Technologia CCS w zakładzie cementowym

DUDA Jerzy 1 KOŁOSOWSKI Mariusz 2 TOMASIAK Jacek 3 Technologia CCS w zakładzie cementowym WSTĘP Obserwowane w ostatnich latach niekorzystne zjawiska atmosferyczne (topniejące lodowce, powodzie, trąby powietrzne czy susze ) są wynikiem zmian klimatycznych, powodowanych efektem cieplarnianym, który jest m.in. wynikiem wzrostu stężenia w atmosferze ziemskiej gazów cieplarnianych. Skutkiem tego, część promieniowania słonecznego odbitego od Ziemi zostaje zatrzymana przez te gazy, powodując wzrost temperatury na ziemi. Wzrost temperatury na Ziemi szczególnie widoczny jest w ostatnim 100-leciu i jest on mocno skorelowany z emisją gazów cieplarnianych. Wytłumaczeniem tego zjawiska jest intensywny w tym okresie wzrost gospodarczy i cywilizacyjny społeczeństwa na świecie. Niekorzystne tendencje zmiany temperatury ziemi przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Wzrost średniej temperatury na ziemi [1] wraz ze stężeniem CO 2 w atmosferze Jednym z głównych źródeł gazów cieplarnianych jest dwutlenek węgla będący wynikiem spalania paliw kopalnych. Jak wynika z danych IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Charge- Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu), stężenie CO 2 w atmosferze ziemskiej utrzymywało się od tysięcy lat na poziomie ok. 280ppm, dopiero od połowy XIX wieku (okres intensywnego rozwoju przemysłu - rewolucja przemysłowa) obserwuje się jego szybki wzrost (od 1,5-3ppm rocznie) i już w roku 2005 (bazowym) osiągnęło wartość 375 ppm. W związku z tym, jednym z zasadniczych celów 1 Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Nysie, 48-300 Nysa, ul. Armii Krajowej 7, jerzy.duda@pwsz.nysa.pl 2 Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Nysie, 48-300 Nysa, ul. Armii Krajowej 7,mariusz.kolosowski@pwsz.nysa.pl 3 Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Nysie, 48-300 Nysa, ul. Armii Krajowej 7, jacek.tomasiak@pwsz.nysa.pl 1040

światowej działalności gospodarczej jest ograniczenie efektu cieplarnianego, polegające m.in. na ograniczeniu energochłonności procesów i eliminowaniu spalania węgla. Problem ten został już przedstawiony w roku 1992 na Konferencji Szczyt Ziemi w Rio de Janeiro, gdzie przyjęto Ramową Konwencję ONZ, której podstawowym celem jest... osiągnięcie stabilizacji stężenia w atmosferze gazów cieplarnianych na takim poziomie, który zapobiegnie niebezpiecznym, antropogenicznym oddziaływaniom na system klimatyczny [2]. Międzynarodowym porozumieniem w sprawie zmian klimatu, zgodnie z Ramową Konwencją ONZ, jest Protokół z Kioto z roku 1997, którego celem jest redukcja antropogenicznej emisji gazów cieplarnianych wyrażonej w równoważniku dwutlenku węgla w okresie rozliczeniowym (2008-2012) dla Stron Konwencji. Jednym z warunków uzyskania redukcji emisji dwutlenku węgla jest ograniczenie zużycia paliw kopalnych nieodnawialnych oraz zwiększenie wykorzystania odnawialnych źródeł energii (OZE). Działalność taka zgodna jest z Pakietem klimatyczno-energetycznym 3x20, który zobowiązuje kraje UE do uzyskania w roku 2020: 20% redukcji emisji CO 2 w stosunku do poziomu z roku 1990, zmniejszenia o 20% zużycia energii (poprawa efektywności energetycznej), wzrostu udziału o 20% energii ze źródeł odnawialnych w całkowitej produkcji energii (w Polsce o 15%). Problem wykorzystania paliw kopalnych - węgla i redukcji emisji dwutlenku węgla, dotyczy nie tylko głównego źródła- energetyki, ale również innych przemysłów, opartych na procesach spalania paliw. Znaczącym źródłem emisji CO 2, ze względu na proces technologiczny (dekarbonizacja węglanów) oraz stosowane paliwo technologiczne - węgiel, jest proces produkcji cementu. Przeprowadzona z powodzeniem w ostatnich latach modernizacja przemysłu cementowego w Polsce i uzyskany wzrost efektywności energetycznej wytwarzania cementu, pozwolił w