PRODUKCJA ENERGII ELEKTRYCZNEJ O UJEMNYM WSKAŹNIKU EMISJI DWUTLENKU WĘGLA

Transkrypt

1 PRODUKCJA ENERGII ELEKTRYCZNEJ O UJEMNYM WSKAŹNIKU EMISJI DWUTLENKU WĘGLA Autorzy: Łukasz Bartela, Dorota Mikosz ( Rynek Energii nr 6/2012) Słowa kluczowe: emisja dwutlenku węgla, analiza termodynamiczna, analiza ekologiczna Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki analizy mającej na celu wykazać możliwości uzyskiwania tzw. emisji ujemnych dwutlenku węgla przy produkcji energii elektrycznej w dużych lokach energetycznych. Podstawą takich rozważań jest tzw. ilans zerowy dwutlenku węgla pochłanianego przez roślinę podczas procesu fotosyntezy, a następnie generowanego podczas jej spalania. Dla uzyskania ujemnych wartości dla zdefiniowanego w treści artykułu wskaźnika emisji jednostkowej warunkiem koniecznym jest prowadzenie procesu separacji oraz składowania dwutlenku węgla. W artykule przedstawiono rezultaty analizy przeprowadzonej dla układu o mocy rutto wynoszącej 900 MW. Założono, że lok jest zintegrowany z układem separacji memranowej. Wskaźniki emisji jednostkowych adano dla różnych udziałów masowych iomasy współspalanej z węglem oraz różnych stopni odzysku generowanego dwutlenku węgla. Dodatkowo określono wartości dla energetycznych wskaźników pracy elektrowni, tj. sprawności kotła, wskaźników potrze własnych, czy też sprawności wytwarzania energii elektrycznej netto. 1. WSTĘP Literatura przedmiotu wskazuje rozwiązania loków energetycznych, w których produkcja energii elektrycznej wiąże się z rakiem emisji dwutlenku węgla (zero-emission technologies) [8], ale również takie rozwiązania, które prowadzić mogą do uzyskiwania ujemnych wskaźników emisji [1,6]. Niniejsza tematyka w ostatnim czasie cieszy się wyjątkową popularnością, w szczególności ze względu na ogólnoświatową tendencję w dążeniu do udowy gospodarek o niskim poziomie emisji gazów cieplarnianych. Polska energetyka oparta jest głównie na spalaniu węgli w dużych jednostkach scentralizowanych. Warunki klimatyczne oraz ukształtowanie terenu nie są przychylne dla rozwoju energetyki solarnej, czy też udowy elektrowni wodnych oraz wiatrowych. Pierwsze lata transformacji krajowej energetyki wymaganej dla spełnienia przyjętych zoowiązań odnośnie emisji gazów cieplarnianych znamienne są inwestycje w wysokosprawne, nadkrytyczne loki węglowe, które w przyszłości integrowane mają yć z instalacjami separacji dwutlenku węgla. Przyjęte na forum europejskim zoowiązania, prócz ograniczeń emisji dwutlenku węgla, dotyczą również osiągnięcia określonego udziału produkcji energii opartej na wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii. Działania podjęte przeszło dekadę temu skupiły się na przystosowywaniu dużych kotłów parowych dla umożliwienia współspalania w nich wraz z węglem iomasy drzewnej. Nakreślony kierunek rozwoju energetyki zawodowej stwarza podstawy udowy układów, które umożliwić mogą uzyskiwanie tzw. ujemnych wskaźników emisji dwutlenku węgla. Niezędnym warunkiem jest tutaj integrowanie loków węglowych współspalających iomasę z instalacjami separacji dwutlenku węgla. Ideę takiego sprzężenia technologii przedstawia rys. 1. Na rysunku zaznaczone zostały kierunki przepływu dwutlenku węgla.

