Ekonomiczno-techniczne aspekty wykorzystania gazu w energetyce
Porównanie technologii gazowych i węglowych produkcji energii elektrycznej W10
TECHNOLOGIE ENERGETYCZNE Zakres wykładu: Wprowadzenie Co z paliwami Wyzwania klimatyczne Rodzaje dostępnych dziś technologii Kierunki koniecznych zmian i nowych poszukiwań Podsumowanie
WPROWADZENIE Energetyczne zasoby przyrody tworzą energię pierwotną. Rozdzielamy je na odnawialne i nieodnawialne. W pierwszej grupie wyróżniamy: energię promieniowania słonecznego (promieniowania elektromagnetycznego), wiatru, biomasy, energię cieków wodnych, geotermalną, fal morskich i pływów oceanicznych, energię związaną z istnieniem gradientów temperatury w morzach i oceanach oraz inne postacie energii
WPROWADZENIE Ich konwersja (przekształcenie) w pożądane postacie energii finalnej(użytkowej): elektryczność, ciepło, chłód, uszlachetnione paliwa i nośniki energii (np.paliwa dla transportu, wodór) jest domeną tzw. energetyki źródeł odnawialnych( energetyki słonecznej, wiatrowej, wodnej, bioenergetyki, energetyki geotermalnej). Jej poszczególne rodzaje są w różnym stadium rozwoju.
WPROWADZENIE Źródła nieodnawialne stanowią paliwa organiczne i jądrowe. Są to: paliwa organiczne: węgiel kamienny i brunatny, torf,łupki bitumiczne, ropa, gaz ziemny; paliwa jądrowe rozszczepialne: głównie uran i tor (występujące w naturze w postaci związków, np. U 3 O 8 i ThO 2 ); paliwa jądrowe energii syntezy (fuzji jądrowej): deuter, lit, hel. W tym przypadku mówimy o energetyce klasycznej paliw kopalnych (energetyce węglowej, gazowej, atomowej,energetyka fuzji jądrowej jest w stadium eksperymentalnym).dostarcza ona obecnie ponad 80% elektryczności w skali globu.
WPROWADZENIE. STRUKTURA ZUŻYCIA PALIW Nuclear 16,9% Other 1,6% Hydro 17,1% Fossil 64,4% W Polsce decydującą rolę odgrywa węgiel. Dominująca rola węgla w generacji elektryczności uzasadnia zainteresowanie rozwojem nowej generacji tej klasy technologii, co może ograniczyć przyszłościowe problemy ekologiczne polskiej energetyki.ważnym jest rozwój energetyki źródeł odnawialnych
CO Z PALIWAMI KOPALNYMI? OCENA ZASOBÓW Brak jednoznaczności w ocenie zasobów i rezerw paliw. Tempo i stopień wyczerpania są ciągle korygowane. Przeważa opinia że w skali globu zasoby głównych paliw kopalnych są w dalszym ciągu znaczne,zwłaszcza jeśli uwzględnić nowe odkrycia (np. hydraty metanu)
ŹRÓDŁA ODNAWIALNE. ZASOBY Większość źródeł odnawialnych to źródła o niskiej gęstości energetycznej(słońce,wiatr, biomasa ). Z tego powodu ocena zasobów powinna uwzględniać stan technologii ich przetwarzania do końcowych pożądanych postaci energii. To znaczy powinniśmy ocenić ile z potencjalnych zasobów energii pierwotnej da się przekształcić w energię elektryczną, ciepło itd. Ten sposób postępowania brany pod uwagę dla wszystkich postaci odnawialnych zasobów przyrody pozwoli uniknąć wielu nieporozumień.
