W obliczu zaostrzających się standardów dotyczących poziomów emisji, energetyka europejska usiłowała w ostatnich latach odchodzić od węgla i stosować gaz ziemny jako paliwo dla elektrowni.

Obecnie, w związku z ograniczonymi dostawami, oraz nieprzewidywalnymi w dłuższej perspektywie cenami gazu ziemnego wydaje się, że węgiel ponownie zacznie odgrywać główną rolę w zaspokajaniu zapotrzebowania Europy na energię elektryczną.

Historycznie, wykorzystanie węgla - jako jednego z najbardziej dostępnych źródeł paliw kopalnych - zawsze wiązało się z obawami związanymi ze wzrostem zanieczyszczenia atmosfery. Na szczęście, sporo problemów dotyczących emisji związanych z węglem w przeszłości, obecnie może być skutecznie rozwiązanych w instalacji pracującej w cyklu gazowo-parowym zintegrowanym ze zgazowaniem węgla (IGCC - Integrated Gasification Combined Cycle), technologią, która umożliwia producentom energii elektrycznej produkowanie energii czystszej i w sposób bardziej ekonomiczny.

Proces IGCC wykorzystuje reakcję częściowego utleniania w procesie przemiany tanich węglowodorów - np. węgla - w wysoko wartościowe paliwo zwane gazem syntezowym (syngas), które składa się głównie z wodoru i tlenku węgla. Gaz syntezowy zasila turbinę gazową pracującą w cyklu gazowo-parowym, produkującym energię elektryczną. Przewaga systemu IGCC nad blokami spalającymi węgiel w kotłach pyłowych wiąże się przede wszystkim z niższymi emisjami włączając w to możliwości znacznej redukcji emitowanego dwutlenku węgla, większej elastyczności stosowanych paliw, oraz wynikających z tego możliwości lokalizacyjnych i udzielanych przez jednostki administracyjne zezwoleń.

IGCC w Europie

Począwszy od roku 1995 zostało zainstalowanych na świecie w przybliżeniu 2,500 megawatów elektrycznych w obiektach IGCC pracujących w rafineriach i wykorzystujących zgazowanie ciężkich frakcji ropy naftowej. Spory procent z tej liczby odnosi się do instalacji europejskich. We Włoszech na przykład, uruchomiono i oddano do użytku komercyjnego cztery instalacje IGCC, oparte na procesach rafineryjnych z zainstalowaną mocą elektryczną około 1600 megawatów; kilka dużych projektów pilotażowych IGCC zostało uruchomionych w innych krajach, takich jak Holandia, Hiszpania i Niemcy.

Jednym z włoskich projektów jest Sarlux IGCC na Sycylii. Instalacja sąsiaduje z rafinerią będącą własnością spółki SARAS i została zbudowana przez konsorcjum składające się ze Snamprogetti SA i GE Energy. Instalacja ta rozpoczęła produkcję energii elektrycznej z gazu syntezowego we wrześniu 2000 roku. Ze zdolnością produkcyjną 540 MWe, Sarlux jest jednym z największych producentów energii elektrycznej w procesie IGCC na świecie. Dodatkowo, oprócz energii elektrycznej zakład produkuje 285 ton pary technologicznej na godzinę i 2 miliony metrów sześciennych wodoru w ciągu 24 godzin.

Krótka Historia IGCC

Technologia zgazowania paliw stosowana jest od ponad wieku. Pierwszy patent na produkcję urządzenia do zgazowania otrzymała niemiecka firma LURGI w 1887 roku.

W latach trzydziestych dwudziestego wieku rozpowszechnił się proces zgazowania węgla. W latach czterdziestych, zgazowanie węgla na skalę przemysłową, zabezpieczające dostawy gazu do oświetlenia ulic i użytku domowego stało się popularne zarówno w Europie, jak i w Stanach Zjednoczonych.

W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych przemysł chemiczny zapoczątkował stosowanie gazów z procesu zgazowania do produkcji chemikaliów takich jak amoniak i nawozy sztuczne. Jakkolwiek, paliwem pierwotnym, stosowanym w tych procesach była raczej ropa naftowa, a nie węgiel.

W latach siedemdziesiątych, Departament Energii Stanów Zjednoczonych sfinansował szereg badań mających na celu ocenę wykonalności i opłacalności zgazowania węgla i spalania gazu syntezowego w turbinach gazowych. Wykonane badania i analizy potwierdziły opłacalność przedsięwzięcia i w rezultacie podjęto decyzje finansowania projektu Cool Water na kalifornijskiej pustyni Mojave. Nowa instalacja została wyposażona w technologię zgazowania węgla, która w późniejszym czasie została zakupiona przez GE, oraz w turbinę gazową GE. Oddana do użytku w 1984 roku elektrownia zademonstrowała wykonalność i opłacalność technologii IGCC, a wiedza zdobyta przy budowie i eksploatacji tego obiektu pomogła w przezwyciężeniu szeregu wyzwań technicznych.

