Węgiel przyszłościowy nośnik czystej energii

Transkrypt

1 Węgiel przyszłościowy nośnik czystej energii Zbigniew BIS Warszawa, 19 styczeń 2017

2 Aktualne problemy polskiej energetyki

3 Struktura zainstalowanej mocy wytwórczej w Polsce w latach

4 Pokrycie handlowe dobowej krzywej zapotrzebowania krajowego (wartości średnie rok 2020). Potrzeba elastycznej pracy dużych bloków węglowych w perspektywie roku 2020!

5 Dobowa zmienność stężeń zanieczyszczeń z bloku z kotłem pyłowym opalanym węglem kamiennym z instalacją SNCR przy zmianach obciążenia

6 Dobowa zmienność stężeń zanieczyszczeń z bloku z kotłem pyłowym opalanym węglem kamiennym z instalacją SNCR przy rozruchu do stabilnego obciążenia

7 Palnik cyklonowy dla zwiększenia elastyczności kotła (Propozycja PCz)

8 Koncepcja palnika cyklonowego PC3 - Spalanie części lotnych oraz produktów procesu zgazowania paliwa PC2 - Suszenie i odgazowanie paliwa =piroliza! PC1 - Spalanie i zgazowanie pozostałości koksowej 8

9 Koncepcja zabudowy grupy palników cyklonowych 9

10 Zabudowa paleniska cyklonowego w układzie kotła pyłowego Stabilizacja procesu spalania pyłu węglowego przy niskiej mocy kotła 10

11 Konstrukcja paleniska cyklonowego 11

12 3 m/s CO 2 +paliwo 0.2-2g/s 3 m/s O 2 / CO 2 60%/40% 12

13 Witrifikacja popiołu

14 Węgiel tak, ale Poddany wstępnemu przetwarzaniu - PIROLIZA

15 Światowa podaż energii pierwotnej [ Mio TOE ] Ropa naftowa Węgiel Gaz Energ. wodna Sektor prywatny Energ. jądrowa Energ. odnawialna Lata

16 Podstawowe założenia KIE PCz odnośnie energetycznego wykorzystania węgla (nie tylko kamiennego, brunatnego, )

17 Węgiel jest najbardziej rozpowszechnionym źródłem energii z paliw kopalnych dostępny dla światowej gospodarki, Piroliza węgla jest dobrą metodą do produkcji paliw płynnych i innych środków chemicznych; jednakże wydajność tych produktów jest ograniczona ze względu na niską zawartość wodoru w węglu, Hydropyrolysis, proces pirolizy w atmosferze wodoru, jest skutecznym sposobem na poprawę wydajności i jakości produktów, Wysoki koszt czystego wodoru utrudnia jej zastosowanie przemysłowe!, Możliwe jest dostarczanie H 2 do węgla z innych materiałów bogatych w wodór, takich jak odpady z tworzyw sztucznych, polimerów, pozostałości ropy naftowej i gazu koksowniczego.

18 Piroliza węgla z biomasą Bardzo dobrym, łatwo dostępnym, odnawialnym, neutralnym CO 2, źródłem H 2 jest biomasa, W porównaniu z węglem, biomasa cechuje się znacznie wyższym ilorazem H/C (van Krevelen), W porównaniu z węglem, piroliza biomasy daje 5 16 razy więcej H 2, Na przebieg pirolizy węgla pozytywnie wpływa obecność molekuł CO, CO 2, H 2, CH 4, H 2 O, itd., które są szybko uwalniane z biomasy, w wysokiej temperaturze, Alkalia, szczególnie K, Na, Ca i Mg, obecne w biomasie katalitycznie oddziaływają na pirolizę węgla.

19 Piroliza węgla z biomasą wyniki PCz B/90w 80 m(t)/m 0 *100 [%] B/70w+9%sorb. 50/50 mas. Biomasa wegiel 30B/70w 50/50 vol t [s]

20 Piroliza węgla z biomasą Realizacje praktyczne 1. Niskoemisyjne Paliwo Biokompozytowe NPB (Wspólne uwęglanie biomasy i węgla propozycja PCz)

