Świrski: 7 mitów energetyki węglowej

KOMENTARZ

prof. nzw. dr hab. inż. Konrad Świrski

Transition Technologies SA

Zapraszam na wpisy dotyczące kolejno energetyki odnawialnej, węglowej, jądrowej i gazowej. W każdym z nich rozprawię się z typowymi argumentami lobbystycznymi lub naszymi podświadomymi wyobrażeniami, które mogą być tylko częściowo prawdziwe, a może zupełnie błędne. Oczywiście łatwo jest przedstawiać kontrargumenty przeciwników, ale żeby sobie utrudnić, w każdym przypadku cytowane dane lub wykresy pochodzą z materiałów lub stron internetowych popierających gorących zwolenników danej technologii, organizacji branżowych, itp. Zapraszam…

Dziś odcinek 2 cyklu- 7 mitów energetyki węglowej.

MIT 1- Możemy kontynuować rozwój energetyki węglowej w Polsce, a węgiel wciąż jest naszą energetyczną przyszłością.

Opublikowana kolejna edycja „Polityki energetycznej Polski do roku 2050” w podstawowym dokumencie, delikatnie prześlizguje się nad wszystkimi problemami, sprawiając wrażenie, że właściwie nic się nie stało, a w podstawowym wariancie (referencyjnym), polski energy-mix dalej jest „węglowy”. Podobno uspokajające zaklinanie przyszłości widać w strategiach górnictwa węglowego, a nawet w dokumentach planów strategicznych koncernów. Tymczasem przyszłość – wydaje się zupełnie inna. Podpisując konkluzje klimatyczne i będąc w europejskim systemie ETS (handlu emisjami), Polska przyjmuje na siebie obowiązki redukcji emisji CO2 mające bezpośrednie przełożenie na powolne eliminowanie węgla z „życia energetycznego”. Z jednej strony więc europejska decarbonizacja, z drugiej zaś wyczerpywanie niektórych złóż węgla brunatnego i jak wydaje się praktycznie nierealność uruchomienia nowych, prowadzi do zmian w naszej energetyce jak nawet pokazywanych w dokumentach podpiętych pod „Politykę energetyczną …”, bo w tzw. wnioskach z analiz prognostycznych. Próba przyłożenia europejskich limitów CO2 dla Polski (które musimy wypełnić bo inaczej zrujnują nas zakupy certyfikatów za granicą) i naszej dotychczasowej emisyjności (z 88% elektrowni węglowych) prowadzą do dość pesymistycznych prognoz – węgiel odchodzi w przeszłość i albo zmienimy nasz Energy-mix albo musimy zmienić pakiet klimatyczny. Oczywiście jest scenariusz „referencyjny” gdzie węgiel istnieje i ma się dobrze, ale jest on sprzeczny ze scenariuszami spełnienia wymogów emisyjnych (ten poniżej w tabelkach). Ministerialne wnioski prześlizgują się więc nad podstawowym problemem próbując pogodzić ogień z wodą – pokazuje się scenariusze i w „referencyjnym” węgiel ma się jeszcze jako tako, ale z drugiej strony to nie jest możliwe wobec ograniczeń i emisji i wówczas wpadamy w scenariusz „gazowy + OZE” lub „gaz +atom + OZE”, a węgiel ginie. Nie miejmy złudzeń…

MIT 2- Nowe technologie węglowe zapewnią niską emisję CO2.

W wypowiedziach (zazwyczaj polityków) pojawiają się zdania, że nowe, w założeniu czyste, technologie węglowe tak naprawdę rozwiązują problem- co jest charakterystyczne – w wypowiedziach inżynierów nie ma takich informacji. Jako ściągawkę dla polityków można zapisać poniższy akapit.

