LA-UR-00-6002 Technologia ZECA * Hans-Joachim Ziock, Klaus S. Lackner Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, Tel. (505) 667-7265, Fax (505) 665-3285, e-mail: ziock@lanl.gov Streszczenie Omawiany jest tu nowatorski proces wytwarzania wodoru lub elektryczności z węgla kamiennego zachodzący bez emisji zanieczyszczeń i dwutlenku węgla do atmosfery. Choć w artykule skupiono się na węglu kamiennym, to zasadniczo proces ten może być stosowany dla dowolnego paliwa zawierajacego węgiel. W procesie wykorzystuje się cykliczną reakcję dwutlenku węgla z tlenkiem wapnia w celu uzyskania wodoru z wody i węgla. Reakcja CO 2 z tlenkiem wapnia usuwa CO 2 z produktów reakcji i dostarcza dodatkowej energii niezbędnej do zakończenia produkcji wodoru bez spalania węgla. Reakcja CO 2 z tlenkiem wapnia dająca węglan wapnia dokonuje się przy wykorzystaniu ciepła generowanego w ogniwie paliwowym (wysokotemperaturowym) podczas wytwarzania elektryczności z paliwa wodorowego. Przetworzenie ciepła odpadowego z powrotem w użyteczną energię chemiczną umożliwia osiągnięcie w całym procesie bardzo wysokiej wydajności w przetwarzaniu energii wyjściowego paliwa w energię elektryczną. Ponieważ proces odbywa się zasadniczo w cyklu zamkniętym, możliwe jest osiągnięcie zerowej emisji zanieczyszczeń i CO 2, jeżeli skoncentrowany strumień spalin CO 2 zostanie usunięty. Usunięcia dwutlenku węgla dokonuje się poprzez przetwarzanie skały ultramaficznej w węglan magnezu i krzemionkę. Produkty końcowe procesu mineralizacji CO 2 to trwałe, występujące w przyrodzie minerały. Wystarczającej jakości złoża skał ultramaficznych istnieją na Ziemi w takiej ilości, że łatwo mogą związać cały węgiel zmagazynowany w kopalnych paliwach. Wstęp Energia pochodząca z paliw kopalnych to kręgosłup światowego rynku energii i napęd nowoczesnej gospodarki. Jednak pomimo swej niezbędności, cały sektor energii czerpanej ze spalania paliw kopalnych jest zagrożony obawami o akumulację dwutlenku węgla w atmosferze. Równocześnie nie ma dziś alternatywnego, konkurencyjnego cenowo źródła energii zdolnego sprostać obecnym, a tym bardziej przyszłym potrzebom energetycznym świata. Technologia bezemisyjnej energetyki węglowej mogłaby dostarczyć taniej, czystej i obfitej energii z paliw kopalnych dla nadchodzących stuleci. Prognozy z lat 60 XX w. dotyczące gwałtownie ubywających, niewystarczających zasobów surowców energetycznych okazały się błędne. Odkąd Klub Rzymski przedstawił swoje katastroficzne prognozy, wszelkie surowce stały się obficiej dostępne i tańsze. Tymczasem istnieje bezpośredni związek pomiędzy zdrowiem i zamożnością społeczeństw a dostępnością i zużyciem energii. Wyzwanie nie polega więc na ograniczeniu zużycia energii i innych surowców, lecz na zapewnieniu "czystej energii" po rozsądnej cenie, aby umożliwić światowej populacji * Zero Emission Carbon Aliance, w swobodnym tłumaczeniu - Stowarzyszenie na rzecz bezemisyjnej energetyki węglowej. 1
