Partner serwisu
14 listopada 2018

W drodze do czystej energii czy zero emisji – zero technologii

Kategoria: Artykuły z czasopisma

W założeniach polityki Unii Europejskiej ciągle dominuje walka o poprawę czystości atmosfery widzianej przez pryzmat ilości emitowanego CO2, znajdująca swoje odzwierciedlenie m.in. w odpowiednich dyrektywach. Przed nami zatem wiele trudnych wyborów, a także obowiązek weryfikacji rzeczywistego wpływu dwutlenku węgla na klimat Ziemi.
 

W drodze do czystej energii czy zero emisji – zero technologii

Podstawowym narzędziem walki o poprawę czystości atmosfery jest niezłomne, acz utopijne dążenie do eliminacji surowców mineralnych z wytwarzania energii i jej nośników, a także z chemicznych i pokrewnych procesów wytwarzania. Kolejnym argumentem przemawiającym za tą drogą realizacji polityki klimatycznej determinującej drogi rozwoju cywilizacji jest wyczerpywanie się złóż tych surowców – wprawdzie w przypadku ropy naftowej odsuwane systematycznie w czasie o kilkadziesiąt lat (jako punkt apogeum wydobycia) i spowalniane przez odkrywanie coraz to nowych złóż łupkowych, piaskowych i konwencjonalnych etc., ale jednak nieuchronne. Radykalni wizjonerzy i wojownicy klimatu domagają się niezwłocznego wprowadzenia zastępczych źródeł i nośników energii, a także surowców dla przemysłu (OZE). Są wśród nich naturalne źródła energii (światło słoneczne, woda, wiatr, a także pławy oceaniczne) i uważana za wszechmocną biomasa, przerabiana do nośników energii na drodze fermentacji aerobowych i anaerobowych (biogaz), zgazowania (przede wszystkim w wariancie ko- z innymi źródłami elementarnego węgla i wodoru), wreszcie w wariantach biologicznych wykorzystujących metabolity mikroorganizmów (algi do otrzymywania oleju i wodoru). Metody te, poza otrzymywaniem biogazu, nie zostały dotąd wiarygodnie zweryfikowane rynkowo (ekonomika, skala, gama otrzymywanych produktów), a ponadto grożą konkurencją z produkcją żywnościową niezwykle istotną w kontekście obserwowanej progresji demograficznej (9 mld ludzi w roku 2050). Przed nami zatem wiele trudnych wyborów, a także obowiązek weryfikacji rzeczywistego wpływu CO2 na klimat Ziemi.

Nie ulega jednak wątpliwości, że pomijając ten ostatni element, wykorzystanie mineralnych źródeł surowcowych, przede wszystkim do pozyskiwania energii i jej nośników, w obecnej postaci istotnie zagraża czystości atmosfery, człowiekowi i środowisku naszej planety w ogóle. Spalanie i termiczne przetwórstwo węgli brunatnych i kamiennych w wielkiej skali jest źródłem cząstek stałych, WWH i ich aerozoli (aerozole miejskie), NOx, SO2 i licznych metali i metaloidów, o co najmniej szkodliwym działaniu na organizmy żywe. Dotyczy to także spalania ropopochodnych, ale również bioolejów w silnikach spalania wewnętrznego czy kotłach. Docelowo te metody pozyskiwania energii, a niekoniecznie przerabiane nimi obiekty pochodzenia mineralnego należy wyeliminować.

Wodór lekiem na całe zło

Gospodarka wodorowa (termin wprowadzony w 1970 roku przez General Motors Co. dla określenia nowego modelu gospodarki opartego na wodorze jako nośniku energii), dziś jako element powszechnej elektromobilności, jest przedstawiana jako jeden
z „leków na całe zło”, jakie człowiek czyni sobie, swojemu ożywionemu i nieożywionemu środowisku naturalnemu w pogoni za coraz godniejszym życiem i rozwojem cywilizacyjnym.

Wyjątkowe miejsce w hierarchii czystych nośników energii zawdzięcza wodór temu, że w idealistycznym wariancie może on być otrzymywany wyłącznie z najczystszego bezemisyjnego surowca – wody, w dodatku stale odnawialnego i ogólnie dostępnego na drodze elektrolizy, która w przypadku prowadzenia jej przy użyciu prądu elektrycznego pochodzącego z OZE (wiatr, promieniowanie słoneczne czy energia wody) jest procesem zeroemisyjnym. Z kolei wykorzystanie chemicznej energii wodoru w silnikach wewnętrznego spalania (zarówno wysokoprężnych, jak i o zapłonie iskrowym), czy w ogniwach paliwowych jest również procesem wolnym od emisji GHG. Wydawałoby się zatem, że posiadamy gotowe, niezwykle cenne rozwiązanie pozyskiwania energii.

