Przez czyste technologie węglowe (clean coal technologies) należy rozumieć technologie zaprojektowane w celu poprawy skuteczności wydobycia, przeróbki, przetwarzania oraz wykorzystania węgla (zarówno kamiennego, jak i brunatnego) i zwiększenia akceptowalności tych procesów z uwagi na ich wpływ na środowisko naturalne [1, 2, 3, 5, 11].

Można wyróżnić cztery główne podobszary, z którymi wiążą się czyste technologie węglowe:

• wydobycie węgla i przeróbka (tzw. mechaniczna przeróbka węgla),
• transport, składowanie węgla i uśrednianie węgla,
• wykorzystanie węgla (w energetyce) oraz przetwórstwo węgla,
• zagospodarowanie „pozostałości” z wydobycia i wykorzystania węgla, czyli różnego rodzaju odpadów.

Należy stwierdzić, że pojęcie to można użyć do wszelkich działań zmniejszających uciążliwość ekologiczną produkcji i poprawę efektywności wykorzystania węgla.

Perspektywiczne technologie węglowe

   Polska, podobnie jak wiele krajów europejskich wykorzystuje swoje rodzime zasoby węgla do produkcji energii elektrycznej. Energia ta jest w obecnych uwarunkowaniach najbardziej konkurencyjna w porównaniu do tej z innych surowców energetycznych – dane w tabeli 1. Zwolennicy „innej” energetyki winni wyciągnąć wnioski z powyższych danych.

Tabela 1. Jednostkowe koszty techniczne wytworzenia i sprzedanej energii elektrycznej [4]

Jednak połączenie emisyjności spalania węgla brunatnego z polityką ograniczania tej emisji poprzez handel emisjami CO2 będzie zwiększało koszty produkcji energii elektrycznej z węgla brunatnego. Dlatego też konieczne będzie w najbliższych latach wdrożenie technologii opisanych poniżej. Zasadniczo można je  podzielić na 3 kategorie:

• technologie zwiększające efektywność produkcji energii elektrycznej z węgla brunatnego,
• technologie wychwytywania i składowania CO2,
• technologie wykorzystania węgla brunatnego do produkcji paliw płynnych i gazowych.

Większa efektywność produkcji

Koncepcja wzrostu efektywności produkcji energii elektrycznej znajduje powszechne uznanie i akceptację, gdyż dąży do oszczędności paliwa, a jednocześnie opiera się na wykorzystaniu i doskonaleniu znanych i dojrzałych technologii energetycznych. Zwiększenie tej efektywności w elektrowniach o niskiej sprawności może doprowadzić do dużych oszczędności w zużyciu węgla brunatnego i kamiennego, a co za tym idzie do znacznej redukcji emisji dwutlenku węgla.

Do ważnych udoskonaleń, które można wprowadzić w elektrowniach należy wymienić zwiększone rozdrobnienie i suszenie węgla. Dzięki zastosowaniu tego procesu będzie możliwe zwiększenie sprawność netto produkcji energii elektrycznej w elektrowniach od 4% do 6% [2, 5]. Technologia ta polega na kruszeniu węgla brunatnego przez młyny bijakowe, a następnie na dostarczeniu rozdrobnionego węgla do komory suszenia. Odparowanie wody następuje w 110°C pod niewielkim nadciśnieniem za pomocą zanurzonej w wirującej warstwie węgla rurowego wymiennika ciepła. Czas przebywania węgla w komorze wynosi od 60 do 90 minut. Wychodzące opary porywają suszony pył węglowy, który jest zatrzymywany przez filtr. Pył ten jest podawany do kotła. Sprężarka wtłacza opary z powrotem do komory suszenia. Instalacja pilotowa WTA (Wirbelschicht Trocknung Anlage) do głębszego fluidalnego suszenia węgla jest sprawdzana w elektrowni Frechen oraz o większej wydajności w elektrowni Nideraussem. Dotychczas węgiel surowy jest podsuszany do 18- 0% wilgotności i rozdrabniany do 0-2 mm. Udoskonalona instalacja WTA-2 pozwoli na osuszenie węgla do 8-12% w zależności od zawartości wilgoci we wprowadzanym węglu przy granulacji 0-1 mm.

