Badacze z GIG-u i IChPW nie tracą czasu

Przyszłość węgla w rękach górników i naukowców

Górnictwo zawsze miało pod górkę. I to nie tylko dlatego, że Matka Natura broniła i nadal broni dostępu do swych skarbów. Także zmieniające się uwarunkowania gospodarcze, a i polityczne również, miały – i mają nadal – niemały wpływ na jego postrzeganie. Wiek XXI przyniósł nowe wezwanie – konieczność ograniczenia emisji CO2, a to wymusza prawdziwą rewolucję technologiczną w energetyce bazującej na węglu. A więc węgiel tak, pod warunkiem, że będzie go można ekologicznie wykorzystywać.

Bezdyskusyjna jest rola węgla w zapewnieniu bezpieczeństwa energetycznego kraju, co oznacza, iż jeszcze długo pozostanie on w Polsce surowcem strategicznym. Wskazuje na to zarówno przyjęta strategia dla górnictwa, jak i polityka energetyczna Polski do 2030 roku. Ba, nie brak głosów, że Polska mogłaby być czymś w rodzaju rezerwy mocy dla krajów Unii Europejskiej. Bowiem energia z własnych zasobów, a Polska posiada wszak bogate zasoby węgla, może gwarantować w znaczącym stopniu bezpieczeństwo energetyczne nie tylko naszego kraju, ale i całej wspólnoty. 

Obecnie 40 proc. energii elektrycznej na świecie produkowane jest z węgla, ale w Unii – już tylko ok. 28 proc. I zmniejsza się. Unia odwraca się od węgla… 

Tak więc założenia Pakietu Klimatycznego i walka z globalnym ociepleniem, nie wnikając w to, czy Europa, w tym Polska, są w stanie w jakimś znaczącym stopniu pogorszyć ze swą emisją warunki klimatyczne na świecie, stawiają i przed naszym górnictwem i energetyką nowe, niepomiernie najtrudniejsze do spełnienia zadania. 

Władze Unii już zarządziły, iż uprawnienia do emisji CO2, w ściśle określonych wysokościach, przyznawane obecnie krajom członkowskim bezpłatnie, już od roku 2013 będą płatne. W ramach Protokołu z Kioto można obecnie handlować uprawnieniami do emisji CO2, jako że UE co roku wyznacza każdemu krajowi członkowskiemu limity tychże emisji. Jeśli potrzeby poszczególnych przedsiębiorstw przewyższają przyznane im limity, mogą je odkupić od tych, mających ich nadwyżkę.

Hakerzy ukradli… uprawnienia 

Ilustracją tego, o jak wielkie pieniądze chodzi, niech będzie styczniowy atak hakerów wymierzony w krajowe rejestry emisji dwutlenku węgla należące do Austrii, Grecji, Czech, Polski oraz Estonii. Udało się wykraść uprawnienia do emisji, które natychmiast zostały sprzedane. Wykradzione samym tylko Czechom uprawnienia miały wartość 7 mln euro. Na kilka dni zawieszono handel emisjami CO2 w Unii. Z polskiego rejestru, na szczęście, nie zginęło ani jedno pozwolenie. 

Polska, na tle innych krajów Unii, z uwagi na swój energochłonny przemysł, elektroenergetykę, opartą w przeważającym stopniu na węglu, znajduje się w sytuacji dość specyficznej. Czy uda się zapewnić odpowiednie traktowanie przez Unię Polski, uwzględniające wspomniane uwarunkowania? 

Węgiel w polityce energetycznej UE nie jest paliwem lubianym, traci na swej popularności, ale Unia nie skąpi pieniędzy na badanie i wdrażanie nowoczesnych technologii energetycznych, przyjaznych środowisku. Przewodniczący Parlamentu Europejskiego Jerzy Buzek co rusz powtarza, że nasza przestarzała energetyka, wymagająca wymiany połowy bloków energetycznych w ciągu 10 lat, po prostu marnuje węgiel – nasz skarb narodowy. I dodaje, że szanse polskiemu górnictwu stwarzają w dużej mierze nowe technologie, nowoczesny sposób wykorzystania przetwarzania węgla. Należy zatem skorzystać z możliwości sfinansowania przez Unię obniżania emisji CO2 przez odpowiednie wykorzystanie węgla, co może i powinno przyczynić się do rewolucji technologicznej. 

