А Сладковский - К вопросу утилизации co2 в польской энергетическойпромышленности - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 502.1:661.971

Сладковский А., Ичек К. г. Катовице, Польша

К ВОПРОСУ УТИЛИЗАЦИИ CO2 В ПОЛЬСКОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В работе представлены проблемы, связанные с утилизацией СО2 как побочного продукта при выработке электроэнергии на тепловых электростанциях. Рассмотрены современные способы утилизации СО2. Указаны преимущества и недостатки различных технологий. Изучена ситуация с решением данной проблемы в различных странах Европы и мира со специальным акцентом на проблемы польской энергетики.

Ключевые слова: утилизация СО2,, инсталляция CCS, польская энергетика

1. Регулирование выбросов парниковых газов в ЕС и Польше

Общеизвестным фактом является то, что выбросы парниковых газов, среди которых главное место занимает углекислый газ, являются весьма острой проблемой современного мира. При этом главная ответственность лежит на промышленно развитых странах, которые являются главным источником выброса данных газов в атмосферу. Киотский протокол, принятый в 1997 году в дополнение к Рамочной конвенции ООН об изменении климата, был призван ограничить выбросы парниковых газов в атмосферу. Согласно подписанным документам страны ЕС должны были сократить выбросы парниковых газов в атмосферу на 8%. В настоящее время в ЕС происходит острая дискуссия на тему сокращения выбросов CO2 в атмосферу и разделения квот между странами - членами ЕС. При этом ситуация, сложившаяся в Польше, является незавидной. Дело в том, что большая часть польской энергетики базируется на традиционных источниках энергии, среди которых большую часть занимают электростанции, работающие на каменном или буром угле (рис. 1 [1]). Данный рисунок представляет различные виды энергетических мощностей, существующих в

настоящее время электроэнергии.

проектируемых до  2030  года.   Отмечены только  главные  виды источников

и

Рис. 1. Структура энергетических мощностей в Польше согласно прогнозу до 2030 года: 1 - старые электростанции с использованием бурых углей; 2 - старые с использованием каменного угля; 3 - крупные гидроэлектростанции; 4 - новые электростанции с использованием бурых углей; 5 - новые с использованием каменного угля; 6 - использующие газообразное топливо; 7 - проектируемые атомные; 8 - возобновляемые источники энергии; 9 -

максимальная потребность мощности

Как видно из приведенной диаграммы, количество энергии, производимой на электростанциях, использующих каменный, бурый уголь или газ, планируется оставить на существующем уровне. Прирост мощности обеспечит введение мощностей с возобновляемыми источниками энергии или на атомных электростанциях.

Согласно договоренностям в ЕС от Польши требуется снижение выбросов на 15% до 2020 года (согласно Киотскому протоколу 6% до 2012 года). При этом ведущие европейские страны (Великобритания, Дания, Швеция, Франция, Финляндия, Германия и Испания) заявили о готовности снижения выбросов на 30% по сравнению с уровнем 1990 года [2]. Очевидно, что в данных странах доля атомной энергетики или возобновляемых источников энергии существенно выше, чем в Польше. Например, доля электроэнергии, производимой на атомных электростанциях Франции, составляет 74,12% в общем энергетическом балансе страны. В Германии этот процент меньше, но тоже составляет существенную долю - 28,43%. При этом Польша в настоящее время не располагает атомными электростанциями.

Вводимая система квот предполагает, что страна, нуждающаяся в эксплуатации энергетических объектов, которые будут выбрасывать в атмосферу большее количество парниковых газов, чем это допускается соглашениями, должна будет покупать у других стран квоты на ненормативный выброс газов. Аналогичный подход будет использоваться внутри страны. Например, предполагается, что предприятия, имеющие энергетические установки, функционирующие на день 31.12.2008, будут первоначально покупатьна аукционах только часть необходимых квот (в 2013 году будут обязаны покупать до 30% квот). При этом количество бесплатных квот будет уменьшаться вплоть до 2020 года, когда предприятие будет должно покупать 100% квот на выбросы парниковых газов. Таким образом, существующая система квот и существующее положение вещей в польской энергетике будет весьма негативно сказываться на экономике страны в целом.

Директива ЕС о европейской торговле эмиссионными квотами (ETS) ясно определяет цели, на которые могут быть предназначены доходы от продажи квот эмиссии CO2 [3]:

финансирование научно-исследовательских работ и проектов, направленных на уменьшение эмиссии CO2;

• развитие технологий, направленных на уменьшение использования энергоресурсов;

• развитие технологий безопасного для окружающей среды улавливания, транспортирования и складирования двуокиси углерода.