osiągnięcie stopy życiowej porównywalnej z bogatymi krajami, przy tym w sposób odpowiedzialny wobec środowiska. Rys.1 Wielkość naturalnych zbiorników węgla w porównaniu z rezerwami paliw kopalnych i potencjalną emisją w nowym stuleciu. Dla emisji umieszczono 4 prostokąty po 600 Gt każdy. Przy nierosnącym poziomie emisji w nowym stuleciu emisja wyniosłaby 600 Gt. Pojedynczy prostokąt poniżej osi obok napisu "XX wiek" odpowiada 100 latom emisji na poziomie z początku XX wieku. Całkowita emisja w ciągu XX w jest dana pięcioma takimi prostokątami.obecnie zużycie energii podwaja się co 28 lat. Potencjalnie wzrost może być jeszcze większy. Ilość węgla przechowywana w [1] skałach węglanowych - oceniana na ponad 40 000 000 Gt - wielokrotnie przewyższa wielkości pokazane na tym wykresie. Zasoby paliw kopalnych są olbrzymie. Samego węgla kamiennego jest dość, by wystarczył na setki lat, nawet przy znacznym wzroście światowego zużycia energii. Zasoby węgla dostępnego w postaci paliw kopalnych pokazano na rys.1. Pokazano również ilość węgla obecnie zdeponowanego w naturalnych zbiornikach, często proponowanych jako miejsce składowania CO 2 powstającego podczas spalania paliw kopalnych. Widać jasno, że rezerwy węgla znacznie przewyższają pojemność proponowanych naturalnych zbiorników CO 2. Jedynym wyjątkiem stanowią oceany, które są potencjalnie olbrzymim pojemnikiem węgla. Niestety w perspektywie kilkuset lat pojemność tego zbiornika także się wyczerpie. CO 2 wchodzi do oceanu dając wodorowęglany, węglany i jony wodorowe, które obniżają poziom ph oceanu. Przykładowo, 1000 Gt węgla w postaci CO 2, jeśli się całkowicie rozpuści i wymiesza w oceanie, wystarcza by obniżyć ph całego oceanu o 0,3. Dopiero po bardzo długim czasie dodatkowo rozpuszczone krzemiany wapnia i magnezu zneutralizują kwas węglowy powstały z rozpuszczenia CO 2 w wodzie. Bez neutralizacji ocean się zakwasi. Wraz z rosnącym stężeniem CO 2 w atmosferze, wody powierzchniowe oceanów będą się bez wątpienia zakwaszać, gdyż pozostają w równowadze z atmosferycznym CO 2. Podwojenie poziomu CO 2 w powietrzu zmieni ph wód powierzchniowych o 0,3. To może oznaczać zagrożenie co najmniej porównywalne z globalnym ociepleniem. 2
Potencjał wzrostu światowej konsumpcji energii jest bardzo duży. Konsumpcja energii przekłada się bezpośrednio na gospodarczy dobrobyt i przynosi wraz z nim poprawę zdrowia, bezpieczeństwa i światową stabilizację. Związek pomiędzy produktem krajowym brutto Rys. 2 PKB/osobę w korelacji do zużycia energii na osobę dla krajów należących do ONZ. Wzięto z: R. G. Watts, "Engineering Response to Global Climate Change." Lewis Publishers, New York, 1997 (PKB) przypadającym na osobę, który jest miernikiem dobrobytu, a zużyciem energii jest pokazany na rys. 2. Dziś zużycie energii na osobę w zamożniejszych krajach jest około pięciokrotnie wyższe niż światowa średnia, podobnie jak stopa życiowa w tych krajach. Reszta świata podciąga się do tych standardów. Nie możemy odmówić reszcie świata tego dobrobytu, jakim cieszymy się dzisiaj, i oczekiwać, że międzynarodowa stabilizacja zostanie utrzymana. Gdy ten czynnik 5 połączymy ze spodziewanym podwojeniem światowej populacji w obecnym stuleciu, to nietrudno sobie wyobrazić dziesięciokrotny wzrost konsumpcji energii. Poza poprawą poziomu życia, energia i zamożność dostarczają środków dla uzyskania czystego środowiska. Najbrudniejsza woda i powietrze nie występują w bogatych krajach, lecz raczej w rozwijających się. Skoro zanieczyszczenie środowiska staje się szybko problemem globalnym, to powinniśmy również w globalnej zamożności dostrzec rozwiązanie problemu, a nie tylko jego przyczynę. Technologia Los Alamos National Laboratory odegrało wiodącą rolę w opracowaniu bezemisyjnej technologii uzyskiwania energii z węgla kamiennego przez Zero Emission Coal Alliance 3
