POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice tel. 32 237 11 15 fax. 32 237 26 80 SCENARIUSZE DEKARBONIZACJI GOSPODARKI- KONSEKWENCJE DLA TECHNOLOGII ENERGETYCZNYCH Tadeusz Chmielniak Politechnika Śląska KNT PAU Kraków 14 03 2013
WPROWADZENIE Punkt Startu Gaz ziemny 3% Produkty naftowe 1% Energia odnawialna 3% Odpady 0,5% Węgiel brunatny 34% Węgiel kamienny 59% Konkluzja: Sytuacja paliwowa polskiej energetyki jest istotnie różna od pozostałych krajów UE 27 2
WPROWADZENIE. STAN WYJŚCIOWY II El.Łagisza. Blok z kotłem fluidalnym, 460 MW. Pierwszy blok w świecie z nadkrytycznym ciśnieniem pary. Największa moc dla tej klasy technologii. Konkluzja: Poziom technologiczny polskiej energetyki nie odbiega od 3 średniego stanu w skali światowej.
WPROWADZENIE. STAN WYJŚCIOWY III 42% Blok ok.860 MW, Bełchatów, węgiel brunatny El. Jaworzno, Opole i inne Nowe bloki około 1000MW Elektrownie : Opole, Jaworzno i inne. Węgiel kamienny Zastąpienie bloków o sprawności 36% blokami o sprawności 45% zmniejsza rocznąemisję CO2 o 1.2-1.5 mln ton na każde 1000MW zainstalowanej mocy Konkluzja: Oddane ostatnio do użytku oraz będące w procesie inwestycyjnym instalacje węglowe należą do grupy state of arte w tej klasie technologii 4
SCENARIUSZE I Wiele organizacji, instytucji i ośrodków badawczych opracowuje i przedstawia scenariusze zużycia energii, rozwoju technologii energetycznych i stabilizacji stężenia gazów cieplarnianych( głównie CO2 ) w atmosferze. Wyróżnikiem podziału są zazwyczaj różne tempo wzrostu gospodarczego i różne założenia dotyczące cen paliw. W scenariuszach technologicznych ważnym kryterium jest poziom stabilizacji stężenia CO2 w atmosferze. W tym ostatnim przypadku najczęściej rozważa się scenariusz referencyjny i scenariusze umożliwiające osiągnięcie odpowiednich stężeń dwutlenku węgla, w tym 450-550 ppm (wartości odpowiadające wzrostowi średniej temperatury o około 2 C ). Np. w opracowaniu Energy Technology Perspektivs Scenarios and Strategies to 2050. IEA/OECD, Paris 2008 rozważono optymalne( kosztowo) ścieżki osiągnięcia dwóch celów: 1. emisji dwutlenku węgla w 2050 roku na poziomie 2005 roku( grupa scenariuszy ACT - koszt redukcji emisji 50 USD/tona CO2, 2. 50% redukcji emisji w 2050 W stosunku do 2005(grupa scenariuszy BLU - koszt redukcji emisji 200 USD/tona CO2). Badania dotyczyły całej gospodarki. W zakresie produkcji elektryczności w obu przypadkach w skali globu konieczna byłaby istotna zmiana struktury paliwowej i technologicznej Warto podkreślić, że energetyka ma w rozpatrywanym okresie(2008-2050) zabezpieczyć 4- krotny wzrost gospodarki światowej (w Chinach i Indiach przewiduje się wzrost 10 krotny ). Dla scenariuszy klasy ACT i BLU przyjęto te same założenia makroekonomiczne i demograficzne jak dla scenariusza bazowego. Konkluzja: Opracowywane scenariusze dotyczą zazwyczaj skali globu. Zauważalna jest duża dynamika zmian założeń i celów polityki energetycznej UE. Zob. następne slaidy. 5