21 SMOG w Krakowie 2015

22 Wspólne uwęglanie biomasy i węgla oczyszcza oba paliwa ( m.in. usuwa Hg)

23 Brykiety niskoemisyjnego paliwa biokompozytowego

24 Struktura niskoemisyjnego paliwa biokompozytowego

25 Spalanie NPB

26

27

28 NPB Emisje CO2/SO2/ Wartość opałowa węgiel -95 kg CO2 /GJ; 0,54 kg SO2 /GJ; W d = 23 MJ/kg NPB 67kg CO2 /GJ; 0,08 kg SO2 /GJ; W d = 25 MJ/kg Redukcja: CO2 30%, SO2-85%, Poprawa kaloryczności- prawie 10%

29 Piroliza węgla z biomasą Realizacje praktyczne 2. Węglowe Ogniwa Paliwowe Direct Carbon Fuel Cell - DCFC

30 Gęstość energii magazynowanie energii Jednostkowa zawartość energii [ kwh/l ] Węgiel 2 - Wodór 3 - Metan 4 - Biomasa surowa 5 - Biomasa sucha 6 - Węgiel brunatny 7 - Węgiel kamienny 8 - Olej opałowy Rodzaj paliwa

31 Zależność uzysku energii z różnych paliw z uwzględnieniem sprawności procesów przetwarzania FC ogniwo paliwowe, CR parowy obieg Clausiusa-Rankine a. Jednostkowy uzysk energii elektr. [ kwh/l ] ,1 0,01 Metan - FC Wodór - FC 0,001 0,001 Biocarbon zmielony i sprasowany - FC 0,01 0, Jednostkowa zawartość energii [ kwh/l ] Węgiel -FC Węgiel brunatny - CR Biocarbon surowy - CR Biomasa sucha - CR Biomasa surowa - CR Węgiel kamienny - CR

32 Schemat działania węglowego ogniwa paliwowego

33 Rozwój własnej koncepcji KIE PCz PROTOTYP I Stal węglowa PROTOTYP II Stal nierdzewna PROTOTYP III Nikiel 6 ma/cm 0,8 V P max = 5 mw/cm 2 6 ma/cm 0,8 V P max = 5 mw/cm 2 WZROST EFEKTYWNOŚCI 64 ma/cm 0,8 V P max = 57 mw/cm 2

34 Węglowe ogniwo paliwowe w KIE PCz 1 doktorat (wyróżniony), 15 publikacji w tym 7 z listy JCR (łączny IF = 21, CI = 26, lista MNiSW :lista A =165, lista B = 27) ) 34

35 Charakterystyki pracy ogniwa zasilanego różnymi paliwami Napięcie [V] 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Grafit Sadza Biowęgiel Węgiel kamienny Gęstość mocy [mw/cm 2 ] 0, Gęstość prądu [ma/cm 2 ]

36 Osiągi ogniwa zasilanego różnymi paliwami weglowymi Maksymalna gęstość mocy [mw/cm 2 ] GRAFIT BIOWĘGIEL (ŁUSKA SŁONECZ.) BIOWĘGIEL (SOSNA) BIOWĘGIEL (WIERZBA) BIOWĘGIEL (JABŁOŃ) SADZA WĘGIEL DRZEWNY WĘGIEL KAMIENNY??? PALIWO KOMPOZYTOWE

37 Porównanie maksymalnych gęstości modelu PCz osiągami podobnych ogniw na świecie Maksymalna gęstość mocy [mw/cm 2 ] Uniwersytet Hawajski (USA) Biowęgiel (T=518 K) Węgiel aktywny (T=773 K) Węgiel kamienny (T=723 K) Elektroda grafitowa (T=903 K) Elektroda grafitowa (T=948 K) Uniwersytet Browna (USA) Politechnika Częstochowska SARA (USA) Uniwersytet West Virginia (USA)

38 Porównanie maksymalnych gęstości mocy modelu PCz z innymi rozwijanymi na świecie ogniwami z elektrolitami węglanowymi i stałymi Maksymalna gęstość mocy [mw/cm 2 ] Uniwersytet Saint Andrews (UK) Sadza (T=1173 K) Sadza (T=1273 K) Biowęgiel (T=1123 K) Węgiel kam. (T=723 K) Węgiel kam. (T=1173 K) Węgiel aktyw. (T=1073 K) Węgiel aktyw. (T=1073 K) Węgiel kam. (T=1223 K) ZAE Bayern (DE) Instytut Energetyki Politechnika Częstochowska Uniwersytet Akron (USA) Akademia Górniczo- Hutnicza LLNL i CE (USA) Stanford Research Institute (USA)

