A Miskolci Egyetem Közleményei, A sorozat, Bányászat, 76. kötet (2009), p. 129-156. A C0 2 EMISSZIÓ CSÖKKENTÉSÉNEK MŰSZAKI ÉS KÖLTSÉG JELLEMZŐI Dr. Kovács Ferenc egyetemi tanár, MTA rendes tagja Miskolci Egyetem, Bányászati és Geotechnikai Intézet hütkfícvmni-miskolc. hu Összefoglalás A tanulmány a fosszilis (szén, földgáz) tüzelőanyagot hasznosító erőművek füstgázában megjelenő C0 2 felszabadulás, a leválasztás és elhelyezés műszakigazdasági (költség) jellemzőivel foglalkozik. Széleskörű irodalmi adatok feldolgozása alapján tesz összehasonlításokat, általánosítható megállapításokat. Első lépésként indokolja a kérdéskör aktualitását, prognózis adatokkal igazolja a fosszilis energiahordozók szerepét a távolabbi jövő energiaellátásában. A hőerőművek utóbbi 50 évben történt technikai fejlesztése során számottevő mértékben, 5-8 szorosára nőtt blokk-kapacitás, 50-60 %-al emelkedett a termikus hatásfok, aminek eredményeként 30-40 %-al csökkent a fajlagos széndioxid képződés. A tanulmány röviden utal a füstgázokból leválasztott C0 2 geológiai formációkba történő elhelyezés elvi lehetőségeire. Elemzi a tanulmány a C0 2 leválasztás megvalósítása, beruházási költségeket növelő, az erőműi nettó teljesítményt, illetőleg a tüzelőanyag hasznosítási (termikus) hatásfokot csökkentő hatásait. Tüzelőanyag fajtákhoz, illetőleg technológiai megoldásokhoz kötve megadja a C0 2 leválasztás hatásfokát, a széndioxid légköri emissziójának jellemzőit. A műszaki-leválasztási megoldásokhoz tartozóan megjelöli, hogy a C0 2 leválasztás-elkerülés várhatólag milyen fajlagos költséget (USD/tco2) igényel, a leválasztás-elkerülés milyen mértékben növeli a villamosenergia termelés költségeit. 129
Kovács Ferenc 1. Bevezetés: A CCS (Carbon Capture and Storage), projektek finanszírozása) A Nemzetközi Energiaügynökség (IEA) Világgazdasági Kilátások (WEO) 2006. évi referencia-forgatókönyve 2030-ig a primér energiaigények évi 1,6 %-os átlagos növekedését prognosztizálja és ezzel párhuzamosan a szénnel mint második legfontosabb energiahordozóval számol. Az 1970 és 2004 közötti üvegházhatású gázok 70 %-os növekedését is figyelembe véve, az energiaigények növekedésével párhuzamosan további jelentős CO2 kibocsátás jelenik meg. Az üvegházhatást okozó gázok köztük a C0 2 kibocsátásának mérséklése érdekében a CCS (Carbon Capture and Storage, szén leválasztása és tárolása) technológiát széles körben telepíteni kell. A CCS technológia mellett fontos szerepet kaphat a CCT (Clean Coal Technology, tisztaszén technológia) technológia is. Ezen technológiák kutatása, majd telepítése tehát jelen korunknak aktuális feladata. Mint minden alapvetően új műszaki-technikai eljárás, és különösen nagy kapacitású, szerteágazó technológiákat integráló energetikai rendszerek kutatásafejlesztése, tényleges ipari alkalmazásának bevezetése igen jelentős anyagi forrásokat igényel. A nagy kapacitású energetikai rendszerek (tüzelőanyag kitermelés, előkészítés, eltüzelés, a hőenergia villamosenergiává történő átalakítás, a keletkező égéstermékek - adott esetben a füstgázok C0 2 tartalma - kezelésének, ártalmatlanításának) összetett műszaki feladatai, az igen jelentős beruházási költségek és hosszú élettartam különös problémákat vetnek fel. A műszaki megoldások, az anyagi (gazdasági) ráfordítások kockázata is külön mérlegelés tárgya lehet. Már a kutatási projektek költségvetése is milliárdos tételeket jelent (Pl. Ausztráliában a futó szénfelhasználási CCS projektek kutatási költségvetése 5-6 milliárd A$, Kanadában 86 projekt van kidolgozás alatt, 95 szervezet, 20 projektben nemzetközi részvétel, 15 állami ügynökség, ill. kormányzati szerv részvételével. A teljes kutatási-fejlesztési ráfordítás 92 millió C$. Nem is beszélve a CCS technológiát alkalmazó energiatermelés és beruházási igényeiről, ami a mai becslések szerint lignit tüzelés mellett 1,75 10 6 EUR/MW, ami például a 10000 MW rajnai erőműpark ugyanilyen kapacitással történő pótlása esetén 17,5 10 9 (milliárd) EUR. Hazai viszonylatban 1000 MW lignit erőmű (CCS mellett) 1,75 milliárd (10 9 ) EUR, közel 450 milliárd forint. [1] A kutatási, különösen pedig a beruházási költségek finanszírozásának vonatkozásában országonként eltérő megoldások vannak. A CCS - avagy más hasonló eredményt adó technológia sikeres kidolgozásának, tényleges ipari bevezetésének feltételeként az állami és magán gazdaság partnerként való együttműködését jelölik meg a szakértők. 130