znaczny stopniu zredukować emisję CO 2. Przemysł cementowy w Polsce wypełnia już praktycznie najnowsze standardy BREF (BAT Reference Document - najlepsze dostępne techniki niepowodujące nadmiernego wzrostu kosztów, przeciwdziałające lub zmniejszające zanieczyszczenie powietrza) i należy do najnowocześniejszych w Europie [3, 4]. Zakładane perspektywiczne przez Komisję Europejską dalsze ograniczenie jest już praktycznie niemożliwe do uzyskania na drodze technologicznej. Wszystkie rezerwy technologiczne i energetyczne w procesie produkcji cementu zostały już wykorzystane. W związku z tym, jedyną metodą pozwalającą uzyskać wymaganą zgodnie z założeniami Komisji Europejskiej redukcję CO 2 jest, podobnie jak w energetyce, technologia CCS (Carbon Capture and Storage), polegająca na wychwytywaniu i składowaniu dwutlenku węgla w strukturach geologicznych. 1. SEKWESTRACJA DWUTLENKU WĘGLA Obserwowany wzrost temperatury ziemi wymaga (zgodnie z protokołem Kioto) drastycznego ograniczenia emisji gazów cieplarnianych, a zwłaszcza CO 2. Docelowy scenariusz Komisji Europejskiej zakłada ograniczenie wzrostu temperatury ziemi do 2 o C. Aby uzyskać taki efekt, należy do roku 2050 ograniczyć globalnie na świecie emisję CO 2 o 50%, w porównaniu do emisji w roku 2005. Osiągnięcie takiej redukcji gazów cieplarnianych wymaga wyeliminowania praktycznie paliw kopalnianych z energetyki, co przy wymaganym wzroście zapotrzebowania na energię elektryczną, jest niemożliwe do zrealizowania. W związku z tym, przemysł energetyczny prowadzi już na szeroką skalę badania dotyczące sekwestracji dwutlenku węgla metodą CCS. Jak wynika ze scenariusza ETP (Energy Technology Perspectives), dotyczącego redukcji CO 2, globalna emisja dwutlenku węgla na świecie wzrośnie w roku 2050 do 62 Gt. Wcześniejszy scenariusz zakładał redukcję w roku 2050 do 27 Gt, tj. do poziomu emisji z roku 2005. Natomiast scenariusz ETP tzw. Blue Map, zakłada ograniczenie do 50% emisji z roku 2005-bazowego, tj. do poziomu 14 Gt. Na rysunku 2 przedstawiono emisję i zakres redukcji wg. scenariusza Blue Map [5]. 1041

Rys. 2. Światowa emisja CO 2 według Blue Map [5] Z analiz przeprowadzonych przez IAE (International Energy Agency - Międzynarodową Agencję Energii) wynika, że wdrożenie technologii CCS pozwoli ograniczyć emisję CO 2 na świecie o 20-28%. Według przyjętych założeń, technologia ta tylko w sektorze energetycznym UE, powinna w roku 2030 ograniczyć emisję CO 2 o 3,7% (tj. o 160 Mt CO 2 ), natomiast w roku 2050 zakłada się redukcję o 18-20% (ok.800-850 Mt CO 2 ). W znowelizowanej dyrektywie dotyczącej handlu emisjami (EU ETS EU Emissions Trading System) przyjęto, że wychwycony i bezpiecznie składowany dwutlenek węgla uważany jest za niewyemitowany do atmosfery w ramach ETS. Warunki i zasady składowania dwutlenku węgla reguluje Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/31/WE z kwietnia 2009 roku (zwana Dyrektywą CCS). Odpowiednikiem Dyrektywy CCS w Polsce jest Ustawa z dnia 27 września 2013 r. o zmianie ustawy- Prawo geologiczne i górnicze... (Dz. U. z 2013r. poz.1238). 1.1. Technologia CCS Technologia CCS polega na wychwytywaniu CO 2 powstającego w wyniku spalania paliw kopalnych w procesach wytwarzania energii i innych procesach przemysłowych, a następnie jego długoterminowemu (tysiące lat) składowaniu w podziemnych strukturach geologicznych. Wychwycony, odseparowany z gazów spalinowych dwutlenek węgla musi zostać oczyszczony, następnie sprężony i przetransportowany do miejsca składowania. Na rysunku 3 przedstawiono możliwe sposoby wychwytywania dwutlenku węgla. Sposób wychwytywania CO 2 może być przeprowadzony: po tradycyjnym spaleniu paliwa w powietrzu (Post-combustion) sposób A, lub przed procesem spalania (Pre-combustion) z gazu wytworzonego w procesie zgazowania węgla (sposób C i D). Innym sposobem wychwytywania CO 2 po spaleniu, jest