Politechnika Śląska w Gliwicach Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych www.imiue.polsl.pl WYBRANE OPCJE ROZWOJU TECHNOLOGII WĘGLOWYCH W OKRESIE TRANSFORMACJI ENERGETYKI Tadeusz CHMIELNIAK Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechnika Śląska Rola zgazowania węgla oraz innych nisko emisyjnych technologii węglowych w okresie transformacji polskiej energetyki, AGH Kraków 15 04 2019
Polityka klimatyczna ONZ, UE MOTYWACJE Różne scenariusze osiągnięcia celu głównego całkowita dekarbonizacja gospodarki i celów cząstkowych Implikacje gospodarcze i społeczne Poszukiwanie odpowiednich rozwiązań technologicznych ( miks paliwowy i technologiczny) Poszukiwanie odpowiednich systemów zarządzania Gwarancja bezpieczeństwa energetycznego Transformacja energetyki o Identyfikacja stanu początkowego o Stan pożądany systemu energetycznego (Polityki rozwoju energetyki) o Minimalizacja kosztów osiągnięcia stanu pożądanego o Dostępność dojrzałych (niezawodność, akceptowalność ekonomiczna) technologii o Ewolucja energetyczna gospodarki ( przebudowa technologii) o Dekarbonizacja transporu o Zmiana kierunków i obszarów badawczych (przekształcenie i budowa potencjału badawczego www.imiue.polsl.pl 2
MOŻLIWE (POŻĄDANE) SCENARIUSZE ROZWOJU Rodzaje niepewności i ryzyka w otoczeniu rozwoju energetyki Stan obecny i przewidywalna przyszłość Dominacja paliw organicznych Rosnące zapotrzebowanie na elektryczność Polityka istotnego ograniczenia emisji Rozwój technologii odnawialnych (wiatr, słońce, biomasa) o niskiej gęstości energetycznej Stadium początkowe rozwoju zeroemisyjnych technologii paliw organicznych KIEDY? ZA JAKĄ CENĘ? Stan pożądany: Zeroemisyjne technologie Energetyczne: -Produkcja energii oparta w całości o źródła odnawialne JAKI STAN BEZPIECZEŃSTWA TECHNOLOGICZNEGO, EKONOMICZNEGO I EKOLOGICZNEGO? -Mix paliw organicznych jądrowych i źródeł odnawialnych optymalizowany dla lokalnych warunków paliwowych -Dominująca rola energetyki jądrowej i źródeł odnawialnych
Ostatnia dekada Energia pierwotna 2006/2015 Zmiany w zużyciu energii pierwotnej i w wytwarzaniu elektryczności w Polsce. Okres 2006 2015 (2016), Źródła: Key World Energy Statistics, International Energy Agency (IEA); Key World Energy Statistics, IEA, 2008 ; Wyzwania paliwowe, technologiczne i ekologiczne dla polskiej energetyki. Praca zbiorowa pod. Redakcją T. Chmielniaka, M. Pawlika, J. Malko, J. Lewandowskiego. Opracowanie Komitetu Problemów Energetyki PAN, Wyd. Pol. Śl., Gliwice Zużycie energii pierwotnej, Mtoe (per capita, toe) Zużycie energii elektrycznej 1), TWh (per capita, kwh) Łączne zużycie 97.8 / 94.9 Mtoe Nośniki energii, % Węgiel 57/55.66 Gaz 12/14.21 Ropa i produkty naftowe 25/25.03 OZE i inne 6.1/5.1 Emisja CO2, Mt (t CO2/toe) Emisja CO2/ PKB - USD, (kg CO2/ PKB-SNP) Kraj, 2006 2015 2006 2015 2006 2015 2006 2015 region Świat 11740 (1. 