Nowe - stare technologie

Tekst został opublikowany w dwutygodniku "Środowisko" nr 6/2012

Polska węglem stoi, ale czy jego proste spalanie jest najlepszym sposobem zagospodarowania?

 

DOSYPAĆ WĘGLA DO BAKU


Paweł Wójcik

 


Podczas spotkania Rady ds. Środowiska Unii Europejskiej Polska, po raz kolejny, samotnie zawetowała przyjęcie przez ministrów konkluzji, w których wymienione miały być niewiążące cele redukcji emisji gazów cieplarnianych do roku 2050. Zdaniem ekologów tym samym nasz kraj potwierdził swój wizerunek hamulcowego Europy, przeciwstawiając się 26 krajom członkowskim Unii Europejskiej. Prezydencja duńska dążyła do uzgodnienia, aby w 2030 r. UE zredukowała emisje o 40%, w 2040 r. o 60%, a w 2050 r. o 80% w porównaniu z 1990 r. Polska już raz zawetowała te propozycje w 2011 r. Polska nie chce nowych celów redukcji emisji CO2 po 2020 r. zanim nie zakończą się globalne negocjacje klimatyczne, co może nastąpić w 2015 r. Zgodnie z obowiązującym pakietem klimatycznym z 2008 r., UE ma obniżyć swoje emisje o 20% do 2020 r.


Czytając takie informacje można odnieść wrażenie, że polskie władze uważają, iż spalanie węgla w paleniskach, czy to domowych, czy elektrowni jest najlepszym sposobem wykorzystania zawartej w nim energii. Z pewnością jest to sposób najprostszy, ale czy rzeczywiście najlepszy i najbardziej efektywny?

 

Co wspólnego ma cukier z benzyną?

To, że Polska jest jednym z największych producentów cukru z buraków zawdzięczamy... wojnie. W roku 1806 Napoleon podjął decyzję o blokadzie kontynentalnej, mającej na celu wykluczenie Brytyjczyków z europejskiego rynku. To spowodowało wstrzymanie dostaw cukru z trzciny cukrowej i dynamiczny rozwój cukrowni europejskich produkujących słodycz z buraków.
Podobnie rzecz miała się z margaryną, a także z... benzyną. Niemcy w czasie II wojny światowej mieli bardzo ograniczony dostęp do złóż ropy naftowej. W zasadzie mogli liczyć jedynie na niewielkie złoża rumuńskie. Ta sytuacja dała silny impuls dla wzmożenia prac naukowców nad gazyfikacją węgla i produkcją z niego ciekłych paliw płynnych mających za zadanie uzupełnienie braków benzyny w zaangażowanej w wojnę gospodarce i armii niemieckiej.
Na początku lat czterdziestych ubiegłego wieku w świecie pracowało 14 zakładów produkujących paliwa płynne z węgla, w tym w Niemczech 9, w Japonii 3, we Francji 1 i w Mandżurii 1. Zdolność produkcyjna niemieckich wytwórni wynosiła wówczas 750 000 ton/rok paliw syntetycznych, a produkcja roczna była na poziomie 620 000 ton/rok. Japonia w trzech swoich zakładach produkowała rocznie 110 000 ton paliw syntetycznych rocznie. W czasie II wojny światowej w Policach działała jedna z największych niemieckich fabryk benzyny syntetycznej należąca do IG Farben.
Wytwarzanie paliw silnikowych na drodze upłynniania paliw stałych (węgiel kamienny, brunatny) nie jest techniczną nowinką. Synteza paliw płynnych z węgla rozwinęła się na początku ubiegłego stulecia wraz z dynamicznie rozwijającymi się wówczas technologiami karbochemicznymi. Przez chemiczne przetwórstwo węgla produkowano wówczas praktycznie wszystko: nawozy sztuczne, farmaceutyki, tworzywa syntetyczne, rozpuszczalniki, woski, alkohole, a także paliwa płynne.
Odkrycie nowych, bogatych złóż ropy na świecie, bardzo niski koszt jej wydobycia i związane z tym niskie ceny tego surowca doprowadziły do przełomowych zmian w technologii chemicznej i spowodowały ukierunkowanie jej na przetwórstwo petrochemiczne. Konsekwencją tego był praktyczny zanik technologii karbochemicznych, niebędących w stanie konkurować z przetwórstwem ropy. Na początku lat pięćdziesiątych wszystkie pracujące wówczas jeszcze wytwórnie paliw płynnych bazujących na węglu zostały zamknięte.
Ale tak jak z cukrem za czasów Napoleona, tak i z technologią produkcji paliw z węgla – znów blokada gospodarcza spowodowała wznowienie prac nad technologią upłynniania węgla. Ze względu na embargo nałożone przez ONZ na dostawę ropy i produktów ropopochodnych w 1950 roku, w Republice Południowej Afryki powołana została firma SASOL (South African Synthetic Oil Limited), która w roku 1955 uruchomiła wytwórnię paliw silnikowych z węgla z wykorzystaniem syntezy Fischera-Tropscha.
Korzystając z taniego, wydobywanego metodą odkrywkową, surowca oraz działając w oderwaniu od światowego rynku ropy naftowej, firma SASOL osiągnęła wyjątkowo korzystne wyniki ekonomiczne. Umożliwiły one podjęcie decyzji o budowie kolejnych zakładów. W roku 1980 uruchomiono zakład SASOL II, a w roku 1982 – SASOL III. Łącznie zakłady te produkują dziennie około 150 000 baryłek paliw płynnych i chemikaliów.

