Mielczarski: Zgazowanie węgla w elektroenergetyce
W związku ze Szczytem Klimatycznym COP24 w Katowicach porusza się też problem gazyfikacji węgla w celu wykorzystania tak powstałego gazu (syngaz) w elektroenergetyce do produkcji energii elektrycznej. Rozważając tego typu inwestycje należy wziąć pod uwagę jej koszty, bazując na komercyjnych instalacjach w dużej skali zagranicą oraz koszt produkcji energii elektrycznej. Analiza powinna brać też pod uwagę emisje CO2 powstałe przy spalaniu zgazowanego węgla – pisze prof. dr hab. inż. Władysław Mielczarski z Politechniki Łódzkiej.
Koszty instalacji
Głównym elementem decydującym o koszcie pozyskiwanego z węgla gazu jest koszt kapitałowy instalacji do produkcji syngazu. Tabela 1 pokazuję zestawienie kosztów z dwóch komercyjnych instalacji działających w USA oraz porównanie z kosztami produkcji syngazu w Polsce, zakładając taki sam koszt kapitałowy, jak i operacyjny przy zmianie tylko ceny wejściowego surowca (węgiel), który w USA jest tańszy niż w Polsce.
Tabela 1. Koszty produkcji gazu z węgla w USA i Polsce. Źródło danych: ESTAP – Energy Technology Systems Analysis Programme.
Rys. 1. Koszty syngazu w porównaniu z kosztami gazu naturalnego oraz węgla w PLN/GJ.
Pozyskanie gazu z węgla jest kosztowe, ale może być częściowo zrekompensowane przez sprzedaż produktów ubocznych, jak np. wodór. Jednak nie wpływa to istotnie na obniżenie ceny. Rys. 1. pokazuję, że koszt syngazu jako paliwa może być nawet trzykrotnie droższy od gazu naturalnego. Należy jednak brać pod uwagę, że spalanie gazu w instalacjach gazowo-parowych cechuje większa sprawność (do 60%) oraz niższe koszty kapitałowe w porównaniu z jednostkami produkującymi energię elektryczną przy użyciu węgla.
Rozważając gazyfikację węgla z reguły zakłada się, że dwutlenek węgla będzie w jakiś sposób wychwytywany np. poprzez system ETS i spalanie syngazu będzie wytwarzało tylko niewielkie emisje. Oczywiście takie rozwiązanie jest możliwe teoretycznie, jednak nawet wówczas do kosztu pozyskania syngazu należałoby wliczyć koszt przechowywania i magazynowania CO2. Spalanie syngazu bez redukcji dwutlenku węgla powoduje większe emisje CO2 niż spalanie samego węgla.
Badania prowadzone na Princeton University w USA wskazują, że spalanie syngazu powoduje większe emisje niż spalanie samego węgla. Szacuje się [1], że spalanie syngazu w gospodarstwach domowych powoduje zwiększenie emisji CO2 o 10%, w elektroenergetyce o 40%, a w przemysłowej produkcji ciepła nawet o 70%. (The researchers found that using synthetic natural gas for residential cooking and heating, for electricity generation, or for industrial heat generation, results in 10, 40 and 70 percent more CO2 emissions than directly burning coal that provides the same amount of energy in each sector.)
Niewątpliwą zaletą syngazu, kiedy byłby używany w gospodarstwach domowych jest znaczna redukcja cząstek stałych typu PM, co powoduje ograniczenie smogu. Dlatego większość instalacji do produkcji syngazu znajduje się w Chinach, gdzie dostawy gazu naturalnego do gospodarstw domowych są bardzo trudne, a masowe spalanie węgla przez mieszkańców powoduje wysokie stężenie smogu w miastach.
Tabela 2. Koszty produkcji energii elektrycznej z nowych instalacji.
Analiza kosztowa wskazuje, że koszty produkcji energii elektrycznej z nowych instalacji są dwukrotnie większe w przypadku użycia gazu pozyskanego z węgla w porównaniu z innymi paliwami, jeżeli zostanie wliczony koszt pozwoleń na emisje CO2, zakładając nawet umiarkowane ceny pozwoleń na poziomie 18 Euro/tonę. W analizie zakładano koszt kapitału WACC=8% oraz 20-letni czas spłaty inwestycji. Koszty produkcji pokazane w Tabeli 1 można znacznie obniżyć poprze zastosowanie odpowiedniego modelu finansowania inwestycji, który ograniczałby koszty finansowe. Subsydia jakie elektrownie mogą otrzymać z rynku mocy również spowodują obniżenie kosztu jednostkowego produkcji energii elektrycznej.
Doświadczenia z gazyfikacją węgla
Doświadczenia z gazyfikacją węgla z innych krajów nie są optymistyczne. W Kemper County w stanie Mississippi w USA rozpoczęto budowę instalacji zgazowania węgla w celu zasilenia elektrowni gazowo-parowej. Całkowity koszt inwestycji osiągnął wysokość 7,5 miliarda US$, zamiast planowanych 3 miliardów US$. W lipcu 2017 roku inwestycja w zgazowanie węgla została przerwana ze stratą ponad 4 miliardów US$, a elektrownia została przestawiona na gaz naturalny.
Podobne problemy występują z elektrownią w Edwardsport w USA, gdzie początkowy koszt wynoszący 1,9 miliarda US$ wzrósł w trakcie budowy do ponad 3,5 miliarda US$, a elektrownia z gazyfikacją węgla ma duże problemy eksploatacyjne. Gaz pochodzący z węgla powoduje niestabilny proces spalania i znaczne obniżenie mocy wyjściowej nawet do 75%.
Jedną z najdłużej istniejących instalacji wykorzystującą węgiel do produkcji syntetycznego paliwa jest fabryka w miejscowości Secunda w Południowej Afryce. Działają tam dwie instalacje oddane do użytku w roku 1980 oraz 1984, w czasach kiedy sankcje nałożone na Południową Afrykę za system apartheid-u powodowały konieczność pozyskania paliwa niezależnie od jego ceny. Właściciel instalacji Saspol nie planuje rozbudowy tej instalacji, jak również budowy żadnej innej wykorzystującej węgiel do produkcji gazu czy syntetycznego paliwa.
Zgazowanie węgla w Polsce
W Polsce od ponad 50 lat prowadzone są prace nad możliwością zgazowania węgla. Szacunki pokazują, że wydano na te prace ponad 800 milionów złotych bez większych rezultatów pozwalających na zbudowanie instalacji komercyjnych.
Nowym pomysłem jest instalacja gazyfikacja węgla w kopalni Bogdanka, którą ma zbudować energetyczna firma ENEA S.A. Komentarze dotyczące tego pomysłu są dosyć sceptyczne. Jeden ze znanych managerów porównał w wywiadzie dla portalu www.wnp.pl budowę instalacji gazyfikacji węgla w Bogdance do „uprawy bawełny pod szkłem” – wysokie koszty i znikome rezultaty.
Wydaje się, że obecnie i w dającej przewidzieć się przyszłości, najbardziej efektywną metodą redukcji emisji CO2 jest budowa nowoczesnych bloków węglowych, które będą zastępować wyeksploatowane elektrownie o niskiej sprawności i dużych emisjach dwutlenku węgla. Można w ten sposób zredukować emisje CO2 o około 20% i będzie to duży sukces na tle innych krajów, gdzie pomimo wysiłków emisje CO2 rosną lub w najlepszym razie pozostają na tym samym poziomie.
Przypisy:
[1] Emery Ch., „Synthetic gaz would cur air pollution but worsen climate damage in China”, Princeton University, 28 APril 2017.
Źródło: CIRE.PL
