Przyszłość węgla w Chinach

Przybywający do Szanghaju gość natychmiast zauważa zagadkę technologiczną Chin. Przez okna magnetycznie lewitującego pociągu, który pokonuje 30 kilometrów od międzynarodowego lotniska Pudong do Szanghaju z prędkością do 430 kilometrów na godzinę, widać zarówno postęp, jaki robi kraj, jak i cenę, jaką za to płaci. Przez większość dni nad szaleństwem budowlanym w Szanghaju unosi się żółta mgiełka. Zanieczyszczenia są główną przyczyną śmierci w Chinach, zabijając ponad milion ludzi rocznie. A główną przyczyną zanieczyszczenia jest także źródło energii napędzającej ultranowoczesny pociąg: węgiel.

Aby nadążyć za wzrostem gospodarczym kraju, chińskie samorządy, przedsiębiorstwa użyteczności publicznej i przedsiębiorcy budują średnio jedną elektrownię węglową tygodniowo. Elektrownie emitują do powietrza stały strumień sadzy, dwutlenku siarki i innych toksycznych zanieczyszczeń; wyrzucają również miliony ton dwutlenku węgla. W listopadzie Międzynarodowa Agencja Energetyczna przewidywała, że ​​w 2009 roku Chiny staną się największym na świecie źródłem emisji dwutlenku węgla, wyprzedzając Stany Zjednoczone prawie dekadę wcześniej niż wcześniej przewidywano. Oczekuje się, że węgiel będzie odpowiedzialny za trzy czwarte tego dwutlenku węgla.

Ta historia była częścią naszego wydania ze stycznia 2007 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

A problem się pogorszy. Według szacunków ekspertów, do 2020 r. zużycie energii w Chinach wzrośnie ponad dwukrotnie. Zwiększenie efektywności energetycznej, wykorzystanie zasobów odnawialnych za pomocą zapór wodnych i turbin wiatrowych oraz budowa elektrowni jądrowych może pomóc, ale – przynajmniej w nadchodzących dwóch dekadach – tylko marginalnie. Ponieważ Chiny mają bardzo małe rezerwy ropy i gazu, ich przyszłość zależy od węgla. Mając 13 procent sprawdzonych światowych zasobów, Chiny mają wystarczająco dużo węgla, aby utrzymać swój wzrost gospodarczy przez sto lat lub dłużej. Dobrą wiadomością jest to, że przywódcy Chin widzieli gorączkę węgla nadchodzącą w latach 90. i zaczęli badać szereg zaawansowanych technologii. Najważniejszym z nich jest zgazowanie węgla. To klucz do czystego węgla w Chinach, mówi inżynier chemik Li Wenhua, który w latach 2001-2005 kierował zaawansowanym rozwojem węgla dla krajowego programu badawczo-rozwojowego zaawansowanych technologii w Pekinie (lepiej znanego w Chinach jako program 863).

Zgazowanie przekształca złożoną mieszankę węglowodorów w węgiel w bogaty w wodór gaz zwany gazem syntezowym lub gazem syntezowym. Elektrownie mogą spalać gaz syntezowy tak czysto, jak gaz ziemny. Ponadto, przy odpowiednich katalizatorach iw odpowiednich warunkach, podstawowe chemiczne elementy budulcowe gazu syntezowego łączą się, tworząc węglowodorowe składniki benzyny i oleju napędowego. W rezultacie zgazowanie węgla może zarówno ograniczyć emisję sadzy i smogu z elektrowni, jak i zmniejszyć rosnącą zależność Chin od importowanej ropy. Może nawet pomóc w kontrolowaniu emisji dwutlenku węgla, który jest łatwiej wychwytywany z instalacji gazu syntezowego niż z konwencjonalnych elektrowni węglowych.

Multimedia

• Jak działa zgazowanie

Mimo wczesnego przewidywania przez Chiny potrzeby zgazowania węgla, wdrożenie tej technologii w elektrowniach jest opóźnione. Krajowym producentom energii elektrycznej brakuje zachęt ekonomicznych i politycznych do zerwania z tradycyjnymi praktykami.

