiej zamontować w instalacjach procesowych, szybciej reaguje on na zmiany procesowe (zaburzające pomiar zwłaszcza w aplikacjach dynamicznych, takich jak załadunek na cysterny czy rozładunek na stacjach regazyfikacji), jego wydajność spełnia przyjmowane za standard kryteria, a docelowy wymóg dostępności został spełniony w 99 proc. Sprzyja to redukcji kosztów operacyjnych. Przetestowany system działał bez alarmów lub interwencji konserwacyjnych przez cały, sześciomiesięczny okres oceny – dając dowód niezawodności i dokładności tej metody.

Metan w lokalnym wydaniu

O ile LNG jest domeną międzynarodowego rynku surowcowego i wielkich kontraktów, to już bioLNG (skroplony biometan) jest jego lokalną alternatywą.

– BioLNG, jeśli chodzi o właściwości, jest niemalże tym samym medium, co LNG. Pod względem fizycznym jest niemal identyczny, inne jest jego źródło pochodzenia – podkreśla Przemysław Kubaszewski, Industry Manager Endress+Hauser Group. – W jego przypadku w naszych krajowych zasobach drzemie potencjał, który może być wykorzystany dla produkcji paliwa o ujemnym śladzie węglowym – dodaje.

Dziś pierwotna postać bioLNG, czyli biogaz, jest używana do produkcji energii elektrycznej. Niestety w skali kraju wykorzystujemy wciąż jedynie ułamek potencjału rynku biogazu, jaki posiadamy. Ale i spożytkowanie takich dostaw na potrzeby energetyczne nie jest proste. Biogaz rolniczego pochodzenia nie nadaje się do bezpośredniego skroplenia – zawiera mniej metanu niż gaz ziemny a także występują w nim związki niepożądane: CO2, azot czy para wodna. Dlatego należy go poddawać procesowi uzdatniania, który oczywiście wymaga skrupulatnego pomiaru składników takich jak CO2, wilgoć czy siarkowodór H2S.

Instalacje biometanowe czy bioLNG nie będą posiadały tak licznej i zaawansowanej obsługi, jak duże kopalnie gazu czy instalacje skraplania. To istotny problem, bo wymagania stawiane instalacjom „bio" są tak samo rygorystyczne, jak w przypadku tych standardowych. W związku z tym musimy postawić na elementy instalacji, które w maksymalny sposób redukują koszty operacyjne i nie wymagają częstych przeglądów oraz kalibracji. Tu pojawia się miejsce dla wykorzystania np. urządzeń opartych na przestrajalnym laserze diodowym (TDLAS). Raz jeszcze promienie lasera pozwalają znacznie skrócić czas wykrycia zanieczyszczeń w próbce.

Do badania bioLNG ponownie przydaje się spektroskopia Ramana – tym razem przy załadunku cystern ze skroplonym biometanem. I tu – bardziej nawet niż w przypadku dostaw drogą morską, metanowcami – ważną rolę odgrywa skrupulatny pomiar transportowanej partii surowca. Tymczasem spektroskopia ramanowska pozwala wyznaczyć wartość opałową surowca z interwałem kilkusekundowym, co odzwierciedla kaloryczność całej partii.

Gotowy produkt musimy jeszcze w jakiś sposób rozliczyć ilościowo. Zgodnie z polskim prawem, a także europejskimi dyrektywami mamy dwie możliwości. Stworzenie układu nalewczego, będącego czymś w rodzaju „stacji benzynowej" dla cystern kriogenicznych, albo zbudowanie wagi pomiarowej. Obie metody są szeroko stosowane dla rozliczenia paliw tradycyjnych na dużych terminalach paliw. Z bioLNG/LNG jest jednak pewien szkopuł, który z punktu widzenia transportu tego paliwa miał być wybawieniem. Objętość bioLNG/LNG jest zredukowana niemal sześćsetkrotnie w stosunku do gazu ziemnego – w związku z tym każdy najmniejszy błąd pomiarowy generuje bardzo duże różnice w wartości przekazywanego towaru. Nawet tak błaha sprawa jak błoto czy śnieg na cysternie mogą spowodować w ostatecznym rozliczeniu spore zmiany.

Tego typu instalacje muszą być tworzone we współpracy z firmami mającymi doświadczenie nie tylko w paliwach tradycyjnych, ale również tych „nowych". W tej kwestii nie ma dróg na skróty – zarówno z perspektywy spełnienia wymogów technicznych, jak i prawnych dotyczących instalacji.

