Węgiel pozostaje ważnym źródłem energii, zaspokajając ponad 25% światowego zapotrzebowania na energię. Jest on głównym paliwem do produkcji elektryczności i służy do produkcji 40% światowej energii elektrycznej.

Według Światowego Przeglądu Energetycznego 2006 opublikowanego przez IEA, ten udział wzrośnie do 44% w roku 2030. Roczne światowe zużycie węgla wynosi obecnie ponad 5.600 milionów ton i w najbliższych latach oczekiwany jest jego znaczny wzrost dla zaspokojenia rosnącego zapotrzebowania na energię w krajach rozwijających się, w szczególności dla utrzymania szybkiego wzrostu gospodarczego w Chinach i Indiach. Złoża węgla są największe spośród paliw kopalnych - szacuje się, że istniejące rezerwy przekraczają 150 lat wydobycia w obecnym tempie. Przez wiele dekad Wielka Brytania była jednym z czołowych producentów węgla w Europie. Chociaż w ostatnich latach produkcja znacznie spadła, głównie z powodu wysokich kosztów wydobycia pod ziemią, węgiel nadal zapewnia 20% zapotrzebowania na energię w Wielkiej Brytanii i ponad 35% elektryczności. Obecnie zużycie węgla w Wielkiej Brytanii wynosi ponad 60 milionów ton, z czego jedną trzecią wydobywa się w kraju, a resztę importuje.

Węgiel może być również istotnym źródłem zanieczyszczeń. Istnieją generalnie trzy główne podejścia do problemu zmniejszenia emisji z węgla. Po pierwsze, surowy węgiel pochodzący z kopalni można w pewnym stopniu oczyścić z zanieczyszczeń. Po drugie, można poprawić wydajność procesów przetwarzania węgla, zmniejszając tym samym jego zużycie. Wreszcie można opracować technologie zorientowane bezpośrednio na zmniejszenie emisji poszczególnych substancji zanieczyszczających.

Tradycyjnie uwaga skoncentrowana była na emisjach dwutlenku siarki, tlenków azotu i cząstek stałych. Dla wszystkich tych zanieczyszczeń opracowano technologie skutecznie zmniejszające ich koncentrację w spalinach odprowadzanych do atmosfery. W ostatnich latach zainteresowano się również pierwiastkami śladowymi, takimi jak rtęć. Chociaż nie istnieje jeszcze prawodawstwo europejskie regulujące emisje pierwiastków śladowych, trwają obecnie prace nad opracowaniem odpowiednich technologii.

Wiele uwagi przyciągały ostatnio emisje dwutlenku węgla, gdyż jest to główny gaz cieplarniany przyczyniający się do globalnego ocieplenia. Niekorzystny wpływ globalnego ocieplenia na światowy klimat, środowisko, ludzi i gospodarkę jest traktowany z dużą powagą na poziomie krajowym i międzynarodowym, i jest dobrze udokumentowany. Ponieważ węgiel i inne paliwa kopalne pozostaną głównym źródłem energii w dającej się przewidzieć przyszłości, rośnie zainteresowanie wychwytywaniem węgla i składowaniem geologicznym.

Przygotowanie węgla

Przygotowanie jest niezbędne, aby poprawić jakość wydobytego węgla i dostosować go do różnych zastosowań. Przygotowanie obejmuje jeden lub kilka następujących procesów:

·Kruszenie i sortowanie według wielkości

·Mycie w celu zmniejszenia zawartości popiołu i siarki

·Mieszanie w celu uzyskania żądanych poziomów popiołu i siarki oraz potrzebnej charakterystyki spalania

Przez wiele dekad Wielka Brytania należała do czołówki w opracowywaniu technologii przygotowywania węgla. Wiele z nich obecnie jest stosowanych przemysłowo. Firmy nadal pracują nad zwiększaniem wydajności i ekonomiczności tych procesów i nad zmniejszaniem niekorzystnego wpływu na środowisko z powodu zanieczyszczeń powstających przy przygotowaniu węgla.

Spalanie węgla

Węgiel jest głównym paliwem do produkcji energii w wielu krajach świata. Ustaloną technologią tej produkcji jest spalanie pyłu węglowego oparte na podkrytycznych warunkach pary wodnej. Większość istniejących elektrowni działa na zasadzie podkrytycznych warunków pary i produkuje elektryczność ze sprawnością cieplną dochodzącą do 40% (w oparciu o mniejszą wartość opałową). Elektrownie z parą nadkrytyczną (wykorzystujące parę wodną powyżej jej ciśnienia krytycznego wynoszącego 221 barów), osiągające wyższą sprawność, zaczęły powstawać w Wielkiej Brytanii w późnych latach 60. Brytyjska firma Mitsui Babcock Energy (obecnie Doosan Babcock Energy) była pionierem na świecie w opracowaniu i produkcji urządzeń technologii kotłów nadkrytycznych. Elektrownie nadkrytyczne powstające w ostatnich latach w Europie wykorzystują parę przy 300 bar i 620 st. C, i osiągają sprawność 46 do 48%. Na całym świecie wzrasta zapotrzebowanie na elektrownie z cyklem pary nadkrytycznej.