SCENARIUSZE II KORYTARZ POLITYCZNY (UE) 2010 2020 2030 2040 2050 Koniec energetyki paliw kopalnych. Brak technologii 100% wychwytu CO2. 6 Źródło: COM (2011) 112,
Gaz ziemny 3% Produkty naftowe Węgiel brunatny 34% 1% Energia odnawialna 3% Odpady 0,5% Węgiel kamienny 59% Polityka Energetyczna Polski do 2030 Technologie -węglowe( w tym z CCS?) -jądrowe -gazowe -odnawialne Paliwo jądrowe 15,7% Produkty naftowe 1,5% OZE 18,8% Gaz ziemny 6,6% Pozostałe 0,5% Węgiel brunatny 21,0% Węgiel kamienny 36% FINANCED in the framework of contract SP/E/1/67484/10:
SCENARIUSZE III Źródło IEA KORYTARZ POLITYCZNY (Polska) Gaz ziemny 3% 2010 Produkty naftowe 1% Energia odnawialna 3% Odpady 0,5% 2020 2030 2040 2050 OZE 18,8% Pozostałe 0,5% Węgiel kamienny 36% Węgiel brunatny 34% Węgiel kamienny 59% Paliwo jądrowe 15,7% Produkty naftowe 1,5% Gaz ziemny 6,6% Węgiel brunatny 21,0% Konkluzja: Wymogi scenariusz UE wymagałyby w Polsce zastosowania już w 2030 r. w znacznej skali technologii CCS 8
SCENARIUSZE IV. Scenariusz Eurelectric 9
SCENARIUSZE IV. Scenariusz Eurelectric Analiza opcji technologicznych dla rozważanego scenariusza dokonana w 2010 r wskazuje na : Konieczność wykorzystania potencjału wszystkich opcji technologicznych Konieczność istotnej elektryfikacji po stronie popytu Opóźnienie wdrażania CCS oraz eliminacja energetyki jądrowej przesunie w czasie osiągniecie celów klimatycznych Zauważalna redukcja emisji CO2 jest możliwa po 2025 Elektryfikacja napędów, ogrzewania itp. Akumulacja energii Konkluzja: Scenariusz Eurelectric wydaje się być bardziej realny. Jego istotną cechą jest akcentowanie konieczności brania pod uwagę wszystkich opcji technologicznych oraz pełna elektryfikacja strony popytowej 10
SCENARIUSZE V. EREC(European Renewable Energy Council) 1 Technologie źródeł odnawialnych Odnawialne źródło energii Wiatr Woda Wytwarzanie elektryczności Onshore Offshore Małe elektr. wodne( 10 MW) Duże elektr. wodne(pow.10 MW) Ciepło i chłód Transport Słońce Ocean Geotermia Bioenergia Ogniwa fotowoltaiczne Elektrownie słoneczne Konwersja energii fal, pływów morskich i innych( gradienty temp., różnica stężeń) Elektrownie konwencjonalne, elekt. ORC, i inne Technologie konwersji biomasy, biogazu do elektryczności Kolektory Technologie bezpośredniego wykorzystania energii wód, pompy ciepła wyk. źródła gruntowe Technologie konwersji biomasy, biogazu do ciepła i chłodu Bioetanol, biodiesel, biogaz 11
SCENARIUSZE V. EREC(European Renewable Energy Council) 2 12
SCENARIUSZE V. EREC(European Renewable Energy Council) 3 Konkluzja: Warto zwrócić uwagę na zmniejszoną dynamikę wprowadzenia źródeł odnawialnych w latach 2000-2030 i dominujacy udział energetyki słonecznej w pokrywaniu potrzeb na elektryczność w 2050(PV i GSP- elektrownie słoneczne) 13
