Na całym świecie poszukiwane są technologie produkcji energii mające ograniczyć emisję CO2

Zdaniem prof. Marka Ściążki szansą dla węgla może być integracja procesu zgazowania z ogniwami wodorowymi

Produkcja energii z węgla przechodzi coraz szybciej do lamusa z uwagi na potrzebę ograniczenia dwutlenku węgla, którego nadmierna emisja wywołuje zmiany klimatu. Czy ostatnią szansą dla konwencjonalnej energetyki opartej na węglu może być technologia IGCC?

Proces zgazowania węgla jest z powodzeniem wykorzystywany w przemyśle chemicznym. Produktami otrzymywanymi z gazu syntezowego powstałego w wyniku zgazowania węgla są metanol i amoniak, które następnie mogą posłużyć do wytwarzania nawozów, paliw, tworzyw sztucznych, kauczuków czy fenoli. Węgiel na potrzeby przemysłu chemicznego zgazowują w głównej mierze Chińczycy, którzy nie posiadają własnych zasobów gazu ziemnego, więc starają się go zastąpić substytutem w postaci gazu syntezowego otrzymanego z węgla. 

Japonia wiedzie prym
Technologia IGCC (ang. Integrated Gasification Combined Cycle), czyli technologia bloku gazowo-parowego ze zintegrowanym zgazowaniem paliwa, umożliwia również wykorzystanie gazu syntezowego z węgla do produkcji energii elektrycznej. Elektrownie oparte na tej technologii działają podobnie jak siłownie gazowo-parowe, w których prąd wytwarza zarówno turbina gazowa, jak i turbina napędzana parą, z tą różnicą, że zamiast gazu ziemnego paliwem jest właśnie gaz syntezowy.

Dziś jako główny kraj, gdzie jest rozwijana ta technologia, wymieniana jest Japonia, choć tak naprawdę pierwsze tego typu instalacje zostały zademonstrowane w latach 1994-1996 w dużej skali (250-300 MW) w Europie (po jednej w Hiszpanii i Holandii) i Stanach Zjednoczonych. Dopiero później technologię IGCC zaczęli rozwijać Japończycy, z tą różnicą, że zrezygnowali z rozdziału powietrza i wyodrębnienia tlenu. Chodzi o to, że w instalacjach w Europie i USA dokonywano najpierw rozdziału powietrza na tlen i azot, a do reaktora dostarczano sam tlen, natomiast Japończycy zrezygnowali z tego procesu, wykorzystując powietrze. Dzięki temu początkowe koszty są mniejsze, ale takie rozwiązanie na dalszym etapie wymaga rozbudowy układu oczyszczania gazu z uwagi na znacznie większą jego objętość. 

Ostatnia nadzieja
Dziś technologia IGCC jest przedstawiana jako ostatnia szansa dla energetyki węglowej. Nic dziwnego, że o jej wykorzystaniu jest również mowa w porozumieniu z 25 września 2020 r., które nakreśla ramy transformacji górnictwa w Polsce. Chodzi o limit emisji dwutlenku węgla, który nie powinien przekraczać 550 g na 1 kWh wyprodukowanej energii. Ta bariera jest daleko poza zasięgiem klasycznych elektrowni węglowych, zmuszając je tym samym do odprowadzania wysokich opłat EU ETS. Wg zwolenników technologii IGCC efektywność siłowni opartych o zgazowanie węgla jest jednak o wiele wyższa i może umożliwić nawet zmieszczenie się w limicie emisji przyjętym w Unii Europejskiej. Prof. Marek Ściążko z Akademii Górniczo-Hutniczej i Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla do tych ocen podchodzi jednak bardzo sceptycznie.

– Informacje, które pojawiają się na ten temat w mediach, są moim zdaniem fałszywe. Nawet w oficjalnych opracowaniach publikowanych i weryfikowanych na świecie, sami przedstawiciele japońskiego koncernu Mitsubishi nie podają, że sprawność takiego układu przekracza 50 proc. Natomiast Japończycy utrzymują, że jego emisyjność może zejść poniżej 550 g dwutlenku węgla na kWh, co po prostu nie może być prawdą. Efektywność japońskich elektrowni, które działają w oparciu o zgazowanie węgla, jest porównywalna do instalacji, które pracują na podmuchu tlenowym, a to oznacza, że emisja może wynieść minimalnie 680 g/kWh, ale na pewno nie 550 g/kWh. To pokazuje, że samo zastosowanie zgazowania nie rozwiązuje niestety problemu energetyki węglowej związanego z efektywnością produkcji ani z emisyjnością – mówi prof. Ściążko.

Jak przypomina, obecnie na całym świecie pracuje zaledwie osiem instalacji tego typu, przy czym w Europie nie ma już żadnej. W USA ostatnia elektrownia IGCC o mocy ponad 600 MW została uruchomiona w 2013 r. Zgazowanie węgla na potrzeby energetyki odbywa się również w Korei, a przede wszystkim w Japonii, gdzie pracuje jeden blok o mocy 250 MW i budowane są kolejne o mocy 500 MW. 

Koszty i ryzyko
– Tu jest kolejne ryzyko. Tych instalacji jest bardzo mało i te technologie nie mają powtórzeń. Nie można ich kupić z „półki”. Blok, który dziś pracuje z sukcesem w USA o mocy 618 MW, kosztował 3,4 mld dolarów. Szacuje się, że koszty inwestycyjne takiej instalacji są o 20 proc. wyższe niż bloku parowego, czyli takiego jak powstał w Jaworznie. Natomiast dużym ryzykiem wciąż jest to, że są to pierwsze tego rodzaju zastosowania. To automatycznie wiąże się z wyższymi kosztami uruchomienia i ewentualnych późniejszych poprawek. Nie tylko więc koszt takiej inwestycji jest o wiele wyższy, ale również efektywność jest porównywalna do bloków parowych, co sprawia, że budowa tego typu instalacji przestaje mieć sens – wylicza naukowiec.

Zdaniem prof. Ściążki szansą dla węgla może być integracja procesu zgazowania z ogniwami wodorowymi. Nad takim rozwiązaniem również pracują Japończycy.

– To przyszłościowa koncepcja, która zakłada produkcję wodoru w procesie zgazowania, a następnie ten wodór będzie zasilał w zintegrowany sposób bloki ogniw paliwowych. Sprawność wytworzenia energii w takim układzie będzie wynosiła 60 proc. i wtedy jest możliwe osiągnięcie emisyjności dwutlenku węgla poniżej 550 g/kWh. Obecnie ogniwa paliwowe są, póki co, testowane w skali kilkudziesięciu kilowatów, a maksymalnie taki stos osiąga 1 MW. Na całym świecie poszukiwane są technologie produkcji energii mające ograniczyć emisję CO2. Gdyby udało się to osiągnąć, to moglibyśmy mówić o rewolucji i wtedy zgazowanie węgla na potrzeby energetyki rzeczywiście miałoby sens – argumentuje naukowiec.