2001/11.

Technikai trendek és kilátások

A szénhasznosítás új lehetőségei

Reményi Károly

A rendelkezésre álló különböző energiaforrások értéke folyamatosan változik és függvénye az aktuális igénynek. Tény azonban, hogy minden értékelés szerint a szén többszöröse bármelyik energiahordozónak, így minden kellemetlensége ellenére még hosszú évtizedekig jelentős szerepet játszik az energetikában. Amennyiben valamilyen áttörés nem segít az energetikán, a távolabbi jövőben jelentősége ismét egyedülállóvá válhat. Ha nem is jósolunk ilyen jövőt a szénnek, akkor is egyik meghatározó energiaforrás marad. A feladat tehát a más energiahordozókkal a versenyképesség fenntartása és a káros környezeti hatások csökkentése. Az újabb elemzések 984 milliárd tonna feltárt szénvagyont mutatnak, amelyből 509 Gt feketeszén (beleértve az antracitot), 475 Gt barnaszén és lignit. Ez némi csökkenés, 47 Gt az 1995-ös adatokhoz képest (ebből 10 Gt barnaszén). A legnagyobb csökkenést, 28 Gt-t Lengyelországban jelezték, mivel a piaci viszonyok a szénkészletek egy részét leértékelték. Törökországban 6 Gt lignit, Pakisztánban 2,2 Gt barnaszén került ki a készletekből. A feltárt készletek 75%-a hat országban található: USA 25%, Független Államok Közössége 16%, Kína, Ausztrália, India és Németország: 12%, 9%, 8% és 7%).

A szénkereskedelemben három ország szerepe a legjelentősebb: Ausztrália, USA és Dél-Afrika fedi be a nemzetközi szénpiac 60%- át. A FÁK államai és Lengyelország csökkenti a szénexportját. Kína részvétele a világ szénkereskedelmében 6%, de a jövőben jelentősen növekedni fog, és az import is növekszik.

Az olajjal és földgázzal összehasonlítva a szén helyzete hosszú távon is jelentős mint legszélesebb körben rendelkezésre álló energiaforrás. A jelenlegi éves 3,3 Gt feketeszén- és 1,4 Gt barnaszéntermelést a világ 72 országa biztosítja. A szén a teljes energiaszükséglet 27%-át fedezte 1996-ban. A legnagyobb szénkereskedelmi részaránnyal rendelkező három országban, Dél-Afrikában, Kínában és Lengyelországban a teljes energiaigény 70-80%-át szénből fedezik, a következő háromban, Indiában, a Cseh Köztársaságban és Kazahsztánban 56%-át.

A szén részaránya a primerenergia-ellátásban várhatóan jelentős marad. A szénkészletek a jelenlegi arányt kb. 200 évig biztosítják és mind a nemzeti mind, a nemzetközi kereskedelemben a szén jelentősége várhatóan növekszik.

A beruházások döntéseihez ismerni kell az adott technológia költségeit és megtérülési idejét. Általában jelenleg a külfejtéses bányászat és a különösen kedvező geológiai elhelyezkedés a gazdaságos. Rövid távú lehetőségekre széntermelés beindítása általában nem gazdaságos.

A WEFA Energy tanulmánya szerint 2020-ig meglehetős biztonsággal becsülhető a szénpiac, a forgalom energetikai szeneknél 0,7 Gt/év. A nemzetközi szénkereskedelem a kokszolható szenet is beszámítva elérheti a 0,9 Gt/év értéket. A különböző szerzők nem látnak alapvető kereskedelmi és mennyiségi problémákat. Míg Kolumbia és Venezuela várhatóan 2220-ig 40-50 Mt/év értékkel növeli a kapacitást, tradicionális exportjából (Ausztrália és Dél-Afrika) bizonyos minőségi problémák miatt hiány van. A tanulmány jelzi, hogy Alaszkában még nem művelt mezők esetleg segíthetnek a piac kiegészítéséhez. Az exportőröknek számolniuk kell azzal, hogy a növekvő ellátás mellett árcsökkentést okoz néhány tényező: a szabályozási változások, a liberalizáció és privatizáció. A termelésben viszont előnyöket hoznak a technológiai fejlesztések, az új szénbányák nagyobb termelése alacsonyabb költséget eredményez.