8) 13647 (1. 86) 17377 (2659) 22386 (3052) 28003 (2. 39) 32294 (2. 37) 0. 74 (0. 49) 0. 43 (0. 31) OECD 5537 (4. 7) 5259 (4. 12) 9 872 (8381) 10234 (8016) 12874 (2. 32) 11720 (2. 23) 0. 44 (0. 41) 0. 24 (0. 25) USA 2320.7 (7.74) 2188.3 (6. 8) 4052.24 (13315) 4128. 5 (12833. 25) 5696.77 (2. 45) 4997. 5 (2. 28) 0. 51 (0. 51) 0. 3 (0. 3) Chiny 1897 (1. 44) 2987 (2. 17) 2716 (2060) 5593 (4057) 5 648 (2. 98) 9085 (3. 04) 2. 44 (0. 63) 0. 99 (0. 49) Niemcy 348. 56 (4. 23) 307. 8 (3. 77) 590. 98 (7175) 579 (7015) 823. 46 (2. 36) 729. 8 (2. 37) 0. 41 (0. 37) 0. 20 (0. 21) Czechy 46. 05 (4. 49) 42. 1 (4. 0) 66. 85 (6511) 67. 3 (6384) 120. 97 (2. 63) 99. 6 (2. 36) 1. 67 (0. 62) 0. 44 (0. 32) Polska 97. 72 (2. 56) 94. 9 (2. 47) 136. 74 (3586) 154. 1 (4007) 503. 96 (3. 13) 282. 4 (2. 97) 1. 45 (0. 61) 0. 51 (0. 3) 1) Produkcja brutto + import eksport straty (Gross production + imports exports losses) Paliwowa struktura wytwarzania elektryczności 2006/2016 Wytwarzanie 147.7/166.6 TWh Struktura paliwowa,% Węgiel 92/84.2 Gaz 3/3.5 OZE 3.5/12.3 Nie uwzględniono produktów naftowych Wybrane dane dotyczące zmian w zużyciu energii i produkcji elektryczności w okresie 2006 2015 (Key World Energy Statistics, International Energy Agency (IEA); Key World Energy Statistics, IEA, 2008 ) Wnioski: 1. Nie nastąpiły żadne istotne zmiany w strukturze zużycia pierwotnych nośników energii w polskiej gospodarce. Nastąpił jedynie nieznaczny względny spadek zużycia węgla (o 1,34%) i wzrost wykorzystania gazu (o 2.21%). Biorąc dodatkowo pod uwagę niewielki spadek całkowitego zużycia energii pierwotnej (o 2.9 Mtoe, 3%), to także zmiany bezwzględnych wartości poszczególnych nośników energii nie są istotne.
EMISJA CO2 Dla lepszej interpretacji wpływu poszczególnych wielkości na emisję CO 2 (E CO2 Kaya Gt ) zapiszemy wykorzystując wskaźniki E CO2 Gt = α β γ PP E CO2 = E CO 2 PP = α β γ Gdzie: α = E CO2 GtCO 2 emisyjność zużycia energii pierwotnej, β = TPES MJ energochłonność dochodu narodowego brutto, TPES EJ PKB USD γ = PKB 1000 USD dochód narodowy per capita, PP liczba ludności [mld], TPES Total Primary Energy Supply całkowite PP zużycie energii pierwotnej. CO 2 = E CO 2 (2015) E CO2 (2006) = αβγ
WPROWADZENIE www.imiue.polsl.pl 6
TECHNOLOGIE WĘGLOWE Otoczenie techniczno ekonomiczne i ekologiczne Wysoka sprawność w całym zakresie obciążenia Elastyczność cieplna Trwałość BLOK WĘGLOWY Efektywność ekologiczna Emisje gazowe, w tym CO2 Emisje pyłowe Ścieki Elastyczność paliwowa Wysoki stopień niezawodności i dyspozycyjności Efektywność ekonomiczna www.imiue.polsl.pl 7