“Prawo dwóch” nadal aktualne

Mimo faktu, że ceny ropy naftowej rosną nieustannie, żadne światowe koncerny paliwowe i chemiczne nie podjęły dotychczas decyzji o budowie zakładu syntezy Fischera-Tropscha. Na początku lat dziewięćdziesiątych Amerykanie ocenili, że w warunkach amerykańskich produkcja paliw płynnych z węgla będzie opłacalna, gdy cena ropy osiągnie 38 dolarów za baryłkę. Mimo że bariera ta została przekroczona już dawno i wielokrotnie, nadal brak jakichkolwiek informacji na temat planowanej budowy zakładu syntezy paliw płynnych w USA. Jak dotychczas jedynie Chiny podjęły inicjatywę budowy pilotowego zakładu syntezy paliw płynnych z węgla.
Sądzić należy zatem, że paliwa płynne pozyskiwane z ropy są nadal konkurencyjne cenowo w stosunku do paliw wytwarzanych z węgla. Warto w tym miejscu przypomnieć wygłoszoną pod koniec lat czterdziestych ubiegłego stulecia opinię wybitnego polskiego chemika-technologa, również wybitnego znawcy zagadnień ekonomiki przemysłu chemicznego, prof. Stanisława Bretsznajdera, który zdefiniował “prawo dwóch”, określające że: “wytwarzanie paliw płynnych z węgla będzie ekonomicznie uzasadnione, gdy cena 2 ton węgla będzie niższa od ceny 1 baryłki ropy”. Stwierdzić należy, że prawo to jest nadal aktualne, bowiem cena dwóch ton węgla wynosi obecnie ok. 200 dolarów, a baryłki ropy – ok. 130 dolarów. Trudno sądzić, że w przewidywalnym czasie te proporcje ulegną odwróceniu.
Nie istnieją obecnie żadne bariery techniczne ograniczające szerokie wykorzystanie syntezy Fiszera-Tropscha do produkcji paliw płynnych z węgla. Tym samym nie ma przeszkód technicznych budowy wytwórni paliw płynnych z węgla w Polsce. Podstawą podejmowania decyzji inwestycyjnych w tym zakresie nie są jednak uwarunkowania techniczne, lecz efektywność ekonomiczna produkcji oraz koszt i ryzyko takiej inwestycji.
Wydaje się, że Polska – z racji swojego bogactwa narodowego – powinna być zainteresowana rozwojem technologii przetwarzania węgla na szereg innych surowców chemicznych. Wszak istnieje w Chorzowie Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, który wśród wielu zadań ma między innymi takie jak: koksownictwo, energetyka, termiczna utylizacja odpadów, paliwa naturalne i alternatywne, termochemiczna konwersja paliw stałych i biomasy, wysokotemperaturowe materiały ceramiczne oraz... produkty karbochemiczne.
5–6 lat temu media obiegła informacja, że w firmie chemicznej “Dwory” w Oświęcimiu (obecnie Synthos w Oświęcimiu) kosztem 4 miliardów euro wybudowana zostanie instalacja do produkcji benzyny syntetycznej o zdolności przetwarzania 15 milionów ton węgla rocznie. Motorem tego pomysłu była Kompania Węglowa SA.
Wówczas różni eksperci szacowali, że koszt wytwarzania benzyny z węgla będzie zawierał się w granicach 1,60–2,0 zł za litr. Nie wiadomo jednak, czy koszty te uwzględniają również bardzo wysoki koszt utrzymania i odtwarzania potencjału wydobywczego węgla, koszty ochrony środowiska itp. Niemniej przyjąć należy, że koszt wytworzenia benzyny syntetycznej na poziomie zbliżonym do 2,0–2,50 zł za litr jest wiarygodny. W takiej sytuacji, przy zachowaniu istniejących pośrednich kosztów dystrybucji i istniejących obciążeń podatkowych cena benzyny syntetycznej na stacji paliw wynosić będzie około 6,5–7,0 zł za litr. 
Wiele zależy od polityki fiskalnej przyjętej wobec tak wytworzonego paliwa. Skoro instalacja w ciągu ostatnich lat nie powstała należy domyślać się, że trzeba poczekać, aż cena baryłki trwale osiągnie poziom 200–250 dolarów za litr, a cena węgla w tym czasie specjalnie nie wzrośnie. W ten sposób w praktyce sprawdza się “prawo dwóch”.