I to w Polsce już ma miejsce. W poprzednim wydaniu „Biuletynu Górniczego” szeroko informowaliśmy o zakrojonych na szeroką skalę pracach badawczych konsorcjum naukowo-przemysłowym, opracowującym technologię zgazowania węgla dla produkcji paliw i energii elektrycznej. Biorą w nich udział renomowane placówki naukowe, instytuty, uczelnie i partnerzy przemysłowi z całej Polski. Najbardziej spektakularne osiągnięcia i zamierzenia, można już zaobserwować – jak się wydaje – w Centrum Czystych Technologii Węglowych – konsorcjum złożonego z Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach i Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu. W grudniu otrzymało ono dofinansowanie ze środków unijnych w wysokości 35 mln euro. Przypomnijmy, iż głównym celem tego realizowanego przez Centrum projektu inwestycyjnego jest stworzenie infrastruktury naukowo-badawczej, umożliwiającej prowadzenie badań w zakresie czystych technologii węglowych, a więc minimalizującej degradację środowiska, m.in. poprzez redukcję emisji CO2, a tym samym – co najważniejsze – zapewniającym naszemu krajowi bezpieczeństwo energetyczne na dalsze lata. 

W GIG-u niedawno podsumowano wyniki zakończonej sukcesem ubiegłorocznej próby podziemnego zgazowania węgla w złożu w kopalni doświadczalnej „Barbara” w Mikołowie i zapowiedziano kolejne eksperymenty, które mają być przeprowadzone zarówno w kopalni doświadczalnej, jak i w katowickiej kop. „Wieczorek”, 400 m pod ziemią. W IChPW otwarto w styczniu Centrum Symulacji Procesowych. To tu będą przygotowywane i analizowane m.in. eksperymentalne procesy zgazowania węgla w instalacjach zlokalizowanych – w przeciwieństwie do tych stosowanych w GIG-u – na powierzchni. Ważne, że działania instytutów, w tym i inwestycje, są skoordynowane, nie dublują się, wzajemnie się uzupełniając. 

Poniżej, udzielone z pierwszej ręki, specjalnie dla „Biuletynu Górniczego”, najnowsze dokonania i zamierzenia tych instytutów. 

Zniwelować ryzyko zagrożeń 

Mówi prof. dr hab. inż. KRZYSZTOF STAŃCZYK – kierownik Zakładu Oszczędności Energii i Ochrony Powietrza GIG: 

- Po zakończeniu eksperymentu podziemnego zgazowania węgla w kwietniu ubiegłego roku w Kopalni Doświadczalnej „Barbara” w Mikołowie, prowadzone były prace mające na celu zatrzymanie procesu i wychłodzenie georeaktora. Prace te trwały dalsze dwa miesiące, gdyż tak długo trwało całkowite wystudzenie reaktora. Pierwszy eksperyment pokazał, że najważniejszymi problemami w procesie są aspekty bezpieczeństwa oraz środowiskowe. Skłoniło nas to do złożenia kolejnego wniosku na grant badawczy do Research Fund for Coal and Steel w Brukseli zatytułowany Hydrogen Oriented Underground Coal Gasification for Europe - Environmental and Safety Aspects (Podziemne zgazowanie węgla ukierunkowane na produkcję wodoru – Aspekty środowiskowe i bezpieczeństwa). 

Nasz wniosek, po ocenach ekspertów, znalazł się na pierwszym miejscu w rankingu złożonych wniosków i wraz z czterema innymi został zakwalifikowany do finansowania w roku 2011. 

Budżet całkowity projektu to 2,5 mln euro (60% wkładu KE), a termin jego realizacji: 1 lipiec 2011 r. – 30 czerwiec 2014 r. 

Oprócz GIG-u, który jest koordynatorem, w skład konsorcjum projektu wchodzą partnerzy z Francji: Institut National de l’environnement industriel et de risques (INERIS), z Wielkiej Brytanii”: The UCG Engineering Ltd, z Czech: Institute of Chemical Process Fundamentals. Ale co najważniejsze, w projekcie uczestniczą też zainteresowani tą technologią partnerzy przemysłowi: Kompania Węglowa S.A. oraz Lubelski Węgiel Bogdanka S.A. 