Instalacje węglowe ze spalaniem powietrznym (kotły pyłowe i fluidalne) bez wychwytu dwutlenku węgla Jednostki nadkrytyczne klasy 500-1000 MW Moc brutto 1075 MW Sprawność netto 45.6% Paliwo: węgiel kamienny Parametry pary PŚ: 603 C/25,0 MPa PP: 621 C/5,5 MPa Moc brutto 910 MW Sprawność netto 45.9% Paliwo: węgiel kamienny Parametry pary PŚ: 600 C/27.5 MPa PP: 610 C/5,8 MPa Moc brutto 447,5 MW Spełnia standardy emisyjne BREF: (SO2 75 mg/m3, NOx 85 mg/m3, Pył 5 mg/m3) Sprawność netto 43,1% Paliwo: węgiel brunatny Parametry pary: PŚ: 605 C / 28,6 MPa PP: 615 C / 5,9 MPa > 45% Parametry pary: PŚ: 600-610 C/25-30 MPa PP: 610-620 C/5.5-6,0 MPa, sprawność netto 46(47%) chłodzenie przepływowe zamknięte z chłodniami mokrymi ε <700 kg/mwh 8
Emisja CO 2 Ze zmianą sprawności jest ściśle związane zmniejszenie emisji dwutlenku węgla. Uśredniona emisja względna w okresie [h] normalizowana ilością wyprodukowanej energii w okresie [h],mg/mwh(lub kg/kwh) jest równa e = E N el, n Su = 13.176 W Przyjmując, że rozpatrujemy tylko efekt wzrostu sprawności, to na podstawie pow. związku mamy d el, n e e 1 = η η1 1 + η η 1 Pierwsza z podanych wartości odpowiada współczesnej klasie bloków state of art dla węgla kamiennego z mokrymi chłodniami kominowymi, trzecia określa potencjał redukcji dla bloków 50+ z istotnie nadkrytycznymi parametrami pary(700/720 0 C, 35-40 MPa) i optymalizacją obiegu cieplnego oraz wysoką sprawnością głównych maszyn i urządzeń oraz urządzeń pomocniczych. Dla węgla brunatnego emisje będą nieco wyższe( około 100g/kWh). Sytuacja ulegnie poprawie po zastosowaniu nowych technologii suszenia węgla brunatnego. Dla tych samych założeń, co do jakości węgla, z formuły tej uzyskujemy : η = 45% η = 50% η = 55% e=0.742 kg/kwh e=0.668 kg/kwh e=0.607 kg/kwh www.imiue.polsl.pl 9
SILESIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ENERGY AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING INSTITUTE OF POWER ENGINEERING AND TURBOMACHINERY Konarskiego 18 Str., 44-100 Gliwice tel. 32 237 11 15 fax. 32 237 26 80 WZROST SPRAWNOŚCI FINANCED in the framework of contract SP/E/1/67484/10: Tadeusz CHMIELNIAK: WYBRANE OPCJE ROZWOJU TECHNOLOGII WĘGLOWYCH W OKRESIE TRANSFORMACJI
SILESIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ENERGY AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING INSTITUTE OF POWER ENGINEERING AND TURBOMACHINERY Konarskiego 18 Str., 44-100 Gliwice tel. 32 237 11 15 fax. 32 237 26 80 PRZYKŁADY NOWYCH KONCEPCJI OBIEGÓW (PS zad.1) Schemat obiegu Master Cycle A 1 Schemat obiegu bez przegrzewu A i z przegrzewem wewnętrznym B 2 2 FINANCED in the framework of contract SP/E/1/67484/10: B
Projekty badawcze Emisja CO2 PS zad.1 R o z r u c h I n s t a l a c ji P i l o t o w e j w E l e k t r o w n i Ł a z i s k a 2 6. 0 4. 2 0 1 3 Rozruch Instalacji Pilotowej w Elektrowni Jaworzno 2014 FINANCED in the framework of contract SP/E/1/67484/10: Przeprowadzono testy, w których energia regeneracji r-ru została zmniejszona do poziomu 3,40 MJ/kgCO 2 przy sprawność powyżej 90 % i czystości strumienia wydzielonego CO 2 powyżej 95%. Parametr Wartość Liczba kampanii badawczych 10 Liczba testów 118 Łączny czas kampanii 550 godz. badawczych Ilość wydzielonego CO ok. 20 000 kg