Budulec wszechświata wraca do łask

Biorąc pod uwagę ilość doniesień o projektach badawczych i możliwych przyszłych zastosowaniach, otwiera się także gigantyczny rynek dla wodoru.

– Podstawowy budulec wszechświata w ostatnim czasie wrócił do łask wielkiego przemysłu – podkreśla Przemysław Kubaszewski. – Dlaczego wodór? Po pierwsze, stosunkowo łatwo go wytworzyć z powszechnie dostępnych produktów. Jednym jest problematyczny dziś gaz ziemny, ale w przyszłości większość wodoru ma pochodzić z wody poprzez reakcję elektrolizy. Obecnie prowadzone są już projekty, gdzie elektrolizery mają moc kilkudziesięciu, a nawet – w fazach koncepcyjnych – kilkuset MW – wskazuje ekspert. – Pozostaje zagadką, w jaki sposób wodór odnawialny będzie wykorzystywany. Osobiście wierzę w jego wykorzystanie jedynie w wielkiej skali, do produkcji zeroemisyjnych paliw i gazów syntetycznych. Przykładem może być pierwsza zeroemisyjna fabryka etylenu DOW.

O szansach, jakie stwarza to paliwo, dobitnie świadczy ilość energii zawarta w 1 kg wodoru – jest niemal trzykrotnie większa niż ta w analogicznej ilości gazu ziemnego. Niska gęstość wodoru wymaga jednak sprężania do bardzo wysokich ciśnień, choćby na potrzeby transportu. Inną cechą jest trudność mierzenia przepływu tego paliwa. Nie sprawdzą się tu przepływomierze elektromagnetyczne, a przepływomierze termiczne mogą nie podołać zadaniu dostarczenia wiarygodnego pomiaru.

Rozwiązaniem mogą okazać się przepływomierze masowe.

– W czujniku przepływomierza umieszczone są rury pomiarowe – opisuje Kubaszewski. – Element zbudzający wprawia rurę w drgania z częstotliwością rezonansową. Czujniki weryfikują drgania rury: gdy nie ma przepływu – rura drga równomiernie, gdy zaczyna przepływać medium – jego bezwładność powoduje falowanie rury. Siła Coriolisa powoduje, że część wlotowa i wylotowa drga w różnych kierunkach. Wynikiem pomiaru jest bezpośredni pomiar masy, nie potrzebujemy żadnej kompensacji ciśnieniowo-temperaturowej, by określić faktyczną ilość medium – dodaje. Takie rozwiązanie jest fundamentem przepływomierza –Promass Q – wykorzystującego opatentowaną metodę Multi Frequency Technology (MFT).

– Należy jednak pamiętać, że obecnie formułujemy dla wodoru zupełnie inne wymagania niż kilka lat temu, kiedy cały wodór z zakładów produkcyjnych (rafinerii, fabryk nawozów, koksowni) pozostawał w obrębie zakładu. Teraz chcemy go transportować – zarówno w gazie ziemnym, dedykowanymi rurociągami, jak i transportem kołowym – co tworzy szereg wyzwań pomiarowych. Pod względem metrologicznym wodór jest chyba jednym z najtrudniejszych mediów do zmierzenia w zadawalających zakresach, a jeśli dodamy do tego parametry ciśnieniowe rzędu kilkuset barów, okazuje się, że portfolio dostawców redukujemy do zaledwie kilku – podkreśla Kubaszewski. – Oczywiście rynek nie lubi próżni, a dostawcy aparatury kontrolno-pomiarowej pracują nad ewolucją dotychczasowych, a także tworzeniem nowych urządzeń – dodaje.

Niewątpliwie, szykując się do zielonej transformacji albo chcąc zadbać o bezpieczeństwo energetyczne państwa w obliczu chaosu na rynkach surowcowych – techniczne kwestie, jak efektywność i wiarygodność pomiarów, zyskują na znaczeniu. Nie będzie obrotu alternatywnymi surowcami, jeśli nie da się zmierzyć ich właściwości i ilości dostarczanych klientom. Na rozwiązania stwarzające warunki dla powstawania rynków nowych paliw należy zatem zwracać szczególną uwagę.

Materiał powstał we współpracy z Endress+Hauser