Technologia ZECA - Wydział Inżynierii Materiałowej

LA-UR-00-6002
Technologia ZECA*
Hans-Joachim Ziock, Klaus S. Lackner
Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, Tel. (505) 667-7265, Fax (505) 665-3285,
e-mail: [email protected]
Streszczenie
Omawiany jest tu nowatorski proces wytwarzania wodoru lub elektryczności z węgla
kamiennego zachodzący bez emisji zanieczyszczeń i dwutlenku węgla do atmosfery. Choć w
artykule skupiono się na węglu kamiennym, to zasadniczo proces ten może być stosowany dla
dowolnego paliwa zawierajacego węgiel. W procesie wykorzystuje się cykliczną reakcję
dwutlenku węgla z tlenkiem wapnia w celu uzyskania wodoru z wody i węgla. Reakcja CO2 z
tlenkiem wapnia usuwa CO2 z produktów reakcji i dostarcza dodatkowej energii niezbędnej
do zakończenia produkcji wodoru bez spalania węgla. Reakcja CO2 z tlenkiem wapnia dająca
węglan wapnia dokonuje się przy wykorzystaniu ciepła generowanego w ogniwie paliwowym
(wysokotemperaturowym) podczas wytwarzania elektryczności z paliwa wodorowego.
Przetworzenie ciepła odpadowego z powrotem w użyteczną energię chemiczną umożliwia
osiągnięcie w całym procesie bardzo wysokiej wydajności w przetwarzaniu energii
wyjściowego paliwa w energię elektryczną. Ponieważ proces odbywa się zasadniczo w cyklu
zamkniętym, możliwe jest osiągnięcie zerowej emisji zanieczyszczeń i CO2, jeżeli
skoncentrowany strumień spalin CO2 zostanie usunięty. Usunięcia dwutlenku węgla dokonuje
się poprzez przetwarzanie skały ultramaficznej w węglan magnezu i krzemionkę. Produkty
końcowe procesu mineralizacji CO2 to trwałe, występujące w przyrodzie minerały.
Wystarczającej jakości złoża skał ultramaficznych istnieją na Ziemi w takiej ilości, że łatwo
mogą związać cały węgiel zmagazynowany w kopalnych paliwach.
Wstęp
Energia pochodząca z paliw kopalnych to kręgosłup światowego rynku energii i napęd
nowoczesnej gospodarki. Jednak pomimo swej niezbędności, cały sektor energii czerpanej ze
spalania paliw kopalnych jest zagrożony obawami o akumulację dwutlenku węgla w
atmosferze. Równocześnie nie ma dziś alternatywnego, konkurencyjnego cenowo źródła
energii zdolnego sprostać obecnym, a tym bardziej przyszłym potrzebom energetycznym
świata.
Technologia bezemisyjnej energetyki węglowej mogłaby dostarczyć taniej, czystej i obfitej
energii z paliw kopalnych dla nadchodzących stuleci. Prognozy z lat 60 XX w. dotyczące
gwałtownie ubywających, niewystarczających zasobów surowców energetycznych okazały
się błędne. Odkąd Klub Rzymski przedstawił swoje katastroficzne prognozy, wszelkie
surowce stały się obficiej dostępne i tańsze. Tymczasem istnieje bezpośredni związek
pomiędzy zdrowiem i zamożnością społeczeństw a dostępnością i zużyciem energii.
Wyzwanie nie polega więc na ograniczeniu zużycia energii i innych surowców, lecz na
zapewnieniu "czystej energii" po rozsądnej cenie, aby umożliwić światowej populacji
*
Zero Emission Carbon Aliance, w swobodnym tłumaczeniu - Stowarzyszenie na rzecz bezemisyjnej energetyki
węglowej.
1
osiągnięcie stopy życiowej porównywalnej z bogatymi krajami, przy tym w sposób
odpowiedzialny wobec środowiska.
Rys.1 Wielkość naturalnych zbiorników węgla w porównaniu z rezerwami paliw kopalnych i
potencjalną emisją w nowym stuleciu. Dla emisji umieszczono 4 prostokąty po 600 Gt każdy. Przy
nierosnącym poziomie emisji w nowym stuleciu emisja wyniosłaby 600 Gt. Pojedynczy prostokąt
poniżej osi obok napisu "XX wiek" odpowiada 100 latom emisji na poziomie z początku XX wieku.