2 Rys. 1. Schemat ilansowy CO 2 w układzie zasilanym mieszanką iomasy oraz węgla przy zastosowaniu sepracji CO 2 Spalanie węgla przyczynia się do emisji CO 2, co przekłada się na gloalny wzrost stężenia tego gazu w atmosferze. W odróżnieniu od węgla spalanie iomasy związane jest z tzw. zerowym ilansem dwutlenku węgla. Roślina podczas procesu fotosyntezy pochłania dwutlenek węgla w ilości jaka jest emitowana przy jej ostatecznym spaleniu. Woec tego współspalanie iomasy z węglem oraz separacja CO 2 ze spalin, a następnie geologiczne jego składowanie (przepływ nr 2 na rys. 2) może prowadzić do sytuacji, w której ilość wyemitowanego CO 2 ędzie mniejsza od ilości dwutlenku węgla jaka została pochłonięta w trakcie wegetacji iomasy poddawanej spalaniu. Uzyskanie emisji ujemnej wymaga spełnienia odpowiednich warunków. Strumienie dwutlenku węgla identyfikowane zgodnie z rys. 1 w oręie, jak i w otoczeniu loku energetycznego możemy oznaczyć następująco: m &, gdzie: ( ) w ( ) oraz iomasy, m & = +, (1) 1: ( ) w ( ) 2: m & R [ ( ) + ( ) ] w 3: m & ( R ) [ ( ) + (& ) ] =, (2) =, (3) 1 m w m & = &, (4) 4: ( m ) - strumienie dwutlenku węgla generowane odpowiednio przy spalaniu węgla R - stopień odzysku dwutlenku węgla w układzie. Na podstawie przedstawionego ilansu dwutlenku węgla napisać można warunek jaki spełniony musi yć dla uzyskania ujemnej emisji tego gazu w postacci ( R ) ( m ) R ( ) 0 &. (5) 1 w Ilość emitowanego dwutlenku węgla odnieść można do ilości produkowanej energii elektrycznej netto. W tym wypadku mowa o jednostkowym wskaźniku emisji CO 2, a więc wielkości, która najczęściej

3 w literaturze przedmiotu wykorzystywana jest do ekologicznej oceny technologii energetycznych. Wskaźnik jednostkowej emisji CO 2 definiowany jest następująco: gdzie: N el, n - moc elektryczna netto. ( 1 R ) ( ) R ( ) w ε =, (6) N el,n Dla uzyskania zadawalających efektów procesu separacji CO 2 konieczne jest nie tylko poniesienie dużych nakładów inwestycyjnych, ale również ponoszenie w trakcie eksploatacji dużych kosztów energetycznych. W przypadku instalacji memranowej potrzey własne wynikają przede wszystkim z konieczności zasilania pomp próżniowych. Wysoką energochłonnością odznaczają się również sprężarki, których praca ma na celu przygotowanie odseparowanego CO 2 do transportu do miejsca składowania. 2. ZAŁOŻENIA DO ANALIZY W niniejszym artykule zaprezentowano rezultaty analizy nadkrytycznego loku energetycznego, w którym według założeń iomasa współspalana jest z węglem. Spaliny powstałe wskutek spalania ou paliw transportowane są do memranowej instalacji separacji dwutlenku węgla. Taka integracja dwupaliwowego loku energetycznego z instalacją separacji przyczynia się do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla, a nawet z uwagi na zerową emisję dwutlenku węgla wywiązywanego przy spalaniu iomasy umożliwia na uzyskiwanie ujemnych wartości dla wskaźnika definiowanego zależnością (6). Schemat układu pokazano na rys. 2. Założono, iż moc elektryczna rutto loku wynosi 900 MW. Parametry pary świeżej oraz wtórnej produkowanej w kotle wynoszą odpowiednio: 650 C/30 MPa i 670 C/5,9 MPa. Ciśnienie pary w skraplaczu założono na poziomie 5 kpa. Model loku elektrowni zudowany został w programie GateCycle. Inne, ardziej szczegółowe założenia znaleźć można w [2]. W skład instalacji separacji CO 2 wchodzi w zależności od potrze od 1 do n modułów separacyjnych. Każdy moduł składa się z modułu memranowego oraz dwusekcyjnej pompy próżniowej (PP1 i PP2). Założono, że stosowane w instalacji moduły memranowe (MM) pozwalają na separację dwutlenku węgla przy jego 95%-owej czystości oraz przy stopniu odzysku (R ) wynoszącym 90%. Wydaje się, iż uzyskanie tak wysokich wartości dla tych dwóch ważnych wielkości charakteryzujących pracę memran ędzie możliwe już w niedalekiej przyszłości. Warunkiem ędzie tutaj oczywiście zastosowanie odpowiednich memran przy odpowiednio dużych ich powierzchniach efektywnych. Praca pompy próżniowej umożliwia wytworzenie próżni po stronie separowanego gazu. Różnica ciśnień gazów znajdujących się po dwóch stronach memrany jest siłą napędową procesu separacji. Strumienie gazu o wysokiej zawartości CO 2 odseparowane w każdym z modułów łączą się i następnie podlegają procesowi sprężania w sprężarce dwusekcyjnej (S1 i S2). Tutaj gaz zostaje sprężony do ciśnienia 20 MPa, co jest wymagane dla jego przygotowania do transportu do miejsca składowania. Model instalacji zudowano w programie Aspen Plus. Opis modelu separacji i sprężania oraz założenia szczegółowe znaleźć można w [2,3,4]. Prolematyka separacji memranowej dwutlenku węgla szeroko poruszana jest również w [5,7,9].