2.    Общие схемы улавливания CO2 и существующие технические решения

Согласно [4] можно существующие технологии улавливания углекислого газа поделить на 3 основные схемы.

2.1. Отделение CO2 перед горением

Схема процесса показана на рис. 2. Здесь происходит сначала газификация топлива. В ее основе лежит технология IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle), на основе которой на базе топлива и воздуха образуется синтетический газ (синтез-газ или syngas) - смесь водорода, окиси углерода и углекислого газа. В табл. 1 представлены химические реакции, которые имеют место при реализации данного процесса.

Евросоюз в программе ETP ZEP (European Technology Platform for Zero Emission Fossil Fuel Power Plants) планирует исследования, проектирование и внедрение демонстрационных инсталляций улавливания углекислого газа. ЕС планирует, что до 2012 года будет возможным введение в эксплуатацию оборудования, которое будет способно реализовать технологии в промышленном масштабе.

Топливо

Воздух

Газификация

CO2

Энергия и тепло

Рис. 2. Упрощенная схема сгорания топлива с отделением CO2 перед сгоранием

Газификация угля: процессы и реакции

Таблица 1

Название процесса

Химическая реакция

Частичное сгорание

1

С + -02 -* СО

Реакция углерод - водяной пар

с -t- н2о -^со + и2

С + 2.Н20-*С02 4- ZH2

Реакция конверсии СО

СО -t- и2осо2 -t- И2

Реакция Будуара (Boudouard)

с + со2 -» со

С использованием специализированных фондов Евросоюза и результатов исследования проектов ENCAP SP2 (проект рассматривающий оптимизацию процесса паровой конверсии и разработки газовых турбин на основе горения водорода), а также COORIVA (данный проект сосредоточен в главной степени на исследовании проблем коррозии и соединения отдельных частей процесса) немецкая энергетическая компания RWE Power планирует строительство инсталляции IGCC-CCS с мощностью 450 МВ на электростанции Goldenberwerk в городе Hurth в Германии. Проект согласно плану работ должен в настоящее время входить с третью фазу, т.е. в фазу строительства. Строительные работы должны продолжаться до 2014, при этом инсталляция должна быть принята в эксплуатацию в 2015 году.

2.2. Отделение CO2 после горения

Данная методика основана на отделении углекислого газа из паро-газовых продуктов горения перед тем, как последние будут выброшены в атмосферу. В настоящее время это единственная широко применяемая методика. Уловленный углекислый газ может использоваться для различной продукции в промышленных масштабах.

Наиболее известным способом отделения углекислого газа после сгорания является химическая адсорбция. Это процесс сепарации газовой субстанции в субстанции жидкой. Смесь газов пропускается через растворитель в адсорбционной колонне, где растворитель отделяет CO2 из проходящего потока газов. Далее растворитель проходит через регенерационную емкость, где адсорбированный углекислый газ отделяется от растворителя при температуре 373 - 393o K. В то время как растворитель охлаждается затем до температуры 313 - 338o K и используется повторно в процессе сепарации. В качестве адсорбента для отделения CO2 обычно используется моноэтаноламин (MEA). Фундаментальная химическая реакция этого процесса следующая:

g2h4ohkhz4-h20-b cg2 ^с2н4онкн3+нс03 " В процессе адсорбции реакция может проходить как в правую, так и в левую сторону, в зависимости от температуры. Охлаждение, нагревание, компрессия газов и перегонка растворителя требуют дополнительной энергии, что приводит к уменьшению выработки энергии на электростанции и, соответственно, уменьшению ее КПД. Упрощенная схема процесса показана на рис. 3. Электростанции, для того чтобы компенсировать энергетические потери, продают полученный углекислый газ [4]. В табл. 2 представлены примеры электростанций, где уже реализована описанная технология и использование полученного углекислого газа [5].