Całkowita emisja w ciągu XX w jest dana pięcioma takimi prostokątami.Obecnie zużycie energii
podwaja się co 28 lat. Potencjalnie wzrost może być jeszcze większy. Ilość węgla przechowywana w
skałach węglanowych - oceniana na ponad 40 000 000 Gt - wielokrotnie przewyższa wielkości
pokazane na tym wykresie.
[1 ]
Zasoby paliw kopalnych są olbrzymie. Samego węgla kamiennego jest dość, by wystarczył
na setki lat, nawet przy znacznym wzroście światowego zużycia energii. Zasoby węgla
dostępnego w postaci paliw kopalnych pokazano na rys.1. Pokazano również ilość węgla
obecnie zdeponowanego w naturalnych zbiornikach, często proponowanych jako miejsce
składowania CO2 powstającego podczas spalania paliw kopalnych. Widać jasno, że rezerwy
węgla znacznie przewyższają pojemność proponowanych naturalnych zbiorników CO2.
Jedynym wyjątkiem stanowią oceany, które są potencjalnie olbrzymim pojemnikiem węgla.
Niestety w perspektywie kilkuset lat pojemność tego zbiornika także się wyczerpie. CO2
wchodzi do oceanu dając wodorowęglany, węglany i jony wodorowe, które obniżają poziom
pH oceanu. Przykładowo, 1000 Gt węgla w postaci CO2, jeśli się całkowicie rozpuści i
wymiesza w oceanie, wystarcza by obniżyć pH całego oceanu o 0,3. Dopiero po bardzo
długim czasie dodatkowo rozpuszczone krzemiany wapnia i magnezu zneutralizują kwas
węglowy powstały z rozpuszczenia CO2 w wodzie. Bez neutralizacji ocean się zakwasi. Wraz
z rosnącym stężeniem CO2 w atmosferze, wody powierzchniowe oceanów będą się bez
wątpienia zakwaszać, gdyż pozostają w równowadze z atmosferycznym CO2. Podwojenie
poziomu CO2 w powietrzu zmieni pH wód powierzchniowych o 0,3. To może oznaczać
zagrożenie co najmniej porównywalne z globalnym ociepleniem.
2
Potencjał wzrostu światowej konsumpcji energii jest bardzo duży. Konsumpcja energii
przekłada się bezpośrednio na gospodarczy dobrobyt i przynosi wraz z nim poprawę zdrowia,
bezpieczeństwa i światową stabilizację. Związek pomiędzy produktem krajowym brutto
Rys. 2 PKB/osobę w korelacji do zużycia energii na osobę dla krajów należących do
ONZ. Wzięto z: R. G. Watts, "Engineering Response to Global Climate Change." Lewis
Publishers, New York, 1997
(PKB) przypadającym na osobę, który jest miernikiem dobrobytu, a zużyciem energii jest
pokazany na rys. 2. Dziś zużycie energii na osobę w zamożniejszych krajach jest około
pięciokrotnie wyższe niż światowa średnia, podobnie jak stopa życiowa w tych krajach.
Reszta świata podciąga się do tych standardów. Nie możemy odmówić reszcie świata tego
dobrobytu, jakim cieszymy się dzisiaj, i oczekiwać, że międzynarodowa stabilizacja zostanie
utrzymana. Gdy ten czynnik 5 połączymy ze spodziewanym podwojeniem światowej
populacji w obecnym stuleciu, to nietrudno sobie wyobrazić dziesięciokrotny wzrost
konsumpcji energii. Poza poprawą poziomu życia, energia i zamożność dostarczają środków
dla uzyskania czystego środowiska. Najbrudniejsza woda i powietrze nie występują w
bogatych krajach, lecz raczej w rozwijających się. Skoro zanieczyszczenie środowiska staje
się szybko problemem globalnym, to powinniśmy również w globalnej zamożności dostrzec
rozwiązanie problemu, a nie tylko jego przyczynę.
Technologia
Los Alamos National Laboratory odegrało wiodącą rolę w opracowaniu bezemisyjnej
technologii uzyskiwania energii z węgla kamiennego przez Zero Emission Coal Alliance
3
(ZECA - Stowarzyszenie na rzecz bezemisyjnej energetyki węglowej). ZECA to stowarzyszenie instytucji przemysłowych, rządowych i naukowych dążących do opracowania
technologii służącej do wytwarzania wodoru i/lub elektryczności z węgla, w sposób wolny od
emisji zanieczyszczeń i z bardzo wysoką wydajnością. Proces wytwarza czysty strumień CO2,
który jest usuwany w ciągłym procesie tworzenia minerałów węglanowych. Potrzebne
surowce w postaci krzemianów magnezowych istnieją w ilości wystarczającej dla całego
światowego węgla. Wydobycie krzemianów wymaga naruszenia mniejszego obszaru terenu
niż obecnie używany przez odkrywkowe kopalnie węgla.
