Wyzwania technologiczne

Transkrypt

1 1

2 2

3 Wyzwania technologiczne Stabilizacja CO2 w atmosferze pojazdy: sprawność, Biopaliwa, wodór, ogniwa Pojedyńcza technologia czy polityka nie rozwiążą problemu Różnice rregiony - zasoby rynki - preferencje skala - technologie wymagania czasowe - infrastruktura Odnawialne źródła energii Budownictwo energooszczędne, przemysł, CHP Biopaliwa i paliwa alternatywne Elektrownie jądrowe IV generacji Sekwestracja CO 2 ) Sieci przesyłowe 3 Canadian Hydrogen Association, 2006

4 Paliwa Procesy Opcje magazynowania 4

5 Dojrzałość technologiczna CCS Oxyspalanie Wychwytywanie ze spalin IGCC Separacja Mineralna karbonatyzacja Deponowanie w oceanach Wydobycie metanu w kopalniach węgla Złoża gazu i ropy Formacje solne Transport CO2 jako produkt Odzysk ropy Faza badawcza Faza demonstracyjna Ekonomicznie wykonalna pod pewnymi warunkami Dojrzała rynkowo 5 Report Cambridge University Press, 2005

6 Technologie ograniczenia CO 2 Wychwytywanie CO 2 ze spalin Konwersja paliwa do H 2 i CO 2 przed spalaniem - wychwytywanie z gazu syntezowego (IGCC) Spalanie w tlenie zamiast w powietrzu - oxy spalanie Spalanie w atmosferze gazowej wzbogaconej tlenem (kotły pyłowe i fluidalne) 6

7 Stopniowe ograniczanie emisji CO 2 dzięki Technologii Zielonego Węgla 100% Technologia Zielony Węgiel umożliwia osiągnięcie emisji CO 2 na poziomie elektrowni gazowych Względny poziom emisji CO 2 80% 60% 40% 20% 0% Nowoczesne Nowoczesne podkrytyczne nadkrytyczne Stare podkrytyczne Zaawansowane współspalanie biomasy Modernizacja Wychwyt podgrzewu i składowanie wody CO 2 zasilającej IGCC CCGT 7

8 (KONWENCJONALNE) SPALANIE WĘGLA W W POWIETRZU vs SPALANIE WĘGLA W W TLENIE 8 3

9 Wzbogacanie powietrza w tlen dodawanie O 2 do dysz doprowadzających powietrze do komory spalania (wzbogacanie tlenowe), wtryskiwanie O 2 do płomienia (O 2 lancing), dostarczanie osobno powietrza i czystego tlenu do komory spalania (spalanie powietrzno-tlenowe), zastępowanie powietrza czystym tlenem (spalanie tlenowe). 9

10 Spalanie w tlenie rys historyczny Zastosowania w procesach wysokotemperaturowych wzbogacanie tlenem w procesach produkcyjmych szkło aluminium Spawanie cement Cięcie Polerowanie Redukcja NOx Oszczędności paliwa pełne spalanie w tlenie spalarnie stalownie miedź Przemysł szklarski Kotły węglowe Redukcja CO ? Energetyka Sekwestracja CO 2 IGCC Oxy spalanie 10

11 obecnie Historia oxy-spalania Spawanie, cięcie Oxy-spalanie przy produkcji szkła, aluminium, w przemyśle cementowym Koncepcja oxy-spalania węgla z recykulacją spalin Instalacje laboratoryjne i pilotażowe 3 MWt EERC/ANY GB 2.5 MWt IFRC Holandia 1.2 MWt IHI Japonia 1.5 MWt B&W USA 0.3 MWt CANMET, Kanada 0.1 MWt CFB CzUT, Polska 0.5 MW Instytut Energetyki, Polska Duże jednostki pilotażowe Kilka projektów demonstracyjnych 11

