Bezemisyjna produkcja energii cd.

2. TECHNOLOGIA ZEC[3,4,6]

2.1. CZYM JEST ZECA?

Z – Zero, E – Emission, C – Carbon, A – Aliance Stowarzyszenie Bezemisyjnej Energetyki Węglowej

Stowarzyszenie Bezemisyjnej Energetyki Węglowej zostało utworzone w roku 2000. Od marca 2001 stowarzyszenie składa się z 18 członków, którymi są pry-watne firmy przemysłowe oraz agencje rządowe. W listopadzie 2002 w ramach istniejącego stowarzyszenia powstała Korporacja ZECA, mająca na celu rozwijanie idei bezemisyjnych technologii przetwarzania węgla i paliw węglowych. Szczególną uwagę skoncentrowano na koncepcji ZEC (Zero Emission Coal).

2.2. KONCEPCJA BEZEMISYJNEJ PRODUKCJI ENERGII

W skład całej koncepcji wchodzi oryginalny układ do gazyfikacji paliwa kopalnego, który produkuje: wodór, elektryczność oraz czysty strumień CO2 usuwany w ciągłym procesie tworzenia minerałów węglanowych. Cały proces składa się z kilku zintegrowanych, ale wyraźnie oddzielonych członów. Poniższy rysunek ilustruje proces beztlenowej produkcji wodoru, który łączy: gazyfikację węgla, produkcję wodoru w reakcji tlenku wapnia z metanem (w obecności wody), prażenie wapienia (CaCO3) z układem ogniwa paliwowego.



Węgiel wykorzystuje się do wytworzenia elektryczności w wysokowydajnej, bezemisyjnej elektrowni napędzanej zgazyfikowanym węglem, gdzie w trakcie procesu wytwarza się odpadowy strumień skoncentrowanego CO2 zawierającego cały atomowy węgiel wprowadzony do procesu wraz z węglem kamiennym. Dwutlenek węgla jest przesyłany do zakładu mineralizacji, gdzie reaguje z krzemianem magnezu. Potrzebne surowce w postaci krzemianów magnezowych istnieją w ilości wystarczającej dla całego światowego węgla. Beztlenowa produkcja wodoru to przemysłowy, prowadzony w podwyższonej temperaturze proces, który nie wymaga powietrza, nie wiąże się ze spalaniem i nie wymaga wkładu cieplnego. Obok węgla kamiennego proces wymaga tylko wkładu wody i CaO, przy czym dwa ostatnie są w sposób ciągły odnawiane. Choć w omawianym przykładzie skupiono się na węglu kamiennym, to zasadniczo proces ten może być stosowany dla dowolnego paliwa zawierającego węgiel.

2.3. KOLEJNE ETAPY PROCESU ZEC

2.3.1. GAZYFIKACJA

Węgiel dostarczany jest do instalacji gazyfikacji jako suchy pył i zostaje zgazyfikowany przez wodór. Reakcja jest egzotermiczna. Poprzez wtrysk pewnej ilości wody lub pary wodnej do komory gazyfikacji można odebrać wyzwolone ciepło i utrzymać stałą temperaturę w instalacji gazyfikacji. Poprzez przemianę węglo-wych składników paliwa w stan gazowy, oddziela się popiół, który pozostaje w komorze gazyfikacyjnej.

2.3.2. KARBONATYZACJA

Następnie, węgiel w formie lotnych związków, dostaje się do komory karbonatyzacji, gdzie reaguje z wodą tworząc CO2 i H2. Dwutlenek węgla jest w sposób ciągły usuwany ze strefy reakcji poprzez syntezę z CaO. Sumaryczna reakcja w komorach gazyfikacji i karbonatyzacji jest niemal energetycznie obojętna.


Wytworzony w komorze karbonatyzacji wodór zawiera 150% energii wnoszonej do procesu przez węgiel. Zgodnie z zasadą zachowania energii, teoretycznie, cała ta energia wodoru może wytworzyć elektryczność. Jednak prawa termodynamiki dyktują maksymalną wydajność przemiany możliwą do osiągnięcia, a rozważania praktyczne jeszcze bardziej ograniczają to, co można osiągnąć. Wszelkie straty początkowej energii dostępnej dla wytworzenia elektryczności podczas procesu konwersji stają się ciepłem. Zastosowanie ogniwa paliwowego SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) w końcowym etapie procesu technologii ZEC pozwala na użyteczne wykorzystanie tego ciepła. Przy założeniu typowej sprawności ogniw paliwowych na poziomie 50%, możliwe jest przetworzenie w prąd elektryczny 75% energii wnoszonej do procesu przez węgiel.

2.3.3. PĘTLA CaO

Ciepło odpadowe z ogniwa paliwowego zostaje wykorzystane w komorze kalcynacji, zamykając tym samym bilans energetyczny.

2.3.4. OGNIWO PALIWOWE – SOFC

Wykorzystanie w procesie ciepła odpadowego z ogniwa paliwowego do wytworzenia dodatkowego wodoru, pozwala na uzyskanie wysokiej wydajności. Podczas opisywanej tu konwersji energii węgla w energię elektryczną, możliwe powinno być osiągniecie wydajności na poziomie 70%. Tak więc, w porównaniu ze standardowymi procesami, ta nowa technologia wytwarza znacznie mniej CO2 na jednostkę pozyskanej energii elektrycznej. To z kolei znacznie obniża koszty składowania CO2 przypadające na jednostkę elektryczności. Dwutlenek węgla powstający przy produkcji wodoru jest początkowo pozyskiwany w postaci stałej, zanim zmienia się go w czysty strumień gazu. Jako że jest to integralna część procesu produkcji wodoru, nie są ponoszone żadne dodatkowe wydatki na wytworzenie skoncentrowanego strumienia CO2. W dalszym etapie strumień CO2 reaguje z krzemianami bogatymi w magnez (serpentyn lub oliwin) tworząc magnezyt, krzemionkę i wodę. Reakcja ta jest właściwie częścią geologicznego cyklu zachodzącego w przyrodzie w warunkach naturalnych przez miliony lat.

Pomysł wiązania CO2 w minerałach jest rozwijany we współpracy wielu laboratoriów w USA: Los Alamos National Laboratory, Albany Research Center, Arizona State University i National Energy Technology Laboratory.

2.4. KOSZTY

Ostatnie ekspertyzy IEA potwierdzają, że koszty wydobycia, rozdrobnienia, zmielenia i rekultywacji są niskie - około $7 do $10 na tonę CO2.

W jednej z prac [5] zespół z Alabamy przedstawił proces, który wydaje się być bardzo łatwy do wdrożenia. W efekcie, CO2 w kontakcie z serpentynem, wodą, sodą oczyszczoną i chlorkiem sodu zamienia większość skały w magnezyt i krzemionkę.

Soda oczyszczona i chlorek sodu grają rolę katalizatorów i nie są zużywane w procesie. Przewidywany koszt procesu będzie na poziomie $15 - $20 za tonę, łącznie z wydobyciem. Dla elektrowni o wydajności 70% przełożyłoby się to na podniesienie ceny 1 kWh o 1 cent.