Nr 1 - 2 (163 - 164) Styczeń - Luty 2009 r.

CZYSTY WĘGIEL
PRZYSZŁOŚĆ ENERGETYKI

Centrum Czystych Technologii Węglowych (CCTW), to nowatorskie w skali kraju, wspólne przedsięwzięcie Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach i wchodzącej w jego struktury Kopalni Doświadczalnej „Barbara” w Mikołowie oraz Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla z Zabrza.

Realizowane będzie właśnie w aglomeracji śląskiej, jako że charakteryzuje się ona wysokim stopniem uprzemysłowienia i nasycenia kadrą naukowo-badawczą oraz techniczną z obszaru górnictwa i energetyki. Obydwa instytuty cechuje wieloletnie doświadczenie i wiedza o potrzebach badawczych z tego zakresu, jak i budowy stanowisk badawczych o dużym stopniu skomplikowania w rożnych skalach. Posiadają wdrożone systemy jakości, których procedury gwarantują stały nadzór nad realizacją projektu w aspektach technicznym, finansowym i środowiskowym. CCTW oprócz funkcji czysto badawczych ma również pełnić funkcję ośrodka, z którego korzystać będą inne zespoły naukowe - z Politechniki Śląskiej, Akademii Górniczo – Hutniczej, Politechniki Wrocławskiej. Całość Centrum ma być zrealizowana do 2012. Unia Europejska z funduszy strukturalnych przeznaczyła na ten cel 161 mln złotych. Geneza tego dalekosiężnego projektu, jest ściśle powiązana ze światową sytuacją na rynku energetycznym oraz ukierunkowaniem współczesnej nauki i przemysłu na tzw. czyste technologie węglowe. 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, zajmującej się zeroemisyjnym wytwarzanie energii elektrycznej z paliw kopalnych. W Polsce, różnego rodzaje prace dotyczące tej problematyki prowadzone są w wielu jednostkach badawczo – rozwojowych i uczelniach. Jednym z warunków szybszego postępu jest integracja i rozbudowa potencjału badawczego, zarówno ludzkiego jak i aparaturowego. Taki pogląd jest zgodny ze stanowiskiem krajów Unii Europejskiej. W Zielonej Księdze UE „Europejska Strategia na rzecz zrównoważonej, konkurencyjnej i bezpiecznej energii”, jako jedną ze ścieżek wdrożeń technologii kluczowych CCT, wskazano utworzenie nowoczesnego centrum badawczego czystych technologii węglowych. 

Duże dotychczasowe zaangażowanie Polski w badania różnych technologii przetwórstwa i wykorzystania węgla sprawia, iż kraj nasz ma szansę stać się w Europie liderem w tym zakresie. Istnieją cztery podstawowe sposoby wykorzystania węgla, przy zachowaniu rygorów ekologicznych, 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. 

-Węgiel jest obecnie w skali światowej jedynym surowcem energetycznym, pozwalającym na stabilne zaspokojenie potrzeb energetycznych w długiej perspektywie czasowej. 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. Koniecznością stały się więc poszukiwania alternatywnych sposobów wykorzystania i pozyskiwania jego zasobów. 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. – wyjaśnia mgr inż. Jerzy Świądrowski, kierownik Laboratorium Przetwórstwa Węgla Zakładu Oszczędności Energii i Ochrony Powietrza Głównego Instytutu Górnictwa. - W świecie 40 proc. energii elektrycznej wytwarza się z węgla, przy czym w Polsce liczba ta sięga aż 95 proc. Według prognoz, do roku 2030 nastąpi dalszy wzrost zużycia tego surowca. Współczesne, czyste technologie węglowe, pozwalają na znaczące zmniejszenie negatywnego oddziaływania na środowisko naturalne procesów związanych z wykorzystaniem węgla. 

Polska, kraj o dużych zasobach węgla i o energetyce w największym stopniu bazującej na węglu kamiennym i brunatnym, jest szczególnie zainteresowana rozwojem tego typu technologii. Trwający proces konwergencji polskiej gospodarki wiąże się ze stałym wzrostem zapotrzebowania na energię elektryczną. Stąd też szczególnie istotnym zagadnieniem staje się zapewnienie wystarczającego potencjału wytwórczego tej energii, z odpowiednim wykorzystaniem krajowych źródeł energii pierwotnej. Wiąże się to jednak z koniecznością modernizacji sektora energetycznego z uwzględnieniem regulacji unijnych w zakresie emisji oraz minimalizacji oddziaływań na środowisko naturalne. Toteż przedmiotem wnioskowanego przedsięwzięcia jest budowa bazy badawczej pozwalającej na konkurowanie z nowoczesnymi ośrodkami światowymi w realizacji projektów, w których rozwija się i opracowuje nowe czyste technologie węglowe. 