39 Maksymalna gęstość mocy [mw/cm 2 ] Sadza (T=1173 K) 2. Sadza (T=1273 K) 3. Biowęgiel (T=1123 K) 4. Węgiel kam. (T=723 K) 5. Węgiel kam. (T=1173 K) 6. Węgiel aktyw. (T=1073 K) 7. Węgiel aktyw. (T=1073 K) 8. Węgiel kam. (T=1223 K) Uniwersytet Saint Andrews (UK) SOFC +MCFC SOFC ZAE Bayern (DE) SOFC Instytut Energetyki Politechnika Częstochowska SOFC Uniwersytet Akron (USA) SOFC Akademia Górniczo- Hutnicza MCFC LLNL i CE (USA) SOFC +MCFC Stanford Research Institute (USA)

40 Porównanie sprawności badanego modelu ogniwa oraz innych rozwijanych na świecie ogniw z elektrolitami węglanowymi i stałymi Jednostka badawcza Sprawność Temperatura Paliwo elektrochemiczna [K] [%] Politechnika Częstochowska 673 Biowęgiel 0,66 V Uniwersytet Saint Andrews (UK) 973 węgiel aktywny 0,7 V Scientific Applications & Research Associates (SARA) Inc. (USA) 903 elektroda grafitowa 0,6 V CellTech Power (USA) 1273 ęgiel 0,77 V Contained Energy LLC 1123 rozdrobniony grafit 0,6 V Direct Carbon Technologies węgiel 1178 LLC, Stanford University aktywny 0,68 V

41 Piroliza węgla z biomasą Realizacje praktyczne 3. Biowęgiel (Termoliza biomasy, duże zainteresowanie na świecie propozycja PCz)

42 Bilans węgla w przyrodzie tak było? Dokąd zmierzamy!? 5% Większość gleb rolnych w Polsce (średnia grubość 25 cm): tc/ha przy % humusu ( % C)

43 Bilans węgla w przyrodzie a spalanie biomasy Dokąd zmierzamy?! ZAKRES DEFORESTACJI Sekwestracja C = 0! Zaw.C O!, Mniej niż 26 tc/ha degradacja gleby konieczna rekultywacja!

44 Ciepło spalania i wartość opałowa biomasy o różnej zawartości wilgoci W g *10-3, W d *10-3 [kj/kg] W g (X H2O )=(1-X H2O )W dry g Granica palnosci W g - stan analityczny W d - stan analityczny W g - stan suchy W d - stan suchy W d - stan roboczy W d (X H2O )=(1-X H2O )W dry g - r*((1-x H2O )*hdry +X H2O ) X H2O *100 [%]

45 Spalanie drewna - peletów

46

47 An example biochar

48 4,5 5,5 6,5 Przebieg procesu autotermicznej waloryzacji 40 6,0 5,0 Ciepło spalania [MJ/kg] ,0 4,0 h = 3,5 % ANTRACYT 4,5 c = 80 % Biocarbon I 60 Biocarbon II WĘGIEL KAMIENNY WĘGIEL BRUNATNY DREWNO Substancje lotne [%] 35 SŁOMA

49 Biowęgiel

50 Różne biomasy w procesie termolizy

51 Autotermiczne Wytwarzanie Biowęgla k AWP k (biocarbon), bioc 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 bioc k (biocarbon) k Cieplo do zagospodarowania AWP Biomasa w stanie roboczym 0,3 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 X [kg H2o / kg paliwa ]

52 Uwęglanie - redukcja zanieczyszczeń Relative concentration [-] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Fuel Biochar Hg Cl Na K Mg Ca P S

53 Biocarbon i toryfikacja doświadczenia P. Cz. toryfikacja uwęglanie

54 Bilans węgla w przyrodzie CCS + Energia Propozycja! Zainteresowanie na całym świecie Biochar in soil Sekwestracja C fotosynteza Biowegiel + microby + nawozy

55 Struktura biowęgla

56 Dodatek do gleby Poprawa żyzności, retencja wody, CCS

57 Sorpcja i desorpcja wody przez ziarno biowęgla Przyrost masy [%] Ubytek masy [%] 70 Zmiana masy [%] Czas [h]

58 Desorpcja wody wpływ pochodzenia biowęgla oraz rozmiaru ziaren 1,0 Jednostkowa zawartośc wody [kg H20 kg dry ] biochar 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 d h Biowęgiel z SMC Biowęgiel z pofermentu Biowęgiel z osadów ściekowych 0, Czas [min]

