Gazyfikacja plazmowa przyszłościowa technologia przetwarzania/utylizacji/niszczenia odpadów. Tomasz Rawiński

Transkrypt

1 Fundacja Naukowo Techniczna Gdańsk Gazyfikacja plazmowa przyszłościowa technologia przetwarzania/utylizacji/niszczenia odpadów. Tomasz Rawiński Starogard, październik 2012r. Zagadnienia: 1. Podstawowe informacje o gazyfikacji plazmowej 2. Polityka rządu UK: Wielkiej Brytanii/ Zjednoczonego Królestwa w zakresie przetwarzania odpadów 3. Instalacja do plazmowej gazyfikacji odpadów budowana w TeesValeyw UK 4. Instalacje do plazmowej gazyfikacji odpadów budowane w Belgii i Francji

2 Podstawowe informacje o gazyfikacje plazmowej. Gazyfikacja proces konwersji organicznych oraz kopalnych materiałów węglowych na tlenek węgla, wodór i dwutlenek węgla. Następuje przez przetworzenie materiału w wysokiej temperaturze, ponad 700 C bez procesu palenia w obecności kontrolowanych ilości tlenu i/lub pary wodnej. Wynikiem gazyfikacji jest powstanie mieszanki gazów. Mieszanka określana jest jako gaz syntezowy w skrócie syngaz od ang. syngas. Energia uzyskiwana poprzez spalanie gazu syntezowego/syngazu powstającego w wyniku gazyfikacji uważana jest za energię odnawialną jeśli syngaz powstaje z biomasy lub odpadów.

3 Gazyfikacja zapewnia wyższą efektywność energetyczną niż spalanie materiału węglowego gdyż: spalanie gazu syntezowego następuje w wyższej temperaturze niżspalanie materiału węglowego - powoduje to powstanie większej ilość energii. gaz syntezowy może byćteżprzetworzony na paliwa płynne lub na wodór Gazyfikacja plazmowa: proces przetwarzania wsadu materiałowego w gaz syntezowy i odpad stały/zużel przy użyciu technologii plazmowych. Istnieją dwie technologie gazyfikacji plazmowej: gazyfikacja łukowa czyli gazyfikacja w łuku elektrycznym gazyfikacja mikrofalowa czyli gazyfikacja w polu elektromagnetycznym promieniowania mikrofalowego [tak jak w kuchence mikrofalowej]

4 Gazyfikacja łukowa / w łuku elektrycznym -następuje w łukowych palnikach/reaktorach plazmowych [ang. plasma torch]. Gazyfikacja mikrofalowa / w polu promieniowania mikrofalowego -następuje w reaktorach mikrofalowych zawierających generatory promieniowania mikrofalowego. Gazyfikacja mikrofalowa jest technologią w początkowej fazie rozwoju. Efektywnośćenergetyczna gazyfikacji mikrofalowej jest znacznie wyższa niż gazyfikacji łukowej. Można przyjąć, że jest to technologia przyszłości. IMP opracował mikrofalowy reaktor plazmowy małej mocy. Mikrofalowereaktory plazmowe dużej mocy opracowane zostały w Meksyku i są oferowane przez firmę amerykańską. Istnieje pilna potrzeba uruchomienia w Gdańsku prac nad takimi reaktorami. Sprawa będzie omówiona w oddzielnym referacie.

5 Łukowy palnik plazmowy zawiera łuk elektryczny. W łuku następuje przekształcanie wsadu materiałowego w: tzw. plazmę czyli gaz zjonizowany, odpady stałe -żużel [ang. slag] Wynikiem działania palnika plazmowego jest: gaz syntezowy, który może być podstawą generacji energii elektrycznej, odpady stałe o objętości bardzo małej w porównaniu do objętości wsadu materiałowego. Do palnika plazmowego podawany jest gaz obojętny. Gaz taki jest obojętny chemicznie i w warunkach danej reakcji chemicznej nie uczestniczy w jej przebiegu. Do gazów obojętnych zalicza się: azot, dwutlenek węgla, gazy szlachetne, a także parę wodną.