4 Podstawową zmienną decyzyjną w analizie ył udział masowy iomasy w mieszance paliwowej: gdzie: u - strumień spalanej iomasy, =, (7) + w w - strumień spalanego węgla. Przyjęto następujące charakterystyki paliw spalanych w kotle: węgiel: wilgoć=9,0%, popiół=20,0%, C=59,9%, H=3,8%, O=5,0%, N=1,2%, S=1,0%, W d =23,93 kj/kg iomasa: wilgoć=13,70%, popiół=4,40%, C=40,93%, H=5,08%, O=35,07%, N=0,81%, S=0,01%, W d =13,45 kj/kg. Model układu umożliwia prowadzenie analiz dla zmiennego strumienia spalin poddawanych separacji. O wielkości tego strumienia w trakcie analiz decydowała dodatkowa, ook udziału u, zmienna decyzyjna jaką ył stopień rozdziału spalin generowanych w kotle: r II =, (8) I gdzie: - strumień molowy spalin w charakterystycznych punktach instalacji (zgodnie z oznaczeniami na rys. 2). Stopień rozdziału r może przyjmować wartości z zakresu od 0 do 1. Zakładając wartość 0 decydujemy o raku prowadzenia procesu separacji, z kolei zakładając wartości 1 decydujemy o poddaniu procesowi separacji całego strumienia spalin. Stopień odzysku CO 2 właściwy dla jednego rozpatrywanego modułu memranowego zdefiniowany jest następującą zależnością (w tym przypadku dla modułu oznaczonego na rys. 2 jako MM 1 ): ( R ) C = MM1. (9) A Stopień odzysku CO 2 może yć zdefiniowany również dla całej instalacji separacji. Wówczas posługiwać należy się następującą zależnością: gdzie: R IV =, (10) I - strumień molowy dwutlenku węgla w charakterystycznych punktach instalacji (zgodnie z oznaczeniami na rys. 2). Zakładając, iż poszczególne moduły memranowe charakteryzują się takimi samymi stopniami odzysku napisać można zależność łączącą stopień odzysku właściwy dla modułu memranowego ze stopniem odzysku właściwym dla całej instalacji: ( R ) R r MMi =. (11)