Zwiększenie średniej sprawności wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej może być osiągnięte poprzez wprowadzenie do praktyki przemysłowej nowoczesnych rozwiązań, takich jak:

• upowszechnienie bloków pracujących przy parametrach nadkrytycznych (27÷29 MPa/570÷580°C) pozwalających na uzyskanie sprawności 44÷46%,
• zastosowanie bloków pracujących przy ultra-nadkrytycznych parametrach pary (35 MPa/720°C). Są to układy, nad którymi prowadzone są obecnie prace badawcze i projekty demonstracyjne, a celem tych prac jest doprowadzenie do rozwiązania, w którym energię elektryczną będzie się wytwarzało ze sprawnością osiągającą 55%.

Jednym ze stałych trendów w konstrukcji elektrowni węglowych jest podnoszenie parametrów pary świeżej [5]. Obecnie wszystkie nowe bloki energetyczne w Polsce (Pątnów II – 464 MW, Łagisza 460MW i Bełchatów II – 858 MW) budowane są na ponadkrytyczne ciśnienie pary świeżej. Obserwuje się także stałe dążenie do zwiększania temperatury pary świeżej przy zastosowaniu materiałów akceptowalnych ekonomicznie. W niemieckich elektrowniach należących do RWE Power wdraża się technologię BoA 2&3. Także w Niemczech prowadzony jest obecnie projekt, w ramach którego testuje się obieg o temperaturze pary 700°C (w obecnie stosowanych obiegach temperatura pary jest zazwyczaj niższa niż 600°C). Blok ten powinien osiągnąć sprawność przekraczającą 50%.

Spalanie w czystym tlenie

Kolejnym z ważnych kierunków rozwoju energetyki węglowej jest spalanie w czystym tlenie. W spalinach ze spalania węgla w powietrzu azot stanowi około 80%, podczas gdy spalanie w tlenie daje spaliny złożone niemal wyłącznie z dwutlenku węgla i pary wodnej. Taki stan rzeczy znacznie ułatwia składowanie CO2. Niemniej jednak, spalanie w czystym tlenie jest procesem bardzo gwałtownym, a dodatkowo tlen jest przyczyną szybkiej korozji wszystkich urządzeń. Z tego względu tlen, otrzymany z powietrza, miesza się ze spalinami pochodzącymi ze spalania, dzięki czemu otrzymuje się mieszaninę niezawierającą azotu, ale o stosunkowo niskiej zawartości tlenu. Umożliwia to znaczne zmniejszenie gabarytów siłowni i uniknięcie konieczności wydzielania dwutlenku węgla ze strumienia spalin [5].

Przemysł niemiecki testuje w elektrowni Schwarze Pumpe (Vattenfall A.G.) pilotażową instalację o mocy 30 MW wytwarzającej energię elektryczną ze spalania w tlenie węgla brunatnego z jednoczesnym wychwytywaniem CO2.

Technologia IGCC

Bardzo obiecującą technologią jest także wytwarzanie energii elektrycznej w układach gazowo-parowych, zintegrowanych ze zgazowaniem węgla (IGCC). W technologii tej węgiel poddawany jest procesowi zgazowania, a uzyskany w ten sposób gaz palny, po oczyszczeniu, spalany jest w układzie gazowo-parowym. Do podstawowych zalet tej instalacji należy potencjalnie wysoka sprawność (ocenia się, że może ona osiągnąć nawet 60%) oraz możliwość poligeneracji (w tym, przede wszystkim, produkcji wodoru). Według danych General Electric technologia ta wraz z wychwytywaniem i składowaniem CO2 może być bardziej konkurencyjna niż elektrownie na parametry nadkrytyczne z CCS.

Duże doświadczenie w opracowywaniu tej technologii ma RWE Power. Zakłada się, że elektrownia bez eliminacji CO2 osiągnie sprawność 52%, z usuwaniem CO2 i jego składowaniem 40% – uruchomiona ma zostać w obecnym 2014 roku [5].