W związku z rosnącym popytem na energię istnieje coraz większe zapotrzebowanie na rozwój nowych, czystszych i wydajniejszych technologii węglowych. Charakteryzują się one wyższą sprawnością przetwarzania energii chemicznej zawartej w węglu na energię finalną w porównaniu z technologiami dotychczas stosowanymi. Planowane Centrum Czystych Technologii zajmować będzie się kompleksowymi badaniami w zakresie użytkowania węgla. W skład jego struktury wejdą trzy podstawowe jednostki, które stworzą wydzielone zespoły funkcjonalne: laboratoria badawcze w Katowicach i dwie części technologiczne w Mikołowie oraz Zabrzu. 

Wybudowana infrastruktura badawcza CCTW, unikatowa w Unii Europejskiej , umożliwi prowadzenie badań w różnej skali – od podstawowych laboratoryjnych, poprzez wielkolaboratoryjne do badań w skali pilotażowej. Te ostanie pozwolą na uzyskanie wyników o wysokiej zdolności do komercjalizacji i wiarygodnych dla partnerów przemysłowych, a więc zachęci jednostki gospodarcze do uczestnictwa w realizowanych pracach, czego skutkiem będą wdrożenia przemysłowe. To z kolei spowoduje rozwój gospodarki oraz poprawę konkurencyjności polskiej gospodarki w takich dziedzinach jak energetyka, budowa maszyn czy inżynieria środowiska. Realizacja projektu pozwoli na rozwój innowacyjnych technologii zapewniających bezpieczeństwo energetyczne kraju oraz ograniczenie emisji zanieczyszczeń, w tym gazów cieplarnianych. Rezultatami tej wielkiej inwestycji zainteresowane są uczelnie wyższe, organizacje grupujące polskie jednostki naukowe i gospodarcze, zagraniczne ośrodki naukowo – badawcze, ale w szczególności duża liczba podmiotów gospodarczych, w tym z sektora MSP. Prace Centrum stanowić będą źródło generowania projektów celowych z udziałem owych jednostek oraz odbiorcami z zakresu działalności rynkowej ( ekspertyzy, badania, oceny itp.). Istotną grupę odbiorców stanowić będzie sektor energetyczny, zobowiązany do wdrażania rozwiązań mających na celu ograniczenie emisji dwutlenku węgla. 

Jak podkreśla Jerzy Świądrowski, założenia projektu wpisane są w cele Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, tj. Rozwój polskiej gospodarki w oparciu o innowacyjne przedsiębiorstwa, którego osiągnięcie ma następować m.in. poprzez inwestycje w sferę B+R – kadrę i infrastrukturę, pomagające prowadzić prace badawcze na najwyższym poziomie i uzyskiwać wyniki przydatne gospodarczo, przyczyniające się do unowocześnienia polskich firm energetycznych oraz tworzenia nowych innowacyjnych przedsiębiorstw związanych z tym sektorem. Inwestycja przyczyni się także do realizacji celów szczegółowych, takich jak zwiększenie udziału innowacyjnych produktów polskiej gospodarki na rynku międzynarodowym poprzez sprzedaż licencji, maszyn i urządzeń oraz tworzenie trwałych i lepszych miejsc pracy. Projekt, zarówno w warstwie celów, jak i planowanych rezultatów, wpisuje się w cele horyzontalne Narodowej Polityki Spójności i jest komplementarny ze strategicznymi dokumentami szczebla krajowego, politykami sektorowymi oraz branżowymi. Przedmiot działalności CCTW jest zgodny z działaniami wspieranymi przez KE w ramach budowania Europejskiej Przestrzeni Badawczej, mającymi na celu ustanowienie trwałej współpracy pomiędzy krajami Unii Europejskiej i grupami interesów, w tym środowiskiem biznesu, uczelni wyższych i instytutów badawczo-rozwojowych dla umożliwienia rozwoju i mobilności naukowcom, wymiany wiedzy, udziału w programach badawczych oraz działań w ramach współpracy międzynarodowej w obszarze nauki i technologii. 