Cały proces zilustrowany na rys.3 składa się z kilku zintegrowanych, ale wyraźnie
oddzielonych członów. Węgiel wykorzystuje się do wytworzenia elektryczności w
wysokowydajnej, bezemisyjnej elektrowni napędzanej zgazyfikowanym węglem, co
naturalnie wytwarza oddzielny, odpadowy strumień skoncentrowanego CO2 zawierający cały
węgiel wprowadzony do procesu w postaci węgla kamiennego. CO2 jest przesyłane do
zakładu mineralizacji CO2, gdzie reaguje on z krzemianem magnezu, najlepiej ze skałą typu
perydotyt lub serpentyn. Węglan magnezu i dwutlenek krzemu - produkty końcowe reakcji
przesyłane są z powrotem do kopalni serpentynu. Produkty końcowe są stabilne, dlatego
gwarantują trwałe związanie CO2.
Rysunek 4 pokazuje szkic bezemisyjnej elektrowni węglowej. Rysunek ilustruje schemat
beztlenowej produkcji wodoru, która łączy gazyfikację węgla, produkcję wodoru w reakcji
tlenku wapnia z metanem (w obecności wody) i prażenie wapienia (CaCO3), połączonej z
układem ogniwa paliwowego. Beztlenowy proces produkcji wodoru to przemysłowy,
prowadzony w podwyższonej temperaturze proces, który nie wymaga powietrza (stąd jest
beztlenowy), 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. Opisywany tu proces jest wariantem sprawdzonego już procesu wiązania
4
CO2[2]. Kilka innych zespołów, oprócz naszego, wdraża także inne warianty tego procesu do
produkcji wodoru z różnorodnych paliw na bazie węgla[3,4].
CO2
H2O
Powietrze
H2O
(używane do
kontroli
procesu)
H2O
H2O
H2O
CaCO3
CO2
Oczyszczanie gazu z
siarki i pyłów
CH4, H2O
Zbiornik
gazyfikacji
Szlam
węglowy
Popiół
Zbiornik
karbonatyzacji
H2
Ogniwo
paliwowe
Zbiornik
kalcynacji
CaO
CO2
Oczyszczanie
wodoru
H2
H2
N2
Rys. 4. Schemat procesu produkcji wodoru i ogniwa paliwowego. Ukazano przepływ
tylko głównych reagentów. Główne reakcje są następujące:
H2O(ciecz) Æ H2O(gaz)
Zbiornik gazyfikacji:
C + 2H2 Æ CH4
Zbiornik karbonatyzacji: CH4 + 2H2O Æ CO2 + 4H2 CaO + CO2 Æ CaCO3
Zbiornik kalcynacji:
CaCO3 Æ CaO + CO2
Ogniwo paliwowe:
2H2 + O2 Æ 2H2O
Na rys. 4 ukazany został w modelowy, schematyczny sposób przepływ materiałów z
podkreśleniem głównych związków chemicznych powstających w każdym etapie. Węgiel
dostarczany jest do instalacji gazyfikacji jako suchy pył (proszek) lub w postaci szlamu i
zostaje zgazyfikowany przez wodór. W przeciwieństwie do zgazowywania węgla wodą,
gazyfikacja wodorem węgla do metanu jest egzotermiczna, stąd niepotrzebne jest grzanie z
zewnątrz w tym procesie. Poprzez wtrysk pewnej ilości wody lub pary wodnej do komory
gazyfikacji można odebrać wyzwolone ciepło i utrzymać stałą temperaturę w instalacji
gazyfikacji. (Ostudzenie można osiągnąć przez przeprowadzenie w pewnym zakresie
endotermicznej reakcji zgazowania węgla wodą lub poprzez wytworzenie pary wodnej, gdy
się wstrzyknie wodę do komory.) Poprzez przemianę węglowych składników paliwa w stan
gazowy, oddziela się popiół zostawiając go w komorze gazyfikacyjnej. Węgiel, który jest
teraz 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
reakcję z CaO, w której daje CaCO3. W zasadzie reagująca mieszanina wody, pary wodnej i
lotnych węglowodorów ani nie zużywa, ani nie wytwarza ciepła. Wynika to z faktu, że
sumaryczna reakcja (1) w komorach gazyfikacji i karbonatyzacji jest niemal energetycznie
5
obojętna. Tak więc, całkowite ciepło wyzwalane w tych komorach wynosi zero. Gdy warunki
pracy w pierwszej komorze ustawi się tak, aby bilans cieplny był zerowy, to w drugiej także
musi być taki sam. Oczywiście łączna reakcja jest egzotermiczna w przypadku wody
dostarczanej do komory jako para wodna. Umożliwia to zrekompensowanie nieuniknionej
straty ciepła, która pojawi się podczas wdrożenia realnego procesu.
