Ekspert: Zgazowanie węgla powinno być w strategii Polski. Obecnie liderem tej technologii są Chiny [WYWIAD]

Jakub Wiech: Jak wytłumaczyłby Pan Profesor proces zgazowania węgla energetycznemu laikowi?

Prof. Marek Ściążko, Centrum Energetyki Akademii Górniczo-Hutniczej: Zgazowanie węgla jest procesem przekształcenia tego paliwa w gaz, którego głównymi składnikami są: tlenek węgla i wodór. Są to składniki, z których na drodze syntezy chemicznej możemy produkować komponenty paliwowe lub paliwa silnikowe względnie po odseparowaniu tlenku węgla otrzymujemy wodór. Wodór z kolei stosowany jest do produkcji amoniaku i dalej nawozów, a w rafineriach do uszlachetniania pochodnych ropy naftowej  do paliw silnikowych. Jak z tego wynika na bazie zgazowania węgla można zbudować potężny przemysł chemiczny. Poprzez zastosowanie odpowiednich reakcji syntezy można także otrzymać syntetyczny gaz ziemny, tzw. SNG względnie metanol. Oczywiście mając gaz palny można zastosować go także w energetyce w tzw. układach gazowo-parowych (IGCC).

Sam proces zgazowania prowadzi się w reaktorach chemicznych, pracujących pod wysokim ciśnieniem, gdzie rozdrobniony węgiel w temperaturze powyżej 1000^oC poddaje się działaniu tlenu i ewentualnie dodatku pary wodnej. W wyniku reakcji częściowego spalania powstaje gaz palny, który po oczyszczeniu z pyłów i siarki może już być gazem stosownym w syntezach chemicznych lub energetyce. Jednak nie każdy węgiel nadaje się do zgazowania. Jednym z podstawowych kryteriów jest jego wartość opałowa, która nie powinna być zasadniczo mniejsza od  21 MJ/kg.

Czy zgazowanie węgla można nazwać „czystą technologią węglową”? Jaki jest jej wpływ na środowisko?

Termin „czyste technologie węglowe – clean coal technologies” został stworzony w USA w latach 70-tych XX w. Miało to związek z uruchomieniem długoletniego programu badawczo-rozwojowego nad opracowaniem nowych technologii wykorzystania węgla  charakteryzujących się znacznie mniejszą emisyjnością i większą sprawnością niż technologie stosowane to tego czasu. Emisyjność w tych czasach oznaczało przede wszystkim zmniejszenie emisji związków siarki, azotu i pyłów. Nie mówiło się wtedy o dwutlenku węgla. W związku z tym czyste technologie węglowe należy rozpatrywać jedynie w powyższym kontekście. Niezależnie od tego czy  zastosujemy w energetyce zgazowanie czy też spalanie węgla, emisja CO₂ będzie na tym samym poziomie.

Oczywiście wynikiem programu Clean Coal Technology było m.in. zgazowanie, które zostało zademonstrowane w skali 250MW w latach dziewięćdziesiątych XX w. Ogólnie biorąc technologia zgazowania pozwala na wielokierunkowe wykorzystanie węgla od wysokosprawnej produkcji energii elektrycznej po produkcję substancji chemicznych, w tym paliw gazowych i płynnych. Zasadniczymi przesłankami rozwoju technologii zgazowania były:

• Globalna nierównowaga dostępu do zasobów gazu ziemnego i ropy naftowej oraz związane z tym polityczne napięcia.
• Koniunkturalnie niestabilne w niektórych krajach ceny paliw kopalnych, w tym gazu ziemnego i ropy naftowej, a szczególnie stale rosnąca dysproporcja pomiędzy cenami węgla, a cenami gazu i ropy.
• Mniejsze globalne zasoby gazu i ropy naftowej i w konsekwencji prognozowane szybsze wyczerpywanie się tych surowców.
• Substytucja importowanego gazu ziemnego dla produkcji chemicznej, co wpływa na wzrost bezpieczeństwa energetycznego krajów posiadających zasoby węgla.
• Ochrona środowiska, specyfika procesu pozwala na separację substancji szkodliwych przy wysokich sprawnościach i relatywnie niskich kosztach, w szczególności ma to istotne znaczenie w rozwoju tzw. energetyki zero-emisyjnej.

W USA odkrycie znacznych zasobów gazu ziemnego spowodowało zarzucenie rozwoju i implementacji nowych technologii węglowych, a krajem, który tę ideę zrealizował są Chiny.

W dzisiejszych czasach jedynie dodanie do takich układów wychwytywania i składowania w strukturach geologicznych dwutlenku węgla (CCS) zakwalifikuje technologie węglowe do czystych.

Czy zgazowanie węgla jest obecnie gdziekolwiek stosowane na szeroką, komercyjną skalę?

