|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 06/2005
Gospodarka wodorowa oparta na zgazowywaniu węgla
|
|
|
Opracowanie długofalowej strategii energetycznej dla Europy wymaga uwzględnienia różnych źródeł energii i równoległego wykorzystania wielu dostępnych zasobów surowców energetycznych.
|
Zgazowywanie węgla i wykorzystanie go do produkcji wodoru oraz syntetycznego gazu ziemnego może być istotnym elementem systemu bezpieczeństwa energetycznego Unii Europejskiej.
Badania związane z rozwojem gospodarki wodorowej wymagają ogromnych nakładów finansowych. Przekazanie środków na ten cel deklaruje się w programach rozwoju energetyki europejskiej i globalnej. Proponowane programy światowe zakładają wydanie ponad 20 mld euro (w tym ponad 6 mld euro finansowania budżetowego). Do najważniejszych należą programy, takie jak amerykańskie FutureGen, Freedom Car, Vision 21 i europejskie Hycom i Hypogen, realizowane w ramach programów szybkiego startu Quick Start. Przygotowaniem i koordynacją odpowiednich działań zajmują się specjalnie powołane organizacje międzynarodowe: Europejska Platforma Technologii Wodorowych i Ogniw Paliwowych (The European Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform) oraz powołane z inicjatywy amerykańskiego Departamentu Energetyki Partnerstwo IPHE (International Partnership of Hydrogen Economy) czy sponsorowany przez Japonię program NEDO (New Energy Development Organisation).
Rozwój energetyki wodorowej jest w Unii jednym z priorytetów tzw. VI Programu Ramowego i będzie kontynuowany w ramach przygotowywanego obecnie VII Programu Ramowego UE. Obejmuje on wszystkie zagadnienia związane z wykorzystaniem wodoru w zakresie jego pozyskiwania, magazynowania, bezpieczeństwa, dystrybucji i wykorzystania, a także badań materiałowych i ekonomicznych. W projektach związanych z wodorem w VI Programie Ramowym uczestniczą także polscy partnerzy - Główny Instytut Górnictwa z Katowic, Politechnika Wrocławska oraz Elektrownia Turów, a negocjowane są dalsze projekty z udziałem Instytutu Energetyki z Warszawy i Akademii Górniczo-Hutniczej z Krakowa. Tworzy to szansę na skorzystanie w naszym kraju z części funduszy przewidzianych na rozwój konkurencyjności gospodarki europejskiej w ramach specjalnych programów szybkiego startu (Quick Start Growth), w tym specjalnie ukierunkowanych na rozwój energetyki wodorowej: Hycom i Hypogen. Może tak się stać dzięki polskim zasobom węgla. Projekt Hypogen zakłada budowę pilotażowej instalacji do produkcji energii elektrycznej i wodoru z węgla, a Hycom ma za zadanie przetestowanie infrastruktury i rozwiązań gospodarki wodorowej w środowiskach lokalnych społeczności.
Zero emisji zero technologii
Katowicki Główny Instytut Górnictwa rozpoczął prace nad koncepcją wdrożenia technologii wytwarzania wodoru przy udziale węgla, poszukując możliwości wykorzystania pieniędzy z offsetu. Inicjatorem działań był dyrektor naczelny Instytutu, prof. dr hab. inż. Józef Dubiński, natomiast konkretne propozycje przedstawił i opracowuje dr inż. Jan Rogut, który w tym roku został ekspertem Komisji Europejskiej opracowującym dane do założeń polityki europejskiej właśnie w zakresie wykorzystania węgla do produkcji wodoru w Europie, jako części odradzającej się w świadomości europejskiej koncepcji technologii czystego węgla (Clean Coal Technology). Partnerem pierwszego z działań miała być kanadyjsko-amerykańska firma, która powołała do życia stowarzyszenie ZECA (Zero Emision Coal Association). ZECA postawiło sobie za zadanie zademonstrować i zastosować praktycznie zeroemisyjną technologię wytwarzania wodoru z węgla w oparciu o koncepcję dr. Hansa Ziocka z Los Alamos National Laboratory.
