Profesor Steven Chu, fizyk, laureat Nagrody Nobla z 1997 r., kierujący Departamentem Energii w rządzie Baracka Obamy mówi, że światu, szczególnie w dobie doświadczeń kryzysu ekonomicznego, potrzebna jest rewolucja z wielkim przełomem energetycznym. Steven Chu uważa, że dokona tego dzięki nauce. Od lat jest on wielkim promotorem alternatywnych źródeł energii. Twierdzi, że węgiel kamienny jest jego „największym koszmarem”. Tymczasem 60 proc. energii Stany Zjednoczone zaspokajają dzięki spalaniu węgla.

Czyste technologie węglowe

Paliwa kopalne, a zatem konwencjonalne źródła energii, zaspokajają zapotrzebowanie energetyczne świata od 75 do 85 proc. Prognozy mówią, że przez następne 40−60 lat będą one nadal eksploatowane, bo uzależniony jest od nich transport lądowy, morski i powietrzny, w znacznej części przemysł oraz gospodarstwa domowe. Surowce te nadal będą dominować w wytwarzaniu energii elektrycznej. Obecnie z paliw kopalnych pochodzi około 60 proc. produkcji elektryczności.

Connie Hedegaard, duńska komisarz ds. klimatu, stanowczo podkreśla, że w dłuższej perspektywie Unia Europejska musi zrezygnować z węgla jako surowca energetycznego. To zła wiadomość dla Polski, bowiem właśnie z czystymi technologiami węglowymi wiążemy największe nadzieje. Jak twierdzi prof. Tadeusz Chmielniak z Instytutu Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej, przewodniczący Komitetu Problemów Energetyki PAN, czysta technologia węglowa charakteryzuje się głównie: wysoką sprawnością procesu, niezawodnością i opłacalnością ekonomiczną. Ma też być gwarancją zerowej emisji CO2 do atmosfery w czasie jego spalania.

Strategia czystej technologii węglowej m.in. zakłada:

• poprawienie sprawności elektrowni wyposażonych w kotły pyłowe poprzez lepsze prognozowanie i minimalizację wpływu mieszanek węglowych na proces spalania oraz wprowadzenie indywidualnej charakterystyki palnika, a także poprawę dystrybucji, pomiaru i regulacji przepływu pierwotnego powietrza do spalania;

• redukcję żużlowania i depozycji (osadzania) popiołu w instalacjach kotłów pyłowych poprzez poprawę ogólnej wiedzy na temat mechanizmów oraz procesów depozycji popiołu;

• zmniejszenie oddziaływania na środowisko instalacji kotłów pyłowych dzięki modyfikacjom procesów spalania za pomocą palników o niskiej emisji NOx, podziałowi strumienia powietrza, recyrkulacji spalin oraz dopalaniu;

• uzdatnianie pozostałości z przeróbki węgla polegające na wykorzystaniu zawartej w nich energii, co da pełne wykorzystanie zasobów oraz zapewni korzyści środowisku;

• ograniczanie emisji CO2 poprzez instalacje kotłów pyłowych i wdrożenie technologii bloku gazowo−parowego ze zintegrowanym zgazowaniem węgla. Tu nacisk położono na membrany separacyjne oraz badania reaktywności węgla. Zgazowanie węgla, co pokazała praktyka, może być wariantem technologicznym stosowanym zwłaszcza wówczas, gdy występuje potrzeba ograniczenia ilości emitowanego CO2.