CaO + C + 2H2O(ciecz) Æ CaCO3 +2H2 + 0,6 kJ/mol C
(1)
Gazowe produkty komory karbonatyzacji dają 4 mole wodoru na mol węgla
wprowadzonego do komory. Połowa tego wodoru pochodzi z metanu wytwarzanego w
komorze gazyfikacji. Pozostałe 2 mole wodoru wywodzą się z wody. To jest ta połowa
wodoru, która jest właściwym produktem. Ponieważ reakcja produkcji wodoru przejmuje
również energię reakcji karbonatyzacji (CaO + CO2 Æ CaCO3), strumień produkowanego
wodoru zawiera około 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. Maksymalna temperatura mediów unoszących to
uboczne ciepło zależy od procesu konwersji i jest także dyktowana przez prawa
termodynamiki. W pewnych procesach temperatura mediów unoszących odpadowe ciepło jest
dość niska, jak w typowych systemach generacji mocy (np. elektrownie z turbinami
parowymi itp.) Takie procesy to procesy niebezpośredniej konwersji wymagające
wykorzystania ciepła dla przeprowadzenia konwersji. Aby osiągnąć w takich procesach
wysoką wydajność, prawa termodynamiki wymagają, żeby media unoszące ciepło wydalane
na końcu procesu miały niską temperaturę. Właśnie dlatego ciepło to jest bezużyteczne dla
dalszej generacji prądu. Natomiast w bezpośredniej konwersji, takiej jaka zachodzi w
ogniwach paliwowych, nie ma ograniczenia co do temperatury mediów unoszących wydalane
ciepło, mogą one mieć wysoką temperaturę. W przypadku ogniw typu SOFC (SOFC - Solid
Oxide Fuel Cells - stałe tlenkowe ogniwo paliwowe) emitowane ciepło odpadowe ogrzewa
ogniwo do temperatury 1050oC. Takie wysokotemperaturowe ciepło odpadowe może być
użytecznie wykorzystane i nie musi być tracone.
Należy przypomnieć, że w naszym procesie produkowany wodór ma około 150% energii
wprowadzonej przez węgiel. Stąd, nawet jeśli wytwarzanie elektryczności będzie miało tylko
50% wydajności, co jest wartością typową dla ogniw paliwowych, to i tak można przetworzyć
w prąd elektryczny 75% energii wnoszonej przez węgiel. Oczywiście zasada zachowania
energii obowiązuje. Dodatkowa energia (50%) została wniesiona do produktu wodorowego
przez reakcję CaO z CO2 do CaCO3. Jeżeli nie dysponujemy wolnym źródłem CaO, a tak
zwykle jest, to pożyczka energii z reakcji CaO i CO2 musi zostać spłacona. Odbywa się to w
komorze kalcynacji przy wykorzystaniu ciepła odpadowego generowanego przez SOFC.
Reakcja kalcynacji występująca w trzeciej komorze wymaga ilości ciepła równej ciepłu
uwalnianemu w reakcji karbonatyzacji. Ciepło musi być ponadto dostarczone przez media o
odpowiedniej temperaturze, około 900oC, aby wywołać kalcynację. SOFC pozwala ogrzać
media do takiej temperatury.
Z powodów termodynamicznych wysokotemperaturowe wodorowe ogniwo paliwowe
obraca mniej więcej jedną trzecią energii wodoru w ciepło odpadowe ( w praktyce ta liczba to
około 50%). Ale, jak stwierdzono wcześniej, SOFC działa w temperaturze, w której ciepło
odpadowe może zostać wykorzystane do kalcynacji CaCO3. To "odpadowe ciepło" jest
ponownie obracane w użyteczną energię chemiczną, przenoszoną przez CaO. Poprzez
zamknięcie pętli CaO uzyskuje się więc energetyczne zrównoważenie układu.