A CO2 emisszió csökkentésének műszaki és költség jellemzői Az új technológiák (kiemelten a CCS eljárás) kutatása, ill. alkalmazása érdekében (céljából) létrehozott politikai (állami) keretrendszer ezideig két országban Hollandiában és Norvégiában létezik. [2] Hollandia esetében az állami és magánszféra partnerségét a CCS technológia ösztönzése keretében az állam pénzügyi hozzájárulását a befektetések támogatása, a széndioxid betáplálási szubvenciák és a CO2 árgarancia formájában látják indokoltnak. Ezen túlmenően az EU keretében alacsony széntartalmú portfóliószabvány alkalmazásával, ill. a CCS kötelezővé tételével látják célravezetőnek. Norvégiában az állami ösztönző csomag a CCS-projektek megvalósításához az alábbiak szerint történik: közvetlen állami befektetés adó- és értékcsökkentés az EOR (Enhanced Oil Recovery, megnövelt olaj kinyerés) olajtérfogat pótléka szociális-gazdasági előnyök a gázzal termelt áram árazási mechanizmusai (kedvezmény, ill. magasabb átvételi ár?) a C0 2 -adó bevezetése/emelése továbbá közvetlen szubvenciák, ill. közösségi támogatás. Szinte egyedülálló a német helyzet, ahol a RWE Power AG két CCS projektet működtet a kutatás és a bemutató erőmű teljes kockázatának és pénzügyi terheinek viselésével. [1] A IGCC-technológián (integrált elgázosítású kombinált ciklus) alapuló zéró C0 2 kibocsátású 450 MW teljesítményű széntüzelésű erőmű kifejlesztésével, illetőleg az 1000 MW teljesítményű lignit tüzelésű C0 2 -mosást megvalósító erőmű megvalósításával. Az RWE ezekhez a nagyléptékű projektekben szükséges befektetéseket saját forrásból fedezi, állami (politikai) hozzájárulásként a C0 2 szállítás és tárolás jogi kereteinek megteremtését igényli. Az Egyesült Királyságban kiemelten (szilárdan) napirenden van CCS technológia bevezetése. [4] A kérdéskör angliai kezelése során kiemelt jelentőséget tulajdonítanának az Északi-tengeren található C0 2 -tárlási potenciálnak. A kapacitás 100 GW teljesítményű széntüzelésű erőmű teljes élettartalmú kiszolgálását teszi lehetővé, a következő évtizedben 15 GW elektromos kapacitás építést terveznek. A legtöbb brit erőművet gáztüzelésű CCGT technológiával tervezik, valamint néhány új széntüzelésű erőmű szuperkritikus CCS-nélküli erőmű lesz. Úgy számolnak, hogy az IGCC C0 2 leválasztásos megoldás, más új technológiákkal csak akkor lesz összemérhető, ha a C0 2 ára" meghaladja a 20 GBP/t-nát. A CCS 131
Kovács Ferenc technológiák alkalmazásának feltétele, hogy ez az ár fedezze a beruházásokat, a C0 2 leválasztás, szállítás és tárolás költségeit. A fejlesztések finanszírozásának feltétele az állami támogatás, nélküle a jelen gazdasági célszerűség a leválasztás nélküli erőmű mellett szól. Szakértői megítélés szerint az építés és a leválasztás első fajlagos kockázatát is az államnak kell viselni. Ezek a kockázatok várhatólag csak hosszabb távon küszöbölhetők ki. A partmenti tárolás rendszerét közművállalati formában a kormánynak kell biztosítani, a partmenti tároló létesítményei, a CCS költségei (csővezetéki szállítás is) az erőmű tulajdonosának juttatott állami támogatásból fedezhetők. A partmenti tároló vállalat külön cég is lehet - a különböző erőmű vállalatok kapacitás igényei összegének biztosítása céljából - részvényekkel való finanszírozás, avagy a C0 2 - tárolásra vonatkozó szerződésekkel történő refinanszírozás mellett. A teljes struktúra a kormány által az új befektetési kockázatok