Nr 1 - 2 (151-152) Styczeń - Luty 2008 r.

CZYSTE TECHNOLOGIE WĘGLOWE
SZANSA PRZED POLSKĄ

W ostatnich latach obserwowany jest niebywały wzrost zainteresowania węglem kamiennym jako źródłem zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego. Jego światowe zasoby, obliczane na 200 lat, znacznie przekraczają zasoby innych paliw kopalnych. Stawia to węgiel w XXI wieku przed szansą nowego, nie tylko energetycznego wykorzystania. Polska, której udokumentowane złoża stanowią znaczną część zasobów paliw kopalnych Europy, mogłaby w przyszłości stanowić jej bazę, przyczyniając się w dużej mierze do wzrostu poziomu bezpieczeństwa całego kontynentu. 

Współczesne tzw. czyste technologie węglowe pozwalają na istotne zmniejszenie negatywnego oddziaływania na środowisko naturalne procesów związanych z wykorzystaniem węgla w różnych dziedzinach gospodarki. Prace nad ich rozwojem i wdrożeniem prowadzą przede wszystkim takie kraje jak USA, Chiny, Australia, Japonia. Aktywnie uczestniczy w ich Unia Europejska, o czym świadczy powołanie Europejskiej Platformy Technologicznej, zajmującą się zero emisyjnym wytwarzanie energii elektrycznej z paliw kopalnych. 

Doc. dr hab. inż. Krzysztof Stańczyk, kierownik Zakładu Oszczędności Energii i Ochrony Powietrza Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach, podkreśla duże dotychczasowe zaangażowanie Polski w badania różnych technologii przetwórstwa i wykorzystania węgla. Istnieją cztery podstawowe sposoby wykorzystania węgla, którym towarzyszy rozwój nowych i czystszych, niż znane dotychczas, technologii. Należą do nich: 

• spalanie w celu generowania energii elektrycznej i cieplnej, 
• koksowanie w celu wytwarzania koksu metalurgicznego i opałowego, 
• zgazowanie z wytwarzaniem energii elektrycznej, paliwa gazowego, paliwa ciekłego i produktów chemicznych, 
• bezpośrednie upłynnianie w celu wytwarzania paliw ciekłych. 

Obecna struktura użytkowania paliw, w której paliwa kopalne w 80% zaspokajają potrzeby energetyczne świata, powoduje emisję około 25 mld ton dwutlenku węgla rocznie i stopniowy wzrost jego stężenia w atmosferze, co z kolei uznaje się za główną przyczynę ocieplania się klimatu ze wszystkimi ujemnymi skutkami tego procesu. Aby temu zapobiec, a jednocześnie móc dalej stosować paliwa kopalne, należy stworzyć nowoczesny, bezemisyjny system wytwarzania energii z paliw kopalnych, w tym tzw. zero emisyjną elektrownię węglową. 

- Znane są trzy sposoby pozwalające na zmniejszenie emisji dwutlenku węgla w procesach wytwarzania energii – wyjaśnia doc. Stańczyk. - Można to osiągnąć poprzez poprawienie sprawności w produkcji energii, wyłapywanie, magazynowanie i ewentualnie utylizowanie dwutlenku węgla. Istnieje możliwość zmiany paliw kopalnych nie powodujących emisji CO2 na takie jak, paliwa jądrowe czy odnawialne źródła energii. Koncepcja wzrostu sprawności znajduje powszechne uznanie i akceptację, gdyż dąży do oszczędności paliwa, a jednocześnie opiera się na wykorzystaniu i doskonaleniu znanych i dojrzałych technologii energetycznych. Na przykład obecnie sprawność wytwarzania energii elektrycznej w zależności od nośnika energii i źródła wytwarzania wynosi od 25 do 48%. Jak z tego wynika - zwiększenie sprawności wytwarzania energii elektrycznej w źródłach o niskiej sprawności może doprowadzić do wielkich oszczędności w zużyciu paliwa, a co za tym idzie do znacznej redukcji emisji dwutlenku węgla. Nowe technologie spalania węgla pozwalają na osiągnięcie wyższej sprawności wytwarzania energii i zmniejszenie emisji dwutlenku węgla. Jest to nowoczesne spalanie pyłowe i fluidalne, spalanie w tlenie czy spalanie wykorzystujące tzw. pętlę chemiczną. Drugim sposobem jest jego sekwestracja, czyli wychwytywanie i bezpieczne składowanie dwutlenku węgla, które jest możliwe pod warunkiem opanowania technologii efektywnego wydzielania tego gazu ze strumienia gazów powstających w procesie spalania. 

