Nr 11 - 12 (185 - 186) Listopad - Grudzień 2010 r.

CHCĄ SPROSTAĆ WYZWANIU
NAUKOWCY ZWARLI SZEREGI

Wywiad z naukowcami z Wydziału Energetyki i Paliw krakowskiej AGH: prof. dr. hab. inż. ANDRZEJEM STRUGAŁĄ – kierownikiem projektu badawczego z zakresu zgazowania węgla i dr. inż. GRZEGORZEM CZERSKIM.

- Akademia Górniczo-Hutnicza została liderem powołanego w maju konsorcjum naukowo - przemysłowego, którego celem – jak wiadomo – jest opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej. Ów projekt badawczy, którego inauguracja nastąpiła we wrześniu, uznano za jeden z największych w dziejach Polski. Jego koordynację powierzono Panu Profesorowi. Które z ośmiu wiodących tematów, powierzonych zespołom badawczym, uznał Pan Profesor za priorytetowe?

Prof. A. Strugała: - Nasz Projekt jest częścią strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych pt.: „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii”, na który to program Narodowe Centrum Badań i Rozwoju przeznaczyło 300 mln zł. Program obejmuje cztery zadania badawcze. Pierwsze z nich, koordynowane przez Politechnikę Śląską, a konkretnie przez prof. Tadeusza Chmielniaka dotyczy wysokosprawnych, tzw. zero-emisyjnych bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO₂ ze spalin. Drugie zadanie, którym kieruje prof. Wojciech Nowak, a koordynuje Politechnika Częstochowska, dotyczy technologii spalania tlenowego w kotłach pyłowych i fluidalnych, również połączonych z wychwytem CO₂. Trzecie zadanie, realizowane przez konsorcjum naukowo-przemysłowe, którego liderem jest AGH, dotyczy zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej. Ostatnie zadanie jest koordynowane przez Instytut Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku i dotyczy zintegrowanych technologii wytwarzania paliw z biomasy, odpadów rolniczych i innych. 

Tak jak Pan już zauważył, nasz Projekt dotyczący zgazowania węgla został podzielony na osiem tematów badawczych. Przypomnę, że są to: Opracowanie szczegółowej bazy danych węgli krajowych dla procesu zgazowania (Temat nr 1); Opracowanie i weryfikacja w skali pilotowej technologii ciśnieniowego zgazowania węgla w reaktorze z cyrkulującym złożem fluidalnym przy wykorzystaniu CO₂ jako czynnika zgazowującego (Temat nr 2); Opracowanie i weryfikacja w skali pilotowej technologii procesu podziemnego zgazowania węgla (Temat nr 3); Opracowanie modeli symulacyjnych dla projektowania i optymalizacji układów kogeneracji i produkcji energii elektrycznej na bazie podziemnego zgazowania węgla (Temat nr 4); Opracowanie modeli symulacyjnych dla projektowania i optymalizacji układów zgazowania naziemnego dla zastosowań w energetyce i chemii (Temat nr 5); Opracowanie dla warunków krajowych mapy rozwiązań technologicznych (Temat nr 6); Opracowanie projektów technologicznych układów stanowiących podstawę do budowy krajowych instalacji demonstracyjnych (Temat nr 7) oraz Kompleksowa ocena i wybór strategicznych kierunków rozwoju zgazowania węgla (Temat nr 8). 

Dr G. Czerski: - Choć każdy z tych tematów stanowi istotny element niezbędny do realizacji całego zadania, to jednak kluczowe dla powodzenia projektu są badania dotyczące podziemnego i naziemnego zgazowania węgla, które prowadzone będą na instalacjach pilotowych w ramach Tematów nr 2 i nr 3. To one właśnie pozwolą na opracowanie projektów procesowych dla dwóch instalacji demonstracyjnych zgazowania ciśnieniowego w reaktorach z cyrkulującym złożem fluidalnym oraz instalacji podziemnego zgazowania węgla wraz z infrastrukturą dla wytwarzania energii elektrycznej, cieplnej oraz produktów chemicznych. Wyniki wspomnianych badań i analiz pozwolą również wybrać strategię rozwoju technologii zgazowania węgla w Polsce. 

- Naukowymi partnerami tego projektu badawczego są Główny Instytut Górnictwa, który z sukcesem przeprowadził w tym roku pierwszą próbę podziemnego zgazowania węgla, zabrzański Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla i Politechnika Śląska, a przemysłowymi – firmy górnicze, energetyczne i chemiczne. Jakie zatem role w tym przedsięwzięciu powierzono poszczególnym partnerom? 