Infrastruktura Centrum składać się będzie z trzech ośrodków lokalizacyjnych. Na terenie GIG-u wybudowany zostanie od podstaw nowoczesny budynek laboratoryjny do badań podstawowych. Skoncentrowane one będą na badaniach właściwości węgla oraz związaną z nimi ochroną środowiska a także podstaw technologii m.in. zastosowania nanomateriałów (do których należą m.in. sita molekularne, niektóre substancje katalizujące czy inne substancje absorbujące składniki gazu), w różnych procesach na poziomie cząsteczek. W kopalni „Barbara” w hali technologicznej (na powierzchni), zlokalizowane zostaną stanowiska badawcze. Natomiast część podziemna stanowić będzie poligon doświadczalny, gdzie w warunkach zbliżonych do rzeczywistych, prowadzone będą eksperymenty podziemnego zgazowania węgla w zakresie doboru parametrów technologicznych, uzyskiwania gazu o określonym składzie, w tym gazu o podwyższonej zawartości wodoru lub gazów przydatnych do syntez chemicznych. 

Jak podkreśla dr inż. Aleksander Sobolewski, z-ca dyrektora ds. badań i rozwoju IchPW, część infrastruktury Centrum, zlokalizowana na terenie instytutu związana będzie przede wszystkim z nowoczesnymi technologiami przetwarzania węgla. Zmodernizowana będzie jedna z hal, oraz wybudowanych zostanie kilka innych. Wykonana będzie cała część infrastruktury dotycząca składowania węgla i odprowadzania odpadów oraz przygotowania go ( rozdrabniania, podsuszania) pod instalacje technologiczne. Przeprowadzany będzie cały cykl produkcyjny, w skali demonstracyjnej obliczonej na 50 – 250 kilogramów węgla na godzinę. 

Nowoprojektowane inwestycje odpowiadające ogólnoświatowym trendom to: 

• instalacja doświadczalna do prowadzenia prac badawczych i rozwojowych nad zgazowaniem i oxy-spalaniem ( czyli spalaniem węgla w tlenie ciśnieniowym i bezciśnieniowym) paliw stałych w cyrkulującym złożu fluidalnym wraz z suszarką uderzeniowo -wirową oraz stanowiskiem testowym do prowadzenia prac badawczych i rozwojowych nad procesem spalania objętościowego w komorze o wzburzonej turbulencji. 
• stanowiska testowe do prowadzenia prac badawczych i rozwojowych nad: usuwaniem dwutlenku węgla w reaktorze absorpcyjnym; konwersją paliw w reaktorze z tlenkową pętlą chemiczną; spalaniem w turbinie gazowej.

Istniejące już, jednoelementowe stanowisko testowe służące do badań nad oceną paliw stałych i urządzeń małej mocy dla ogrzewnictwa indywidualnego i komunalnego zostanie zmodernizowane, rozbudowane o dwa elementy i zmieni lokalizację. Instytut nadal prowadzić będzie działalność badawczo - rozwojową w oparciu o istniejące już instalacje oraz stanowiska testowe. Są to instalacje doświadczalne do badań nad zgazowaniem biomasy, termolizą tworzyw sztucznych oraz termochemiczną konwersją paliw w złożu stałym w reaktorze dwustrefowym. Wykorzystane zostaną stanowiska do doświadczalnego koksowania, oznaczania reakcyjności koksu wobec CO2 – CRI i wytrzymałości poreakcyjnej CSR - Karbotwin oraz prac nad wysokotemperaturową konwersją paliw stałych. Natomiast stanowisko do wykonania testu NSC (Nippon Steel Company) do oznaczania reakcyjności koksu wobec CO2 CRI (Coke Reaktiviti Index) i wytrzymałości poreakcyjne CSR (Coke Strength after Reaction) zmieni lokalizację. Analiza sytuacji finansowej GIG oraz IchPW wykazała, że jednostki mogą podjąć się roli wykonawcy wnioskowanego projektu. Kierownictwo GIG-u oraz IchPW deklaruje stosowanie odpowiednich metod zarządzania i organizacji pracy dla zapewnienia niezbędnych zasobów dla efektywnej realizacji projektu. Wymaga ona odpowiednich pozwoleń i decyzji zgodnie z Prawem budowlanym, Prawem ochrony środowiska i Ustawy o zagospodarowaniu przestrzennym, które są już uzyskane lub znajdują się w trakcie załatwiania. Wniosek projektu CCTW wraz z wymaganymi załącznikami, ze szczególnie ważnym Studium wykonalności, został złożony w Ministerstwie Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

Centrum Czystych Technologii Węglowych, część technologiczna w Zabrzu.
Wizualizacja komputerowa projektu.

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