Problem emisji zanieczyszczeń SO2 i NOx – bezpośrednio agresywnych dla środowiska, można potraktować w energetyce jako rozwiązany – głębokie odsiarczanie i wtóre metody odazotowania, pozostawiają spaliny w miarę czyste. Problem pojawił się w obecnym stuleciu z CO2 traktowanym jako główny gaz cieplarniany, jest jego niestety około 13% w spalinach z węglowych bloków – dużo. Typowa emisja CO2 dla energetyki węglowej to trochę poniżej 1 tony na 1 MWh produkcji, średnia dla Polski obecnie to około 920 g/kWh. Tak, nowe, bardziej sprawne bloki, ograniczają emisję CO2, ale… poprawa sprawności wytwarzania to ok 8-9% (nowy blok jak Kozienice i światowe standardy to 46%, typowe stare bloki 36-38%). To przesuwa nas w kierunku emisji CO2 na poziomie 750 g/kWh. Czy można jeszcze dalej? Jest trudno. Zwiększanie sprawności odbywa się poprzez podwyższanie parametrów pary, a to wymaga lepszych materiałów. Dzisiejsze 600-650oC w temperaturze i 25 MPa to na razie szczyt technicznych możliwości, mówi się o próbach przesunięcia do ponad 700oC i przekroczenia sprawności węglowych bloków granicy 50%. Ale to także daje tylko emisję zredukowaną do 650 g/kWh. Dlaczego tylko? Otóż we wszystkich europejskich dokumentach referencyjnych, a także głównych strategiach inwestycyjnych banków jest zapisane, że można rozwijać i inwestować w technologie low-emission gdzie tym limitem jest 550 g/kWh (!!!!). Dlaczego tyle? Bo węgiel w żadnym razie tej wartości nie dogoni, a produkcja energii z gazu jest już pod kreską (450-500 g/kWh). Politycy powinni więc swoje zdanie rozwinąć od prostego do złożonego: „Nowe, czyste technologie węglowe ograniczają emisję CO2, ale nie rozwiązuje to problemu z europejskimi limitami”.

To może jeśli gaz jest w porządku to węgiel zgazować? Przerobienie węgla na gaz i wtedy użycie tego gazu energetycznie w turbinie gazowej i układzie gazowo-parowym zmniejszy emisję CO2 i wydaje się atrakcyjną alternatywą. Niestety – w technice zawsze jest coś za coś. Sam proces zgazowania mimo, że znany od dawna, wciąż jest skomplikowany, a także kosztowny w połączniu z koniecznością usuwania siarki z gazu (przechodzi ona z węgla w procesie konwersji). W rezultacie końcowy układ IGCC – Integrated Gasification Combined Cycle ma wciąż kiepskie wyniki operacyjne (sprawność poniżej 40% , wysoka awaryjność – to przykładowe dane z projektu 250 MW Tampa USA). IGCC wydawały się ciekawą alternatywą dla Europy już w latach 90-tych (powstało kilka dużych obiektów demonstracyjnych), w USA na początku stulecia, ale obecnie w epoce taniego gazu z łupków i europejskiej decarbonizacji, schodzi z tapety, światowych projektów R&D. W Polsce już w latach 70-tych mówiło się o zgazowaniu, potem w latach 80 i aż do obecnej chwili. Problem w tym, że świat jednak ucieka od tej technologii i musielibyśmy zostać sami, a jak widać z pełną komercjalizacją – bardzo ciężko. A jeszcze dalej są projekty zgazowania podziemnego (od razu w kopalniach, po co wydobywać węgiel na powierzchnie kiedy można pozyskać od razu czystszy gaz). Niestety, nie rozbudzałbym nadmiernych emocji i zbytniej wiary w cud, to cały czas będzie tylko punkt w programach badawczych i nadziejach naszej polityki energetycznej.

MIT 3- Przyszłość należy do CCS (Carbon Capture and Storage).