6 Palnik zawiera elektrody, które wykonywane sąz różnych materiałów jak np. miedź, tungsten, hafn, cyrkon, jak również różne stopy. Do elektrod przyłożone jest wysokie napięcie, który powoduje powstanie łuku elektrycznego i przepływ dużego prądu. Działanie palnika: Gaz obojętny pod wysokim ciśnieniem przepływa przez łuk i przekształca się w plazmę. Temperatura w palniku jest bardzo wysoka i wynosi od 2,200 do 13,900 C. Tak wysoka temperatura powoduje zerwanie wiązań molekularnych i rozpad molekuł na jony i elektrony. Powstaje tzw. plazma czyli gaz składający się z jonów i elektronów. Proces ten określany jest jako piroliza plazmowa. Wsad do przetwarzania plazmowego stanowiązwykle stałe odpady komunalne [ang. MSW: Municipal Solid Waste] odpady organiczne lub jedno i drugie. Wyniki gazyfikacji plazmowej: czysty wysokokaloryczny gaz syntezowy zawierający CO, H2, CH, etc.. stopień konwersji wsadu na gaz przekracza 99%. niepalne nieorganiczne składniki wsadu nie są rozbijane i tworzą odpady stałe.

7 Plazmowe przetwarzanie odpadów jest czyste ekologicznie. Brak tlenu i wysoka temperatura w palniku zapobiega powstawaniu toksyn takich jak: Furan [organiczny związek chemiczny, cykliczny eter] dioksyny dwutlenek siarki. Metale zawarte we wsadzie mogąbyćodzyskane z odpadu stałego/żużla. Obojętny żużel jest granulowany granulat może być użyty w budownictwie. Część gazu syntezowego może zasilać zainstalowane przy palnikach turbiny/silniki gazowe, które produkują energię elektryczną. Część tej energii może zasilać łuki elektryczne w palnikach. W ten sposób system staje się samowystarczalny energetycznie sam produkuje energię, której potrzebuje.

8 Pozostała energia może byćprzesyłana na zewnątrz np. do zasilania innych urządzeń lub sprzedana do sieci. Poziom efektywności energetycznej jest określony przez ilośćenergii możliwej do przekazania na zewnątrz. Gaz syntezowy może być też wykorzystany w inny sposób, np., do wytwarzania wodoru i paliw ciekłych. Wynikowa efektywnośćekonomiczna silnie zależy od sposobu wykorzystania gazu syntezowego i nie da się ogólnie określić. Zastosowania praktyczne/gospodarcze - komercjalizacja: Łukowa gazyfikacja plazmowa jest stosowana do niszczenia/utylizacji odpadów [ang. waste disposal]. W wielu miejscach na świecie istnieją zakłady łukowej gazyfikacji odpadów o dużej skali, o wielkości i przepustowości odpowiedniej dla miast. Zakłady lokalizowane są na wysypiskach. Jednym ze skutków gazyfikacji plazmowej może być oczyszczenie wysypisk

9 Łukowa gazyfikacja plazmowa jest też stosowana do niszczenia odpadów medycznych i niebezpiecznych. W okolicach Gdańska winna byćzastosowana do likwidacji hałdy fosfogipsu. Z punktu widzenia ochrony i czystości środowiska gazyfikacja plazmowa jako metoda niszczenia odpadów posiada istotne zalety: czyste niszczenie odpadów niebezpiecznych, przeciwdziałanie dostarczaniu odpadów niebezpiecznych na składowiska brak emisji substancji szkodliwych oraz brak odpadów toksycznych, wytwarzanie czystego zeszklonego zużla/odpadu stałego użytecznego jako materiał budowlany. Gazyfikacja plazmowa, jako metoda niszczenia odpadów posiada też pewne wady i słabości. Są to głównie choroby młodości. Jest to technologia nowa, w fazie szybkiego rozwoju. Technologia jest intensywnie ulepszana i wady są usuwane. Słabości te nie mogąbyćuznane za przesłanki rezygnacji ze stosowania gazyfikacji. Takie właśnie stanowisko reprezentuje rząd UK/ Zjednoczonego Królestwa, który zdecydowanie wspiera rozwój zastosowańgazyfikacji plazmowej.

