Nr 11-12 (137-138) Listopad - Grudzień 2006 r.

Konwencjonalna energetyka w UE

Energia konwencjonalna, czyli otrzymywana w procesie spalania paliw kopalnych, stanowi dziś najpowszechniejszą i najczęściej spotykaną formę energii. Kopaliny energetyczne, takie jak węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny odgrywają decydującą rolę w europejskim i światowym systemie zaopatrzenia w energię. Wszystko wskazuje na to, że również w następnych dziesięcioleciach będą odgrywać one podobną rolę.

W sytuacji występowania tak wielu zagrożeń i problemów niemożliwa jest rezygnacja z jakiegokolwiek paliwa kopalnego, albo dyskryminacja któregoś z nich. Poszukiwanie, wydobywanie, transportowanie i przetwarzanie każdego z tych surowców związane jest z negatywnym oddziaływaniem na środowisko naturalne. Nie istnieją bowiem technologie idealne pod względami technicznymi, ani też w pełni ekologiczne. Dlatego niewątpliwie największym wyzwaniem dla wszystkich uczestników cyklu produkcji energii konwencjonalnej w UE będzie ograniczanie szkodliwego oddziaływania na środowisko. Powszechnie wiadomo, że podstawą nowoczesnego, uprzemysłowionego społeczeństwa jest dostępna, bezpieczna i tania energia. W przyszłości znacząca część energii o takich cechach może być dostarczana Wspólnocie ze źródeł konwencjonalnych, jednakże pod warunkiem, że będzie ona produkowana w oparciu o nowe, czyste technologie. 

Struktura zużycia paliw i energii w UE oraz trendy do 2030 r. 

Zużycie energii pierwotnej w 25 krajach obecnej UE wyniosło w roku 2003 ok. 2,4 Gtew. Największy udział w pokryciu potrzeb energetycznych miały: ropa naftowa 37%, gaz ziemny 23% oraz węgiel 18%. W sumie paliwa konwencjonalne stanowiły 78% zużytej energii pierwotnej. Bilans energetyczny uzupełniały: energia jądrowa 15% oraz odnawialne i inne źródła energii 7%. Według prognoz Komisji Europejskiej, zużycie energii pierwotnej do roku 2030 zwiększy się jedynie o 0,4 Gtew (rys. 1). W tym okresie przewiduje się zmniejszenie udziału ropy naftowej do 35%, wzrost udziału gazu ziemnego do 32%, natomiast wykorzystanie węgla w energii pierwotnej obniży się do 15%. Udział kopalnych źródeł energii pierwotnej osiągnie więc w roku 2030 poziom 82%. Dopełnienie całkowitego zużycia energii pierwotnej stanowić będą we wspomnianym wyżej roku energia jądrowa 9% i odnawialna 9%. Trendy zmian w strukturze produkcji energii elektrycznej przedstawiono na rys. 2. Ogółem w roku 2003 wyprodukowano w UE-25 3,085 TWh energii, w tym 54% z paliw konwencjonalnych (węgiel 30%, gaz 18%, ropa 6%). Udział energii jądrowej to 32%, a innych źródeł – 14%. Komisja Europejska przewiduje, że zużycie prądu elektrycznego do roku 2030 będzie wzrastać średnio 1,4% rocznie. Spowoduje to wzrost produkcji energii elektrycznej do 4,478 TWh. Oczekuje się, że w najbliższych 24 latach nastąpi wprawdzie zmniejszenie udziału węgla w produkcji tej energii do 27%, lecz wzrost zapotrzebowania i produkcji prądu elektrycznego spowoduje, że zużycie węgla będzie zbliżone do poziomu obecnego. Ponadto w okresie tym prognozuje się wzrost udziału gazu ziemnego do 36% oraz energii odnawialnej do 18% i równoczesne zmniejszenie udziału ropy do 2% oraz energii jądrowej do 17%.

Struktura produkcji energii elektrycznej w krajach europejskich jest bardzo zróżnicowana. Z rys. 3 wynika, że największy udział surowców konwencjonalnych w wytwarzaniu tej energii występuje w Polsce (97,4%), a najmniejszy w Szwecji (4,0%). W odniesieniu do poszczególnych paliw rozbieżności przedstawiają się następująco: węgiel 1 – 94,2% (Szwecja i Polska), ropa 0,4 – 26,5% (Republika Czeska i Włochy), gaz ziemny 0 – 58% (Bośnia i Holandia). 