ŹRÓDŁA ODNAWIALNE. ZASOBY BIOMASY. Ocenę należy przeprowadzić wg schematu uwzględniając możliwość wystąpienia konkurencji między poszczególnymi sposobami wykorzystania dostępnych areałów
STRUKTURA ZUŻYCIA PALIW NA PRODUKCJĘ ENERGII ELEKTRYCZNEJ Elektryczność +1.3%/a (EU), 2.5%/a (Świat)
TEZY PALIWOWE W perspektywie 20 30 lat nie należy oczekiwać istotniejszych przewartościowań ani też skokowych zmian w strukturze nośników wykorzystywanych w produkcji elektryczności. Paliwa organiczne będą prawdopodobnie głównymi nośnikami energii w najbliższej przyszłości. Wśród nich szczególną rolę odgrywać będzie zapewne węgiel. Decydują o tym jego duże rezerwy i stabilny do nich dostęp oraz przewidywania niewielkich wahań jego ceny. W skali globu głównym paliwem wykorzystywanym do wytwarzania elektryczności w instalacjach podstawowych i małej mocy będzie obok węgla gaz ziemny. Należy oczekiwać zwiększonego wzrostu (zwłaszcza w UE ) udziału źródeł odnawialnych w bilansie energii pierwotnej w 2020 roku i w latach następnych. W UE w 2020 r. udział tych źródeł powinien wynosić 20%. Przedstawiane obecnie scenariusze rozwoju dość sceptycznie na ogół odnoszą się do zwiększenia produkcji elektryczności w technologiach jądrowych.
TEZY PALIWOWE c.d. Porównując dane z różnych prognoz zauważamy, że łączne zużycie klasycznych paliw organicznych w okresie 2000-2030 (węgiel, gaz, ropa naftowa) na produkcję elektryczności w UE pozostaje niemal na stałym poziomie (około 52-53 %), natomiast w świecie zauważalnie rośnie (z 64,4-72,4 %). W UE przewiduje się wzrost względnego zużycia gazu do 2020 roku, później jego spadek. Ten stan rzeczy ma swe uzasadnienie w dążeniu do zmniejszenia zależności UE od importu paliw, tablica, i jej strategii ukierunkowanej na ciągły wzrost udziału odnawialnych źródeł energii w technologiach wytwarzania elektryczności. W skali globu prognozuje się natomiast ciągły wzrost udziału gazu ziemnego w produkcji elektryczności. ZALEŻNOŚĆ OD IMPORTU GŁÓWNYCH PALIW DLA UE(27) W 2005r. i PROGNOZOWANA DLA 2030r. Tablica 2 Pierwotne Zależność od importu UE(27) źródło energii 2005 2030 Zasoby/do rocznej konsumpcji Węgiel 39 % 59 % 155 lat Gaz 57 % 84 % 64 lata Olej 82 % 93 % 42 lata
GŁÓWNE WYZWANIA EKOLOGICZNE Proces spalania paliw węglowodorowych jest głównym źródłem emisji zanieczyszczeń. Ograniczenie emisji tlenków siarki (SOx), azotu (NOx), rtęci nie jest obecnie problemem technologicznym. Dysponujemy, bowiem odpowiednimi sposobami (aktywnymi i biernymi) ograniczeń ich emisji do otoczenia. Czynnikiem decydującym dziś o rozwoju technologii energetycznych jest dość powszechne przekonanie o konieczności redukcji emisji gazów decydujących o ociepleniu klimatu. Głównymi gazami cieplarnianymi są: CO2, CH4, N2O, O3, fluoropochodne węglowodorów (CFC, H-FC), SF6. Ich antropogeniczna (spowodowana działalnością człowieka) emisja nieustannie (poza freonami) rośnie.
GŁÓWNE WYZWANIA EKOLOGICZNE Ocieplanie klimatu jest faktem. Dowodzą tego wielorakie obserwacje i analizy prowadzone przez wiele organizacji międzynarodowych i ośrodków w naukowych. Zmiana granic topnienia lodu na Grenlandii
GŁÓWNE WYZWANIA EKOLOGICZNE Wobec istotnego wzrostu emisji CO2 i związanego z tym zwiększenia stężenia CO2 w atmosferze wydaje się bardziej racjonalnym dostrzeganie związanego z tym niebezpieczeństwa i podejmowanie kroków zapobiegawczych niż lekceważenie tego faktu.koszty zmian klimatycznych będą znacznie wyższe niż nakłady na ograniczenie emisjico2
GŁÓWNE WYZWANIA EKOLOGICZNE IPCC (Intergovernmental( Panel on Climate Change) Publikowane scenariusze oparte o obecnie opracowane modele dotyczą różnych poziomów w emisji gazów cieplarnianych,rys.obok. Scenariusz aproksymacyjny, którego podstawą jest obecna dynamika wzrostu emisji CO2,eq AIF, zakłada w 2100 roku koncentrację CO2,eq = 1550 ppm, co może spowodować wzrost temperatury między 2,4 6,4oC (z największym prawdopodobieństwem o 4oC), scenariusz najmniejszego wzrostu stęż ężenia ( 600 ppm B1) zakłada ada wzrost temperatury w przedziale 1,1 2,9oC (najbardziej prawdopodobny wzrost o 1,8oC).
