Bezemisyjna energetyka węglowa Szansa dla Polski? Jan A. Kozubowski Wydział Inżynierii Materiałowej PW
Człowiek i energia
Jak ludzie zużywali energię w ciągu minionych 150 lat? Energetyczne surowce kopalne: węgiel, ropa i gaz dostarczają ok. 85% energii potrzebnej ludzkości co dalej?
Wzrost ludzkiej populacji?
Stęż enie dwutlenku węgla (ppm) Temperatura powierzchni Ziemi (stopnie C) Skutki intensywnego spalania 14.6 14.4 14.2 14.0 13.8 13.6 13.4 1860 1875 1890 1905 1920 1935 1950 1965 1980 1995 394 364 334 304 274
Źródła energii: Ropa 41 / 39 Gaz 22 / 22 Węgiel 16 / 25 Odnawialne 6 / 8 Źródła energii Jądrowa 15 / 6 Unia Europejska / Stany Zjednoczone
Na co zużywana jest energia w UE? Domy + usługi Przemysł Transport Dziś Prognoza
Poziom cywilizacyjny zależy od dostępnej energii!!! ZAMOŻNOŚĆ Polska UBÓSTWO
Energia elektryczna (USA) { skąd się ją bierze i na co zużywa? 1 Btu = 2.93 10-4 kwh
Przyszłość energetyki węglowej: zwiększenie wydajności elektrowni spalanie w tlenie oddzielanie CO 2 i jego usuwanie recykling energii w procesie pozyskiwania energii elektrycznej reakcje w układzie zamkniętym ogniwa paliwowe dostosowane do produktów gazyfikacji węgla bezemisyjna energetyka węglowa
Uzyskiwanie energii ze spalania paliw kopalnych: spalanie węgla spalanie węglowodorów CO 2 + para wodna Zawartość CO 2 w produktach spalania: koks 100% węgiel 70% gaz 33% } przy przy użyciu czystego tlenu do spalania, 5 - krotne zmniejszenie stężenia gdy używa się powietrza! konwersja energii chemicznej w elektryczną w OGNIWACH PALIWOWYCH wykorzystujących wodór (produkt gazyfikacji węgla) woda
Ogniwa paliwowe Wynalazek ogniwa paliwowego William Grove (1839) Ludwig Mond & Karl Langer (1880) 2H 2 + O 2 => 2H 2 O Napięcie dawane przez pojedyńcze ogniwo (ok. 1 V) jest niewielkie, dlatego łączy się razem wiele ogniw w stosy rodzaje ogniw elektrolit temp. pracy ( o C) zastosowania alkaliczne (AFC) alkaliczny 50-200 lotnictwo i transport z metanolem (DMFC) polimer 80-200 transport z kwasem fosforowym PAFC) kwas fosforowy 190-210 CHP, gener. elektr. z membraną protonową (PEM) stały polimer 50-80 transport, CHP ze stopionym węglanem stopiony węglan 630-650 generatory elektr. ze stałym tlenkiem (SOFC) stały tlenek 850-1000 CHP, gener. elektr.
Usuwanie CO 2 oddzielenie + usunięcie Sposoby usuwania CO 2 : 1. wtłaczanie pod ziemię z jednoczesnym pozyskiwaniem paliwa (ropa, gaz) 2. wtłaczanie w podziemne zbiorniki 3. zatapianie w oceanie 4. wiązanie w biomasie 5. trwałe wiązanie w minerałach węglany w procesie technologicznym pozyskiwania energii węglany tworzone w złożach podziemnych węglany w oceanie + kompensacja ph
Schemat elektrowni XXI wieku energia powietrze powietrze bez O 2 Oddzielanie tlenu czysty O 2 węgiel Gazyfikacja gaz o dużej wartości energetycznej (z CO 2 lub bez niego) Utlenianie paliwa elektryczność produkty utleniania i zanieczyszczenia ciepło odpadowe popioły energia gaz używany przy gazyfikacji i niezużyte paliwo Oddzielanie produktów utleniania ciepło odpadowe czysty CO 2 do usunięcia zanieczyszczenia z węgla w formie ciekłej lub stałej
Gazyfikacja węgla (opcje) 1 C + 2H 2 O -> CO 2 + 2H 2 C + H 2 O -> CO + H 2 CO + H 2 O -> H 2 + CO 2-178,3 kj - 175,4 kj - 2,9 kj 2 C + CO 2 -> 2CO (reakcja Boudouarda) - 172,6 kj 3 C + 2H 2 -> CH 4 + 74,9 kj Reakcja bezpośredniego utleniania C + O 2 Reakcję 3 można wykorzystać do produkcji wodoru: CO 2 + 393,8 kj CH 4 + H 2 O -> CO + 3H 2 CO + H 2 O -> H 2 + CO 2 C + 2H 2 + 2H 2 O -> CH 4 + 2H 2 O -> 4H 2 + CO 2-250,3 kj (reforming) - 2,9 kj - 178,3 kj (wytw. wodoru)
Wykorzystanie opcji 3 w technologii ZEC węgiel CH 0,8 gazyfikacja 4,4 H 2 powietrze 2 H 2 2,4 H 2 2H 2 O wewnętrzne oddzielenie O 2 i utlenianie paliwa w SOFC ciepł o odpadowe powietrze bez O 2 elektryczność 0,4 H 2 O + śladowe zanieczyszcz. CH 4 + 0,4 H 2 karbonatyzacja CaO CaCO 3 odzyskiwanie CaO CO 2 do usunięcia popioły CaO + CO 2 -> CaCO 3 + 178,33 kj C + 2H 2 + 2H 2 O -> CH 4 + 2H 2 O -> 4H 2 + CO 2-178,30 kj (wytw. wodoru)
Mineralizacja CO 2 Krzemiany magnezu węglan magnezu 1/3Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4 + CO 2 MgCO 3 + 2/3 SiO 2 + 2/3 H 2 O W przyrodzie ta reakcja trwa miliony lat, w procesie przemysłowym (wysoka temp., katalizator) ok. 1/2 h
Usuwanie zanieczyszczeń w technologii ZEC 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
Bilans M&E elektrowni 1 GW opartej na technologii ZECA 1 GW
"Trwoga i Nadzieja" nadzieje - istnieją technologie umożliwiajace zrównoważony rozwój - rośnie świadomość konieczności zmian w obecnej polityce energet. - Polska ma warunki na to, aby stać się w Europie znaczącym produ- centem energii obawy - potrzeby energetyczne krajów rozwijących się - gra interesów miedzynarodowych koncernów energetycznych