Wydaje się, że główną przyczyną tak bardzo odmiennej wartości udziałów tych nośników energii jest zróżnicowane występowanie tych surowców w poszczególnych krajach europejskich.

Niektóre zagrożenia i problemy związane z podażą konwencjonalnych surowców energetycznych w UE oraz ich oddziaływaniem na środowisko.

UE-25 dysponuje stosunkowo niewielkimi udokumentowanymi zasobami paliw kopalnych, których eksploatacja w obecnych warunkach jest możliwa i opłacalna. W roku 2004 wynosiły one ok. 38 mld tew (3% rezerw światowych), w tym złoża węgla to ok. 31 mld tew. Taki stan rzeczy, w sytuacji przedstawionej wcześniej struktury energii pierwotnej, doprowadził do dużego uzależnienia UE od importu surowców energetycznych (rys. 4). Komisja Europejska przewiduje, że w roku 2030 zależność ta wzrośnie do dwóch trzecich. Z tego punktu widzenia bardzo istotne jest rozmieszczenie światowych zasobów paliw kopalnych oraz ich wystarczalność. W przypadku ropy naftowej, 65% zasobów przypada na Bliski Wschód. Główne, światowe źródła gazu ziemnego są również skoncentrowane, 34% przypada bowiem na Bliski Wschód, a 39% na obszar byłego Związku Radzieckiego. Sytuacja w krajach Bliskiego i Środkowego Wschodu oraz polityka Rosji zdecydowanie pogarszają bezpieczeństwo energetyczne UE. O wiele korzystniej rozmieszczone są zasoby węgla, który wydobywany jest praktycznie na wszystkich kontynentach, a największe rezerwy tego surowca znajdują się w takich krajach jak: USA, Indie, Chiny, Rosja, RPA, Australia, Niemcy, Polska. Jeśli przyrówna się osiągalne zasoby kopalin energetycznych do ich średniorocznego wydobycia, to uzyska się okresy eksploatacji (rys. 5). Wynoszą one: 40 lat – dla ropy, 60 lat – dla gazu, 200 lat – dla węgla kamiennego oraz 300 lat – dla węgla brunatnego.

Kolejną ważną sprawą związaną z zapewnieniem UE konkurencyjnej energii jest kształtowanie się cen poszczególnych paliw i tendencji w tym zakresie. Faktyczne i przewidywane ceny podstawowych paliw na rynkach światowych przedstawiono na rys. 6 Można wykazać, że znacząca fluktuacja cen ropy i gazu jest ściśle powiązana z określonymi wydarzeniami politycznymi. Dlatego trudno jest prognozować co się wydarzy na rynkach ropy i gazu nawet za kilka lat. O wiele bardziej łagodnie kształtowały się zmiany cen węgla. Po ich znacznym spadku w latach 90-tych i wzroście w latach 2003-2004 nastąpiła stabilizacja cen tego paliwa. Po roku 2007 przewiduje się niewielką tendencję wzrostową.

W średnim przedziale czasu, tj. do roku 2030, wiele istniejących w UE elektrowni osiągnie koniec żywotności i będzie musiało być zastąpione. Ubytek potencjału wytwarzania energii w UE-25 przedstawiono na rys. 7. Jest to ogromne wyzwanie, gdyż do roku 2020 problem dotyczy połowy, a w następnej dekadzie dwóch trzecich unijnego potencjału wytwórczego. Wydaje się, że realistyczne szacunki potrzeb w zakresie kapitału inwestycyjnego i kosztów paliwa, dadzą w tej sytuacji silną pozycję ekologicznym elektrowniom węglowym oraz energii jądrowej.