Gdyby nie fakt, że od wizji powszechnego stosowania paliwa wodorowego, po raz pierwszy sformułowanej przez kapitana Nemo w „Tajemniczej wyspie” Juliusza Verne'a (rok 1874), ciągle dzieli nas (Polskę i świat) kilka głębokich nisz technologicznych i przepaść organizacyjna. W dalszej części tekstu dokonam zestawienia współczesnego stanu posiadania i potencjału gospodarki wodorowej z zadaniami, jakie stawia przed sobą świat w trudnym do zdefiniowania obszarze „zrównoważonego rozwoju”.

Największa światowa inicjatywa promująca implementację gospodarki wodorowej – International Partnership for Hydrogen and Fuel Cells in the Economy (IPHE), stanowiąca wzorzec dla organizacji rządowych i ponadrządowych, sformułowała następujące główne zadania warunkujące prowadzenie energetyki wodorowej: badania i rozwój, wytwarzanie wodoru, jego transport i magazynowanie, przepisy i standardy dla paliwa wodorowego, technologie ogniw wodorowych oraz promocja i stwarzanie społecznej aprobaty dla gospodarki wodorowej. Ciągłe nasze zdziwienie budzi traktowanie ogniw paliwowych jako jedynej słusznej technologii konwersji energii chemicznej wodoru na moc, chociaż w przypadku IPHE niewątpliwie wynika to ze struktury zadaniowej inicjatywy.

Spróbujmy określić stopień zaawansowania zadań IPHE w zgodzie z kryteriami zrównoważonego rozwoju.

Mapa drogowa rozwoju zielonych technologii produkcji wodoru

W ujęciu proekologicznym, zawartym na przykład w założeniach wszystkich wariantów elektromobilności wodorowej, wodór powinien być otrzymywany z wody w jednym z efektywnych wariantów elektrolizy przy wykorzystaniu prądu pochodzącego z konwersji OZE, bądź bezpośrednio w procesach chemicznej konwersji biomasy. United States Department of Energy (DOE) przedstawił w pierwszym dziesięcioleciu obecnego wieku mapę drogową rozwoju zielonych technologii produkcji wodoru przy założeniu ceny poniżej 4 USD/kg w dystrybutorze. Perspektywa czasowa mapy uwzględnia efekty średnioterminowe (lata 2020-2030) i długoterminowe (lata 2030-2040). Reforming parowy metanu – najpowszechniej stosowana w wielkiej skali metoda produkcji wodoru – ma być w najbliższej przyszłości (lata 2020-2030) zastępowana w wielkiej skali przez zgazowanie biomasy, a w formie rozproszonych źródeł H2 przez elektrolizę zasilaną z OZE.

Rozwiązania scentralizowane na średnioodległą przyszłość to elektroliza wody zasilana z wiatraków włączonych do centralnej sieci średnionapięciowej, zgazowanie węgla(!) połączone z sekwestracją (najlepiej) chemiczną CO2 i wreszcie fotoelektroliza wody przy użyciu energii solarnej.

Rozwiązanie rozproszone dla tego okresu to paliwa ciekłe z procesów fermentacji i wodór z mikrobiologicznej konwersji biomasy. Rozwiązania dla okresu po roku 2030 to wysokotemperaturowa elektroliza wody w wielkiej skali (wspomagana ciepłem z HTR) i również prowadzona w wielkiej skali fotoliza wody. W wizji tej średnioodległą przyszłość określa się jako fazę biomasy, a tę po roku 2030 jako fazę solarną. Oczywiście fazy zastosowań poszczególnych technologii i wykorzystania określonych surowców nie są w tej genealogii oddzielone ostrymi granicami czasowymi (chociaż mogą do tego doprowadzić odpowiednie regulacje prawne, analogicznie do tego, co obserwujemy obecnie w prawodawstwie Unii Europejskiej odnośnie strategii zagospodarowania odpadów).