W projekcie przeprowadzona zostanie próba podziemnego zgazowania węgla, ukierunkowana na produkcje gazu bogatego w wodór. Eksperyment ten zostanie poprzedzony próbami ex-situ mającymi na celu przeprowadzenie testów systemu zgazowania i barier reaktywnych na dużych blokach węglowych. Te bazowe eksperymenty będą miały na celu znalezienie rozwiązań dla podstawowych problemów związanych z procesem podziemnego zgazowania węgla, w tym na wpływ migracji wód i gazów na otoczenie georeaktora – kluczowy problem we wszystkich realizowanych obecnie projektach PZW na świecie. Zasadniczą kwestią jest tu rozpoznanie zjawiska determinującego ryzyko wystąpienia zagrożeń dla środowiska w postaci zanieczyszczenia wód podziemnych i wycieków szkodliwych gazów do środowiska. Między innymi zbadana zostanie możliwość stosowania podsadzek w cyklu PZW i ich wpływu na migrację zanieczyszczeń związanych z procesem. 

Kolejny problem to aspekty bezpieczeństwa i ocena ryzyka związane z prowadzeniem i zakończeniem procesu PZW. W tym celu zastosowane zostaną metody modelowania matematycznego zjawisk oddziaływania georeaktora ze środowiskiem, ze szczególnym uwzględnieniem wycieków z georeaktora, wybuchowej atmosfery strefy reakcji i stabilności górotworu w otoczeniu georeaktora. Testowany będzie również złożony system telemetryczny dla monitoringu środowiskowego, z którego dane wykorzystane zostaną w analizie ryzyka związanego z procesem PZW prowadzonym w strukturach geologicznych nieciągłych lub naruszonych przez wcześniejszą eksploatację. 

Projekt ten będzie pierwszym dużym projektem realizowanym przez GIG w nowo budowanym Centrum Czystych Technologii Węglowych. Będzie też uzupełnieniem projektu finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, a koordynowanego przez AGH, zatytułowanego „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej” w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych pt.: „„Zaawansowane technologie pozyskiwania energii”. Projekt ten był omówiony na łamach „Biuletynu Górniczego” w listopadzie ubiegłego roku. 

Unikalna infrastruktura badawcza

Mówi dr inż. MAREK ŚCIĄŻKO – dyrektor IChPW: 

- Po okresie projektowania i uzyskania stosownych zezwoleń 12 stycznia br. dokonano uroczystego otwarcia Centrum Symulacji Procesowych, Sterowania, Kontroli i Archiwizacji Procesów znajdującego się w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu, a będącego kolejnym etapem budowy – Centrum Czystych Technologii Węglowych (CCTW). Całość inwestycji zostanie zakończona w 2012 r. i obejmie także pilotowe instalacje technologiczne. 

Projekt ten realizowany jest na podstawie umowy między Ministerstwem Nauki i Szkolnictwa Wyższego, a konsorcjum, w skład którego wchodzą Główny Instytut Górnictwa, będący liderem projektu, oraz Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla. Umowa przewiduje budowę infrastruktury badawczej, która umożliwi prowadzenie badań w różnych skalach – od badań laboratoryjnych, poprzez wielkolaboratoryjne do badań nowych procesów pirolizy, zgazowania i spalania węgla w skali pilotowej. 

Wartość całego projektu wynosi 161 710 000 zł, w tym część budowana w Zabrzu stanowi ok. 68 mln. Uzyskane dofinansowanie z Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka pozwala na rozbudowę infrastruktury badawczej, zarówno w GIG, jak i IChPW, służącej do przeprowadzania badań w zakresie czystych technologii wytwarzania gazów syntezowych, ciepła i elektryczności z węgla. 

Cel, któremu ma służyć infrastruktura: 

Podstawowym celem utworzenia Centrum Czystych Technologii Węglowych jest osiągnięcie odpowiedniego poziomu naukowego obu Instytutów, pozwalającego na współpracę z wiodącymi ośrodkami naukowymi europejskimi i światowymi w realizacji projektów, w których rozwija się i opracowuje nowe czyste technologie węglowe. 