zastosowanie technologii Oxyfuel, polegającej na spalaniu węgla w mieszaninie tlenu i dwutlenku węgla sposób B. Z dotychczasowych doświadczeń dotyczących sekwestracji CO 2 wynika, że zasadniczym problemem zarówno pod względem technicznym jak i finansowym (ok. 80% kosztów) tej technologii, jest proces wychwytywania. Natomiast pozostałe 20% kosztów związane jest z transportem i magazynowaniem dwutlenku węgla w strukturach geologicznych. Jako całość, proces technologiczny CCS jest rozwiązaniem nowym (etap demonstracyjny), ciągle jeszcze badanym. Praktycznie w mniejszej skali poszczególne etapy CCS znalazły już komercyjne zastosowanie w przemyśle chemicznym (wychwytywanie) i naftowym transport i zatłaczanie CO 2 [6]. 1042

Rys. 3. Schemat technologii CCS [7] Zagadnieniem, które wymaga jeszcze badań, jest poszukiwanie struktur geologicznych spełniających wymagania bezpiecznego magazynowania dwutlenku węgla. Geologiczne kryteria magazynów bezpiecznego składowania są podobne do naturalnych zbiorników ropy naftowej i gazu. Muszą one mieć odpowiednią pojemność i głębokość. Zbiornik składowania musi być przykryty szczelnymi warstwami geologicznymi. Miejsce składowania winno charakteryzować się odpowiednią porowatością i przepuszczalnością CO 2. Ważnym kryterium struktury geologicznej magazynu jest ciągłość nadkładu uszczelniającego i jego miąższość. Zgodnie z (Raportem IPCC), zalecanymi warstwami geologicznymi do składowania CO 2 są : głębokie poziomy wodonośne solankowe, wyeksploatowane złoża ropy naftowej i gazu, nieeksploatowane, zawierające metan, pokłady węgla. Na rysunku 4 przedstawiono sposoby magazynowania dwutlenku węgla w głębokich strukturach geologicznych. Rys. 4. Sposób magazynowania dwutlenku węgla w strukturach geologicznych [5] 1043

Stosunkowo prostym i bezpiecznym sposobem składowania CO 2 jest zatłaczanie go do wyeksploatowanych złóż naftowych. Mniej bezpieczne jest składowanie w głębokich, nieeksploatowanych złożach węgla. Jak wynika z dotychczasowych badań na świecie, dotyczących składowania w głębokich strukturach geologicznych, dwutlenek węgla może być bezpiecznie składowany i trwale odizolowany od atmosfery ziemskiej [8]. 2. METODY REDUKCJI CO 2 W PROCESIE PRODUKCJI CEMENTU Przemysłem, który podobnie jak branża energetyczna ma duży udział w emisji dwutlenku węgla, jest przemysł cementowy. Zgodnie z Dyrektywą Unijną 2003/87/WE regulującą zasady handlu gazami cieplarnianymi, piece do produkcji klinkieru cementowego o zdolności produkcyjnej powyżej 500 Mg/24h objęte są jej wymogami. W związku z tym, problem ograniczenia emisji dwutlenku węgla należy obecnie do jednego z podstawowych zadań w tym przemyśle. Wielkości emisji dla poszczególnych instalacji ustalane są w krajowym planie alokacji, który wymaga akceptacji ze strony Komisji Europejskiej. Na terenie Polski kwestie handlu emisjami reguluje prawo w pełni zharmonizowane z wymogami ww. Dyrektywy. W procesie wytwarzania cementu można wyróżnić 4 zasadnicze, następujące po sobie etapy przetworzenia materiałów : wydobycie surowców w kamieniołomie, przygotowanie mieszaniny surowcowej o określonych parametrach fizyko-chemicznych, wypalanie klinkieru, mielenie klinkieru z dodatkami na cement. Uwarunkowania technologiczne sprawiają, że praca wszystkich węzłów produkcyjnych cementowni podporządkowana jest procesowi wypalania klinkieru. Na rysunku 5 przedstawiono schematycznie oba sposoby produkcji cementu. Rys. 5. Schemat podstawowych linii technologicznych produkcji cementu [13] W zależności od sposobu przygotowania mieszaniny surowcowej, rozróżnia się dwie zasadnicze metody wytwarzania: mokrą i suchą. W metodzie mokrej przygotowanie surowca polega na zmieleniu go w młynie kulowym z dodatkiem wody na szlam o zawartości 35-40% H 2 O, który po korekcji i uśrednieniu jest następnie wypalany w piecu obrotowym. Natomiast w metodzie suchej, przygotowanie surowca polega na zmieleniu przygotowanego zestawu surowcowego w młynie 1044