W 1996 roku została zbudowana elektrownia Polk Tampa na Florydzie i ponownie zastosowano tam zakupioną przez GE technologię zgazowania, oraz turbinę gazową GE pracującą w cyklu gazowo - parowym. W opisywanej instalacji zastosowano z powodzeniem wtrysk azotu w celu kontrolowania emisji Nox z procesu spalania gazu syntezowego w turbinie gazowej, oraz zademonstrowano opłacalność zastosowanej technologii IGCC na dużą skalę. Firma GE przejęła technologię zgazowania Texaco w 2004 roku.

Ostatnie postępy osiągnięte w technologii turbin gazowych pozwoliły na zwiększenie zarówno ich sprawności, jak i wpłynęły na rozwój technologii ograniczających emisje. Firma GE przez wiele lat była liderem wśród producentów turbin gazowych, oraz urządzeń cyklu gazowo - parowego w instalacjach IGCC działających w oparciu o technologię zgazowania dostarczaną zarówno przez GE jak i przez inne firmy. GE dostarczyła 21 turbin gazowych pracujących na gazie syntezowym, których sumaryczny czas pracy przekroczył 900.000 godzin.

W chwili obecnej GE posiada ponad 50 lat doświadczenia w stosowaniu technologii zgazowania paliw, oraz ponad 20 lat doświadczenia w pracy turbin gazowych zasilanych gazem syntezowym. Od czasu sprzedaży pierwszej licencji na zgazowanie paliwa w latach pięćdziesiątych, ponad 137 obiektów zbudowano w oparciu licencję na stosowanie technologii zgazowania GE. Obecnie 62 elektrownie na całym świecie pracują z wykorzystaniem technologii zgazowania GE, a dodatkowo 11 kolejnych jest w stadium projektowania lub budowy. Spośród instalacji pracujących komercyjnie 16 z nich wykorzystuje proces zgazowania paliw stałych, natomiast 28 wykorzystuje reakcję konwersji gazu wodnego połączoną z usuwaniem dwutlenku węgla z gazu syntezowego, który z kolei używany jest do produkcji wodoru, amoniaku i alkoholu metylowego.

Korzyści wynikające z zastosowania IGCC w porównaniu z blokami energetycznymi z kotłami spalającymi pył węglowy na superkrytyczne parametry pary

Ponieważ zgazowanie węgla tworzy gaz syntezowy, zamiast bezpośredniego spalania węgla do produkcji energii, większość substancji tworzących emisje zanieczyszczenia jest skutecznie usuwana z gazu, przy minimalnych kosztach w trakcie procesu zgazowania, zamiast oczyszczania spalin, tak jak jest to czynione w instalacjach zawierających kotły pyłowe, w tym na nadkrytyczne parametry pary (Supercritical Pulverized Coal - SCPC). Strumień gazu syntezowego jest oczyszczany w warunkach wysokiego ciśnienia i dlatego znacznie mniejsza jego objętość gazu jest oczyszczana w porównani z objętością spalin z instalacji SCPC. Wykorzystywane są przy tym typowe dla przemysłu chemicznego instalacje procesowe bez potrzeby wykorzystywania drogich układów katalitycznych.

Inną ważną korzyścią systemu IGCC jest możliwość takiej konfiguracji, która umożliwia usuwanie znacznej ilości dwutlenku węgla z gazu syntezowego przed jego spaleniem w turbinie gazowej. Dzisiejsze instalacje IGCC mogą być skonfigurowane w taki sposób aby usunąć do 90% CO2 z gazu syntezowego. Jest to szczególnie ważne tam gdzie emisja CO2 jest ograniczana ze względu na politykę ochrony środowiska, jak ma to miejsce szczególnie w krajach Unii Europejskiej. Instalacje IGCC w sposób prostszy technologicznie i bardziej ekonomiczny niż ma to miejsce w instalacjach SCPC pozwalają na usuwanie CO2. CO2 może być wówczas poddany składowaniu w formacjach geologicznych – sekwestracji, lub wykorzystywany do intensyfikacji wydobycia ropy naftowej poprzez jego zatłaczanie do złóż naftowych w końcowej fazie ich eksploatacji.

Wychwyt CO2 w instalacji IGCC wymaga wykorzystania reaktora gazu wodnego, dodatkowego wymiennika ciepła, procesu wiązania chemicznego i usunięcia CO2, sprężarek oraz sprzętu do regeneracji reagentu wiążącego CO2.