Przewidywana procedura miała polegać na uwodornieniu węgla do metanu, następnie przerobieniu metanu w konwersji z parą wodną na wodór i dwutlenek węgla, związaniu CO2 za pomocą tlenku wapnia i wykorzystaniu oczyszczonego wodoru do zasilania turbiny gazowej lub wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego. Niestety ZECA prowadziła doskonały marketing rozwiązania, które eksperymentalnie przetestowano jedynie w doświadczalnej mikroskali. Brakowało rzeczywistych, sprawdzonych w skali technicznej podstaw technologii umożliwiającej wdrożenie układu demonstracyjnego. W takiej sytuacji trudno było ryzykować inwestycje finansowe, a płynące z prowadzonych rozmów doświadczenie uczy, że z nowymi technologiami należy postępować bardzo ostrożnie. Zwłaszcza z opartymi na rewolucyjnych pomysłach. Wstępne przygotowania nie poszły jednak na marne i przydają się teraz, gdy poszukiwanie alternatywnych źródeł energii nabiera coraz większego znaczenia. Oryginalna koncepcja amerykańska stała się np. podstawą opracowania wspólnie z Uniwersytetem w Stuttgarcie trzyletniego projektu badawczego sprawdzającego niezależnie podstawowe elementy pomysłu Amerykanów.
Recepta na rosnące ceny?
Gospodarka wodorowa to w zasadzie kontynuacja XIX-wiecznej koncepcji zgazowania węgla. - Wodór może w przyszłym systemie energetycznym świata pełnić taką samą rolę, jak wspólna waluta w systemie bankowym - mówi Jan Rogut. - Pierwiastek ten jest nośnikiem energii nie występującym w wolnej postaci i trzeba go wyprodukować z innych surowców energetycznych lub drogą konwersji innych form energii (elektroliza wody, termiczny rozkład wody), a więc - jak pieniądze - musi mieć pokrycie. By pieniądz mógł pełnić rolę miernika wartości w gospodarce, musi istnieć sama gospodarka, z jej zasobami i surowcami. W podobny sposób takim przyszłym miernikiem wartości w energetyce mógłby stać się wodór. Na rzecz wodoru przemawia fakt, że w procesach spalania (turbiny gazowe wykorzystujące czysty wodór) lub w przemianach elektrochemicznych (wodorowe ogniwa paliwowe) jest jedynym nośnikiem energii, który może być wykorzystany do napędzania środków transportu w dużych aglomeracjach miejskich przy rzeczywiście zerowej emisji.
Wodór w transporcie daje wysoką rzeczywistą sprawność wykorzystania energii. - Sprawność silników benzynowych w ruchu miejskim wynosi praktycznie ok. 20-30%, podczas gdy sprawność wodoru w takich samych warunkach może teoretycznie osiągnąć nawet 50%. Czyli sama wartość kaloryczna paliwa, choć nie na ta sama ilość, pozwala nam pokonać dłuższy dystans. Dla dużych skupisk miejskich byłoby to “czyste” rozwiązanie w sytuacji, gdy nie ma możliwości zrezygnowania z komunikacji indywidualnej - stwierdza Jan Rogut.
Drugim argumentem na rzecz wodoru, jako paliwa przyszłościowego, jest sytuacja na rynku zasobów paliwowych. W przeciwieństwie do okresu z lat 70. i ówczesnego kryzysu paliwowego, który nie był spowodowany brakiem surowców, a raczej efektem zawirowań geopolitycznych, obecnie coraz więcej poważnych ośrodków gospodarczych i naukowych uważa, że prawdziwy kryzys paliwowy jednak nas spotka. W opinii Jana Roguta cenna działalność Zielonych spowodowała, że wszyscy wystraszyli się efektu cieplarnianego, więc mówi się przede wszystkim o energii odnawialnej, wprowadza ją do dyrektyw itd., podczas gdy poważne firmy z branży paliwowo-energetycznej z pełną odpowiedzialnością informują, że zanim odczujemy skutki efektu cieplarnianego wywołanego przez spalanie kopalin, może pojawić się problem braku energii w ogóle.
Najtrudniejszą barierą w rozwiązaniu światowych problemów energetycznych pozostaje składowanie (sekwestracja) CO2. Jest to realne od strony inżynieryjnej, ale nie ma na razie racji bytu z ekonomicznego punktu widzenia. Koszty sekwestracji w założeniach amerykańskich powinny wynosić ok. 10 USD/t, według europejskich ok. 30 euro/t, natomiast współczesne technologie pozwalające na wyłapanie CO2 ze spalin, przeprowadzenie go do postaci ciekłej lub sprężonej, wprowadzenie pod ziemię i zabezpieczenie przed ucieczką ustawiają poprzeczkę na poziomie 200 do 300 USD/t CO2. Nie należy przy tym ulegać złudzeniom, że w przyszłości technologie składowania dwutlenku węgla będą znacznie tańsze - w obecnej energetyce opartej na spalaniu kopalin CO2 jest emitowane z gazami kominowymi w których zawartość tego gazu jest niska (6-16%), natomiast do składowania skierować można praktycznie czysty dwutlenek węgla.