Obecnie realizuje się takie procesy opierając się na ciągle doskonalonych technikach membranowych i na technikach z użyciem stałych adsorbentów. Technologie zgazowania węgla opierają się na zespole wielokierunkowych przemian termicznych i chemicznych, które zachodzą w podwyższonej temperaturze głównie między częścią organiczną substancji węglowej i czynnikami zgazowującymi, najczęściej tlenem i parą wodną. Proces zgazowania paliw stałych jest znany i opanowany od kilkudziesięciu lat. Obecnie działa 128 zakładów zgazowania paliw stałych, w których pracuje 366 gazogeneratorów różnej konstrukcji. Moc zainstalowana w instalacjach wytwarzających gaz z paliw stałych wynosi około 40 GW (w przeliczeniu na energię chemiczną zawartą w gazie), a do roku 2010 ma nastąpić podwojenie zainstalowanej mocy gazogeneratorów. W wyniku zgazowania stałego surowca węglowodorowego powstaje gaz syntezowy (syngas), którego skład uzależniony jest od technologii zgazowania obejmującej również reakcje konwersji tlenku węgla do dwutlenku węgla z produkcją wodoru. Zainteresowanie zgazowaniem węgla, połączonym z produkcją energii elektrycznej (instalacja IGCC), związane jest z rozwojem turbin gazowych umożliwiających efektywne wykorzystanie średniokalorycznego gazu wytwarzanego w generatorach parowo-tlenowych. Nowoczesne zintegrowane układy gazowo-parowe posiadają możliwość osiągnięcia wysokiej sprawności termodynamicznej przemiany węgla na energię elektryczną oraz charakteryzują się niską emisją zanieczyszczeń do otoczenia (<10 mg SO2/m³, <60 mg NOx/m³, < 3 mg pyłu/m³). 

Technologie upłynniania węgla realizowane są w chwili obecnej w świecie dwoma podstawowymi grupami metod: metodą pośrednią poprzez zgazowanie węgla i następnie syntezę z gazu syntezowego produktów końcowych oraz metodą bezpośrednią uwodornienia węgla. Bezpośrednie uwodornianie węgla polega na zwiększeniu udziału wodoru w stosunku do węgla pierwiastkowego w produktach ciekłych w porównaniu do surowca w warunkach podwyższonych temperatur i pod wysokim ciśnieniem. Zawartość wodoru w węglu kamiennym wynosi ok. 5 %, w benzynie i oleju napędowym odpowiednio 16,5 i 13 %. Wodór w procesie zużywany jest również w reakcjach uwodornienia zawartych w substancji węglowej tlenu, azotu i siarki z wytworzeniem wody, amoniaku i siarkowodoru. 

Technologią przyszłości, wręcz futurystyczną, jest technologia podziemnego zgazowania węgla. To obiecująca alternatywa w stosunku do tradycyjnych metod eksploatacji surowca, szczególnie w pokładach na różnych głębokościach, których aktualna eksploatacja jest nieuzasadniona względami bezpieczeństwa bądź rachunkiem ekonomicznym. Podziemne zgazowanie węgla ( Underground Coal Gasification – UCG) jest metodą konwersji węgla do gazu syntezowego in-situ, będącą odpowiednikiem procesów zgazowania prowadzonych w reaktorach powierzchniowych. Podczas procesu UCG węgiel reaguje w podwyższonej temperaturze z czynnikiem zgazowującym, którym najczęściej jest powietrze, tlen, para wodna lub ich mieszanina. Produktem końcowym jest mieszanina gazów składająca się głównie z H₂, CO, CO₂ oraz CH₄. 