fedezetére nyújtott megfelelő támogatás függvényében valósulhat meg. Ausztrália vonakodott ratifikálni a kiotói jegyzőkönyvet, most műszaki alapú megoldásokon dolgozik. [5] Négy államban is szénfelhasználási projektek folynak, a kilenc kutatási-leválasztási-tárolási projekt teljes költségvetése 5 milliárd A$. A projektek kidolgozását-megvalósítását 75 %-ban a kormány, 25 %-ban az ipar finanszírozza. Amíg Angliában az aktuális 15 GW erőműi kapacitást döntő részben gázfelhasználásra alapozzák, addig Kanadában például úgy számolnak, hogy a szén a közeljövőben egyre fontosabb szerephez jut az energiaellátásban. [6] A szakértők úgy gondolják, hogy a CCS sikeres megoldásában az USA-nak és Kanadának együtt kell dolgozni. Az együttműködés résztvevő szereplői és a munka területei: 132 energiatermelők olajtársaságok közművállalatok csővezetékeket (C0 2 szállítás) üzemeltető vállalatok szénbányászat pénzvilág biztosítók technológiai beszállítók környezetvédelmi szabályozás a pórusterek tulajdonjoga közvéleményi támogatás politikusok lépései szakember biztosítás (képzés)
A CO2 emisszió csökkentésének műszaki és költség jellemzői A kérdés megoldásában, illetőleg a CCS technológia alkalmazásában a hajtóerő: a piac a befektetési haszon, ill. a megtérülés lesz. Minden bizonnyal elengedhetetlen lesz az első felhasználók, a kezdeti kockázatot vállalók kompenzálása. Altalános vélekedés szerint [7] a CCS által kiváltott kockázatok enyhítésére és kezelésére újszerű, eddig még nem látott megoldásokat kell találni. A projektek beindításában az ösztönzők is alapvető fontosságúak. Jelenleg még kérdőjeles, hogy a fejlesztési pénzek honnan származhatnak, az első projektekhez konkrétan a kormányoknak kell pénzügyi támogatást nyújtani. A mintaerőművek építése önmagában aligha csökkenthetik a költségeket. A felelősség is kérdéses, a biztosítótársaságoknak számos modelljük van ugyan, de a tényleges felelősség számszerűsítése szükséges, hogy a fedezeti összegeket fel lehessen mérni. A jelen fejlesztések súlyponti kérdése a CCT és CCS technológiák kidolgozása, a 2010 utáni energetikai beruházások részére. Ezen törekvés mellett az IEA WEO (2006) anyagában megjelenik az a vélemény is, miszerint a CCS olyan átmeneti technológia lesz, amelynek alkalmazása 2050 körül tetőződik, majd a megújuló energiák és az atomenergia dominanciája miatt jelentősen csökken. [7] Ettől eltérően az IPCC (2005) jelentés 2100 felé(ig) számol a CCS szerepének növekedésével. Malcolm Wilson [6] a C0 2 olajtermeléssel kapcsolatos (EOR) földalatti elhelyezését csak átmeneti lehetőségnek (-10 év) tekinti, a CCS projektek további üzeme (~40 év) során hosszútávú lehetőségnek a sósvízi tárolókat tartja. 2. A széntüzelésű erőműi technológiák fejlődése a C0 2 kibocsátás csökkenés (leválasztás és tárolás) irányában Ha a széntüzeléses (kőszén, barnaszén, lignit) erőműi technológiák utóbbi 50 éves múltját (1950-től), illetőleg az előttünk levő 15-20 éves (2020-ig) jövő várható (már ma belátható) fejlődését akár csak vázlatosan is áttekintjük, akkor azt mondhatjuk, hogy szinte kikövezett" út vezet a széndioxid kibocsátás minimalizálásához, a füstgázokból történő CO2 leválasztás és hozzá kapcsolódóan a tárolás megoldásához. A fejlődés alapvető jellemzője az utóbbi fél évszázadban az erőműi egységek (kazán, turbina) kapacitásának és a technikai paraméterek (gőznyomás és hőmérséklet) növelése és ezek eredményeként a termikus hatásfok javítása volt. Az utóbbi egy-két évtizedben a környezeti káros hatások mérséklése 133