Koszty wydzielenia go z gazów spalinowych z klasycznej energetyki cieplnej, jak na razie, nie są do zaakceptowania.. - Układy demonstracyjne składowania dwutlenku opisywane szeroko w prasie dotyczą tego gazu jako domieszki, usuwanej z gazu ziemnego przed jego skierowaniem do użytkowników (pole Sleipner w Norwegii) lub związane są z utylizacją czystego dwutlenku węgla, produktu ubocznego otrzymywanego w technologiach chemicznych i petrochemicznych. W przypadku klasycznej energetyki cieplnej, przyjmując, że z kosztującej ok. 50 USD t węgla powstają ok. 3 t CO2, należałoby na wydzielenie, transport i składowanie tego gazu przeznaczyć obecnie nawet do ok. 600 euro od tony węgla, co w skali globalnej oznacza koszty przekraczające wielokrotnie cały globalny produkt brutto świata. Zatem opowieści o możliwościach składowaniu CO2 na skalę masową można w tej chwili włożyć między bajki. W zasadzie, najpierw konieczne byłoby przebudowanie systemów energetycznych z opartych o spalanie węgla na procesy tlenowego lub beztlenowego zgazowania - stwierdza Jan Rogut.
Poza tym nie wiadomo jakie będą skutki wprowadzenia pod ziemię biliardów ton CO2. Sprężony gaz wpływa na właściwości skał i mógłby naruszyć równowagę geofizyczną panującą w skorupie ziemskiej.
Trudności z wydzieleniem i składowaniem dwutlenku węgla nie zmieniają faktu, iż obecne prognozy, chyba bardziej wiarygodne od tych z przeszłości, mówią, że akceptowalne przez obecną gospodarkę światową ceny ropy naftowej skończą się ok. 2020-2030 (nieco dłużej to potrwa w przypadku gazu ziemnego). Nawet jeśli nie zabraknie surowców, to ich wysoka cena wymusi powrót do tańszych źródeł energii. Takim tanim źródłem w Europie jest węgiel.
Gaz na kryzys
Obecnie cały system energetyczny Europy Zachodniej to albo - jak we Francji - energia atomowa, albo - na czym opierają przyszłość Niemcy, Brytyjczycy i Norwegowie - gaz ziemny. Niestety, norweskie ropa i gaz czy holenderski i duński gaz wkrótce się skończą. Niemcy dogadali się z Rosją na temat współpracy strategicznej w zakresie gazu. Francuzi są gotowi sfinansować dużą część rurociągu pod Bałtykiem. Oznacza to, że i Niemcy, i Francuzi postanowili, że ich podstawowa przyszła struktura systemu energetycznego będzie oparta na gazie. W kontekście takiego podejścia rodzi się pytanie: czy przy takiej polityce energetycznej jest rola dla węgla polskiego i niemieckiego? Zdaniem Jana Roguta odpowiedź brzmi “tak”. - Ale nie w takim sensie, że węgiel konkuruje jako źródło energii z gazem, tylko że węgiel i gaz powinny współdziałać na rzecz rozwiązania problemów energetycznych i zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego Europy.
Jeżeli założyć, że Niemcy i Francuzi rozbudują i unowocześnią system transportowy gazu ziemnego, który będzie służył przez najbliższe 50-60 lat zasilany gazem ze wszystkich dostępnych źródeł: z Rosji, Norwegii, Wielkiej Brytanii i - jeśli się da - z południa, czyli z Libii, Algierii, z Nigerii i krajów Bliskiego Wschodu przez Turcję, to i tak ceny gazu ziemnego będą od pewnego momentu rosły. Rosjanom ponadto może się w pewnym momencie opłacać wysyłać gaz do Chin i Indii, a wtedy zabraknie gazu dla Europy. - W takiej sytuacji pojawia się koncepcja, którą wspólnie z prof. Jerzym Buzkiem, deputowanym do Parlamentu Europejskiego, forsujemy w Komisji Europejskiej, żeby przyszłość energetyczną Unii budować na koalicji europejskiego węgla oraz importowanej ropy i gazu. W tym celu należy opracować elastyczną technologię zgazowania węgla, pozwalającą produkować zamiennie wodór i metan z różnych kopalin. Najpierw z węgla brunatnego, bo tu łatwiej o finanse niemieckie, a potem z węgla kamiennego, zwłaszcza jeśli dałoby się wrócić do podziemnego zgazowywania węgla. Istotne jest również to, że do zgazowania do metanu i wodoru można wykorzystywać nie tylko gorsze gatunki węgla, ale również odpady węglowe. Taka strategia dałaby to, że gdy gaz ziemny będzie drogi lub trudno dostępny, pojawi się alternatywne źródło syntetycznego gazu ziemnego, który można będzie wprowadzić (dopompowywać) do istniejącej sieci gazowej - mówi polski ekspert. W przedstawionej koncepcji do europejskiego systemu gazowniczego można by wprowadzać również metan otrzymywany z biomasy lub oczyszczony biogaz.
