Ekoefektywność. technologii podziemnego zgazowania węglaw metodyka i dotychczasowe doświadczenia

Transkrypt

1 GŁÓWNY INSTYTUT GÓRNICTWA Ekoefektywność technologii podziemnego zgazowania węglaw metodyka i dotychczasowe doświadczenia prof. dr hab. inŝ. Krystyna Czaplicka-Kolarz dr inŝ. Dorota Burchart-Korol mgr Anna Śliwińska mgr inŝ. Piotr Krawczyk mgr inŝ. Magdalena Ludwik-Pardała MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA ZrównowaŜona produkcja i konsumpcja surowców mineralnych w Europie1 integracja aspektów społecznych i racjonalnego zuŝycia zasobów Wrocław 2011

2 Plan prezentacji 1. Cel badań (po co) 2. Metoda obliczania ekoefektywności (jak) 3. Analiza LCA i LCC podziemnego zgazowania węgla (zródła danych) 4. Dyskusja wyników 5. Podsumowanie 2

3 Ekoefektywność Nowa koncepcja w zarządzaniu środowiskowym integrującą aspekty środowiskowe z analizami ekonomicznymi. Cel analizy ekoefektywności: ograniczenie zuŝycia zasobów, ograniczenie wpływu na środowisko, zwiększenie wartości dodanej produktu oraz osiągnięcie wzrostu efektywności ekonomicznej produkcji przy równoczesnym ograniczaniu wpływu na środowisko. Ekoefektywność - wyznacznikiem innowacyjności, na jej podstawie moŝna określić, stopień wpływu danej technologii na środowisko oraz jej wydajność i efektywność w porównywaniu z innymi technologiami. Analiza ekoefektywności - umoŝliwia znalezienie najbardziej efektywnego rozwiązania, uwzględniającego jednocześnie aspekty ekonomiczne i środowiskowe. 3

4 Ekoefektywność Nowa koncepcja w zarządzaniu środowiskowym integrującą aspekty środowiskowe z analizami ekonomicznymi.. Podejście modne, trudne, nowe, nieprecyzyjne Wyniki dyskusyjne, gównie porównawcze, trudne do interpretacji Wyznaczone obszary dobrej i złej ekoefektywności powinny słuŝyć szerokiemu wnioskoniu inwstorskiemu 0 wysoka ekoefektywność Wskaźnikkosztowy- LC 1 niska ekoefektywność Ekoefektywność PZW z wykorzystaniem ekowskaźnika Ekoefektywność PZW z wykorzystaniem wskaźnika emisji gazów cieplarnianych Ekoefektywność elektrowni konwencjonalnej z wykorzystaniem ekowskaźnika Ekoefektywność elektrowni konwencjonalnej z wykorzystaniem wskaźnika emisji gazów cieplarnianych Wskaźnik środowiskowy - LCA 4

5 Struktura modelu do oceny ekoefektywności (model GIG) Surowce/materiały, energia, produkty, emisje, odpady Moduł środowiskowy Naklady inwestycyjne, operacyjne, przychody, etc. Moduł ekonomiczny Wskaźniki ładu społecznego Moduł społeczny 3 wskaźniki: zdrowie ludzkie, jakość ekosystemu, zmniejszenie zasobów 2 wskaźniki: zdyskontowane koszty i przychody 1 wskaźnik: ład społeczny Moduł oceny ekoefektywności Wynik oceny: wskaźnik i klasa ekoefektywności

6 Materiały Energia Woda Chemikalia TECHNOLOGIA Produkt Emisja Odpady Ścieki MODUŁ ŚRODOWISKOWY Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektyw nej produkcji paliw i energii elektrycznej WEJŚCIA WYJŚCIA Schemat modułu ekonomicznego Przychody ze sprzedaŝy Nakłady inwestycyjne OBLICZENIA Zdyskontowane nakłady inwestycyjne i koszty eksploatacyjne Koszty eksploatacyjne Zdyskontowane przychody

7 Cel badań 7

8 Metodyka analizy ekoefektywności Zastosowano metodę analizy ekoefektywności w oparciu o: ocenę cyklu Ŝycia LCA (Life Cycle Assessment) kosztów cyklu Ŝycia LCC (Life Cycle Costing) Do obliczeń opracowano i przyjęto wzór pozwalający uzyskać zaleŝność: im mniej ekoefektywna technologia, tym niŝsza wartość wskaźnika ekoefektywności. gdzie: WKi EFE wskaźnik kosztowy LCC; = 1 W Ki W Si WSi wskaźnik środowiskowy LCA; 8

