ENERGIA A ŚRODOWISKO. Stanisław Drobniak Instytut Maszyn Cieplnych.

Transkrypt

1 ENERGIA A ŚRODOWISKO Stanisław Drobniak Instytut Maszyn Cieplnych drobniak@imc.pcz.czest.pl

2 EFEKT CIEPLARNIANY (1) Ilustracja zaczerpnięta z broszury Elektrowni Bełchatów. Pytanie: Czego tu brakuje?

3 EFEKT CIEPLARNIANY (2) Ilustracja zaczerpnięta z broszury Elektrowni Bełchatów. Pytanie: Czego tu brakuje? Podpowiedź: Spalenie 1 kg węgla daje 3 kg CO 2

4 EFEKT CIEPLARNIANY (3) Ilustracja zaczerpnięta z broszury Elektrowni Bełchatów. Pytanie: Czego tu brakuje? Podpowiedź: Spalenie 1 kg węgla daje 3 kg CO 2 Co to oznacza? Brakuje strzałki oznaczającej: 2 kg CO 2

5 EFEKT CIEPLARNIANY (4) Moc MW = 2160 MWe (elektryczna) MWc (cieplna) Sprawność projektowa 40 % (elektryczna)

6 EFEKT CIEPLARNIANY (5) ZuŜycie węgla 960 t / h ; Odpady = 165 t / h (popiół) + 60 t / h (gips) A ile CO2? około 3 tys. t/h

7 EFEKT CIEPLARNIANY (6) Ile CO 2 emitujemy do atmosfery?, czy jest to związane z produkcją energii? Odpowiedź jest oczywista istnieje wyraźny związek między ilością produkowanej energii i ilością spalanego węgla

8 EFEKT CIEPLARNIANY (7) Schemat zjawiska: 1. Słońce dociera do powierzchni przez atmosferę, 2. Część promieniowania ( zwłaszcza podczerwonego) jest odbijana od powierzchni i pochłaniana przez CO 2 (gaz cieplarniany) 3. Ciepło pochłaniane przez atmosferę ogrzewa ją i powierzchnię ziemi (efekt cieplarniany)

9 EFEKT CIEPLARNIANY (8) Uwaga, nie wszyscy zgadzają się z tym modelem zjawiska. Argument 1. Zdolność CO 2 do absorpcji ciepła jest zbyt mała do wywołania ocieplenia klimatu (znacznie więcej promieniowania podczerwonego pochłania para wodna).

10 EFEKT CIEPLARNIANY (9) Uwaga, nie wszyscy zgadzają się z tym modelem zjawiska. Argument 1. Zdolność CO 2 do absorpcji ciepła jest zbyt mała do wywołania ocieplenia klimatu (znacznie więcej promieniowania podczerwonego pochłania para wodna). Argument 2. Ocieplanie klimatu występowało w przeszłości wielokrotnie i nie było związane z emisją CO 2. Przykłady:

11 EFEKT CIEPLARNIANY (10) Temperatura oszacowana na podstawie badań geologicznych

12 EFEKT CIEPLARNIANY (11) Temperatura oszacowana na podstawie badań geologicznych

13 EFEKT CIEPLARNIANY (12) Uwaga, nie wszyscy zgadzają się z tym modelem zjawiska. Argument 1. Zdolność CO 2 do absorpcji ciepła jest zbyt mała do wywołania ocieplenia klimatu (znacznie więcej promieniowania podczerwonego pochłania para wodna). Argument 2. Ocieplanie klimatu występowało w przeszłości wielokrotnie i nie było związane z emisją CO 2. Argument 3. Ocieplenie klimatu musiałoby wywołać zwiększenie średniej prędkości wiatru,

14 EFEKT CIEPLARNIANY (13) Średnia prędkość wiatru nad oceanami

15 EFEKT CIEPLARNIANY (14) Jakie są argumenty zwolenników teorii ocieplenia klimatu? Argument 1. Zdolność CO 2 do absorpcji ciepła jest zbyt mała do wywołania ocieplenia klimatu (znacznie więcej promieniowania podczerwonego pochłania para wodna). Odpowiedź: Być moŝe nasza wiedza i nasze modele procesu pochłaniania energii fal podczerwonych w atmosferze są mało dokładne? para wodna łatwo się wytrąca (deszcze) i nie dociera do górnych warstw atmosfery?