5 Niezależnie od udziału iomasy w mieszance paliwowej moc turiny parowej mierzona na zaciskach generatora ( N ) pozostaje na niezmienionym poziomie. el, węgiel iomasa powietrze żużel Rys. 2. Schemat adanego loku Założono również, iż nie jest realizowana integracja po stronie cieplnej pomiędzy oiegiem parowym, a instalacją separacji oraz sprężania CO 2. W związku z powyższym moc netto loku liczona jest na podstawie zależności: ( δ δ ) N, (12) el, n = N el, 1 K OP δss gdzie: δ K - wskaźnik potrze własnych kotła, δ OP - wskaźnik potrze własnych oiegu parowego, δ SS - wskaźniki potrze własnych instalacji separacji oraz sprężania dwutlenku węgla. Poszczególne wskaźniki potrze własnych zależą od energochłonności maszyn wykorzystywanych w przedmiotowych instalacjach i liczone są jako iloraz mocy potrze własnych oraz mocy rutto całego układu. Moc potrze własnych instalacji kotłowej to przede wszystkim moc niezędna do napędu młyna węglowego oraz wentylatorów powietrza oraz spalin. O mocy potrze własnych oiegu parowego decydują głównie moce stosowanych tam pomp skroplin, wody zasilającej oraz moce pomp oiegowych układu chłodzenia kondensatora, natomiast w przypadku instalacji separacji i sprężania CO 2 o mocy potrze własnych decydują w największej mierze moce napędowe pomp próżniowych oraz sprężarek dwutlenku węgla. Wyłącznie wskaźniki potrze własnych kotła (głównie z uwagi na zmianę strumieni paliw, powietrza i spalin oraz własności fizycznych paliw i spalin) oraz instalacji separacji i sprężania CO 2 (z uwagi na zmianę strumienia oraz składu odseparowanego na memranie gazu o wysokim udziale dwutlenku węgla) zależą od udziału u. Udział współspalanej iomasy decyduje również o strumieniu energii chemicznej paliw, która zmienia się wraz ze zmianą sprawności kotła, a ściślej zmianą głównie straty wylotowej kotła. Sprawność kotła liczona metodą ezpośrednią definiowana jest następującą zależnością:

6 W - wartości opałowe: wę- gdzie: Q & uż - ciepło użyteczne, gla i iomasy. Q& uż η K =, (13) w Wd + w Wd &, - strumienie: węgla i iomasy, w d,w w d m Dla oceny efektu energetycznego pracy całego układu stosuje się sprawność netto wytwarzania energii elektrycznej: N η el,n el,n = w Wd + w W. (14) d Dla oceny efektu ekologicznego współspalania iomasy w połączeniu z separacją dwutlenku węgla wykorzystano wskaźnik jednostkowej emisji CO 2, który zdefiniowano zależnością (6). Wskaźnik traktuje emisję dwutlenku węgla powstałego na skutek spalania iomasy jako emisję zerową. Jeśli emisji tej nie potraktujemy jako zerowej definicja wskaźnika przyjmie inną postać: ( 1 R )( + ),w, ε ' =. (15) N el,n Analizę w głównej mierze oparto na wskaźniku definiowanym zależnością (6). Dla celów porównawczych oliczano również wskaźnik definiowany zależnością (15). 3. REZULTATY ANALIZY TERMODYNAMICZNEJ W podjętym zagadnieniu istotnym prolemem oliczeniowym jest określenie wpływu zmiany proporcji mieszanych paliw na charakterystykę kotła parowego. Dla określanych wskaźników energetycznych oraz ekologicznych szczególne znaczenie ma zmiana sprawności kotła oraz zmiana mocy jego potrze własnych. Rezultaty zaprezentowane na rys. 3-5 dotyczą przypadku układu, gdzie separacji dwutlenku węgla podlega całościowy strumień spalin generowanych w kotle parowym (r=1, R =0,9). Na rys. 3 przedstawiono charakterystykę sprawności kotła w funkcji udziału iomasy w mieszance paliwowej. Na rys. 4 w tym samym ujęciu oprócz charakterystyki wskaźnika potrze własnych kotła przedstawiono wskaźnik potrze własnych instalacji separacji i sprężania dwutlenku węgla oraz wskaźnik potrze własnych oiegu parowego. W dużej mierze zaoserwowany tutaj wzrost wartości dwóch pierwszych wskaźników potrze własnych towarzyszący wzrostowi udziału u jest następstwem spadku sprawności kotła, co przekłada się na konieczność stosowania większych strumieni paliw wymaganych dla uzyskania mocy elektrycznej na poziomie 900 MW.