SCENARIUSZE VI. The European Power Plant Suppliers Association (EPPSA) 1 ZAPOTRZEBOWANIE NA ELEKTRYCZNOŚĆ W UE-27 BĘDZIE WZRASTAĆ DO 2020 I W DALSZYM OKRESIE CZASU WIELE NOWYCH SIŁOWNI WYKORZYSTUJĄCYCH PALIWA KOPALNE POWINNO BYĆ URUCHOMIONYCH W OKRESIE DO 2020 TYLKO CIĄGŁY PROCES INWESTYCYJNY GWARANTUJE POSTĘP TECHNOLOGICZNY EMISJA CO 2 MUSI BYĆ OGRANICZANA ZGODNA Z POLITYKA UE Wzrost sprawności jest podstawowym warunkiem zmniejszenia emisji Konieczne jest zastosowanie w istniejących i nowych elektrowniach w instalacje separacji CO 2 KONIECZNE JEST SKRÓCENIE PROCEDURY UZYSKIWANIE POZWOLEŃ NA INWESTYCJE KONIECZNA STABILIZACJA PRAWA WAŻNYM ZADANIEM JEST UZYSKANIE POZWOLENIA SPOŁECZNEGO NA URUCHOMIENIA NOWYCH TECHNOLOGII 14
KONSEKWENCJE Dla paliw kopalnych separacja CO2 transport składowanie(?) Rozpowszechnienie technologii jądrowych(?) Zwiększenie udziału energetyki źródeł odnawialnych( wytwarzanie losowe) Akumulacja energii Nowe paliwa w transporcie Nieunikniony wzrost cen za energię Istotne zmniejszenie konsumpcji(zużycia ) energii, w tym elektrycznej Inteligentne zarządzanie zużyciem energii( sieci inteligentne, udział odbiorców, energetyka prosumencka, itd.) 15
MAGAZYNOWANIE ENERGII, Ogniwa paliwowe Różne opcje energetyczne. Dobór i optymalizacja struktur technologicznych. Analizy ekonomiczne dla różnych opcji współpracy z magazynem i siecią energetyczną System i bezpieczeństwo transportu Termodynamika złoża, Ładowanie, rozładowanie. Technologia przygotowania magazynu Problematyka transportu, skład mieszanki, ładowanie 16
PERSPEKTYWA TECHNOLOGICZNA DO 2050r W perspektywie do 2050r. należy w grupie paliw organicznych rozpatrywać następujące technologie produkcji elektryczności : a. Węglowe i gazowe technologie z wychwytem CO 2 : Instalacje węglowe ze spalaniem powietrznym (kotły pyłowe i fluidalne) z wychwytem dwutlenku węgla Instalacje węglowe ze spalaniem tlenowym Układy gazowo parowe ze zgazowaniem węgla Układy poligeneracyjne Klasyczne układy gazowo parowe z wychwytem CO 2 Instalacje gazowe ze spalaniem tlenowym; b. Układy gazowo parowe zintegrowane ze zgazowaniem biomasy (w tym z wychwytem CO 2 ); c. Węglowe i gazowe instalacje nowej generacji: Ultra-nadkrytyczne bloki z kotłami pyłowymi (bloki 50+) Instalacje hybrydowe z ceramicznymi i węglanowymi ogniwami paliwowymi Układy węglowe chemical looping Układy gazowe - chemical looping 17
BADANIA NAUKOWE. Paliwa kopalne Nowe materiały Nowe technologie węglowe Elastyczność cieplna Zgazowanie i technologie poligeneracyjne Spalanie tlenowe Nowe maszyny i urządzenia energetyczne Procesy dekarbonizacji i ich integracja z obiegiem cieplnym Nowe technologie gazowe Nowe generacje turbin gazowych( materiały, sposoby chłodzenia, turbiny wodorowe, itd.) Procesy dekarbonizacji i ich integracja z obiegiem cieplnym Ogniwa paliwowe Układy hybrydowe 18
PRZYKŁADY Opracowanie projektów koncepcyjnych bloków nadkrytycznych (wyniki RAFAKO S.A.) 37,5% 45% Blok rozpatrywany, pow.48% Temperatura pary pierwotnej - 653 C Temperatura pary wtórnej - 672 C Ciśnienie pary pierwotnej - 303 bar SCR - emisja NOx - 100 mg/mn3 przy CCS - 30 mg/mn3 IOS - emisja SO2-100 mg/mn3 przy CCS - 25 mg/mn3 Stężenie pyłu za elektrofiltrem - 30 mg/mn3 przy CCS - 10 mg/mn3 Stężenie pyłu za IOS - 10 mg/mn3 przy CCS - 5 mg/mn3 Stężenie CO <100 mg/mn3 19