O tym, że nacisk na eliminację CO2 z życia energetycznego oznacza śmierć węgla – wiedzą tak naprawdę wszyscy inżynierowie, a nawet lobbyści i część polityków. Należało więc wymyśleć eleganckie wyjście dające (enigmatyczną) szansę przeżycia technologii węglowych i tak narodziło się CCS (Carbon Capture and Storage). Już od pierwszych europejskich dyrektyw klimatycznych na początku obecnego wieku, na pytanie co wiec robić z węglem – odpowiadano – CCS. To, że CO2 można usuwać ze spalin, a następnie wyeliminować z życia publicznego, tak zawładnęło umysłami decydentów, że nawet wprowadzono dyrektywy europejskie wymagające tzw. „CCS ready” – gotowości wszystkich nowobudowanych bloków energetycznych na węgiel do rozbudowania o instalację CCS. Problem w tym, że bloki mogą być „ready”, ale niestety sama technologia CCS niestety nie. Wybudowano szereg instalacji pilotowych (m.in. Schwarze Pumpe w Niemczech 2008, gdzie notabene CO2 wychwytywano, aby zaraz wypuścić w powietrze, bo jeszcze go nie składowano). Dla inżynierów problem od początku wydawał się karkołomny do rozwiązania. CO2 można wychwytywać w spalaniu węgla albo „post combustion” – czyli łapać CO2 ze spalin, albo pre-combustion (przebudowując układy spalania) lub „oxy-fuel combustion” – spalając w atmosferze czystego tlenu. Dwa ostatnie nie idą w parze z istniejącymi instalacjami, które jeśli już to chciałyby coś najwyżej dobudować (jak np. odsiarczanie), a nie przerabiać cały układ spalania. Niestety z CO2 nie idzie tak prosto, ponieważ oprócz znowu dobudowywania fabryki chemicznej to „capture” wymaga przede wszystkim ogromnych ilości energii (CO2 to 13% spalin), a więc spada nam sprawność całego bloku. I to tak znacznie, że nowe bloki (46%) cofają się do czasów lat 70-tych (38%). Ekonomicznie cała operacja CCS wychodzi więc katastrofalnie. Jeszcze większe schody zaczynają się dalej, wyłapany i przetworzony do postaci płynnej CO2 trzeba przecież gdzieś składować (inaczej ucieknie do góry i cała nasza operacja będzie bezsensowna). Kombinowano więc z projektami długich rurociągów i składowania pod dnem mórz i oceanów (obecnie pomysł odrzucono, gdyż może to powodować zakwaszenie wód), pozostaje wiec tylko opcja formacji skalnych dawnych kopalń lub kawern solnych –jednak nie wszędzie jest miejsce, nie wszędzie się da, a kosztuje to ogromnie dużo.

Historię i przyszłość wszelkich instalacji CCS można prześledzić na stronie- tutaj link.

Nie dajmy się zwieść ilości zaznaczonych punktów na mapie – to wszystkie zbudowane, ale i planowane obiekty. Problem, że w tych planowanych albo są szczegóły, że projekt jest wstrzymany, albo że termin oddania do użycia jest nieznany, w ostateczności, ewentualnie rok uruchomienia dość odległy. W projektach rozwoju energetyki sprzed 5-7 lat, CCS występował już w co najmniej kilkunastu jak nie więcej procentach wszystkich bloków węglowych i był też promowany szczególnie przez stronę zielonej energii jako obligatoryjny kurs rozwoju tego sektora w przeszłości. Dziś już nikt o tym nie mówi, a o CCS słychać coraz mniej, wydaje się jednak, że… nie tędy droga.

MIT 4- Nie ma innej drogi poza węglem, ponieważ energetyka odnawialna jest nieprzewidywalna i nie pomoże z balackoutem.