10 2. Polityka rządu UK: Wielkiej Brytanii/ Zjednoczonego Królestwa w zakresie niszczenia/przetwarzania odpadów Rząd UK stoi na stanowisku, że niszczenie odpadów jest jednym z wielu rodzajów OZE: Odnawialnych Źródeł Energii. Polityka rządu UK w sprawie niszczenia odpadów prowadzona jest w ramach polityki wspierania rozwoju OZE. Politykęrządu UK wobec OZE realizuje Ministerstwo Energii i Zmian Klimatu ang. DECC: Department of Energy & Climate Change. Podstawowym mechanizmem rządu UK dla wspierania energetyki odnawialnej są tzw. RO: Renewables Obligation - Obowiązek Odnawialności. Mechanizm ten jest opisany na stronie renewable_ener/renew_obs/renew_obs.aspx

11 Certyfikaty Obowiązku Odnawialności, w skrócie ROC: RenewableObligationCertificates] wydaje biuro Ofgem: Office of the Gas and Electricity Markets = Biuro Rynków Gazu i Elektryczności. Certyfikaty ROC sąprzez Ofgemwydawane dla producentów energii ze źródełodnawialnych za każdą wyprodukowaną przez nich MWh: megawatogodzinę energii elektrycznej. ROC sąpodobne lub identyczne jak tzw. zielone certyfikaty wydawane w Polsce. Zielone certyfikaty służązapewnieniu producentom energii elektrycznej z odnawialnych źródełenergii możliwości wykazania, że [w rozumieniu dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych (Dz.Urz.UEL z 2009 r. Nr 140, str )] sprzedawana przez nich energia elektryczna jest wytwarzana z odnawialnych źródeł energii.

12 Producenci czystej energii mogąnastępnie sprzedawaćte Certyfikaty dostawcom energii elektrycznej ze źródełnieodnawialnych, aby mogli oni wykazaćsięwymaganym poziomem produkcji energii czystej. Poziom te wzrasta w każdym roku i ostatnio zostałustalony na 15%. Polityka rządu wobec OZE prowadzona jest w ten sposób, że ilośćcertyfikatów ROC wydawanych za jednąmwh: megawatogodzinęenergii jest różna dla różnych źródeł energii. Ilość tą, czyli przydział, określa DECC dla kolejnych okresów czasu. W ostatnim czasie DECC wprowadziło nowe zasady przydziału ROC dla różnych źródełenergii, które przedstawia tabela: Generation type ROCs per MegaWatt hour Landfill Gas Sewage gas Co-firing of biomass Onshore wind Hydro Co-firing of energy crops Energy from waste with CHP Co-firing of biomass with CHP 1 Geopressure Standard gasification Standard pyrolysis

13 Nowe zasady przydziału ROC dla różnych źródeł energii tabela cd Offshore wind Biomass 1.5 Co-firing of energy crops with CHP Wave Tidal stream Advanced gasification Advanced pyrolysis Anaerobic digestion Energy crops 2 Biomass with CHP Energy crops with CHP Solar photovoltaic Geothermal Tidal impoundment tidal barrage Tidal impoundment tidal lagoon Z punktu widzenia niszczenia odpadów istotne są rodzaje źródeł pokazane niżej Generation type Landfill Gas/ Gaz wysypiskowy ROCsper MWh 0.25 EnergyfromwastewithCHP/ Spalanie odpadów z generacją ciepła i elektryczności Standard gasification/ Gazyfikacja standardowa 1 Standard pyrolysis/ Pyroliza standardowa Advanced gasification/ Gazyfikacja zaawansowana Advanced pyrolysis/ Pyroliza zaawansowana 2

14 Definicje źródełenergii wymienionych w tabelach zawiera dokument pt. RenewablesObligation: Fuel measurement and sampling guidance wydany przez Ofgem 13 kwietnia April Wnioski: 1. Największy przydział ROC otrzymuje energia z gazyfikacji i pirolizy zaawansowanej. 2. Średni przydział ROC otrzymuje energia ze spalania odpadów oraz gazyfikacji i pirolizy standardowej. 3. Energia ze spalania gazu wysypiskowego otrzymuje bardzo niski przydział ROC.