N 2, O 2, H 2 O paliwo powietrze produkcja energii elektrycznej i ciepła spaliny wychwytywanie CO 2 CO 2 odwadnianie, sprężanie, transport i składowanie CO 2 PRZYKŁADY c.d. Realizacja Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla TAURON Wytwarzanie S.A. TAURON Polska Energia S.A. Pol. Śląska N N el el,n α Su = ( 0, 285 0, 377 ) η W el,n d 20
PRZYKŁADY c.d. Z będących dziś do dyspozycji technologii węglowych: a) Klasyczny blok parowy z kotłem pyłowym, b) Bloki parowe z paleniskami fluidalnymi, c) Kombinowane układy gazowo-parowe dwupaliwowe (utylizujące gaz ziemny i węgiel), d) Technologie węglowe w układach z turbinami gazowymi, d.1. Ciśnieniowe spalanie węgla w kotłach fluidalnych (ze złożem stałym i cyrkulacyjnym) d.2. Całkowite i częściowe zgazowanie węgla zintegrowane z układem gazowo-parowym, główne znaczenie w generacji elektryczności mają bloki z kotłami pyłowymi i fluidalnymi aczkolwiek wszystkie z nich powinny być brane pod uwagę w procesie podejmowania decyzji inwestycyjnych Poważny potencjał dalszego wzrostu sprawności, obok podniesienia parametrów pary zasilającej turbinę(36mpa/700/720 C- blok 50+), tkwi w doskonaleniu struktury technologicznej bloku, wykorzystaniu ciepła ze spalin wylotowych z kotła oraz podsuszeniu węgla. 21
Elektrownia Poligeneracyjna z usuwaniem CO2, Projekt Kędzierzyn. Produkcja metanolu PRZYKŁADY c.d. Źródło: Zad. 2 i 3 Projektu strategicznego ZTPE 22 Konwersja CO Odsiarczanie i usuwanie CO2 Konwersja CO Odsiarczanie i usuwanie CO2
TECHNOLOGIE GAZOWE. PERSPEKTYWA SGT5-8000H Siemens - największa dostępna moc. Podstawowe dane: moc - 340 MW, sprawność - 39+%(co powinno zapewnić przy właściwej integracji z obiegiem parowym sprawność układu gazowo-parowego 60+%) Następny krok: TURBINY Klasy 1700(H+) Główne kierunki dalszych prac dotyczą: Wprowadzenia recyrkulacji spalin( aktualnie ustalono, że dla osiągnięcia emisji 50 ppm NOx, pożądany wskaźnik recyrkulacji wynosi 35%), Chłodzenia parowo-powietrznego komory i układu przepływowego( układ parowy zamknięty) Nowych struktur pokryć ceramicznych Nowych rozwiązań aerodynamicznych(zwiększone obciążenie poszczególnych stopni, redukcja przepływów wtórnych, redukcja strat pośrednich związanych z układem chłodzenia) Oczekuje się,że układ gazowo-parowy z analizowaną turbiną może osiągnąć sprawność 63-65%. 23
ŹRÓDŁA ODNAWIALNE Niska gęstość energetyczna( problemy logistyczne, lokalizacja) Biomasa agro-energetyka - źródła lokalne Energetyka wiatrowa( ląd stały i na morzu) duża dynamika wzrostu mocy w skali globu i w UE Energetyka słoneczna( ogniwa fotowoltaiczne i siłownie słoneczne)- duża dynamika wzrostu mocy zainstalowanej- np. Niemcy Wytwarzanie losowe( konieczność rezerwacji, akumulacji energii) Duże koszty wytwarzania Konieczność rozbudowy sieci przesyłowych i dystrybucyjnych 24