16 EFEKT CIEPLARNIANY (15) Jakie są argumenty zwolenników teorii ocieplenia klimatu? Argument 2. Ocieplanie klimatu występowało w przeszłości wielokrotnie i nie było związane z emisją CO 2. Odpowiedź: Musimy przyjrzeć się temu dokładnie, oszacowania temperatury na podstawie badań geologicznych są mało wiarygodne i obarczone zbyt duŝym błędem. Przykład:

17 EFEKT CIEPLARNIANY (16) US National Oceanic and Atmospheric Administration data record drugim najcieplejszym rokiem (+0,63 C) oraz 2003 trzecimi na liście najcieplejszych lat (+0,56 C) temperatura powierzchni ziemi trzecia w historii (+0,83 C) temperatura oceanu druga w historii (+0,44 C) najwyŝsza w historii temperatura półkuli północnej (+0,64 C) bliska rekordowym temperatura półkuli południowej (+0,45 C) US National Snow and Ice Data Center: drugi kolejny rok najmniejszego w historii zasięgu pokrywy lodowej - wrzesień 2002 rekordowo niski zasięg pokrywy lodowej od początku obserwacji satelitarnych (1978)

18 EFEKT CIEPLARNIANY (16) TO DANE DO ROKU 2004? CO Z DANYMI TEGOROCZNYMI? był najcieplejszym rokiem w historii nie był rekordowo ciepły, ale: - góry lodowe w pobliŝu Australii atrakcją turystyczną

19 EFEKT CIEPLARNIANY (17) TO DANE Z OKOŁO 100 LAT? CZY MOśEMY PRZANALIZOWAĆ DANE Z DŁUśSZEGO OKRESU? - Jakimi technikami oszacowania temperatury w latach ubiegłych dysponujemy? - grubość słojów (przyrostów rocznych) drzew - grubość warstw osadów dennych w płytkich wodach

20 EFEKT CIEPLARNIANY (18) Source: Geophys. Res. Lett., 26, 759 (1999).

21 EFEKT CIEPLARNIANY (19) Czy ocieplenie klimatu jest związane z koncentracją CO 2 w atmosferze?

22 EFEKT CIEPLARNIANY (20) Koncentracja CO 2 -zapis z obserwatorium Mauna Loa (Hawaje) (Wyeliminowany efekt wysp ciepła )

23 EFEKT CIEPLARNIANY (21) TO DANE Z ZALEDWIE 50 LAT JAK WYGLĄDAJĄ DANE Z DŁUśSZYCH OKRESÓW? Czy dysponujemy techniką wyznaczania koncentracji CO 2 w dłuŝszych okresach czasu? Tak, to technika analizy składu powietrza w pęcherzykach powietrza uwięzionych w lodzie (program EPICA realizowany przez 10 krajów Europy, koordynowany przez Uniwersytet w Bernie).

24 EFEKT CIEPLARNIANY (22) Rdzeń lodowy uzyskany z odwiertu (lód wydobyty z głębokości 2874 m, szacowany wiek 491 tys. lat).

25 EFEKT CIEPLARNIANY (23) Lokalizacja odwiertu (głębokość 3300 m, teoretycznie moŝna przeanalizować dane sprzed miliona lat, do dziś udało się przeanalizować 650 tys. lat)

26 EFEKT CIEPLARNIANY (24) Wyniki badań składu powietrza z pęcherzy uwięzionych w lodzie

27 EFEKT CIEPLARNIANY (25) Dalsze wyniki: w okresie ostatnich 650 tys. lat stęŝenie CO 2 NIGDY nie przekroczyło 290 ppm (obecnie 380 ppm),

28 EFEKT CIEPLARNIANY (26) Uwaga: oprócz zawartości CO 2 istnieje teŝ moŝliwość wyznaczenia koncentracji metanu (którego koncentracja jest proporcjonalna do temperatury)