59 Wpływ dodatku biowęgla do gleby badania P.Cz

60 Wpływ dodatku biowęgla do gleby badania P.Cz Miskant

61 Wpływ dodatku biowęgla do gleby badania P.Cz Miskant Poletko porówn. BC 3 BC 7,5 BC 10 BC 7,5 + gnojowica

62 Wpływ dodatku biowęgla do gleby badania P.Cz Miskant

63 Fragment korzenia kukurydzy z poletka doświadczalnego

64 Fragment korzenia kukurydzy z poletka doświadczalnego

65 ORMUS (Orbitally Rearranged Monoatomic Elements) koloidalny roztwór białego złota, zawierający ponadto takie pierwiastki jak iryd, rod, ruten i platynę. Firma INWEX z Kielc udowodniła, że wpływa on na wzrost roślin łatwo dodać go do biowęgla

66 Retencja wody i składników nawozowych w obrębie systemu korzeniowego

67 Saletra amonowa NH 4 NO 3 - emisja związków azotu

68 Dead zone w Zatoce Meksykańskiej spowodowana spływającymi nawozami

69 Zastosowanie biowęgla w glebie powoduje: Poprawę wzrostu roślin, ( 30% PCz, ) Hamuje emisję metanu ( do 100%), Zmniejszenie emisji tlenków azotu (do 50%), Poprawę albedo i właściwości termicznych gleb,(ia PAN, ) Zmniejszenie wymagań nawozowych (do 20%) Redukcję wypłukiwania nawozów do wód pod- i naziemnych, Redukcję kwasowości gleb,( 1 pkt. PCz, ) Absorbcję i neutralizację substancji toksycznych (m.in. środki ochrony roślin), Poprawę gospodarki wodnej w glebie, (PCz, ) Poprawę dostępność N, Ca, K, P i Mg dla roślin (N bio do 72% ), Poprawę agregacji elementów kompleksu sorpcyjnego gleby, Poprawę wymiany kationowej (50%), Poprawę warunków rozwoju kolonii mikrobów i grzybów (40%), Trwale utrzymuje pierwiastek C poza atmosferą (CCS) (PCz, )

70 BECCS, BC potencjał sekwestracji w ton CO 2 /ha biowęgiel do gleby 35 - fotosynteza - wzrost roślin 1,4 - zastąpienie wapna palonego 48 - produkcja elektr. w BC 42 - produkcja NH 4 HCO Razem 350,4 (przy 18 mln ha,daje potencjał 6,5 Gton C! co dla PGE -42%udz.w rynku daje czas 430 lat! ) Do tego należy dodać także ograniczenie emisji CH 4 (m.in. z procesów gnicia oraz procesu trawienia pokarmów przez zwierzęta hodowlane ) oraz efekt rolnictwa precyzyjnego

71 Gdzie można produkować i stosować biowęgiel?! Światowy potencjał deponowania biowęgla 430 Gton C - co przy tempie 4,1*10-6 Gton/rok daje Światu czas ponad 100 lat!

72 Piroliza węgla z biomasą Realizacje praktyczne 4. Bioregiony cyrkularne Bio-energy with carbon capture and storage (BECCS) Zeroemisyjna Strefa Zrównoważona Energetycznie (ZSZE) Gmina Zrównoważona Energetycznie (GZE)

73 BIOREGIONY CYRKURALNE Zrównoważone systemy energii odnawialnej, w tym biorafinerie oraz systemy dystrybucji energii prosumenckiej ukierunkowane na uzyskanie zerowego poziomu energii netto oraz niskiego poziomu emisji dwutlenku węgla Materiały Kongresu Biogospodarki Łódzka Deklaracja Bioregionów Łódź, 6 października 2016

74 Bioregion Cyrkularny

75 Integracja biogazowni/oczyszczalni ścieków z reaktorem uwęglania pofermentu Poprawa efektywności energetycznego wykorzystania biomasy dodatkowa energia w gazach z reaktora uwęglania, Stabilizacja oraz przetworzenie pofermentu w paliwo (bez o.ś.), sorbent (np. H 2 S) lub użyteczny produkt rolniczy polepszacz gleby oraz źródło sekwestracji CO 2, fosforu i innych pierwiastków nawozowych, Powiększenie bazy surowcowej biomasy dla produkcji biowęgla.

