Zamiast węgla, ropy i gazu. Energia z łupków bitumicznych

Zamiast węgla, ropy i gazu. Energia z łupków bitumicznych
Autor: Piotr Olszowiec
(„Energia Gigawat- 11/2004)
Jednym z surowców energetycznych o znikomym udziale w światowej produkcji energii
elektrycznej i cieplnej są łupki bitumiczne. Tymczasem chociaż ich spalanie sprawia duże
trudności techniczne, w Europie znajduje się region, w którym są one od dawna
podstawowym paliwem dla energetyki. W Estonii, bowiem o tym kraju mowa, czynne są
dwie największe elektrownie na świecie opalane łupkami bitumicznymi. Warto zatem
zapoznać się z historią i problemami związanymi z wykorzystaniem tego rzadko stosowanego
surowca energetycznego.
Łupki bitumiczne należą do skał osadowych zawierających węglowodory o nazwie bituminy.
W skałach tych występują substancje organiczne w postaci żółtych ziarenek tkwiących w
ciemnej, łupkowatej masie. Pod wpływem wyższej temperatury substancje te przechodzą w
ciekłe węglowodory o składzie i własnościach podobnych do ropy naftowej. Największe
dostępne złoża tych minerałów na świecie występują u estońskich wybrzeży Bałtyku,
mniejsze zaś w Szkocji. W naszym kraju spotyka się je w niektórych okolicach Karpat i
Sudetów.
W Estonii łupki bitumiczne są głównym surowcem mineralnym. Złoża te występują na
obszarze 2700 km kw. w pojedynczej warstwie o grubości 2,5-3 m na głębokości od 7 do 100
m. Krajowe wydobycie tego surowca stanowi aż 70 proc. jego światowej produkcji oraz 2/3
wydobycia wszystkich kopalin w Estonii.
Początki wydobycia łupków bitumicznych w tej części Europy sięgają 1916 r., gdy ogarnięta
wojennym kryzysem gospodarczym carska Rosja została zmuszona do użycia nowego źródła
energii. Początkowo surowiec ten wykorzystywano lokalnie do celów grzewczych, następnie
zaczął on zastępować deficytowy węgiel w elektrowniach, kotłach i piecach przemysłowych.
Jeszcze w trakcie I wojny światowej zaczęto dostarczać go do stolicy imperium – Piotrogrodu
(Sankt Petersburga).
Korzystnym czynnikiem dla rozwoju wydobycia łupków na skalę przemysłową okazało się
uzyskanie niepodległości przez Estonię w 1918 r. Natychmiast zaczęły powstawać prywatne
firmy górnicze będące własnością nie tylko miejscowych kapitalistów, lecz również
inwestorów niemieckich, angielskich, szwedzkich i duńskich. Do początku lat 30. łupki
wydobywano tu w zasadzie wyłącznie z użyciem ręcznej pracy górników. Dopiero wówczas
zaczęto wprowadzać mechanizację robót i transportu z wykorzystaniem koparek, lokomotyw
czy elektrycznych urządzeń wiertniczych. Dzięki temu w 1940 r. roczne wydobycie tego
surowca osiągnęło 1,7 mln t. Z uwagi na specyficzne własności estońskich łupków stosowane
za granicą sposoby ich przeróbki nie przyjęły się w tym kraju. Zamiast nich w latach 30.
wdrożono własną technologię przetwarzania tego surowca, dzięki czemu uzyskano wkrótce
samowystarczalność energetyczną. Wzrost produkcji umożliwił również skierowanie na
eksport znacznych ilości (45 proc.) otrzymywanych produktów ropopochodnych, m.in.
benzyny. W okresie powojennym postępująca mechanizacja i elektryfikacja kopalń zapewniła
szybki wzrost wydobycia aż do rekordowego pod tym względem poziomu 31,5 mln t w 1980
r.
Władze radzieckie wykorzystywały estońskie złoża łupków do zaopatrywania w paliwo
bałtyckiej floty wojennej oraz leningradzkich wytwórni gazu. W latach 50. przystąpiono do
rozbudowy estońskiej energetyki, a także przemysłu ciężkiego w oparciu o miejscowy
surowiec. Obok istniejących elektrociepłowni w Tallinie, Kohtla Jarve i Ahtme powstały dwa
prawdziwe, jak na ówczesne czasy, giganty – elektrociepłownie Balti (1400 MW) i Eesti
(1600 MW). Inwestycje te wymusiły dalszy dynamiczny rozwój kopalnictwa łupków. W
latach powojennych ich wydobycie wzrastało w następującym tempie: 1950 r. - 3,5 mln t,
1960 r. – 9,2 mln t, 1970 r. - 17,5 mln t, 1980 r. - 31,5 mln t.