29 EFEKT CIEPLARNIANY (27) NAJWAśNIEJSZE WNIOSKI WYNIKAJĄCE Z ANALIZY RDZENI LODOWYCH Wniosek najwaŝniejszy: w trakcie ostatnich 650 tys. lat występowało 8 okresów chłodnych, przedzielonych okresami ocieplenia, w trakcie których średnie temperatury były niekiedy wyŝsze niŝ dzisiaj. Wniosek szczegółowy 1: średnie stęŝenie CO 2 nigdy nie przekroczyło 290 ppm (dziś 380 ppm), Wniosek szczegółowy 2:średnie stęŝenie metanu nigdy nie przekroczyło 600 ppb (dziś 1700 ppb), Uwaga: metan jest takŝe gazem cieplarnianym, uwalnianym w trakcie wydobywania ropy naftowej, węgla, fermentacji (takŝe gnilnej), produkowanym w duŝych ilościach przez zwierzęta, w odróŝnieniu od CO 2 metan nie jest absorbowany przez rośliny i oceany

30 EFEKT CIEPLARNIANY (28) NAJWAśNIEJSZE PYTANIE: Czy te wyniki są wiarygodne? Czy wyniki analizy składu powietrza z pęcherzy lodowych są zgodne z danymi z wyników rejestrowanych obecnie, przy uŝyciu precyzyjnej aparatury? Jak się o tym przekonać?

31 EFEKT CIEPLARNIANY (29) ZłoŜenie wyników precyzyjnych pomiarów z obserwatorium w Mauna Loa z danymi uzyskanymi z analizy rdzeni lodowych (ice cores), naniesiono tu takŝe wyniki pomiarów temperatury z danych rejestrowanych od 1880 r.

32 EFEKT CIEPLARNIANY (30) Jaki z tego wniosek: dane te są na tyle wiarygodne (i jednocześnie niepokojące), Ŝe powinniśmy powaŝnie zastanowić się nad obecnym sposobem produkcji i wykorzystania energii?

33 EFEKT CIEPLARNIANY (31) Dlaczego znak zapytania: czy moŝliwe jest, aby cała ludzkość postępowała tak lekkomyślnie, mimo całej wiedzy którą dysponujemy? A moŝe to fałszywy alarm?, w końcu słyszy się tyle katastroficznych prognoz (Maltus)?

34 EFEKT CIEPLARNIANY (32) Czego uczy historia dawna: masowe uŝywanie naczyń cynowych i rur ołowianych aŝ do średniowiecza, czy miało to konsekwencje?

35 EFEKT CIEPLARNIANY (33) Czego uczy historia najnowsza: kwaśne deszcze, zlikwidowane przez wprowadzenie na skalę masową norm ochrony powietrza, odsiarczanie spalin z elektrowni, katalityczne dopalanie spalin samochodowych

36 EFEKT CIEPLARNIANY (34) Czego uczy historia najnowsza: to duŝy sukces poczucia ogólnoświatowej odpowiedzialności, wprowadzenie norm ochrony środowiska zlikwidowało jedno z największych zagroŝeń dla ludzkiego zdrowia

37 CCS * (1) CZY EMISJA CO 2 JEST NIEUNIKNIONA? Spalanie węgla: C + O 2 = CO 2 + energia (nieunikniona emisja CO 2 ) Jaka jest sprawność tego procesu: energia w paliwie sprawność ( 40%) = energia elektryczna energia wytwarzana sprawność przesyłu ( 90%) = energia dostarczona energia elektryczna sprawność silnika ( 90%) = energia mechaniczna Wniosek: energia produkowana w sposób scentralizowany, wygodna w uŝyciu i względnie sprawna termodynamicznie ale brudna (emisja CO 2 ) * - Carbon Capture and Storage (CCS) - wychwytywanie i magazynowanie CO 2

38 CCS (2) CZY EMISJA CO 2 JEST NIEUNIKNIONA? Spalanie węglowodorów (ropa, gaz): C n H m + O 2 = CO 2 + (energia) + H 2 O + (energia) (emisja CO 2 oraz pary wodnej ze spalania wodoru) Jaka jest sprawność tego procesu: energia w paliwie sprawność przesyłu ( 90%) = energia dostarczona energia w paliwie sprawność silnika ( 40%) = energia mechaniczna Wniosek: energia przetwarzana w wygodny, zdecentralizowany sposób, sprawna termodynamicznie, znacznie czyściejsza bo ta część energii, która pochodzi ze spalania wodoru jest mniej szkodliwa dla środowiska, zatem?