Technologia ta rozwija się w Europie w ramach projektu „AD 700 - Zaawansowana elektrownia nadkrytyczna opalana pyłem węglowym”, w którym bierze udział 40 firm europejskich. Celem jest podniesienie warunków pary do 375 bar i 700 st. C; oczekuje się sprawności powyżej 50%. W roku 2011 planowana jest budowa elektrowni pokazowej w pełnej skali.

Cykl kombinowany ze zintegrowanym zgazowaniem

Technologia cyklu kombinowanego ze zintegrowanym zgazowaniem (IGCC) wykorzystuje do produkcji energii kombinację cykli gazu i pary. Na ogół para i tlen używane są do zgazowania węgla, a powstały gaz syntezowy rozpręża się w turbinie gazowej. Gazy wydechowe z turbiny wykorzystywane są do produkcji pary dla turbiny parowej. Obecnie urządzenia IGCC osiągają sprawność do 45% i powodują niskie emisje dwutlenku siarki, tlenków azotu i cząstek stałych. Dużą liczbę procesów IGCC opartych na węglu opracowano i pokazano w Europie, USA i w Japonii.

W latach 70. w Wielkiej Brytanii został opracowany gazyfikator British Gas-Lurgi (BGL) z ruchomym łożem, który dostarczał syngaz z wysoką zawartością metanu. Był on zaprojektowany do wydajnego wytwarzania syntetycznego gazu ziemnego z węgla. Obecnie gazyfikator BGL pracuje w Niemczech, przetwarzając odpady plastikowe i węgiel na metanol.

Pokazano już wiele innych procesów gazyfikacyjnych wytwarzających energię z węgla. Opierają się one głównie o gazyfikatory typu strumieniowego. Firma Shell posiada urządzenie IGCC o mocy 253MWe w Buggenum, w Holandii. Elektrownia w Buggenum została zbudowana we wczesnych latach 90. i pracuje do dziś. Firma ELCOGAS również posiada urządzenie IGCC o mocy 300MWe pracujące w Puertollano, w Hiszpanii.

W Stanach Zjednoczonych firma GE posiada urządzenie IGCC o mocy 250MWe w Polk Power Station na Florydzie. Warto również wspomnieć o urządzeniu IGCC o mocy 262 MWe znajdującym się w Wabash River, West Indiana, USA.

W chwili obecnej rozważane są propozycje wielu elektrowni IGCC w Wielkiej Brytanii. Wśród nich jest urządzenie o mocy 450MWe w Killingholme, urządzenie o mocy 430MWe w kopalni Hatfield oraz urządzenie o mocy 480MWe w Onllwyu. Jak dotąd główną barierą w przemysłowym zastosowaniu elektrowni IGCC były nieco wyższe koszty kapitałowe w połączeniu z niesprawdzoną niezawodnością i mniejszą elastycznością roboczą w porównaniu do elektrowni opalanych pyłem węglowym.

Wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla

Dwutlenek węgla (CO2), główny gaz cieplarniany, powstaje przede wszystkim wskutek wykorzystywania paliw kopalnych. Środki takie jak poprawa sprawności energetycznej wraz z rozpowszechnianiem się technologii odnawialnych źródeł energii i technologii jądrowych mogłyby prowadzić do zmniejszenia tych emisji. Jednakże z uwagi na fakt, że około 85% światowych potrzeb energetycznych jest zaspokajanych przez paliwa kopalne, mało prawdopodobne jest szybkie odejście od tych paliw bez poważnego zakłócenia gospodarki globalnej. Wiadomo dziś, że można znacznie ograniczyć emisję dwutlenku węgla ze spalania paliw kopalnych przez zastosowanie wychwytu i geologicznego składowania CO2 (CCS). Dlatego też podejmuje się obecnie wysiłki w skali globalnej w celu opracowania metod wychwytu i składowania dwutlenku węgla zarówno z technologii spalania, jak i zgazowania, oraz jego bezpiecznego składowania w dłuższej skali czasu..

Istnieje jednak wiele barier technicznych i nietechnicznych stojących na drodze przemysłowego zastosowania CCS, które trzeba będzie pokonać, jeśli chcemy na poważnie zająć się problemem emisji dwutlenku węgla. CCS wymaga dodatkowych nakładów energetycznych w porównaniu z tradycyjnymi technologiami wytwarzania energii. Jeśli te dodatkowe nakłady energetyczne, a zatem koszty, nie zostaną zmniejszone, technologia CCS raczej nie będzie zastosowana przemysłowo. Należy się także zająć barierami środowiskowymi, prawnymi i regulacyjnymi, a ponadto opinia publiczna powinna widzieć korzyści z szerokiego rozpowszechnienia CCS.

Wychwytywanie dwutlenku węgla

CO2 można wychwytywać albo z gazów spalinowych po spaleniu (wychwyt po spaleniu), albo z syngazu przed spaleniem (wychwyt przed spaleniem).