12 Kraj Projekt Technologia Wychwytywanie CO2 Status Australia Japonia Callide 30 MWe IHI, CBH, Siemens 250 km transportem drogowym ZłoŜa gazu grudzień lat eksploatacji Kanada Saskpower 450 MWe B&W kocioł ALE (O2&CO2) Odzysk ropy Weyburn 2007 Francja Lacq bitumen Paliwo gazowe i ciekłe 30 MWt Alstom (kocioł) ALE (palniki & O2) 150 kt CO2 w wyrobiskach gazu przez 2 lata 2007 Niemcy Vattenfall Schawarze Pumpe 30 MWt węgiel brunatny Alstom (kocioł) Linde (O2&CO2) CO2 (przemysł spoŝywczy) Wyrobiska gazowe Uruchomienie sierpień 2008 USA Barberton CEDF Ohio 30 MWt B&W AEP American Air Liquide Bez wychwytywania Uruchomienie 2008 USA Jupiter Orville 25 MWe Jupiter Oxygen Corporation 25% gazu przetwórstwo Bez magazynowania Projekt zakończono w

13 Schemat procesu ASU Separacja tlenu z powietrza Recyrkulacja spalin Suszenie spalin powietrze węgiel Gaz wylotowy Prawie czysty CO 2 podane procenty są procentami molowymi Reaktor do separacji CO 2 Hermsdorf 13i inni. TUHH 2005

14 Spalanie fluidalne w tlenie Kocioł CFB Zalety spalania CFB w tlenie: Elastyczność paliwowa (węgiel kamienny, brunatny, biomasa itd) Paliwo węgiel koks naftowy biomasa Para Niskie emisje bez dodatkowych instalacji Stężenie tlenu w CFB może być wyższe niż w PC. Niższe temperatury w CFB, wyrównany strumień ciepła, lepsza kontrola temperatury Możliwość znacznej redukcji gabarytów kotła CFB przy spalaniu w tlenie bardzo szybkie spalanie Powietrz e ASU lub inne źródło tlenu O 2 recyrkulacja ESP Możliwość dostosowania istniejących bloków CFB do spalania w tlenie N 2 CO2 sekwestracja CO 2 14

15 Elektrownia węglowa CFB Oxy Obieg parowy & Generator Sterowanie, nadzór Inert Filtr elektrostatyyczny CO 2 Podgrzewacz CO 2 Oczyszczanie & Sprężanie CFB Popiół wentylator zanieczyszczenia Mixer N 2 węgiel kontrola przepływu O 2 O 2 Cryo ASU Powietrze Energy and Resources Conference, New York, Dec

16 Rozwój OxyCFB Foster Wheeler Proxair Foster Wheeler OXYCFB Concept -Design 500 MWe OXYCFB Demo MWe -O2 (21 35 %) Demo 2 OXYCFB OTU Unit -250 MWe PHASE 1: OXYCFB Process study OXYCFB power plant Cost study Market study EU Consort. Demo 1 R&D in consortiums EU Consortium Demo 2 Private R&D 16

17 ENCAP Oxy Technologie PC oxy 600 MWe węgiel kamienny PC oxy 1000 MWe German węgiel brunatny PC oxy 380 MWe Greek węgiel brunatny CFBOXY 450 MWe węgiel kamienny 17

18 Separacja tlenu i sprężanie CO 2 wymagają znacznej ilości energii co w efekcie powoduje obniżenie sprawności o 8-12% Fuel input 2026MW 100% Original electricity output 865MW (42.7%) CO 2 compression 71 MW 3.5% Air separation 137 MW 6.8% 689MW output 34% Efficiency (net), % Cooling 1084MW (53.5%) Auxiliaries 45 MW 2.2% Reference plant O2/CO2 plant Foster Wheeler, Częstochowa,

19 Flue gas recycle Flue gas condenser CO 2 COMPR. Oxygen 80 m 100 m ASU 1 ASU m Dodatkowy obszar pod zabudowę ASU i instalacji wychwytywania CO2 19

20 Absorpcja CO2 w kotle 500 MWe absorbery regeneratory 35 m wymienniki ciepła 20 Frontiers. BP Magasine, April 2008

21 Adsorpcja na sitach molekularnych 21 Gottlicher G. MVV Energie, March 2003

22 Projekt demonstracyjny Oxy CFB CO 2 -Rich Flue Gas Feed Vent CO 2 Compressor Water Dryer Carbon beds Proces podobny do komercyjnej produkcji CO 2 Czystość > 95% z jednym stopniem separacji >99% można osiągnąć w kolumnach dystylacyjnych Technologie alternatywne - VPSA, Membrany Energy and Resources Conference, New York, Dec