Kovács Ferenc érdekében a füstgáz kéntelenítés (mosás) bevezetése, napjaink fejlesztési céljaként a széndioxid kibocsátás (emisszió) minimalizálása jelenti a döntő fejlesztési irányt. Az 1950-1970 közötti időszakban 50-150-300 MW-os blokk-kapacitások működtek, a termikus hatásfok 25-31 % között alakult. Az 1970-1990 közötti időszakban az egység-kapacitás 300-600 MW-ra nőtt, ami a termikus hatásfokot mintegy 30 %-kal 31-36 %-ra emelte. A széntüzelés atmoszférikus fluid-ágyas (AFBC), majd túlnyomásos fluid-ágyas (PEBC) megoldással, barnaszén erőmű optimális technikával (BoA) dolgozott. A mai (1990-2010) lehetőség már 1000-1100 MW blokk-teljesítményeket tesz lehetővé, ami az előző ciklus 31-36 %-os termikus hatásfok jellemzőit újabb plusz 30 %-al növelte, 40-45 %-os hatásfokot biztosítva. Az általános fejlődés keretében a BoA-Plus (füstgáz mosásos) technológia 38-41 %-os, a kombinált ciklusú szénelgázosítás (CGCC), illetőleg az integrált szénelgázosítású kombinált ciklusú (IGCC), illetőleg gáz- és gőzüzemű (GuD) erőművek 38-43 %-os hatásfokot érnek el. A BoA-Plus megoldás a technikai jellemzők növelése (250-270 atmoszféra nyomás, 500-700 C hőmérséklet) és füstgázmosás mellett 41-43 %-os hatásfokot biztosítanak. Ezen a területen a technikai jellemzők (p, T) további növelését az anyagminőségi problémák korlátozzák. A holnapi lehetőségek (2010-2020) a C0 2 leválasztás mellett is 45-50 %-os hatásfokot szeretnének, bár a C0 2 leválasztás 8-12 %-os effektív hatásfok csökkenést okozhat. A 2020 utáni lehetőségek már a holnaputáni időszakot jelentik, bizonyos megoldások mellett 55-60 %-os hatásfokot ígérve. (Hybrid-KW 58-63 %, szilárdoxidos energiacella (SOFC) 50-57 %) [9] A másik alapvető, a környezeti káros hatások mérséklését célzó, fejlesztési irány a gyakorlatban már széles körben bevezetett kéntelenítő füstgáz mosás, illetőleg napjaink és a jövő fejlesztési iránya a széndioxid emisszió minimalizálása. A fajlagos széndioxid képződés (tco2/mwh, gccc/kwh) csökkentés alapvető, kézenfekvő megoldása a termikus hatásfok növelése volt, illetőleg lehet a továbbiakban is. A hatásfok növelés arányosan csökkenti a fajlagos C0 2 képződést, ill. kibocsátást. A 150 MW-os blokkok mellett a C0 2 képződés 1,3 tco2/mwh, a 600 MW-os egységeknél ez az érték 1,15-1,20 tcwmwh. A BoA-Plus technológiánál a fajlagos C0 2 már csak 0,8-0,9 tcco/mwh, a BoA-Plus + 700 C, illetőleg az IGCC, CGCC technológiáknál már 0,7-0,8 tcco/mwh C0 2 képződés elérése is lehetséges. A holnapi (2010-2020), illetőleg a holnaputáni (2020- ) technológiáknál alapvető cél a C0 2 leválasztás (az emisszió minimalizálása) ill. a nulla kibocsátás (ZEC, ZECA) szlogenjének megvalósítása, a leválasztott C0 2 végleges" elzárása, tárolása. [10] Ezen utóbbi - jövőbeni - technológiák leválasztás nélkül is csökkenő, 600-700 g/kwh fajlagos C0 2 képződéssel számolnak (Oxyfúel, Hybrid-KW, SOFC). 134
A CO2 emisszió csökkentésének műszaki és költség jellemzői Más kérdés természetesen az utóbbi technológiák tökéletessége", továbbá a leválasztás, a tárolóba történő szállítás és az elhelyezés (besajtolás) költsége, ill. örök" (hosszútávú) megbízhatósága. 3. A széndioxid tárolásra elvileg alkalmas természetes (földtani, tengeri) képződmények, becsült tároló kapacitások A széndioxid tárolásra elvileg alkalmas természetes (természeti) lehetőségeket a különböző irodalmi források döntő részben azonos formációkban látják lehetségesnek. A különböző felsorolások talán csak a részletezésben térnek el egymástól. [11, 12, 13, 14] A szárazföldi elhelyezés során leművelt kőolaj- és földgáztelepekbe történő besajtolás (kőolaj- és földgáz kiszorítás, Enhanced Oil Recovery) ki nem termelhető nagy metántartalmú széntelepekbe való besajtolás (leművelt szén-, vagy sóbányába történő elhelyezés) mélyfekvésű porózus (homokkő) kőzetek, sósvízi tároló kőzetek A tengeri (mélytengeri) elhelyezés elvi lehetőségei kisebb (1500-3000 m) mélységben oldat formájában nagyobb (>3000 m) mélységben széndioxid tó" formájában A C0 2 tárolásra legalkalmasabb földtani (földalatti) környezetnek a kimerült kőolaj- és földgázmezők alakzatait jelölik meg. Hangsúlyozva az általában 1000 m-nél nagyobb mélységet, ahol a széndioxid szuperkritikus állapotban (31 0 C, 7,4 MPa) tartható, továbbá a tárolóréteg fölött zárórétegként működő impermeábilis kőzetösszlet