Energetyka odnawialna ponieważ jest nieprzewidywalna, nie może rozwiązać problemów z planowym pokryciem zapotrzebowania na energię elektryczną. Utrzymywanie dominującej pozycji węgla jest wiec koniecznie, bo inaczej powtarzalne będą problemy z brakiem zasilania i koniecznością ograniczania poboru energii przed odbiorców. I tak i nie. Doświadczenia niemieckie wskazują, że mix energetyka wiatrowa – energetyka słoneczna uzupełniają się w odpowiednich porach dnia (i porach roku) wobec czego „wypychają” inne formy generacji energii (paradoksalnie najpierw energetykę gazową – właściwie szczytową, ale jednocześnie najdroższą dziś). Pytanie oczywiście czy wraz ze zwiększaniem poziomu energetyki odnawialnej powyżej 30% nie pojawią się kolejne problemy (a na pewno się pojawią) i jak zostaną rozwiązane (czy uda się masowe magazynowanie energii – a na razie ciężko). Kolejny problem to koszty wspomagania energetyki odnawialnej. Ale technicznie czy się da? Da się, ale pieniędzy trzeba mieć naprawdę dużo.

MIT 5- Najtańsza możliwość inwestycji w nowe źródła, najtańsza energia dla konsumentów.

Wciąż jeśli liczyć koszty czysto ekonomicznie (bez dotacji i zakłócania rynku hurtowego przez gwarantowane taryfy), energetyka węglowa wychodzi najtaniej i wobec tego daje najniższe ceny dla użytkowników końcowych i przemysłu, a w przyszłości musi być podstawą produkcji. Znowu… i tak i nie. Jeśli by odrzucić dotowanie odnawialnej energii to pewnie twierdzenia prawdziwe, ale jak wiadomo odnawialnej energii i pakietu klimatycznego odrzucić się nie da. Owszem na dzień dzisiejszy koszty krańcowe produkcji energii elektrycznej należą do węgla (i dlatego na rynku hurtowym i w Polsce i Niemczech, w momencie nadprodukcji, ceny zbliżają się do cen z najniższego źródła – energetyki węgla brunatnego). Ale są dwie alternatywne drogi obniżania cen dla przemysłu – model „amerykański” – tanie paliwa i wobec czego są niskie koszty wytwarzania i tania energia dla wszystkich oraz model „niemiecki” – dotowanie OZE, ale tylko z kieszeni konsumentów indywidualnych, wypychanie energii klasycznej z rynku i obniżanie jej ceny na rynku hurtowym, a więc i niskie ceny dla przemysłu. Efekt (przemysłowy) jest podobny, problem w drugim przypadku to droga energia dla odbiorców prywatnych, ale niektórych na to stać. Problem Polski jak zawsze to bycie pośrodku – ani nie mamy tanich źródeł energii (nie ma u nas łupków jak w USA, a węgiel będzie zaraz obłożony kosztami certyfikatów CO2), ani nie możemy obciążać konsumentów prywatnych kosztami, bo siła nabywcza społeczeństwa nie jest wystarczająca i podwojenie cen odetnie część społeczeństwa od prądu.

Paradoks niemieckiego rynku energetycznego, cena hurtowa na rynku maleje i „wypycha” wszystkie inne źródła konwencjonalne poza najtańszymi – a te to elektrownie węgla brunatnego (zamortyzowane). Krańcowa (najtańszy dla pokrycia tylko kosztów) cena produkcji z węgla brunatnego to ok. 23 euro za MWh, a kamiennego 32 euro. Najtaniej, ale nie jest to pewny i opłacalny biznes. Niepewność czy sprzedamy naszą energię oraz niskie koszty, tak naprawdę pochodzące (paradoksalnie znowu) ze starych (zamortyzowanych) elektrowni (część nowobudowanych nawet stoi, ale nie produkuje.

MIT 6- Świąt wciąż oparty na węglu.