co2 i atom

Dziś trzeba przede wszystkim zwiększać sprawność elektrowni poprzez podnoszenie parametrów pary przed turbiną. Mówimy więc o nadkrytycznych blokach węglowych. Polska ma dopiero dwa takie bloki: w elektrowni Pątnów (łączna moc osiągalna 1200 MW) i Łagisza w Będzinie (emisja szkodliwych substancji do atmosfery ma być 25 proc. niższa niż w najlepszych elektrowniach działających w Polsce). Buduje się już trzeci blok nadkrytyczny w Bełchatowie. Prof. Tadeusz Chmielniak mówi, że idea przyświecająca tej technologii jest prosta: jak najmniejsza emisja do atmosfery pyłu, dwutlenku siarki i tlenków azotu. Jednak przyszłościowe wyzwanie, jeśli chodzi o technologie węglowe, profesor widzi w eliminacji emisji CO2. Ten problem możemy rozwiązać albo poprzez spalanie tlenowe, albo zgazowanie węgla, kształtując powstający gaz tak, aby w turbinach spalać wodór. W spalinach zostaje wtedy tylko para wodna.

W „Czystej Energii” (nr 12/2009) prof. Jan Hupka i dr hab. inż. Adriana Zaleska z Katedry Technologii Chemicznej Wydziału Chemicznego Politechniki Gdańskiej przytaczają prognozy, które mówią, że zużycie energii elektrycznej w ciągu następnych 30 lat zwiększy się ponad dwukrotnie, co przy utrzymaniu spalania paliw kopalnych i braku alternatywy dla tradycyjnych źródeł wytwarzania energii będzie powodować wzmożoną emisję CO2 do atmosfery. Do 2030 r. globalna emisja CO2 może wzrosnąć do poziomu ok. 40 miliardów ton rocznie, co jest ilością ponad dwukrotnie większą w porównaniu z 1990 r.

Prowadzone są intensywne prace naukowe dotyczące technologii recyklingu CO2, redukcji jego emisji oraz nad procesami sekwestracji CO2. W ostatnich latach proponuje się ograniczenie emisji CO2 poprzez wychwytywanie i magazynowanie w formacjach skalnych na dużych głębokościach pod powierzchnią ziemi lub rozpuszczanie w oceanach, co najmniej kilkaset metrów pod powierzchnią wody. Istnieje jednak niebezpieczeństwo uwalniania zmagazynowanego dwutlenku węgla w przypadku stopniowego ogrzewania się oceanów.

Energetyka węglowa i współpracująca z nią energetyka jądrowa to przyszłość Polski – uważa fizyk jądrowy dr hab. Ludwik Pieńkowski z Uniwersytetu Warszawskiego. Już dziś poważnym potencjałem energii z własnych elektrowni nuklearnych dysponują: Francja, Stany Zjednoczone, Wielka Brytania, Szwajcaria, Szwecja, Rosja, Ukraina, Litwa, Armenia. A u nas większość analityków twierdzi zgodnie, że tylko węgiel i atom są dla Polski sensownymi źródłami energii elektrycznej. Polska nie ma bowiem warunków, które pozwalałyby na wydajną produkcję prądu: w elektrowniach wiatrowych (zbyt mała prędkość wiatru i o zmiennych kierunkach), słonecznych, wodnych i geotermalnych. Prawdopodobnie w warunkach polskich ze źródeł odnawialnych może pochodzić nie więcej niż 11 proc. elektryczności.

Sytuację ciągle rosnącego zapotrzebowania na energię mogłoby rozwiązać, jak twierdzi dr Pieńkowski, wykorzystanie małych reaktorów jądrowych wytwarzających wysoką temperaturę, a chłodzonych helem, zamiast wodą. Mogłyby zostać użyte jako źródło ciepła do procesów chemicznych wspomagających elektrownie węglowe. Obecnie badania nad technologią reaktorów wysokotemperaturowych prowadzą m.in. Francja, USA i Chiny. Zyskiem tej technologii jest to, że dzięki energii pozyskiwanej z reaktora będzie można rozkładać wodę na tlen i wodór w procesie termicznym, a uzyskany w ten sposób wodór mógłby zostać wykorzystany do recyklingu dwutlenku węgla pochodzącego z elektrowni węglowych. Byłoby to alternatywą pomysłu składowania dwutlenku węgla w podziemnych zbiornikach.