Az exportáló és importáló országok viszonyában az ár és az új szénfelhasználó berendezések beruházási költségei meghatározó szerepet játszanak. A szénárakat mindezek mellett nem lehet biztonságosan megjósolni az energiapiacon belüli függőségek miatt. Az olaj- és gázárak növekedése a szénárak növekedésére is ösztönöz és ellenkezőleg, azok csökkenése nyomást gyakorol a szénexportálásra is, az árcsökkenés irányába. A lehetséges nemzetközi egyezmények a karbon-emisszió vonatkozásában szintén negatívan hatnak a jövő árarányaira.

Négy kritérium alapján várható, hogy a jövőben a szénpiacon a tradicionális és új résztvevők száma miként fog változni. Ezek: a széntartalékok rendelkezésre állása, a szénkitermelés gazdaságossága, a szén fajtája, az exportlehetőségek.

A széntermelő országok legfontosabb piaca a saját országok. Ezen országok termelésük 90%-át a hazai igény fedezésére fordítják. A hazai és az import szénfelhasználás aránya csak csekély mértékben változik, talán 85:15%-ra.

A szénfelhasználó gazdasági szektorok elemzése azt mutatja, hogy az energiaszektor játssza a legfontosabb szerepet és a jövőben bővül az igény. A szénalapú energiafejlesztés 4800 TWh, a villamosenergia-fejlesztésben a szén aránya 40%. Várhatóan a 2010-es évekre a villamos energia szén-alapon történő fejlesztése eléri a 7400-8000 TWh-t. A vas- és acéliparban a szénfelhasználás a gyengébb minőségű szenek irányában mozdul el és versenyben lesz a jó minőségű kokszolható szenekkel. A technológiában a szénporbefúvás (PCI) is teret nyer. A fűtési piacon, a távfűtésben ellentétes irány valószínűsíthető, és az olaj és a gáz térnyerése fokozódik.

"Tiszta szén" technológiák

A jövőben mind a széntermelés, mind a felhasználás erősen függ a műszaki fejlődéstől. A bányászat, a dúsítás folyamata jelentősen fejlődik. Különös jelentőségük van a "tiszta-szén" technológiák megjelenésének, a környezetszennyező anyagok kibocsátását csökkentő eljárásoknak. A szilárd szennyezők, a nitrogén-oxidok, a kénoxidok megengedett kibocsátási határértékei egyre szigorodnak. Az üvegházhatású gázok, különösen a CO2 kibocsátás csökkentéséhez az energiafejlesztés hatékonyságának jelentős növekedésére van szükség.

A szén energetikai hasznosítása jelenleg és a jövőben is nélkülözhetetlen, figyelembe véve az összgazdaságosságot és a környezeti hatásokat is. A technológiai fejlesztések jelentősen javították a felhasználás közben jelentkező problémákat. Az utóbbi évtizedekben megjelent "tiszta szén" technológiák az energetikai hatásfok növelése mellett jelentősen csökkentik a környezetszennyezést. A fluidizációs tüzelés gyors ütemű fejlesztésével jelenleg már megfelelő erőművi blokknagyság valósítható meg e technológiával. Előnyei a következők:

- a szénszemcséknek az égőtérben való tartózkodási ideje a teljes kiégésig adott;

- a 850oC értéken tartott tüzelési hőmérséklet optimális feltételeket biztosit a kénoxidok lekötésére és minimális NOx keletkezésére;

- a kénlekötéshez szükséges adalék közvetlenül a tűztérbe kerül és újrahasznosításhoz lehetőséget nyújt;

- a tűztér utáni füstgázban már nincsenek azok az összetevők, amelyek a füstgáz harmatpontját csökkentik, így alacsonyabb hőmérsékletre hűthető le a távozó füstgáz;

- a fluidizációs tüzelés igen rugalmas tüzelőanyag-váltást tesz lehetővé a széntől a különböző ipari hulladékokig;

- a szénelőkészítéshez egyszerű törőberendezés elegendő, és a szénportüzeléshez szükséges őrlőmalmok elmaradhatnak;

A fluidizációs technológiát széles körben atmoszférikus nyomású tűztérrel alkalmazzák, de nagyobb nyomású változatát is jelentősen fejlesztik. A jelenlegi fejlettségi szintet reprezentálja Franciaországban a Provence Erőmű 4. blokkja, atmoszférikus fluidizációs tüzeléssel, 250 MWe névleges teljesítménnyel. Főbb paraméterek: 610 MWth; 260 MWe; 740 t/h gőz; 169 bar; 567oC; 565oC; kazánhatásfok 94%;Ca/S 1-3,5. Az SO2 kibocsátás 400 mg/m3 alatt, az NOx 240 mg/m3 , persze 20 mg/m3.

