10. Porównanie technologii gazowych i węglowych produkcji energii

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. U3O8 i ThO2);
•
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
Zależność od importu UE(27)
Pierwotne
Zasoby/do rocznej konsumpcji
źródło energii
2005
2030
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 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 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
stężenia ( 600 ppm – B1) zakłada
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
Miliardy ton emisji
węgla uniknięte
7
Wzrost sprawności wytwarzania
6
Wodór dla transportu
5
Biopaliwa
4
Biosekwestracja
3
Odnawialne źródła ene rgii
2
Elektrownie jądrowe
1
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 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 CO2
N 2, O2, H 2O
Wyróżniamy:
Po spalaniu
Usuwanie CO2
spaliny
paliwo
powietr ze
technologie z
wychwytem CO2 ze
spalin,
Energia elektr yczna
i
ciepło
Przed spalaniem
paliwo
Zgazowanie lub
częściowe utlenianie,
kompr esja +
usuwanie CO2
N 2, O2, H 2O
H2
Ener gia elektryczna
i
ciepło
O2
CO2
powietr ze
powietr ze
Rozdział powietrza
paliwo
Energia elektr yczna
i
ciepło
Odwodnienie,
sprężanie, transport i
magazynowanie CO2
N2
Oksyspalanie
Cyrkulacja (C O2, H 2O)
O2
powietr ze
Rozdział powietrza
CO2
(CO2, H2O)
N2
technologie z
dekarbonizacją przed
procesem spalania i
technologie spalania
tlenowego
NISKOEMISYJNE TECHNOLOGIE ENERGETYCZNESpalanie Tlenowe
KONWENCJONALNE) SPALANIE WĘGLA W POWIETRZU
SPALANIE WĘGLA W TLENIE
BLOKI KONDENSACYJNE - EWOLUCJA
2005
2025
2015
Bloki pyłowe nadkrytuczne - 45%
Ultra nad. bloki pyłowe
In. demonstracyjne bez
wychwytu CO 2
Metody usuwania Hg.
Doskonalenie techniczno
-ekonomiczne metod
usuwania NOx , SO2 i pyłu
Pierwsze blokikomercyjne
z wychwytem CO 2, nowe
lub zmodernizowane
Wychwyt CO2 .Instalacje
demonstracyjne absorpcji
chemicznej
Wychwyt CO 2 . B+R:
Nowe sorbenty , separacja
membranowe , testy spalania
tlenowego
Ins. demonstracyjne
spalania tlenowego
Ultra nad. bloki pyłowe
In. komercyjne bez
wychwytu CO 2
Zaawansowane
zeroemisyjne
bloki węglowe
Ins. demonstracyjne
spalania tlenowego
dużej mocy
Nowe technologie
produkcji tlenu