található. A kőolaj- és földgáztelepek fölött ilyen fedükőzet az, ami több millió évre a tároló rétegbe zárta az olajat és a gázt. A művelés alatt álló, illetőleg leművelt kőolaj- és földgázmezők a legalkalmasabbak a CO2 tárolás megkezdésére, első alkalmazására. Hasonló módon veszik tekintetbe természetes tárolóként a sósvíztartó porózus (homokkő) rétegeket is. Úgy tűnik, hogy ezen alakzatoknak (akviferek) nagy a C0 2 tárolási kapacitásuk, bár ezen alakzatok szerkezete, paraméterei kevésbé ismertek, mint a szénhidrogén telepeké. Hasonló alakzatok a természetes szénsavas ásványvizek tároló formációi is. A homokkő tipikusan olyan kőzetfajta - megfelelő porozitás (>0,15-0,20) és permeabilitás (>50 md) mellett - amely a CO2 földtani tárolásra alkalmas lehet. A magas metántartalmú - technikai, gazdasági okok miatt nem műrevaló széntelepekbe történő CO2 besajtolásnak is speciális feltételei vannak. A metán 135
Kovács Ferenc (CH 4 ) kiszorítás" csak megfelelő permeabilitás (áteresztőképesség) mellett lehetséges, rétegtani (tektonikai) okok miatt kérdéses lehet a fedüösszlet záróképessége is. A földalatti elhelyezés kulcsproblémáiként kell megjelölni a tárolóhely kiválasztását és minősítését, a C0 2 elszivárgását korlátozó zárórétegek egyneműségének igazolását, a folyadékáramlás (CO2) hosszútávú helyzetének előrejelzését, a visszasajtolás és az áramlási útvonalak megfelelő módszerekkel való követését. A tároló kapacitások becslésénél az irodalmi források viszonylag széles határok közötti adatokat közölnek. Az óceáni (tengeri) kapacitások becslésénél nagyságrendi eltérések is mutatkoznak. Hangsúlyozzák a források, hogy potenciális lehetőségekről van szó, általában 20 USD/tco2 elhelyezési költség jelenti a számbavételi határt. A reális lehetőségek megítélésénél számolni kell a kibocsátó és az elhelyezési pontok területi elhelyezkedésével is, a szállítási távolság determinálja ugyanis a szállítás módját, illetőleg költségeit. Egyes irodalmi források a kapacitásokat olyan módon is jellemzik, hogy a 2050-ig várható kibocsátások hány százalékát képesek befogadni, tárolni. Kerekített adatként a világ 2007 évi összes C0 2 kibocsátását 24 1 0 9 t C0 2 -nek adják meg, a [2] tanulmány - az IEA-ra történő hivatkozás alapján - a 2000 évi globális CO2 kibocsátást adja meg 23,9 1 0 9 tonnának. A World Energy Council a pontszerű források 2000 évi C0 2 kibocsátását 13,4 10 9 tonnának adja meg, 2010-ig 36 %-os (18,2 10 9 t), 2020-ig 76 %-os növekedést (23,3 10 9 t) prognosztizál. A hivatkozott irodalmak a CO2 tároló kapacitásra az 1. táblázatban szereplő potenciális prognózis értékeket adják meg. A [13] irodalom a németországi (szárazföldi) C0 2 tároló kapacitások potenciális lehetőségeit 10 6 t C0 2 tömegben az alábbiak szerint adja meg: olajtelepek 110, gáztelepek 2563, nagymélységű széntelepek 5400, szénbánya üregek 779, mély sósvízi akviferek 16000, összesen 24852 10 6 t C0 2. Johnson és Santillo (in: IPCC 2002:96) a széndioxid formában hordozott szén (C) tömegre vonatkozó (lt C = 3,6 t C0 2 ) potenciális tároló kapacitásra ad alsó határértékeket: kimerült olaj-és gáztároló > 100 10 9 tc széntelepek sósformáció talaj > 10 10 9 t Adott szén (lignit) tüzelő erőmű (blokk) esetén 400 MW névleges teljesítmény, 7100 óra/év üzemidő, 0,7-0,8 tco2/mwh elhelyezendő CO2 fajlagos értékek mellett az évi C0 2 tároló kapacitás igény 2,0-2,3 10 6 t C0 2 /év, 30 év üzemidő alatt 60-70 > > 10-100 10 9 tc 100-1000 10 9 tc 136