Kolejnym problemem, który wymaga pilnego rozwiązania jest kwestia wpływu konwencjonalnej energetyki oraz związanego z nią przemysłu wydobywczego na zmiany klimatu. Przyjęty w roku 1997 Protokół z Kioto, przyjmuje za podstawę hipotezę, że niekorzystne zmiany klimatu następują w wyniku emisji gazów cieplarnianych, a przede wszystkim CO2 powstającego przy spalaniu paliw kopalnych. Teoria ta budzi ostatnio duże kontrowersje, gdyż przeprowadzone w ostatnich latach badania wskazują, że nie jest możliwe jednoznaczne określenie wpływu działalności człowieka na zmiany klimatu. Dlatego wydaje się, że należy położyć szczególny nacisk na badania zmierzające do ustalenia i pełnego zrozumienia zmian klimatycznych, które pomogą zmniejszyć zakres niepewności związanych z polityką ograniczania efektu cieplarnianego. Pomijając jednak sprawę słuszności przyjętej teorii, warto zastanowić się nad efektami realizacji Protokołu z Kioto. Na rys. 8 przedstawiono emisję CO2 na świecie oraz prognozę wydzielania tego gazu do roku 2030. Tu ujawnia się największy problem tego dokumentu. Prognozy wskazują bardzo znaczący wzrost emisji CO2 w latach 2000-2030. W tym samym czasie UE (15% udziału w światowej emisji CO2) podjęła już i zamierza kontynuować w przyszłości ogromny zakres działań zmierzających do ograniczenia emisji tego gazu. Sytuacja ta wynika z faktu, że stroną Protokołu nie są USA, które produkują prawie 25% światowej emisji gazów cieplarnianych a państwa, co do których przewiduje się największy wzrost emisji tych gazów (np. Indie, Chiny) dotychczas nie ustanowiły dla siebie żadnych celów redukcji emisji. Jeżeli zatem w wyniku politycznych negocjacji nie uda się osiągnąć globalnej zgody w podejściu do problemów klimatycznych, to efekty uzyskane w krajach 25-ki mogą okazać się w skali całego świata znikome. Dalsze respektowanie przyjętych zobowiązań osłabi ponadto konkurencyjność europejskiej gospodarki w stosunku do państw, które tych rygorów nie będą uznawać.

Czyste technologie węglowe szansą na poprawę bezpieczeństwa energetycznego oraz stanu środowiska w UE. 

„Czyste Technologie Węglowe” to przedsięwzięcia mające na celu ograniczenie negatywnego wpływu użytkowania węgla na środowisko. Poszczególne technologie stosowane są na etapach: produkcji węgla, w trakcie jego przetwarzania i po przetworzeniu w energię lub inne paliwa (rys. 9). Do „Czystych Technologii Węglowych” można zaliczyć trzy grupy działań prowadzonych w zakładach górniczych. Pierwsza to produkcja dla potrzeb energetyki węgla o niskiej zawartości siarki, którego spalanie umożliwia ograniczenie emisji SO2 i pyłów do poziomów obowiązujących w UE. Zwiększenie produkcji węgla o zawartości siarki poniżej 0,6% poprzez odpowiednie ukierunkowanie frontów eksploatacyjnych jest już powszechnie realizowane w Polsce i innych krajach. Druga to poprawa jakości węgla dla energetyki poprzez jego wzbogacanie, które ma na celu polepszenie jakości węgli energetycznych. Obecnie wzbogacony węgiel energetyczny charakteryzuje się o wiele wyższą, niż poprzednio, wartością opałową oraz niższą zawartością popiołu i siarki. 

Trzeci kierunek działań to produkcja ekologicznego paliwa dla odbiorców indywidualnych. Są to nie mniej ważne przedsięwzięcia, gdyż przyczyniają się do ograniczenia tzw. niskiej emisji, która jest poważnym problemem mieszkańców wielu regionów. Takie paliwa produkowane są również w Polsce i spełniające najbardziej rygorystyczne normy. 

W zakresie czystych technologii spalania węgla można wyróżnić następujące kierunki: 

• spalanie pyłu węglowego w warunkach nadkrytycznych, 
• spalanie w złożu fluidalnym, 
• zgazowanie węgla, 
• upłynnianie węgla.