Biogazownie

Projektów pozyskiwania energii świat nauki dostarcza wiele. Prof. Jan Kiciński z Instytutu Maszyn Przepływowych w Gdańsku pracuje nad mikrobiogazowniami i twierdzi, że są one wielką szansą dla polskiej energetyki. Pomysł polega na tym, że dzięki źródłom odnawialnym, czyli biomasie, możemy wytwarzać biogaz, który w skojarzeniu z urządzeniami kogeneracyjnymi daje ciepło i prąd. Reaktor biogazowni może być dedykowany uprawom energetycznym i wtedy mówimy o biogazowni fermentacyjnej, ale możliwa jest też biogazownia termiczna, spalająca odpady rolnicze czy komunalne, oparta na procesach pirolizy. Do surowców odnawialnych, bardzo dobrze nadających się do zastosowania w biogazowniach rolniczych, należą: nawozy naturalne, jak gnojowica czy obornik, odpady zbożowe i paszowe, celowo hodowane rośliny energetyczne, jak: kukurydza, pszenżyto, pszenica, jęczmień, rzepak, lucerna, trawa sudańska, burak pastewny, burak cukrowy czy ziemniak. W obszarze zainteresowań są szczególnie substraty o niemałym potencjale energetycznym, charakteryzujące się dużą zawartością masy organicznej oraz tanie do pozyskania, jak np.: odpady warzyw czy owoców, odpady z produkcji żelatyny, skrobi, odpady z piekarni, cukierni, odpady tłuszczów i serów z mleczarni, wytłoki owoców i warzyw, wywar gorzelniany, wysłodziny browarniane, odpady poubojowe, jak również odpady żywności ze stołówek i restauracji.

Szczególne zainteresowanie w Polsce budzi wykorzystywanie w biogazowniach rolniczych osadów ściekowych z komunalnych lub przemysłowych oczyszczalni ścieków. Zaawansowane są również prace badawcze nad biorafineriami lignocelulozowymi. Chodzi o to, aby wytwarzać biopaliwa nie pierwszej generacji, np. z ziaren rzepaku, ale tworzyć paliwa drugiej generacji – z drewna i jego odpadów. Wszystko wskazuje na to, że za kilka lat technologia ta doczeka się konkretnych aplikacji, mówi prof. Kiciński. Biogaz powstaje w zamkniętej komorze bez dostępu powietrza oraz światła w procesie fermentacji mezofilowej, w przedziałach temperatur od 35−40°C oraz od 45−55°C, w tzw. fermentacji termofitowej. Bardzo istotną wielkością mierzoną w komorze fermentacji jest odczyn pH. Jego wartość w przypadku stabilnej fermentacji powinna wynosić od 7 do 7,7.

Ciekawą propozycję naukową realizuje również Centrum Badań Energii Odnawialnej w Uniwersytecie Warmińsko−Mazurskim. Dotyczy ona wytwarzania i pozyskiwania biomasy m.in. z glonów, sinic, a także z rzęsy wodnej. Efektem badań będzie opracowanie takiej technologii procesu fermentacji, która da biogaz o wysokiej zawartości metanu i wodoru. Zadaniem jest opracowanie technologii zebrania, magazynowania i przetworzenia biomasy z glonów tak, aby pod względem ekonomicznym było to opłacalne. Glony wykorzystane do produkcji biomasy w realizowanym projekcie nie będą specjalnie uprawiane, ale pozyskiwane podczas zakwitu w Zatoce Gdańskiej, Zalewie Wiślanym i w jednym z kilkunastu olsztyńskich jezior – Kortowskim.

Ogromną rolę dla stabilności procesu fermentacji metanowej odgrywa zastosowanie specjalistycznej aparatury kontrolno−pomiarowej oraz automatyki. Sterowanie i kontrola jej pracy, także zdalna poprzez łącza internetowe, możliwa jest już np. z domu.