Wychwytywanie i składowanie CO2

Niewątpliwie technologia wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (CCS) jest jedną z najbardziej obiecujących technologii skupiających się na redukcji emisji CO2 powstającego podczas wytwarzania energii z węgla brunatnego. Polega ona m.in. na wychwytywaniu CO2 powstającego podczas spalania węgla brunatnego, transportowaniu go do odpowiednich formacji geologicznych, a następnie wtłaczaniu go pod ziemię, aby odizolować go od atmosfery. Odpowiednie do tego celu formacje geologiczne mogą obejmować miejsca po wyczerpanych złożach ropy czy gazu oraz warstwy wodonośne.

Mimo że pojedyncze ogniwa łańcucha technologii CCS – wychwytywanie, transport i składowanie CO2 – są dobrze poznane i już wdrażane, wyzwanie stanowi połączenie tych elementów w całkowicie zintegrowaną i ogólnie dostępną technologię. Pilotażową instalację o mocy 30 MW wyposażoną w technologię CCS uruchomiono w niemieckiej elektrowni Schwarze Pumpe. Wychwycony dwutlenek węgla transportowany jest cysternami do oddalonych o 350 km wyeksploatowanych złóż gazu ziemnego „Altmark”. Technologia posiada zwolenników ale i też bardzo dużo przeciwników – główną przeszkodą jest ogromny koszt tej operacji!

Produkcja paliw płynnych i gazowych z węgla

Niewątpliwie węgiel może być wykorzystywany nie tylko do produkcji energii elektrycznej, ale także do produkcji różnych związków chemicznych, a w tym do produkcji paliw płynnych i gazowych. Kierunek utylizacji tego surowca będą wyznaczać w przyszłości z pewnością warunki ekonomiczne. Procesy wykorzystania węgla i jego produkty przedstawiono na rysunku 1.

Rysunek 4. Podstawowe procesy i produkty wykorzystania węgla  [3]

Zgazowanie jest procesem chemicznym zmiany paliwa stałego lub ciekłego w palny gaz, który może być wykorzystany do produkcji energii cieplnej lub elektrycznej albo stanowić surowiec do produktów chemicznych takich jak wodór, metanol czy gaz syntetyczny. Przeprowadzone różne badania i przemysłowe doświadczenia wykazały opłacalność ekonomiczną tego procesu [2,3,11]. Technologie zgazowania węgla można podzielić na technologie naziemnego zgazowania, podziemnego zgazowania oraz biogazyfikacji.

Naziemne zgazowanie

            Technologie naziemnego zgazowania węgla są znane od lat trzydziestych XX wieku i nadal rozwijane i nie różnią się zasadniczo od technologii stosowanych dla zgazowania innych surowców. Polegają one na zgazowaniu węgla wydobytego metodą klasyczną w instalacji naziemnych [2,3,11]. Na rysunkach 5, 6 i 7 przedstawiono ogólną ilość instalacji pracujących, w budowie i planowanych, jak również z podziałem na regiony oraz  sumaryczną wydajność reaktorów zgazowania węgla w zależności od produktów wytwarzanych z gazu procesowego. Z analizy powyższego stanu można wyciągnąć jeden podstawowy wniosek – technologia naziemnego zgazowania węgla ostatnim okresie rozwija się bardzo szybko. Obecnie moc generatorów przekracza ponad 100 000 MW.

Rysunek 5. Stan rozwoju technologii zgazowania węgla  [11]

Rysunek 6. Sumaryczna wydajność reaktorów zgazowania węgla w zależności od produktów wytwarzanych  z gazu procesowego [11]

Rysunek 7. Sumaryczna wydajność reaktorów zgazowania węgla w zależności od produktów wytwarzanych z gazu procesowego w różnych regionach świata [11]

Podziemne zgazowanie

Podziemne zagazowanie węgla polega na zmianie fazy stałej do gazowej bezpośrednio w złożu. Gaz produkowany jest poprzez wtłaczanie mediów, którymi mogą być powietrze, tlen lub para wodna. Zgazowanie odbywa się w zespołach wyrobisk stanowiących generator gazu składającego się z otworu iniekcyjnego i otworu wydobywczego. Wyrobiskami mogą być otwory pionowe lub kierunkowe oraz tradycyjne wyrobiska górnicze. Stan procesu podziemnego zgazowania przedstawiono na rysunku 8.