(ZECA - Stowarzyszenie na rzecz bezemisyjnej energetyki węglowej). ZECA to stowarzyszenie instytucji przemysłowych, rządowych i naukowych dążących do opracowania technologii służącej do wytwarzania wodoru i/lub elektryczności z węgla, w sposób wolny od emisji zanieczyszczeń i z bardzo wysoką wydajnością. Proces wytwarza czysty strumień CO 2, który jest usuwany w ciągłym procesie tworzenia minerałów węglanowych. Potrzebne surowce w postaci krzemianów magnezowych istnieją w ilości wystarczającej dla całego światowego węgla. Wydobycie krzemianów wymaga naruszenia mniejszego obszaru terenu niż obecnie używany przez odkrywkowe kopalnie węgla. Cały proces zilustrowany na rys.3 składa się z kilku zintegrowanych, ale wyraźnie oddzielonych członów. Węgiel wykorzystuje się do wytworzenia elektryczności w wysokowydajnej, bezemisyjnej elektrowni napędzanej zgazyfikowanym węglem, co naturalnie wytwarza oddzielny, odpadowy strumień skoncentrowanego CO 2 zawierający cały węgiel wprowadzony do procesu w postaci węgla kamiennego. CO 2 jest przesyłane do zakładu mineralizacji CO 2, gdzie reaguje on z krzemianem magnezu, najlepiej ze skałą typu perydotyt lub serpentyn. Węglan magnezu i dwutlenek krzemu - produkty końcowe reakcji przesyłane są z powrotem do kopalni serpentynu. Produkty końcowe są stabilne, dlatego gwarantują trwałe związanie CO 2. Rysunek 4 pokazuje szkic bezemisyjnej elektrowni węglowej. Rysunek ilustruje schemat beztlenowej produkcji wodoru, która łączy gazyfikację węgla, produkcję wodoru w reakcji tlenku wapnia z metanem (w obecności wody) i prażenie wapienia (CaCO 3 ), połączonej z układem ogniwa paliwowego. Beztlenowy proces produkcji wodoru to przemysłowy, prowadzony w podwyższonej temperaturze proces, który nie wymaga powietrza (stąd jest beztlenowy), nie wiąże się ze spalaniem i nie wymaga wkładu cieplnego. Obok węgla kamiennego proces wymaga tylko wkładu wody i CaO, przy czym dwa ostatnie są w sposób ciągły odnawiane. Opisywany tu proces jest wariantem sprawdzonego już procesu wiązania 4
CO 2 [2]. Kilka innych zespołów, oprócz naszego, wdraża także inne warianty tego procesu do produkcji wodoru z różnorodnych paliw na bazie węgla [3,4]. H 2 O (używane do kontroli procesu) H 2 O Oczyszczanie gazu z siarki i pyłów H 2 O CO 2 H 2 O Powietrze H 2 O CH 4, H 2 O CaCO 3 CO 2 Zbiornik gazyfikacji Zbiornik karbonatyzacji Zbiornik kalcynacji Ogniwo paliwowe Szlam węglowy Popiół H 2 CaO CO 2 Oczyszczanie wodoru H 2 H 2 N 2 Rys. 4. Schemat procesu produkcji wodoru i ogniwa paliwowego. Ukazano przepływ tylko głównych reagentów. Główne reakcje są następujące: Zbiornik gazyfikacji: C + 2H 2 CH 4 H 2 O(ciecz) H 2 O(gaz) Zbiornik karbonatyzacji: CH 4 + 2H 2 O CO 2 + 4H 2 CaO + CO 2 CaCO 3 Zbiornik kalcynacji: CaCO 3 CaO + CO 2 Ogniwo paliwowe: 2H 2 + O 2 2H 2 O Na rys. 4 ukazany został w modelowy, schematyczny sposób przepływ materiałów z podkreśleniem głównych związków chemicznych powstających w każdym etapie. Węgiel dostarczany jest do instalacji gazyfikacji jako suchy pył (proszek) lub w postaci szlamu i zostaje zgazyfikowany przez wodór. W przeciwieństwie do zgazowywania węgla wodą, gazyfikacja wodorem węgla do metanu jest egzotermiczna, stąd niepotrzebne jest grzanie z zewnątrz w tym procesie. Poprzez wtrysk pewnej ilości wody lub pary wodnej do komory gazyfikacji można odebrać wyzwolone ciepło i utrzymać stałą temperaturę w instalacji gazyfikacji. (Ostudzenie można osiągnąć przez przeprowadzenie w pewnym zakresie endotermicznej reakcji zgazowania węgla wodą lub poprzez wytworzenie pary wodnej, gdy się wstrzyknie wodę do komory.) Poprzez przemianę węglowych składników paliwa w stan gazowy, oddziela się popiół zostawiając go w komorze gazyfikacyjnej. Węgiel, który jest teraz w formie lotnych związków, dostaje się do komory karbonatyzacji, gdzie reaguje z wodą tworząc CO 2 i H 2. Dwutlenek węgla jest w sposób ciągły usuwany ze strefy reakcji poprzez reakcję z CaO, w której daje CaCO 3. W zasadzie reagująca mieszanina wody, pary wodnej i lotnych węglowodorów ani nie zużywa, ani nie wytwarza ciepła. Wynika to z faktu, że sumaryczna reakcja (1) w komorach gazyfikacji i karbonatyzacji jest niemal energetycznie 5
obojętna. Tak więc, całkowite ciepło wyzwalane w tych komorach wynosi zero. Gdy warunki pracy w pierwszej komorze ustawi się tak, aby bilans cieplny był zerowy, to w drugiej także musi być taki sam. Oczywiście łączna reakcja jest egzotermiczna w przypadku wody dostarczanej do komory jako para wodna. Umożliwia to zrekompensowanie nieuniknionej straty ciepła, która pojawi się podczas wdrożenia realnego procesu. CaO + C + 2H 2 O(ciecz) CaCO 3 +2H 2 + 0,6 kj/mol C (1) Gazowe produkty komory karbonatyzacji dają 4 mole wodoru na mol węgla wprowadzonego do komory. Połowa tego wodoru pochodzi z metanu wytwarzanego w komorze gazyfikacji. Pozostałe 2 mole wodoru wywodzą się z wody. To jest ta połowa wodoru, która jest właściwym produktem. Ponieważ reakcja produkcji wodoru przejmuje również energię reakcji karbonatyzacji (CaO + CO 2 CaCO 3 ), strumień produkowanego wodoru zawiera około 150% energii wnoszonej do procesu przez węgiel. Zgodnie z zasadą zachowania energii, teoretycznie, cała ta energia wodoru może wytworzyć elektryczność. Jednak prawa termodynamiki dyktują maksymalną wydajność przemiany możliwą do osiągnięcia, a rozważania praktyczne jeszcze bardziej ograniczają to, co można osiągnąć. Wszelkie straty początkowej energii dostępnej dla wytworzenia elektryczności podczas procesu konwersji stają się ciepłem. Maksymalna temperatura mediów unoszących to uboczne ciepło zależy od procesu konwersji i jest także dyktowana przez prawa termodynamiki. W pewnych procesach temperatura mediów unoszących odpadowe ciepło jest dość niska, jak w typowych systemach generacji mocy (np. elektrownie z turbinami parowymi itp.) Takie procesy to procesy niebezpośredniej konwersji wymagające wykorzystania ciepła dla przeprowadzenia