W przeciwieństwie do tego, trwają zakrojone na szeroką skalę wysiłki na rzecz produkcji płynnych paliw transportowych za pomocą zgazowania węgla. Największa chińska firma węglowa, Shenhua Group, planuje uruchomić pierwszą w kraju elektrownię węglową na paliwa w 2007 lub na początku 2008 roku, w ramach najbardziej ambitnego na świecie zastosowania skraplania węgla od czasów II wojny światowej. Shenhua planuje uruchomić osiem zakładów skraplania do 2020 roku, produkując w sumie ponad 30 milionów ton oleju syntetycznego rocznie, co wystarczy, aby zastąpić ponad 10 procent przewidywanego chińskiego importu ropy.

Postępy Chin w budowie zakładów przetwarzających węgiel stawiają je daleko przed Stanami Zjednoczonymi, gdzie zgazowanie węgla wciąż odzyskuje nadszarpniętą reputację. Programy demonstracyjne zgazowania zainicjowane w USA po kryzysach energetycznych lat 70. zostały osierocone, gdy ceny ropy i gazu gwałtownie spadły w latach 80. XX wieku. To sprawiło, że wielu miało wrażenie, że sama technologia jest zawodna (patrz Dwutlenek węgla na sprzedaż, lipiec 2005) . Z kolei w Chinach ropa nigdy nie wyglądała tanio, a węgiel nigdy nie stracił blasku.

Węgiel i Kaszmir

Północne Chiny szybko stają się epicentrum chińskiego przemysłu energetycznego. Główną atrakcją jest zagłębie Shenfu Dongsheng, stała warstwa płytkiego węgla o powierzchni 31 000 kilometrów kwadratowych, która rozciąga się od północnego krańca chińskiej prowincji Shaanxi do południowego krańca Nei Mongol, czyli Mongolii Wewnętrznej. Szacowane zasoby złoża Dongsheng wynoszące 223,6 miliarda ton węgla sprawiają, że jest ono siódmym co do wielkości na świecie; wysiłki, aby przekształcić większość tego węgla w paliwa transportowe, mogą sprawić, że będzie to najbardziej opłacalne na świecie.

Do niedawna węglowa stolica Mongolii Wewnętrznej, Erdos, była w dużej mierze nietknięta przez współczesny świat, ograniczona pasmami górskimi i Wielkim Murem od południa i Żółtą Rzeką na północy. Jego izolacja się skończyła, dzięki świeżo wylanym autostradom i nowym liniom kolejowym toczącym się przez jego spękane wzgórza i strome doliny. Lotnisko powinno zostać otwarte w tym roku.

PKB Erdos podwoił się w latach 2001-2004, głównie z powodu węgla, chemikaliów i kaszmiru (Erdos dostarcza jedną czwartą światowego kaszmiru). Aby dotrzeć do pól węglowych, jedziesz 40 minut na południe od miasta, mijając mauzoleum z lat 50. dla Czyngis-chana, XIII-wiecznego wojownika, który podbił znaczną część Azji. Gdy zbliżasz się do suchej równiny zalewowej rzeki Wulanmulun, imponująca infrastruktura kilkunastu kopalń węgla, w tym jednych z największych i najbardziej zmechanizowanych na świecie, wyskakuje z jałowego krajobrazu. W regionie znajduje się również kilkaset mniejszych, mniej nowoczesnych kopalń (gazy i zapadliny zabijają co najmniej 6000 chińskich górników rocznie). Górnicy w wolny dzień śmigają na motorowerach, trzy lub cztery do pojazdu, mijając 40-tonowe ciężarówki naładowane węglem. Wzdłuż autostrady terminale sortowania węgla ładują wagony przeznaczone do elektrowni i portów na uprzemysłowionym wschodnim wybrzeżu.

Żadna z tych infrastruktury i działań nie przygotowuje jednak gościa do kompleksu węglowo-paliwowego w Shenhua, który wznosi się z płaskowyżu wyciętego we wzgórzach. Jest to imponujące miejsce, z własną elektrownią węglową, zakładami zgazowania i dwoma masywnymi reaktorami, w których węgiel będzie skroplony, każdy waży 2250 ton metrycznych (Shenhua ustanowił rekord świata w podnoszeniu reaktorów w czerwcu ubiegłego roku). . Shenhua szybko rozwija swoją działalność, odchodząc od publicznej oferty publicznej o wartości 2,95 miliarda dolarów w 2005 r. i 5 miliardów dolarów rocznych przychodów ze zintegrowanych kopalń, kolei i elektrowni. Tylko w pierwszej połowie 2006 roku sprzedała 113 milionów ton węgla, prawie tyle samo, co w poprzednim roku. Jeśli Shenhua utrzyma to tempo w tym roku, może stać się największym światowym producentem węgla.