Az atmoszférikus fluidizációs tüzelés (ACFBC) következő lépése 600 MWe teljesítményű blokk. A jövő energetikai szénhasznosítását megalapozó jelenlegi fejlesztések a technológiák széles körét ölelik fel és négy nagyobb csoportba sorolhatók:

- az ultra-szuper kritikus (USC) gőzparaméterekkel rendelkező erőmű;

- a nyomás alatti fluidizációs tüzelés (PFBC) alkalmazásával 250 MWe blokk, kombinált ciklussal. Néhány MW teljesítménnyel kísérleti berendezések üzemelnek;

- az integrált szénelgázosításos kombinált ciklusú (IGCC) és az integrált szénelgázosításos tüzelőanyag-cellás (IGFC) kombinált ciklusú erőművi blokkok kutatási munkái és fejlesztése;

- az olvasztott karbonátos tüzelőanyag cellás (MCFC) elvi tanulmányozása és az MCFC alkalmazásával tiszta, nagyhatásfokú energiafejlesztés megvalósítása.

Az új technológiák a hatásfok növelését és a környezetszennyezés csökkentését szolgálják. Az USC a szénportüzelésű (PCF) erőműveknél már technológiai tapasztalatokkal rendelkezik. PFBC elven ipari méretben épül erőmű. Az IGCC demonstrációs állapotban van. A MCFC jelenleg kísérleti berendezésekben üzemel.

Az ultra-szuper kritikus erőmű (USC)

Az USC technológiát már az 1950-es években vizsgálták. Az Eddystone Erőműben egy 325 MWe blokknál a gőzparaméterek: 34,5 MPa-649/566/566oC voltak. A magas hőmérsékletű szakaszokon ausztenites acélt alkalmaztak. A kísérletek után a szabványos gőzparamétereket az épülő blokkoknál kritikus alatti értékekre változtatták. A szigorodó környezetvédelmi következmények újra előtérbe helyzeték a hatékonyság növelését és mint lehetséges eszközt a gőzparaméterek növelését is. A technológia kulcsa a hőálló acél. Az új 12 Cr acél kifejlesztése megfelel igen szigorú feltételeknek. Még CrV és 9Cr acél alkalmazásával építhető 1000 MWe blokk 24,5 Mpa-600- 600oC gőzparaméterekkel. Ilyen az Electric Power Development Co, Ltd /EPDC/ blokkja Matsuura-ban. Az EPDC tapasztalatai és a konstruktőrök elképzelései alapján a jövőben 30 Mpa-630-650oC paraméterű blokkot terveznek, 12 Cr acél alkalmazásával.

Nyomás alatti fluidizációs tüzelésű erőmű (PFBC)

A nyomás növelése a fluidizációs tüzeléseknél is régóta igény a tüzeléstechnikában. Különösen előtérbe került ez a törekvés a gőz-gáz körfolyamatok mind szélesebb elterjedésével. A nyomás alatti tüzelés (Pressurized fluidized bed combustion, PFBC) alkalmazásánál alapvetően két irányban indult erőteljes fejlesztés:

a tüzelőanyag teljes égése utáni füstgáznak gázturbinára való vezetése;

a fluidkazánban a tüzelőanyag elgázosítása és a gáznak a gázturbina-égőtestben történő eltüzelése.

A PFBC-ben a tüzelőanyag teljes elégése után fejlődő füstgázok energiatartalmának közvetlen gázturbinában való hasznosítására közel párhuzamosan három terv született: az USA-ban a Tidd, Spanyolországban az Escatron és Svédországban a Vartan.

A megépült erőművekkel szerzett első tapasztalatok elsősorban a ciklonok működésénél mutattak problémát. Különösen az ESCATRON tervnél, a nagy hamutartalom miatt, a gázturbinára áramló gáz a tervezettnél nagyobb porkoncentrációjú, így kopási problémák várhatók. E megoldásnál ugyancsak a hatékonyságot befolyásoló korlátot jelent a viszonylag alacsony gázhőmérséklet. A gázturbinára áramló 850oC hőmérsékletű gáz a jelenlegi technikával megvalósítható gázturbinás rendszerekhez képest alacsony hőmérsékletűnek számít.