Według raportu Banku Światowego z kwietnia 2006, zatytułowanego „Czysta energia i rozwój: w kierunku struktury inwestycji”, ilość dolarów za tonę CO2, zaoszczędzonych w nowych instalacjach IGCC mogłaby mieścić się w zakresie 13 do 37 USD, podczas gdy koszty, których uniknięto by w nowych instalacjach SCPC mogłyby wynosić od 29 do 51 USD. GE analizuje opcje rożnych technologii służących do wychwytywania CO2, jak również bada wpływ zastosowania dodatkowej instalacji wychwytu CO2 na bilans energii netto, oraz sprawność całej instalacji IGCC.

Baza doświadczalna IGCC

Zintegrowanie cyklu gazowo-parowego z technologią zgazowania może stanowić wyzwanie. GE posiada więcej doświadczeń w tego typu projektach, niż jakikolwiek inny dostawca takiej technologii – posiada doświadczenie z ponad 3 GW mocy elektrycznej zainstalowanej w układach IGCC, włączając w to 760 MW wykorzystujących technologię produkcji energii elektrycznej w oparciu o technologie turbinowe GE, 1,132 MW wykorzystujących technologię zgazowania GE oraz 1,120 MW wykorzystujących obie technologie GE.

Klienci mogą korzystać z obszernej bazy doświadczeń GE z technologia IGCC. Czerpiąc doświadczenia z działających instalacji, inżynierowie GE mogą gromadzić dane dotyczące działania instalacji w procesach stacjonarnych oraz z procesów przejściowych do dalszej optymalizacji rozwiązań stosowanych w kolejnych projektach. Program rozwoju instalacji GE zasilającej zgazowywacz w paliwo stanowi dobry przykład, jak zespół maksymalnie wykorzystuje swoje możliwości do interpretacji tych danych. GE projektuje instalacje zasilające dla szeregu paliw stałych, płynnych i gazowych. Urządzenia zasilające pracują w różnych środowiskach i przy różnych parametrach roboczych (tj., temperaturze, ciśnieniu oraz oddziaływaniu korozyjnym). Pomimo, że każdy przypadek jest inny, rola urządzenia zasilającego jest zawsze taka sama – wprowadzić surowiec do generatora gazu.

Wykorzystując narzędzia modelujące, takie jak (computational fluid dynamice) CFD – obliczenia dynamiki cieczy oraz rygorystyczne metody zarządzania jakością, takie jak Six Sigma, technolodzy GE analizują przypadki i mierzą względne parametry w ich zastosowaniach – takie jak współczynnik konwersji węgla, niezawodność lub względna żywotność elementu – aby nauczyć się więcej o metodach kontroli procesu, źródłach odchyleń występujących w procesach i w końcu, o kluczowych czynnikach wpływających na wielkości poszczególnych parametrów. Kiedy stosowane są narzędzia działające w oparciu o zbiory danych, takie jak Six-Sigma, większe zestawy danych stają się bardziej cennymi, gdyż wzrasta ich znaczenie statystyczne oraz, poprzez ich rygorystyczne zastosowanie, prowadzą do większej pewności decyzji projektowych.

Budując instalacje w oparciu o wieloletnie doświadczenie, GE jest firma zaangażowaną w ciągły rozwój technologii zgazowania oraz IGCC. W 2005 roku firmy GE oraz Bechtel utworzyły „IGCC Alliance” w celu zbudowania referencyjnej instalacji, której koszt inwestycyjny będzie o około 10% wyższy od tego, który związany byłby z oddaniem do użytku nowoczesnej, ekologicznej instalacji SCPC tej samej wielkości i w tym samym miejscu. Po zakończeniu obecnie prowadzonych prac projektowych oczekuje się potwierdzenia tych docelowych kosztów pod koniec bieżącego roku.

Równolegle z referencyjną instalacją IGCC Alliance (w USA oferowana jest aktualnie wersja 630 MW / 60 Hz) GE analizuje wymagania i oczekiwania przyszłych użytkowników, włączając warunki regionalne i środowiskowe (związane z wychwytem i sekwestracja CO2), dla instalacji IGCC pracującej na rynkach energii 50Hz. Aktualnie, GE licencjonuje technologie zgazowania i oferuje technologię, urządzenia oraz usługi produkcji energii elektrycznej na całym świecie, w szerokim zakresie zastosowań takich, jak przemysł chemiczny, rafineryjny, poligeneracja – jednoczesna produkcja energii elektrycznej i innych produktów z gazu syntezowego.

Odbiorcy technologii korzystają ze współpracy z dostawcą, który może zapewnić wiele rozwiązań technologicznych, ponieważ projekt może być dostosowany do potrzeb specyficznych surowców, takich jak pozostałości podestylacyjne lub bitumen z regionów piasków roponośnych oraz produktów, takich jak wodór, para, energia oraz gaz syntezowy do produkcji chemikaliów lub nisko siarkowych paliw transportowych. Technologie te mogą być wkomponowane do nowych instalacji, lub zintegrowane z instalacjami już istniejącymi.

