Zgazowanie węgla szansą dla górnictwa

Przeznaczenie pięciu milionów ton węgla rocznie na zgazowanie pod potrzeby przemysłu chemicznego, zmniejszyłoby zapotrzebowanie na importowany gaz i korzystnie wpłynęło na bilans energetyczny.

Gaz syntezowy powstały w wyniku zgazowania węgla może być z powodzeniem wykorzystywany jak substytut gazu ziemnego w przemyśle chemicznym. Za takim rozwiązaniem przemawia ekonomia i niewielkie rodzime zasoby „błękitnego paliwa”. Możliwe jest również wykorzystanie syngazu do produkcji prądu, choć tutaj opłacalność stoi na razie pod znakiem zapytania.

Zgazowanie węgla na skalę przemysłową to na polskim podwórku wciąż nowe rozwiązanie, do którego koncerny chemiczne i energetyczne podchodzą z dużą dozą ostrożności. Nad takim projektem wspólnie pracują Tauron i Grupa Azoty – zgazowany węgiel z kopalń należących do spółki energetycznej ma posłużyć do produkcji amoniaku i metanolu, a instalacja służąca do tego celu ma powstać w zakładach w Kędzierzynie- Koźlu. Do budowy bloku energetycznego, w którym prąd byłby wytwarzany z gazu syntezowego powstałego ze zgazowania węgla, przymierza się Enea, właściciel lubelskiej kopalni Bogdanka. Czas pokaże, jaki będzie finał tych projektów.

Instalacja z reaktorem

Projekty oparte o zgazowanie węgla wpisują się w tzw. Czyste Technologie Węglowe, które pozwalają znacznie ograniczyć wpływ na środowisko naturalne. Zgazowanie węgla to nic innego jak proces, który polega na zamianie tego paliwa w gaz. Naziemne zgazowanie jest przeprowadzane w instalacji, której głównym elementem jest reaktor. To właśnie w reaktorze, do którego dostarczane jest powietrze lub tlen, następuje proces półspalania, a finalnym efektem jest tzw. gaz syntezowy (syngaz), który jest mieszaniną tlenku węgla i wodoru.

Paliwem poddawanym zgazowaniu niekoniecznie musi być sam węgiel – co ważne, może to być w dużej części węgiel niskiej jakości, czyli flotokoncentraty i część mułów, które zostały ostatnio wycofane z sektora komunalno- bytowego. W tym procesie można również wykorzystać np. śmieci. Większa zawartość węgla gwarantuje jednak, że uzyskany gaz syntezowy będzie lepszej jakości.

Co można uzyskać z gazu syntezowego i dlaczego to rozwiązanie mogłoby się sprawdzić w Polsce?

– Jedną z podstawowych motywacji zgazowania paliw stałych, a przede wszystkim węgla, wynika z bilansu paliwowego danego kraju. Jeżeli jakiś kraj nie posiada wystarczających zasobów gazu ziemnego, to może otrzymać jego substytut poprzez zgazowanie węgla. Powstały w ten sposób gaz może z powodzeniem zastąpić gaz ziemny, który jest podstawą funkcjonowania przemysłu chemicznego. Obecnie zakłady chemiczne z gazu zimnego otrzymują tlenek węgla i wodór, które są następnie bazą do produkcji metanolu i amoniaku, a w dalszej kolejności nawozów, paliw, tworzyw sztucznych, kauczuków czy fenoli. Tlenek węgla i wodór to dwa podstawowe składniki przemysłu chemicznego, które równie dobrze można otrzymać z gazu syntezowego poprzez zgazowanie węgla – argumentuje prof. nadzw. Marek Ściążko, sekretarz naukowy w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla.

Zgazowanie węgla na skalę przemysłową to na polskim podwórku wciąż nowe rozwiązanie, do którego koncerny chemiczne i energetyczne podchodzą z dużą dozą ostrożności.

Polska jest krajem, który taką motywację ma bezwzględnie. Nasz bilans potrzeb i dostaw zużycia gazu jest niekorzystny, bo własne zasoby wystarczają nam jedynie na trochę ponad 30 proc. zapotrzebowania. W efekcie gaz ziemny jest u nas bardzo drogi.