39 CCS (3) CZY EMISJA CO 2 JEST NIEUNIKNIONA? Spalanie wodoru: 2 H + O = H 2 O (energetyka wodorowa) Czy to realna perspektywa?

40 CCS (4) CZY EMISJA CO 2 JEST NIEUNIKNIONA? Ogniwo PEM - atrakcyjna technologia, czysta (utlenianie niskotemperaturowe), brak ruchomych części, sprawne termodynamicznie ( 50% elektr.), moŝliwość wykorzystania odpadowego ciepła (wówczas sprawność do 70%), A więc nareszcie problem rozwiązany?

41 CCS (5) CZY EMISJA CO 2 JEST NIEUNIKNIONA? Stacja tankowania wodoru przedsiębiorstwa taksówkowego w Tokio

42 CZY EMISJA CO 2 JEST NIEUNIKNIONA? Spalanie wodoru: Czy to realna perspektywa? CCS (6) 2 H + O = H 2 O (energetyka wodorowa) - jeŝeli wodór ma być pozyskiwany przez elektrolizę wody, wówczas: energia w paliwie sprawność elektrowni ( 40 %) = energia elektryczna energia elektryczna sprawność elektrolizy ( 99%) = energia w wodorze energia w wodorze sprawność transportu ( 90%) = wodór dostarczony wodór dostarczony sprawność ogniwa ( 50%) = energia elektryczna energia elektryczna sprawność silnika ( 90%) = energia mechaniczna Wniosek: to czysta ale kosztowna i mało sprawna technologia, dodatkowo pojawiają się problemy z magazynowaniem i przesyłaniem wodoru, materiałami oraz problemy z zapewnieniem bezpieczeństwa

43 CCS (7) CZY EMISJA CO 2 JEST NIEUNIKNIONA? Najbardziej prawdopodobna odpowiedź : Prawdopodobnie energetyka wodorowa będzie ograniczona do transportu Kolejne pytanie: A moŝe źródła odnawialne? Odpowiedź:

44 CCS (8) CZY EMISJA CO 2 JEST NIEUNIKNIONA? Prognoza zapotrzebowania na energię opracowana przez Międzynarodową Agencję Energii (IEA International Energy Agency), źródła odnawialne kolor zielony

45 CCS (9) CZY EMISJA CO 2 JEST NIEUNIKNIONA? Udział odnawialnych źródeł energii ograniczony do kilkunastu procent, udział wodoru marginalny (nie pokazany na wykresie)

46 CCS (10) CZY EMISJA CO 2 JEST NIEUNIKNIONA? Najbardziej prawdopodobna odpowiedź : Prawdopodobnie będziemy jeszcze przez wiele lat skazani na uŝywanie paliw kopalnych (węgiel, ropa, gaz), bo odnawialne zródła energii to jedynie kilkunastoprocentowy margines a energetyka wodorowa jest zbyt mało sprawna. Jaki z tego wniosek: nadal będziemy emitować CO 2 do atmosfery Oczywiste pytanie: Czy to odpowiedzialne wobec przyszłości? Czy mamy inne wyjście?

47 CCS (11) JAK WYCHWYCIĆ CO 2? (CC * ) Metoda chemiczna obróbki spalin (Post combustion Capture): C + O 2 ( 21%) + N 2 (78%) = CO 2 + N 2 - Etap I przepuszczanie spalin przez kolumnę absorpcyjną zawierającą zawiesinę kropel monoetyloaminy (MEA) rozpuszczających CO 2 i przetłaczanie roztworu do oddzielnej kolumny desorpcyjnej, na wyjściu z kolumny sorpcyjnej otrzymujemy spaliny nie zawierające CO 2, - Etap II podgrzewanie MEA w kolumnie desorpcyjnej, uwalniające CO 2 w rezultacie na wyjściu kolumny desorpcyjnej otrzymujemy czysty CO 2, gotowy do dalszego przerobu oraz MEA gotowe do powtórnego uŝycia w kolumnie sorpcyjnej, Charakterystyka metody: moŝe być uŝyta do wychwytywania CO 2 w kaŝdym typie elektrowni spalającej paliwa kopalne, jednak jest to metoda kosztowna * - Carbon Capture wychwytywanie węgla