TECHNOLOGIE WĘGLOWE Otoczenie techniczno ekonomiczne i ekologiczne Wysoka sprawność w całym zakresie obciążenia Elastyczność cieplna Trwałość BLOK WĘGLOWY Efektywność ekologiczna Emisje gazowe, w tym CO2 Emisje pyłowe Ścieki Elastyczność paliwowa Wysoki stopień niezawodności i dyspozycyjności Efektywność ekonomiczna www.imiue.polsl.pl 13
DUOBlok Duoblok. Podstawowe parametry techniczne DUOBLOK+ 500 KOCIOŁ TURBINA Parametry para / woda Para pierwotna "świeża" bar(a) 285 275 C 600 596 t/h 680 1 360 Para wtórna z kotła -"gorąca szyna" bar(a) 52.0 50.0 C 610 608.0 t/h 565 1 130 Temperatura wody zasilającej C 300 Na podstawie: Łukasz Grela, Wojciech Zygmański, Marian Żmija: DUOBLOK 500 jako rozwiązanie dla rekonstrukcji bloków 200 MW. Konferencja naukowo-techniczna DUO-BIO. Niskoemisyjne innowacyjne technologie rekonstrukcji elektrowni węglowych z blokami o mocy 200 MW, Warszawa 6 grudnia 2016 r.
Obciążenie 40% Obciążenie 100% ZMIANY W STRUKTURZE SCHEMATU CIEPLNEGO DLA SKOKOWEGO ZWIĘKSZENIA MOCY. Przeanalizowano możliwość zastosowania zbiornika wody gorącej (AKU), który pełni funkcję akumulacyjną ciepła w obiegu bloku 900 MW zasilanego węglem kamiennym. Zasobnik ten podłączono równolegle do regeneracji niskoprężnej Modelowanie bloku 900 MW ze zbiornikiem kumulującym wskazuje na możliwość zwiększenia mocy bloku w dłuższym okresie czasu oraz umożliwia zmniejszenie mocy dla minimum technicznego bloku. W czasie napełniania zasobnika zauważalny był spadek mocy bloku o 5,89% dla obciążenia 100% i o 13,4% dla obciążenia 40% W przypadku odwrócenia procesu i rozpoczęcia opróżniania zbiornika hot-aku nastąpił wzrost wskaźników w porównaniu do wartości nominalnych: dla mocy o 0,7% dla obciążenia 100% i o 1,3% (obciążenie 40%). Tadeusz CHMIELNIAK: WYBRANE OPCJE ROZWOJU TECHNOLOGII WĘGLOWYCH W OKRESIE TRANSFORMACJI Wskaźni ki bloku Bez zbiorni ków AKU Napełni anie hot- AKU Opróżni anie hot- AKU Genero wana moc 900,1 847,0 906,3 elektrycz na [MW] Sprawno ść brutto 49,10 48,52 49,45 [%] Sprawno ść 47,46 46,94 47,8 netto [%] Genero wana moc 376,2 325,8 381,2 elektrycz na [MW] Sprawno ść brutto 46,76 46,05 47,38 [%] Sprawno www.imiue.polsl.pl ść 45,64 44,97 46,25 15
Przewidywania do 2030 W lata 20 wejdziemy z następującymi blokami dużej mocy: 5(6) bloków na węgiel klasy 900 1000 MW 3 bloki na węgiel klasy 500 4 5 bloków na gaz klasy 500 Ponadto PSE zakłada rozwój OZE ( poza wodą) 2020 2025 2030 Biomasa i Biogaz: 1 100 1 400 1 900 Wiatr(ląd i morze) 7 100 8 700 11 500 PV 350 600 2 430 Co daje ok. 85 TWh (2030) Reszta : Istniejące bloki, autonomiczne układy gazowe, kogeneracja, energetyka jądrowa, energetyka przemysłowa?