Vincent Van Gogh napisał kiedyś w liście do swojego brata Theo, że „postęp nie następuje skokowo, a jest sumą wielu małych kroków”. Ta chętnie przytaczana opinia jest w rozwoju wielu dziedzin techniki i w ogóle cywilizacji wygodnym alibi. Usprawiedliwia bowiem, dlaczego rozwiązania zaproponowane przed kilku czy kilkunastu laty jako wielomilowe kamienie rozwoju tych dziedzin są na tym samym lub bliskim poziomie doskonałości praktycznej, co w momencie, kiedy je ogłaszano. Przecież wykonano tak wiele kroków, tj. zrealizowano tysiące projektów. Dotyczy to również szeregu rozwiązań znajdujących się na diagramie DOE i w strategii IPHE.

Zanim je zanalizujemy, należy podkreślić, że wypieranie z biegiem lat fazy biomasy przez fazę solarną jest logiczne, chociaż uzasadnienie tego nie leży wcale w przewidywanym intensywnym rozwoju technik i technologii pozwalających efektywnie przeprowadzać konwersję energii słonecznej na moc użytkową. Moim zdaniem, biomasa zniknie w niedalekiej przyszłości z listy źródeł surowców i nośników energii w ramach podporządkowania absolutnemu priorytetowi rozwoju cywilizacji – wyżywieniu rozrastającej się w niektórych regionach świata niemal wykładniczo populacji. Niezbyt przyjazną, chociaż skuteczną wizję nowego wykorzystania areałów rolnych i nieużytków, zmiany charakteru upraw oraz wykorzystania odpadów rolnych jako bazy żywieniowej przedstawiono ostatnio w kolportowanej w UE „strategii fińskiej”. Wróćmy jednak do rozwiązań z roadmap OED odsuwanych w czasie jako cele bliższej lub dalszej przyszłości.

Masowe zgazowania biomasy

Procesy zgazowania biomasy były już od wczesnych lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku prezentowane w wersji pilotowej (Schwarze Pumpe, Carbo-V, Silva Gas etc.), podobnie jak kompleksowe koncepcje biorafinerii (na przykład ECN). Ciągle jednak pozostają w stadium wizji i koncepcji propagandowych, a są nieobecne chociażby, co pokażemy poniżej, pośród technologii masowego pozyskiwania wodoru.

Główne ograniczenia masowego stosowania zgazowania biomasy leżą, co było oczywiste od zarania prób nad jego wykorzystaniem, w niejednorodności i zmienności strumienia surowcowego, dużej i zmiennej zawartości w nim wilgoci, a zatem konieczności wstępnej standaryzacji wsadu (problem zawartości wody próbuje się usunąć w niestety kosztownym wariancie gazyfikacji wodą w stanie nadkrytycznym), w korozyjnym charakterze środowiska reakcyjnego, w zanieczyszczeniach otrzymywanego gazu wodorowego węglowodorami, a przede wszystkim produktami smolistymi, wreszcie w koszmarnym dla odpowiedzialnych za ochronę środowiska składzie wód poprocesowych, o wskaźnikach gorszych od ścieków rafineryjnych. Wymienione progi można oczywiście pokonać, jednak kosztochłonność takich działań jest jasna dla każdego technologa i trudno oczekiwać tu wyraźnej tendencji spadkowej.

Osobne zagadnienie to problem skali, w tej wielkiej, niezbędnej dla układów scentralizowanego wytwarzania H2, pojawia się problem logistyki i składowania obwarowanego bardzo rygorystycznymi regulacjami prawnymi.

Autor niniejszego tekstu jest od dawna orędownikiem ko-zgazowania różnych strumieni węglopochodnych (odpady komunalne, biomasa, węgle niskiej jakości, odpady tworzyw polimerowych etc.) po wstępnej toryfikacji rozwiązującej wiele problemów procesowych, logistycznych i składowania. Jednak niepowodzenia ekonomiczne na przestrzeni wielu już lat prób wielkotonażowej (powyżej 70 tys. t/rok) w niemieckiej Schwarze Pumpe obok Merseburga, będącej pionierską instalacją ko-zgazowania nakazują zachowanie dystansu wobec realności szerokiej implementacji praktycznej takiego rozwiązania.

Cały artykuł opublikowany został w nr 5/2018 magazynu Chemia Przemysłowa.

fot. 123rf.com/fot. ilustracyjne
Nie ma jeszcze komentarzy...
CAPTCHA Image


Zaloguj się do profilu / utwórz profil
ZAMKNIJ X
ZAMKNIJ X
Strona używa plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z Polityką Plików Cookies. OK, AKCEPTUJĘ