W latach 70. planowano budowę trzeciej wielkiej elektrowni na bazie tego surowca, co
wymagałoby dalszego zwiększenia wydobycia aż do 50 mln t rocznie. Jednak sytuacja uległa
wkrótce radykalnej zmianie: uruchomienie elektrowni atomowej pod Leningradem w 1981 r. i
postępująca stagnacja przemysłu ciężkiego w schyłkowym okresie ZSRR zmniejszyły
zapotrzebowanie na energię w północno-zachodniej części kraju. Stopniowe odchodzenie
transformującej się gospodarki Związku Radzieckiego, a następnie znów niepodległej Estonii
od lokalnego paliwa najlepiej ilustruje malejący trend wydobycia: 1985 r.- 25,7 mln t, 1990
r.- 21,2 mln t, 1995 r.- 12,1 mln t. Obecnie roczna produkcja łupków bitumicznych w tym
kraju ustabilizowała się na poziomie rzędu 10 mln t. Nieuchronny spadek wydobycia łupków
przewidywano już w latach 80. Według ówczesnych, choć nadal aktualnych prognoz zasoby
te będą ulegać stopniowemu wyczerpywaniu, co spowoduje zanik tego sektora gospodarki w
trzeciej dekadzie XXI w.
Mimo niekorzystnych prognoz długoterminowych estońska energetyka jeszcze przez wiele lat
ma bazować na dotychczasowym paliwie. Obie wspomniane największe elektrociepłownie
kraju będą w najbliższych dziesięcioleciach korzystać z lokalnego surowca. Znajdujące się w
rejonie miasta Narva elektrownie Balti i Eesti (aktualnie łączna moc 2700 MWe i 589 MWt)
wytwarzają ok. 90 proc. krajowej energii elektrycznej oraz zaopatrują w ciepło okoliczne
miasta i zakłady przemysłowe. Spalanie miejscowych łupków bitumicznych sprawia jednak
coraz większe problemy. Postępujące zużycie przestarzałych urządzeń przy rosnących
wymaganiach ekonomii i ochrony środowiska wymusiło podjęcie działań modernizacyjnych
w obu największych elektrowniach świata opalanych tym nietypowym paliwem.
Estońskie lupki bitumiczne zawierają przeciętnie 46 proc. popiołu, 0,2 proc. chloru, a ich
wartość opałowa wynosi zaledwie 8,2 MJ/kg. Surowiec jest dostarczany koleją z pobliskich
odkrywek i poddawany kruszeniu przed skierowaniem na składowisko. Stąd kruszywo jest
transportowane przenośnikami taśmowymi do zasobników przykotłowych. Każdy z ośmiu
bloków elektrociepłowni Eesti wyposażono w dwa kotły pyłowe, z których każdy posiada
cztery wspomniane zasobniki. Spaliny uchodzą z kotłów przez cyklony i odpylacze
elektrostatyczne do dwóch kominów o wysokości 250 m.
Licząca 12 mniejszych bloków elektrociepłownia Balti wykazuje jeszcze większy stopień
dekapitalizacji wszystkich urządzeń wytwórczych i pomocniczych. Stąd też nieuchronna była
decyzja o gruntownej przebudowie dwóch jednostek w tych zakładach: bloku nr 8 (Eesti) i
nr11 (Balti). W 2000 r. estoński właściciel obu elektrociepłowni zawarł w drodze przetargu z
fińską firmą Foster Wheeler Energia Oy kontrakt na wykonanie odtworzenia obu bloków w
nowej, przyjaznej dla środowiska technologii spalania łupków bitumicznych. Kontrakt o
wartości 250 mln euro obejmuje budowę dwóch nowych jednostek wytwórczych o wyższej
łącznej mocy 430 MW.
W wyniku realizacji przedsięwzięcia wzrośnie sprawność wytwarzania energii elektrycznej z
dotychczasowych 30 proc. do 36,5 proc., co zmniejszy zużycie paliwa przez oba bloki o
ponad 20 proc. Zdecydowanej redukcji ulegnie emisja dwutlenku siarki (o 95 proc.) tlenków
azotu (o 55 proc.), pyłów (o 97 proc.) i dwutlenku węgla (o ok. 23 proc.). Takie korzyści
ekonomiczne i ekologiczne zostaną osiągnięte dzięki zainstalowaniu najnowocześniejszych
kotłów z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym, w których produkcji koncern Foster Wheeler jest
niekwestionowanym światowym liderem. Kotły te nie będą wymagały oddzielnych instalacji
odsiarczania spalin; dodatkowo skutecznej eliminacji SO2 w palenisku fluidalnym sprzyja
wysoka zawartość kamienia wapiennego w spalanych łupkach. Każdy z kotłów wyposażono
w jeden nowy elektrofiltr zaprojektowany na osiągnięcie bardzo wyśrubowanego wskaźnika
zapylenia 30 mg/m sześc. Gromadzony popiół będzie transportowany pneumatycznie na
składowisko z możliwością późniejszej utylizacji. Opracowanie i budowę obu kotłów
poprzedziły prace badawcze i próby tej nowatorskiej instalacji paleniskowej przeprowadzone
w fińskim ośrodku badawczo-rozwojowym koncernu w Karhula. Wykonane testy
potwierdziły techniczne zdolności nowej konstrukcji kotłów fluidalnych do czystego i
niezawodnego spalania tego nietypowego paliwa. Przekazanie obu odbudowanych bloków do
eksploatacji przewidziano na rok 2004.