susząco-mielącym, do postaci suchej mączki o zawartości wody poniżej 1%. Zmielony surowiec - mąka surowcowa, przed wprowadzeniem jej do pieca, jest odpowiednio skorygowana pod względem składu chemicznego i następnie zhomogenizowana w specjalnych zbiornikach homogenizacyjnych, które zapewniają wymaganą jednorodność surowca. Zasadniczy wpływ na energochłonność procesu produkcji cementu i szkodliwe oddziaływanie na środowisko (emisję pyłową i gazową) ma wysokotemperaturowy proces wypalania klinkieru. W związku z tym, główne działania dotyczące zwiększenia sprawności procesu - efektywności produkcji cementu, koncentrują się na procesie wypalania klinkieru w piecu obrotowym. Zgodnie z Dyrektywą IPPC (Integrated Pollution Prevention Control- zintegrowane zapobieganie i kontrola zanieczyszczeń), wartości graniczne emisji powinny być ustalane na podstawie BAT (Best Available Techniques najlepsze dostępne techniki). W roku 1990 sfinalizowano w Unii Europejskiej pierwsze przepisy BAT dla przemysłu cementowego, które zawierają wykaz zalecanych najlepszych dostępnych technik. Obowiązująca aktualnie wersja tzw. BREF pochodzi z roku 2013. 2.1. Emisja dwutlenku węgla w procesie produkcji cementu Proces produkcji cementu charakteryzuje się wysoką emisją dwutlenku węgla. Wpływ na wielkość emisji CO 2 w procesie produkcji cementu ma metoda wypalania klinkieru, jej sprawność cieplna i skład chemiczny nadawy surowcowej do pieca. Dwutlenek węgla występujący w gazach odlotowych P S z pieca pochodzi ze spalania paliwa ( CO 2 -paliwowe) oraz z rozkładu węglanów z surowca ( CO 2 - surowcowe) P S CO2 CO2 CO2 (1) P CO 2 -paliwowe, składa się z emisji powstałej: ze spalania paliwa technologicznego pyłu węglowego, ze spalania paliw alternatywnych z odpadów komunalnych i przemysłowych, ze spalania węgla niewęglanowego zawartego w surowcu. Wielkość emisji dwutlenku węgla tzw. niewęglanowego, zależy od jego zawartości w nadawie - mące surowcowej. Dla surowców naturalnych przyjmuje się, że węgiel niewęglanowy w surowcu powoduje wzrost emisji na poziomie (7-10) kg CO 2 /Mg kl. Natomiast dla surowców odpadowych (np. pyły dymnicowe z energetyki) zawierających dużo węgla, wpływ ten może być znacznie wyższy. S CO 2 - surowcowe (węglanowe), jest wynikiem dekarbonizacji węglanów znajdujących się w mieszaninie surowcowej zgodnie z formułą: CaCO 3 + Q = CaO + CO 2 S Wielkość emisji CO 2 zależy od zawartości węglanów w surowcu oraz od wielkości zużycia surowca do produkcji klinkieru. W tabeli 1 przedstawiono wpływ metody wypalania na jednostkowe wskaźniki emisji. Tab. 1. Wpływ metody wypalania klinkieru na jednostkowy wskaźnik emisji CO 2 Wielkość Jednostka Metoda sucha 1 Metoda sucha 2 Metoda mokra Zużycie ciepła GJ/Mg kl 3,4 4,2 6,8 Wskaźnik emisji paliwowej kg CO 2 /GJ 94,5 94,5 94,5 Emisja paliwowa kg CO 2 /Mg kl 321 397 643 Emisja surowcowa* kg CO 2 /Mg kl 535 535 535 Emisja całkowita-klinkier kg CO 2 /Mg kl 856 932 1178 * wskaźnik emisji paliwowej i surowcowej jak dla pierwszego poziomu dokładności monitorowania emisji CO 2 1 piec krótki z 4-ro stopniowym wymiennikiem cyklonowym ciepła, 2 długi piec na metodę suchą. Zasadnicza część emisji CO 2 (około 60%) w procesie wypalania klinkieru pochodzi z procesu dekarbonizacji węglanów z surowca. Pozostała część emisji pochodzi z procesu spalania paliwa technologicznego i ze zużycia energii elektrycznej. Przeprowadzona w ostatnich latach modernizacja cementowni w Polsce polegała głównie na wyeliminowaniu energochłonnej metody mokrej(pozostało tylko 2%) oraz na zastosowaniu nowych energooszczędnych technik wypalania i przemiału. 1045

