Tendinte mondiale privind reducerea de emisii de dioxid de carbon
Data: 1-15 mai 2008
Potrivit mai multor estimari, cererea globala de energie va creste cu circa 1,8 % / an in perioada 2000 – 2030. Acest lucru conduce la necesitatea cresterii productiei de energie direct proportional cu cererea. Daca vom corela aceasta estimare cu cea potrivit careia energia nucleara, hidroelectrica, biomasa si alte energii curate vor ramane la o pondere de cel mult 25 % din productia de energie, vor rezulta doua directii.
In prima situatie, de nedorit, cresterea necesitatii de productie va insemna in mare parte cresterea consumului de combustibil conventional, care in conditiile in care nu se actioneaza in sensul cercetarii si dezvoltarii de tehnologii curate pe combustibili fosili, va insemna o crestere considerabila a emisiei de CO2 in atmosfera.
Cea de-a doua situatie reprezinta primul pas care trebuie facut in „lupta cu CO2-ul“, si anume cercetarea, dezvoltarea si in final utilizarea de instalatii cu eficienta crescuta de producere a energiei electrice si termice utilizand ca sursa primara de energie combustibilii conventionali, cresterea eficientei traducandu-se ca reducerea consumului de combustibil pentru aceeasi cantitate de energie produsa. In aceasta directie trebuie sa tinem cont si de costul crescator al gazului natural si al combustibililor lichizi, proportional cu epuizarea resurselor acestora, ceea ce cu siguranta ne vor indruma spre utilizarea preponderenta a combustibililor fosili solizi (carbune).
Energia chimica a combustibililor fosili solizi poate fi folosita la ora actuala prin doua procese tehnologice principale, ardere sau gazeificare, pentru ambele existand mai multe tehnologii ajunse la maturitate sau in faze de cercetare/proiecte pilot, ce vor fi descrise in continuare. De asemenea, se fac cercetari pentru dezvoltarea de tehnologii hibrid.
1. TEHNOLOGII DE ARDERE
Principalele tehnologii de ardere aflate la scara comerciala sunt:
1.1. Arderea pulverizata
Arderea carbunelui prin pulverizarea sub forma de pulbere, in focarul generatoarelor de abur, reprezinta cea mai utilizata tehnologie de ardere din lume la ora actuala si cu siguranta cea mai utilizata tehnologie de ardere din Romania.
Pentru centralele in care arderea carbunelui se face prin pulverizare, metoda cea mai utilizata de cresterea randamentului global brut este reprezentata de cresterea temperaturii medii superioare a ciclului termodinamic, concret prin cresterea parametrilor aburului viu. La ora actuala centralele noi se construiesc cu generatoare de abur de tip Benson, cu strabatere fortata unica, ce asigura parametrii supracritici ai aburului viu ce va fi utilizat in turbine special adaptate din punct de vedere constructiv pentru acesti parametri ridicati. Este stiut faptul ca singura limitare in cresterea parametrilor aburului viu o reprezinta materialul. Pentru acelasi regim de functionare al centralei si aceleasi conditii atmosferice, o crestere a eficientei cu 10 % inseamna o reducere a consumului de combustibil cu, sa presupunem, 8 % (deoarece cresterea parametrilor aburului viu conduce la cresterea randamentului termic al ciclului termodinamic, insa consumurile proprii tehnologice raman in general aceleasi), ceea ce inseamna o reducere a emisiei de CO2 cu aproximativ 80 000 t CO2/an (adica cca 8 %).
Printr-un calcul simplist se poate observa ca pentru aceeasi tehnologie de ardere, pentru acelasi combustibil si aceeasi durata, eficientele atinse astazi de centralele moderne pe combustibili fosili cu ardere pulverizata, functionand la parametrii supracritici ai aburului viu (temperaturi in jur de 600 °C si presiuni de aprox. 250 bar) sunt cuprinse intre 40 si 52 %. Pentru o comparatie, eficienta centralelor din Romania este in cele mai bune cazuri de 37 %.
Trei dintre grupurile de top din lume aflate in functiune de cel putin 5 ani, si cu caracteristicile lor:
Proiectul AD700 finantat de Uniunea Europeana urmareste atingerea parametrilor ultra-supracritici cu temperaturi ale aburului viu de 700 °C si presiuni de 375 bar, ceea ce va conduce la eficiente de 52 – 55%.
