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

UPŁYNNIANIE WĘGLA
TO NIE MRZONKA

Występujące na światowym rynku energetycznym zakłócenia w dostawach ropy naftowej i jej wysokich cenach, zmuszają do poszukiwania, czy też reaktywowania wcześniej eksperymentowanych technologii upłynniania węgla.

Jest to zasadne, ponieważ uwzględniając choćby tylko rozpoznane zasoby węgla i ich roczne wykorzystywanie, wynika, że wystarczy ich na ponad 200 lat. Natomiast w odniesieniu do ropy naftowej wystarczy jej na ok. 50 lat, zaś gazu ziemnego na ponad 60 lat. 

Gwoli przypomnienia gospodarki światowe w dużej skali zużytkowują pochodne ropy naftowej, tj. benzynę, olej napędowy i palny. Dostawcy ropy naftowej (m. in. Rosja, Norwegia, Wielka Brytania, a głównie kraje Bliskiego Wschodu) wykorzystując choćby np. różnego rodzaju katastrofy (np. ubiegłoroczne huragany Karina, Rita, a także Wilma w USA – poniszczone platformy wiertnicze) oraz niepokoje społeczne i polityczne, dyktują coraz to wyższe ceny za baryłkę ropy naftowej. 

Przykładowo gospodarka niemiecka według badań analitycznych Instytutu Badań Gospodarczych z Kilonii, w związku z powyższymi perturbacjami musiała dodatkowo wydać w 2005r. około 24 mld euro na zakup ropy naftowej. 

Uwzględniając m.in. powyższe aspekty podejmuje się w Niemczech próby reaktywowania wcześniej opracowanych technologii upłynniana węgla, tzn. procesy Potta – Brochea/IG-Farben oparte na metodzie F. Bergiusa (1927r. – 1944r. stosowana do upłynniania węgla kamiennego, następnie wykorzystywana w NRD do upłynniania węgla brunatnego), Lurgi oraz Fischera – Tropscha (1925r.). 

W trakcie procesu upłynniania węgla (metodą bezpośredniego lub pośredniego uwodornienia - hydratacji) otrzymuje się w skali przemysłowej płynne produkty, tzn. począwszy od benzyny aż do olei ciężkich. W syntezie Fischera - Tropscha węgiel zostaje najpierw poddany zgazowaniu, aby następnie zostać upłynniony przy użyciu wodoru z udziałem różnych katalizatorów. Metoda ta została opracowana w 1925 roku i osiągnęła dopiero dzisiaj pełną dojrzałość techniczną. 

Problematykę zabezpieczenia energetycznego Niemiec, dostrzeżono bardziej w wyniku pierwszego kryzysu naftowego w roku 1974, w wyniku, którego opracowano Ramowy Program Energetyczny. Efektem jego było uruchomienie w latach 1977 do 1980 siedmiu pilotowych instalacji upłynniania węgla. W roku 1980 opracowano za 13 mld DEM projekt budowy instalacji przemysłowej upłynniania i zgazowania węgla, składający się z 14 konkretnych cząstkowych zadań badawczych. Wprawdzie już w roku 1980 przewidywano, że niniejszy program nie zabezpieczy w najbliższym horyzoncie czasowym sytuacji energetycznej Niemiec, to jednak uważano, że chociaż częściowo uzupełni lukę potrzeb w zakresie niedoboru ropy naftowej i gazu ziemnego. Na podstawie tego programu oczekiwano, że już w połowie lat 80 – tych wzrośnie udział m.in. oleju napędowego i opałowego i gazu z węgla w bilansie energetycznym kraju. Uwzględniając planowaną zdolność przetwórczą opracowanych instalacji uszlachetniania węgla, wykazano, że rocznie zużywać się będzie ok. 12 mln t węgla kamiennego i 10 mln t węgla brunatnego. Jednakże w wyniku spadku na rynku światowym cen ropy naftowej i gazu, zahamowaniu uległy w Niemczech w połowie lat 80 - tych prace nad technologiami upłynniania i zgazowania węgla. Natomiast ostatnią instalację pilotową upłynniania węgla DMT Essen, która pracowała już od początku lat 70 – tych i produkowała 200 kg/d oleju z węgla, sprzedano w roku ubiegłym do Chin. W związku z tym chiński koncern energetyczny Shenhua przy współpracy firmy SASOL z RPA zamierza w 2007 roku, przy wykorzystaniu niemieckich technologii upłynniania, zbudować w miejscowości Majata za 2,45 mld euro instalację upłynniania (na bazie metody Bergiusa), która przetwarzać będzie rocznie 9,7 mln t węgla i produkować ok. 5 mln t benzyny i oleju napędowego oraz opałowego. W niniejszym projekcie partycypuje również Indonezja, która również w 2007 rozpocznie budowę instalacji upłynniania węgla. 