Pozwoliło to na znaczne, ponad 50% obniżenie zużycia węgla w przemyśle cementowym. Dalsze ograniczenie emisji CO 2 z procesu produkcji cementu można uzyskać poprzez : ograniczenie udziału klinkieru w cemencie, częściowe zastąpienie surowców węglanowych innymi niewęglanowymi, wykorzystanie w procesie paliw alternatywnych, wypalanie klinkieru w reaktorach statycznych. Większość tych działań została już zastosowana lub jest aktualnie wdrażana w kraju. Praktycznie istnieją jeszcze teoretyczne rezerwy dotyczące nowych metod wypalania w reaktorach statycznych. Są to ciągle jeszcze technologie przyszłościowe, które na obecnym etapie ograniczają się do badań w skali ¼ technicznej. W związku z tym, coraz częściej poszukuje się innych, pośrednich sposobów redukcji emisji CO 2. 2.2. Przyszłościowe techniki redukcji CO 2 Ograniczone już możliwości redukcji dwutlenku węgla oraz coraz ostrzejsze normy dopuszczalnych emisji, wymagają poszukiwania innych metod, które pośrednio pozwolą obniżyć emisję CO 2. Metodą, która w ostatnich latach jest często stosowana w przemyśle, zwłaszcza w procesach wysokotemperaturowych, jest technologia WHR (Waste Heat Reducing), polegająca na wykorzystaniu procesowego ciepła odpadowego do produkcji energii elektrycznej. Wytworzona tym sposobem czysta, bezemisyjna energia, pozwala pośrednio ograniczyć emisję CO 2 odpowiadającą produkcji identycznej energii w elektrowni węglowej. Jak wynika ze sprawności krajowych elektrowni węglowych, każda wyprodukowana 1 kwh energii obciążona jest emisją ok. 0,8 kg CO 2. Technika WHR, jest to jeden z istotnych sposobów ograniczenia emisji CO 2 i poprawienia efektywności energetycznej, wykorzystywany w ostatnich latach na świecie. Metoda ta nie znalazła jeszcze odpowiedniego zainteresowania i zastosowania w przemyśle cementowym w Polsce. Jak wynika z doświadczeń światowych, moc układów WHR, w zależności od wydajności pieca obrotowego i parametrów procesowej entalpii odpadowej (entalpii gazów odlotowych i powietrza nadmiarowego z chłodników klinkieru) wykorzystywanej do produkcji energii elektrycznej, wynosi od 32 do 45 kw/t kl [8]. Innym sposobem, który nie jest również jeszcze stosowany w Polsce, jest produkcja spoiwa hydraulicznego z surowców odpadowych, charakteryzująca się znacznie niższą energochłonnością i emisją CO 2. Spoiwo to pozwoli w znacznie większym stopniu od dotychczas stosownych substytutów klinkieru (żużla wielkopiecowego, pyłów dymnicowych), ograniczyć jego zawartość w cemencie. Oprócz przedstawionych wyżej sposobów redukcji CO 2, poszukuje się nowych technik wytwarzania spoiw o własnościach hydraulicznych. Przykładem takim jest nowe spoiwo tzw. cement geopolimerowy, którego nazwę, ze względu na oznaczenie mineralnego polimeru, powstającego na bazie geochemii, wprowadził w roku 1978 prof. Josef Davidovits [10]. Cement ten, w porównaniu do klasycznego cementu, którego produkcja obciążona jest ok. 700 kg CO 2 /t cem., charakteryzuje się prawie 2-3 razy niższą energochłonnością i ponad 4-krotnie mniejszą emisją CO 2. W związku z czym cement ten nazywany został zielonym cementem. Pomimo swoich zalet, zarówno ekologicznych i jakościowych, cement ten nie znalazł dotychczas większego zastosowania. Podobnymi własnościami charakteryzuje się inny cement zielony tzw. Celitement, który został opracowany w Niemczech w Instytucie Technologicznym KIT w Karlsruhe. Celitement podobnie jak cement geopolimerowy charakteryzuje się bardzo wysokimi wytrzymałościami, prawie o połowę niższą energochłonnością w stosunku do tradycyjnego klinkieru oraz znacznie (ok.50% ) niższą emisją CO 2. Są to technologie przyszłościowe, które wymagają dalszych jeszcze badań i w związku z tym nie mogą być już teraz uwzględniane jako metody redukcji dwutlenku węgla [9, 10]. 3. TECHNOLOGIA CCS A PRODUKCJA CEMENTU Proces technologiczny produkcji cementu należy do produkcji, która charakteryzuje się wysoką emisją dwutlenku węgla. W porównaniu z sektorem energetycznym, gdzie o wielkości emisji CO 2 decyduje proces spalania paliw kopalnych, w procesie produkcji cementu decydujący (ok.60%) wpływ na emisję ma proces dekarbonizacji surowców węglanowych. Masowa produkcja cementu, 1046