Kényes része a rendszernek a szénbetáplálás is, azaz a 12 bar nyomású térbe a tüzelőanyag-bevitel többfokozatú zsilipelési eljárással oldható meg. Előnye, hogy az alacsony fluidizációs sebesség igen magas kénmegkötést tesz lehetővé. A terhelésváltoztatást állandó ágyhőmérséklet mellett az ágymagassággal lehet végrehajtani. Ha az ágyszintet csökkentik, egyes csövek az ágyból a "freeboard"-ba kerülnek, és mind a gőzfejlesztés, mind pedig a gázturbinára áramló gáz hőmérséklete csökkent. A fluidizáló sebességet, a ciklonokba áramló gáz sebességét és a légfelesleg-tényezőt állandó értéken tartják.A terhelésváltozás sebessége 4% percenként, a minimális terhelés 30%. A hideg indítás 5-6 óra, a meleg kb. 2 óra. A nyomás alatti fluidtüzelések hatékonyságának növelésére a tüzelőanyag elgázosítását végzik, a fluidágyban és a gázturbina égőterében elégetve 1200 oC hőmérséklet lehet a belépő gáz hőmérséklete.

A három kísérleti blokk az Escatron, a Tidd és a Vartan. A néhány éves tapasztalat az üzemeltetők szerint biztató, és a nyomás alatti fluidizációs tüzelésre igen értékes adatokat szolgáltatott. Továbbfejlesztése is lehetséges. A gáztisztításnál problémák jelentkeztek, mivel kezdetben az Escatronnál a gázturbinára jutó füstgáz portartalma lényegesen meghaladta az 50 mg/m3-t. Ugyancsak korlátot jelent a fluidtüzelés miatt a maximális 880 oC hőmérséklet, ami a körfolyamat gazdaságosságát behatárolja. Elősegítené az eljárás elterjedését a magas hőmérsékletű villamos porleválasztás fejlődése. A hatásfok javítása a 880 oC hőmérsékleten többlet-tüzelőanyag bevitelével lehetséges. A nyomás alatti fluidizációs blokknál 42-45% nettó hatásfok érhető el, ami 3-4%-kal magasabb az atmoszférikusnál.

Kombinált ciklusú PFBC erőművi blokkot 251 MWe teljesítménnyel a Chuqoku Electric Power Co. tervezett 1999. évi üzembevétellel. A villamos teljesítmény megoszlása 15:85% gáz:gőz turbinára. A kazánból a gáz közvetlen a gázturbinára áramlik.

Az integrált elgázosítás (IGCC és IMFC)

A szénelgázosításkor keletkező gáz főképpen szén-monoxidot tartalmaz. Az elgázosítás során jelentős problémát okoz a gáz tisztítás mind szilárd, mind a gáznemű szennyező anyagoktól. A nedves tisztítással mind a szilárd anyagtól, mind a kénoxidoktól a gáz megtisztítható. A keletkezett gáz viszonylag alacsony fűtőértékű. Az elgázosítás történhet levegővel vagy oxigénnel. A gáz összetétele égési szempontból oxigénes elgázosításnál kedvezőbb, de biztosítani kell a levegőből az oxigén és nitrogén szétválasztását például nagynyomású szétválasztással. Ez esetben a nitrogént esetleg közvetlen a gázturbinába lehet vezetni. A fejlesztések világszerte erőteljesen folynak. Az USA-ban három demonstrációs erőmű, Európában kettő. Japánban kísérleti berendezés üzemel.

A Hitachi kísérletei is jelentősek (HYCOL Hydrogenforom-Coal Process Development), 50 t/h szénmennyiség elgázosítású berendezéssel, oxigénes elgázosítással. A gázturbina 12,5 MWe teljesítményű volt és 1000 órát üzemelt stabilan. Terveznek 150-450 MWe blokkokat a Central Electric Power számára, kísérleti és ipari megvalósításra.

Olvasztott karbonátos tüzelőanyag-cella (MCF)

Az MCFC kémiai energiafejlesztési eljárás, mivel a hidrogén és az oxigén elektrokémiai reakcióját használja. A reakció során keletkezett elektronok az anódról a katódra áramlanak és villamos energiát fejlesztenek. A folyamatba a szénelgázosítás során keletkezett H2 és CO is bekapcsolható. A rendszer 650 oC-on működik és gázturbinás kapcsolás alakítható ki. Szénelgázosítással kombinált MCFC energiafejlesztési körfolyamattal 50-52% villamosenergia-fejlesztési hatásfok érhető el. A rendszer fejlesztési állapotban van és néhány kW-os kísérleti berendezések létesültek, elsősorban Japánban. A közelebbi jövőben néhány száz kW-os teljesítményű berendezések elterjedése várható.