1.2. Arderea in strat fluidizat atmosferic
Tehnologia consta in mentinerea particulelor de carbune cu o granulatie de ordinul milimetrilor sau zecilor de milimetru, intr-un flux de aer ascendent.
Datorita modificarii densitatii prin ardere, carbunele abia introdus in pat va sta la suprafata patului si pe masura ce arde va cobori spre partea de jos; aceasta miscare a particulelor creeaza senzatia vizuala a fierberii unui fluid, de unde tehnologia a mai primit si denumirea de pat fluidizat fierbator. Fluxul de aer are o viteza care sa asigure un echilibru intre greutatea particulelor de carbune si forta arhimedica creata de acesta.
Eficientele sunt in jur de 40 %, insa marele avantaj vine din posibilitatea de reducere a emisiilor de oxizi de sulf si de azot datorita temperaturii de aprox. 900°C (fata de 1800 K la arderea pulverizata ) din focar, ceea ce reduce formarea de NOx termic si este propice reactiilor dintre dolomita/carbonat de calciu si dioxidul de sulf.
In lume sunt 1200 de centrale cu ardere in pat fluidizat circulant, cu o putere termica totala de 65 GWt, repartizate astfel: Asia 52 %, America de Nord 26 %, altele 1 %.
Companiile care conduc detasat pe aceasta piata sunt Foster Wheeler /Ahlstrom (cu circa 180 de unitati in functiune) si Lurgi Lentjes Babok (circa 90 de unitati), alte companii sunt Alstom Power, Kvaerner si Babcock & Wilcox.
In prezent se observa o tendinta de dezvoltare a acestei tehnologii, atingand puteri cat mai mari, in 2020 putand fi produsi astfel 150 GW datorita evolutiei pozitive a pietei.
1.3. Arderea in pat fluidizat sub presiune
Tehnologia este asemanatoare cu cea anterioara, insa viteza aerului este mai mare iar arderea are loc la presiuni supra-atmosferice. Viteza aerului face ca patul fluidizat sa urmeze drumul gazelor de ardere, trecand din focar in niste cicloane, care separa cenusa antrenata si particulele de carbune nears din gazele de ardere. Partea solida separata se reintroduce pe la baza focarului. Aceasta circulatie a patului a condus la denumirea de pat fluidizat circulant.
Randamentul global al instalatiei este crescut datorita recuperarii atat a caldurii gazelor de ardere (recuperativ si regenerativ), cat si a caldurii zgurii si cenusii. Contributia cea mai importanta la randamentul global al centralei o are insa eficienta arderii, care aproape indiferent de combustibil atinge cu usurinta 99 %.
Cele mai recente si mai avansate centrale cu arderea in pat fluidizat circulant sub presiune, construite de liderul mondial in acest domeniu Alstom Power, sunt urmatoarele:
– Can-Turkey. Centrala are o putere instalata de 2 x 160 MWe si functioneaza pe lignit. Fiecare generator de abur are 4 cicloane.
– Red Hills (SUA). Este o centrala cu o putere de 500 MWe (2 x 250 MWe), pusa in functiune in 2002, si care arde lignit.
– Guyana (Puerto Rico Power Authority). Pusa in functiune in 2002, cu o putere de 2 x 250 MWe. Datorita limitelor de emisie stringente, centrala a fost dotata cu denoxificare si desulfurare.
2. GAZEIFICARE
Tehnologia de gazeificare (ciclu combinat cu gazeificarea carbunelui – IGCC) consta in obtinerea de gaz sintetic din combustibilul fosil solid.
Exista tendinta generala de a nu considera aceasta tehnologie ca fiind deja comerciala, mai ales datorita unui cost cu 10 -20 % mai mare fata de centralele cu ardere pulverizata. Insa de cele mai multe ori nu a fost luat in calcul pentru centralele clasice si costul instalatiilor de reducere a emisiilor de SOx, NOx, pulberi si CO2.
Considerand o reducere a emisiilor de CO2 de 85 – 90 % pentru ambele tehnologii, diferenta de pret se reduce sau isi schimba sensul, IGCC devenind mai ieftina.
