SMOG

Elektrofiltr, a korzyści dla środowiska

Każde poprawnie działające urządzenie, którego zadaniem będzie ograniczanie niskiej emisji mającej bezpośredni wpływ na powstawanie smogu klasycznego, powinno być w obecnych warunkach poważnie rozważone. Aby dokładniej określić wpływ jaki może mieć elektrofiltr domowy na poprawę jakości powietrza w gminach, należy poddać analizie przyczyny gospodarcze, ekonomiczne i społeczne związane z używaniem paliw stałych (węgiel, biomasa). Krótka analiza potrzebna jest aby każdy wójt lub prezydent mógł właściwie zdefiniować sytuację na swoim terenie i dobrać najlepsze rozwiązania, które w krótkim czasie dadzą najlepsze efekty.

Sposoby ograniczenia niskiej emisji z budynków jednorodzinnych

Elektrofiltr domowy to na razie jedyne urządzenie, które w warunkach domowych może skutecznie usuwać zanieczyszczenia w postaci pyłów z emisji spalin w domowych instalacjach węglowych już istniejących. Kotłownie węglowe mogą być przy tym wyposażone w kotły o niskich klasach (generacjach), jednak cały system kotłowni musi pracować poprawnie. Chodzi tutaj głównie o prawidłowo działający kocioł, prawidłowo działające instalacje ciśnieniowe, osprzęt kotłowni i instalacji / m.in. pompy, zawory, instalacja wentylacyjna i inne/, szczelny prawidłowo działający przewód spalinowy o jednakowej średnicy na odcinku prostym z czopuchem / połączenie kotła z przewodem spalinowym/, otworem rewizyjnym / czyszczak/ na usuwanie wytrąconego pyłu, kanał spalinowy o różnym przekroju / okrągły, prostokątny/ i zakończony kominem bez wydłużającej wkładki – rury, daszku lub tzw. strażaka. Wyposażenie istniejącej instalacji w dodatkowe urządzenie elektrofiltru nie będzie miało za zadanie polepszenia pracy układu kotłowni ale przy niewielkim dodatkowym obciążeniu systemu kotłowni będzie służył usuwaniu pyłów ze spalin powstających po spalaniu węgla. W ten sposób powinno ulec zdecydowanemu zminimalizowanie emisji pyłów z lokalnych domowych kotłowni węglowych co w znaczący sposób poprawi wskaźniki czystości powietrza na poziomie dzielnicy, osiedla, przysiółku w gminie lub mieście.

Jak to zostało wcześniej opisane instrumenty ekonomiczne a zwłaszcza zachęta w postaci dopłat do wymiany kotłów węglowych, spowodowała i spowoduje zmianę systemu na kotłownie gazowe.

Dynamika wymiany pieców węglowych na gazowe, co wykazują przykłady w praktyce, z biegiem czasu najprawdopodobniej będzie malała. Kto jest zdecydowany na zmianę kotła dokona tego w najbliższym czasie, gdyż im później tego dokona tym warunki dofinansowania będą coraz gorsze, ponieważ zabezpieczając się przed nadużyciami, instytucja wdrażająca będzie stosowała szereg zabezpieczeń wprowadzając m.in. zasadę większego wkładu własnego beneficjenta. Stan ten spowoduje w końcu zatrzymanie procesu wymiany a w terenie pozostanie pewna ilość kotłów węglowych działających na dotychczasowych warunkach. Szacując tą ilość do 10 – 20% to i tak pozostanie spora ilość punktów emisyjnych, które będą miały duży wpływ na poziom jakości powietrza. Są jeszcze inne zabiegi poprawiające parametry emisyjne. Palenie tzw. od góry może być coraz bardziej powszechnie stosowane, jednak nie we wszystkich typach kotłów jest to możliwe. Stała kontrola warunków spalania węgla wymaga jednak dużego nakładu pracy i poświęcenia czasu, dlatego ten aspekt jest rozwiązany w nowoczesnych kotłach węglowych z podajnikami automatycznymi paliwa i prostą automatyką. Zabiegi modernizacyjne jak przebudowa kanału spalinowego lub zmniejszenie mocy kotła po przeprowadzonej termomodernizacji budynku w praktyce są niestosowane.

Podsumowując likwidacja niskiej emisji, może się odbyć poprzez:

– wymianę dotychczasowych pieców węglowych na piece na paliwo stałe / ekogroszek, biomasa/ piątej generacji / z automatycznym podajnikiem paliwa, bez rusztu awaryjnego z prostą automatyką/ lub na piece gazowe najlepiej kondensacyjne, lub na inne paliwo / gaz płynny, piece elektryczne, elementy OZE ( zwłaszcza do przygotowania ciepłej wody użytkowej/.