Prof. A. Strugała: - W skład konsorcjum realizującego Projekt wchodzą zarówno partnerzy naukowi, tj.: Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Główny Instytut Górnictwa w Katowicach, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu oraz Politechnika Śląska w Gliwicach, a także partnerzy przemysłowi: Katowicki Holding Węglowy S.A., KGHM Polska Miedź S.A., TAURON Polska Energia S.A., Południowy Koncern Energetyczny S.A., Południowy Koncern Węglowy S.A i ZAK S.A. Struktura Projektu jest skomplikowana, gdyż ze względów kompetencyjnych poszczególni partnerzy biorą udział w realizacji praktycznie wszystkich wspomnianych wcześniej tematów badawczych. 

Dla zapewnienia właściwej koordynacji prac prowadzonych w ramach Projektu dokonano następującego podziału zadań: AGH, oprócz nadzoru nad całością Projektu, koordynuje także prace dotyczące opracowania bazy danych krajowych węgli dla procesu zgazowania, mapy rozwiązań technologicznych dla krajowych warunków a także kompleksowej oceny i wyboru strategicznych kierunków rozwoju zgazowania węgla. IChPW odpowiada za: opracowanie i weryfikację w skali pilotowej technologii ciśnieniowego zgazowania węgla w reaktorze z cyrkulującym złożem fluidalnym przy wykorzystaniu CO₂ jako czynnika zgazowującego, opracowanie modeli symulacyjnych dla projektowania i optymalizacji układów zgazowania naziemnego dla zastosowań w energetyce i chemii oraz opracowanie projektów technologicznych układów stanowiących podstawę do budowy krajowych instalacji demonstracyjnych zgazowania naziemnego. GIG koordynuje wszelkie prace dotyczące podziemnego zgazowania węgla, tj.: opracowanie i weryfikację w skali pilotowej technologii procesu podziemnego zgazowania węgla, opracowanie modeli symulacyjnych dla projektowania i optymalizacji układów kogeneracji i produkcji energii elektrycznej na bazie podziemnego zgazowania węgla oraz opracowanie projektów technologicznych układów stanowiących podstawę do budowy krajowych instalacji demonstracyjnych zgazowania podziemnego. Prace Politechniki Śląskiej dotyczyć będą: utworzenia modelu reaktora zgazowania z cyrkulującym złożem fluidalnym, symulacji układu kogeneracyjnego IGCC, kinetyki zgazowania za pomocą CO₂ oraz opracowania palników do spalania gazu niskokalorycznego powstającego w procesie podziemnego zgazowania węgla. 

Wkład partnerów przemysłowych obejmuje szereg prac, takich jak: określenie uwarunkowań środowiskowych i formalnoprawnych podziemnego zgazowania złóż węgli brunatnych oraz wstępną analizę złóż legnickich w aspekcie możliwości zastosowania zgazowania podziemnego (KGHM S.A.), przygotowanie otoczenia techniczno-organizacyjnego dla przeprowadzenia badań w pilotowej instalacji podziemnego zgazowania węgla (KHW S.A.), konsultacje inżynierskie w zakresie wykorzystania technologii zgazowania węgla w procesie produkcji energii elektrycznej i ciepła oraz pozyskania i wzbogacania węgla kamiennego do procesu zgazowania (PKE S.A., PKW S.A.), dostarczenie węgla do badań procesu zgazowania (PKW S.A.), budowa i uruchomienie stanowiska badawczego do usuwania CO₂ w pętli chemicznej (ZAK S.A.), opracowanie strategii przedsiębiorstwa energetycznego i chemicznego oraz ocena jego konkurencyjności przy zastosowaniu technologii zgazowania węgla (PKE S.A., TAURON S.A., ZAK S.A.). 

- Przywoływane tu technologie zgazowania węgla są już znane i testowane, a nawet wdrażane przez światowe koncerny. Uważa się, iż w różnych krajach powstaje już ok. 70 takich instalacji. Czym nasze rodzime pomysły będą się różniły od tych, już w tamtych krajach wdrażanych? 

Dr G. Czerski: - Projekt stanowi kontynuację prowadzonych już w naszym kraju prac w zakresie czystych technologii węglowych, o istotnym znaczeniu dla bezpieczeństwa energetycznego Polski i bezpieczeństwa ekologicznego świata. Efektem jego realizacji będzie m.in. projekt procesowy dwóch instalacji demonstracyjnych, a mianowicie instalacji zgazowania podziemnego oraz instalacji zgazowania naziemnego. Dzięki temu Projektowi możliwe będzie też prowadzenie wspólnych prac badawczych z jednostkami naukowymi z całego świata. Wyniki Projektu będą wykorzystane na dwa sposoby. Pierwszy polegał będzie na sprzedaży uniwersalnego narzędzia, tj. wiedzy w zakresie technologii zgazowania węgla. W tym przypadku klient otrzyma produkt gotowy do użytku w postaci parametrów, wskaźników, modeli, projektów procesowych itp., które będzie mógł samodzielnie wykorzystać w prowadzonych przez siebie pracach projektowych, rozwojowych i wdrożeniowych. Inny sposób to wspólne przygotowanie przedsięwzięcia wdrożeniowego, uwzględniającego specyficzne wymagania i potrzeby użytkownika. 