A CO2 emisszió csökkentésének műszaki és költség jellemzői 10 6 tonna C0 2 mennyiség, átlagosan (kereken) 0,5 t C 02/m 3 sűrűség mellett 120-140 10 6 m 3 tároló térfogat (kőzet pórus). Hivatkozás IEA Parson-Keith IPCC Kapacitás Kimerült [10 9 t C0 2 ] 920 740-1850 810 kőolaj- és földgáz tároló A 2050-ig várható <45 <40 kibocsátás %-a Kapacitás Ki nem [10 9 40 370-1100 40 t C0 2 ] termelhető A 2050-ig C H 4 dús várható <2 <2 széntelep kibocsátás %-a Kapacitás 400-400- 370-3700 Porózus n o 9 t c o 2 ] 10000 10000 homokkő, sósvízi akvifer A 2050-ig várható 20-500 20-500 kibocsátás %-a 1. táblázat: A CO2 potenciális tároló kapacitások prognózis értékei 4. Az erőműi beruházási költségek alakulása a különböző tüzelőanyag fajták, a C0 2 leválasztás nélküli, ill. leválasztásos technológiák esetén Az ezredfordulón a fosszilis tüzelőanyagok a világ energiaszükségletének több mint 85 %-át adták. Ezek az energiahordozók lényegesen járultak hozzá az iparosodott világ benne a villamosenergia termelés által élvezett magas életszínvonalhoz. A szén és szénhidrogének készleteinek elemzése, az energiaigények változásának prognózisa alapján több szakértő is úgy gondolja, hogy a 21. század közepéig a fosszilis energiahordozók aránya biztosan 50-80 % között alakul. [15, 16, 17, 18, 19] A fosszilis energiahordozók használata, az energiaellátásban vállalt (tervezett) szerepe arányának alakulását motiválhatja ( beárnyékolja) az ún.üvegházhatás, ill. globális klímaváltozás (felmelegedés) kérdéseit érintő társadalmi vélekedés gyakran szubjektív, ill. túldimenzionált kérdése. Utóbbi kérdés reális megítélése kapcsán indokolt a tüzelési (hasznosítási) technológiák műszaki lehetőségei, gazdasági célszerűségi szempontjai elemzése, ezek között a termelő objektumok - jelen anyag keretében a villamos erőművek - beruházási költségei, majd a hatásfok, a C0 2 felszabadulás mértéke, a leválasztási hatásfok, ill. költségigény elemzése is. 137
Kovács Ferenc A témakör elemzése során gyakran elsődleges kérdés a különböző tüzelőanyag fajták, a szén, ill. szénhidrogének használata" jellemzőinek összehasonlítása is. Most először egyes alap (C0 2 leválasztás nélküli) technológiák beruházási költségeit említjük fel. Tekintettel arra, hogy az irodalmi források különböző időre vonatkoznak, a fajlagos költségek abszolút értékei mellett talán többet mond az arányok értékelése, minősítése. A hagyományos gőzturbinás rendszer (PC) mellett gáztüzelésnél 760 USD/kW, széntüzelés mellett 1600 USD/kW a fajlagos beruházási költség, az arány 210 %- os. A kombinált gőz-gáz ciklus esetén földgáztüzelés mellett (NGCC) 520 USD/kW, széntüzelés (IGCC) mellett 1700 USD/kW fajlagos értékek alapján 327 %-os a széntüzelésű rendszer többlet beruházási költsége. Gőzbefúvásos gázturbina mellett 410/1300-as értékek mellett 317 %-os arány adódik. A közbenső hűtésű gőzbefúvásos gázturbina esetén 400/1030-as értékek mellett 258 %, korszerű" fűtőanyag cellás megoldásnál 600-800/1000-1500-as értékek mellett 167-188 %-os a szén tüzelőanyag használat többletköltsége. [20] A C0 2 leválasztás műszaki megoldása (és természetesen energia igénye is) az erőmű beruházási költségeit számottevő mértékben megemeli. A különböző tüzelőanyagok (gáz, szén), illetőleg eltérő tüzelési technológiák alkalmazásánál eltérő leválasztási technológiák és nyilván más-más költségnövelő tényezők jelentkeznek. A 2004-ből származó adatok szerint bitumenes szén elgázosításos tüzelése esetén leválasztás nélkül 1410 USD/kW, C0 2 leválasztás mellett 1917 USD/kW fajlagos beruházási költség adódik, a többletköltség 507 USD/kW, 36 %. Subbitumenes szén elgázosításos tüzelése esetén 1502 USD/kW, ill. 2190 USD/kW a fajlagos beruházás, a növekmény 688 USD/kW, 46 %. A kisebb hőtartalmú lignit tüzelése esetén elgázosítás, illetőleg Amine füstgázmosás mellett 1644/2828 USD/kW értékekkel a növekmény 1184 USD/kW, 72 %-os arány mutatkozik. Az ún. oxyfuel tüzelési mód esetén 1644/3974 USD/kW értékekkel a növekmény 2330 USD/kW, 142 %-os arány jelentkezhet. Az utóbbi technológia az oxigén használat, ill. a széndioxid visszaforgatás" miatt igényel több mint kétszeres beruházási költséget a leválasztás megoldásához. [21 ] David J. és Herzog H. tanulmánya [22] a szakirodalomban megjelent publikációk alapján a C0 2 leválasztásának összetett költségmodelljét dolgozta ki. A költségmodell hat független bemeneti adatot tartalmaz. Három bemeneti adat - beruházási költség, az áramtermelés fajlagos költsége, a nettó fűtőérték alapján meghatározott fajlagos hő fogyasztás - a leválasztás nélküli referencia erőművekre, másik három bemeneti adat járulékos többlet beruházási költség a leválasztás miatt, az erőmű üzeme (működés, karbantartás) során jelentkező járulékos üzemi költség és a leválasztás energia igénye - a leválasztásos erőműre vonatkozik. A 138