Principalele avantaje si dezavantajele:
– Investitia de la 0: 1400 – 1600 $ pe kW (intr-adevar, cu 10 % mai mari fata de o centrala cu ardere, dar fara nicio masura de reducere a emisiilor poluante);
– Disponibilitate a tehnologiei de 90 %;
– Eficiente: de cel putin 40 % NET;
– Poate functiona pe carbune, biomasa, deseuri si mai ales poate functiona pe reziduuri petroliere;
– Este inlesnita captarea CO2, cat despre celelalte emisii de substante poluante, acestea sunt reduse sau nu mai rezulta in urma proceselor din instalatie;
– Performantele IGCC pot fi influentate negativ de continutul mare de umiditate (Wi) si/sau de continutul crescut de cenusa (Ai);
– Puterea calorifica a gazului sintetic, care este compus in principal din hidrogen si monoxid de carbon, este de aprox. 4 ori mai mica decat cea a gazului natural, ceea ce inseamna ca o turbina cu gaz va necesita o cantitate de 4 ori mai mare de gaz sintetic pentru a produce aceeasi putere ca la functionarea pe gaz natural;
– Gazeificarea se poate face cu oxigen sau cu aer. La gazeificarea cu oxigen investitia in statia de producere a oxigenului este de cca 15 % din total, iar energia electrica pierduta este de aprox. 15 % din brut. La gazeificarea cu aer, datorita volumului mare de gaz sintetic creste pretul instalatiilor de racire si curatare a acestuia, iar puterea calorifica este jumatate din cea a gazului sintetic obtinut la gazeificarea cu oxigen.
In urma celor enumerate se poate concluziona ca gazeificarea este o tehnologie care in urmatorii ani are mari sanse de a deveni o solutie fezabila din ce in ce mai utilizata la constructia unei centrale noi, care se doreste a avea toate sistemele de protectie a mediului incluse, indeosebi cele de limitare a emisiilor atmosferice.
3. CICLURI HIBRIDE
Tehnologii in curs de dezvoltare in Europa:
– Arderea pulverizata a carbunelui, sub presiune;
– ABGC = gazeificare cu aer + ardere in pat fluidizat circulant a reziduurilor de gazeificare;
– APCFB/PFBC hibrid = gazeificare partiala + arderea reziduurilor de gazeificare;
– CCC = Ardere in bucla chimica.
Tehnologii in faza de cercetare:
– PCFB/APCFB = gazeificarea partiala + ardere in pat fluidizat circulant sub presiune;
– IGCC-FC = cicluri combinate cu gazeificare (IGCC) + pile de combustie de inalta presiune si temperatura.
ABGC
Mai multe consortii, precum European Gas Turbines (Marea Britanie), Stein Industrie (Franta), EVT (Germania), PowerGen (Marea Britanie), Mitsui Babcock (Marea Britanie), British Coal (Marea Britanie) si altii, si-au reunit fortele fiecare pentru a produce componentele necesare unei centrale prototip de 90 MWe.
Ulterior Mitsui Babcock Energy Ltd si-a insusit tehnologia si cu sprijinul EC Thermie a format o noua colaborare industriala cu GEC Alsthom (actualul Alstom Power) si Scottish Power Plc, pentru constructia unei centrale demostrative.
In graficele urmatoare se poate analiza comparatia ABGC cu alte tehnologii avansate disponibile la ora actuala, din punct de vedere al pretului energiei livrate si al investitiei. Studiul a fost considerat pentru o putere de 500 MWe si o locatie din China cu o clima ce asigura o buna temperatura la condensatorul turbinei cu abur (deci o presiune scazuta, deci eficienta mai buna).
Alstom Power si Universitatea Tehnica din Lund au efectuat studii, avand ca referinta centrala demonstrativa P200 cu ardere in pat fluidizat sub presiune, la care au adaugat gazeificatorul partial, un singur recuperator de caldura si pe rand mai multe tipuri de turbine existente (GT 10, GTX 100, GT 24), si posibilitatea postcombustiei.