7 Rys. 3. Sprawność kotła w funkcji udziału masowego iomasy w mieszance paliwowej Rys. 4. Wskaźniki potrze własnych: kotła parowego, oiegu parowego oraz instalacji sepracji i sprężania CO 2 w funkcji udziału masowego iomasy w mieszance paliwowej (przy r=1, R =0,9) Spadek sprawności kotła towarzyszący wzrostowi udziału u oraz równoczesny wzrost potrze własnych kotła oraz instalacji separacji i sprężania wpływa niekorzystnie na sprawność netto wytwarzania energii elektrycznej w adanym loku. Przedmiotową charakterystykę pokazano na rys. 5. Warto podkreślić, iż sprawność netto loku przy zastosowaniu wyłącznie paliwa węglowego ez realizacji procesu separacji i sprężania CO 2 przy poczynionych założeniach wynosi 45,42%. Wynika z tego, iż zastosowanie procesu separacji i sprężania przekłada się na spadek sprawności o 7,92 punktu procentowego.

8 Rys. 5. Sprawność netto loku w funkcji udziału masowego iomasy w mieszance paliwowej (przy r=1, R =0,9) Na rys. 6 zaprezentowano rezultaty oliczeń wskaźników wyrażających wielkość emisji dwutlenku węgla przypadających na jednostkę wyprodukowanej energii elektrycznej netto. Charakterystyki zaznaczone linią ciągłą dotyczą wskaźnika liczonego według zależności (15), a więc wielkości nie uwzględniającej tzw. ilansu zerowego dwutlenku węgla generowanego przy spalaniu iomasy. Z kolei charakterystyki zaznaczone linią przerywaną są efektem oliczeń przy posługiwaniu się zależnością (6), a więc zależnością uwzględniającą tzw. zerowy ilans emisji CO 2. Wyniki uzyskano dla czterech różnych wartości stopnia odzysku definiowanego dla całej instalacji separacji CO 2, tj. R =0; 0,3; 0,6 oraz 0,9. Rys. 6. Wskaźniki jednostkowych emisji dwutlenku węgla w funkcji udziału masowego iomasy dla różnych stopni odzysku Dla loku ez integracji z separacją dwutlenku węgla (R =0) spalającego wyłącznie węgiel uzyskano wskaźniki emisji na poziomie ε =ε =719 kgco 2 /MWh. Posługując się charakterystyką dla poszczególnych stopni odzysku odczytać można wartości udziałów u, po przekroczeniu których produkcję energii elektrycznej charakteryzował ędzie ujemny wskaźnik emisji CO 2. I tak dla stopnia odzysku R =0,9 odnotowano wartość u około 0,1, dla R =0,6 wartość u wynoszącą około 0,4 oraz dla R =0,3 wartość u wynoszącą około 0,7. Warto podkreślić, iż w ekstremalnym analizowanym przy-

9 padku, tj. dla układu spalającego wyłącznie iomasę przy równoczesnym poddawaniu procesowi separacji całego strumienia generowanych spalin uzyskano wartość ε wynoszącą -778 kgco 2 /MWh. Oznacza to, iż wyprodukowanie 1 MWh w takim układzie z nadwyżką kompensuje emisję ędącą następstwem produkcji 1 MWh w układzie spalającym węgiel, gdzie separacja nie jest prowadzona. 4. PODSUMOWANIE W artykule zaprezentowano rezultaty analizy nowoczesnego loku energetycznego zintegrowanego z memranową instalacją separacji CO 2, który prócz węgla umożliwia spalanie iomasy. Przeprowadzona analiza azująca na ilansie dwutlenku węgla generowanego, a następnie w pewnej części deponowanego w wyroiskach geologicznych wykazała, iż teoretycznie jest możliwe uzyskanie dla zdefiniowanego wskaźnika emisji wartości ujemnej. Taki stan jest możliwy z uwagi na towarzyszący spalaniu iomasy tzw. ilans zerowy CO 2. Dla systemu energetycznego Polski oczywiście tego rodzaju rozważania mają wyłącznie charakter teoretyczny. Pomijając kwestie prawne, a więc rak odpowiednich zapisów odnośnie sposou rozliczania emisji, powodem takiego stanu rzeczy jest przede wszystkim ograniczony potencjał iomasy jako paliwa energetycznego przejawiający się w ograniczeniach technicznych oraz logistycznych związanych ze spalaniem iomasy przy jej dużym udziale w mieszance paliwowej w dużych układach energetycznych. Dodatkowa gratyfikacja finansowa wynikająca z możliwości generowania dodatkowych pozwoleń na emisję w przypadku uzyskiwania emisji ujemnej w przyszłości stać się może istotnym mechanizmem ograniczania gloalnej emisji dwutlenku węgla. Podstawowym jednak warunkiem uzyskiwania ujemnych wartości dla wskaźników emisji oarczających produkcję energii elektrycznej jest osiągnięcie dojrzałości technicznej układów separacji dwutlenku węgla ze spalin. Na chwilę oecną najliżej komercjalizacji wydaje się yć technologia azująca na metodzie asorpcji chemicznej. Wydaje się, iż z uwagi na dynamiczny rozwój technologii w niedalekiej przyszłości alternatywnym sposoem separacji CO 2 ędzie separacja memranowa. Przedstawione w artykule wyniki zostały uzyskane w adaniach współfinansowanych przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach umowy SP/E/1/67484/10 Strategiczny Program Badawczy Zaawansowane technologie pozyskiwania energii: Opracowanie technologii dla wysokosprawnych zero-emisyjnych loków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO 2 ze spalin. LITERATURA [1] Cristina M. Quintella C.M., Meira M., i in.: Brazilian potential for CCS for negative alance emission of CO 2 from iomass energy. Energy Procedia, 2011;4: [2] Kotowicz J., Bartela Ł.: Optimisation of the connection of memrane CCS installation with a supercritical coal- fired power plant. Energy, 2012;38: [3] Kotowicz J., Janusz-Szymańska K.: Zapotrzeowanie na energię dwustopniowego memranowego układu separacji CO 2 ze spalin loku energetycznego. Rynek Energii, 2010;6(91):56-61.