konwersji. Aby osiągnąć w takich procesach wysoką wydajność, prawa termodynamiki wymagają, żeby media unoszące ciepło wydalane na końcu procesu miały niską temperaturę. Właśnie dlatego ciepło to jest bezużyteczne dla dalszej generacji prądu. Natomiast w bezpośredniej konwersji, takiej jaka zachodzi w ogniwach paliwowych, nie ma ograniczenia co do temperatury mediów unoszących wydalane ciepło, mogą one mieć wysoką temperaturę. W przypadku ogniw typu SOFC (SOFC - Solid Oxide Fuel Cells - stałe tlenkowe ogniwo paliwowe) emitowane ciepło odpadowe ogrzewa ogniwo do temperatury 1050 o C. Takie wysokotemperaturowe ciepło odpadowe może być użytecznie wykorzystane i nie musi być tracone. Należy przypomnieć, że w naszym procesie produkowany wodór ma około 150% energii wprowadzonej przez węgiel. Stąd, nawet jeśli wytwarzanie elektryczności będzie miało tylko 50% wydajności, co jest wartością typową dla ogniw paliwowych, to i tak można przetworzyć w prąd elektryczny 75% energii wnoszonej przez węgiel. Oczywiście zasada zachowania energii obowiązuje. Dodatkowa energia (50%) została wniesiona do produktu wodorowego przez reakcję CaO z CO 2 do CaCO 3. Jeżeli nie dysponujemy wolnym źródłem CaO, a tak zwykle jest, to pożyczka energii z reakcji CaO i CO 2 musi zostać spłacona. Odbywa się to w komorze kalcynacji przy wykorzystaniu ciepła odpadowego generowanego przez SOFC. Reakcja kalcynacji występująca w trzeciej komorze wymaga ilości ciepła równej ciepłu uwalnianemu w reakcji karbonatyzacji. Ciepło musi być ponadto dostarczone przez media o odpowiedniej temperaturze, około 900 o C, aby wywołać kalcynację. SOFC pozwala ogrzać media do takiej temperatury. Z powodów termodynamicznych wysokotemperaturowe wodorowe ogniwo paliwowe obraca mniej więcej jedną trzecią energii wodoru w ciepło odpadowe ( w praktyce ta liczba to około 50%). Ale, jak stwierdzono wcześniej, SOFC działa w temperaturze, w której ciepło odpadowe może zostać wykorzystane do kalcynacji CaCO 3. To "odpadowe ciepło" jest ponownie obracane w użyteczną energię chemiczną, przenoszoną przez CaO. Poprzez zamknięcie pętli CaO uzyskuje się więc energetyczne zrównoważenie układu. 6
Ponieważ w procesie wykorzystuje się ciepło odpadowe z ogniwa paliwowego do wytwarzania dodatkowego wodoru, uzyskuje się wysoką wydajność. Przy teoretycznych założeniach czystego węglowego wsadu, braku strat cieplnych i optymalnego działania ogniwa paliwowego wydajność przetwarzania energii węgla w elektryczność osiągnęłaby 93%. Straty są nieuniknione ponieważ ciepło ucieka z komór oraz ponieważ rzeczywista wydajność konwersji w ogniwie paliwowym to mniej, niż pozwalają prawa termodynamiki. Pomimo to, powinno być możliwe osiągnięcie bardzo wysokiej wydajności, na poziomie 70%, podczas opisywanej tu konwersji energii węgla w energię elektryczną. Tak więc, w porównaniu ze standardowymi procesami, ten nowy proces wytwarza znacznie mniej CO 2 na jednostkę pozyskanej energii elektrycznej. To z kolei znacznie obniża koszty składowania CO 2 przypadajace na jednostkę elektryczności. Jeżeli zamiast energii cieplnej prześledzi się energię swobodną układu, to widać natychmiast, że energia swobodna węgla jest stopniowo