 

Chęci a możliwości

Poza wspomnianymi wyżej aspektami ekonomicznymi warte przyjrzenia się są też aspekty techniczne. Po pierwsze wielkość przerobu węgla na poziomie 15 milionów ton rocznie wymaga regularnego dostarczania do zakładu około 1700 ton węgla na godzinę, czyli w przybliżeniu jednego pociągu w harmonogramie godzinowym. W warunkach Polski, przy rozproszonym systemie wydobycia węgla istnieje bardzo duże ryzyko zakłóceń zaopatrzeniowych prowadzących do awarii systemów przetwarzania. Należy zwrócić uwagę, że zakłady SASOL dysponują własnymi kopalniami węgla, których zdolność wydobywcza blisko dwukrotnie przekracza zużycie węgla przez zakłady syntezy, co zapewnia niezakłócony system zaopatrzenia.
Po drugie surowcem w syntezie Fischera-Tropscha jest nie tylko węgiel. Drugim podstawowym surowcem jest woda, która w procesie syntezy zużywana jest w przybliżeniu w ilości porównywalnej z ilością przerabianego węgla naturalnego. Zatem, przy zakładanej wielkości produkcji zakład zużywał będzie około 1700 m3 wody na godzinę. Bezawaryjne zaopatrzenie zakładu w taką ilość wody stanowić będzie ważny argument określenia jego lokalizacji, a także poważny problem logistyczny jego funkcjonowania.
Po trzecie synteza Fischera-Tropscha nie jest procesem selektywnym. W wyniku syntezy obok produktów paliwowych uzyskuje się cały szereg produktów ubocznych, które w oddzielnych procesach przetwarzane są do poszukiwanych surowców chemicznych. Zakłady SASOL obok paliw wytwarzają ponad 200 chemikaliów, a przychody z ich sprzedaży przekraczają przychody ze sprzedaży paliwa. Budowa dużego zakładu syntezy Fischera-Tropscha wymaga w związku z tym rozbudowy zakładu o instalacje przerobu ubocznych produktów syntezy. Dalszy przerób tych produktów w istniejących zakładach chemicznych podwyższa koszty ich pozyskiwania.
Wielkość budowanego zakładu syntezy Fischera-Tropscha będzie limitowana również innymi czynnikami, jak np. możliwościami zagospodarowania żużla czy problematyką ochrony środowiska. Niemniej wymienione wcześniej będą miały zasadniczy wpływ na jego efektywność i bezawaryjną pracę. Biorąc pod uwagę tylko dwa pierwsze uwarunkowania dotyczące bezawaryjnego zabezpieczenia w podstawowe surowce (węgiel i woda), graniczną wielkość efektywnie funkcjonującego zakładu w warunkach Polski ocenić należy na poziomie przerobu 5 milionów ton węgla na rok.

Perspektywy są, ale...