10 [4] Kotowicz J., Janusz-Szymańska K.; The influence of CO 2 memrane separation on the operating characteristics of a coal-fired power plant. Inżynieria Chemiczna i Procesowa, 2010;34: [5] Kotowicz J., Skorek-Osikowska A., Bartela Ł.: Economic and environmental evaluation of selected advanced power generation technologies. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A, Journal of Power and Energy, Maj 2011 (225), s [6] Mӧllersten K., Yan J., Moreira J.R.: Potential market niches for iomass energy with CO 2 capture and storage - Opportunities for energy supply with negative CO 2 emissions. Biomass and Bioenergy, 2003;25: [7] Skorek-Osikowska A., Janusz-Szymańska K., Kotowicz J.: Modeling and analysis of selected caron dioxide capture methods in IGCC systems. Energy, 2012;45(1): [8] Tsatsaronis G., Kapanke K., A. Marı a Blanco Marigorta: Exergoeconomic estimates for a novel zero-emission process generating hydrogen and electric power. Energy, 2008;33: [9] Wiciak G., Kotowicz J.: Experimental stand for CO 2 memrane separation. Journal of Power Technologies, 2011;91(4), s ELECTRICITY PRODUCTION WITH NEGATIVE CARBON DIOXIDE EMISSION Key words: caron capture emission alance, thermodynamic analysis, ecological analysis Summary. In this paper the results of a theoretical analysis aiming to examine the possiility of otaining of a so-called negative emission of caron dioxide in the production of electricity in a large power plant are presented. The asis of such considerations is a so-called zero caron dioxide alance, which is asored y a plant during photosynthesis and generated during comustion. An indispensile condition required to otain a negative value of the defined in the paper unit emission is to carry out the caron capture and storage process. In the paper a results for the analysis for a 900 MW power plant are shown. It was assumed, that the power plant is integrated with a memrane separation unit. The caron capture unit emission rates were calculated for different shares of iomass co-fired with coal and different recovery rates of caron dioxide capture. Additionally, the values of several energy indicators, i.e. oiler efficiency, auxiliary power rates and net efficiency of the power plant were determined. Łukasz Bartela, dr inż. Jest adiunktem w Zakładzie Miernictwa i Automatyki Procesów Energetycznych w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej w Gliwicach, ul. Konarskiego 18, Gliwice, lukasz.artela@polsl.pl Dorota Mikosz, mgr inż. Jest doktorantką w Zakładzie Miernictwa i Automatyki Procesów Energetycznych w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej w Gliwicach, ul. Konarskiego 18, Gliwice, dorota.mikosz@polsl.pl