ELASTYCZNOŚĆ PROGRAM BADAŃ CIEPLNA. NAUKOWYCH ZAGADNIENIA I PRZEMYSŁOWYCH. Elastyczność cieplna WZROST ELASTYCZNOŚCI CIEPLNEJ BLOKÓW Ingerencja w strukturę obiegu i w układ młynowy Wyłączenie regeneracji Wprowadzenie dodatkowego zasobnika ciepła Modernizacja układu młynowego Pośredni zasobnik pyłu KONSEKWENCJE ZWIĘKSZENIAELASTYCZNOŚCI, w tym przyśpieszenia rozruchów Zmęczenie niskocyklowe, pełzanie, propagacja pęknięć Metody obliczeń. Systemy pomiarowe WZROST ELASTYCZNOŚCI CIEPLNEJ BLOKÓW Zabiegi konstrukcyjno-eksploatacyjne Przyśpieszone rozruchy Zmniejszenie minimum technicznego Technologie rozpalania kotła WZROST SPRAWNOCI PRZY NISKICH OBCIĄŻENIACH OKREŚLENIE DZIAŁAŃ MINIMALIZUJĄCYCH KONSEKWENCJE ZWIĘKSZENIA ELSTYCZNOŚCI CIEPLNEJ Monitoring i systemy kontrolne Optymalizację rozruchów i procesów zmian mocy Utrzymanie optymalnego stanu termicznego elementów turbiny (instalacja grzania) Utrzymanie temp. pary wtórnej Regulacja poślizgowa Nowe techniki i harmonogramy badań diagnostycznych www.imiue.polsl.pl 17
KIERUNKI MODERNIZACJI I REWITALIZACJI BLOKÓW 200 MW. Program 200+ Regulacje UE w zakresie emisji będą zapewne dalej zaostrzane i rozszerzane na więcej substancji. Np. nie jest wykluczone, że ograniczenia w zakresie cząstek stałych zostaną zaostrzone przez wprowadzenie przepisów dla emisji pyłów drobnych PM10 i PM2,5. Wobec tak wygórowanych wymagań należałoby w pierwszej kolejności rozstrzygnąć na podstawie szczegółowych i kompleksowych badań stopień zaawansowania procesów degradacyjnych głównych elementów kotła i turbiny o zdolności do spełnienia nie tylko konkluzji BAT i także co do potencjału zwiększenia elastyczności pracy bloków w różnych stanach obciążenia oraz stabilnej i wysokosprawnej ich pracy przy małych obciążeniach. Wyniki tej analizy powinny służyć do wydzielenia jednostek szczytowych, przesuniętych do rezerwy strategicznej. Dla nich należy uzyskać derogacje względem nowych norm emisyjnych. Dla pozostałych instalacji należy przygotować program modernizacji do wymogów ekologicznych i technologicznych wynikających z przewidywanego wzrostu udziału OZE w systemie wytwarzania. www.imiue.polsl.pl 18
ANALIZA DUOBLOKU POD KĄTEM WYCHWYTU DWUTLENKU WĘGLA DO POZIOMU 550 (500) kg/mwh Obciążenie duobloku Wskaźnik emisji, kg CO 2 /MWh 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 25% 660 671 678 687 698 713 732 725 736 www.imiue.polsl.pl 19
WĘGIEL + GAZ Dobudowa turbiny gazowej www.imiue.polsl.pl 20
WĘGIEL + GAZ Dobudowa UGP Dla układu gazowo- parowego o mocy 431 MW (Część parowa - układ jednociśnieniowy generuje dodatkowe 122 MW mocy dla nominalnej mocy turbiny gazowej 309 MW) emisja osiąga poziom 535 kgco2/mwh. Aby osiągnąć poziom 500 również zwiększyć moc turbiny gazowej, a tym samym moc całego układu gazowo-parowego. Teoretycznie turbina gazowa powinna osiągnąć moc nominalną ok 480 MW, aby sumaryczny wskaźnik emisji osiągnął wartość 500 kgco2/mwh. www.imiue.polsl.pl 21