– w pozostałych piecach węglowych pozostanie montowanie urządzeń odpylających w postaci elektrofiltrów domowych suchych o wysokiej sprawności odpylania spalin. Inne urządzenia odpylające stosowane w przemyśle lub energetyce jak cyklony i multicyklony oraz filtry workowe wymagają wymuszonego obiegu spalin co wymaga ingerencji w obecny system kotłowni poprzez jego modernizację i wprowadza istotne zwiększenie kosztów eksploatacyjnych a to praktycznie eliminuje to rozwiązanie w domach jednorodzinnych. Podobnie elektrofiltry mokre, również powodują potrzebę modernizację kotłowni, lokalizowanie elektrofiltra przy kotle i zwiększenie kosztów eksploatacyjnych.

– dodatkowo wypracowanie u użytkowników kotłowni prawidłowe czynności eksploatacyjne, czyli prawidłowe rozpalanie kotła i prawidłowe prowadzenie przez cały czas procesu spalania węgla.

Połączenie tych wszystkich działań da pożądany prawidłowy końcowy efekt utrzymania norm emisyjnych w powietrzu co pokaże system monitoringu pomiaru zanieczyszczeń w powietrzu. 

Teza ta posiada pewne założenia. Po pierwsze założyć należy, że oprócz paliw dedykowanych do konkretnego kotła nie będą spalane inne paliwa. Chodzi tu przede wszystkim o spalanie śmieci w postaci plastiku, papierów zwłaszcza z dodatkami i brudnymi szmatami, olejów przepracowanych itd. Spalanie odpadów jest zabronione a każdy kto utylizuje odpady w kotłowni podlega wykroczeniu lub karze. W opracowaniu zatem ten temat nie był rozpracowywany, chociaż kampania informacyjna i propagandowa na temat szkodliwości tych działań powinien spowodować znaczną poprawę tego stanu.

Po drugie, nie zajmowano się w tym opracowaniu tzw. błękitnym węglem czyli wprowadzaniem do obiegu ulepszonej postaci węgla ( półkoks), gdyż takie paliwo do tej pory nie uzyskało dopuszczenia. Jednak ze względu na koszty przeróbki należy przyjąć, że koszt takiego węgla będzie około 20 – 30% wyższy od paliwa dostępnego co ze względu na koszty eksploatacyjne, które będą stanowiły dość dużą barierę wprowadzenia tego paliwa do handlu, a jakakolwiek dopłata do tego paliwa będzie trudna do monitorowania.

Ograniczenia emisji pyłów w gminie – w przypadku zastosowania elektrofiltru domowego.

Każde działania, zmierzające do walki z niską emisją, przyczynią się do poprawy jakości powietrza. Należy tutaj uściślić, że wpływ na jakość powietrza mają różne typy zanieczyszczeń i ich uwarunkowania o czym była mowa w początkowej wersji opracowania. Aby stwierdzić, jakikolwiek efekt poprawy stanu powietrza, należy wyodrębnić z szerokiego zakresu pomiarowego, oznaczenia pochodzące z określonych źródeł powstawania zanieczyszczeń. W przypadku powietrza będzie to bardzo trudne lub oparte na bardzo zaawansowanych modelach matematycznych. Pomiar wskaźników zanieczyszczeń np. PM10 na otwartej i nieograniczonej przestrzeni nie powie w sposób jednoznaczny o źródłach pochodzenia tych zanieczyszczeń. Oprócz emisji z lokalnych palenisk, wpływ na stężenie pyłów w powietrzu będzie miała emisja komunikacyjna i emisja napływowa z innych obszarów, zwłaszcza przy niekorzystnym uformowaniu terenu. Jednak liczne dane statystyczne nie pozostawiają już większej wątpliwości, że w okresie grzewczym przyczyną powstawania stężeń pyłów PM oraz benzo(a)pirenu jest emisja spalin powstająca w wyniku spalania w kotłowniach różnego paliwa stałego: węgla, biomasy i zabronionych odpadów. Celem walki z niską emisją w tym zastosowania m.in. elektrofiltrów jest zmniejszenie stężenia wskaźników emisyjnych w powietrzu przede wszystkim w okresie sezonu grzewczego. Można zatem dokonać uproszczenia, iż w okresie sezonu grzewczego redukcja wskaźników emisyjnych zanieczyszczeń z emiterów wpływa na stężenie tych zanieczyszczeń w powietrzu.