15 Poziom przydziałów ROC zostałustalony w wyniku procesu konsultacji, który zostałzakończony w lipcu 2012 przez wydanie przez DECC dokumentu pt. Government response to the consultation on proposals forthe levels of banded support under the RenewablesObligation for the period and Proces konsultacji trwał długo ich podstawą były propozycje poziomu przydziału ROC, w których w szczególności dla spalania przewidywano poziom 0.5. Stawiało to w trudnej sytuacji wiele spalarni i było kontestowane. Ostatecznie rząd ustąpił, lecz można przyjąć, że spalanie odpadów uważa za rozwiązanie niekorzystne i będzie dążył do wprowadzenia poziomów przydziału zgodnych z początkowymi propozycjami.

16 Wnioski końcowe: Stanowisko rządu UK jest następujące: 1. najbardziej wspieranymi. gdyżnajbardziej efektywnymi i przyszłościowymi, technologiami niszczenia odpadów są zawansowana gazyfikacja i piroliza. 2. najbardziej celowa jest budowa zakładów niszczenia odpadów metodą gazyfikacji i pirolizy zaawansowanej 3. Instalacja do plazmowej gazyfikacji odpadów budowana w TeesValeyw UK Stanowisko rządu UK stało się podstawą działań firmy AirProductsandChemicals, Inc. [APD], Allentown, PA, USA. W dniu 7 sierpnia firma AirProductswydała oświadczenie, że będzie budowaći eksploatowaćw Wielkiej Brytanii największy na świecie zakład energetyki odnawialnej o

17 Zakład energetyki odnawialnej Tees Valley będzie: 1. produkowałenergięz odpadów [ EfW: Energy-from-Waste], 2. wykorzystywał technologię zaawansowanej gazyfikacji odpadów. 3. zlokalizowany w New Energy and Technology Business Park położonym blisko Billingham [powiat Teesside]. Będzie to pierwszy taki zakład w UK oraz największy zakład tego typu na świecie o mocy około 50MW. Firma Air Products (NYSE:APD) jest dostawcą gazów atmosferycznych, procesowych oraz specjalnych, jak równieŝ zaawansowanych materiałów, urządzeń oraz technologii. Działa od 70 lat, zatrudnia pracowników w 40 krajach. Zakres działania firmy obejmuje: materiały półprzewodnikowe, wodór rafineryjny, gazyfikację węgla, upłynniane gazu naturalnego, zaawansowane powłoki i kleje. W roku 2011 sprzedaŝ firmy wynosiła 10 miliardów dolarów, w roku 2015 przewidywane jest sprzedaŝ na poziomie 15 miliardów dolarów. Serwer firmy Firma posiada szeroką działalność w Polsce:

18 Zakład będzie znajdowałsięw lokalizacji z dobrym dostępem do infrastruktury energetycznej oraz blisko urządzeń wysypiska. Zakład będzie rocznie przejmowałz wysypiska ton odpadów nie nadających siędo odzysku w zgodzie z polityka UK w zakresie odzysku odpadów. W TeesValleybędzie zastosowana zaawansowana technologia gazyfikacji typu Westinghouse dostarczona przez firmę AlterNRG. Jest to wiodąca technologia typu EfW:Energy from Waste nowej generacji. Technologia gazyfikacji typu Westinghouse: 1. Umożliwia wytwarzanie szerokiej gamy użytecznych produktów takich jak ciepło, wodór, chemikalia oraz paliwa. 2. W dalszej perspektywie możliwa będzie instalacja urządzeńwytwarzania wodoru dla zastosowań praktycznych, w szczególności jako paliwa w transporcie publicznym. Więcej informacji pod adresem:

19 Firma AirProductszapewniła sobie niezbędne pozwolenia środowiskowe i planistyczne i planuje uruchomienie działania zakładu energii odnawialnej na rok W odniesieniu do przedsięwzięcia TeesValleywicepremier rządu UK Nick Clegg stwierdził: Oświadczenie firmy AirProductsodpowiada zaangażowaniu i wsparciu przez UK dla czystej energii, jak równieżtworzeniu stabilnego i transparentnego środowiska dla inwestorów. W związku ze skupieniem uwagi świata na UK tego lata, pracujemy ciężko przy pomocy programu Brytyjskich Ambasad Biznesu na rzecz udzielenia pomocy firmom brytyjskim i międzynarodowym w wykorzystaniu nowych handlowych i inwestycyjnych możliwości w celu dostarczenia bezpiecznych, pewnych, trwałych i inteligentnych ekosystemów energetycznych, od odbioru do użytkownika końcowego. John McGlade, prezes Rady Nadzorczej, prezydent oraz dyrektor wykonawczy firmy Air Products stwierdził: "The UK is committed to diversifying its sources of energy, strengthening its energy security and reducing carbon emissions. This pioneering clean energy technology model is well-suited to these requirements, offering a sustainable solution to the UK's waste management strategy.