POTENCJAŁ DLA POLSKICH WARUNKÓW KLIMATYCZNYCH. Źródła odnawialne TECHNOLOGIA ELEKTRYCZNOŚĆ CIEPŁO i CHŁÓD TRANSPORT UWAGI El. Wiatrowe On shore Off shore + - El. Wodne Małe(<10MW) Konwersja energii słonecznej El Morskie Konwersja energii geotermalnej Konwersja biomasy i odpadów Duże(>10MW) + - El. Fotowoltaiczne El. Termiczne( farmowe i wieżowe) Wykorzystanie: Fal morskich Pływów morskich Termiczne(gradient temperatury) Zjawisko osmozy Siłownie cieplne konw. Obiegi ORC i Kaliny Inne Siłownie cieplne Układy zintegrowane ze zgazowaniem termicznym i biologicznym Kolektory Energia gruntu + pompy ciepła, Konwersja bezpośrednia Ciepłownie, kogeneracja Bioetanol, Biodiesel, Biogaz - - + - + Konkluzja: Dla polskich warunków klimatycznych tylko niektóre odnawialne źródła energii mogą być brane pod uwagę w szerszej skali 25
TECHNOLOGIE ENERGETYCZNE. Biomasa Kolektor gazu Składowisko odpadów S F WC4 ~500 O C TS GAZ Odwierty z wstępnym układem filtracyjnym Powietrze WC3 WC1 SILNIK Odprowadzenie ścieków WC2 OC a) b) 26
INTEGRACJA 27
DYDAKTYKA Nowe akcenty w nauczaniu Energetyczna ocena procesów konwersji biologicznej Energetyka wodorowa Akumulacja energii Procesy konwersji biomasy do elektryczności i paliw Procesy przejściowe charakterystyczne dla zróżnicowanych technologii pokrywania zapotrzebowania na energię Projektowanie instalacji nowych generacji, w tym małej mocy Konstrukcja nowych urządzeń energetycznych( w tym charakterystycznych dla technologii słonecznych i geotermalnych) Metodyka oceny technicznej, ekonomicznej i ekologicznej technologii niskowęglowych 28
KILKA UWAG KOŃCOWYCH Pierwsze pytanie co z węglem? Stabilny dostęp do dużych zasobów. Najtańsza obecnie produkcja elektryczności. Ważny moduł bezpieczeństwa energetycznego. Kierunki rozwoju w kontekście polityki ograniczania emisji CO2. Akceptacja społeczna? Gaz. Konieczne zwiększenie udziału gazu w produkcji energii elektrycznej. Szanse i zagrożenia związane z wydobyciem gazu łupkowego? Obecnie koszty wytwarzania elektryczności z gazu ziemnego nieco wyższe niż z węgla. Energetyka jądrowa. Konieczność ekologiczna i ekonomiczna? Akceptacja społeczna w kontekście katastrofy w Fukushimie? Źródła odnawialne. Bezpieczeństwo energetyczne- zmniejszenie zależności od importu( zwłaszcza w zakresie biopaliw dla transportu).wytwarzanie losowe. Wzrost kosztów wytwarzania. Akumulacja energii. Sieci inteligentne. 29
KONKLUZJA Transformacja z obecnego stanu do nowej struktury paliwowej i technologicznej jest możliwa. Wymaga ona zainwestowania ogromnych środków finansowych i zaangażowania całego społeczeństwa. W konsekwencji należy oczekiwać wzrostu cen energii. Koszty tej transformacji można istotnie obniżyć przez oszczędność energii. W najradykalniejszych scenariuszach w 2050 roku emisja CO2 w całej gospodarce powinna wynosić 10-15% emisji dzisiejszej-skala globu? 30
DZIĘKUJE ZA UWAGĘ 31