76 Parametry peletów pofermentu i osadów ściekowych przed i po uwęgleniu W h Ash VM W g C H N S [%] [%] [%] [kj/kg] [%] [%] [%] [%] Pelet surowy (air dried) 9,50 6,10 66, ,05 7,25 1,70 0,300 Biowegiel (dry) Uzysk = 24,5 % 0,00 19,76 0, ,43 1,24 1,85 0,302 Osad ściek. (air dried) 8,30 30,95 52, ,23 6,27 4,15 1,9 Biowęgiel (dry ) Uzysk = 41,3 % 0,00 74,54 0, ,34 0,73 1,65 1,4 Max. energia w gazach spalinowych = % Min. energia w biowęglu = 27-28%

77 Pelety pofermentu przed po uwęgleniu

78 Osad ściekowy przed po uwęgleniu

79 Zużyty Kompost Popieczarkowy w Polsce ok Mg/rocznie Nie wolno składować emisja H 2 S, przypadki śmiertelnego zatrucia, Nasycenie gleb w okolicach pieczarkarni, Wysoki koszt transportu, Marne perspektywy stosowania jako paliwo ze względu na wilgotność (do 60%) i wysoką emisję SO 2 (w składzie obecny gips), Zawiera do 2% azotu, 0,2 % fosforu, 1,5% potasu po obróbce cieplnej (zgazowaniu patent PCz) możliwy odzysk energii i wymienionych pierwiastków.

80 Zużyty kompost popieczarkowy po odzysku energii doskonały nawóz i CO 2 sink!

81 Użyteczne ciepło w spalinach z reaktora AWP 1,0 Q uz /(m dry W dry ) [-] g 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 Poferment kj/kg Osady_sciekowe kj/kg SMC kj/kg Zrebka kj/kg 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 X [kg H2O /kg biomasy ]

82 Instalacja Zalążkowa Bioregionu Cyrkularnego Chłód Ciepło systemowe Energia elektryczna Biomasa leśna Biomasa agro Uprawy energetyczne Zielonki Kiszonki Osady ściekowe Odpady przemysłu przetwórstwa rolnego Biodegradowalna frakcja z odpadów Poprawa wzrostu biomasy i absorpcji CO 2 Mechaniczne przygotowanie surowca Chłodziarka absorpcyjna Silnik gazowy Biogazownia Kocioł odzyskowy Reaktor uwęglania Paliwo Nawozy Środki do oczyszczania (węgiel aktywny) Ogniwa paliwowe Emulsje paliwowe Zgazowanie paliw Poligeneracyjne Przetwarzanie Energii Biomasy Turbina Parowa Silnik Stirlinga Zgazowanie+silnik

83 Model reaktora pianowego do wychwytu CO2

84 IOS CO2 AC Spaliny do chłodni kominowej lub komina Biowęgiel +NH 4 HCO 3 Biowęgiel +NH 3 Woda + CO 2 Woda Spaliny (CO 2 ) chłodzenie NH 3

85 Naturalne CCS

86 Zakład Odzysku Energii FLUID Sędziszów

87 Zakład Odzysku Energii FLUID Sędziszów Uroczyste otwarcie

88 Osiągnięcia KIE PCz : 1 monografia habilitacyjna, 1 praca doktorska, ponad 22 publikacji naukowych, 4 patenty (1 wdrażany przez Fluid Sędziszów, 1 wdrażany przez Grill-Impex, 1 wdrażany przez Zrzeszenie Producentów Pieczarek ), 4 zgłoszenia patentowe reaktorów dla autotermicznego uwęglania rozdrobnionej biomasy i jej odpadów, 1 patent na paliwo emulsję wodno-biowęglową (wykorzystanie zimnej plazmy i kawitacji), 1 zgłoszenie patentowe na niskoemisyjne paliwo biokompozytowe, 1 zgłoszenie patentowe na nawóz na bazie biowęgla.

89 Nowa instalacja do produkcji węgla drzewnego dla produkcji brykietu do grilla

90 Mobilna instalacja gazogeneratora 50 kwe, 120 kwth

91 Dziękuję za uwagę Więcej informacji