48 CCS (12) JAK WYCHWYCIĆ CO 2? (CC) Metoda chemiczna obróbki spalin (Post- combustion Capture) przykład realizacji instalacji pilotowej w Elsam Esbjerg(Norwegia): Wydajność : 1 tona CO 2 / godz. Finansowanie: Projekt EU CASTOR

49 CCS (13) JAK WYCHWYCIĆ CO 2? (CC) Metoda chemiczna obróbki paliwa (Pre combustion Capture): C + O 2 ( 21%) + N 2 (78%) + H 2 O (para) = CO 2 + H 2 + N 2 - Etap I katalityczne zgazowanie węgla, prowadzące do uzyskania mieszaniny CO 2, wodoru (czystego paliwa) oraz balastu (azot), - Etap II wychwycenie CO 2 przed podaniem pozostałej mieszaniny do komory spalania, - Etap III spalenie pozostałej mieszaniny (wodór + azot) i wyprodukowanie energii, - Charakterystyka metody: moŝe być uŝyta do wychwytywania CO 2 w kaŝdym typie elektrowni spalającej paliwa kopalne, dodatkowo instalacja moŝe być uŝyta do wytwarzania wodoru dla potrzeb środków transportu (ogniwa PEM),

50 CCS (14) JAK WYCHWYCIĆ CO 2? (CC) Przykład instalacji demonstracyjnej Pre Combustion Capture, opracowywanej przez RWE (Niemcy)

51 CCS (13) JAK WYCHWYCIĆ CO 2? (CC) Spalanie tlenowe (Oxy Fuel Combustion): C + O 2 ( 21%) + N 2 (78%) = CO 2 + H 2 + N 2 (spalanie tradycyjne) C + O 2 = CO 2 (spalanie tlenowe węgla) C n H m + O 2 = CO 2 + H 2 O (spalanie tlenowe węglowodorów) - Etap I przeróbka powietrza w celu wyodrębnienia tlenu i pozbycia się balastu (azot), - Etap II spalanie paliwa w czystym tlenie i uzyskanie znacznie mniejszej masy spalin zawierających tylko CO 2 (spalanie węgla) lub mieszaninę CO 2 oraz pary wodnej (spalanie węglowodorów) - Etap III wychwycenie CO 2 - Charakterystyka metody: metoda ekonomiczna w porównaniu z pozostałymi technikami CC

52 CCS (16) JAK WYCHWYCIĆ CO 2? (CC) Przykład instalacji demonstracyjnej Oxy Fuel Combustion opracowywanej przez Vattenfall Europe dla elektrowni Schwarze Pumpe (Niemcy) moc 30 MW

53 CCS (17) JAK WYCHWYCIĆ CO 2? (CC) DOSTĘPNE METODY CC - CHEMICZNA METODA ODZYSKIWANIA CO 2 ZE SPALIN (Post Combustion Capture), - CHEMICZNA METODA USUWANIA WĘGLA Z PALIWA (Pre Combustion Capture ), - SPALANIE PALIW KOPALNYCH W ATMOSFERZE CZYSTEGO TLENU ( Oxy Fuel Combustion).

54 CCS (18) JAK WYCHWYCIĆ CO 2? (CC) PODSUMOWANIE METOD CC - Koszty metody: koszt fazy CC (Carbon Capture) stanowi % całkowitych kosztów CCS (Carbon Capture and Storage), - Granica opłacalności: koszt / tonę CO 2, - Zakładana sprawność: 90% wychwytywanego CO 2 Wniosek: faza CC jest krytycznym ogniwem procesu CCS, technologia Oxy Fuel Combustion wydaje się być najbardziej obiecującą, szczególnie atrakcyjne rozwiązanie dla krajowego przemysłu (moŝliwość czystego spalania węgla).

55 CCS (19) JAK MAGAZYNOWAĆ CO 2? (CS) Wydobycie ropy naftowej wymaga dziś wspomagania złóŝ. Dlaczego: długotrwała eksploatacja zmniejszyła ciśnienie w złoŝach. Jak wspomaga się złoŝa: pompowanie wody do warstw roponośnych, dziś nawet 95% objętości wydobywanej cieczy moŝe stanowić woda (washing machine effect)

56 CCS (20) JAK MAGAZYNOWAĆ CO 2? (CS) Efekt uboczny wspomagania: pompowanie duŝej ilości wody do złoŝa podnosi koszty i jest marnotrawieniem energii. Jak temu zaradzić: podnieść ciśnienie w złoŝu poprzez wtłoczenie gazu (dlaczego nie miałby to być CO 2?)