9 3. Analiza LCA i LCC podziemnego zgazowania węgla - załoŝenia Celem LCA jest ocena oddziaływania na środowisko podziemnego zgazowania węgla, natomiast celem LCC jest analiza kosztów cyklu Ŝycia PZW, Dane dla procesu podziemnego zgazowania dotyczą instalacji pilotowej. Część wykorzystanych w analizach danych to wartości uśrednione, nie odnoszące się do specyficznej technologii ani lokalizacji. ZałoŜono, Ŝe funkcją uŝytkową podziemnego zgazowania węgla jest produkcja energii elektrycznej. Jako jednostkę funkcjonalną wybrano 1 MWh wyprodukowanej energii elektrycznej netto. Wykonano równieŝ analizy LCA i LCC elektrowni węglowej, która stanowi system odniesienia do podziemnego zgazowania. Jako system odniesienia wybrano elektrownię węglową o podkrytycznych parametrach pary, poniewaŝ jest to najczęściej stosowana technologia w Polsce. 9

10 Granice systemu dla podziemnego zgazowania węgla zintegrowanego z produkcją energii elektrycznej kamień wapienny powietrze energia el. Tlen media Podziemne zgazowanie węgla gaz Odsiarczanie Produkcja energii elektr. emisje do powietrza energia elektryczna ścieki gips Oczyszczalnia ścieków Granice systemu zdefiniowano w zakresie: od wytwarzania mediów dla procesu zgazowania, poprzez proces zgazowania, odsiarczanie GRANICE SYSTEMU do uzyskania energii elektrycznej, uwzględniając zuŝycie wszystkich surowców, energii, emisje zanieczyszczeń pyłowogazowych, ścieki oraz odpady. 10

11 Granice systemu dla technologii odniesienia - elektrowni węglowej węgiel emisje i odpady woda surowce i energia el. emisje i odpady powietrze Wydobycie i transport węgla Produkcja kamienia wapiennego i amoniaku Produkcja energii elektrycznej popiół denny popiół lotny Zagospodarowanie odpadów energia elektryczna składowanie popiołu gips emisje Granice systemu zdefiniowano w GRANICE SYSTEMU zakresie: od procesów wydobycia i transportu węgla, przygotowania węgla, poprzez spalanie węgla, odsiarczanie, odpylanie do uzyskania energii elektrycznej, uwzględniając zuŝycie wszystkich surowców, energii, emisje zanieczyszczeń pyłowo-gazowych, ścieki oraz odpady. 11

12 Analiza zbioru wejść i wyjść LCI kamień wapienny powietrze energia el. Tlen 1 media I Podziemne zgazowanie węgla ścieki gaz Odsiarczanie 3 II Produkcja energii elektr. emisje do powietrza energia elektryczna gips Oczyszczalnia ścieków 2 Źródła danych: 1,2 i 3 baza danych Ecoinvent v.2.0 I dane z eksperymentu PZW w Chinchilli II J. Kalina, J. Skorek. Paliwa gazowe dla układów kogeneracyjnych, Politechnika Śląska, Materiały z Seminarium "Elektroenergetyka w procesie przemian" - Generacja rozproszona Źródła danych: 1,2 i 3 baza danych Ecoinvent v.2.0 I Cost and Performance Baseline for Fossil Energy Plants. Volume 1: Bituminous Coal and Natural Gas to Electricity Final Report, DOE/NETL węgiel emisje i odpady woda surowce i energia el. emisje i odpady powietrze 1 2 Wydobycie i transport węgla Produkcja kamienia wapiennego i amoniaku Produkcja energii elektrycznej GRANICE SYSTEMU popiół denny popiół lotny Zagospodarowanie odpadów GRANICE SYSTEMU I 3 energia elektryczna składowanie popiołu gips emisje