Biogazownie rolnicze mogą produkować energię w sposób wysoce efektywny. Skojarzona produkcja energii cieplnej oraz elektrycznej pozwala na osiągnięcie sprawności przetworzenia energii zawartej w biogazie nawet do około 87 proc. z czego 37 proc. stanowi energia elektryczna, natomiast 50 proc. energia cieplna, które praktycznie bez strat mogą być wykorzystane na obszarze danej lokalizacji.

Słońce i wiatr

Prof. Steven Chu, który jest członkiem Copenhagen Climate Council, grupy naukowców i biznesmenów opowiadających się za zawarciem globalnego porozumienia w sprawie ograniczania emisji gazów cieplarnianych do atmosfery, jako naukowiec proponował szerokie zastosowanie np. glukozy w celu uwolnienia ludzkości od uzależnienia od ropy. Glukoza miałaby być pozyskiwana z szybko rosnących roślin w strefie tropikalnej, następnie, po przetransportowaniu do krajów rozwiniętych, celuloza pozyskiwana z glukozy byłaby wykorzystywana do produkcji biopaliw i bioplastików. Inną propozycją noblisty z 1997 r. jest też malowanie dachów budynków na biało oraz barwienie na jasne odcienie mieszanek używanych do budowy dróg, co pozwoliłoby odbijać część promieni słonecznych i zmniejszać w ten sposób efekt cieplarniany.

Główną inicjatywą Stevena Chu jest projekt o nazwie Helios. Ma on doprowadzić do maksymalnego wykorzystania energii słonecznej m.in. dzięki opracowaniu procesu sztucznej fotosyntezy. Noblista opowiada się za promowaniem technologii wyłapywania dwutlenku węgla i składowania go pod ziemią. Jest też entuzjastą nowej generacji biopaliw, które będą wytwarzane z odpadów roślinnych, trocin oraz słomy, czyli kierunku, nad którym pracują już polscy badacze przy biorafineriach lignocelulozowych.

Warto też wspomnieć o coraz poważniejszym traktowaniu pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych. Dowodem na to jest projekt dziewięciu europejskich państw, którego realizacja ma kosztować 30 mld euro. Nowoczesna sieć przesyłowa (obecnie istnieje duży problem strat energii na przesyłach) połączy elektrownie wiatrowe na Morzu Północnym oraz elektrownie wodne i słoneczne na kontynencie. Ideą jest przesyłanie ekologicznej energii do różnych części Europy, wyrównując w ten sposób wahania wynikające ze zmian pogody.

W inicjatywie uczestniczą Niemcy, Wielka Brytania, Francja, Belgia, Norwegia, Dania, Holandia, Irlandia i Luksemburg. Harmonogram realizacji przewidziany jest na 10 lat, a inwestycja byłaby pierwszą wielonarodową siecią energetyczną w Europie i odpowiedzią na ocieplenie klimatu.

Czy więc zapowiada się rewolucja w myśleniu o energii i energetyce? Wszystko wskazuje na to, że tak. Już dziś statystyczny Amerykanin konsumuje 5 razy więcej energii niż przeciętny obywatel globu, 10 razy więcej niż Chińczyk i prawie 20 razy więcej niż Hindus. Ale pamiętajmy, że w Chinach i Indiach mieszka obecnie ponad trzecia część ludności świata, a kraje te zużywają jedynie 13 proc. energii konsumowanej na świecie. Jednak z uwagi na ogromny rozwój gospodarczy tych państw (gospodarka chińska poszerzyła się od 1980 r. czterokrotnie, a popyt na energię wzrósł o 400 proc.) zapotrzebowanie tych gospodarek na energię gwałtownie wzrasta. Tak więc to energia i dostęp do niej stanie się w XXI w. wyznacznikiem bogactwa oraz znaczenia ekonomiczno−politycznego na świecie.