podstawowego wiążącego mineralnego materiału budowlanego powoduje, że przemysł ten zalicza się do grupy przemysłów uciążliwych dla środowiska. Dotyczy to również emisji dwutlenku węgla. Na rysunku 6 przedstawiono prognozowaną wielkość emisji CO 2 i wpływ możliwych do zastosowania metod redukcji na założoną wielkość emisji w roku 2050 wg scenariusza Blue Map. Rys. 6. Wielkość emisji CO 2 w światowym przemyśle cementowym [11] Zgodnie ze strategią Blue, pomimo znacznego wzrostu produkcji cementu i wynikającego z tego wzrostu emisji, zakłada się, że wynikowa emisja CO 2 będzie niższa od emisji w roku 2005 (bazowym) i wyniesie 1,55 Gt. Coraz ostrzejsze wymagania dotyczące dopuszczalnych emisji powodują, że nie wystarcza już działalność czysto technologiczna, polegająca na: obniżeniu energochłonności, ograniczeniu zużycia paliw kopalnych kosztem wykorzystania paliw z odpadów czy substytucji klinkieru w cemencie materiałami odpadowymi z innych przemysłów. Przemysł cementowy na świecie docelowo będzie musiał, podobnie jak energetyka, zastosować technologię CCS, która przy obecnym poziomie technicznym wydaje się być jedynym rozwiązaniem pozwalającym uzyskać poziom emisji zgodnie ze scenariuszem Blue[11,12]. 3.1. Zastosowanie technologii CCS w przemyśle cementowym w Polsce Przemysł cementowy w Polsce charakteryzuje się wskaźnikami technicznymi i ekologicznymi odpowiadającymi najlepszym światowym technologiom, zgodnie z BREF. Zagadnieniem, które wymaga rozwiązania w Polsce, podobnie jak praktycznie w całym przemyśle cementowym na świecie, jest redukcja dwutlenku węgla. Dotyczy to zarówno aktualnej, zgodnie z pakietem 3x20 redukcji, jak również planowanej po roku 2020. Przyznana przemysłowi cementowemu w Polsce alokacja emisji CO 2 nie odpowiada już obecnemu zapotrzebowaniu przemysłu. Zapotrzebowanie na emisję w latach 2013-2020 szacuje się na poziomie 11800 tys. t CO 2 /rok. Natomiast zgodnie z przyznanym przez Komisję Europejską Polsce limitem dopuszczalnej emisji CO 2, przemysł cementowy otrzymał z tego jedynie 8600 tys. Mg CO 2 /r. Wynikiem tego jest deficyt na około 3000 tys. t CO 2 /rok, który w roku 2020 osiągnie wielkość ponad 45000 tys. t CO 2 /rok.prognozowany wzrost deficytu dwutlenku węgla w przemyśle cementowym w kraju, będzie wynikiem zakładanego 1047

do roku 2020 wzrostu produkcji cementu. Zapowiedziane na lata 2020-2030 dalsze ograniczenie emisji CO 2 (o 40%) spowoduje, że deficyt ten będzie jeszcze większy. Jak wyżej przedstawiono, przemysł cementowy nie posiada już praktycznie żadnych większych rezerw technologicznych, które można byłoby wykorzystać do obniżenia emisji dwutlenku węgla. W związku z tym, rozwiązaniem może być ograniczenie produkcji do poziomu przyznanej alokacji CO 2 lub zakup brakującej emisji. Zarówno jedno jak i drugie rozwiązanie jest niemożliwe do przyjęcia przez przemysł. Zakładany wzrost produkcji cementu wynika z planowanego wzrostu gospodarczego kraju i rozwoju infrastruktury drogowej i budownictwa komunalnego. Natomiast zakup brakującej emisji CO 2 spowoduje znaczny wzrost cen cementu. Wynikiem tego, ceny cementu produkowanego w kraju nie będą konkurencyjne dla cementu sprowadzanego np. z Ukrainy, co może skutkować wstrzymaniem produkcji jego w Polsce. W związku z tym przemysł musi poszukiwać innych metod ograniczenia emisji CO 2. Muszą to być rozwiązania uwzględniające przyszłe, po roku 2030 scenariusze, dotyczące ograniczenia emisji. Jak wynika z przedstawionego na rysunku 7 wykresu, realizacja scenariusza Blue Map wymaga obniżenie emisji na wyprodukowanie 1 tony cementu z obecnej wartości 680 kg CO 2 /Mg cem. do 406 kg CO 2 /Mg cem (wariant minimalny) lub