Technologia zgazowania paliw stałych jest znana i stosowana na świecie od wielu lat. Publikowane dane na temat stanu rozwoju przemysłowych układów zgazowania na świecie wskazują na niespotykanie dynamiczny rozwój tej technologii w okresie 2000-2020. Znajduje to m.in. odzwierciedlenie w prawie sześciokrotnym wzroście produkcji gazu procesowego w roku 2018 w porównaniu ze stanem z 2010 roku. W świecie pracuje kilkaset reaktorów zgazowania węgla, z czego ok. 90% zlokalizowane jest w Chinach. W tym kraju podobnie jak w Polsce nie ma wystarczających zasobów własnego gazu ziemnego i z tego powodu proces zgazowania pozwolił na rozwój przemysłu chemicznego poprzez produkcję gazu syntezowego. Głównymi produktami końcowymi w Chinach jest amoniak i metanol. W ostatnich latach nastąpiło w Chinach nasycenie rynku technologiami zgazowania i z tego powodu nie będziemy w najbliższym czasie obserwować tak intensywnego przyrostu nowych instalacji. Należy jednak podkreślić, że Chiny są obecnie także oferentem rozwiązań inżynierskich dla wszystkich zastosowań zgazowania. Obecnie w tym kraju poddaje się zgazowaniu ok. 300 mln ton węgla. Drugim krajem, w którym zgazowanie stało się strategią rządową jest Japonia. Wdraża się tam zgazowanie na potrzeby energetyki. Obecnie istnieje jedna instalacja o mocy 250MW, a bliskie uruchomienia są następne dwie o mocy 500MW.

Czy w Polsce istnieje potencjał do rozwoju technologii zgazowania węgla? Jeśli tak, to na jaką skalę?

Na Unię Europejską przypada jedynie 0,9% światowych udokumentowanych zasobów gazu ziemnego. Warto przy tym podkreślić, że w latach 2010–2018 poziom udokumentowanych zasobów gazu ziemnego na świecie zwiększył się o 6,3%, a w przypadku UE obniżył się o około 22%. Z tego faktu można wyciągnąć wniosek, że kraje Unii Europejskiej, w tym Polska, będą w coraz większym stopniu uzależnione od dostaw gazu z krajów pozaeuropejskich, w tym także z krajów objętych dużym ryzykiem politycznym.

W związku z tym zgazowanie węgla w Polsce winno być wykorzystane jako istotny element strategii państwa w zabezpieczeniu surowcowym przemysłu chemicznego. Często podnoszone zagadnienie budowy bloków gazowo-parowych związanych ze zgazowaniem węgla (IGCC) ma znacznie mniejszy potencjał ekonomiczny. W celu podjęcia decyzji o budowie instalacji zgazowania w Polsce konieczne jest zbilansowanie przyszłych nadwyżek węgla w perspektywie co najmniej 20 lat i wtedy można dopiero podejmować działania inwestycyjne. Sądzę, że wszystkie kierunki chemiczne są nadal atrakcyjne ekonomicznie. W przypadku produkcji metanolu wystarczy jedna jednostka zgazowująca ok. 1 mln ton węgla/rok i produkująca 500 tys. ton metanolu.  Znacznie większe zapotrzebowanie istnieje w przemyśle chemicznym zużywającym gaz ziemny do produkcji wodoru. Dla pokrycia całego zapotrzebowania tego przemysłu wystarczy poddać zgazowaniu ok. 6 mln ton węgla rocznie. Opcją niezależną od końcowego użytkownika jest produkcja syntetycznego gazu ziemnego (SNG), który może być wprowadzony bezpośrednio do sieci.

Czy uważa Pan Profesor, że zgazowanie węgla może być faktycznie nadzieją dla państw bogatych w ten surowiec, które rezygnują ze spalania go w związku z polityką klimatyczną?

Spalanie węgla w wielkiej energetyce polega na wykorzystaniu wytworzonego ciepła w kotle do produkcji pary, która z kolei napędza turbiny parowe. Technologia ta osiągnęła obecnie bardzo wysoki poziom zarówno w zakresie konstrukcji kotłów jak i turbin. Ponadto zoptymalizowano wszystkie obiegi cieplne i osiągana sprawność netto dochodzi do 48%. Skala eksploatowanych jednostek jest rzędu 900-1000MW (Elektrownie Jaworzno, Opole, Bełchatów, Kozienice). Zgazowanie zademonstrowano skutecznie w energetyce dotychczas w skali 250MW. Sprawność wytwarzania energii elektrycznej jest jedynie co najwyżej wyższa o 2 % od klasycznych układów parowych. Ponadto koszty inwestycyjne są wyższe o co najmniej 20-30% w odniesieniu do jednostki mocy, a dyspozycyjność mniejsza. Emisyjność bloków energetycznych opartych o zgazowanie węgla jest bezpośrednio związana z jego sprawnością. Zatem jeżeli dla bloku parowego emisja CO₂ wynosi 750 kg/MWh to dla bloku gazowo-parowego będzie to 730 kg/MWh. Jak widać nie ma zasadniczej różnicy, a ryzyko eksploatacyjne znacznie większe z uwagi na mniejsze doświadczenia.

Niemniej jednak istnieje potencjalnie scenariusz efektywnego wykorzystania technologii zgazowania dla energetyki. W przypadku osiągnięcia ceny uprawnień emisyjnych 50 Euro wydaje się, że budowa bloku energetycznego z usuwaniem CO₂ (IGCC+CCS) będzie miała sens ekonomiczny. Wtedy zgazowanie ma zdecydowaną przewagę zarówno technologiczną jak i ekonomiczną nad technologią spalania. Oczywiście warunkiem jest  posiadanie odpowiednich struktur geologicznych zdolnych do magazynowania milionów ton CO₂ w okresie pracy elektrowni. Taka instalacja może dowolnie regulować poziom emisji CO₂ osiągając bez problemu 550 kg/MWh.

Dziękuję za rozmowę