Przewiduje się, że zainteresowanie osiągniętymi rozwiązaniami zgłaszane będzie przez dwie grupy beneficjentów: przedsiębiorstwa sektora paliwowo-energetycznego oraz przedsiębiorstwa przemysłu chemicznego. Jeśli chodzi o oryginalność proponowanych przez nas rozwiązań to w przypadku zgazowania naziemnego podkreślić należy pomysł zawracania części wytwarzanego w procesie dwutlenku węgla do reaktora (jako składnika mieszaniny zgazowującej), co pozwoli na ograniczenie jego emisji do atmosfery (ochrona klimatu), zmniejszenie zużycia pozostałych czynników zgazowujących (tlen, para) oraz poprawę stopnia konwersji węgla do użytecznych produktów końcowych. Innym interesującym elementem proponowanego w Projekcie rozwiązania jest wybór typu reaktora zgazowania (ciśnieniowy reaktor z cyrkulującym złożem fluidalnym). Taki typ reaktora stwarza w przyszłości możliwości budowy instalacji o zróżnicowanej mocy, dzięki czemu może być on stosowany przez szerokie grono użytkowników. 

W przypadku podziemnego zgazowania węgla należy natomiast pamiętać, iż reaktor zgazowania umieszczony jest we wnętrzu ziemi i dlatego warunki naturalne są różne dla każdego przypadku lokalizacji takiej instalacji. Muszą one być dokładnie zweryfikowane, gdyż determinują powodzenie techniczne, jak i ekonomiczne tego szalenie trudnego przedsięwzięcia, jakim jest podziemne zgazowanie węgla. 

- Na prace, które potrwają pięć lat, przeznaczono 89 mln zł, z czego 80 mln pochodzi z narodowego Centrum Badań i Rozwoju, a 9 mln zł od partnerów przemysłowych. Unia Europejska, twardo obstając przy zakazie dotowania górnictwa, nie skąpi jednak środków finansowych na badania związane z opracowywaniem czystych technologii węglowych. Polska – „stojąca” na węglu – siłą rzeczy jest najlepszym krajem do wdrażania tychże technologii. Czy podjęto odpowiednie starania, by sięgnąć dodatkowo i po te unijne środki ? 

Dr G. Czerski: - Specyficzną cechą krajowej bazy surowców energetycznych jest wysoki udział węgla kamiennego i brunatnego. Równocześnie jednak energetyczne wykorzystanie tych właśnie paliw wiąże się z wysokim poziomem emisji gazu cieplarnianego jakim jest CO₂. Zgodnie z polityką Unii Europejskiej, celem ograniczenia zmian naszego klimatu zmuszeni jesteśmy do ograniczenia do dwudziesto- a nawet, jak ostatnio się proponuje, trzydziestoprocentowej redukcji tej emisji. Osiągnięcie takiej redukcji wymaga albo radykalnej zmiany stosowanych przez naszą energetykę surowców energetycznych (gaz ziemny, ropa naftowa, energia jądrowa) albo wdrożenia nowoczesnych, tzw. niskoemisyjnych technologii węglowych, do których między innymi zalicza się zgazowanie węgla. 

Prof. A. Strugała: - Polskie instytucje naukowe od dawna aktywnie zabiegają o unijne środki na badania dotyczące czystych technologii węglowych. M.in. AGH jest liderem projektu KIC INNOEnergy realizowanego w ramach EIT (European Institute of Technology). GIG wspólnie z IChPW tworzą za 162 mln zł Centrum Czystych Technologii Węglowych, które finansowane jest w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. Celem budowy tego Centrum jest stworzenie w Polsce wiodącego w UE ośrodka badawczego oraz rozwoju know-how dla komercjalizacji innowacyjnych czystych technologii węglowych (CTW). Unikalna infrastruktura badawcza Centrum, na którą składać się będą m.in. instalacje demonstracyjne, pozwoli na wykonywanie badań podstawowych, a także realizację prac badawczo-rozwojowych i demonstracyjnych, dotyczących perspektywicznych technologii wykorzystania węgla. 