6
Ponieważ w procesie wykorzystuje się ciepło odpadowe z ogniwa paliwowego do
wytwarzania dodatkowego wodoru, uzyskuje się wysoką wydajność. Przy teoretycznych
założeniach czystego węglowego wsadu, braku strat cieplnych i optymalnego działania
ogniwa paliwowego wydajność przetwarzania energii węgla w elektryczność osiągnęłaby
93%. Straty są nieuniknione ponieważ ciepło ucieka z komór oraz ponieważ rzeczywista
wydajność konwersji w ogniwie paliwowym to mniej, niż pozwalają prawa termodynamiki.
Pomimo to, powinno być możliwe osiągnięcie bardzo wysokiej wydajności, na poziomie
70%, podczas opisywanej tu konwersji energii węgla w energię elektryczną. Tak więc, w
porównaniu ze standardowymi procesami, ten nowy proces wytwarza znacznie mniej CO2 na
jednostkę pozyskanej energii elektrycznej. To z kolei znacznie obniża koszty składowania
CO2 przypadajace na jednostkę elektryczności.
Jeżeli zamiast energii cieplnej prześledzi się energię swobodną układu, to widać
natychmiast, że energia swobodna węgla jest stopniowo obniżana. Utlenianie wodoru w
1050oC daje w rezultacie wartość 0,7 ∆G/∆H. Dla węgla ten stosunek to 1,02. Tak więc
energia swobodna zostaje w pewnym stopniu obniżona, co oznacza wzrost entropii
wymagany przez drugie prawo termodynamiki.
Proces jest ekonomicznie atrakcyjny również przez to, że likwiduje całą emisję
zanieczyszczeń do atmosfery. W tym procesie nie ma kominów fabrycznych, bo nie ma
spalania węgla. Tak więc popiół z węgla jest całkowicie zatrzymywany, czyniąc zadość wciąż
zaostrzającym się limitom emisji zanieczyszczeń. Niewielka ilość dodawanego CaO lub
CaCO3 jest wykorzystywana do związania siarki z węgla kamiennego. Siarka jest
wyprowadzana z komory reakcyjnej w postaci stałej, nie ma więc emisji H2S lub tlenków
siarki. Ponadto, warunki redukujące w komorze produkcji wodoru nie sprzyjają powstawaniu
tlenków azotu, a ponieważ nie występuje spalanie, emisja tlenków azotu obniża się do zera.
W końcu CO2 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 spalin CO2.
Rys. 4 pokazuje również, że proces odbywa się zasadniczo w zamkniętym cyklu. SOFC
transportuje tlen, działając jednocześnie jako membrana oddzielająca tlen. Tak więc do
wodorowej strony ogniwa paliwowego nie ma nigdy dostępu powietrze, co oznacza, że strona
produktu (woda) nie jest zmieszana z powietrzem (z azotem). Jakikolwiek wodór, który
przeszedł przez ogniwo bez przereagowania jest zawracany do ponownego przejścia.
Zamknięty, cykliczny charakter procesu znacznie ułatwia usunięcie wszelkich
zanieczyszczeń wprowadzonych z węglem kamiennym. Skutecznie zamknięty, cykliczny
układ pozwala podwyższyć stężenie produktów ubocznych do poziomu, przy którym mogą
być łatwo wychwycone. (Oczywiście ten poziom nie może być na tyle wysoki by stał się
szkodliwy dla działania instalacji składowych układu.)
Rozważmy przykładowo lotne zanieczyszczenia wchodzące z węglem na poziomie
powiedzmy 0,05%, jak pokazuje rys. 5. Poziom zanieczyszczeń we wnętrzu układu będzie się
podnosił, aż spróbuje je się usunąć. Jeżeli gaz obiegnie układ 20 razy, poziom zanieczyszczeń
osiągnie wartość 1%. Przy tym poziomie, jeżeli wprowadzi się odgałęzienie, którym będzie
płynąć 10% całkowitego przepływu gazu, poprzez układ oczyszczania o wydajności usuwania
zanieczyszczeń zaledwie 50% w pojedynczym przejściu, to i tak usunie się tyle
zanieczyszczeń, ile jest wprowadzanych z węglem w pojedynczym cyklu.