20 Projekt TeesValleyopisany jest także w biuletynie firmy AlterNRGpt. NRG Focus. A GlobalOutlook z czerwca 2012r., gdzie stwierdza się: Pierwszy kwartałroku 2012 byłznaczącym okresem, gdyż Alter NRG zaczęła fabrykację UrządzeńWestinghousedla Gazyfikacji Plazmowej [ ang. Westinghouse Plasma Gasification Solution ] dlafirmyair Products.Do 31 marca 2012r. fabrykacja była wykonana w 7% i przebiegała zgodnie z planem i budżetem. I dalej: On December 22, 2011 Air Products issued a purchase order for $22.4 million for the Westinghouse Plasma Gasification Solution for their Tees Valley project in Northern England. The project is progressing full swing and we expect a very busy remainder of The project intends to take 950 tonnesper day of processed household waste and convert it into 49 MW of electricity, enough to power 50,000 homes.

21 4. Instalacje do plazmowej gazyfikacji odpadów we Francji i Belgii [Flandrii]. Francja Plazmowa gazyfikacja odpadów jest przedmiotem działania grupy Europlasma. Grupa Europlasmadziała w obszarze przemysłu czystych technologii oraz odnawialnej produkcji energii. Grupa powstała w roku 1992 w celu stosowania własnej technologii palników plazmowych. Obecnie zawiera cztery jednostki biznesowe: 1. Europlasma dostawca plazmowych systemów grzewczych i ich zastosowań 2. Inertam - globally specjalista w niszczeniu i recyklingu azbestu i odpadów niebezpiecznych 3. Europe Environnement - europejski ekspert w przemysłowej wentylacji oraz systemów czyszczenia gazu 4.CHO Power producent elektryczności z odpadów i gazyfikacji biomasy.

22 W dniu 21 czerwca 2012r. firma Europlasmawydała oświadczenie, że zostały zakończone prace budowlane przy budowie przez firmę CHO-Power zakładu przetwarzania odpadów i biomasy w Morcenx, Francja. Zakład będzie przetwarzałodpady przemysłowe i biomasę w energię poprzez gazyfikację wspomaganą przez technologię plazmową. W oświadczeniu stwierdza się, że jest to największy na świecie Zakład tego typu. Rozruch i odbiór zakładu jest planowany na przełomie lipca/sierpnia 2012r. Uruchomienie pracy zakładu z połowąmocy jest przewidywane na jesień Okres rozruchu zakładu do pełnej mocy 12MW przewidywane jest na jeden rok i rozpocznie się po odbiorze w lipcu/sierpniu. Pełny koszt zakładu wynosi ponad 4o mln euro. Rozważana jest budowa kolejnych podobnych zakładów przy udziale partnerów finansowych i lokalnych developerów.

23 W zakładzie stosowana jest technologia przedstawiona na rysunku. W dniu 27 sierpnia 2012 firma CHO-Power[główny właściciel zakładu przetwarzania odpadów i biomasy w Morcenx] wydała komunikat pt. 107 advanced gasification power plant to be built in the UK by 2030 Komunikat stwierdza, że zakończyła szczegółowe badania rynkowe, które wykazały, że do roku 2030 w Europie [ Germany, Austria, Belgium, Denmark, Spain, Finland, France, Greece, Italy, Ireland, Luxemburg, Netherlands, Portugal, UK, Sweden, Poland] konieczne będzie wybudowanie 650 nowych zakładów energetycznych z zaawansowaną gazyfikacją. Wymagajątego cele UE w zakresie energetyki odnawialnej.