Dziesięć lat temu chiński rząd w Pekinie stworzył Shenhua, aby wykorzystać ekonomię skali i nowoczesną technologię na zagłębiach węglowych Dongsheng. Wyrazem tej strategii jest warta 1,5 miliarda dolarów elektrownia węglowa na paliwo – obiekt tak ambitny technicznie, że wielu ekspertów, zarówno chińskich, jak i zachodnich, wątpiło, czy kiedykolwiek zostanie zbudowany.

Produkcja paliw transportowych z węgla datuje się na początek XX wieku w Niemczech, gdzie chemicy opracowali dwa podejścia do przekształcania stałych długołańcuchowych węglowodorów węgla w krótsze ciekłe węglowodory występujące w paliwach silnikowych. (Nazistowskie Niemcy, z niewielkim dostępem do ropy naftowej, w dużym stopniu polegały na tych procesach, aby zasilać swoją wysoce zmechanizowaną armię i siły powietrzne, produkując benzynę, olej napędowy i paliwo lotnicze z węgla.) Franz Fischer i Hans Tropsch wymyślili bardziej znane z tych dwóch podejść w latach dwudziestych. Synteza Fischera-Tropscha redukuje węgiel do gazu syntezowego, mieszaniny wodoru i tlenku węgla. Katalizator, często kobalt, powoduje następnie ponowne połączenie atomów węgla i wodoru w nowe związki, takie jak alkohole i paliwa. Synteza Fischera-Tropscha jest dzisiaj chemią konwencjonalną: na przykład w RPA Sasol z siedzibą w Johannesburgu zbudował elektrownie Fischer-Tropsch naftowo-węglowe, aby zapewnić krajowi dostawy paliwa podczas bojkotów handlowych w latach apartheidu; a poprzez wymianę różnych katalizatorów chińskie zakłady zgazowania węgla w chemikalia od dziesięcioleci wykorzystują Fischer-Tropsch do produkcji takich produktów, jak nawozy syntetyczne i metanol.

Natomiast roślina Shenhua wybrała mniej znanego rywala Fischera-Tropscha, wynalezionego dziesięć lat wcześniej przez Friedricha Bergiusa. Choć szeroko stosowany przez nazistów, proces Bergiusa został następnie porzucony. Proces ten jest znany jako skraplanie bezpośrednie, ponieważ omija etap z gazem syntezowym. W bezpośrednim upłynnianiu większość węgla jest sproszkowana i mieszana z częścią oleju syntetycznego zakładu, a następnie poddawana obróbce wodorem i podgrzewana do 450 °C w obecności katalizatora żelazowego, który rozbija łańcuchy węglowodorowe na krótsze łańcuchy odpowiednie do rafinacja na paliwa płynne.

Bezpośrednie skraplanie daje więcej paliwa na tonę węgla niż synteza Fischera-Tropscha. Eksperci z Chińskiego Instytutu Badawczego Węgla w Pekinie szacują, że proces ten wychwytuje 55 do 56 procent energii zawartej w węglu, w porównaniu do zaledwie 45 procent w przypadku Fischera-Tropscha. Jednak bezpośrednie skraplanie jest również znacznie bardziej skomplikowane i wymaga oddzielnych elektrowni i zgazowania do dostarczania ciepła i wodoru oraz znacznego recyklingu oleju, wodoru i szlamu węglowego między oddzielnymi sekcjami zakładu. A rozkładanie węglowodorów na odpowiednią długość wymaga doskonałej kontroli warunków pracy i stałych dostaw węgla.

Shenhua przeprojektował proces w ciągu ostatnich pięciu lat, aby zwiększyć wydajność i zmniejszyć ilość odpadów, ale jednocześnie zwiększył jego złożoność. A firma podejmuje ogromne ryzyko inżynieryjne i ekonomiczne, poszukując tak nowatorskiej technologii na tak ogromną skalę.