23 Produkcja tlenu w membranch OTM 800 C, 1.3 bar Wysokotemperaturowa produkcja tlenu Ceramic Autothermal Recovery CAR Membrane area for Nm ³ /h O2: m ² 23 Tautz H. Linde LE. CO2NET, Warsaw, April, 2008

24 OXYCFB Wpływ wzbogacania powietrza tlenem 21 % tlenu w gazie wlotowym 60 % tlenu w gazie wlotowym 2 przypadki, 600 MW th : 600 MWth INTREX O 2 21 %: tradycyjne spalanie w powietrzu. O 2 60 %: 60 % gazu wprowadzanego do CFB stanowi O 2. Strumień gazu wynosi 40 % w stosunku do spalania w powietrzu. Całkowita objętość komory zmalała do 38 % m x 20.3 m x 9.4 m 45.0 m x 12.5 m x 5.3 m H x D x W Foster Wheeler 24 Energia Oy, 2006

25 SEPARACJA CO 2 ze spalin w kotłach zasilanych mieszankami wzbogaconymi tlenem ZEOLITY I SITA MEZOPOROWATE AKTYWNOŚĆ BADAWCZA Synteza i modyfikacja zeolitów oraz materiałów mezoporowatych, z czystych chemicznie źródeł Si oraz na bazie popiołów lotnych, celem otrzymania adsorbentów o: - dużej powierzchni właściwej, - dużej średnicy i objętości porów, - możliwie najwyższej pojemności sorpcyjnej, - wysokiej selektywności względem CO 2. MODYFIKACJA PEI: Skrócenie czasu regeneracji adsorbentu. Efektywna adsorpcja CO2 przy jego niskim stężeniu. Wysoka selektywność względem CO2. Zachowana pojemność sorpcyjna w wyższych temp. Brak wrażliwości na wilgoć w spalinach. Analiza pojemności sorpcyjnej i selektywności syntezowanych związków względem CO 2, z użyciem: - metod termograwimetrycznych, - laboratoryjnej instalacji PSA (wkrótce). 25

26 SYMULACJE NUMERYCZNE UKŁADÓW ENERGETYCZNYCH Z KOTŁEM REALIZUJĄCYM SPALANIE TLENOWE UKŁAD BAZOWY UKŁAD z SEPARACJĄ CO 2 Wykorzystanie narzędzi numerycznych opartych na klasycznych algorytmach optymalizacyjnych oraz zaawansowanych kodach genetycznych w celu: - optymalizacji parametrów procesowych - optymalizacji struktury obiegów Kompleksowa analiza układów energetycznych, uwzględniająca niestandardowe elementy, jak: - proces przygotowania paliwa (np. suszenie) - produkcja tlenu - spalanie w atmosferach modyfikowanych O 2 /CO 2 - separacja CO 2 ze spalin 26

27 Foster Wheeler Czestochowa Co-operation Activities 2008: Hot test rig CFB Commissioning of the test rig pretesting Test runs and measurements reference test run typical polish coal analysis of pilot operation scale-up factors combustion profiles population balances emissions test runs with various fuels brown coal, biomass Comparement with large-scale boilers 27

28 Opcje magazynowania geologicznego Nienadające się do eksploatacji cienkie pokłady węgla 30 Ft CO 2 Możliwość zmagazynowania dwuletnich emisji z 2030 r. Wybrane złoża ropy i gazu Głębokie słone warstwy wodonośne Gt CO2 Możliwość zmagazynowania letnich emisji z 2030 r. 930 Gt CO 2 Możliwość zmagazynowania 50- letnich emisji z 2030 r. 28 Report Cambridge University Press, 2005

29 Projekty magazynowania CO 2 na świecie 29 Report Cambridge University Press, 2005

30 Magazynowanie w oceanie 30 Report Cambridge University Press, 2005

31 Mineralna karbonatyzacja Serpentyn, talk, oliwin Krzemiany wapniowe i magnezowe, odpady 31 Report Cambridge University Press, 2005