– Jeśli chodzi o wytwarzanie gazu na potrzeby przemysłu chemicznego, to kluczową determinantą jest w tym wypadku koszt i efektywność ekonomiczna. W krajach, w których nie ma gazu, to się ekonomicznie opłaca. Takim przykładem są Chiny, gdzie na potrzeby „chemii” zgazowuje się ponad 200 mln t węgla rocznie, substytuując w ten sposób gaz ziemny, którego ten kraj nie posiada. U nas również zgazowanie węgla mogłoby być rozwiązaniem dla dostarczenia własnego gazu. W przypadku polskiego przemysłu chemicznego chodzi o 2,5 mld m sześc. gazu ziemnego, który mógłby zostać zastąpiony przez gaz syntezowy powstały ze zgazowania ok. 5–7 mln t węgla – ocenia prof. Ściążko.

Pionierzy z RPA

Chociaż dziś to Chińczycy w największym stopniu wykorzystują tę technologię, to pionierem w zgazowaniu węgla na skalę przemysłową była Republika Południowej Afryki. W tym przypadku taka konieczność również wynikała z ekonomii i braku własnych zasobów gazu. Na to wszystko nałożyła się dodatkowo izolacja i międzynarodowe embargo, które było odpowiedzią na politykę apartheidu. W rezultacie RPA została odcięta od dostaw gazu i ropy naftowej. Kraj ten, posiadający duże zasoby węgla, zdecydował się w latach 60. XX wieku na budowę ogromnych zakładów zgazowania węgla. W zakładach z gazu syntezowego były produkowane wszystkie rodzaje paliw – od paliwa lotniczego, przez olej napędowy na benzynie kończąc – które zaspokajały potrzeby całej gospodarki. Mimo upadku apertheidu, który przyniósł koniec blokady, zakłady wciąż istnieją, choć już nie produkują na taką skalą. Zmieniła się też struktura produkcji – zamiast paliw przestawiły się na wyrób metanolu, który przetwarza się na bardziej zaawansowane produkty – propyleny, kauczuki, tworzywa sztuczne czy fenole.

W przypadku Chin strategiczna decyzja o rozwijaniu zgazowania węgla podjęto pod koniec lat 90. XX w. W ciągu ostatnich 15 lat w Państwie Środka powstało wiele zakładów, w których gaz pochodzący ze zgazowania węgla stał się podstawą rodzimego przemysłu chemicznego.

Potężne fabryki przy kopalniach

– Chińczycy wybudowali cały szereg fabryk przy kopalniach, które produkują metanol, wodór, lub komponenty paliwowe. Gaz jest również wykorzystywany w przemyśle hutniczym do ogrzewania pieców hutniczych albo taśm spiekalniczych. To są całe kompleksy przemysłowe, które ciągną się kilometrami. Przykładowo w jednym miejscu można spotkać 50 reaktorów, które łącznie przerabiają co najmniej 20 mln t węgla rocznie – wylicza prof. Ściążko.

Wizytę w jednej z takich chińskich kopalń odbył Mirosław Taras, były szef Bogdanki i Kompanii Węglowej, a obecnie prezes PD Co.

– Dziś górnictwo chińskie jest nowoczesne. Podam tylko kilka liczb charakteryzujących chińską kopalnię, w której byłem. Zakład wydobywa 12 mln t węgla rocznie zatrudniając 480 osób. Połowa produkcji zostaje na miejscu, bo zaraz obok znajduje się m.in. zakład wytwarzający metanol z węgla. Reszta jest pociągiem transportowana do energetyki zawodowej – wspomina Mirosław Taras, prezes PD Co.

Chińska droga szansą

Zdaniem prof. Ściążki to właśnie „chińska droga”, czyli sprawdzone i efektywne ekonomiczne projekty związane ze zgazowaniem węgla na potrzeby przemysłu chemicznego mogą być również szansą dla polskich kopalń.

– Po pierwsze jest to efektywne nawet w przypadku gorszego węgla, który kosztuje 10–11 zł za GJ. Co ważne, przy takiej cenie jest to również rozwiązanie konkurencyjne w stosunku do gazu ziemnego. Moim zdaniem nie powinniśmy za wszelką cenę forsować energetyki węglowej. Nie ma się, o co bić, bo dziś są już konkurencyjne technologie, które dają tańszą i czystszą energię. Tam, gdzie jest to uzasadnione ekonomicznie, węgiel oczywiście mógłby być kierowany do energetyki zawodowej, natomiast na bazie „chemii” górnictwo powinno zbudować drugą nogę. Uważam, że powinniśmy minimum 5 mln t węgla rocznie przeznaczać na zgazowanie na potrzeby przemysłu chemicznego. To nie tylko pozwoliłby zmniejszyć zapotrzebowanie na importowany gaz i korzystnie wpłynąć na cały bilans energetyczny. To również byłby sposób na stworzenie rentownego i efektywnego górnictwa, którego finalnymi produktami byłby również towary z wysoką wartością dodaną – przekonuje prof. Ściążko.