Konwencjonalne instalacje z kotłami opalanymi pyłem węglowym – system stosowany w większości kotłów na świecie – były systematycznie poddawane modernizacji, mającej przede wszystkim na celu poprawę ich poziomu sprawności (rys. 10). Ponieważ sprawność tych urządzeń zależy głównie od charakterystyki termodynamicznego cyklu pary, z którym związany jest rodzaj technologii, nacisk kładziono na podwyższenie temperatury i ciśnienia pary. Obecnie w świecie konwencjonalne procesy spalania, oparte na superkrytycznych kotłach spalających pył węglowy, uzyskują poziom sprawności ok. 45% w zależności od lokalizacji elektrowni (dostęp do naturalnego nagromadzenia wody chłodzącej). Podobne rozwiązania proponowane są również dla elektrowni opalanych węglem brunatnym. Elektrownie takie, stosujące zoptymalizowaną technologię (w Niemczech BoA), mają sprawność rzędu 43%. Ten sam cykl parowy jak w konwencjonalnych kotłach stosuje się w technologiach spalania w złożu fluidalnym (FBC). Różnica polega na wykorzystaniu innego procesu spalania. System taki pracuje przy niższej temperaturze, co prowadzi do mniejszych poziomów emisji bez potrzeby stosowania dodatkowych środków takich jak katalizatory, czy instalacje odsiarczania. Sprawność technologii spalania w złożu fluidalnym podwyższa się poprzez zwiększenie ciśnienia. W takich przypadkach możliwe jest podniesienie sprawności do ponad 50%. 

Zgazowanie węgla, czyli półspalanie z dodatkiem pary wodnej, prowadzi do uzyskania gazu generatorowego lub syntezowego, w zależności od stosowania nadmuchu powietrza lub tlenu. Po uzdatnieniu i oczyszczeniu uzyskanych gazów, mogą być one stosowane w układach z cyklem kombinowanym, składającym się z turbiny gazowej i parowej (IGCC). Gazy spalinowe wprowadzane są do kotła odzyskującego ciepło, który z kolei wytwarza parę wykorzystywaną w turbinie parowej. Ogólna sprawność energetyczna takich układów to ok. 45%. Nowoczesne, zintegrowane układy gazowo-parowe charakteryzują się niską emisją zanieczyszczeń do atmosfery (SO2 poniżej 10 mg/m3, NOx poniżej 60 mg/m3, pył poniżej 3 mg/m3). W procesie zgazowania mogą być stosowane różne sortymenty węgla. Najbardziej znane elektrownie stosujące systemy IGCC to: Tampa Electric (USA), DEMCOLEC (Holandia), ELCOGAS (Hiszpania), Sierra Pacific (USA). 

Upłynnianie węgla (uwodornienie) może być realizowane bezpośrednio, tj. poprzez destruktywne oddziaływanie na węgiel pod wpływem wysokiego ciśnienia i w obecności wodoru oraz pośrednio, tj. poprzez zgazowanie węgla, a następnie syntezę uzyskanego gazu. Bezpośrednie uwodornienie węgla znajduje się na etapie zaawansowanych prac badawczych, a pozyskanie paliw płynnych metodą pośrednią odbywa się na skalę przemysłową. 

Obecnie najbardziej rozpowszechnione w świecie są technologie oparte o gazogeneratory ze złożem stałym (zakłady Sasol – RPA, Great Plains – USA). Stosuje się również nowsze konstrukcje ze złożem zdyspersowanym, pracujące w oparciu o technologie TEXACO, SHELL i Destec. 

Produkty ciekłe z węgla wytwarzane są w takich krajach jak: RPA, Francja, USA, Indie, Singapur, Malezja. Stosuje się bardzo różne kombinacje w zintegrowanych układach parowo-gazowych ze zgazowaniem węgla. 

Z gazu otrzymanego z węgla, oprócz energii elektrycznej można produkować takie produkty jak: gaz płynny, benzyny, oleje, metanol, syntetyczny gaz ziemny, wodór. 

Jak widać węgiel może być i niewątpliwie będzie czystym paliwem. Ma duże szanse na to, by w przyszłości nie stanowić problemu dla zrównoważonego rozwoju, lecz stać się częścią jego rozwiązania.

Podsumowanie

Wydaje się, że tak poważnych problemów, jakie stoją przed energetyką Zjednoczonej Europy nie rozwiążą wyłącznie prawa rynku. 