A CO2 emisszió csökkentésének műszaki és költség jellemzői különböző technológiák összehasonlíthatósága érdekében a leválasztási hatásfokot - amint általában elvárható - 90 %-os álladó értéknek vették. Az erőmű beruházási költségek elemzése során 2000 évre, illetőleg a várható általános mindkét technológiára vonatkozó technikai fejlődés hatásával is számolva 2012 évre vonatkozó jellemzőket határoztak meg, mind a leválasztás nélküli ún. referencia erőműre, mind pedig a leválasztásos technológiával dolgozó technológiákra. (2. táblázat) A földgáz tüzelőanyag szénnel szemben meglevő kézenfekvő kedvező adottsága a fajlagos beruházási költségben is nyilvánvaló előnyt jelent, a C0 2 leválasztás beruházási költséget növelő hatása azonban a hagyományos szénportüzelés jellemzőit is meghaladó mértékű. A prognosztizált 2012-es, általában" korszerűbb létesítményi technika/technológia eredményeként a fajlagos beruházási költség minden változat esetén alacsonyabb szintet valószínűsít. Földgáz esetén kisebb (~10 %), szén esetén nagyobb (10-15 %) mértékben. Az 1 kg/órás (kg/h) C0 2 leválasztási kapacitásra eső, j áruiékos" beruházási költségét is számították. A C0 2 leválasztási kapacitás (teljesítmény) fajlagos járulékos (többlet) költsége szénportüzelés esetén a legkisebb [-300 USD/(kg/h)], kombinált ciklusú széntüzelés esetén -500 USD/(kg/h)], földgáz tüzelés mellett 800-900 USD/(kg/h). A jelentős, mintegy 2-3-szoros eltérés a keletkező füstgáz C0 2 koncentráció és nyomásjellemzők eltéréséből adódik, és megjelenik a leválasztás energiaigényénél is. Gáztüzelés esetén a füstgáz C0 2 koncentráció csak" kb. 3 %-os, a leválasztás energiaigénye 0,354 kwh/kgco2, szénportüzelés mellett a koncentráció mintegy 13 %, a leválasztás fajlagos energia igénye 0,317 kwh/kg C 02, a IGCC-erőművekben a széndioxid eléggé magas nyomáson, koncentrált áramlásban van és ezért ezeknél az erőműveknél a legalacsonyabb a leválasztás fajlagos energiaigénye, 0,194 kwh/kgco2- (2000 év) A 2012 évre prognosztizált fajlagos energiaigények sorra: 0,297-0,196-0,135 kw/kg C0 2-139
Kovács Ferenc Erőmű típus PC IGCC NGCC Időpont(év 2000 2012 2000 2012 2000 2012 Leválasztás nélküli Beruházási 1150 1095 1401 1145 542 525 (referencia költség erőmű) [USD/kW] C0 2 2090 1718 1909 1459 1013 894 leválasztással A C0 2 leválasztás költségnövelő hatása (%) +81 +57 +36 +27 +87 +70 Az egységnyi leválasztási kapacitás járulékos beruházási költsége 529 476 305 275 921 829 [USD/(kg/h)l 2. táblázat: A C0 2 leválasztással kapcsolatos beruházási költségek A fentebb említett tanulmány [22] adatai mellett ahol a 2000 évi adatok alapján 37-87 %-os, a 2012 évre szóló becslés szerint 27-70 %-os beruházási többletet jelent a leválasztás újabb, 2007 évi adatokat is idézhetünk [1], A széndioxid leválasztás (CCS) nélküli erőmű fajlagos beruházási költsége kőszén tüzelőanyagnál 1,20 1 0 6 EUR/MW, lignit esetén 1,35 10 6 EUR/MW. A C0 2 leválasztás (CCS) megvalósítása esetén kőszén tüzelése mellett 1,68 10 6 EUR/MW, lignit mellett 1,75 1 0 6 EUR/MW a fajlagos beruházási költség, a leválasztás költségnövelő hatása +40 %, illetőleg +30 % lehet. 5. Az áramtermelés, a hőfelhasználás hatásfokának alakulása a különböző tüzelőanyagok, ill. technológiák esetében Az egyes technológiák megítélése, műszaki-gazdasági értékelése, a füstgázképződés arányának alakulása szempontjából a termikus hatásfok az egyik alapvető jellemző. Közelítő minősítés szerint azt is mondhatjuk, hogy a tüzelőanyag átalakítás (felhasználás) termikus hatásfokának növekedése gyakorlatilag arányosan csökkenti a fajlagos C0 2 képződés mértékét. A termikus hatásfok mellett a különböző irodalmi források a fajlagos hőfogyasztást adják meg alapvető jellemzőnek, gyakran szerepel a relatív energiahozam is minősítő jellemzőként. A C0 2 leválasztás energiaigénye csökkenti a hatásfok jellemzőket (bruttó-nettó hatásfok), egyik minősítő paramétere lehet a leválasztás műszakigazdasági jellemzésének. 140