Sprawdzone i efektywne ekonomiczne projekty związane ze zgazowaniem węgla na potrzeby przemysłu chemicznego mogą być również szansą dla polskich kopalń.

Mniej optymistycznie wygląda za to produkcja energii elektrycznej w oparciu o syngaz. Takie instalacje istnieją, co pokazuje, że technicznie jest to możliwe, choć mają raczej charakter demonstracyjny z uwagi na małą efektywność ekonomiczną. Działają identycznie jak siłownie gazowo-parowe, czyli prąd wytwarza zarówno turbina gazowa oraz turbina napędzana parą, z tą różnicą, że zamiast gazu ziemnego paliwem jest gaz syntezowy.

– W Tampie na Florydzie pracuje jedna taka instalacja, ale tylko dlatego, że służy do utylizacji odpadów z rafinerii ropy naftowej, tzw. koksu naftowego. Dwie w Europie – jedna w Holandii i jedna w Hiszpanii zostały zamknięte. Jednak nie z powodów ograniczeń technicznych, ale powodów ekonomicznych. Koszty wytwarzanej w ten sposób energii są niekonkurencyjne. Porównując to do polskich realiów: jeśli na początku roku na giełdzie można było kupić energię w cenie 170 zł za MWh, to w przypadku instalacji opartych na zgazowaniu węgla ta cena przekraczałaby 250 zł za MWh. To wcale jednak nie musi oznaczać, że ta technologia nie może być perspektywiczna. Tak jak w każdym przypadku, na początkowym etapie rozwoju, kiedy zastosowanie nie jest zbyt szerokie, koszty, głównie inwestycyjne, są kilka razy wyższe – argumentuje prof. Ściążko. Jak podkreśla naukowiec, szansą tej technologii jest m.in. fakt, że w przypadku układów zgazowania usuwanie CO2 ze spalin jest dwa razy tańsze niż w przypadku konwencjonalnych elektrowni parowych. Dlatego, jeśli zostanie utrzymana dotychczasowa polityka Unii Europejskiej, która przewiduje coraz większe opłaty za emisję CO2, to wytwarzanie energii elektrycznej w oparciu o zgazowanie węgla mogłoby stać się konkurencyjne. Taką granicą opłacalności jest 40 euro za tonę CO2.

Wodór z węgla po japońsku

Jeszcze inny pomysł na rozwój technologii zgazowania węgla i produkcji energii elektrycznej mają Japończycy. W Kraju Kwitnącej Wiśni działa już instalacja doświadczalna, która wytwarza prąd ze stosu ogniw paliwowych napędzanych wodorem. Wykorzystywany w niej wodór jest otrzymywany w wyniku zgazowania węgla. Zaletą tego rozwiązania jest bardzo wysoka sprawność sięgającą 60 proc., choć to dopiero raczkująca technologia.

– Kiedy w latach 90. zaczął się rozwój wielkoskalowych instalacji zgazowania węgla do produkcji prądu, podjęto takie projekty, bo dawały bardzo wysoką sprawność rzędu 48–50 proc. To było bardzo dużo, w porównaniu z energetyką konwencjonalną, w przypadku której ten wskaźnik sięgał maksymalnie 42 proc. Od tego czasu sprawność energetyki konwencjonalnej wzrosła do 50 proc., co zmniejszyło zainteresowanie zgazowaniem. Trudno powiedzieć, jaka będzie przyszłość tej technologii. Póki co te instalacje nie „przeskoczyły” skali i mają moc maksymalnie 250 MW. Podczas gdy tradycyjne bloki węglowe mają moc 1000 MW, taką samą sprawność i dodatkowy atut, jakim jest elastyczność. W przypadku ograniczonego zapotrzebowania można zmniejszać moc do 40 proc. Instalacje oparte o zgazowanie węgla takiej elastyczności nie mają – konkluduje naukowiec z IChPW.

Jacek Madeja

Publicysta tygodnika Trybuna Górnicza i portalu nettg.pl