Analiza ograniczenia emisji pyłów jest jednoznaczna przy zamianie źródła na paliwo stałe na źródło gazowe, olejowe lub elektryczne. Likwidacja kotła węglowego o określonej mocy cieplnej i zamiana na inny rodzaj paliwa gazowego, olejowego bądź ogrzewanie elektryczne lub pochodzące z OZE jednoznacznie wskazuje na przerwanie emisji pyłów do atmosfery. Jest to efekt policzalny i konkretny z którego można rozliczać każdy projekt. W przypadku urządzeń oczyszczających spaliny sprawa jest bardziej skomplikowana gdyż o skuteczności usuwania zanieczyszczeń w powietrzu decydują pomiary bardziej lub mniej przybliżone.

Metoda punktowych pomiarów powietrza opiera się na wytypowaniu obszaru badań, którym mogą być naturalne granice geograficzne, urbanistyczne i architektoniczne np. wydzielone części miast, przysiółków wsi lub dzielnic miast po przebiegających ulicach i przeprowadzeniu na tym obszarze kilku pomiarów pyłomierzem o określonych parametrach pomiaru. Mogą być to urządzenia stacjonarne lub mobilne. Następnie po zamontowaniu elektrofiltrów na konkretnych domach, poprawieniu sposobu palenia w paleniskach i innych zabiegach dokonywany jest pomiar powtórny ukazujący wysokość stężenia zanieczyszczeń. Wówczas nowe pomierzone zmniejszenie zanieczyszczeń jest mierzalnym efektem ekologicznym. Zastosowana metoda to pomiar ze względu na eliminację lub ograniczenie punktów emisji zanieczyszczeń do atmosfery. Im więcej zatem na określonym obszarze zamontujemy poprawnie działające urządzenia odpylające (elektrofiltry domowe) tym pomiar w wybranych punktach poziomów pyłów pokaże mniejsze stężenie zanieczyszczeń w powietrzu.

Drugi sposób to metoda pomiaru poszczególnych emiterów. Otóż w założeniach budowy elektrofiltrów domowych przewidziano układ pomiarowy, który może mierzyć stężenie pyłów PM w elektrofiltrze przed procesem oczyszczania pyłomierzem zlokalizowanym w dolnej części elektrofiltra i pyłomierzem zlokalizowanym w górnej części urządzenia. Różnica pomierzonej wielkości pyłów to wprost mierzalny efekt ekologiczny usunięcia wielkości zanieczyszczeń na konkretnym budynku. Ta metoda pomiaru bezpośrednich efektów ekologicznych wymaga bardziej zaawansowanego w automatykę i dozbrojonego elektronicznie urządzenia. Dane o usuniętych stężeniach pyłów PM, przekazywane byłyby drogą radiową lub systemem Iot w bardziej zaawansowanym systemie monitoringu. Oczywiście w zależności od potrzeb można połączyć obie metody aby związek przyczynowo – skutkowy był jeszcze bardziej oczywisty ( wiemy, że poszczególne emitery usuwają określoną ilość pyłów PM, więc stężenie pyłów w powietrzu na danym obszarze, będzie mniejsze / zadowalające/ co pokazują pomiary punktowe). Cele efektu ekologicznego zostały osiągnięte. Osiągnięcie określonych efektów ekologicznych jest istotne przy dofinansowaniu montażu elektrofiltrów z funduszów ochrony środowiska.

Monitorować punktowo można kilka obszarów równocześnie lub kolejno przesuwając obszary monitoringu. Można modelowo założyć obszar np. dzielnicę miasta na terenie którego znajduje się 100 budynków indywidualnych spalających węgiel w kiepskiej jakości kotłowniach węglowych. Przy założeniu ograniczenia lub likwidacji emisji pyłów PM2,5 i PM10 we wszystkich 100 budynkach, co przełoży się na stężenie pyłów np. PM10 do 50um/m3 w powietrzu osiągamy efekt ekologiczny.

Przyjmując koszt modernizacyjny zastąpienia kotłowni węglowej, kotłownią gazową na 10.000 – 20.000 zł w zależności od stopnia zmian. Przyjmując, że efekt ekologiczny jest jednoznaczny, otrzymujemy koszt osiągnięcia efektu ekologicznego:

100 x 10.000 = 1.000.000 zł

100 x 20.000 = 2.000.000 zł

Przyjmując natomiast montaż elektrofiltra domowego na każdym budynku jednorodzinnym w wysokości 2.500 – 3.000 zł i jego odpowiedniej sprawności działania / badania elektrofiltra pokazały sprawność jego działania na poziomie 97%/ oraz przyjmując przybliżony pomiar pyłów PM w powietrzu lub bardziej dokładniejszy pomiar usunięcia pyłów z poszczególnych urządzeń, otrzymujemy koszt osiągnięcia efektu ekologicznego:

100 x 2.500 = 250.000 zł

100 x 3.000 = 300.000 zł

W eksploatacji dla użytkownika domu kotłownia węglowa z elektrofiltrem domowym jest tańsza od kotłowni gazowej póki paliwo węglowe będzie tańsze od paliwa gazowego.