Gdyby Polska i Niemcy, przy udziale Czechów i Słowaków, wyspecjalizowały się w ekonomicznej produkcji wodoru i syntetycznego gazu ziemnego z węgla, Europa mogłaby budować swoją przyszłość energetyczną w oparciu o gaz ziemny i syntetyczny gaz ziemny, a Rosja i inne kraje eksportujące obecnie gaz, stałyby się energetycznymi sojusznikami. Syntetyczny gaz z polskiego węgla pojawić się może za lat kilkanaście, w momencie, gdy tanie źródła gazonośne zbliżą się do wyczerpania. Nie będzie więc strategicznym konkurentem. Polska w przyszłości mogła oprzeć transport i dużą część energetyki na naturalnym i syntetycznym gazie ziemnym.
Takie podejście rozwiązuje też inne problemy związane z gospodarką wodorową. Dysponując zasobami węgla oraz dostępnym w całej Europie gazem ziemnym, nie trzeba transportować wodoru na duże odległości, ponieważ najbardziej dojrzałe technologie konwersji węgla z parą wodną do wodoru i CO2 można by instalować wszędzie tam, gdzie pojawi się rynek na wodór (np. przy europejskich metropoliach). Produkując wodór na miejscu przez zgazowanie, towarzyszący takiemu procesowi dwutlenek węgla można by również lokalnie sekwestrować (jeśli w ogóle do tego dojdzie). W ten sposób uzyskano by rozproszoną produkcję energii opartą na wspólnym systemie, wzmocnioną ewentualnie przez równie rozproszony system wydzielania i składowania CO2.
Przez trudy, ale energicznie
Jednak droga do wodoru nie jest krótka: na razie nie istnieje jeszcze rynek wodoru poza chemią i petrochemią, w których rocznie na świecie wykorzystuje się ponad 20 mln t czystego wodoru. Główną siłą napędową gospodarki wodorowej jest transport. Mało widoczna, zwłaszcza w Europie, jest niestety druga, czyli energetyczna “noga” tego rozwoju. Dlatego Jan Rogut uważa, że zanim dojdziemy do gospodarki wodorowej (za ok. 20 do 25 lat, znajdując po drodze wspólny język z napędem elektrycznym i napędem hybrydowym samochodów), musimy wcześniej podnieść sprawność energetyczną naszych elektrowni: - Najmniej ryzykowną i przewidywalną co do skutków metodą jest wykorzystanie zgazowania węgla do wodoru i gazu syntezowego i zastosowanie do zasilania turbin gazowych, a w przyszłości ogniw paliwowych. Turbiny mogą pracować na wodorze, gazie syntezowym i innych mieszankach, a ogniwa paliwowe - w szczególności dla potrzeb transportu w aglomeracjach miejskich - w zasadzie na wodorze. Powinniśmy więc najpierw przebudować system energetyczny elektrowni węglowych z obecnego poziomu sprawności rzędu 32-34% do osiągalnego w cyklu zgazowania poziomu 55, a nawet 60%. To kosztuje, ale równocześnie oznacza wyprodukowanie dwa razy większej mocy z tej samej tony węgla. Realizacja to kwestia pieniędzy na inwestycje, bo na dłuższą skalę jest to uzasadnione ekonomicznie.
A taka decyzja oznacza tworzenie nowych elektrowni z obiegiem wodorowym, które - jeżeli tylko pojawi się rynek na wodór - mogą pełnić rolę stacji paliwowej dla transportu w lokalnym terenie.