- Swego czasu oświadczył Pan Profesor, iż uzyskany omawianą tu metodą gaz mógłby wystarczyć na potrzeby całego naszego przemysłu chemicznego. To dość optymistyczne przewidywania… 

Prof. A Strugała: - W warunkach polskich duże nadzieje można wiązać przede wszystkim z wytwarzaniem na drodze zgazowanie węgla tzw. gazu syntezowego, stanowiącego surowiec dla przemysłu chemicznego. W chwili obecnej przemysł ten opiera swoją produkcję na gazie ziemnym. Tymczasem od dawna znane są i stosowane w świecie technologie wytwarzania gazu na potrzeby chemii z węgla kamiennego, jak i brunatnego, poprzez jego zgazowanie. Wdrożenie takich technologii w naszym kraju umożliwiłoby w przemyśle chemicznym substytucję gazu ziemnego gazem węglowym. Zwolnione ilości gazu ziemnego można wykorzystać np. w energetyce, co pozwoli na ograniczenie emisji CO₂. W wyniku spalania gazu ziemnego powstają bowiem znacznie mniejsze jego ilości w porównaniu ze spalaniem węgla. Należy też zauważyć, że sprawność gazowych układów energetycznych jest znacząco wyższa od bloków węglowych. Ponadto energetyka gazowa ze względu na swoją elastyczność musi być rozwijana, jeśli chcemy w naszym kraju rozwijać energetykę opartą na źródłach odnawialnych (wiatr, słońce). Dowodem na zainteresowanie przemysłu chemicznego technologią zgazowania węgla są plany budowy instalacji demonstracyjnych zgazowania węgla przez nasze największe zakłady chemiczne. Należy podkreślić, że realizacja tego typu przedsięwzięć jest uwzględniona w polityce energetycznej UE. 

- Jesteśmy największym w Unii producentem węgla. Wiadomo też, iż produkcja energii w Polsce aż w ok. 95 proc. oparta jest na węglu. To najwyższy spośród wszystkich krajów Unii odsetek. Oczywiście będzie się on stopniowo zmniejszał, ale nic nie wskazuje na to, by to uzależnienie od węgla w Polsce miało zostać w dającym się przewidzieć czasie całkowicie wyeliminowane. Czy zatem jedyną szansą dla nas, by utrzymać niezależność energetyczną – uwzględniającą coraz surowsze kryteria ochrony środowiska – jest upowszechnienie na skalę przemysłową wielce przecież kosztownych nowoczesnych, czystych technologii węglowych? Czy koszty tych inwestycji, ich opłacalność, może być tym jedynym, decydującym kryterium? 

Dr G. Czerski: - W świetle naszych zobowiązań zawartych w traktacie akcesyjnym a także wymagań stosownych dyrektyw Unii Europejskiej, wdrożenie nowoczesnych niskoemisyjnych technologii węglowych jest niezbędnym warunkiem utrzymania w Polsce wiodącej pozycji przez węgiel. O powodzeniu planów wdrożenia tych technologii zdecydują jednak z pewnością względy ekonomiczne – koszty inwestycji, koszty wytwarzania energii a także wysokość opłat związanych z wytwarzaniem i emisją CO₂. Jednym z celów prowadzanych przez nas prac jest właśnie identyfikacja tych kosztów, niezbędna dla sporządzenia wiarygodnej analizy opłacalności stosowania technologii zgazowania węgla w Polsce. 

- Znanych jest już kilka nowoczesnych, czystych technologii wykorzystywania węgla. Które z nich mają szansę stać się w przyszłości najbardziej przydatne do szerokiego, komercyjnego stosowania? 

Prof. A. Strugała: - Obecnie, jak i w najbliższych dziesięcioleciach, węgiel kamienny i brunatny stanowić będą podstawę bezpieczeństwa energetycznego Polski. Wynika to z dużych zasobów tych surowców, rozwiniętego przemysłu wydobywczego oraz ograniczonych zasobów naturalnych węglowodorów. Jednak warunkiem wiodącej roli węgla jest wdrożenie nowoczesnych technologii jego wykorzystania, do których - nie tylko moim zdaniem - zaliczyć można: wysokosprawne zeroemisyjne bloki węglowe zintegrowane z wychwytem CO₂ ze spalin i jego sekwestracją, spalanie tlenowe węgla w kotłach pyłowych i fluidalnych zintegrowane z wychwytem i sekwestracją CO₂, oraz będące obiektem naszych badań zgazowanie węgla dla celów energetycznych oraz chemicznych. Właśnie widząc szanse szerokiego zastosowania w przyszłości w naszym kraju wszystkich wymienionych technologii, Narodowe Centrum Badań i Rozwoju wdrożyło do realizacji strategiczny program pt.: „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii”.

- Dziękuję Panom za udzielenie wywiadu.

Rozmawiał: J.M.