Ponadto USA, celem uniezależnienia się od importu ropy naftowej, w przyjętym programie energetycznym zamierzają w najbliższych dekadach zbudować 30 instalacji upłynniania węgla. Już w tym roku rozpoczęto budowę w Gilberton (Pensylwania) instalacji upłynniania na bazie metody Fischera – Tropscha. Wzrost zapotrzebowania na surowce energetyczne oraz ograniczona oferta substytutów ropy naftowej, pomimo wcześniejszego zahamowania prac badawczych i w skali półprzemysłowej nad upłynnianiem węgla, nabiera ponownie w Niemczech zwiększonego zainteresowania badaniami w tym zakresie (obecnie Instytut Maxa – Plancka w Mülheim). Uważa się, że opłacalność instalacji upłynniania węgla występuje już przy cenie ropy naftowej wynoszącej 60 USD/baryłkę. W związku z tym zakłada się, że obecne już o wiele nowocześniejsze koncepcje instalacji upłynniania węgla urzeczywistnią się w skali przemysłowej już po 2007 roku. 

Poparciem tego stanowiska są przemysłowe instalacje upłynniania węgla w Republice Południowej Afryki, pracujące od 1955r. i oparte o niemiecką metodę „Fischera – Tropscha”. W miejscowości Secuda pracuje instalacja upłynniania SASOL, w trzech blokach SASOL 1, 2 i 3, która wytwarza około 175 000 baryłek/d benzyny, olei i innych chemikaliów, w cenie 25 USD/baryłkę. Natomiast obecnie występująca tendencja wzrostu cen ropy naftowej doprowadziła do zwiększenia o 65% zdolności przetwórczej ww. instalacji. W dalszym ciągu prowadzone są RPA prace w kierunku unowocześniania tej instalacji, celem sprostania konkurencji na rynku paliw. 

Dotychczasowe doświadczenia pilotażowe i przemysłowe wskazują, że instalacje upłynniania mogą już stać się poniekąd opłacalnymi, jeśli cena ropy naftowej wynosi, co najmniej 20 USD/baryłkę. Uwzględniając wysokie wahania na rynku energetycznym cen ropy naftowej i gazu ziemnego, spodziewać się należy zwiększenia zainteresowania uszlachetnianiem węgla, co pociągnie za sobą wzrost jego cen. Unia Europejska w trosce o bezpieczeństwo energetyczne zamierza wspomagać finansowo i w zakresie know – how badania nad praktycznymi technologiami upłynniania i zgazowania węgla. W związku z tym Niemcy podjęli już prace badawczo – rozwojowe nad reaktywowaniem wcześniejszych rozwiązań w zakresie upłynniania węgla, których efektem będą m.in. nowoczesne i o wysokiej sprawności powierzchniowe instalacje przemysłowego upłynniania węgla. 

W programach rozwoju gospodarczego Polski, a w szczególności zabezpieczenia energetycznego uwzględnia się węgiel również jako podstawowe źródło energii. Przestarzałe technologie wydobywania i przetwarzania węgla i uzyskiwania nośników energii spowodowały, że paliwo to było i nadal jest o dziwo postrzegane negatywnie. Punkt widzenia węgla w opinii publicznej nie odzwierciedla jednak aktualnej rzeczywistości, a dostępne obecnie technologie jego przetwarzania powodują, że paliwo to staje się przyjazne dla środowiska i człowieka. Najnowsze osiągnięcia naukowo – badawcze i techniczne w tym zakresie (niska zawartość popiołu, gazyfikacja i gazyfikacja podziemna, upłynnianie i sekwestracja) stwarzają możliwości zastosowania węgla do wytwarzania energii z niską, a nawet zerową emisją gazów cieplarnianych. Polskie górnictwo węgla kamiennego stanowi i nadal ma szansę stanowić solidną podstawę bezpieczeństwa energetycznego kraju. Wdrażanie nowoczesnych, efektywnych i bezpiecznych technologii wydobywania węgla zapewni w dużej mierze konkurencyjność polskiego węgla w skali światowej, uzyskiwanie wysokich standardów w zakresie bezpieczeństwa i higieny pracy, przyjazny stosunek dla środowiska naturalnego oraz stabilność produkcji gwarantującą pokrycie zapotrzebowania na to paliwo. Nie trudno przewidzieć, że głównym kierunkiem rozwoju polskiej elektroenergetyki opartej na węglu będzie wzrost sprawności elektrowni i ciepłowni, przy jednoczesnym spełnieniu wymogów w zakresie ochrony środowiska. Rozwój takich technologii będzie uwarunkowany koniecznością wdrożenia możliwie tanich metod sekwestracji dwutlenku węgla. Wzorując się na trendach światowych w zakresie energetyki węglowej, koniecznym stanie się wdrożenie technologii zgazowania i upłynniania węgla. Natomiast produkcja benzyny z węgla przyniosłaby poważne korzyści dla polskiej gospodarki, w szczególności w pewnym stopniu zmniejszyłaby zależność od niestabilnych wahań cen i dostaw ropy naftowej na rynkach światowych oraz zagwarantowałaby stabilną działalność polskim kopalniom węgla. Pewne przedsięwzięcia badawcze w tym zakresie podjęła Kompania Węglowa S.A. już z końcem 2005r.. Według wstępnych szacunków instalacja upłynniania węgla kosztowałaby ok. 2,4 mld euro, i mogłaby produkować z węgla rocznie 3 mln t komponentów benzyny, oleju opałowego, oleju silnikowego i siarczanu amonu. 