To oczywiście przyszłość. Wcześniej należy przećwiczyć takie podejście w praktyce, np. rozwiązując jeden z najtrudniejszych problemów technicznych gospodarki wodorowej, czyli opłacalne wydzielanie i oczyszczanie wodoru z zawierających go mieszanin gazowych, tj. z gazu koksowniczego lub z gazów przemysłu rafineryjnego. Dzięki dużym zasobom gazu koksowniczego Polska wydaje się idealnym poligonem. Zbudowanie go to jedno z zadań zarządzanej przez prof. dr. hab. inż. Jacka Kijeńskiego z Instytutu Chemii Przemysłowej Polskiej Platformy Technologicznej Wodoru i Ogniw Paliwowych, działającej jako tzw. mirror group dla Europejskiej Platformy Technologicznej Wodoru i Ogniw Paliwowych. Duże doświadczenie w technologiach gazu koksowniczego mają również Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu i Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie.
- Chcielibyśmy, żeby ten kierunek, zwłaszcza produkcja wodoru - najpierw z gazu koksowniczego, a następnie z węgla - była polsko-niemiecko-czeską specjalizacją. Byłby to element współpracy regionalnej dla Śląska, swoją rolę odegrałby też Kraków z AGH w ramach projektu Hycom - mówi dr Jan Rogut i dodaje: - Nasza koncepcja wodoru z węgla w żadnym przypadku nie jest ani krytyką, ani konkurencją dla energetyki odnawialnej. Ale niestety, z energią odnawialną jest tak, że gdybyśmy w tej chwili nawet wszystkie nasze wolne zasoby rolne przeznaczyli pod uprawy wierzby energetycznej, zdołalibyśmy zaspokoić maksimum 20% potrzeb energetycznych Europy. Ponadto długofalowe oparcie przyszłości energetycznej Europy na biomasie wymaga wcześniejszych, zasadniczych reform Wspólnej Polityki Rolnej Unii Europejskiej. A tu z kolei potrzeba i determinacji, i konsekwencji politycznej całej Wspólnoty (zasoby wodne, żyzność gleb).
Między energetyką wodorową a energetyką ze źródeł odnawialnych może wystąpić bardzo silny efekt synergii: węgiel, podobnie jak ropa i gaz, też się kiedyś skończy i dlatego w granicach 30 do50 lat trzeba pomyśleć o nieco innym systemie energetycznym dla Europy; systemie. W którym wszystkie rodzaje energii, włączając w to energię jądrową, biomasę, wiatr i fotowoltaikę, mogłyby ze sobą współdziałać. W tej chwili nie ma alternatywy - wybrać węgiel czy coś innego. Problem polega raczej na efektywności wykorzystania tego surowca i na racjonalnym, oszczędnym wykorzystaniu posiadanych źródeł. Energetyka węglowa i wodór są naturalnymi sprzymierzeńcami. Należy zatem stworzyć system ogólny, określić jego rozwój w czasie i ustalić, co i w jakiej kolejności robić. Paradoksalnie, Polska może tu dodatkowo skorzystać z “renty zapóźnienia”. Nasza energetyka wymaga relatywnie większych nakładów niż gdzie indziej, powinniśmy zatem zainwestować w wydajne systemy zgazowywania węgla dla potrzeb energetyki, zakładając, że w przyszłości na tych systemach oprzemy produkcję wodoru.
Z gospodarką wodorową wiąże się wiele trudnych problemów, jak choćby opracowanie metod magazynowania i bezpiecznego przesyłania wodoru, jednak rozwój tej gospodarki to wyzwanie technologiczno-naukowe i silny impuls do rozwoju technicznego dla krajów uczestniczących w projekcie. Gdyby Polska rzeczywiście przeszła w przyszłości na napęd wodorowy w transporcie oraz zbudowała energetykę węglową opartą o cykle zgazowania, miliardy dolarów rocznie przeznaczanych obecnie na zakup ropy naftowej zostałyby skierowane na rozwój. Być może należałoby wziąć kredyt na “wodorową hipotekę”, zastąpić ropę wodorem, a węgiel traktować dalej jako źródło do produkcji czystej nowoczesnej energii co najmniej na własne potrzeby. W sojuszu z Niemcami, którzy, zwłaszcza w ostatnim czasie, ponownie odkrywają, że ich własne zasoby węgla brunatnego, odpowiednio przetworzone, mogą być energetyczną alternatywą surowcową dla importowanego gazu.
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
|
|
|
|
