Kocioł na węgiel, gaz i olej – który jest najbardziej “ekologiczny”? Ile dwutlenku węgla emituje węgiel?

• Kocioł na gaz, olej czy węgiel - który z nich powoduje największe emisje?
• Czy politycy wiedzą, o czym mówią, gdy chodzi o emisje?
• Jak obliczyć emisje dwutlenku węgla? Czy to możliwe, że z tony węgla powstają 3 tony CO₂?

Dla niewtajemniczonych - już w 2040 roku wszystkie paliwa kopalne mają być zdelegalizowane jako nośnik energii w budynku. Data wydaje się odległa, ale jest to raptem 16 lat, czyli względnie niedługo. Gdybyśmy przenieśli się wstecz o taki czas, to mielibyśmy właśnie przed sobą światowy kryzys finansowy, który większość z nas doskonale pamięta. Postanowiliśmy więc w redakcji przyjrzeć się, jakie źródła ciepła są najbardziej szkodliwe, biorąc pod uwagę emisję miejscową. 

Założenia analizy - przykładowy budynek

Do tego celu potrzebne było przyjęcie kilku założeń, a przede wszystkim zapotrzebowanie na energię w budynku. Przyjęto, że jest to dom jednorodzinny o powierzchni 150 m² i zapotrzebowaniu na energię użytkową na poziomie 100 kWh/(m²·rok). Oznacza to standard budynku mieszczący się w standardzie pomiędzy WT 2008 a WT 2014. Ponadto wzięliśmy średnie sprawności poszczególnych urządzeń grzewczych, a sprawność pozostałej części systemu grzewczego przyjęliśmy na poziomie 74%. W tym celu skorzystano z metodologii sporządzania świadectw charakterystyki energetycznej, gdzie wyszczególniono sprawności przesyłu, akumulacji i wykorzystania ciepła. W analizie pominięto zapotrzebowanie na energię elektryczną do zasilania pomp obiegowych i sterowania. 

Kluczowym elementem opracowania są wskaźniki emisji. To właśnie od nich zależy, jakie emisje są przyporządkowywane konkretnym urządzeniom grzewczym i paliwom. W Polsce instytucją, która ustala wskaźniki emisji, jest Krajowy Ośrodek Bilansowania i Zarządzania Emisjami (KOBiZE). Na każdy rok określane są wskaźniki emisji dla tych głównych i najgroźniejszych zanieczyszczeń, a wśród nich: pyły, dwutlenek węgla, tlenek węgla, tlenki siarki, tlenki azotu i benzo(a)piren. Tak jest w przypadku paliw gazowych, płynnych i stałych - dla energii elektrycznej te wskaźniki odnoszą się do mniejszego zbioru zanieczyszczeń. 

• Zobacz również: Czy na pewno wiesz, czym jest termomodernizacja?

Urządzenia grzewcze i emisja pyłów - węgiel najgorszy?

Do analizy wzięliśmy aż sześć urządzeń grzewczych, które działają na trzy różne paliwa - na gaz ziemny, olej opałowy i węgiel kamienny. W przypadku tych dwóch pierwszych wybrano kotły kondensacyjne, a z kolei kotły węglowe wzięto cztery: 

• ręczny niespełniający wymagań Ekoprojektu lub klasy 5,
• automatyczny niespełniający wymagań Ekoprojektu lub klasy 5,
• ręczny spełniający wymagania Ekoprojektu lub klasy 5,
• automatyczny spełniający wymagania Ekoprojektu lub klasy 5.

W zależności od sprawności źródła ciepła i wskaźników emisji możemy określić, które z wymienionych urządzeń grzewczych powoduje największe emisje. Korzystając z opublikowanych przez KOBiZE w grudniu 2023 roku wskaźników, obliczyliśmy emisje wymienionych zanieczyszczeń. Najpierw przyjrzyjmy się pyłowi - całkowitemu, PM10, PM2,5.

Nie dziwi, że to węgiel ma największe emisje pyłów w porównaniu do paliwa gazowego i ciekłego. Najgorzej wypada kocioł niespełniający wymagań Ekoprojektu z ręcznym podawaniem paliwa. Zanim przejdziemy do małego porównania, wyjaśnijmy, czym jest pył całkowity, ponieważ brzmi on nieco zagadkowo. Co do zasady pył PM2,5 to pył o wielkości ziaren poniżej 2,5 μm, PM10 to pyły o średnicy poniżej 10 μm, a pył całkowity to pozostałe pyły większe niż 10 μm. Najgorsze w nich jest to, że często w ich skład wchodzą wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, które są szkodliwe dla naszego zdrowia. Dodatkowo w ich skład może wchodzić siarka, metale ciężkie, dioksyny i alergeny. Urządzenie o najgorszych parametrach w ciągu roku w analizowanym budynku wyemitowałoby aż 81,6 kg pyłów! Dla porównania - jest to średnia masa mężczyzny w Polsce. Przy podawaniu automatycznym ta emisja spada do 25,2 kg. Dzięki kotłom w Ekoprojekcie emisje spadają w ujęciu rocznym do ok. 7 kg. 

Emisje zanieczyszczeń - skąd się biorą?

Właściwie emisje pozostałych zanieczyszczeń układają się analogicznie do emisji pyłów. Najwięcej bezklasowe kotły na węgiel, a najmniej kondensacyjne kotły na gaz ziemny. Poniżej możemy zobaczyć wyniki obliczeń na podstawie metodologii KOBiZE.