W unijnym projekcie, który ma zarekomendować Komisji Europejskiej sposoby działania w dziedzinie badań i ewentualnej produkcji paliw z węgla, uczestniczą uczelnie i instytuty z Niemiec, Wielkiej Brytanii, Czech, Estonii i Polski, którą reprezentuje Główny Instytut Górnictwa (GIG) w Katowicach.
Według doc. Krzysztofa Stańczyka z GIG, odpowiedź na pytanie, czy warto robić paliwo z węgla wymaga oceny czterech kwestii: wielkości zasobów węgla i innych surowców, bezpieczeństwa dostaw poszczególnych paliw, dojrzałości technologii przetwarzania węgla na benzynę oraz opłacalności takiego procesu. Trzy pierwsze przemawiają za paliwem z węgla, ostatnie – na razie przeciw. Technologie produkcji paliw silnikowych z węgla rozwinęły się tam, gdzie inne paliwa były trudno dostępne. Analizy wskazują, że produkcja z węgla zawsze będzie droższa od otrzymywania paliwa silnikowego z ropy naftowej czy nawet z gazu – o czym mówi wspomniane już “prawo dwóch”.
Tym, co w przyszłości może spopularyzować wytwarzanie benzyny z węgla jest jego dostępność. Szacuje się, że wśród łatwo dostępnych zasobów naturalnych stanowi on 64%, podczas gdy ropa 19%, a gaz 17%. Gdyby jednak wziąć pod uwagę wszystkie potencjalne zasoby, węgiel to aż 96%. Wystarczy go na 200–300 lat, kilkakrotnie dłużej niż ropy i gazu (odpowiednio 45 i 60 lat, przy obecnej wielkości rocznego zużycia). Stabilne i bardziej przewidywalne są także ceny węgla.
Szacuje się, że budowa w Polsce zakładu wytwarzającego ok. 2–-3 mln ton paliw płynnych rocznie, które mogą pokryć 20–30% zapotrzebowania transportu, może pochłonąć od 2 do 4,5 mld dolarów. GIG zamierza kontynuować badania nad produkcją paliw z węgla w ramach tworzonego wspólnie z Instytutem Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu Centrum Czystych Technologii Węglowych. Chodzi nie tylko o doświadczenia z upłynnianiem węgla, ale także z jego zgazowaniem (na powierzchni i w złożu) oraz tzw. oxyspalaniem.
Katowicki instytut badał już procesy produkcji paliw z węgla od końca lat 70. do początku 90. ubiegłego wieku. W Wyrach k. Mikołowa (Śląskie) istniała nawet doświadczalna instalacja, a paliwem z węgla były zasilane dwa należące do GIG polonezy. Potem jednak badania przerwano.
Prace badawcze dotyczące upłynniania węgla mogą też być istotne dla technologii służących ograniczaniu emisji dwutlenku węgla. Wprawdzie samo przetwarzanie węgla na benzynę lub olej napędowy powoduje powstanie ok. siedmiokrotnie większej ilości CO2 niż produkcja tych paliw z ropy, jednak usunięcie tego gazu ze strumienia gazów odlotowych jest łatwiejsze i tańsze.
Zgazowanie i upłynnianie węgla może też wpisać się w prace nad rozwojem gospodarki wodorowej. Naukowcy przekonują, że za kilkadziesiąt lat nośnikiem energii, stosowanym m.in. w transporcie, będzie wodór. Jednak zanim będą rozwiązane problemy jego wytwarzania, dystrybucji i magazynowania, przy przewidywanym spadku podaży ropy, produkty ciekłe z węgla będą mogły zapełnić powstałą lukę na rynku paliw.
Naukowcy uczestniczący w projekcie badawczym, finansowanym z unijnego Funduszu Badawczego Węgla i Stali, zarekomendowali Komisji Europejskiej wspieranie badań i wdrożeń, związanych z upłynnianiem i zgazowaniem węgla, także budowy demonstracyjnych instalacji. Postulują również, by we współpracy z wiodącymi koncernami (np. południowoafrykańskim SASOL) ocenić technologie w tym zakresie i możliwości ich zastosowania w Europie.

Paweł Wójcik

 
Wróć do poprzedniej strony

 

anim-675x250pop 

1 

 

 logo 3 MALE

Klub Publicystów Ochrony Środowska EKOS zaprosił wszystkich dziennikarzy do udziału w konkursie "Dziennikarze dla klimatu". Główna nagroda wynosi 20.000,- zł.

Dokładne informacje można uzyskać na stronie konkursu:  www.dziennikarzedlaklimatu.pl.