13 Metodyka LCA Stosowane dwie metody: Metoda Ecoindicator 99 - umoŝliwia jednoznaczne przyporządkowanie: 11 wskaźników kategorii oddziaływania do 3 kategorii szkód (zdrowie człowieka, wykorzystanie zasobów, jakość ekosystemu). Końcowy wynik obliczeń przedstawiany jest w punktach ekowskaźnika, Pt. Im wyŝszy poziom ekowskaźnika tym większy potencjalny negatywny wpływ na środowisko. Metoda IPCC 2007 GWP 100a (Intergovernmental Panel on Climate Change, Global Warming Potential, 100 years) - słuŝy do przedstawienia wpływu technologii na emisje gazów cieplarnianych (wyraŝony jako ekwiwalent CO 2 ). 13

14 Metodyka LCC Life Cycle Costing Metoda analizy kosztów cyklu Ŝycia - polega na identyfikacji i szacowaniu wszystkich kosztów związanych z cyklem Ŝycia produktu lub procesu. W Polsce kwestie związane z wykonywaniem analiz kosztów cyklu Ŝycia reguluje norma PN-EN Zarządzanie niezawodnością Część 3-3: Przewodnik zastosowań. Szacowanie kosztu cyklu Ŝycia. Ogólny wzór na LCC zaproponowany w tej normie, obejmujący główne fazy cyklu Ŝycia ma postać: gdzie: K N K P LCC = K N + K P + K L koszt nabycia: wszelkie nakłady przedinwestycyjne i inwestycyjne (w tym badania, przygotowanie dokumentacji, budowa instalacji itp.) koszt posiadania: koszty eksploatacyjne instalacji naziemnych i podziemnych, K L koszt likwidacji: koszty usunięcia instalacji naziemnych, zabezpieczenia podziemnych pustek poeksploatacyjnych, rekultywacji terenu itp. 14

15 Metodyka LCC Wynikiem przeprowadzonych analiz LCC jest koszt wyprodukowania 1 MWh energii elektrycznej netto wyraŝony w jednostce pienięŝnej. W analizach ujęto w szczególności następujące kategorie kosztów cyklu Ŝycia: nakłady na przygotowanie i realizację inwestycji (budowę instalacji), całkowite koszty operacyjne (w tym zapotrzebowanie na surowce i energię, koszty ogólne, wynagrodzenia), obciąŝenia finansowe w postaci amortyzacji, podatki, opłaty administracyjne, ubezpieczenia, koszty zakończenia działalności i likwidacji instalacji z uwzględnieniem potencjalnych przychodów ze sprzedaŝy odzyskanych surowców wtórnych. Następnie odniesiono uzyskane wyniki LCC do przyjętej jednostki funkcjonalnej, tj. 1 MWh wyprodukowanej energii elektrycznej netto. Wykorzystano metodę dynamicznego koszu jednostkowego (Dynamic Generation Cost DGC). Wskaźnik DGC pokazuje, jaki jest techniczny koszt uzyskania jednostki produktu - w tym wypadku 1 MWh energii elektrycznej netto. 15

16 4. Dyskusja wyników Przedstawiono wyniki oceny cyklu Ŝycia, kosztów cyklu Ŝycia oraz rezultaty dla procesu podziemnego zgazowania węgla oraz zdefiniowanego systemu odniesienia. Przeprowadzono analizę ekoefektywności zgodnie z przyjętą metodyką dla procesu wytwarzania energii elektrycznej z wykorzystaniem PZW i w konwencjonalnej elektrowni węglowej dwoma metodami (wartości względne) 16

17 ,38 12,92 Analiza LCA - wyniki Ekowskaźnik Pt/MWh 8 4,94 4 0,2 0,02 0,94 0 Zdrowie człowieka Wykorzystanie zasobów Jakość ekosystemu Wskaźnik globalnego ocieplenia Ocena cyklu Ŝycia metodą IPCC 2007 GWP 100a Podziemne zgazowanie węgla kg CO 2 eq/mwh el Podziemne zgazowanie węgla Elektrownia węglowa 972 Elektrownia węglowa 17

18 Największy wpływ na środowisko w PZW (95%) występuje w procesie Produkcja elektrycznej. pozostałych jednostkowym energii Do istotnych czynników podziemnego zgazowania obciąŝających środowisko węgla naleŝą: zuŝycie tlenu jako czynnika zgazowującego ze względu na wysoką energochłonność tego procesu oraz emisje powstające w procesie Wpływ czynników obciąŝających środowisko 100% Analiza LCA - wyniki 80% 60% 40% 20% 0% Podziemne zgazowanie węgla Elektrownia węglowa Produkcja energii elektrycznej Wydobycie węgla Tlen Odsiarczanie Pozostałe odsiarczania. 18