Shenhua ma nadzieję, że do końca tego roku będzie wypompowywać 20 000 baryłek syntetycznego oleju dziennie, prawie 500 razy więcej, niż produkuje jego pilotażowa fabryka w Szanghaju. Według Jeralda Fletchera, ekonomisty zajmującego się zasobami naturalnymi z West Virginia University w Morgantown, fabryka Erdos to eksperyment o wartości 1,5 miliarda dolarów, który mógłby mieć miejsce tylko w Chinach. Trudno byłoby uzyskać takie zaangażowanie środków na Zachodzie bez bardziej sprawdzonej technologii, mówi Fletcher. Eric Larson, ekspert w dziedzinie technologii i modelowania energetycznego z Uniwersytetu Princeton, ujmuje to bardziej dosadnie: Budowanie tak ogromnej elektrowni nie ma sensu, ponieważ może nie działać.

Ale dla chińskiego rządu nagrody mogą być warte ryzyka. Pomimo swojej oferty publicznej niektórych aktywów w 2005 r. Shenhua pozostaje w dużej mierze firmą państwową, a zakład bezpośredniego skraplania służy krytycznemu interesowi państwa: bezpieczeństwu energetycznemu. Bez względu na koszty, Shenhua go zbuduje, mówi Zhou Zhijie, ekspert ds. gazyfikacji w Instytucie Czystej Technologii Węgla Uniwersytetu Wschodniochińskiego w Szanghaju. Rząd Chin będzie wspierał ten projekt do czasu wypłynięcia płynu.

Oczywiście, jeśli nowa fabryka będzie działać, Shenhua może zarobić znaczne zyski. Firma przewiduje, że jej olej syntetyczny przyniesie zysk na poziomie około 30 dolarów za baryłkę, choć wielu analityków uważa, że ​​45 dolarów jest bardziej realistyczne. (Najnowsza prognoza cenowa Departamentu Energii USA przewiduje, że ropa spadnie do 47 USD za baryłkę w 2014 r., a następnie będzie stale rosła do 57 USD za baryłkę w 2030 r.) Zabezpieczając swoje zakłady, Shenhua zawarła również wstępne porozumienie z partnerami Shell i Sasol w sprawie kilku podobnych rozmiarów lub większych zakładów paliwowych Fischer-Tropsch w północnych Chinach, które miałyby ruszyć w 2012 roku.

Również chińscy konkurenci węglowi Shenhua już robią przełom w swoich wersjach elektrowni węglowych na paliwo. Grupa węglowa Yankuang, drugi co do wielkości producent węgla w Chinach, planuje budowę elektrowni Fischer-Tropsch w pobliżu Erdos, która będzie wykorzystywać własny gazyfikator i katalizator.

Oprócz zagrożeń nieodłącznie związanych z wdrażaniem niesprawdzonych technologii na dużą skalę, boom budowlany zgazowania jest również hazardem środowiskowym. Rzeczywiście, tym, co ostatecznie może powstrzymać ambicje Chin w zakresie węgla w ropę, jest woda. Chiński Instytut Badań Węgla szacuje, że zakład w Shenhua zużyje 10 ton wody na każdą tonę wyprodukowanego syntetycznego oleju (360 galonów wody na baryłkę oleju), a stosunek ten jest jeszcze gorszy w przypadku zakładów Fischera-Tropscha. Latem ubiegłego roku chińska Narodowa Komisja ds. Rozwoju i Reform, potężny organ odpowiedzialny za regulowanie chińskiej gospodarki i zatwierdzanie dużych projektów kapitałowych, wydała ostrzeżenie o konsekwencjach dla środowiska naturalnego niekontrolowanego rozwoju zakładów produkujących ropę syntetyczną i chemikalia, które, jak powiedziała, pochłoną dziesiątki miliony metrów sześciennych wody rocznie.

