Część 2: Perspektywiczne technologie bezemisyjne, w tym z wykorzystaniem CO2 w obiegach siłowni cieplnych

Transkrypt

1 Część 2: Perspektywiczne technologie bezemisyjne, w tym z wykorzystaniem CO2 w obiegach siłowni cieplnych

2 Technologia tzw. Chemical Looping Istota rozwiązania zamiast komory spalania w układzie turbiny gazowej mamy 2 oddzielne reaktory, tj. utleniający (OX) i redukcyjny (RED), które w efekcie spełniają tę samą rolę co klasyczna komora spalania Jako związki w reaktorach stosowane są metale i tlenki metali (np. Ni/NiO)

3 Ogólne zasady bezemisyjnych obiegów energetycznych w technologiach węglowych Prawie wszystkie koncepcje bezemisyjnych technologii węglowych przyjmują następujące załoŝenia: spalanie gazowego paliwa węglowego następuje w atmosferze czystego tlenu, tlen uzyskiwany jest poprzez separację powietrza (najczęściej kriogeniczną lub membranową), gazy odlotowe są częściowo zawracane do komory spalania, ditlenek węgla jest odprowadzany z układu w stanie ciekłym lub nadkrytycznym.

4 Technologie ZEP Obieg GOOSTWEG (Yantovski, 1991)

5 Technologia Clean Energy Systems (CES) Koncepcja robocza

6 Obieg GRAZ o mocy 600 MWe (p max = 5 MPa, TIT= C, η t = 54.1%) (Jericha i in., ASME Paper GT )

7 Schemat obiegu AZEP (koncepcja Sintef i NTNU)

8 Obieg AZEP separator ITM

9 Obieg MATHIANT (Mathieu & Yantovski, 1996)

10 Obieg ZEITMOP wersja zmodyfikowana (Yantovski i in. 2004)

11 Porównanie sprawność dla róŝnych technologii bezemisyjnych (Bolland, GHG-7/2004)

12 Otrzymywanie tlenu z powietrza - jonowy separatora membranowy (ITM) Materiały - perovskity : La 1-x A x Co 1-y B y O 3-δ (gdzie: A moŝe stanowić Sr, Ba lub Ca, natomiast B Fe, Cu lub Ni) Równanie Nernsta: j O = σ irt ln 2 2 Ln F p p 2 '' ' O 4 O j o2 - strumień jonów O 2 przepływających przez membranę [mol/m 2 s], σ i - przewodnictwo jonowe [S/m], R - uniwersalna stała gazowa [J/molK], T - temperatura [K], L - grubość membrany [m], n - ładunek przenoszonego jonu, F - stała Faradaya [C/mol], p o2 - ciśnienie cząstkowe tlenu po stronie zasilania, p o2 - ciśnienie cząstkowe tlenu po stronie odbioru, t el elektronowa liczba przenoszenia (przewodnictwo elektronowe) 2 2

13 Zintegrowany zespół membranowej separacji tlenu (ITM) oraz reaktora (CC) (Yantovski, Górski 2002)

14 Przykładowe rezultaty obliczeń obiegu ZEITMOP C02 C02 + H20 POWIETRZE ,5 ZEITMOP -Ocena obciąŝeń spręŝarek i turbin Block Break Power Mass flow Efficiency Isentr. head Pressure P in P out [kw] [kg/s] [%] [kj/kg] [bar] [bar] T-AIR ,82 0, ,2 12,73 0,89 T-PR ,14 0, ,7 14,25 1,1 S-CH ,640 0, ,5 1,00 15,0 T-CO ,95 0, ,2 85,9 15,0 S ,71 0, ,9 1,00 5,1 S ,71 0, ,4 4,95 23,0 S ,71 0,850 82,5 22,3 90,0 S-AIR ,37 0, ,4 1,01 15, = , ,5 0,6 0, s[kj/kgk] Wykres T-s obiegu ZEITMOP