                        Rysunek 8. Koncepcja podziemnego zgazowania węgla [3]

Technologia ta może być wykorzystana dla złóż węgla brunatnego i kamiennego, których nie można wydobyć za pomocą tradycyjnej metody eksploatacji w określonych uwarunkowaniach górniczo-geologicznych. Obecnie na świecie pracuje jedna przemysłowa instalacja podziemnego zgazowania wysokokalorycznego węgla brunatnego w Angren w Uzbekistanie oraz szereg pilotażowych instalacji w Chinach, Australii czy w RPA. Technologia podziemnego zgazowania węgla już od wielu lat była przedmiotem zainteresowania, licznych badań oraz eksperymentów w skali pilotowej, w różnych zagłębiach górniczych  na świecie. Analiza światowych doświadczeń wskazuje, że technologia PZW nie jest jeszcze w pełni dojrzała do jej powszechnego i komercyjnego zastosowania i wymaga dalszych prac pilotowych w różnych warunkach. Tym niemniej dotychczasowe doświadczenia wskazują na czynniki środowiskowe i techniczne, których rola jest kluczowa dla bezpieczeństwa i pełnej kontroli procesu PZW oraz jego opłacalności w skali przemysłowej.

Biogazyfikacja

Technologia ta polega na przeróbce węgla brunatnego przez specjalnie wyseparowane szczepy bakterii, które poprzez przemianę materii dokonują zamiany substancji organicznej w gaz. Proces odbywa się podobnie jak przy rozkładzie odpadów organicznych.

Metoda biogazyfikacji ma dwie podstawowe korzyści, które równocześnie mogą być jej dużymi ograniczeniami. Pierwszym z nich jest konieczność wykorzystywania w procesie biogazyfikacji węgla brunatnego o wysokiej wilgotności (powyżej 40%). Środowisko wodne jest niezbędne do życia mikroorganizmów. Drugim ograniczaniem jest możliwość zastosowania biogazyfikacji tylko dla młodych i nie w pełni dojrzałych węgli brunatnych, które mają bliższą strukturę do pierwotnych składników organicznych niż do wysokokalorycznego węgla [8].

Metoda biogazyfikacji węgla w złożu nie została jednak jak dotychczas zastosowana na skalę przemysłową. Dotąd prowadzono liczne próby w warunkach laboratoryjnych. Trudno jest w tej chwili ocenić jaki wpływ będzie ona miała na środowisko wodne. Wyniki badań znane będą najprawdopodobniej dopiero za kilka lat.

***

Przedstawione technologie można z pewnością zaliczyć do „czystych technologii węglowych”. Umożliwiają one zwiększenie efektywności produkcji energii elektrycznej z węgla brunatnego, wychwytywanie i składowanie CO2 czy też wykorzystanie węgla brunatnego do produkcji paliw płynnych i gazowych. Wydaje się, że to właśnie one w najbliższej przyszłości będą stawić kierunek rozwoju polskiej elektroenergetyki opartej o węgiel. W pierwszej kolejności powinno się wdrożyć instalacje suszenia węgla brunatnego, budować bloki energetyczne na parametry nadkrytyczne pary, co umożliwi osiągnięcie sprawności netto powyżej 44%. W dalszej kolejności do przemysłowego wdrożenia będą przygotowane technologie spalania węgla brunatnego w tlenie czy też zintegrowanej gazyfikacji węgla (IGCC). Konieczność redukcji emisji CO2 spowoduje także konieczność budowy instalacji wychwytywania i składowania CO2. Pierwsze doświadczenia z tego zakresu nie rokują szybkiego przemysłowego wdrożenia tej metody. Wydaje się jednak, że w przyszłości, aby móc zrekompensować straty energii w procesie wychwytywania i składowania dwutlenku węgla, konieczne będzie budowanie w Polsce bloków o sprawności netto ok. 50%. Powinno się także na szerszą skalę wykorzystać możliwości, jakie dają technologie naziemnego zgazowania węgla, które umożliwią rozwój energetyki i chemii opartej na krajowych zasobach surowcowych.