Ta prognoza brzmi szczególnie złowieszczo w północnych Chinach, gdzie brakuje wody. Erdos to mieszanka zarośli i pustyni, której skromne zasoby wody są już przeciążone wzrostem populacji i istniejącymi elektrowniami. Zhou Ji Sheng, który jako wicedyrektor ZMMF, jednego z konkurentów Shenhua z siedzibą w Erdos, szuka finansowania projektu zgazowania, przyznaje, że niedobór wody może położyć kres zgazowaniu węgla na tym obszarze. Chociaż węgla mamy tak dużo, jeśli nie mamy wody, będziemy musieli po prostu użyć tradycyjnego sposobu – wykopać go i przetransportować – mówi. Woda jest dla nas kluczowym czynnikiem rozwoju tej nowej branży. Zhou mówi, że jego firma planuje uzupełnienie zaopatrzenia w wodę poprzez budowę 120-kilometrowego rurociągu do Rzeki Żółtej. Jednak parowanie ze zbiorników hydroelektrycznych, zwiększone zapotrzebowanie ze strony rozwijających się miast i przemysłu oraz skutki zmian klimatycznych powodują, że Żółta Rzeka latem ledwo dociera do morza.

Moc węgla

Podczas gdy dążenie Chin do zakończenia uzależnienia od zagranicznej ropy naftowej pomaga w napędzaniu ogromnych inwestycji kapitałowych w technologię skraplania, krajowi producenci energii poruszają się znacznie wolniej, aby skorzystać ze zgazowania węgla. Tym, czego im brakuje, podobnie jak ich amerykańskim odpowiednikom, jest zachęta do przechodzenia z konwencjonalnych elektrowni pyłowych na droższe elektrownie gazyfikacyjne. Według Li Wenhua, byłego kierownika programu 863 (który obecnie kieruje badaniami gazyfikacji w Chinach dla General Electric), chińscy przemysłowcy postrzegają elektrownie pyłu węglowego jako licencję na drukowanie pieniędzy. Ludzie mówią, że nie powinno się tego nazywać elektrownią; to maszyna do robienia pieniędzy, mówi Li. Jak dotąd żadna firma energetyczna nie była skłonna być pierwszą, która włączy wyłącznik.

Jak na ironię, przejście Chin na bardziej otwartą gospodarkę utrudniło wysiłki na rzecz wdrażania bardziej innowacyjnych technologii. W latach 90. wyglądało na to, że chiński sektor energetyczny zmierzał w kierunku własnej rewolucji zgazowania. W 1993 r. wiodąca chińska firma energetyczna China Power Engineering Consulting w Pekinie rozpoczęła projektowanie pierwszej w kraju elektrowni zgazowującej. Monopolista ówczesna, Państwowa Korporacja Energetyczna, planowała zbudować komercyjną fabrykę w Yantai, dobrze prosperującym porcie morskim niedaleko Morza Bohai. Zakład Yantai miał być początkiem przejścia na technologię czystszego węgla, mówi Zhao Jie, projektant elektrowni, obecnie wiceprezes China Power Engineering. Chiny chciały przyjąć czystszy i bardziej wydajny sposób wytwarzania energii, mówi Zhao. Zamiast tego zaprojektowana przez nią elektrownia demonstracyjna pojechała kolejką górską donikąd. Prace projektowe zostały tymczasowo wstrzymane w 1994 r., kiedy koszt technologii uznano za niedopuszczalnie wysoki, wznowiono ją pod koniec lat 90., a następnie zlikwidowano po 2002 r. przez rozpad Państwowej Korporacji Energetycznej.

Elektrownia Yantai została oparta na technologii zintegrowanego zgazowania w cyklu łączonym (IGCC). Elektrownie IGCC przypominają elektrownie opalane gazem ziemnym – wykorzystują dwie turbiny do wychwytywania energii mechanicznej i cieplnej z rozprężających się gazów spalinowych – ale są zasilane gazem syntezowym ze zintegrowanej instalacji zgazowania węgla. Nie są wolne od emisji, ale ich strumienie gazów są bardziej skoncentrowane, więc sadza siarkowa, dwutlenek węgla i inne zanieczyszczenia, które generują, są łatwiejsze do oddzielenia i wychwycenia. Oczywiście, gdy dwutlenek węgla – główny gaz cieplarniany – zostanie wychwycony, inżynierowie nadal muszą znaleźć miejsce, aby go schować. Najbardziej obiecującą strategią jest jej sekwestracja głęboko w warstwach solankowych i złożach ropy naftowej. We wstępnych analizach chińscy geolodzy oszacowali, że starzejące się pola naftowe i warstwy wodonośne mogą wchłonąć ponad bilion ton dwutlenku węgla – więcej niż chińskie elektrownie węglowe emitowałyby przy obecnym tempie przez setki lat.