obniżana. Utlenianie wodoru w 1050 o C daje w rezultacie wartość 0,7 G/ H. Dla węgla ten stosunek to 1,02. Tak więc energia swobodna zostaje w pewnym stopniu obniżona, co oznacza wzrost entropii wymagany przez drugie prawo termodynamiki. Proces jest ekonomicznie atrakcyjny również przez to, że likwiduje całą emisję zanieczyszczeń do atmosfery. W tym procesie nie ma kominów fabrycznych, bo nie ma spalania węgla. Tak więc popiół z węgla jest całkowicie zatrzymywany, czyniąc zadość wciąż zaostrzającym się limitom emisji zanieczyszczeń. Niewielka ilość dodawanego CaO lub CaCO 3 jest wykorzystywana do związania siarki z węgla kamiennego. Siarka jest wyprowadzana z komory reakcyjnej w postaci stałej, nie ma więc emisji H 2 S lub tlenków siarki. Ponadto, warunki redukujące w komorze produkcji wodoru nie sprzyjają powstawaniu tlenków azotu, a ponieważ nie występuje spalanie, emisja tlenków azotu obniża się do zera. W końcu CO 2 powstający przy produkcji wodoru jest początkowo pozyskiwany w postaci stałej, zanim zmienia się go w czysty strumień gazu. Jako że jest to integralna część procesu produkcji wodoru, nie są ponoszone żadne dodatkowe wydatki na wytworzenie skoncentrowanego strumienia spalin CO 2. Rys. 4 pokazuje również, że proces odbywa się zasadniczo w zamkniętym cyklu. SOFC transportuje tlen, działając jednocześnie jako membrana oddzielająca tlen. Tak więc do wodorowej strony ogniwa paliwowego nie ma nigdy dostępu powietrze, co oznacza, że strona produktu (woda) nie jest zmieszana z powietrzem (z azotem). Jakikolwiek wodór, który przeszedł przez ogniwo bez przereagowania jest zawracany do ponownego przejścia. Zamknięty, cykliczny charakter procesu znacznie ułatwia usunięcie wszelkich zanieczyszczeń wprowadzonych z węglem kamiennym. Skutecznie zamknięty, cykliczny układ pozwala podwyższyć stężenie produktów ubocznych do poziomu, przy którym mogą być łatwo wychwycone. (Oczywiście ten poziom nie może być na tyle wysoki by stał się szkodliwy dla działania instalacji składowych układu.) Rozważmy przykładowo lotne zanieczyszczenia wchodzące z węglem na poziomie powiedzmy 0,05%, jak pokazuje rys. 5. Poziom zanieczyszczeń we wnętrzu układu będzie się podnosił, aż spróbuje je się usunąć. Jeżeli gaz obiegnie układ 20 razy, poziom zanieczyszczeń osiągnie wartość 1%. Przy tym poziomie, jeżeli wprowadzi się odgałęzienie, którym będzie płynąć 10% całkowitego przepływu gazu, poprzez układ oczyszczania o wydajności usuwania zanieczyszczeń zaledwie 50% w pojedynczym przejściu, to i tak usunie się tyle zanieczyszczeń, ile jest wprowadzanych z węglem w pojedynczym cyklu. 7
Paliwo, poziom zanieczyszczeń =0,05% X Produkcja wodoru poziom zanieczyszczeń =1,0% 20 X Wykorzystanie wodoru 1 X 18 X Wydajność usuwania zanieczyszczeń =50% 2 X Zanieczyszczenie usuwane w formie stałej lub ciekłej 1 X Rys. 5. Schemat procesu oczyszczania, w którym wykorzystuje się przepływ części gazu odnogą. W procesie tym usuwa się w pełni zanieczyszczenia wprowadzone z węglem kamiennym, choć w pojedynczym przejściu proces jest niezbyt efektywny. W ten sposób można usuwać wszystkie zanieczyszczenia wykorzystując stosunkowo tani układ oczyszczający. Kontrastuje