W przypadku podziemnego zgazowania węgla brunatnego, pomimo tego, że ta metoda jest badana od kilkudziesięciu lat, wyniki tych badań nie pozwalają jeszcze na stwierdzenie, że metoda ta jest już w pełni opanowana pod względem przebiegu procesu zgazowania węgla w złożu. Dlatego postuluje się jak najszybsze przeprowadzenie dalszych badań i eksperymentów na krajowych złożach węgla brunatnego i kamiennego. Zastosowanie tej technologii na powszechną skalę umożliwiłoby budowę rozproszonego systemu zaopatrzenia w energię, co przyczyniłoby się do zwiększenia poziomu bezpieczeństwa energetycznego kraju.

Literatura:

[1]  Bednarczyk J.: Rozwój technologii podziemnego zgazowania węgla i perspektywy jej przemysłowego wdrożenia. V Międzynarodowy Kongres Górnictwa Węgla Brunatnego. Górnictwo i Geoinżynieria, Rok 31, Zeszyt 2, Kraków 2007.

[2]  Chmielniak T., Ściążko M.: Koncepcja zgazowania węgla brunatnego dla wytwarzania wodoru. V Międzynarodowy Kongres Górnictwa Węgla Brunatnego. Górnictwo i Geoinżynieria, Rok 31, Zeszyt 2, Kraków 2007.

[3] Dubiński J.: Aktualny stan i kierunki rozwoju technologii podziemnego zgazowania węgla w świecie. Konferencja naukowa, Zadanie badawcze nr 3. Szczawnica, 2014.

[4] Gabryś H.: Materiały konferencyjne – prace niepublikowane. 2014.

[5] Halawa T.: Postęp w budowie bloków energetycznych dużej mocy opalanych węglem brunatnym. Energetyka,  2007.

 [6] Jankowski B.: Ocena skutków unijnej polityki klimatycznej dla Polski na podstawie Raportu 2050 wykonanego na zlecenie KIG wraz z zarysem działań niezbędnych do ograniczenia jej negatywnego wpływu na polską gospodarkę. Badania Systemowe „EnergSys” Sp. z o.o. Praca niepublikowana. 2012.

[7] Kasztelewicz Z,: Brońmy węgla, gdy jeszcze nie jest za późno! Kwartalnik Węgiel Brunatny nr 2013 1/82. Związek Pracodawców Porozumienie Producentów Węgla Brunatnego. 2013,

[8] Kasztelewicz Z., Zajączkowski M., Sikora M.: Perspektywy wykorzystania technologii zgazowania i eksploatacji odkrywkowej w zagospodarowaniu polskich złóż węgla brunatnego. Przegląd Górniczy 2/2013 – ISSN 0033-216X. 2013.

[9] Kasztelewicz Z. : Materiały konferencyjne – prace niepublikowane. 2014.

[10] Tajduś A., Kaczorowski J., Kasztelewicz Z., Czaja P., Cała M., Bryja Z., Żuk St.: Węgiel brunatny –oferta dla polskiej energetyki. Możliwość rozwoju działalności górnictwa węgla brunatnego w Polsce do 2050 roku. Komitet Górnictwa PAN, Kraków. 2014.

[11] Ściążko M., Kwaśniewski K., Strugała A,.: Bezpieczeństwo gazowe Polski. Kiedy    decyzje inwestycyjne w zakresie zgazowania węgla? Konferencja naukowa, Zadanie badawcze nr 3. Szczawnica. 2014.

[12] Żmijewski K.: Zagrożenie problemem carbon leakage w Polsce. Instytut im. E. Kwiatkowskiego, Warszawa. 2011.