Grupa Huaneng, producent energii z siedzibą w Pekinie, zebrała konsorcjum interesów energetycznych i węglowych (w tym Shenhua) zwane GreenGen, aby zbudować pierwszą chińską elektrownię demonstracyjną IGCC do 2010 r.; Podobnie jak powiązany projekt FutureGen organizowany przez Departament Energii USA, GreenGen ma zacząć od produkcji energii, a następnie dodać wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla. Wicepremier Chin, Zeng Peiyan, pojawił się na uroczystym debiucie GreenGen zeszłego lata, wskazując na poparcie Pekinu dla projektu.

Problem polega na tym, że elektrownie IGCC nadal kosztują około 10 do 20 procent więcej za megawat niż elektrownie opalane pyłem węglowym. (I to bez wychwytywania dwutlenku węgla). Chińscy producenci energii – podobnie jak ich odpowiednicy w Stanach Zjednoczonych i Europie – czekają na finansowy lub polityczny powód, aby dokonać zmiany. Częściowo brakuje regulacji, która penalizuje konwencjonalne elektrownie węglowe. A chińskim agencjom ochrony środowiska brakuje zasobów i siły, aby zmusić firmy do przestrzegania przepisów, które już istnieją. Najwyżsi urzędnicy w Pekinie przyznają, że ich dekrety są powszechnie ignorowane, ponieważ nowe elektrownie są budowane bez oceny środowiskowej i, według niektórych źródeł, bez wymaganego sprzętu do kontroli zanieczyszczeń.

Nawet zwolennicy technologii IGCC spodziewają się, że jej szerokie wdrożenie w Chinach potrwa co najmniej kolejną dekadę. Rzeczywiście, Du Minghua, dyrektor ds. chemii węgla w Chińskim Instytucie Badawczym Węgla, przewiduje, że dopiero w 2020 roku zastosowanie technologii IGCC zacznie się na dobre.

Czekam na wdech

Pomimo tak pesymistycznych prognoz, ogromne doświadczenie Chin z zaawansowanymi technologiami węglowymi i udowodniona zdolność do wdrażania nowych technologii w zaskakującym tempie dają dużo miejsca na optymizm. Kiedy pędzisz do Szanghaju z jedną trzecią prędkości dźwięku w pociągu wspieranym przez pole sił elektromagnetycznych, trudno uwierzyć, że kraj zdolny do takiego inżynierskiego wyczynu będzie nadal ignorował śmiertelne zanieczyszczenie pochłaniające jego miasta.

Dla niektórych analityków przejście na technologię czystego węgla wydaje się niemal nieuniknione. Chiny muszą polegać na węglu w przyszłym zapotrzebowaniu na energię elektryczną i paliwo, a ostatecznie będą musiały ograniczyć emisje CO2 – mówi Guodong Sun, ekspert ds. polityki technologicznej na nowojorskim Uniwersytecie Stony Brook, który doradzał chińskiemu rządowi w zakresie polityki energetycznej. Zgazowanie jest jedną z niewielu technologii, które mogą pogodzić te sprzeczne scenariusze przy rozsądnych kosztach.

Mimo to czas takiej zmiany technologii jest bardzo wątpliwy. Czy Chiny naprawdę zaczekają do 2020 roku, aby rozpocząć proces oczyszczania swoich elektrowni węglowych? Ostatecznie odpowiedź będzie zależeć od tego, kiedy Chiny zaczną odczuwać, że wykorzystanie zgazowania węgla do wytwarzania energii elektrycznej jest tak samo pilne, jak wykorzystanie go do produkcji paliw transportowych – kiedy koszty zanieczyszczenia powietrza staną się równie niepokojące, jak koszty polegania na zagranicznej ropie.

Peter Fairley, Przegląd technologii współautor, podróżował do Chin w październiku.

ukryć