Zatem uzyskanie efektu ekologicznego poprzez zamontowanie elektrofiltrów domowych na budynkach będzie w tym wypadku od 4 do ponad 6,5 razy tańsze od wymiany kotłów węglowych na gazowe.

Oczywiście model przedstawiony powyżej zakłada zmodernizowanie jedną z metod 100 budynków jednorodzinnych, ale aby osiągnąć pożądany efekt czasem wystarczy uregulować emisję pyłów na kilku bądź kilkunastu emiterach. Szybszy i prostszy sposób to montaż elektrofiltrów domowych a stan powietrza na danym obszarze najprawdopodobniej się poprawi, co dla zdrowia potencjalnych mieszkańców lub osób przebywających na tym terenie ma diametralne znaczenie.

Opisywane wcześniej uwarunkowania społeczne pokazują w praktyce, że te kilka, ale bardzo intensywnie trujące, zużyte kotłownie węglowe są źródłem wysokich stężeń pyłów w powietrzu. Jeżeli należą one do ubogich i starszych właścicieli domów a to jest raczej regułą, to wysoce prawdopodobnym będzie, że wymiana pieców na gazowe nastąpi jak najpóźniej lub może nie nastąpić wcale.  Sytuację dodatkowo może skomplikować fakt braku występowania sieci gazowej na danym terenie. W tych miastach lub wsiach dysproporcja cenowa pomiędzy wybudowaniem nowego ekologicznego źródła ciepła a zastosowaniem elektrofiltra domowego będzie jeszcze większa. Sprawność oczyszczania elektrofiltra z pyłów PM na poziomie większym niż 80% to ostrożne szacowanie skuteczności odpylania elektrofiltra założone ze względu na różne parametry spalin ale wystarczające do osiągnięcia niskich, zadowalających poziomów stężeń pyłów PM i benz(a)pirenu w powietrzu.

W interesie gminy jest osiągnąć zamierzony efekt ekologiczny w jak najkrótszym czasie przy poniesieniu na ten cel racjonalnych niższych kosztów, nie zmuszając mieszkańców zwłaszcza tych uboższych n a wymianę pieca i przejście na droższe w praktyce paliwo gazowe lub olejowe. Taką możliwość daje montaż elektrofiltra domowego, prowadzenie lepszego sposobu spalania i pozostawienia jeszcze obecnie funkcjonujących kotłowni węglowych.

Korzyści dla środowiska w modelowanym funkcjonowaniu elektrofiltra domowego.

Należy podkreślić, że końcowym efektem ekologicznym do osiągnięcia na terenie gminy, powiatu a nawet województwa jest jak najmniejsze stężenie pyłów PM10, PM2,5 i benzo(a)pirenów w powietrzu a co za tym idzie innych zanieczyszczeń osadzonych na pyłach (np. metale ciężkie).

Pomiar wskazuje faktyczny i realny stan powietrza i w ostateczności jest efektem, z którego należy rozliczać i te parametry będą ocenne dla społeczeństwa.