docelowo nawet do (optymistycznej) wartości 338 kg CO 2 /Mg cem. kg CO 2 /Mg cement 680 406 (-40%) 338 (-50%) 2006 2050 2050 Rys. 7. Scenariusz redukcji emisji wg. Blue Map [11] Jest to wielkość, która jest niższa od emisji teoretycznej (około 535 kg CO 2, patrz tabela 1), wynikającej tylko z procesu dekarbonizacji surowca. Wynika z tego, że jedynym możliwym sposobem uzyskania takiej emisji będzie zastosowanie technologii CCS. Przemysł cementowy w Polsce może skorzystać już z danych opracowanych przez Państwowy Instytut Geologiczny i doświadczeń przemysłu energetycznego, który problemem CCS zajmuje sie już od lat. Technologia CCS jest złożonym zagadnieniem logistycznym obejmującym ciąg działań polegających na: wychwyceniu CO 2, transporcie i trwałym (kilkusetletnim), bezpiecznym dla środowiska zdeponowaniu CO 2 w strukturach geologicznych. Po wychwyceniu(wydzieleniu z gazów procesowych) z instalacji wypalania klinkieru, otrzymany stężony strumień CO 2 zostanie sprężony, w efekcie otrzymuje się gęsty płyn. Tak przygotowany gaz o znacznie mniejszej objętości, można efektywnie transportować do miejsca składowania. Transport dwutlenku węgla może być zrealizowany cysternami lub rurociągami. W Stanach Zjednoczonych, gdzie wykorzystuje się CO 2 do intensyfikacji wydobycia ropy naftowej, transportowany jest on rurociągami. W transporcie rurociągami gaz tłoczony jest pod wysokim ciśnieniem w stanie nadkrytycznym, w którym ma on gęstość cieczy i zachowuje się jak gaz. Podstawowym problemem logistycznym technologii CCS jest bezpieczne magazynowanie dwutlenku węgla. Magazyny-składowiska geologiczne muszą charakteryzować się odpowiednią głębokością, miąższością, porowatością i szczelnością. Jak wynika z badań przeprowadzonych przez 1048

Państwowy Instytut Geologiczny PIB, Polska posiada stosunkowo dobre warunki geologiczne do magazynowania CO 2, zgodne z zaleceniami IPCC. Są to głównie: poziomy wodonośne solankowe, wieku jurajskiego, triasowego i kredowe, sczerpane złoża ropy naftowej i gazu ziemnego, nieeksploatowane pokłady węglowe. Szacowane pojemności zasobów geologicznego składowania to około 10 Gt, z czego ponad 90% stanowią struktury solankowe, (7-10)% złoża ropy i gazu i około1% pokłady węgla. Korzystne dla przemysłu cementowego jest też usytuowanie planowanych dla energetyki miejsc składowania dwutlenku węgla. Praktycznie transport z cementowni do tych miejsc nie przekracza nigdzie 100 km, a najczęściej jest to odległość poniżej 50 km. Ma to istotne znaczenie zarówno w rozwiązaniu sposobu transportu z cementowni do miejsca zatłaczania jak i w kosztach eksploatacyjnych instalacji CCS. O wyborze transportu będzie decydować odległość, ilość gazu do przetransportowania oraz istniejąca infrastruktura. Ze względu na niewielkie odległości do przyszłych miejsc deponowania CO 2, rozwiązaniem tanim i stosunkowo szybkim do zrealizowania będzie transport cysternami samochodowymi. Z przeprowadzonej wstępnej oceny możliwości wykorzystania technologii CCS wynika, że istniejące w kraju warunki geologiczne i rozmieszczenie możliwych do wykorzystania złóż, pozwalają na wykorzystanie tej technologii w przemyśle cementowym. Wymagać to będzie szczegółowej analizy kosztów oraz oceny możliwych rozwiązań zarówno pod względem technicznym jak i logistycznym. Duży wpływ na efektywność i celowość zastosowania technologii CCS w cementowni będzie miała podobnie jak w energetyce, cena zakupu uprawnień do emisji. Uwzględniając jednak przedstawione wyżej ograniczone już możliwości redukcji CO 2 oraz brak innych alternatyw, jedynym skutecznym i bezpiecznym rozwiązaniem przy obecnym stanie techniki, jest technologia CCS. WNIOSKI Nowe, coraz większe wymagane ograniczenia emisji CO 2, stwarzają duże zagrożenia dla przemysłu cementowego. Ograniczone już praktycznie technologiczne możliwości redukcji emisji wymagają