19 Analiza LCC wyniki Analizę przeprowadzono w cenach stałych i przy stopie dyskontowej równej 5%, dla załoŝonego 20-letniego okresu eksploatacji. 19,3 m ln zł 11,1 m ln zł Udział w strukturze kosztów cyklu Ŝycia [%] 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 2958,0 m ln zł 1468,8 m ln zł Instalacja PZW + generator 7787,3 m ln zł 3319,7 m ln zł Elektrow nia węglow a z kotłem pyłow ym oraz turbiną parową Zdyskontow ane koszty likw idacji Zdyskontow ane koszty posiadania Zdyskontow ane koszty nabycia 19

20 Analiza LCC wyniki Pozycja Suma zdyskontowanych kosztów cyklu Ŝycia [zł] Suma zdyskontowanej ilości wytworzonej energii elektrycznej [MWh] Instalacja PZW + generator Elektrownia węglowa z kotłem pyłowym i turbiną parową Wskaźnik DGC [zł/mwh] ,5 233,5 0 Instalacja PZW + generator Elektrownia węglowa z kotłem pyłowym oraz turbiną parową 20

21 Analiza ekoefektywności 0 wysoka ekoefektywność Wskaźnik kosztowy - LCC 1 Ekoefektywność PZW z wykorzystaniem ekowskaźnika Ekoefektywność PZW z wykorzystaniem wskaźnika emisji gazów cieplarnianych Ekoefektywność elektrowni konwencjonalnej z wykorzystaniem ekowskaźnika Ekoefektywność elektrowni konwencjonalnej z wykorzystaniem wskaźnika emisji gazów cieplarnianych niska ekoefektywność Wskaźnik środowiskowy - LCA 0 21

22 Wnioski 1. techniką LCA - metodą Ekowskaźnik 99 - stwierdzono, Ŝe wytwarzanie energii elektrycznej z wykorzystaniem procesu podziemnego zgazowania węgla powoduje mniejsze obciąŝenie środowiska w odniesieniu do konwencjonalnej elektrowni opalanej węglem kamiennym. Związane jest to z uniknięciem obciąŝeń wywołanych wydobyciem węgla oraz jego transportem do elektrowni. Ponadto smoły, pyły oraz nieprzereagowana pozostałość z procesu podziemnego zgazowania zostają pod ziemią, dlatego unika się problemu zagospodarowania odpadów powstających przy wydobyciu i spalaniu paliw kopalnych. Na wyraźnie wyŝsze koszty wytwarzania energii elektrycznej w elektrowni konwencjonalnej opalanej węglem kamiennym szczególny wpływ mają koszty wydobycia na powierzchnię i transportu węgla. 22

23 Wnioski 2. Na podstawie przeprowadzonych wstępnych analiz stwierdzono, Ŝe wytwarzanie energii elektrycznej z wykorzystaniem PZW cechuje się wyŝszą ekoefektywnością od technologii produkcji energii elektrycznej w konwencjonalnej elektrowni zasilanej węglem kamiennym. Wpływ na to ma zarówno niŝsze obciąŝenia środowiskowe, jak i wyŝsza efektywność kosztowa technologii wykorzystującej PZW wynikająca z niŝszych nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacyjnych. NaleŜy podkreślić, Ŝe jest to pierwsza próba oceny ekoefektywności podziemnego zgazowania węgla. 23

24 Dalsze analizy Zastosowana metodyka analizy ekoefektywności umoŝliwia dokonanie oceny uwzględniającej zarówno aspekty środowiskowe, jak i kosztowe w całym cyklu Ŝycia procesu podziemnego zgazowania węgla. Takie podejście pozwala na całościową ocenę technologii. Przeprowadzone obliczenia stanowią pierwsze przybliŝenie w toku prowadzonych prac badawczych, których ostatecznym celem jest wykonanie moŝliwie dokładnych analiz ekoefektywności procesu podziemnego zgazowania węgla na podstawie eksperymentów polskich uwzględniających wszystkie procesy jednostkowe technologii zgazowania. 24

25 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ Praca w ramach zadania badawczego Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych Zaawansowane technologie pozyskiwania energii. 25