to z dzisiejszymi instalacjami energetycznymi, które wypuszczają spaliny prosto do atmosfery i w których wydajność usuwania musi być niezwykle wysoka (a to jest zwykle kosztowne), aby osiągnąć typowe dopuszczalne stężenie rzędu części na milion. Dwutlenek węgla będzie w sposób ciągły usuwany poprzez reakcję z obficie występującymi w przyrodzie minerałami tworząc niegroźny trwały minerał tak, że CO 2 nie pozostanie w spadku dla kolejnych pokoleń. Pomysł wiązania CO 2 w minerałach jest rozwijany we współpracy laboratoriów Los Alamos National Laboratory, Albany Research Center, Arizona State University i National Energy Technology Laboratory. W opisywanym tu procesie CO 2 reaguje z krzemianami bogatymi w magnez (serpentyn lub oliwin) tworząc węglan magnezu (magnezowy analog wapienia), krzemionkę i być może wodę. Wszystkie produkty końcowe występują w przyrodzie, a reakcja jest właściwie częścią geologicznego cyklu węgla zachodzącego w przyrodzie w warunkach naturalnych przez miliony lat. Reakcja produkcji węglanu magnezu wytwarza również energię (ciepło), która potencjalnie może być wykorzystana. Węglan magnezu jest produktem termodynamicznie preferowanym, więc usunięcie dwutlenku węgla jest naprawdę trwałe. Krzemiany magnezu istnieją w obfitych, bogatych złożach na całym świecie, jak pokazuje rys. 6. Samo złoże w Omanie zawiera 30 tys. kilometrów sześciennych krzemianu magnezu, co wystarczyłoby dla większości światowego węgla. Wzięte razem światowe bogate złoża krzemianu magnezu z łatwością poradzą sobie z całym światowym zapasem węgla. Skala operacji nie jest przy tym nierozsądna. Wymagana wielkość kopalni potrzebnej dla dużej elektrowni jest mniejsza niż duża kopalnia odkrywkowa miedzi. Chociaż stosunek mas serpentynu do węgla w procesie mineralizacji CO 2 wynosi 6 do 1, to obszar zajęty pod wydobycie serpentynu jest znacznie mniejszy niż odpowiadający obszar kopalni węgla. Obszar kopalni serpentynu jest mniejszy, ponieważ złoża serpentynu mają zazwyczaj 8
znacznie większą grubość niż złoża węgla kamiennego i serpentyn ma większą gęstość niż węgiel. Rys. 7 pokazuje porównanie obszarów potrzebnych pod kopalnie węgla kamiennego i serpentynu. Rys.6: Główne światowe obszary występowania ofiolitów. Zaadaptowane z pracy W.P. Irwin i R.G. Coleman, USGS 1974. Produkty końcowe procesu wiązania CO 2 mogą być użyte do zasypania kopalni. Jeśli oprzeć się na kosztach wydobycia i mielenia rudy miedzi i na wielkości obszaru pod aparaturę chemiczną niezbędną do procesu wiązania CO 2 to można ocenić, że koszty usuwania wyniosą około 15-20 $ za tonę CO 2, co wydaje się rozsądną ceną. Ostatnie ekspertyzy IEA [5] potwierdzają, że koszty wydobycia, rozdrobnienia, zmielenia i rekultywacji są niskie - około $7 do $10 na tonę CO 2. Ekspertyza podkreśla, że trudność polega na zaprojektowaniu wydajnego procesu chemicznego. Proste procesy łączenia CO 2 ze skałą serpentynową w bezpośredniej reakcji są potencjalnie bardzo tanie. Jeśli wielkość instalacji wiązania CO 2 jest determinowana przez czas przebywania substratów w komorze reakcyjnej, a jest to czas rzędu godziny, to komory reakcyjne, nawet jeśli są komorami ciśnieniowymi, dodadzą niewiele