57 CCS (21) JAK MAGAZYNOWAĆ CO 2? (CS) Dodatkowy efekt uboczny wspomagania: odgazowana ropa ma znacznie większą lepkość, podnosi to koszty pompowania, Jak temu zaradzić: podnieść ciśnienie w złoŝu poprzez wtłoczenie gazu (dlaczego nie miałby to być CO 2?)

58 CCS (22) JAK MAGAZYNOWAĆ CO 2? (CS) Rezultat: juŝ dziś w złoŝa ropy na Morzu Północnym wtłacza się kilka milionów ton CO 2, to doskonały sposób magazynowania CO 2

59 CCS (23) JAK MAGAZYNOWAĆ CO 2? (CS) Inne moŝliwości magazynowania CO 2 : podwodne złoŝa węgla nie przewidziane do eksploatacji (unmineable coal seams), głębokie pokłady solanki (deep saline aquifiers), wyczerpane złoŝa węgla i gazu (depleted oil and gas resorvoirs).

60 CMI CARBON MITIGATION INITIATIVE (1) Carbon Mitigation Initiative to wspólny projekt : - Princeton University - British Petroleum (BP) -Ford

61 CMI CARBON MITIGATION INITIATIVE (2) Ustalenia CMI: - dziś emisja CO 2 to 7 mld ton -bez zmiany obecnej polityki w r będzie to 14 mld ton Jakie konsekwencje dla klimatu?

62 CMI CARBON MITIGATION INITIATIVE (3) Jeden klin to: - podwojenie sprawności wszystkich samochodów na świecie, krotny wzrost ilości wszystkich kolektorów słonecznych na świecie, - CCS z 800 wielkich elektrowni konwencjonalnych (2/3 całej mocy światowej),

63 CMI CARBON MITIGATION INITIATIVE (4) Jeden klin to: - zainstalowanie najnowszych swietlówek i zaizolowanie wszystkich budynków na świecie (uwaga: to 2 kliny) - 50-krotny wzrost mocy elektrowni wiatrowych

64 CMI CARBON MITIGATION INITIATIVE (5) Jeden klin to: - potrojenie mocy elektrowni jądrowych (bo energetyka jądrowa nie emituje CO 2 )

65 CMI CARBON MITIGATION INITIATIVE (6) Prognoza zapotrzebowania na energię opracowana przez Międzynarodową Agencję Energii (IEA International Energy Agency), Energetyka jądrowa (Nuclear power) kolor Ŝóty - udział nie przekraczający w Ŝadnym roku kilku procent całej zainstalowanej mocy

66 CMI CARBON MITIGATION INITIATIVE (7) Energetyka jądrowa (Nuclear power) kolor Ŝóty Potrojenie mocy zainstalowanych w energetyce jadrowej, potrzebne do zaoszczędzenia jednego klina CO 2, nie powinno być zbyt trudne (patrz niski udział energetyki jądrowej na wykresie powyŝej), a przecieŝ to oznaczałoby osiągnięcie 1/7 załoŝonego celu

67 CMI CARBON MITIGATION INITIATIVE (8) Jeden klin to: - podwojenie sprawności wszystkich samochodów na świecie (nierealne ze względów technicznych), krotny wzrost ilości wszystkich kolektorów słonecznych zainstalowanych dziś na świecie (prawdopodobnie moŝliwe, chociaŝ kosztowne), - CCS z 800 wielkich elektrowni konwencjonalnych, tj. 2/3 całej dzisiejszej mocy zainstalowanej na świecie (prawdopodobnie konieczne i moŝliwe to 3500 razy większa skala od wydajności instalacji zainstalowanej w 1974 w złoŝu Sleipner przez Statoil dla usuwania nadmiaru CO 2 z gazu ziemnego), - zainstalowanie najnowszych swietlówek i zaizolowanie wszystkich budynków na świecie (uwaga: to aŝ 2 kliny prawdopodobnie moŝliwe) -50-krotny wzrost mocy elektrowni wiatrowych (prawdopodobne), - 3-krotny wzrost mocy zainstalowanych w elektrowniach jądrowych (realne)