Z wstępnie opracowanych analiz ekonomicznych wynika, że przeróbka węgla jest już opłacalna przy cenach ropy na rynkach światowych na poziomie minimum 55-60 USD za baryłkę. Tymczasem dziś cena za baryłkę ropy naftowej ciągle się waha i już przekracza 70 USD, a wszystko wskazuje na to, że nie będzie spadać. Rozwój tego typu instalacji przemysłowych jest bardzo ważny dla Polski, ponieważ posiadamy duże zasoby węgla, a rocznie zużywamy od 18 do 20 mln ton ropy, z czego 90 proc. pochodzi z zagranicy. Oceniając wywody naukowców i ekspertów branży energetycznej, prezentowane w różnego rodzaju opracowaniach analitycznych i prognostycznych, a także wyrażanych opiniach można sprecyzować pewne spostrzeżenia, co do wizji znaczenia węgla, tj.: 

• z biegiem lat znaczenie ropy naftowej i gazu ziemnego (coraz wyższe ceny, mniejsza podaż, szczupłość zasobów, piractwo morskie, itp.) będzie coraz mniejsze. W sektorze wytwarzania energii elektrycznej węgiel zastępował będzie w coraz większym stopniu ropę naftową i gaz ziemny, a więc zmianie ulegnie struktura nośników energii, tzn. węgiel i odnawialne źródła energii zwiększały będą swój udział w bilansie energetycznym w stosunku do ropy naftowej gazu ziemnego. Przykładowo według prognoz Instytutu Gospodarki Energią Uniwersytetu w Kolonii oraz firmy szwajcarskiej Prognoz S.A. z Bazylei (sierpień 2006r.) węgiel kamienny po 2030r. zajmie w Niemczech pierwszą pozycję w strukturze paliw stosowanych przy wytwarzaniu energii elektrycznej (możliwy 31% udział), na drugim miejscu uplasuje się z 29% udziałem węgiel brunatny, następne miejsca zajmą źródła energii odnawialnej (26%) i gaz ziemny (10%), 
• w miarę ukierunkowywania energetyki na zwiększony udział węgla rozwijane i stosowane będą nowoczesne technologie energetyczne redukujące emisję szkodliwego dla środowiska dwutlenku węgla. Zrównoważenie emitowanego do atmosfery dwutlenku węgla przez energetykę następować będzie poprzez zmniejszoną emisję CO2 – zgodnie ze standardami europejskiego systemu handlu emisjami ETS, a także dzięki powolnemu zastępowaniu ropopochodnych paliw w środkach komunikacji biopaliwami, 
• następować będzie intensyfikacja prac badawczych i eksperymentalnych nad upłynnianiem węgla i uzyskiwaniem benzyny i oklei ciężkich oraz implementowaniem ich w instalacjach przemysłowych, 
• przewiduje się, że ceny węgla kamiennego w 2030r wzrosną, co najmniej o 10%, zaś ropy naftowej i gazu ziemnego minimum o 26%, 
• przewidywany jest spadek światowego wydobycia węgla kamiennego, a także jego podaży na rynku handlowym. Kraje o najwyższym wydobyciu węgla kamiennego, jak Chiny, Indie i USA uzyskiwane wydobycie wykorzystywać będą dla własnych potrzeb. Ponadto krajowe potrzeby energetyczne zaspokajać będą również węglem pochodzącym z importu. 

Opracowano w oparciu o materiały zawarte w najnowszych biuletynach GVST – Gesamtverband des deutschen Steinkohlenbergbaus in Essen (Centralny Związek Niemieckiego Górnictwa Węgla Kamiennego); Nowego Przemysłu i serwisach prasowych oraz internetowych FID Verlag, Bonn;Die Welt; Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim, oraz: Haendel M.W.:Verflüssigung von hoch-inkohlten Steinkohlen nach Hydrierung in Gegenwart von Boran – oder Iod – Homogenkatalysatoren. Angewandte Chemie 2005;Löfken J.O.: Benzin aus Kohle – neuer Katalysator entwickelt. www.morgenwelt-media.de; ; Deutsche Botschaft Tokyo: Verflüssigung von Kohle in Asien. Pressebericht, 22.08.2006, www.tokyo.diplo.de; Gerling J.P.: Dauerbrenner Kohle – Zukunft ungewiss. Das Magazin für Geo- und Naturwissenschaften. www.geoscience-online.de; Batchelor R., P. Allonby: Renaissance der guten alten Kohle. New Energy Fund, Oktober 2006.

Oprac. dr inż. Bronisław Jaworski