Bezemisyjna energetyka węglowa

Transkrypt

1 Bezemisyjna energetyka węglowa Szansa dla Polski? Jan A. Kozubowski Wydział Inżynierii Materiałowej PW

2 Człowiek i energia

3 Jak ludzie zużywali energię w ciągu minionych 150 lat? Energetyczne surowce kopalne: węgiel, ropa i gaz dostarczają ok. 85% energii potrzebnej ludzkości co dalej?

4 Wzrost ludzkiej populacji?

5 Stęż enie dwutlenku węgla (ppm) Temperatura powierzchni Ziemi (stopnie C) Skutki intensywnego spalania

6 Źródła energii: Ropa 41 / 39 Gaz 22 / 22 Węgiel 16 / 25 Odnawialne 6 / 8 Źródła energii Jądrowa 15 / 6 Unia Europejska / Stany Zjednoczone

7 Na co zużywana jest energia w UE? Domy + usługi Przemysł Transport Dziś Prognoza

8 Poziom cywilizacyjny zależy od dostępnej energii!!! ZAMOŻNOŚĆ Polska UBÓSTWO

9 Energia elektryczna (USA) { skąd się ją bierze i na co zużywa? 1 Btu = kwh

10 Przyszłość energetyki węglowej: zwiększenie wydajności elektrowni spalanie w tlenie oddzielanie CO 2 i jego usuwanie recykling energii w procesie pozyskiwania energii elektrycznej reakcje w układzie zamkniętym ogniwa paliwowe dostosowane do produktów gazyfikacji węgla bezemisyjna energetyka węglowa

11 Uzyskiwanie energii ze spalania paliw kopalnych: spalanie węgla spalanie węglowodorów CO 2 + para wodna Zawartość CO 2 w produktach spalania: koks 100% węgiel 70% gaz 33% } przy przy użyciu czystego tlenu do spalania, 5 - krotne zmniejszenie stężenia gdy używa się powietrza! konwersja energii chemicznej w elektryczną w OGNIWACH PALIWOWYCH wykorzystujących wodór (produkt gazyfikacji węgla) woda

12 Ogniwa paliwowe Wynalazek ogniwa paliwowego William Grove (1839) Ludwig Mond & Karl Langer (1880) 2H 2 + O 2 => 2H 2 O Napięcie dawane przez pojedyńcze ogniwo (ok. 1 V) jest niewielkie, dlatego łączy się razem wiele ogniw w stosy rodzaje ogniw elektrolit temp. pracy ( o C) zastosowania alkaliczne (AFC) alkaliczny lotnictwo i transport z metanolem (DMFC) polimer transport z kwasem fosforowym PAFC) kwas fosforowy CHP, gener. elektr. z membraną protonową (PEM) stały polimer transport, CHP ze stopionym węglanem stopiony węglan generatory elektr. ze stałym tlenkiem (SOFC) stały tlenek CHP, gener. elektr.

13 Usuwanie CO 2 oddzielenie + usunięcie Sposoby usuwania CO 2 : 1. wtłaczanie pod ziemię z jednoczesnym pozyskiwaniem paliwa (ropa, gaz) 2. wtłaczanie w podziemne zbiorniki 3. zatapianie w oceanie 4. wiązanie w biomasie 5. trwałe wiązanie w minerałach węglany w procesie technologicznym pozyskiwania energii węglany tworzone w złożach podziemnych węglany w oceanie + kompensacja ph

14 Schemat elektrowni XXI wieku energia powietrze powietrze bez O 2 Oddzielanie tlenu czysty O 2 węgiel Gazyfikacja gaz o dużej wartości energetycznej (z CO 2 lub bez niego) Utlenianie paliwa elektryczność produkty utleniania i zanieczyszczenia ciepło odpadowe popioły energia gaz używany przy gazyfikacji i niezużyte paliwo Oddzielanie produktów utleniania ciepło odpadowe czysty CO 2 do usunięcia zanieczyszczenia z węgla w formie ciekłej lub stałej

15 Gazyfikacja węgla (opcje) 1 C + 2H 2 O -> CO 2 + 2H 2 C + H 2 O -> CO + H 2 CO + H 2 O -> H 2 + CO 2-178,3 kj - 175,4 kj - 2,9 kj 2 C + CO 2 -> 2CO (reakcja Boudouarda) - 172,6 kj 3 C + 2H 2 -> CH ,9 kj Reakcja bezpośredniego utleniania C + O 2 Reakcję 3 można wykorzystać do produkcji wodoru: CO ,8 kj CH 4 + H 2 O -> CO + 3H 2 CO + H 2 O -> H 2 + CO 2 C + 2H 2 + 2H 2 O -> CH 4 + 2H 2 O -> 4H 2 + CO 2-250,3 kj (reforming) - 2,9 kj - 178,3 kj (wytw. wodoru)

16 Wykorzystanie opcji 3 w technologii ZEC węgiel CH 0,8 gazyfikacja 4,4 H 2 powietrze 2 H 2 2,4 H 2 2H 2 O wewnętrzne oddzielenie O 2 i utlenianie paliwa w SOFC ciepł o odpadowe powietrze bez O 2 elektryczność 0,4 H 2 O + śladowe zanieczyszcz. CH 4 + 0,4 H 2 karbonatyzacja CaO CaCO 3 odzyskiwanie CaO CO 2 do usunięcia popioły CaO + CO 2 -> CaCO ,33 kj C + 2H 2 + 2H 2 O -> CH 4 + 2H 2 O -> 4H 2 + CO 2-178,30 kj (wytw. wodoru)

17 Mineralizacja CO 2 Krzemiany magnezu węglan magnezu 1/3Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4 + CO 2 MgCO 3 + 2/3 SiO 2 + 2/3 H 2 O W przyrodzie ta reakcja trwa miliony lat, w procesie przemysłowym (wysoka temp., katalizator) ok. 1/2 h

18 Usuwanie zanieczyszczeń w technologii ZEC Paliwo, poziom zanieczyszczeń =0,05% X Produkcja wodoru poziom zanieczyszczeń =1,0% 20 X Wykorzystanie wodoru 1 X 18 X Wydajność usuwania zanieczyszczeń =50% 2 X Zanieczyszczenie usuwane w formie stałej lub ciekłej 1 X

19 Bilans M&E elektrowni 1 GW opartej na technologii ZECA 1 GW

20 "Trwoga i Nadzieja" nadzieje - istnieją technologie umożliwiajace zrównoważony rozwój - rośnie świadomość konieczności zmian w obecnej polityce energet. - Polska ma warunki na to, aby stać się w Europie znaczącym produ- centem energii obawy - potrzeby energetyczne krajów rozwijących się - gra interesów miedzynarodowych koncernów energetycznych