WĘGIEL + GAZ Dobudowa turbiny gazowej Dobudowa turbiny gazowej nie jest zbyt efektywnym rozwiązaniem z punktu widzenia uzyskania emisji rzędu 500 kgco2/mwh. Zależność emisji ditlenku węgla od mocy bloku węglowego i gazowego www.imiue.polsl.pl 22
UKŁADY KOMBINOWANE I układy szeregowe kombinowane (ze zrzutem spalin do kotła) W tym przypadku spaliny wylotowe z turbiny gazowej (posiadające 13-18% tlenu) zasilają palniki kotła pyłowego (instalacja może współpracować także z kotłem fluidalnym). Przy spalaniu węgla kamiennego ze średnią zawartością części lotnych, w celu zapewnienia prawidłowego procesu spalania układ musi być wyposażony w wentylator powietrza. Konieczna ilość powietrza przy zastosowaniu wysokoparametrowych turbin gazowych (temperatura wlotowa do turbiny gazowej t > 1100 o C, temperatura spalin wylotowych z turbiny gazowej t = 540-590 o C) stanowi 1/4 całej mieszaniny: spaliny + powietrze. Fakt ten, zwiększając potrzeby własne, obniża sprawność układu w porównaniu z klasycznym układem gazowo-parowym. Osiągalna sprawność (zależna od NTG/NTP oraz temperatury na wlocie do turbiny gazowej, parametrów pary świeżej i struktury części parowej itd.) jest rzędu 45-48 %
UKLADY KOMBINOWANE II układy równoległe (instalacje sprzężone poprzez układ wodapara) Równoległe układy sprzężone z termodynamicznego i technologicznego punktu widzenia mieszczą się między dwoma autonomicznymi układami: gazowym i parowym a jednopaliwowym układem gazowo-parowym z kotłem odzyskowym. Możliwe są bardzo różnorodne kombinacje sprzężeń.
TECHNOLOGIE WĘGLOWE DO ODBUDOWY MOCY? Należy rozpatrywać następujące technologie produkcji elektryczności : Instalacje węglowe ze spalaniem powietrznym (kotły pyłowe i fluidalne) bez wychwytu dwutlenku węgla Układy kombinowane węglowo gazowe, czy węglowo - biomasowe Układy gazowo parowe zintegrowane ze zgazowaniem węgla W dalszej perspektywie Instalacje węglowe ze spalaniem tlenowym Ultra-nadkrytyczne bloki z kotłami pyłowymi (bloki 50+) Instalacje węglowe ze spalaniem powietrznym (kotły pyłowe i fluidalne) z wychwytem dwutlenku węgla Stan technologii Wysoka dojrzałość Technologiczna. Duży stopień upowszechnienia Wysoka dojrzałość technologiczna. Niewielki stopień upowszechnienia Dobry stopień dojrzałości technologicznej. Mały stopień upowszechnienia Potencjalna możliwość wykorzystania w procesie inwestycyjnym ++ + - - + Instalacje demonstracyjne + - Wysoki stopień analiz systemowych. Sprawdzone materiały. Brak instalacji demonstracyjnych Opracowane koncepcje wychwytu. Instalacje pilotowe separacji CO2. Brak instalacji dem. dużych mocy - - + - - +
UWAGI KOŃCOWE Omówiono stan techniki i możliwości wykorzystania technologii węglowych dużych mocy do odbudowy podsystemu wytwarzania i jego modernizacji Nie przedstawiono technologii wielopaliwowych poza układami kombinowanymi, a także technologii wykorzystujących zgazowanie węgla Osobnym zagadnieniem nie przedstawionym są układy małej mocy i systemy kogeneracyjne Istotnym problemem do rozpatrzenia jest wychwyt ditlenku węgla i jego wykorzystanie w gospodarce.
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ Tadeusz.chmielniak@polsl.pl