15 Obieg ZEITMOP wpływ maksymalnej temperatury na sprawność cieplną obiegu (z uwzględnieniem strat) η 0 [%] MPa 12 MPa 15 MPa 18 MPa 21 MPa η 0 [%] without HE3 with HE T [ o C] T [ o C] Obieg bez regeneratora HEX3 Obieg z regeneratorem HEX3

16 Układ bezemisyjnego systemu zaopatrzenia budynku w ciepło (Yantovski, Górski, 2006)

17 Koncepcja układu hybydowego z ogniwem paliwowym (SOFC) (Bolland, 2006) Ogniwo stało-tlenkowe (SOFC) spełnia tu rolę komory spalania

18 PilotaŜowa instalacja Vattenfall (koszt: 70 mln Euro)

19 Vattenfall Group project - Oxyfuel CHP (35 MWe + 60 MW; Schwarze Pumpe)

20 MoŜliwy scenariusz realizacji technologii ZECA (wg koncepcji: Vision21 )

21 Dylematy wyboru technologii bezemisyjnej Technologie CES są juŝ dostępne dlaczego nie budujemy juŝ nowych obiektów? Produkcja energii z wychwytem i oddzielaniem CO2 jest nieekonomiczna: - Dodatkowe koszty wynoszą średnio Eurocentów/kWh El - Dla mocy bloku 400 MW oraz 8000 godz. pracy, rocznie dodatkowe koszty sięgają mln Euro Ponadto niepewne są limity i taryfy emisji CO2, stąd brak oceny, która z technologii będzie najkorzystniejsza (optymalna)? Inne obawy związane z bezpieczeństwem podziemnego magazynowania CO2

22 Na koniec parę uwag krytycznych PoniewaŜ kryzys klimatyczny wymaga podjęcia natychmiastowych działań, realne rozwiązania muszą być gotowe do wdroŝenia na duŝą skalę najszybciej, jak to moŝliwe. CCS nie będzie dostępne wystarczająco wcześnie. Według Programu UNDP, technologia CCS pojawi się zbyt późno, by pomóc światu uniknąć niebezpiecznych zmian klimatycznych. Brakuje obecnie duŝych elektrowni opalanych węglem, które wychwytywałyby CO2, nie mówiąc o tych, które mają gotowe miejsca do jego składowania. Technologia CCS mogłaby być zastosowana na skalę przemysłową najwcześniej w 2030 r. Międzyrządowy Panel ds. Zmian Klimatu (IPCC) nie spodziewa się, by technologia CCS stała się powszechnie uŝywana przed drugą połową obecnego stulecia. Nawet wtedy 40-70% sektora produkcji energii elektrycznej nie będzie przystosowane do wychwytywania ditlenku węgla.

23 Uwagi c.d. Samo wychwytywanie i składowanie CO2 zuŝywa bardzo duŝo energii od 10 do blisko 40% wytwarzanej przez elektrownię energii. ObniŜenie efektywności elektrowni nawet o 20%, spowodowałoby konieczność budowy jednej dodatkowej elektrowni na cztery juŝ istniejące CCS spowoduje równieŝ zwiększone zuŝycie wielu innych surowców. Elektrownie wyposaŝone w tę technologię będą zuŝywały ok. 80% więcej słodkiej wody, niŝ pozostałe. Zmniejszy to zasoby wodne, które i tak kurczą się pod wpływem zmian klimatu Technologia ta, oparta na niepewnych kalkulacjach, jest ryzykowna i technicznie trudna do wykonania w ciągu najbliŝszych 20 lat. UŜycie technologii CCS jako uzasadnienia dla budowy nowych elektrowni opalanych węglem jest mało skuteczne. Elektrownie węglowe capture ready stanowią zagroŝenie dla klimatu. Właściwy kierunek działań wskazuje energia pozyskiwana ze źródeł odnawialnych i poprawa efektywności energetycznej, a nie technologie CCS. (Uwagi przedstawione w raporcie GREENPEACE z maja 2008r.)

24 Opracowano na podstawie: 1.E. Yantovski, J. Górski, M. Shokotov: Zero Emissions Power Cycles, CRC Press, Strony internetowe 3.Materiały własne (KsiąŜka dostępna na rynku, cena ok. 320 PLN)