Obecna strategia walki z zanieczyszczeniami w powietrzu i niską emisją skupia się na zaawansowanych technologicznie metodach pomiaru zanieczyszczeń i informowania o nich społeczeństwa, oferta korzystnych finansowo warunków zachęcających do wymiany kotłów węglowych na gazowe, olejowe lub 5 klasowe kotły węglowe, sporadycznej kontroli służb gminnych budynków z kotłowniami węglowymi, prób z nowymi alternatywnymi węglami (tzw. niebieski węgiel – półkoks), propagowaniu właściwej metody spalania węgla i w końcu olbrzymiej kampanii informacyjnej dot. walki z niską emisją. Każda metoda walki z niską emisją jest warta wsparcia o ile z punktu prawnego i ekonomicznego będzie oparta na racjonalnych zasadach. Zastosowanie elektrofiltra domowego jest bardzo dobrym uzupełnieniem do tych wszystkich powyższych inicjatyw i powinien być wspierany prawnie i finansowo. Z powodów społecznych i gospodarczych a zwłaszcza ekonomicznych palenie węglem uznawane jest w wielu miejscach za najlepsze paliwo a świadomość kondycji zdrowia może być rzeczą drugorzędną dla osób w wieku senioralnym a zmiany są nie akceptowalne. Chociażby z tego powodu pozostanie pewna ilość budynków z kotłowniami węglowymi, która jednak będzie miała istotny wpływ na zanieczyszczenie powietrza. Nie ma finansowania wymiany pieców węglowych na gazowe z (droższym paliwem!) w wys. 100% kosztów a przez kilka lat nie będzie ograniczeń w eksploatacji starych kotłowni węglowych. Wójtowie, Prezydencji chcą osiągnąć efekty emisyjnie jak najszybciej i słusznie, bowiem presja społeczna będzie coraz większa. Montaż przez gminę elektrofiltrów domowych w konkretnych budynkach w sposób szybki i prosty spowoduje osiągnięcie tych efektów w bardzo szybkim okresie przy zaangażowaniu w cały ten proces 5 – 6,5 krotnie mniejszych wydatków. Koszty eksploatacyjne urządzenia są niewielkie i mniejsze niż wymienionego kotła gazowego. Na pewno jest to urządzenie dedykowane do uboższych rodzin ale to przede wszystkim warunki ekonomiczne nawet przy dużym dofinansowaniu, są barierą dla tych uboższych rodzin. Sytuacja potęguje się w miejscach gdzie nie występuje sieć gazowa gdyż tam praktycznie znika alternatywa dla palenia węglem. Efekty ekologiczne przy montażu elektrofiltrów będą mierzone co prawda pośrednio, ale to na końcu te właśnie pomiary pyłomierzami powietrza są właściwymi wartościami do rozliczenia – stężenie pyłów PM w powietrzu. Przykładowo wynik z pomiarów stężenia PM10 – 48 um/m3 to oznacza czyste powietrze, alert zielony i możliwość swobodnego przebywania na zewnątrz. W całym systemie zmian zastosowanie elektrofiltrów na wyznaczonych budynkach niewątpliwie przyczyni się do osiągnięcia tych wartości zwłaszcza, że elektrofiltr domowy można monitorować a przy zastosowaniu bardziej zaawansowanej automatyki można kontrolować np. czym jest palone w piecu ( alert częstego włączania elektrofiltra). Ważnym elementem pracy systemu elektrofiltru jest możliwość monitorowania ich pracy na różnych etapach zaawansowania w oparciu nawet o wdrożenia zaawansowane i innowacyjne. Wszystko po to, aby wójt, prezydent lub urzędnicy służb ochrony środowiska miały informację o czyszczeniu spalin z kominów. W opracowaniu przykładowo przyjęto trzy warianty monitoringu pracy elektrofiltrów, tj.:

–  monitoring indywidualny, który jest najprostszy i sprowadza się do sprawdzenia czy urządzenie pracuje,

– monitoring radiowy z informacjami czasowymi o parametrach pracy elektrofiltrów opartych na protokołach radiowych m-bus ( lecz mogą być inne równie powszechne protokoły np. Wi-Fi),

– monitoring strefy, innowacyjny system oparty na funkcjonowaniu lokalnych sieci w idei Internetu rzeczy (IoT), przykładowo zaproponowano technologię sieci LoRa ale oczywiście mogą być zastosowane inne równoważne systemy.

Warto przeanalizować wariant najbardziej zaawansowany tj. monitoring strefy, ponieważ będzie najlepiej spełniał oczekiwania decydentów. Pomiar stanu pracy urządzenia, informacja o zagrożeniach lub anomaliach paleniu kotłowniach, możliwość pomiaru usuniętych zanieczyszczeń i wszystko to uzyskane w czasie rzeczywistym to poziom standardów, który będzie wkrótce obowiązywał i bardzo dobrze będzie się korelował z aktualnymi pomiarami zanieczyszczeń powietrza, gdzie informacje podaje się praktycznie na bieżąco. Niewiele gorszym, ale obecnie stanowiącym standard jest monitoring radiowy. Koszty związane z prowadzeniem tych systemów monitoringowych są praktycznie podobne i na tym samym niewielkim poziomie. Jedynie koszty wdrożenia a to zakup software i hardware są kosztami wyższymi, ale jednorazowymi. Przeprowadzona analiza systemów monitoringu pracy elektrofiltrów domowych oraz bardzo pobieżna symulacja jednego z systemów monitoringu funkcjonującego w mieście w osiedlu domów jednorodzinnych wskazuje na możliwość praktycznego wdrożenia tego rozwiązania i osiągnięcia zadowalających rezultatów poziomów stężeń zanieczyszczeń a przez to zasadność podjętych działań przez władze samorządowe w walce z niską emisją.