![Autor: Piorog (Praca własna) [CC-BY-SA-3.0]](http://m.salon24.pl/62f792340561afae20148befeacbb016,360,0,0,0.jpg)
Nie ma wątpliwości, że w XXI wieku surowce energetyczne wciąż będą najważniejszymi nośnikami energii, umożliwiającymi rozwój zarówno w Polsce, w Europie jak i na całym świecie. Mówi o tym m.in. najnowszy World Energy Outlook Międzynarodowej Agencji Energetyki. Kraje, które będą posiadały i eksploatowały własne surowce, zagwarantują sobie bezpieczeństwo energetyczne i gospodarczą niezależność – pisze prof. Zbigniew Kasztelewicz z Akademii Górniczo-Hutniczej i ekspert współpracujący z Instytutem Kościuszki.
Surowce energetyczne są narzędziem geopolityki i specyficzną bronią, której bogate w nie kraje nie wahają się używać do realizacji swoich celów. W ostatnim czasie wiele było dobitnych przykładów, że jest to skuteczne. Dlatego, mając to na uwadze, należy radykalnie zmienić sposób myślenia o węglu. Nie wolno nam dopuścić do tego, by został on wyparty z powodu wysokiej emisyjności zanieczyszczeń. Węgiel tak i to węgiel przyjazny dla środowiska.
Zmiana wizerunku węgla
Środowiska górników i energetyków robią dziś dużo, by poprawić efektywność wykorzystania czarnego złota i odnoszą na tym polu sukcesy, jednak zdecydowanie za mało się tym chwalą. W ostatnich latach w branży dokonała się technologiczna rewolucja, a wszytko wskazuje na to, że przez kolejne dziesięć-dwadzieścia lat tempo zmian w tej dziedzinie nie zwolni.
Ośrodki badawczo-rozwojowe na świecie, również w Polsce, od wielu lat intensywnie pracują nad opracowaniem i wdrożeniem aplikacji związanych z nowoczesnymi, efektywnymi i czystymi technologiami wytwarzania energii elektrycznej na bazie stałych surowców energetycznych (przede wszystkim węgla), określanych mianem „Czystych Technologii Węglowych”. Już dziś znacząco zmniejszają one uciążliwość gospodarki węglowej dla środowiska naturalnego (m.in. poprzez zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych do atmosfery), w przyszłości zaś mogą ją całkowicie wyeliminować.
Pozwala to, a nawet każe, spojrzeć na węgiel w zupełnie nowym świetle.
Czyste technologie węglowe - podział
Można wyróżnić cztery główne obszary, z którymi wiążą się czyste technologie węglowe:
- wydobycie węgla i przeróbka (tzw. mechaniczna przeróbka węgla),
- transport, składowanie i uśrednianie węgla,
- wykorzystanie węgla (w energetyce oraz przetwórstwo węgla),
- zagospodarowanie „pozostałości” z wydobycia i wykorzystania węgla, czyli różnego rodzaju odpadów.
Czyste technologie węglowe (pojęcie to odnosi się de facto do wszelkich działań zmniejszających uciążliwość ekologiczną produkcji i wykorzystanie węgla) dzielą się na trzy kategorie:
- technologie zwiększające efektywność produkcji energii elektrycznej z węgla,
- technologie wychwytywania i składowania CO2,
- technologie wykorzystania węgla do produkcji paliw płynnych i gazowych.
Efektywność energetyczna to podstawa
Koncepcja wzrostu efektywności produkcji energii elektrycznej znajduje powszechne uznanie i akceptację, gdyż dąży do oszczędności paliwa. Zwiększenie efektywności w elektrowniach o niskiej sprawności może doprowadzić do dużych oszczędności w zużyciu węgla, a co za tym idzie – do znacznej redukcji emisji dwutlenku węgla.