7
Paliwo,
poziom
zanieczyszczeń
=0,05%
Produkcja
wodoru
poziom
zanieczyszczeń
=1,0%
X
20 X
Wykorzystanie
wodoru
18 X
1X
Wydajność
usuwania
zanieczyszczeń
=50%
2X
Zanieczyszczenie usuwane w
formie stałej lub ciekłej 1 X
Rys. 5. Schemat procesu oczyszczania, w którym wykorzystuje się
przepływ części gazu odnogą. W procesie tym usuwa się w pełni
zanieczyszczenia wprowadzone z węglem kamiennym, choć w
pojedynczym przejściu proces jest niezbyt efektywny.
W ten sposób można usuwać wszystkie zanieczyszczenia wykorzystując stosunkowo tani
układ oczyszczający. Kontrastuje to z dzisiejszymi instalacjami energetycznymi, które
wypuszczają spaliny prosto do atmosfery i w których wydajność usuwania musi być
niezwykle wysoka (a to jest zwykle kosztowne), aby osiągnąć typowe dopuszczalne stężenie
rzędu części na milion.
Dwutlenek węgla będzie w sposób ciągły usuwany poprzez reakcję z obficie
występującymi w przyrodzie minerałami tworząc niegroźny trwały minerał tak, że CO2 nie
pozostanie w spadku dla kolejnych pokoleń. Pomysł wiązania CO2 w minerałach jest
rozwijany we współpracy laboratoriów Los Alamos National Laboratory, Albany Research
Center, Arizona State University i National Energy Technology Laboratory. W opisywanym
tu procesie CO2 reaguje z krzemianami bogatymi w magnez (serpentyn lub oliwin) tworząc
węglan magnezu (magnezowy analog wapienia), krzemionkę i być może wodę. Wszystkie
produkty końcowe występują w przyrodzie, a reakcja jest właściwie częścią geologicznego
cyklu węgla zachodzącego w przyrodzie w warunkach naturalnych przez miliony lat. Reakcja
produkcji węglanu magnezu wytwarza również energię (ciepło), która potencjalnie może być
wykorzystana. Węglan magnezu jest produktem termodynamicznie preferowanym, więc
usunięcie dwutlenku węgla jest naprawdę trwałe.
Krzemiany magnezu istnieją w obfitych, bogatych złożach na całym świecie, jak pokazuje
rys. 6. Samo złoże w Omanie zawiera 30 tys. kilometrów sześciennych krzemianu magnezu,
co wystarczyłoby dla większości światowego węgla. Wzięte razem światowe bogate złoża
krzemianu magnezu z łatwością poradzą sobie z całym światowym zapasem węgla. Skala
operacji nie jest przy tym nierozsądna. Wymagana wielkość kopalni potrzebnej dla dużej
elektrowni jest mniejsza niż duża kopalnia odkrywkowa miedzi. Chociaż stosunek mas
serpentynu do węgla w procesie mineralizacji CO2 wynosi 6 do 1, to obszar zajęty pod
wydobycie serpentynu jest znacznie mniejszy niż odpowiadający obszar kopalni węgla.
Obszar kopalni serpentynu jest mniejszy, ponieważ złoża serpentynu mają zazwyczaj
8
znacznie większą grubość niż złoża węgla kamiennego i serpentyn ma większą gęstość niż
węgiel. Rys. 7 pokazuje porównanie obszarów potrzebnych pod kopalnie węgla kamiennego i
serpentynu.
Produkty
końcowe
procesu
wiązania CO2 mogą być użyte do
zasypania kopalni. Jeśli oprzeć się na
kosztach wydobycia i mielenia rudy
miedzi i na wielkości obszaru pod
aparaturę chemiczną niezbędną do
procesu wiązania CO2 to można
ocenić, że koszty usuwania wyniosą
około 15-20 $ za tonę CO2, co wydaje
się rozsądną ceną. Ostatnie ekspertyzy
IEA[5] potwierdzają, że koszty
wydobycia, rozdrobnienia, zmielenia i
rekultywacji są niskie - około $7 do
$10 na tonę CO2. Ekspertyza
podkreśla, że trudność polega na
zaprojektowaniu wydajnego procesu
Rys.6: Główne światowe obszary występowania ofiolitów. Zaadaptowane z pracy
chemicznego. Proste procesy łączenia
W.P. Irwin i R.G. Coleman, USGS 1974.
