Podziemne przemiany węgla w gaz

Jeszcze w roku 2008 w ramach projektu EIT+ polska spółka KGHM Cuprum zamierza przedstawić do realizacji program badawczy podziemnego zgazowania węgla brunatnego.

- Aktualnie instalacje podziemnej gazyfikacji pokładów węgla (z ang. UCG – Underground Coal Gasification) działają w Rosji, Kanadzie, Australii, Republice Południowej Afryki i Uzbekistanie. W wielu krajach posiadających pod ziemią duże zasoby węgla takich jak Stany Zjednoczone, Indie, Chiny i Wielka Brytania prowadzi się szeroko zakrojone prace nad zastosowaniem tej technologii na skalę przemysłową. W projekty te zaangażowane są także duże koncerny paliwowe – mówi Henryk Karaś, prezes KGHM Cuprum.
Na świecie istnieje ponad 160 napowierzchniowych instalacji zgazowania węgla, który przed obróbką wydobywa się konwencjonalnymi metodami.
W Polsce jest ok. 14 mld ton udokumentowanych zasobów bilansowych węgla brunatnego oraz 58 mld ton zasobów w złożach perspektywicznych. Nie zawsze będzie możliwe wydobywanie węgla brunatnego tradycyjną metodą odkrywkową, dlatego atrakcyjną alternatywą może w przyszłości okazać się podziemne zgazowanie węgla. Atrakcyjną, jeśli będzie to opłacalne.

Jak dobrać motodę?
W styczniu 2008 r. w KGHM Cuprum - Centrum Badawczo-Rozwojowym, spółce z grupy KGHM we Wrocławiu powołane zostało międzynarodowe konsorcjum w celu przygotowania projektu badawczego, którego celem jest opracowanie wydajnej i opłacalnej ekonomicznie metody zamiany węgla brunatnego na metan z zastosowaniem odpowiednio dobranych do tego celu mikroorganizmów. Konsorcjum, którego liderem jest KGHM Cuprum, złożyło pod koniec lutego br. wniosek w Brukseli, by otrzymać unijną dotację na realizację projektu badawczego w tej dziedzinie. W skład międzynarodowego konsorcjum, które zajmuje się realizacją projektu badawczego dotyczącego biogazyfikacji węgla, wchodzi 12 partnerów naukowych (uczelnie i instytuty badawcze) m.in. z Polski, Czech, Stanów Zjednoczonych, Wielkiej Brytanii, Niemiec, Ukrainy i Szwecji, a także partnerzy biznesowi: kopalnia Bełchatów, Instytut Nafty i Gazu oraz KGHM Cuprum. Projekt badawczy może liczyć na 4 mln euro dofinansowania z unijnego programu dotyczącego nowoczesnych technologii w obszarze energetyki (7 Ramowy Program UE).
Inną, bardziej zaawansowaną technologicznie i wydajniejszą metodą jest podziemna termiczna gazyfikacja pokładów węgla, której efektem końcowym jest produkcja gazu i paliw syntetycznych. Metoda ta swój początek zawdzięcza wielu badaniom i próbom w skali laboratoryjnej i półprzemysłowej prowadzonym już od lat 30. XX wieku w dawnym Związku Radzieckim, w Stanach Zjednoczonych, Kanadzie, Australii, Chinach i Indiach. Badania w skali pilotażowej były prowadzone również w Unii Europejskiej - w 1997 roku w Hiszpanii. Jak przekonują przedstawiciele KGHM Cuprum, pomimo zachęcających wyników nie kontynuowano ich na szerszą skalę. Powodem tego był nadmierny optymizm Brukseli co do utrzymania się niskich cen surowców energetycznych oraz niedocenianie węgla jako istotnego nośnika energii, ważnego z punku widzenia bezpieczeństwa energetycznego wielu krajów Unii Europejskiej, w tym Polski.

Zwolennicy gazyfikacji węgla zapewniają, że w ciągu ostatnich lat metoda UCG uległa znacznemu udoskonaleniu, co pozwala bardziej optymistycznie patrzeć na możliwość jej zastosowana na skalę przemysłową w Polsce.

Gazyfikacja wzmocni bezpieczeństwo energetyczne
W ocenie KGHM Cuprum ostatnie przykłady zastosowań przemysłowych w takich krajach jak Rosja, Australia, Kanada i RPA mogą dać impuls do przygotowania i realizacji podobnego projektu na Dolnym Śląsku w oparciu o leżące tu najbogatsze w Polsce złoża węgla brunatnego oraz kadrę polskich instytucji naukowo-badawczych. Sukces projektu i jego wdrożenie pozwoliłyby rozwiązać konflikt pomiędzy zwolennikami uruchomienia nowych kopalń odkrywkowych na Dolnym Śląsku a lokalnymi społecznościami zamieszkującymi tereny, na których leżą pod ziemią miliardy ton węgla brunatnego.
- Pomyślna realizacja obu projektów w dziedzinie zgazowania termicznego czy biologicznego w złożu pod ziemią może przyczynić się do wzmocnienia bezpieczeństwa energetycznego Polski oraz krajów Unii Europejskiej posiadających bogate zasoby węgla, czyli Wielkiej Brytanii, Niemiec, Czech, Grecji, Węgier i Rumunii - uzupełnia Henryk Karaś.