24 Zastosowanie efektywnych technologii gazyfikacji pozwoli na stały wzrost w najbliższych latach udziału energii elektrycznej produkowanej z odpadów i biomasy. Studium SourceEurostat EU Trendsto 2030 Update 2009 Baseline scenario European Commission/ CHO Power analysis pokazuje: w latach między 2015 a 2030 winna być zainstalowana moc oceniana na 19,649 MWe; z tego 6,501 MWe będzie produkowane przy użyciu zaawansowanych technologii gazyfikacji podobnych do technologii CHO Power. Rozwój wielkości mocy na bazie zaawansowanych technologii gazyfikacji wg opracowania SourceEurostat EU Trendsto 2030 Update2009 Baseline scenario European Commission/ CHO Power analysis

25 Wg komunikatu szczególnie ważnym rynkiem dla zakładów wykorzystujących zaawansowanątechnologięgazyfikacji jest UK, gdzie przewiduje sięwybudowanie 107 takich zakładów o mocy ponad 1000 MWe. Jest to skutkiem wysokich kosztów wysypisk oraz wprowadzenia przez rząd UK systemu ROC: RenewableObligationCertficates, który zapewnia wsparcie dla technologii gazyfikacji. Belgia/Flandria W dniu26 maja2011r. firmy Advanced Plasma Power oraz Group Machiels wydałykomunikato utworzeniujoint venture mającego na celu likwidację istniejącego wysypiska śmieci [ ang. an enhanced landfill mining concept]. Firma Advanced Plasma Power (APP), UK oferuje rozwiązania do przetwarzania odpadów na energię.

26 Podstawąprojektu likwidacji wysypiska jest koncepcja Zamkniętego Obiegu [ang. TheClosingtheCircleconcept] opracowana przez firmę Group Machiels we współpracy z konsorcjum partnerów akademickich (KULeuven, VITO, UHasselt) pn. ELFM: Enhanced Landfill Mining Celem koncepcji jest wydobycie maksymalnej wartości w postaci materiałów i energii z istniejących wysypisk. Koncepcja Zamkniętego Obiegu ma byćzastosowana w projekcie dotyczącym wysypiska firmy RemoMilieubeheerNV [ podległej GroupieMachiels] w miejscowości Houthalen-Hechteren w Belgii. Na wysypisku znajduje się 16 milionów ton odpadów. Około 45% odpadów będzie odzyskanych jako materiał. Pozostałośćbędzie przetworzone przy pomocy technologii Gasplasma firmy AdvancedPlasmaPower, stanowiącej technologiętypu Energia z Odpadów [ang. waste-to-energy]. Zakłada siębudowęzakładu energetycznego zawierającego pięć jednostek Gasplasma o łącznej mocy od 75 do 100 MW.

27 Konsorcjum ELFM: Enhanced Landfill Mining ELFM jest to konsorcjum naukowców, akademików oraz firm, których celem jest przetworzenie starych wysypisk w czystą energię oraz użyteczne surowce. Jednym z pierwszych konkretnych projektów ELFM jest rewaloryzacja wysypiska RemoMilieubeheerw Houthalen-Helchterenzawierającego ponad 15 milionów ton odpadów. Przewiduje się, że projekt będzie trwał ok. 2o lat. W tym czasie wszystkie odpady będąprzetworzone i wysypisko będzie przekształcone w park przyrodniczy. Konsorcjum ELFM: Enhanced Landfill Mining Przez współpracęz konsorcjum ELFM z udziałem takich strategicznych partnerów jak KULeuven, VITO and UHasselt Flandria zamierza wprowadzić w życie koncepcję Zamkniętego Obiegu i stać się Centrum Kompetencji dla Zaawansowanej Likwidacji Wysypisk oraz Zaawansowanej Gospodarki Odpadami. Rozwiązania te będą oferowane w skali świata. Współpraca obejmuje innowacje techniczne uzupełnione o nowe modele biznesowe oraz nowe regulacje prawne.

28 Wnioski końcowe: 1. UK, Francja i Flandria angażująsięw technologie zaawansowanej gazyfikacji. 2.Należy nawiązaćwspółpracęz firmami i instytucjami działającymi w tej dziedzinie, przede wszystkim z konsorcjum ELFM: Enhanced Landfill Mining w celu zebrania maksymalnej wiedzy, 3. Przygotować opracowanie przedstawiające stan wiedzyi techniki w zakresie plazmowej gazyfikacji odpadów, 4. Uruchomić w Gdańsku projekt mający na celu opracowanie systemu mikrofalowej gazyfikacji dużej mocy.