32 32 CO 2 w wydobyciu ropy

33 Magazynowanie CO 2 w pokładach węglaw nienadających się do eksploatacji 33

34 Redukcja objętości CO2 z głębokością 1000 m3 CO2 na powierzchni CO2 w postaci gazowej Przejście fazowe Głębokość krytyczna głębokość w km 34 Frontiers. BP Magasine, April 2008 CO2 w postaci cieczy nadkrytycznej

35 TECHNIKA SEPARACJI CO 2 ADSORPCJA FIZYCZNA Pilotażowe elektrownie z adsorpcyjną separacją CO 2 (PSA, PTSA) Pilotażowa instalacja PSA-CO 2 (Japonia) Przepływ spalin 1700 Nm 3 /h Sprawność separacji CO 2 99% Emisja CO 2 400kg/h Temperatura O C Ciśnienie adsorpcji 1,1 atm Ciśnienie desorpcji 0,2 atm Pilotażowa instalacja PTSA-CO 2 (Japonia) Przepływ spalin 1000 Nm 3 /h Sprawność separacji CO 2 99% Emisja CO 2 190kg/h Temperatura O C Ciśnienie adsorpcji 1,1-1,2 atm Ciśnienie desorpcji 0,3-0,5 atm 35 Żródło: J.Ch.J Vol.29, No.4, 1992

36 ROZWÓJ ADSORPCYJNYCH METOD SEPARACJI CO 2 Wybór efektywnego adsorbentu Optymalizacja procesu dla instalacji w skali wielkoprzemysłowej Integracja instalacji separacji CO 2 z elektrownią 36

37 Wychwytywanie, składowanie i chemiczna utylizacja CO 2 Celem chemicznej utylizacji CO 2 jest zaprojektowanie procesów chemicznych, które pozwolą na konwersję odseparowanego i wychwyconego CO2 w użyteczne produkty. 37 Źródło:

38 UTYLIZACJA CO 2 (stan obecny) Synteza mocznika i czystych chemikaliów takich jak kwas acetylosalicylowy, Ciekły i stały CO 2 jako czynnik chłodzący żywność (w chłodnictwie). Nasycanie dwutlenkiem węgla napojów (saturacja). Neutralizujący czynnik alkalicznych odpadów. Źródło inertnego gazu w procesach produkcyjnych. CHEMICZNA UTYLIZACJA CO 2 nanorurki węglowe w produkcji nanosensorów 38 Źródło: Aresta 1998

39 Koncepcja separacji CO 2 ze spalin metodą adsorpcyjna (PSA) i jego chemiczna utylizacja (produkcja metanolu) CH 4 Źródło: A.Kather, Workshop CO 2-Capture, Utilization and - Storage, January,

40 Koncepcja procesu tri-reformingu metanu z użyciem spalin kołowych pochodzących z elektrowni spalających węgiel lub gaz ziemny 40 Źródło: C.Song et al.., Stud Surf Sci Catal, 2004, 153, 411

41 CCS Koszty Wychwytywanie w elektrowni US$/tCO 2 Wychwytywanie w przetwórstwie gazu i produkcji amoniaku Wychwytywanie w innych procesach Transport CO US$/tCO US$/tCO US$/tCO 2 transportowanego na 250km Magazynowanie geologiczne US$/tCO 2 Magazynowanie w oceanach 5-30 US$/tCO 2 wtłaczany Mineralna karbonatyzacja US$/tCO 2 41

42 PODSUMOWANIE Zauważa się rosnącą aktywność badawczą w zakresie szeroko pojętego spalania tlenowego. Skala prowadzonych na świecie prac eksperymentalnych jest imponująca. Wkrótce można spodziewać się pierwszych danych procesowych z instalacji demonstracyjnej. Dla krajów takich jak Polska, możliwość sekwestracji CO 2 wynikająca z realizacji spalania tlenowego, będzie oznaczała dalszą niezależność energetyczną przy zachowaniu produkcji energii elektrycznej z węgla, pomimo wciąż zaostrzających się przepisów regulujących dopuszczalne limity emisji gazów cieplarnianych. 42