do kosztu zakładu. Aby związać tonę CO 2 na godzinę, komora powinna pomieścić około dwie tony serpentynu, więc powinna mieć rozmiar kilku metrów sześciennych. Dla dużych komór koszt wynosi około 1000 $ za metr sześcienny. Dziesięcioprocentowe koszty kapitałowe od 10000 $ dają w rezultacie stawkę godzinową w wysokości około 10 centów. Koszt obudowy bezpieczeństwa doda jeszcze kilkadziesiąt centów do kosztu usunięcia tony CO 2. A więc licząc się nawet z innymi jeszcze kosztami, 10 $ za tonę CO 2 pozostaje ceną osiągalną. W niedawnej pracy zespół z Alabany przedstawił proces, który wydaje się być bardzo łatwy do wdrożenia [6]. W efekcie, CO 2 w kontakcie z oliwinem lub serpentynem, wodą, sodą oczyszczoną i chlorkiem sodu zamienia większość skały w węglan magnezu i krzemionkę. NaHCO 3 i NaCl grają rolę katalizatorów i nie są zużywane w procesie. Proces zaproponowany przez zespół z Alabamy usuwa trudności przedstawione przez IEA w ich raporcie, a jego koszt prawdopodobnie będzie na poziomie $15 - $20 za tonę, łącznie z wydobyciem. Dla elektrowni o wydajności 70% przełożyłoby się to na podniesienie ceny 1 kwh o 1 cent. Założenia: elektrownia o mocy1gw i 80% wydajności Węgiel Serpentyn Grubość 4 m 200 m Gęstość 1,4 t/m 3 2,55 t/m 3 Zużycie/dzień 3750 t/dzień 25000 t/dzień Obszar/dzień 670 m 2 /dzień 49 m 2 /dzień Węgiel Rys. 7: Obszar zajęty dla elektrowni w celu wydobycia węgla i minerałów do likwidacji CO 2 9
Podsumowując, węgiel ma ważną a nawet kluczową pozycję w energetycznej przyszłości świata. Ważne jest, aby wartość tego zasobu została rozpoznana i wykorzystana. Jesteśmy pewni, że istniejące rozwiązania techniczne pozwolą na realizację idei "zielonego" węgla, co zapewni nam czysty świat oraz dynamiczną, zdrową i bezpieczną światową gospodarkę na długi czas. Literatura [1] Wright J., A. Colling and Open University Course Team, Seawater: Its Composition, Properties and Behaviour, 2nd Edition, Pergamon-Elsevier, Oxford (1995). [2] Duane C., McCoy, George Curran and John D. Sudbury, CO 2 Acceptor Pilot Plant -1976, Proceedings of the 8th Synthetic Gas Symposium, Chicago IL, October 18-20, 1976, American Gas Association Catalog No. L 51176. [3] Shying Lin, Yoshizo Suzuki, Hiroyuki Hatano, Masaaki Oya, Michiaki Harada, Innovative Hydrogen Production by Reaction Integrated Novel Gasification Process (HyPr-RING), Proceedings of the Advanced Clean Coal Technology International Symposium '99, Nov. 1-2, 1999, Tokyo. [4] B. Balasubramanian, A. Lopez Ortiz, S. Kayatokoglu, D.P. Harrison, Hydrogen from methane in a single-step process, Chemical Engineering Science 54 (1999) 3543-3552. [5] CSMA Minerals Limited, CO 2 Storage As Carbonate Minerals, Report commissioned by IEA. [6] W.K. O'Connor, D.C. Dahlin, D.N. Nilsen, G.E. Rush, R.P. Walters and P.C. Turner, CO 2 Storage in Solid Form: A Study of Direct Mineral Carbonation, Proceedings of the 5th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, Cairns, Australia, Aug., 2000. Tłumaczenie raportu LA-UR-00-602 H.J. Ziock, K.L. Lackner Overview of the ZECA (Zero Emission Coal Alliance) Technology, Grzegorz Słowiński i Jan A. Kozubowski, Wydział Inżynierii Materiałowej PW. 10