Przykładowy skład gazu syntezowego otrzymanego metodą UCG
(wartość kaloryczna 13,6 MJ/Nm³)

Pierwszym etapem prowadzenia podziemnego zgazowania węgla jest tworzenie tzw. reaktora podziemnego. W zależności od sposobu udostępnienia pokładu węgla, wyróżnia się dwie metody przygotowania reaktora: metodę szybową i metodę bezszybową. Metoda szybowa, choć historycznie pierwsza, obecnie uważana jest za nieekonomiczną i mało perspektywiczną, choć przydatną w zamykanych kopalniach. 

Idea procesu podziemnego zgazowania węgla.

Większość aktualnie prowadzonych w świecie badań w zakresie UCG skupia się na metodzie bezszybowej, której rozwój w ostatnich latach był możliwy dzięki postępowi w dziedzinie wierceń kierunkowych. W metodzie bezszybowej, przygotowanie reaktorów polega na wykonaniu wierceń kanałów zasilających i produkcyjnych z powierzchni, a następnie połączeniu ich kanałami łączącymi. Obecnie w świecie znaczenie mają dwie technologie prowadzenia procesu podziemnego zgazowania węgla, tj. technologia CRIP (Continuous Retraction Injection Point) oraz εUCG. 

Pierwsze doświadczenia z UCG pokazały, że po pewnym czasie od zainicjowania procesu, w miarę wzrostu średnicy ubytku po zgazowanym surowcu, stopniowo spada jakość produkowanego gazu (spadek wartości kalorycznej). Metoda CRIP pozwoliła rozwiązać problem spadku jakości gazu poprzez zasilanie generatora czynnikiem zgazowującym w ściśle określonym punkcie pokładu, za pomocą giętkiego przewodu stalowego. Spadek parametrów gazu jest sygnałem do przesunięcia centrum zasilania i zainicjowania nowego reaktora o stabilnych parametrach gazu. 

Zasada technologii CRIP.

Badania nad podziemnym zgazowaniem węgla prowadzone są w świecie od początku XX wieku. Do dnia dzisiejszego przeprowadzono ponad 50 eksperymentów UCG, w tym ponad 30 w USA. W Europie eksperymenty te prowadzono w latach 1982 – 1999. Do najważniejszych zaliczyć należy próbę przeprowadzoną w Hiszpanii w latach 1992 – 1999 przez konsorcjum belgijsko – hiszpańsko – brytyjskie, a finansowane przez Komisję Europejską. Zakończony sukcesem eksperyment prowadzony na głębokości 550 m, dowiódł wykonalności procesu UCG na dużych głębokościach. Eksperymenty UCG prowadzono również we Francji, Belgii oraz Polsce (w Głównym Instytucie Górnictwa od lat pięćdziesiątych do siedemdziesiątych XX w.). W Związku Radzieckim pierwsze próby UCG przeprowadzono w roku 1933. W latach 1960 – 1980 prowadzono eksploatację w skali przemysłowej, produkując rocznie ok. 1,5 mld m3 gazu. W próbie zainicjowanej w Uzbekistanie (Angren) w roku 1955 i trwającej do dnia dzisiejszego, zgazowano łącznie już ponad milion ton węgla. Próby te dotyczyły pokładów płytko zalegających. Nie bez znaczenia pozostają również doświadczenia prowadzone w Chińskiej Republice Ludowej, gdzie od roku 1980 wykonano łącznie 16 prób. W ramach projektu Chinchilla biegnącego w Australii od roku 1990 przeprowadzono pomyślną próbę zgazowania podziemnego prowadzonego technologią UCG. 

Światowe próby UCG i głębokość prowadzenia procesu.