Infrastruktura badawcza CCTW, unikalna w Unii Europejskiej, umożliwi kompleksowe prowadzenie badań w różnej skali – od podstawowych badań laboratoryjnych, poprzez badania wielkolaboratoryjne do badań w skali pilotowej. Te ostatnie pozwolą na uzyskanie wyników o wysokiej zdolności do komercjalizacji, 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 i ograniczenie emisji zanieczyszczeń, w tym gazów cieplarnianych. Rezultatami projektu są zainteresowane uczelnie wyższe, organizacje grupujące polskie jednostki naukowe i gospodarcze, zagraniczne ośrodki naukowo-badawcze. Mamy nadzieję, że prace CCTW stanowić będą źródło generowania projektów celowych z udziałem w/w jednostek oraz będą one odbiorcami prac z zakresu działalności rynkowej (ekspertyzy, badania, oceny itp.). 

Kluczowe instalacje prototypowe budowane w Zabrzu: 

Kolejny etap realizacji inwestycji to budowa unikatowych instalacji technologicznych, w tym przede wszystkim zgazowanie węgla w cyrkulacyjnym złożu fluidalnym z udziałem dwutlenku węgla. Mamy nadzieję, że po uruchomieniu będziemy mogli pokazać, że dwutlenek węgla może być także korzystnie stosowany do wytwarzania gazu syntezowego. Drugą instalacją o wyjątkowym charakterze jest spalanie węgla w atmosferze tlenu pod wysokim ciśnieniem. Będzie to pierwszy tego rodzaju obiekt w świecie dający szanse na nowatorskie i alternatywne podejście do usuwania dwutlenku węgla ze spalin. 

Pozostałe nowo projektowane instalacje doświadczalne i stanowiska testowe to: 

-konwersja paliw w reaktorze z tlenkową pętlą chemiczną, który jest technologią przyszłościową gotową do przemysłowego zastosowania po roku 2020; 

-suszenie węgla w suszarce uderzeniowo-wirowej, co jest niezmiernie ważne dla podniesienia efektywności wykorzystania węgla w kotle; 

-technologie usuwania dwutlenku węgla ze spalin, których zadaniem jest obniżenie emisji tego gazu cieplarnianego z istniejących elektrowni. 

Wymienione technologie są technologiami przełomowymi i unikalnymi w skali światowej, które będą wspierane przez Centrum Symulacji Procesowych, Sterowania, Kontroli i Archiwizacji Procesów, służące do modelowania procesów technologicznych, które jest niezbędne na etapie przedwdrożeniowym i wdrożeniowym. 

Generalnym wykonawcą najważniejszej części inwestycji jest konsorcjum w składzie: ZARMEN Spółka z o.o. – Lider Konsorcjum, Przedsiębiorstwo Budownictwa Ogólnego SKOBUD Spółka z o.o. , ASKOM Spółka z o.o. 

Rolę inżyniera kontraktu pełni w imieniu IChPW Prochem Spółka Akcyjna. Zmodernizowane laboratoria oraz nowoczesne instalacje doświadczalne i stanowiska testowe wykorzystywane zostaną także w badaniach prowadzonych w ramach konsorcjum naukowo-przemysłowego koordynowanego przez Akademię Górniczo-Hutniczą w Krakowie. Konsorcjum to występujące pod nazwą Poland Plus działa w ramach Knowledge Innovation Community i jest częścią Europejskiego Instytutu Technologicznego. 

Podsumowując, można stwierdzić, że idea integracji wysiłków różnych ośrodków badawczych na rzecz rozwoju czystych technologii węglowych znalazła urzeczywistnienie w ramach realizowanego projektu. Myślę, że wspólna praca przyczyni się do lepszego poznania partnerów i do jeszcze większego wzmocnienia więzi w przyszłości. Niewątpliwie w ostateczności korzystne będzie to dla gospodarki i efektywnego wykorzystania węgla dla chemii, energetyki i koksownictwa, z zachowaniem dużej sprawności przetwarzania i ochrony środowiska. 

x x x 

Naukowcy zapowiadają, że przemysłowe zastosowanie nowoczesnych technologii węglowych możliwe będzie w latach 2015 – 2020. A dodać trzeba, że w tychże technologiach nie chodzi wyłącznie o usuwanie dwutlenku węgla, ale także m.in. o jego opłacalne zagospodarowanie. Jedno wszak jest pewne: przyszłość węgla nie zależy już li tylko od bezpiecznego jego wydobywania, mądrze przeprowadzanej restrukturyzacji górnictwa, by mogło być ono ekonomicznie wydajnie. Tą przyszłość wyznaczają już nie tylko sami górnicy, ale w coraz większym stopniu, a może nawet przede wszystkim, naukowcy