Przy okazji emisji wyszczególnionych powyżej możemy w końcu się rozwinąć. Każdy z nas wie, w jaki sposób każdy z wymienionych związków działa na nasze zdrowie. Czy jednak wiemy, jak to się dzieje, że z podanego do kotła paliwa w spalinach mamy wymienione związki? Obecność węgla w węglu i węglowodorach jest oczywista, ale w paliwach grzewczych znajdują się także azot i siarka. Co więcej, azot jest w powietrzu, które bierze udział w procesie spalania. Oprócz azotu mamy w powietrznej mieszance tlen. To on tworzy kolejne tlenki, wchodząc w reakcje w trakcie spalania. To wyjaśnia, dlaczego mamy tak dużą emisję dwutlenku węgla. Nie można zakłamywać faktu, że to właśnie CO₂ jest w procesie spalania najbardziej pożądanym efektem końcowym. Innym efektem spalania jest tlenek węgla, czyli bezwonny i śmiertelny dla człowieka czad. Pod tym kątem najbardziej bezpieczne są źródła na paliwa gazowe i ciekłe. 

Obiegowa opinia jest wszystkim znana, a zatrucie tlenkiem węgla występuje, gdy nie ma doprowadzanej odpowiedniej ilości powietrza do paleniska. Co do zasady trudno jest też wtedy podtrzymywać płomień. W momencie, gdy do porcji węgla damy za mało powietrza z tlenem, to równanie reakcji chemicznej wygląda następująco: 2C + O₂ → 2CO. W momencie, gdy stosunek tlenu do węgla w procesie spalania jest większy, to wówczas reakcja wygląda tak 2C + 2O₂ → 2CO₂. 

Emisja w kilogramach? 

Dobrze - w przypadku pyłów łatwo jest zrozumieć, że emisję wyraża się w jednostkach masy. W zimowe dnia widzimy go na szybach, maskach samochodów, czy wreszcie obserwując smog. Dwutlenek i tlenek węgla, tlenki siarki i azotu są gazami bezbarwnymi - a praktycznie wszystkie emisje w tych kategoriach to emisje szkodliwych gazów. Nic więc dziwnego, że używanie kilogramów jest nieintuicyjne. Postaramy się na koniec wyjaśnić tę kwestię, a może nie będzie ona budzić już takich kontrowersji.

Większość polityków, którzy argumentują działania proekologiczne tonami dwutlenku węgla, tak naprawdę nie ma pojęcia, skąd się to bierze. Animuszu poszczególnym antyekologicznym środowiskom dodaje fakt, że na chłopski rozum, jak to jest możliwe, że z 1 tony węgla powstaje emisja CO₂ rzędu 3 ton? To bardzo proste - wyjaśnijmy na przykładzie. Węgiel kamienny co do zasady składa się z 75-97% z czystego węgla pierwiastkowego. Pozostałe od 3-15% to tlen, wodór, siarka czy azot. Poniżej przedstawiliśmy najważniejsze zasady obliczeń.

• Zobacz również: Termomodernizacja potrzebuje strategii i 3 milionów pomp ciepła

Węgiel + tlen = dwutlenek węgla

W przypadku kilomoli (jednostek liczebności cząstek) nie ma większej filozofii. Łącząc kilomol węgla z kilomolem tlenu, otrzymujemy kilomol dwutlenku węgla. Warto tutaj zaznaczyć, że tlen w przyrodzie występuje w cząsteczkach z dwoma atomami - stąd ta dwójka przy symbolu tlenu. Kilomol każdego gazu zajmuje dokładnie 22,4 m³. Zaznaczmy w tym miejscu pewną sprawę, o której często nie zdajemy sobie sprawy. Powietrze, jak i zawarty w nim tlen, ma swoją masę. Jesteśmy przyzwyczajeni, że powietrze nic nie waży, ale to uczucie jest złudne. W temperaturze 20°C każdy 1 m³ powietrza ma masę około 1,2 kg/m³. Dzięki temu na naszej planecie mamy do czynienia z ciśnieniem atmosferycznym. Właśnie wyjaśniliśmy, dlaczego masa emisji CO₂ przewyższa masę spalonego węgla. Przeliczając 22,4 m³ tlenu na jednostkę masy, otrzymujemy 32 kg. W wyniku dodawania otrzymujemy 44 kg CO₂. 

My chcemy jednak wiedzieć, ile CO₂ pochodzi ze spalenia tony węgla kamiennego. Do tego celu posłużymy się przyjętym wyżej przedziałem zawartości węgla pierwiastkowego. Tak więc emisja CO₂ dla tony węgla może wynieść od 2750-3557 kg. 

Warto wiedzieć, czym jest emisja

Analiza emisji pozwala nam zrozumieć, jakie są różnice pomiędzy poszczególnymi źródłami ciepła. Trzeba też pamiętać, że metodologia KOBiZE jest tylko jednym z narzędzi obliczania emisji, które dodatkowo jest aktualizowane. Co więcej, słusznie na szczeblu unijnym uznano, że gaz ziemny ma być paliwem przejściowym pomiędzy tradycyjnym ogrzewaniem a nowoczesnym opartym o pompy ciepła i innowacyjne kotły na biomasę czy wodór. Aby być świadomym inwestorem, należy zwracać uwagę na emisję. Niemniej jednak z informacji o potencjalnych redukcjach emisji tak naprawdę niewiele na przyjdzie, jeżeli nie będziemy wiedzieć, w jaki sposób są one obliczane. Powstają wówczas teorie, które śmiało zaliczyć można w poczet tych spiskowych. Głosy o wyssanych z palca emisjach byłyby w znaczny sposób zredukowane, gdyby na etapie implementacji wymogów Ekoprojektu, wdrażania programów dotacyjnych i innych inicjatyw ekologicznych postarano się o dostarczenie wiedzy na ten temat. Jak widać na powyższych przykładach - nie jest to trudne.