Produktami obu procesów: bioupłynniania oraz podziemnej gazyfikacji węgli mogą być nie tylko czyste paliwa, czy gaz syntetyczny, ale również wiele cennych produktów chemicznych opartych na węglu, mających zastosowanie w chemii, farmacji i rolnictwie.
KGHM Cuprum wylicza, że najważniejsze korzyści z zastosowania metody podziemnej gazyfikacji węgla to niższe koszty inwestycyjne niż w przypadku budowy kopalni, ponieważ nie trzeba budować zakładu na ziemi, minimalne wymagania co do składowania popiołów oraz innych składników stałych (które pozostają pod ziemią), możliwość wytwarzania gazu do produkcji energii elektrycznej lub na potrzeby odbiorców paliw płynnych. Zaletą metody UCG ma być także możliwość przetwarzania nieopłacalnych dla eksploatacji podziemnej złóż węgla kamiennego tam, gdzie występują duże zanieczyszczenia skałą płonną oraz możliwość wykorzystania doświadczeń ze stosowanych technologii upłynniania węgla na powierzchni do produkcji gazu i paliw syntetycznych.

Koszt budowy pilotażowej instalacji do podziemnej gazyfikacji węgla może sięgnąć 15 mln dolarów. Zdaniem KGHM Cuprum uruchomienie pierwszej produkcji na skalę półprzemysłową mogłoby nastąpić za ok. 6 – 7 lat.
Prace badawcze dotyczące technologii UCG nie wykluczają realizacji innych projektów, również tych prowadzonych metodami tradycyjnymi.

Nie ma warunków?
Nie wszyscy podzielają optymizm, co do podziemnego zgazowania węgla brunatnego. W ocenie Zbigniewa Kasztelewicza, profesora AGH, zastosowanie zgazowania podziemnego dużych zasobów na wielkich złożach, takich jak Legnica, jest nierealne. Powodem tego mają być m.in. zagrożenia dla środowiska związane z podziemnym zgazowaniem węgla. Zbigniew Kasztelewcz zwraca uwagę, że złoża węgla brunatnego w Polsce zalegają płytko od 100 do 200 m i mają miąższość (grubość) węgla od 20 do 50 metrów. Warunki te stwarzają szczególne zagrożenia dla deformacji powierzchni terenu. Podziemne zgazowanie węgla powoduje deformacje i niszczy struktury nadkładu. W wyniku wysokich temperatur (dochodzących do 1600 stopni Celsjusza i wyższych) następuje utrata stateczności wielowarstwowego kompleksu skał otaczających. Ponadto, jak uważa prof. Kasztelewicz, możliwe będzie zniszczenie powierzchni nad złożem w wyniku deformacji, obsuwów i nierównomiernego osiadania terenu nad pustkami po zgazowanym węglu może dochodzić do kilkunastu metrów w zależności od struktury zalegającego nakładu składającego się głównie z piasku, glin i iłów. Zgazowanie węgla w złożach wielopokładowych ograniczy się do jednego pokładu z uwagi na zawały w strefie zgazowania wywołane przez pozostałe pokłady. Kasztelewicz dodaje, że zasoby węgla brunatnego w Polsce zalegają na ogół w strefach występowania trzeciorzędowych wód pitnych, które będą zanieczyszczane fenolami i prasmołą oraz toksycznymi metalami ciężkimi - jeśli nie zbuduje się skomplikowanych układów zabezpieczeń.

Według Zbigniewa Kasztelewicza istnieją także technologiczne przesłanki przemawiające przeciwko podziemnemu zgazowaniu węgla. Zbigniew Kasztelewicz przekonuje, że zgazowanie podziemne pozwala na otrzymanie gazu od 3,3 do 13,4 MJ/m3 w zależności od użytych czynników zgazowujących (powietrze, tlen, para).Gaz ziemny ma kaloryczność około 38 MJ/m3. Jego zdaniem technologia zgazowania podziemnego jest bardzo skomplikowana, niebezpieczna i poważnie zagrażająca środowisku. Wymaga zaangażowania wielu specjalistów i aparatury pomiarowej, ale jest przyszłościowa zwłaszcza dla produkcji paliwa płynnego lub gazu oraz wytwarzania energii elektrycznej na potrzeby miejscowe lub w elektrowniach szczytowych o niewielkiej mocy. Ponadto, według Kasztelewicza, przy zgazowaniu węgla wykorzystuje się złoże w zaledwie 40-50 proc., podczas gdy metodą odkrywkową wykorzystuje się aż 95 proc.

W opinii Kasztelewicza zgazowanie podziemne węgla będzie jednak można wdrażać w Polsce za kilka lat po zbudowaniu instalacji pilotażowych i demonstracyjnych na wytypowanych mniejszych złożach węgla kamiennego i brunatnego. Każde złoże i każda linia produkcyjna wymaga oddzielnego projektu i innej budowy. W jego opinii technologia zgazowania podziemnego będzie nadawała się tylko do mniejszych złóż z wydajnością zgazowania węgla od około 1 mln ton do maksymalnie 2 mln ton w roku, co wiąże się z eksploatacją od 10 do 20 linii produkcyjnych przy sprawności energetycznej zgazowania około 60 proc. Pozwoli to na uruchomienie elektrowni o mocy od 130 MW do 250 MW.

Jacek Sanocki