W ramach działań związanych z praktycznym wykorzystaniem technologii IGCC, firma GE zapowiedziała podpisanie porozumienia o współpracy z BP w celu wspólnego opracowania i wdrożenia projektów elektrowni wodorowych (IGCC z wychwytem i sekwestracja CO2), które znacząco zmniejszą emisje dwutlenku węgla z produkcji energii elektrycznej.

Firma BP ogłosiła juz plany budowy dwóch projektów elektrowni wodorowych z wychwytem dwutlenku węgla i jego sekwestracją w Szkocji oraz w Kalifornii, w których będą zastosowane technologie GE. Obie firmy jako cel stawiają sobie realizacje w następnej dekadzie 10-15 wspólnych projektów tego typu.

Centrum IGCC w Polsce

Podkreślając swoje zaangażowanie w technologię IGCC w Europie, firma GE zaanonsowała ostatnio utworzenie „Centrum Doskonałości” European Cleaner Coal (Europejskie Centrum Czystszego Spalania Węgla) w Warszawie, w Polsce. Nowe centrum zapewni GE bazę inżynieryjna i badawcza umożliwiającą wykorzystanie technologii IGCC w Europie. Nowe biuro dostarczy również wsparcia inżynierskiego dla usług oferowanych przez GE Energy w zakresie projektów ochrony środowiska i optymalizacji procesów, oraz techniki zarządzania biznesem mające na celu dostarczenie w regionie szerokiej gamy usług dla branży węglowej.

Utworzenie nowego centrum zostało zapowiedziane 14 września podczas spotkania w Waszyngtonie premiera Jarosława Kaczyńskiego z Johnem Krenickim, prezesem GE Energy.

„Ze względu na swoje duże zasoby węgla, wyjątkowy zespół talentów inżynierskich oraz rosnące zapotrzebowanie na energię, Polska stanowi naturalne miejsce dla stworzenia tego centrum” - powiedział Krenicki. „Powstanie tej placówki jest dla nas milowym krokiem w tym regionie i stworzy znaczące, strategiczne korzyści, zarówno dla GE, jak i dla Polski”.

„Decyzja GE o stworzeniu swojego centrum czystego spalania węgla w Polsce jest głównym krokiem w kierunku wykorzystania naszego najbardziej obfitego źródła energii, węgla, w sposób, który jest spójny zarówno z polityką naszego kraju, jak i ze światową polityką zarządzania środowiskiem”, powiedział premier Kaczyński. „Technologie, które firma GE rozwinie w tym nowym centrum będą niezbędne nie tylko aby pomóc Polsce spełnić jej energetyczne wyzwania, lecz również w spełnieniu wyzwań energetycznych w całej poszerzonej Unii Europejskiej”.

Obiecująca przyszłość

Perspektywy rozwoju technologii IGCC nigdy nie prezentowały się lepiej niż obecnie. GE kontynuuje i rozszerza inwestowanie w rozwój technologii zgazowania z zespołem pięciokrotnie większym niż miało to miejsce w momencie nabycia tej technologii w 2004 roku. Atrakcyjność IGCC oraz zgazowania węgla i węglowodorów stała się oczywista dzięki wybitnym zawodowym talentom, włączając chemików, naukowców oraz inżynierów, którzy związali swoja przyszłość z rozwojem tych technologii.

Oprócz technologów turbin gazowych zlokalizowanych w Greenville, w Południowej Karolinie, firma GE zaangażowała swoją własną światową bazę inżynieryjno – badawcza ze swoich regionalnych Światowych Centrów Badawczych w stanie Nowy Jork USA, Bangalore w Indiach, Szanghaju w Chinach i Monachium w Niemczech. Wydatki GE związane z rozwojem tej technologii wzrosną aż o 40% w 2007 roku w porównaniu do średnich kwot zainwestowanych w technologię zgazowania w latach 2001 – 2004.

Dzisiaj, producenci energii oczekują komercyjnie opłacalnego zastosowania paliwa węglowego w rozwiązaniach energetycznych, które zapewniły by lepsze możliwości ochrony środowiska w porównaniu z konwencjonalnymi technologiami spalania węgla. W połączeniu z potencjalną potrzebą obniżenia emisji CO2 w przyszłości, IGCC staje się preferowaną technologią wykorzystania węgla do produkcji energii elektrycznej.

Dokończenie znajdziesz w wydaniu papierowym. Zamów prenumeratę miesięcznika ENERGIA GIGAWAT w cenie 108 zł za cały rok, 54 zł - za pół roku lub 27 zł - za kwartał. Możesz skorzystać z formularza, który znajdziesz tutaj

Zamów prenumeratę