Węgla ze światowej energetyki wyeliminować się nie da – bo energii zabraknie. Mając globalnie ok 41% światowej produkcji, można cały czas stać na takich obronnych rubieżach. Przywoływane są nawet kolejne statystyki pokazujące, że nawet w Niemczech – wciąż produkcja energii oparta jest na węglu (dominujący udział w generacji). A mało tego – ofensywa energetyki odnawialnej eliminuje inna energetykę, a nie węgiel. Na pierwszy rzut oka wszystko się zgadza – 26% produkcji z węgla brunatnego i 18% z kamiennego – sumując razem mamy dominującą produkcję (zielona energetyka też sumuje swoja wiatrową z gazową i wodną oraz biomasową). Patrząc co traci w Niemczech – głównie energetyka jądrowa, bo planowo wycofywana będzie z sektora do 2022 (to miejsce zajmuje OZE) oraz… energetyka gazowa. A tak naprawdę energetyka gazowa i cała nowa energetyka węglowa (nowe bloki) – gdyż te elektrownie musza konkurować na wolnym rynku ceną – a cena krańcowa najniższa jest dla węgla brunatnego. Tak więc statystyki 2014 pokazały to dokładnie – nuclear w dół, zielona energia w górę, gaz w dół, a węgiel na przemian – brunatny w górę, kamienny w dół. Analogiczny trend będzie w 2015, ale raczej wzrost brunatnego będzie mniej spektakularny, prawdopodobnie w okolicy zera lub nawet małe minusy. Gaz i węgiel kamienny dalej wypychany.

Ale te zwycięstwa lub obronne walki węgla, maja charakter pyrrusowy. Niemcy konsekwentnie próbują zdominować europejski sektor energetyczny przez regulacje dalej formujące obniżenie emisji CO2 i to realizują (w miarę). Pozostaje do rozwiązania tylko drobny problem lepszej organizacji linii przesyłowych (proste, tylko pieniądze), kontynuacji ekonomicznych dotacji dla energetyki odnawialnej (jeszcze prostsze, tylko jeszcze większe pieniądze) i rozwiązania sprawy magazynowania energii (jeszcze większe pieniądze i technicznie na razie tak sobie). Do chwili załatwienia tych trzech problemów, węgiel będzie się bronił, ale tylko defensywnie, a kontynuacja pracy części elektrowni (jak w ostatnich niemieckich propozycjach) to utrzymywanie mocy rezerwowych na potencjalnie gorsze czasu.

MIT 7 Poza CO2 właściwie jest czysto… ale tu wyskakuje rtęć.

Trudno sobie to wyobrazić, ale jeszcze całkiem niedawno, nie tylko emisja zanieczyszczeń z energetyki, ale i z całego przemysłu – pozostawała zupełnie poza kontrolą. W niektórych dziś uchodzących za bardzo cywilizowane rejonach, zanieczyszczenia były katastrofalne (możemy to zobaczyć teraz w Chinach), ale tak samo było w USA czy w Europie. Zawsze przywołuje tu moje ulubione zdjęcia z Pittsburgha w USA. Gdzie w latach 30-tych, ale i nawet 50-tych , trzeba było zapalać światła na ulicach w letni dzień po południu – bo inaczej niewiele było widać przez smog. Kilka spektakularnych problemów (m.in. tzw. incydent z Donory, gdzie na skutek – prawdopodobnie awarii przemysłowej lub też szczególnie intensywnego smogu zginęło kilkadziesiąt osób) zwrócił uwagę, że coś z tym trzeba zrobić. Rezultaty to EPA (Environment Protection Agency) w USA i szereg nowych regulacji wydających dopuszczalne standardy emisji od 1963 roku i analogiczna polityka europejska w latach 70-tych. Na pierwszy ogień w energetyce poszły emisje SO2, NOx i pyłów. Sprawa była szczególnie groźna lokalnie, bo nawet w Polsce jeszcze można przypominać tzw. kwaśne deszcze i problemy w lasach. Dyrektywy amerykańskie i europejskie, zredukowały jednak zagrożenia bardzo istotnie i tak naprawdę jeśli dziś mówimy o pyłach i smogach to pochodzi on nie z energetyki zawodowej, ale z tysięcy małych, domowych pieców opalanych węglem, które stanowią podstawę ogrzewania domów w miastach większych i mniejszych. Jeśli więc atakujemy węgiel za te zanieczyszczenia i pył powodujący choroby – przede wszystkim powinniśmy walczyć o przejście z węgla na gaz w domowych instalacjach grzewczych.