GŁÓWNE WYZWANIA EKOLOGICZNE Dla zahamowania wzrostu stężenia CO2 w atmosferze nie wystarczy rozwijać jeden rodzaj technologii. Konieczny jest wysiłek w wielu obszarach. Dla każdego, z zaznaczonych w trójkącie stabilizacyjnym obszaru technologicznego, mamy do czynienia z ogromnym wyzwaniem techniczno-ekonomicznym o trudnych do oceny, z dzisiejszej perspektywy, możliwościach realizacyjnych 8 7 6 5 4 3 2 1 Miliardy ton emisji węgla uniknięte Wzrost sprawności wytwarzania Wodór dla transportu Biopaliwa Biosekwestracja Odnawialne źródła energii Elektrownie jądrowe Wychwyt i magazynowanie CO2 2010 2020 2030 2040 2050
EUROPEJSKA POLITYKA ENERGETYCZNA Główne zadania europejskiej polityki energetycznej: przeciwdziałanie zmianom klimatycznym, rozwój rynku pracy, intensyfikacja wzrostu gospodarczego oraz ograniczenie zależności od zewnętrznych dostaw surowców energetycznych są ściśle związane z identyfikacją zagrożeń wywołanych kontynuacją obecnej energochłonnej i wysoko emisyjnej polityki rozwoju. Głównymi zadaniami do 2020 są; 20% ograniczenie emisji gazów cieplarnianych w odniesieniu do poziomu emisji w1990r., 20% udział źródeł odnawialnych w bilansie energii pierwotnej, 20% redukcja globalnego zużycia energii pierwotnej(wzrost efektywności wytwarzania energii, wzrost sprawności odbiorników, oszczędność energii itd.) Są to zadania poważne mieszczące się w modelu pokazanym na poprzednim slajdzie i stwarzające nadzieję na osiągnięcie w dłuższej perspektywie czasu stabilizacji zmian klimatycznych
RODZAJE TECHNOLGII Wielkość zasobów, gęstość energetyczna paliwa, kryteria ekologiczne, uwarunkowania rynkowe i inne(w tym społeczne i polityczne) prowadzą do zróżnicowania technologii wytwarzania elektryczności i ciepła. Nowe technologie energetyczne rozwijają się w wielu kierunkach. Żaden z nich wobec trudnych do przewidzenia procesów rozwojowych, w tym zmian klimatu nie może być dyskryminowany. Rozwój wszystkich opcji pokrywania potrzeb energetycznych jest podstawą zrównoważonego rozwoju społeczeństw i bezpieczeństwa energetycznego świata Istnieje wiele kryteriów klasyfikacji technologii energetycznych. Jednym z kryteriów podziału może być rodzaj paliw. Wyróżniamy, więc technologie wykorzystujące paliwa węglowe, węglowodorowe (gazowe i ciekłe) i jądrowe oraz technologie konwersji odnawialnych źródeł energii. Sposób konwersji paliw w końcową postać energii (ciepło, energia elektryczna) może być bezpośredni lub obejmować wiele ogniw
TECHNOLOGIE WĘGLOWE a) Klasyczny blok parowy z kotłem pyłowym, b) Bloki parowe z paleniskami fluidalnymi, c) Kombinowane układy gazowo-parowe dwupaliwowe (utylizujące gaz ziemny i węgiel), c.1. Klasyczny blok węglowy z gazową turbiną czołową, c.2. Sprzężone równoległe układy gazowoparowe (instalacja turbiny gazowej z kotłem odzyskowym sprzężona z węglowym kotłem pyłowym), 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, współcześnie formułowane wymagania w stosunku do technologii energetycznych są następujące: Wysoka niezawodność i dyspozycyjność Wysoka sprawność Niska emisja Wysoka elastyczność eksploatacyjna Elastyczność paliwowa Niskie koszty utrzymania, prowadzenia eksploatacji