Wyniki najnowszych badań prowadzonych w ramach projektów doświadczalnych w Australii, Kanadzie i Uzbekistanie sugerują, że nakłady inwestycyjne związane z budową instalacji UCG – IGCC mogą zostać zredukowane nawet o ponad 50% w stosunku do elektrowni opartych na kotłach pyłowych na nadkrytyczne parametry pary - SCPC ( Supercritical Pulverized Coal) oraz układów IGCC wykorzystujących proces zgazowania w reaktorze powierzchniowym. Oszacowano, że koszty wytworzenia jednostki energii elektrycznej w układzie UCG – IGCC mogą zostać zredukowane o ponad 70% w stosunku do klasycznych układów. 

O atrakcyjności ekonomicznej procesu UCG decydują następujące czynniki: obniżenie nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacyjnych ( w odróżnieniu od tradycyjnych elektrowni, nie istnieje potrzeba zakupu, transportu, magazynowania oraz przygotowania węgla oraz utrzymania reaktora). Z uwagi na ciągłość strumienia gazu, instalacje cechuje wysoka wydajność, porównywalna do aktualnie eksploatowanych elektrowni o kotłach pyłowych lub gazowych). Ze względu na prowadzenie procesu zgazowania pod ziemią, nie występuje emisja tlenków siarki i azotu. Strumień pyłu stanowi około połowę strumienia wytwarzanego w tradycyjnych reaktorach powierzchniowych, nie występuje również produkcja popiołów, uwolnione zostaje niecałe 50 % ilości rtęci emitowanej przez tradycyjne elektrownie. W wyniku podziemnego zgazowania następuje sekwestracja, czyli deponowanie dwutlenku węgla pod ziemią szacowane na setki lat. Produkcja gazu syntezowego pochodzącego z UCG ma wymiar lokalny i cechuje ją ciągłość strumienia gazu, stąd wyeliminowanie ryzyka związanego z dostępnością oraz przerwami w dostawie surowca oraz wzrostu kosztów dostawy. 

- Drogą do wykorzystania technologii UCG w Polsce w skali przemysłowej powinny być eksperymenty w skali półprzemysłowej, prowadzone w ramach projektów badawczych oraz towarzyszące im opracowania teoretyczne i koncepcyjne – konkluduje doc. Krzysztof Stańczyk. - Polska, dzięki badaniom prowadzonym w połowie ubiegłego wieku w GIG -u, wniosła już pewien wkład w rozwiązanie wielu istotnych problemów związanych z procesem zgazowania podziemnego. Aktualnie Instytut realizuje projekt Hydrogen Oriented Underground Coal Gasification for Europe (HUGE) finansowany ze środków Funduszu Badawczego Węgla i Stali (RFCS). Projekt dotyczy uzyskiwania wodoru drogą podziemnego zgazowania węgla z jednoczesną sekwestracją dwutlenku węgla. W ramach projektu przeprowadzona zostanie próba podziemnego zgazowania w skali półtechnicznej, w pokładzie zalęgającym na głębokości ok. 30 m. Przedsięwzięcie jest realizowane przez konsorcjum międzynarodowe, w skład którego wejdą partnerzy z Holandii, Wielkiej Brytanii, Czech, Belgii, Ukrainy oraz krajowe firmy sektora paliwowo – energetycznego, tj. Kompania Węglowa S.A. oraz BOT S.A. Wyniki projektu HUGE powinny dostarczyć wiedzy niezbędnej do prowadzenia procesu UCG w pokładach krajowych oraz otworzyć drogę do kolejnych projektów prowadzonych w większej skali. Bazując na dotychczasowych doświadczeniach w UCG oraz doświadczeniach płynących z realizowanych w przyszłości projektów, komercyjne zastosowanie procesu podziemnego zgazowania do eksploatacji krajowych pokładów węgla kamiennego mogłoby mieć miejsce najwcześniej za 8 -10 lat.

opracowała Mira Borkiewicz Kolumna dofinansowana ze środków Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Katowicach