Wg danych niemieckich można oszacować, że dziesięcioprocentowy wzrost sprawności bloku energetycznego ogranicza emisję CO2 o ok. 19.4-22.4% (w zależności od punktu startu). Im niższa jest sprawność początkowa starego bloku, tym większe ograniczenie emisji w nowym. Oznacza to, że wymiana starych bloków (o sprawności 30-38%) na nowe w zupełności wystarczyłaby do spełnienia wymogów obniżenia emisji o 20%, bo takiego, albo jeszcze wyższego wzrostu sprawności możemy oczekiwać od przyszłych bloków korzystających z najnowszych technologii. Poniżej nieco więcej o kilku z nich:
- suszenie węgla brunatnego
A dokładniej, zwiększone rozdrobnienie i suszenie węgla. Dzięki zastosowaniu tego procesu sprawność netto produkcji energii elektrycznej w elektrowniach wzrasta o 4-6%. Przykład: instalacja pilotowa WTA (Wirbelschicht Trocknung Anlage) do głębszego fluidalnego suszenia węgla, która jest sprawdzana w elektrowni Frechen oraz w elektrowni Niederaussem.
- nadkrytyczne parametry pary
Zwiększenie średniej sprawności wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej można osiągnąć poprzez wprowadzenie do praktyki przemysłowej nowoczesnych rozwiązań takich jak:
- upowszechnienie bloków pracujących przy parametrach nadkrytycznych (27÷29 MPa/570÷580°C) pozwalających na uzyskanie sprawności 44÷46%,
- zastosowanie bloków pracujących przy ultra-nadkrytycznych parametrach pary (35 MPa/720°C). Są to układy, nad którymi prowadzone są prace badawcze (trwają projekty demonstracyjne) – ich celem jest doprowadzenie do rozwiązania, w którym energię elektryczną będzie się wytwarzało ze sprawnością 55%. Przykład: wszystkie nowe bloki energetyczne w Polsce (Pątnów II - 464 MW, Łagisza 460 MW i Bełchatów II - 858 MW) zbudowane są na ponadkrytyczne ciśnienie pary świeżej. W niemieckiej elektrowni Neurath należącej do RWE Power wdrożono technologię BoA 2&3 w dwóch blokach BoA o mocy 1 100 M. Także w Niemczech prowadzony jest obecnie projekt, w ramach którego testuje się obieg o temperaturze pary 700°C (w obecnie stosowanych obiegach temperatura pary jest zazwyczaj niższa niż 600°C).
Technologie zastosowania czystego węgla
- Wytwarzanie energii elektrycznej w technologii spalania węgla w tlenie
W spalinach ze spalania węgla w powietrzu azot stanowi około 80%, podczas gdy spalanie w tlenie daje spaliny złożone niemal wyłącznie z dwutlenku węgla i pary wodnej. Znacznie ułatwia to składowanie CO2. Przykład: Vattenfall A.G. zakończył w 2008 roku budowę pilotowej instalacji o mocy 30 MW wytwarzającej energię elektryczną ze spalania w tlenie węgla brunatnego z jednoczesnym wychwytywaniem CO2 w niemieckiej elektrowni Schwarze Pumpe. W planach koncernu jest budowa i uruchomienie przed rokiem 2020 elektrowni przemysłowej o mocy 1 000 MW z wychwytywaniem i lokowaniem CO2 w głębokich strukturach geologicznych pod ziemią.
- Wytwarzanie energii elektrycznej w technologii IGCC
Bardzo obiecującą technologią jest także wytwarzanie energii elektrycznej w układach gazowo-parowych, zintegrowanych ze zgazowaniem węgla (IGCC). Węgiel poddawany jest procesowi zgazowania, a uzyskany w ten sposób gaz palny, po oczyszczeniu, spalany jest w układzie gazowo-parowym. Do podstawowych zalet tej instalacji należy potencjalnie wysoka sprawność (ocenia się, że może ona osiągnąć nawet 60%) oraz możliwość poligeneracji (w tym, przede wszystkim, produkcji wodoru). Przykład: duże doświadczenie w opracowywaniu tej technologii ma RWE Power. Aktualnie opracowywany jest projekt elektrowni z technologią IGCC o mocy 450 MW zasilanej węglem brunatnym.