A szénhasznosítás várható jövője Magyarországon

A szénhasznosítás meghatározó ágazata Magyarországon a villamosenergia-ipar. Jelentős felhasználó még a kohászat, ahol koksz formájában számottevő mennyiségű szenet alkalmaznak. A többi fogyasztói területen (egyéb iparágak, lakosság, közületek) a szénigény és a szénfogyasztás egyre jelentéktelenebbé válik. Az utóbbi két évben a szénhasznosítás kilátásai a villamosenergia-termelésben is nagyon leromlottak, főként a Kiotói Egyezmény (1997 december) és a Nemzetközi Energia Ügynökség (IEA) 1998-as energiahordozóár-prognózisának hatása miatt.

A hazai teljes erőművi kapacitás - beleértve a kis üzemi erőműveket is - 7790 MW. Ebből szénalapú mindössze 1908 MW, Magyarországon termelt szenekre alapozva. Csupán egyetlen erőműnél történik némi importszén-besegítés, és ott is csak az utóbbi néhány évben. Szenes erőműveink azonban legfeljebb 2004 végéig üzemelhetnek jelenlegi felszereltségükkel, mert akkor lejár a most még érvényes környezetvédelmi moratórium, és utána meg kell felelni a szigorú európai károsanyag-kibocsátási normáknak. Addigra tehát vagy át kell alakítani ezeket az erőműveket, vagy meg kell szüntetni az üzemeltetésüket.

Magyarország gazdaságosan kitermelhető energiahordozókban meglehetősen szegény. Az egyetlen igazán számottevő energiahordozónk a lignit, amely hosszú távon is biztonságosan, versenyképes - vagy idővel versenyképessé váló - áron rendelkezésre állhat. A viszonylag könnyen feltárható, külfejtésekkel leművelhető lignitvagyon akár 5-6 ezer MW erőművi kapacitást is kiszolgálhatna, tehát a hosszú távú villamos energetikai fejlesztések biztos alapján képezhetné.

Barnaszénkészleteink tetemesek ugyan, de ebből csekély az a mennyiség, mely reményt nyújt a gazdaságos hasznosításra, és ennek lehetséges időtartama is rövid, aligha több, mint 15 év.

Feketeszénkészleteink sem csekélyek, de kitermelésüket ma már nem tekinthetjük gazdaságosnak.

Mindez nem jelenti azt, hogy az erőművi széntüzelésnek nincs jövője Magyarországon, amelyet a földgáz drasztikus áremelkedése meg fog alapozni. A szenet azonban igen jelentős részben importálni fogjuk.

Számos át nem gondolt vagy éppenséggel ellenérdekű sugalmazás ellenére a szenet nem lehet, nem szabad leírni a villamos energetikában. Bőséges készletei, jó hozzáférhetősége, könnyű szállíthatósága egyszerű és kevéssé költséges tárolhatósága, valamint tartósan alacsony ára következtében ismét versenypozícióba kerül a sokkal kiszámíthatatlanabb földgázzal szemben. Az erőművi széntüzelés fellendülése már középtávon is reális perspektíva lehet Magyaroszágon.

Túlnyomórészt tengerentúlról importált feketeszén és hazai külfejtésekből termelt lignit jöhet számításba, de van egy-két olyan erőmű-bánya kapcsolat, ahol a hazai barnaszén is bevonható az erőművi fejlesztésbe.

Az importszenet tüzelő új erőművek nyilvánvalóban a Duna mellett fognak letelepülni, a szénszállítási költségek mérséklése és a frissvízhűtés előnyeinek kiaknázása miatt. A nem Duna-közeli erőművek e tekintetben bizonyos hátrányt kénytelenek elviselni importszénalapú vagy importszenet is figyelembe vevő fejlesztési elképzelései megvalósításánál, de a már meglévő infrastruktúrájuk ezt kompenzálhatja.

Az újabb magyarországi szénerőművek építésének vannak akadályozó, illetve esélynövelő tényezői. Az akadályozó tényezők közül a legfontosabbak a földgáz konkurenciája és a Kiotói Egyezmény megszorító intézkedései. Az esélyeket több fontos tényező is javítja. Ilyenek:

- a földgázár várható tetemes növekedése,

- a szénárak tartósan alacsony szintje,

- a világ szénkészleteinek bősége és kedvező eloszlása,

- a tiszta széntüzelési technikák és technológiák fejlődése.


<-- Vissza az 2001/11. szám tartalomjegyzékére