CO2 ze skałą serpentynową w
bezpośredniej reakcji są potencjalnie bardzo tanie. Jeśli wielkość instalacji wiązania CO2 jest
determinowana przez czas przebywania substratów w komorze reakcyjnej, a jest to czas rzędu
godziny, to komory reakcyjne , nawet jeśli są komorami ciśnieniowymi, dodadzą niewiele do
kosztu zakładu. Aby związać tonę CO2 na godzinę, komora powinna pomieścić około dwie
tony serpentynu, więc powinna mieć rozmiar kilku metrów sześciennych. Dla dużych komór
koszt wynosi około 1000 $ za metr sześcienny. Dziesięcioprocentowe koszty kapitałowe od
10000 $ dają w rezultacie stawkę godzinową w wysokości około 10 centów. Koszt obudowy
bezpieczeństwa doda jeszcze kilkadziesiąt centów do kosztu usunięcia tony CO2. A więc
licząc się nawet z innymi jeszcze kosztami, 10 $ za tonę CO2 pozostaje ceną osiągalną. W
niedawnej pracy zespół z Alabany przedstawił proces, który wydaje się być bardzo łatwy do
wdrożenia[6]. W efekcie, CO2 w kontakcie z oliwinem lub serpentynem, wodą, sodą
oczyszczoną i chlorkiem sodu zamienia większość skały w węglan magnezu i krzemionkę.
NaHCO3 i NaCl grają rolę katalizatorów i nie są zużywane w procesie. Proces
zaproponowany przez zespół z Alabamy usuwa trudności przedstawione przez IEA w ich
raporcie, a jego koszt prawdopodobnie 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.
Założenia: elektrownia o mocy1GW i 80% wydajności
Grubość
Gęstość
Zużycie/dzień
Obszar/dzień
Węgiel
Serpentyn
4m
200 m
3
2,55 t/m3
1,4 t/m
3750 t/dzień 25000 t/dzień
670 m2/dzień 49 m2/dzień
Węgiel
Rys. 7: Obszar zajęty dla elektrowni w celu wydobycia węgla i minerałów do likwidacji CO2
9
Podsumowując, węgiel ma ważną a nawet kluczową pozycję w energetycznej przyszłości
świata. Ważne jest, aby wartość tego zasobu została rozpoznana i wykorzystana. Jesteśmy
pewni, że istniejące rozwiązania techniczne pozwolą na realizację idei "zielonego" węgla, co
zapewni nam czysty świat oraz dynamiczną, zdrową i bezpieczną światową gospodarkę na
długi czas.
Literatura
[1] Wright J., A. Colling and Open University Course Team, Seawater: Its Composition,
Properties and Behaviour, 2nd Edition, Pergamon-Elsevier, Oxford (1995).
[2] Duane C., McCoy, George Curran and John D. Sudbury, CO2 Acceptor Pilot Plant -1976,
Proceedings of the 8th Synthetic Gas Symposium, Chicago IL, October 18-20, 1976,
American Gas Association Catalog No. L 51176.
[3] Shying Lin, Yoshizo Suzuki, Hiroyuki Hatano, Masaaki Oya, Michiaki Harada, Innovative
Hydrogen Production by Reaction Integrated Novel Gasification Process (HyPr-RING),
Proceedings of the Advanced Clean Coal Technology International Symposium '99, Nov.
1-2, 1999, Tokyo.
[4] B. Balasubramanian, A. Lopez Ortiz, S. Kayatokoglu, D.P. Harrison, Hydrogen from
methane in a single-step process, Chemical Engineering Science 54 (1999) 3543-3552.
[5] CSMA Minerals Limited, CO2 Storage As Carbonate Minerals, Report commissioned by
IEA.
[6] W.K. O'Connor, D.C. Dahlin, D.N. Nilsen, G.E. Rush, R.P. Walters and P.C. Turner, CO2
Storage in Solid Form: A Study of Direct Mineral Carbonation, Proceedings of the 5th
International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, Cairns, Australia,
Aug., 2000.
Tłumaczenie raportu LA-UR-00-602 H.J. Ziock, K.L. Lackner Overview of the ZECA
(Zero Emission Coal Alliance) Technology, Grzegorz Słowiński i Jan A.
Kozubowski, Wydział Inżynierii Materiałowej PW.
10