- Niskotemperaturowa konwersja węgla w węglowych ogniwach paliwowych
Węglowe ogniwa paliwowe (Direct Carbon Fuel Cells – DCFC) tourządzenia, które jako jedyne, spośród wszystkich typów ogniw paliwowych, umożliwiają bezpośrednią konwersję energii chemicznej zawartej w węglu w energię elektryczną – czyli utlenianie zamiast spalania węgla. Ponadto charakteryzują się wysoką sprawnością – nawet do 100% i niską emisją zanieczyszczeń. Produktem ubocznym reakcji elektrochemicznej jest niemal czysty strumień CO2, który można w łatwy sposób wykorzystać lub unieszkodliwić. Przykład: szereg ośrodków naukowych w USA, Australii, Chinach czy Anglii pracuje nad tą technologią.
- Technologie wychwytywania i składowania CO2
Technologia wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (CCS) jest jedną z najbardziej obiecujących technologii skupiających się na redukcji emisji CO2 powstającego podczas wytwarzania energii, pod warunkiem, że będzie opłacalna. Polega m.in. na wychwytywaniu CO2 powstającego podczas spalania węgla, transportowaniu go do odpowiednich formacji geologicznych, a następnie wtłaczaniu go pod ziemię, aby odizolować go od atmosfery.Przykład: w niemieckiej elektrowni Schwarze Pumpe została uruchomiona pilotażowa instalacja o mocy 30 MW wyposażona w technologię CCS. Wychwycony dwutlenek węgla transportowany jest cysternami do oddalonych o 350 km wyeksploatowanych złóż gazu ziemnego „Altmark”.
- Instalacja do przetwarzania CO2
Koncern Skyonic Corporation rozpoczął w Teksasie budowę pierwszej na świecie instalacji do recyklingu CO2. Technologia ta zapewnia selektywne wychwytywanie z gazów spalinowych kwaśnych gazów i ciężkich metali. Zanieczyszczenia są mineralizowane na produkty stałe, w tym wodowęglany sodu, które przechowuje się, transportuje i sprzedaje jako stabilne i bezpieczne produkty. W pierwszym etapie „przerabianych” ma być 300 tys. ton szkodliwych substancji - w tym 83 tys. ton CO2.
Technologie zgazowania węgla (wykorzystania węgla do produkcji paliw płynnych i gazowych
Węgiel może być wykorzystywany nie tylko do produkcji energii elektrycznej ale także do produkcji różnych związków chemicznych, w tym paliw płynnych i gazowych. Zgazowanie jest procesem chemicznym zmiany paliwa stałego lub ciekłego w palny gaz, który może być wykorzystany do produkcji energii cieplnej lub elektrycznej albo stanowić surowiec do produktów chemicznych takich ja metanol czy gaz syntetyczny. Technologie zgazowania węgla można podzielić na technologie zgazowania naziemnego, podziemnego oraz biogazyfikacji. Co dotechnologii zgazowania naziemnego - wiele koncernów, jak Shell, Texaco, GE, Lurgi, Destec i inne, w sposób przemysłowy zgazowuje węgiel i produkujepaliwa płynne i gazowe w instalacjach o mocy blisko 100 000 MW. Z nadawy 1 mln ton węgla do generatora można alternatywnie otrzymać: 2 500 GWh energii elektrycznej, 350 tys. ton paliw płynnych z syntezy F-T (Fischera – Tropscha), 370 mln m3 SNG lub 400 tys. ton metanolu.
Czyste technologie węglowe: polskie doświadczenia
Na uczelniach i w instytutach naukowo-badawczych w Polsce od paru lat trwa wyścig nad rozwojem czystych technologii wykorzystywania węgla. Dla realizacji tych zamierzeńod 2010 roku realizowane jest „Zadanie badawcze nr 3 pt. Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysoko efektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej” finansowane przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych zatytułowanego „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii”. Liderem konsorcjum jest Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Ponadto w skład konsorcjum jako partnerzy naukowi wchodzą: Główny Instytut Górnictwa w Katowicach, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla z Zabrza i Politechnika Śląska w Gliwicach. Jako partnerzy przemysłowi: Katowicki Holding Węglowy S.A., KHGM Polska Miedź S.A., Tauron Polska Energia S.A., Południowy Koncern Energetyczny, Południowy Koncern Węglowy S.A. i ZAK S.A.