poszukiwania innych, pośrednich metod. Zgodnie z perspektywicznym do roku 2050 rozwojem produkcji cementu na świecie oraz z wynikającą z tego wielkością emisji CO 2, jedynym skutecznym przy obecnym poziomie techniki rozwiązaniem redukcji, jest technologia CCS. Za takim rozwiązaniem przemawiają korzystne dla bezpiecznego składowania warunki geologiczne w kraju oraz bliska w stosunku do cementowni lokalizacja wytypowanych złóż do magazynowania. Usytuowanie cementowni w pobliżu przewidzianych na magazyn struktur geologicznych, pozwoli wykorzystać transport z miejsca wychwytywania CO 2 do miejsca zatłaczania cysternami samochodowymi. Zaletą takiego rozwiązania jest możliwość- w przypadku pojawienia się innego, bardziej opłacalnego sposobu - na zrezygnowanie z CCS bez ponoszenia dodatkowych kosztów likwidacji powstałej infrastruktury, jakie wystąpiłyby w przypadku zastosowania transportu rurociągiem. Streszczenie Na przykładzie przemysłu cementowego przedstawiono problem redukcji emisji dwutlenku węgla. Dotychczasowa działalność sprowadza się głównie do ograniczenia zużycia ciepła w procesie wypalania klinkieru i ograniczenia jego ilości w cemencie. Działania te wyczerpały już praktycznie możliwość dalszej redukcji CO 2. Zapowiadane po roku 2020 przez Komisję Europejską nowe, jeszcze większe redukcje wymagają innego podejścia do tego problemu.. W artykule przedstawiono możliwość wykorzystania do tego technologii CCS jako wariantu, który pozwoli uzyskać emisję na wymaganym poziomie. Słowa kluczowe: gazy cieplarniane, technologia CCS, produkcja cementu, system logistyczny 1049

CCS technologies in the cement industry Abstract The issue of carbon dioxide emissions reduction has been presented on the example of cement industry. Existing activities in this area resolve mainly to the reduction of heat consumption in the process of clinker burning and limiting its content in cement. Those activities have almost completely exhausted the possibility of further CO 2 reduction. New, even greater reductions, which the European Commission plans to implement after 2020 require a different approach to this problem. The article describes the possibility of using the CCS technology for this purpose, which will allow to obtain the required level of emission. Keywords: greenhouse gases, CCS technology, cement production, logistics system BIBLIOGRAFIA 1. Robert A. Rohde; The Climatic Research Unit of the University of East Anglia and the Hadley Centre of the UK Meteorological Office. 2. Raport Polska wobec postanowień Konwencji Klimatycznej, Instytut na rzecz Ekorozwoju, Grudzień 2000. 3. BREF 2013, Cement, Lime and Magnesium Oxide Manufacturing Industries, May 2013, European Commission, www.cembureau.be. 4. Duda J.: Energooszczędne i proekologiczne techniki wypalania klinkieru cementowego, Prace IMMB, Opole 2004, 221. 5. www.ipcc.ch/pub/reports.htm. 6. Gąsiorowska E.: Technologia CCS szansa czy ślepa uliczka? Studia BAS Nr 1(21) 2010, s. 219 236, www.bas.sejm.gov.pl. 7. Ściążko M.: Technologie wychwytywania dwutlenku węgla, Raport Technologia wychwytywania i geologicznego składowania dwutlenku węgla (CCS) sposobem na złagodzenie zmian klimatu, http://www.pkpplewiatan.pl/upload/file/2009_05/raport %20CCS.pdf. 8. Duda J.: Nowe wyzwanie wynikające z pakietu klimatyczno-energetycznego dla przemysłu materiałów budowlanych i ceramicznych, (w druku- Prace ICiMB 2014). 9. Stemmermann P., Schweike U., Garberr K., Beuchle G.: Celitement-a sustainable prospect for the cement industry, Cement International, 5/2010, s.53-65. 10. Król M.,Błaszczyński T., Geopolimery w budownictwie, Izolacje, 5/2013, 11. Cement and CO2, WWW.globalcement.com. 12. Kretzschmar H-J., Lubenau U.: CO2 Untergruntspeicherung und Zementindustrie, Zement Kalk Gips, 6/2005,s.59-67. 13. Biuletyn Stowarzyszenia Producentów Cementu, Kraków 2009. 1050