Dostępne są już technologie wychwytywania CO2 z elektrowni opalanych węglem. Preferowana obecnie technika polega na płukaniu gazów spalinowych roztworem aminowym w celu absorpcji CO2. Amina z płuczki jest podgrzewana przez parę w celu uwolnienia wysokiego stężenia CO2 i amina pozbawiona CO2 może być użyta ponownie w płuczce.

Stężenie CO2 w gazach spalinowych elektrowni opalanej węglem wynosi około 14%. Stężenie to można zwiększyć, na ogół powyżej 90%, stosując tlen (z konwencjonalnego kriogenicznego rozdzielenia powietrza) zamiast powietrza do spalania. Spalanie paliwa w tlenie, lub w gazie o dużym stężeniu tlenu, prowadzi jednak do nadmiernego wzrostu temperatury płomienia. W celu zmniejszenia temperatury do akceptowalnego poziomu, pewna część gazów spalinowych bogatych w CO2 musi być użyta ponownie.

Wychwyt po spaleniu zademonstrowano na skalę doświadczalną (wykorzystując symulowane gazy spalinowe) oraz na skalę pilotową (wykorzystując boczny strumień prawdziwych gazów spalinowych), ale jeszcze nie zastosowano go na pełną skalę przemysłową.

Wychwyt przed spaleniem

Usuwanie CO2 z gazów spalinowych wymaga obróbki dużych ilości gazu, przez co wielkość potrzebnego sprzętu i koszty kapitałowe dla wychwytu po spaleniu są duże. Niskie stężenie CO2 również powoduje konieczność użycia silnych rozpuszczalników dla wychwytu CO2. Regeneracja rozpuszczalnika wymaga znacznego wydatku energetycznego. Obróbka gazu zawierającego wyższe stężenie CO2 pod wyższym ciśnieniem wymagałaby mniejszych zbiorników, innego rozpuszczalnika, i prawdopodobnie mniejszego zużycia energii. Tak jest w przypadku wychwytu przed spaleniem.

W trakcie gazyfikacji węgla tworzy się syngaz, składający się głównie z tlenku węgla i z wodoru. Jeśli tlenek węgla wejdzie w reakcję z parą wodną w reaktorze katalitycznym, albo wymienniku, powstanie CO2 i jeszcze więcej wodoru. Ten CO2 może być następnie oddzielony – będzie to wychwyt przed spaleniem - a wodór zostanie zużyty do produkcji energii jako paliwo w turbinie gazowej elektrowni z cyklem kombinowanym.

Składowanie dwutlenku węgla

Zubożone złoża ropy i gazu mogą posłużyć do wydajnego składowania CO2. Tłoczenie CO2 do odpowiednich zubożonych złóż ropy może spowodować zwiększenie wydobycia ropy (EOR) o 10-15% w stosunku do poprzedniego wydobycia ropy z tych złóż. Zwiększone wydobycie ropy przy użyciu CO2 jest sprawdzoną technologią stosowaną w USA od wielu lat. W ramach projektu Weyburn International Research w Kanadzie, CO2 wychwytywany w dużym przedsięwzięciu gazyfikacyjnym w stanie North Dakota, w USA, jest transportowany gazociągiem i wtłaczany do złoża Weyburn w prowincji Saskatchewan w celu oceny długookresowej skuteczności zwiększenia wydobycia ropy i składowania CO2.

Istnieje wiele podziemnych warstw wypełnionych wodą (wodonośnych), które potencjalnie można by wykorzystać do składowania CO2. Warstwy wodonośne, które nadawałyby się do składowania CO2, musiałyby być dobrze opisane i położone głęboko pod ziemią. Zawierałyby one słoną wodę, nienadającą się do wykorzystania jako woda pitna. Po wydzieleniu CO2 z gazu ziemnego firma Statoil wtłacza rocznie milion ton CO2 do głębokiej słonej warstwy wodonośnej pod norweską częścią Morza Północnego - jest to część projektu Sleipner, obejmującego ropę i gaz. Podobnie, po oddzieleniu od gazu ziemnego w In Salah, w Algierii, firmy BP, Statoil i Sonatrach tłoczą do głębokiej słonej warstwy wodonośnej milion ton CO2 rocznie.

Inną możliwość składowania dają pokłady węgla nie nadającego się do wydobycia. CO2 wtłoczony do odpowiednich pokładów węgla będzie adsorbowany w węglu, pozostając w nim na stałe, o ile ten węgiel nigdy nie będzie wydobyty. Ponadto CO2 wypiera metan znajdujący się w złożu węglowym. W wielu miejscach zademonstrowano technologię intensyfikacji odzysku metanu ze złóż węgla (ECBM), zastosowaną z różnym powodzeniem, często zależnym od przepuszczalności węgla. Ostatnio zakończono duży projekt RECOPOL, w którym brało udział wielu partnerów z Unii Europejskiej. Projekt ten odbywał się w Polsce i miał demonstrować technologię ECBM, ale jego sukces był raczej skromny. W Stanach Zjednoczonych w Allison Unit w stanie Nowy Meksyk ponad 100.000 ton CO2 wtłoczono w okresie 3 lat. Także Rada Badawcza Alberty w Kanadzie prowadziła ostatnio międzynarodowe badania w celu opracowania technologii ECBM.

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