Czyste technologie będą też rozwijane w ramach niedawno otwartegoCentrum Czystych Technologii Węglowych (CCTW). Jest to wspólne przedsięwzięcie inwestycyjne Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach oraz Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla z Zabrza. Celem jego budowy jest stworzenie w Polsce wiodącego w Unii Europejskiej ośrodka badawczego oraz rozwoju know-how dla komercjalizacji innowacyjnych czystych technologii węglowych. Rozwój nowych technologii korzystania z węgla ma umożliwić korzystanie z zasobnych złóż tego surowca w Polsce w warunkach restrykcyjnej polityki klimatycznej forsowanej przez Unię Europejską.
Czyste technologie węglowe potrzebują kompleksowych badań. Na przykład w Kopalni Doświadczalnej Barbara w Mikołowie będzie doskonalona technologia produkcji paliw płynnych z węgla oraz użytkowania gazu powstającego po zgazowaniu podziemnym węgla. Eksperyment z zakresu zgazowania węgla będzie też realizowany w kopalni Wieczorek, gdzie przeprowadzona zostanie próba podziemnego zgazowania węgla w skali dziesięciokrotnie większej niż w kopalni doświadczalnej Barbara. To skala, która w przypadku powodzenia próby i potwierdzenia założeń, upoważni do wykonania projektu technologicznego instalacji demonstracyjnej, tj. na tyle dużej, by wykorzystać ją w przemyśle.
Dzięki zgazowaniu węgla można będzie zagospodarować np. zasoby trudne do wydobycia metodą tradycyjną. W Akademii Górniczo-Hutniczej i w Głównym Instytucie Górnictwa liczą, że technologia podziemnego zgazowania węgla powinna być gotowa do zastosowania na skalę przemysłową około roku 2020, a technologie spalania w tlenie pod wysokim ciśnieniem uda się wdrożyć w przemyśle w latach 2020-2025. Pod koniec 2013 roku powinien zostać uruchomiony podziemny generator zgazowania węgla na kopalni Wieczorek. Trwają tam działania prowadzone przez Katowicki Holding Węglowy wspólnie z Akademią Górniczo-Hutniczą i Głównym Instytutem Górnictwa. Holding i inne kopalnie mają znaczne zasoby węgla kamiennego w pokładach zalegających na głębokości 1,5 km. Są to warunki, w jakich nie da się obecnie wydobyć go metodami klasycznymi. Podobnie w przyszłości można wykorzystać nieeksploatowane odkrywkowo pokłady węgla brunatnego. Węgiel ten można „wydobyć” właśnie przy zastosowaniu nowych metod eksploatacji, czyli przez jego podziemne zgazowanie.
Krajowe prace badawcze dają niepowtarzalną szansę na prawdziwy technologiczny skok, który pozwoli, by Polska stała się europejskim liderem w dziedzinie czystych technologii węglowych. Należy dołożyć wszelkich starań, w szczególności na poziomie stabilnego finansowania tych przedsięwzięć, aby rozwój czystych technologii węglowych nie został zahamowany. Da to Polsce wyśmienite argumenty na arenie UE i ONZ przeciwko lobbowaniu nieracjonalnych technologii OZE. Pozwoli także na rozwój nowoczesnego polskiego przemysłu energetycznego i górniczego, umożliwiając czerpanie zysków z eksportu wypracowanych tutaj technologii.
Jednak najważniejsza korzyść to zagwarantowanie Polsce na długie dziesięciolecia niezależności i bezpieczeństwa energetycznego, co da stabilność i przewagi konkurencyjne całej naszej gospodarce.
Prof. dr hab. inż. Zbigniew Kasztelewicz – jest Kierownikiem Katedry Górnictwa Odkrywkowego AGH, współpracuje z Instytutem Kościuszki
Propozycje tweetów:
Prof. Kasztelewicz @AGH.Krakow dla @IKosciuszki - nowe technologie czystego #węgiel przyszłością Polski #energetyka http://bit.ly/1iNYM4l
Komentarz@IKosciuszki na @Salon24pl - suszenie węgla, parametry pary, IGCC, CCS, DCFC i inne #tech #węgiel http://bit.ly/1iNYM4l
Przy wykorzystaniu materiału prosimy o wskazanie jako źródła Instytutu Kościuszki.
Komentarze