Niestety siarka, azot i pył to nie wszystko. Pojawiło się CO2 (co jest skomplikowanym zagadnieniem techniczno-ekonomiczno-lobbystycznym), ale mało kto wie, że obecnie dużym, energetycznym problemem staje się… rtęć. Bliższe spojrzenie na ten pierwiastek pokazuje jego katastrofalne skutki dla ludzkiego zdrowia, choć przez setki lat pozostawało tak jakby na poboczu. Mało tego, rtęć była wykorzystywana w medycynie (plomby w zębach) w termometrach, których już nie sprzedają, a czasami nawet (jeszcze to pamiętam z podstawówki) używana w doświadczeniach fizycznych na lekcjach (dziś pewnie odpowiednie urzędy środowiskowe zamknęłyby szkołę od zaraz). Rtęć (i inne tzw. metale ciężkie) poza bezpośrednim agresywnym działaniem na zdrowie człowieka, ma jeszcze dodatkową, wredną cechę odkładania się w łańcuchu pokarmowym, więc jeśli wprowadzamy ja do atmosfery, to wcześniej czy później znajdziemy ją też w rybach, które postawimy na nasz stół. Należy więc z emisją rtęci walczyć, a tu okazuje się, że energetyka do tej emisji znacząco się odkłada. W węglu znajdujemy śladowe elementy pierwiastków ciężkich, ale jeśli popatrzymy na miliony ton węgla spalanych w naszym energy-mix to z tych milionów i mikrogramów rtęci, finalnie wyjdzie kilkanaście ton rocznie w emisji. Nowe regulacje dotyczące emisji rtęci – znów pierwsi w praktyce byli Amerykanie i poprzez EPA wprowadzili w 2011 „Merkury Act” – standardy emisji rtęci w energetyce. Europa od 2004 prowadziła prace nad tzw. dyrektywą rtęciową, modyfikując w międzyczasie szereg regulacji i finalnie wprowadzając tzw. Dyrektywę IED (2014, wejście dla obiektów w Polsce od stycznia 2016). Dyrektywa dotyczy ok. 3500 instalacji w całej Europie, w tym ponad 500 w Polsce i ma za zadanie opanowanie, a w przyszłości ograniczenie emisji rtęci (i innych ciężkich pierwiastków). Drogami jest obligatoryjny przepis monitorowania tych zanieczyszczeń i wprowadzania tzw. BAT (najlepsze dostępne technologie), które determinują jakikolwiek rozwój instalacji a przede wszystkim budowę nowych obiektów (w tym elektrowni). Generalnie, emisja w nowych źródłach ma być zmniejszona o połowę, środki jakimi dysponujemy w elektrowniach to: metody pierwotne- lepsze paliwa lub fizyczna separacja „brudnych związków” przed spalaniem i metody wtórne – lepsze elektrofiltry lub filtry tkaninowe, sorbenty w instalacjach odsiarczania oddziaływujące na rtęć. Nowe obiekty energetyczne muszą mieć zaawansowane odsiarczania i odazotowanie i emisja pyłów poniżej 10 mg/Nm3 – filtry workowe. To naturalnie są dodatkowe koszty i ekonomiczno-ekologiczna presja na bloki węglowe, aczkolwiek naprawdę mocno uderzy to w mniejsze obiekty energetyczne i małe instalacje, które będą musiały ponieść koszty zaawansowanych urządzeń odpylających i usuwających zanieczyszczenia, to wszystko duża energetyka już ma lub łatwo wprowadzi.