^ N2

Топливо

 

 

 

 

CO,

Воздух

_

 

 

 

 

 

 

Энергия и тепло

S

Отделение CO2

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Упрощенная схема сгорания топлива с отделением CO2 после сгорания

Таблица 2

Электростанции, на которых осуществлен процесс сепарации углекислого газа

Название и местонахождение

Мощность, МВ

Количество полученного CO2, т/сутки

Использование CO2

Trona, California, USA

180

200

Продукция огнетушителей

Shady Point, Oklahoma, USA

320

800

Производство продуктов питания

Представленные выше примеры электростанций не позволяют полностью или в достаточной степени уловить углекислый газ. Они могут служить только примером использования технологии, причем количество сепарированного CO2 в значительной степени зависит от полученных заказов на углекислый газ. В настоящее время проводятся работы (как проектные, так и строительные), предназначенные для реализации описанной технологии в полном объеме. Пилотные проекты, предназначенные для проверки описанной выше технологии, представлены в табл. 3 [5].

2.3. Отделение CO2 после горения при кислородном дутье

На схеме, представленной на рис. 3, углекислый газ отделяется в процессе сепарации из газовой смеси, в которой главными компонентами являются N2 и CO2. К сожалению, данный процесс является дорогостоящим и приводит к дополнительным энергетическим потерям. Альтернативой является горение топлива в кислородной среде. В результате такого процесса образуются в основном двуокись углерода и водяной пар. При этом кислород может быть получен при сепарации воздуха, либо путем иных химических реакций. Упрощенная схема процесса показана на рис. 4.

Таблица 3

Пилотные проекты, предназначенные для проверки технологии отделения CO2 после горения

Название проекта, владелец

Запланированная мощность, МВ

Количество полученного CO2, кт/год

Год начала работы

Mountaineer; American Electric Power

20

110

2009

Northeastern; America Electric Power

200

1000

2012

Project Pioneer; TransAlta

200

1000

2012

В 2008 году появилась первая инсталляция, предназначенная для исследования технологии кислородного горения. На электростанции Schwarze Pumpe в Германии, которая принадлежит компании Vattenfall AB, был отдан в эксплуатацию опытный энергоблок 30 МВ. Данная инсталляция предназначена для проведения исследования горелок, способов подачи смеси и др. в целях усовершенствования технологии процесса [6]. Очередным этапом является строительство пилотной инсталляции с мощностью 250 МВ внемецком городке Janschwalde. Запланированный срок начала строительства - 2011 год, начало тестовой эксплуатации - 2015 год.

Топливо

 

 

 

 

CO2

 

 

O2

I->

Энергия и тепло

 

Воздух

Сепарация

 

 

 

 

 

 

 

 

N2

 

S

воздуха

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Упрощенная схема сгорания топлива с отделением CO2 после сгорания с использованием кислородного дутья

3.    Подготовка электростанций к вводу в эксплуатацию инсталляций CCS

Выбор технологии не является простым вопросом. В настоящее время наибольшие шансы имеет технология отделения двуокиси углерода после горения, описанная в разделе 2.2. Эта технология используется уже в достаточно большой степени, при этом процессы, происходящие во время сепарации известны и хорошо отработаны. Дальнейшие исследования будут направлены на стабилизацию процесса и увеличение его экономической эффективности.

Технология, использующая кислородное дутье (раздел 2.3), находится в настоящее время на стадии тестирования. Она пока не используется в коммерческих целях и все технологические требования к процессу пока что не исследованы. Технология сепарации перед горением является наиболее дорогой, что сдерживает ее коммерческое использование.

В настоящее время все описанные выше технологии находятся на стадии лабораторных исследований или опытной эксплуатации. В основном испытания планируется завершить к 2020 году. Тем не менее, ряд строящихся или модернизируемых электростанций будет иметь статус Capture-Ready, т.е. готовых к вводу инсталляции CCS (Carbon Capture and Storage, т.е. фиксация и хранение двуокиси углерода).

Электростанция, которая получит статус Capture-Ready, должна быть предприятием, на котором есть возможность модернизации существующих элементов. Основными требованиями, которые выдвигаются к инсталляции CCS, являются следующие:

Электростанция должна иметь достаточно места для монтажа сепаратора воздуха (если предполагается использовать кислородное дутье), для установки реактора паровой конверсии (отделение CO2 перед горением), для установки адсорбционной колонны (сепарация CO2 после горения) и т.д.

Мощность электростанции должна быть большей, чем обычно рассчитываемая по пиковой нагрузке (15%), чтобы обеспечить дополнительную энергию для работы инсталляции CCS.

• Должен быть разработан план складирования двуокиси углерода.

В табл. 4 приведены [5] некоторые строящиеся электростанции, предназначенные для работы с инсталляциями CCS.