TECHNOLOGIE WĘGLOWE-BLOKI KONDENSACYJNE Cechą charakterystyczną obecnego stanu rozwoju kondensacyjnych bloków węglowych (te mają istotne znaczenie w bilansowaniu potrzeb) jest istotny wzrost parametrów pary świeżej. Proces ten rozpoczął się stosunkowo wcześnie dla kotłów pyłowych. Współcześnie oferowane są także kotły fluidalne z nadkrytycznym ciśnieniem pary. Graniczne wartości temperatury i ciśnień w obecnym stanie techniki ilustruje rys.obok. Na jego podstawie można przyjąć, że do zastosowania są parametry 30 MPa, 630/630. Wykorzystanie obecnie dostępnych materiałów oraz optymalizacja obiegu cieplnego umożliwiają uzyskanie sprawności rzędu 47-47,5 (dla bloków z mokrymi chłodniami kominowymi).w następnym etapie możliwe jest osiągnięcie sprawności rzędu 52-55 %. Podstawowymi kierunkami ewolucji technologicznej bloku kondensacyjnego w kierunku technologii zeroemisyjnych jest zastosowanie separacji dwutlenku węgla w ze spalin oraz spalania tlenowego.technologie te powinny być dostępne do zastosowań komercyjnych po 2020r.
El.Łagisza Pierwszy w świecie blok z kotłem fluidalnym na ciśnienie nadkrytyczne.największy w swiecie blok z kotłem fluidalnym.
TECHNOLOGIE WĘGLOWE-WYCHWYT CO 2 Po spalaniu N 2, O 2, H 2 O Wyróżniamy: spaliny Usuwanie CO 2 paliwo powietrze Przed spalaniem paliwo powietrze Oksyspalanie Energia elektr yczna i ciepło Zgazowanie lub częściowe utlenianie, kompresja + usuwanie CO 2 O 2 Rozdział powietrza H 2 Energia elektryczna i ciepło powietrze N 2 N 2, O 2, H 2 O CO 2 CO 2 Odwodnienie, sprężanie, transport i magazynowanie CO 2 technologie z wychwytem CO2 ze spalin, technologie z dekarbonizacją przed procesem spalania i technologie spalania tlenowego paliwo Energia elektr yczna i ciepło (CO 2, H 2 O) O 2 Cyrkulacja (CO 2, H 2 O) N 2 powietrze Rozdział powietrza
NISKOEMISYJNE TECHNOLOGIE ENERGETYCZNE- Spalanie Tlenowe KONWENCJONALNE) SPALANIE WĘGLA W POWIETRZU SPALANIE WĘGLA W TLENIE
BLOKI KONDENSACYJNE - EWOLUCJA 2005 2015 2025 Ultra nad. bloki pyłowe In. demonstracyjne bez wychwytu CO 2 Ultra nad. bloki pyłowe In. komercyjne bez wychwytu CO 2 Bloki pyłowe nadkrytuczne - 45% Metody usuwania Hg. Doskonalenie techniczno -ekonomiczne metod usuwania NOx, SO 2 i pyłu Wychwyt CO 2.Instalacje demonstracyjne absorpcji chemicznej Wychwyt CO 2. B+R: Nowe sorbenty, separacja membranowe, testy spalania tlenowego Pierwsze bloki komercyjne z wychwytem CO 2, nowe lub zmodernizowane Ins. demonstracyjne spalania tlenowego dużej mocy Zaawansowane zeroemisyjne bloki węglowe Ins. demonstracyjne spalania tlenowego Nowe technologie produkcji tlenu