In urma rezultatelor modelarii cu IPSEpro si SimTech, a rezultat ca in cazul utilizarii ciclului cu turbina GTX100 de 43 MW si fara a face postcombustie se obtine o eficienta globala de 57,37 %. Alte efecte sinergetice ar mai fi:
– disponibilitate marita deoarece se poate functiona si numai cu una din instalatiile de ardere (gazeificator sau cazan cu ardere in pat fluidizat) in cazul postcombustiei cu gaz natural;
– reducerea investitiei daca integram sistemul pe o centrala pe abur existenta, deoarece nu mai cumparam, de exemplu, turbina cu abur si anexele.
CCC
Principiul consta in fractionarea combustiei traditionale in doua reactii diferite incluzand un reactant circulant.
Reactantul este un oxid metalic (OM) si care intr-un ciclu sufera reactiile:
OM + Combustibil ? Metal+CO2+ H2O
M + 0,5 O2 ? OM
Avantajele constau in lipsa contactului direct intre combustibil si oxigen, ceea ce conduce la separarea inerenta a dioxidului de carbon si evitarea producerii de oxizi de azot.
Legat de acest principiu se mai studiaza si carbonizarea/calcinarea carbonatului de calciu ca mijloc de separare a CO2.
IGCC-FC
Principiul consta in combinarea ciclului combinat cu gazeificare cu pilele de combustie de inalta presiune si temperatura, o parte din gazul sintetic fiind folosit in acestea din urma.
Trebuie mentionata centrala pilot din Japonia, de la Wakamatsu, ce arde 150 t de carbune pe zi si care in octombrie 2003 atinsese deja 1295 de ore de functionare. Aceasta face parte din proiectul EAGLE, in cadrul caruia s-a obtinut un randament brut de 59,6 % si de 53,3 % net, pentru o putere neta livrata de 551 MWe si care utilizeaza o turbina cu gaz cu temperatura de intrare de 1300 °C.
Oricat de bine si cat de mult am folosi tehnologiile performante prezentate anterior, nu vom obtine o reducere a cantitatii de CO2 emis in atmosfera mai mare de 25 %.
In contextul in care se doreste producerea de energie electrica si termica in instalatii pe combustibil conventional care sa evacueze la cos doar aer si vapori de apa – si cum Uniunea Europeana s-a angajat sa realizeze o reducere de cel putin 20% a emisiilor de gaze cu efect de sera pana in anul 2020 (Consiliul UE, 8 – 9 martie 2007, Bruxelles) – rezulta ca omenirea trebuie sa se gandeasca la mai mult. In acest sens au fost gandite si sunt in diverse faze de cercetare si dezvoltare, tehnologii de retinere a CO2, de transport si depozitare a acestuia si, de ce nu, chiar utilizarea acestuia.
4. RETINEREA (CAPTURAREA) CO2
Retinerea CO2 are trei directii principale, fiecare cu diverse tehnologii:
• Decarbonizarea gazelor de ardere:
– spalare cu amine;
– spalare cu saruri alcaline;
– membrane/site moleculare.
• Decarbonizarea gazului combustibil:
– spalare cu amine;
– spalare cu saruri alcaline;
– membrane/site moleculare;
– absorbtie fizica: rectisol si selecsol.
• Retinere dupa concentrarea in gazul evacuat.
Spalarea cu amine
Formula chimica a celei mai simple amine este: H2N-CH2-CH2-OH
Aceste substante in anumite conditii au o mare capacitate de retinere a CO2.
Tehnologia de retinere a CO2 prin spalare cu amine consta in trecerea gazului care se doreste a fi decarbonizat, fie el gaz de ardere sau gaz combustibil, printr-un absorber unde are loc amestecul solutiei de amine cu dioxidul de carbon. Gazul decarbonizat isi continua traseul sau iesind din absorber pe la partea superioara, in timp ce pe la partea inferioara se extrage solutia saturata de amine+CO2. Aceasta solutie se trimite la un schimbator de caldura de amestec (stripper), unde solutia se incalzeste cu abur, avand loc desorbtia dioxidului de carbon din acesta. Solutia de amine saracita de CO2 se recircula catre absorber, iar dioxidul de carbon se colecteaza pe la partea superioara a „stripper-ului“.
Liderii in spalarea cu amine sunt FLUOR (Ecoamine FG PlusSM) si Mitsubishi Heavy Industry.
Avantaje:
Tehnologia se poate adapta imediat la centralele existente, asemenea instalatiilor de desulfurare;
(Continuare in nr. viitor)