Таблица 4

Строящиеся электростанции со статусом Capture-Ready

Название Планируемая        Количество улавливаемого Планируемый год

мощность, МВ CO2, Мт/год ввода в эксплуатацию

Karsto, Norwegia 420 1,2 2012

Rotterdam, Holandia 1070 5,6 2013

Kingsnorth, Wielka Brytania 300 3 2014

Saline Joniche, Wlochy 1320 3,9 2015

Ferrybridge, Wielka Brytania 500 1,7 2015

Tilbury, Wielka Brytania 1600 9,6 2016

4. Перспективы польской электроэнергетики

В Польше работает в настоящее время около 20 конвенциональных электростанций c мощностью более 500 МВ каждая, использующих в качестве топлива каменный или бурый уголь. На рис. 5 представлено их территориальное размещение по состоянию на 2009 год [7]. Такое неравномерное размещение обусловлено привязкой к источникам топлива и прежде всего к Силезскому угольному бассейну. Очевидно, что переброска электроэнергии в другие районы Польши по линиям высокого и сверхвысокого класса напряжений обходится значительно дешевле, чем строительство электростанций, отдаленных от мест добычи топливного сырья с его последующей доставкой.

В связи с описаными выше технологиями преимущество такого типа расположения электростанций может быть еще выше в связи с близостью возможных мест складирования углекислого газа, поскольку закрытые угольные шахты находятся достаточно близко. Свидетельствовать об этом могло бы сравнение с картой закрытых угольных шахт, представленной на рис. 6 [8]. Как видно из приведенного рисунка, большая часть шахт находится на территории Силезского воеводства.

Рис. 6. Размещение закрытых шахт каменного угля на территории Силезского воеводства и Польши (показаны

увеличенными точками)

В заключение отметим, что развитие в энергетике технологий, позволяющих отделить углекислый газ с его последующей транспортировкой и складированием, является делом еще не сегодняшнего дня, но ближайшего будущего. Существующая ситуация в польской экономике подталкивает к развитию и широкому использованию данных технологий. Очевидно, что решение данного вопроса является достаточно сложным и капиталоемким. Тем не менее, следует считать, что это единственно возможный способ решения экологических и связанных с этим экономических проблем народного хозяйства Польши.

В качестве определенного направления можно взять пример Германии, где 13.04.2011 правительство одобрило законопроект о подземном хранении углекислого газа по технологии CCS [9]. Следует также отметить, что существует большое количество скептических голосов, которые считают данный проект еще недостаточно проработанным, неоправданно дорогим и даже экологически вредным [10]. Тем не менее, считаем, что развитие описанных технологий для польских реалий является единственно возможным экономическим решением. Очевидно, существуют альтернативные способы снижения выбросов CO2, например, строительство атомных или ветровых станций с одновременным снижением мощностей на конвенциональных станциях. Однако прогнозы, сделанные польскимиатомщиками [1], предвидят при появлении и наращивании мощностей на данного типа электростанциях сохранение энергетических мощностей на тепловых электростанциях, а значит, проблему утилизации CO2 все равно придется решать.

Литература

1. Program Polskiej Energetyki Jadrowej (Projekt). Warszawa, 2010. http://bip.mg.gov. pl/files/upload/11379/program_pej_16082010_v2.pdf

2. 7 стран-членов ЕС готовы снизить выбросы СО2 в атмосферу на 30%. http://zdorovja.com.ua/content/view/9019/53/

3. Dyrektywa 2003/87/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 13 pazdziernika 2003 r. ustanawiajaca system handlu przydzialami emisji gazow cieplarnianych we Wspolnocie oraz zmieniajaca dyrektywe Rady 96/61/WE. (Dz.U. L 275 z 25.10.2003, s. 32)

4. Cleveland C. J.: Encyclopedia of Energy. Elsevier, 2004.

5. Rackley S. A.: Carbon capture and storage. Amsterdam: Butterworth - Heinemann / Elsevier, 2010.

6. "Brifgin to the future," Newsletter on Carbon Capture and Storage at Vattenfall, Dec. 2010.

7. En. Tradycyjna - Elektrownie konwencjonalne w Polsce. http://www.windpower.com.pl/articles/2/2_b_1.jpg

8. Kopalnie wegla kamiennego zamkniete, zlikwidowane lub polaczone w Polsce. http://gornictwo.wnp.pl/kopalnie/

9. Германия утвердила закон о подземном хранении углекислого газа. http://www.rusverlag.de/2011/04/13/10252/

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

А Сладковский - К вопросу утилизации co2 в польской энергетическойпромышленности