Na poziomie UE istnieje potrzeba wykreowania ram wspólnej i obiektywnej polityki energetycznej opartej na zasadach zrównoważonego rozwoju. Należy przeanalizować wszystkie za i przeciw dla różnych źródeł energii, a w szczególności w aspekcie bezpieczeństwa podaży, konkurencyjności oraz wpływu na środowisko naturalne. Konieczna jest weryfikacja wspólnotowego systemu handlu emisjami tak, aby system ten wspomagał inwestycje w nowe, wysokosprawne i ekologiczne elektrownie węglowe. Sprawy unijnej polityki energetycznej, w tym przede wszystkim kwestia zapewnienia bezpieczeństwa dostaw taniej energii w Unii z uwzględnieniem potrzeby zachowania i poprawy środowiska naturalnego – winny być uregulowane w drodze europejskiej ustawy ramowej. Powinna ona przede wszystkim uwzględniać stabilne ramy dla inwestycji, które mogłyby przyczynić się do bezpiecznej i zrównoważonej podaży energii, nie zagrażającej przy tym konkurencyjności przemysłu UE. Sprawa odpowiedniej dywersyfikacji mieszanki energetycznej tak, aby nie stawała się ona coraz gorsza, musi uzyskać priorytet. Jeżeli chodzi o równowagę, to poza horyzontem Europy należy uwzględnić perspektywę całego świata, szczególnie w zakresie zmiany klimatu i geopolitycznego ryzyka podaży. 

Analogiczne podejście jest pożądane na poziomie polityk rządów państw członkowskich. Podstawowe znaczenie dla krajów „węglowych” będzie miało uznanie roli węgla w rozwoju społeczno-gospodarczym i bezpieczeństwie energetycznym. W strategiach energetycznych powinny znaleźć się instrumenty ekonomiczne zachęcające do bardziej wydajnego i czystego wykorzystania węgla. Program na poziomie krajowym powinien również uwzględniać jakie role w jego realizacji powinny odgrywać inne organy rządowe, władze regionalne oraz placówki naukowo-badawcze, a także jasno precyzować jakie są oczekiwania od przemysłu górniczego, energetycznego i chemicznego. Tylko bowiem wspólnym wysiłkiem będzie można pokonać wszelkie bariery i zagrożenia, tak by konwencjonalna energetyka była bardziej czysta i przez to mogła stanowić podstawę europejskiego systemu energetycznego.

Literatura:

1. Brendow K.: Zrównoważony rozwój górnictwa węglowego. Perspektywy do roku 2030. XX Światowy Kongres Górniczy. Teheran 2005. Publikacja – Miesięcznik WUG, nr 4/2006. 
2. Dubiński J. i inn.: Produkcja paliw płynnych z węgla kamiennego – bariery i możliwości polskiego przemysłu. Katowice, Zabrze 2006. Opracowanie przygotowane dla Sejmowej Komisji Gospodarki, niepublikowane. 
3. Lorenz L.: Skutki spalania węgla kamiennego dla środowiska przyrodniczego i możliwości ich ograniczania. Materiały Szkoły Eksploatacji Podziemnej. Kraków 2005. 
4. Morrison G.: Węgiel i środowisko. Materiały Międzynarodowej Konferencji Przyszłość Węgla w Gospodarce Świata i Polski. Katowice 2004. 
5. Olszowski J.: Węgiel gwarantem bezpieczeństwa energetycznego Unii Europejskiej. Materiały Konferencji Górnictwo Zrównoważonego Rozwoju. Gliwice 2004. 
6. Coal industry across Europe 2005. EURACOAL. Bruksela 2005. 
7. Opinia Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego w sprawie sytuacji i perspektyw tradycyjnych źródeł energii – węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego w przyszłej kombinacji źródeł energii. Bruksela 2005. Materiał niepublikowany. 
8. Zmodyfikowana opinia Komisji Konsultacyjnej ds. Przemian w Przemyśle (CCMI) w sprawie wpływu międzynarodowych umów o zmniejszaniu emisji gazów cieplarnianych na procesy przemian w europejskim przemyśle. Bruksela 2006. Materiał niepublikowany. 
9. Projekt opinii Komisji Konsultacyjnej ds. Przemian w Przemyśle (CCMI) w sprawie zagrożeń i problemów związanych z zaopatrzeniem przemysłu europejskiego w surowce. Bruksela 2006. Materiał niepublikowany.

Janusz Olszowski