A CO 2 emisszió csökkentésének műszaki és költség jellemzői A [20] publikáció értékelése során a különböző tüzelőanyagok összehasonlítása eredményeként az adódott, hogy a hagyományos gőzturbina rendszernél az adott időszakban gáztüzelés során 36 %, széntüzelés során 34 %-os hatásfok adódott. A termikus hatásfok széntüzelés mellett a gáztüzelési érték 94 %-át érte el. Kombinált gőz- és gázciklus esetén 47-42 % az elért hatásfok jellemző, a széntüzelés hatásfoka a gáztüzelésének csak" 89 %-a. Gőzbefúvásos gázturbinái 40 %, ill. 36 % termikus hatásfok adódik, a széntüzelés termikus hatásfoka 10 %-al alacsonyabb. A közbenső hűtésű gázbefuvásos gázturbinás megoldásnál 47 %, ill. 42 % a hatásfok, 89 %-os az arány. Korszerű fűtőanyagcellás megoldásnál 50-55 %, ill. 45-52 % a becsült hatásfok, 90-95 %-os az arány. A CO2 leválasztás technikai megoldása, a leválasztás energiaigénye tüzelőanyag fajtától, tüzelési, ill. leválasztási megoldástól is függően az erőműi névleges (bruttó) kapacitás/teljesítmény számottevő csökkenését okozza. A [21] tanulmány adatai szerint a C0 2 leválasztás mellett elérhető jellemzők [21, 23] (3. táblázat) Tüzelőanyag, technológia Kapacitás kihasználási hatásfok nettó/bruttó [%] Termikus (nettó) hatásfok [%] Termikus hatásfok csökkenés[%] Bitumenes szén elgázosítás 75 31,6 9,97 Sub-bitumenes szén elgázosítás 69 38,4 14,66 Lignit-elgázosítás 65 36,8 13,43 Lignit füstgázmosás (Amine) 69 34,8 11,63 Lignit oxyfuel eljárás 59 41,3 16,74 3. táblázat: A kapacitás kihasználási és a termikus hatásfok jellemzők CO2 leválasztásnál A [12] tanulmány földgáz, ill. szén tüzelőanyag használatára, különböző technológiákra vonatkozóan szolgátat adatokat, figyelembe véve a leválasztás és elhelyezés hatását (költségét) is. (4. táblázat) 141
Kovács Ferenc Tüzelőanyag, technológia Földgáz, kombinált NGCC technológia Szén, ultrakritikus gőz tech. Coal UGS Szén, integrált szénelgázosítás CGCC CO2 leválasztás nélkül, bruttó termikus hatásfok [%] CO2 leválasztás esetén, nettó termikus hatásfok [%1 C0 2 leválasztás + elhelyezés hatásfok csökkentése [%] 53,6 43,3 19,2 42,7 31,0 27,4 43,1 37,0 14,2 4. táblázat: Termikus hatásfok értékek CO2 elkerülés mellett A [24] tanulmány földgáz és szén tüzelőanyagra, különböző technológiákra intézeti projektek adatait adja meg a termikus hatásfok értékek alakulását illetően. (5. táblázat) Tüzelőanyag, technológia Földgáz Amine mosás Termikus Termikus A leválasztás hatásfok C0 2 hatásfok C0 2 okozta Projekt, intézet leválasztás leválasztás hatásfok nélkül (bruttó) mellett (nettó) csökkenés [%] r%i r%i IEA GHG 54 46 8,4 EPRI turbina 54 42 12,0 EPRI H turbina 58 47 11,1 MHI 53 49 4,3 Fölgáz elégetés IEA GHG 54 46 7,7 IEA GHG 45 33 12,5 EPRI 42 30 12,0 Szén Amine mosás Alstrom 38 23 15,0 MHI MEA 42 32 9,7 MHI KS1 42 34 7,5 Szén oxigén Alstrom 38 25 13,0 befüvatás Chalmers 42 34 8,1 Szén kombinált IEA GHG 46 38 8,0 ciklus EPRI 45 39 6,2 szénelgázosítás IGCC 142 RWE 46 40 6,0 (Essen) 5. táblázat: Termikus hatásfok értékek különböző projektek adatai szerint
A CO 2 emisszió csökkentésének műszaki és költség jellemzői Az [1] tanulmány a termikus hatásfok alakulás (csökkenés) vonatkozásában 2007 évi adatokat közöl. (6. táblázat) Tüzelőanyag, technológia Termikus hatásfok (bruttó) [%] Termikus hatásfok leválsztás mellett r%i Hatásfok csökkenés[%] Kőszén 52 44 8 Lignit 51 43 8 6. táblázat: Termikus hatásfok értékek kőszén és lignit tüzelőanyag esetén Ugyancsak a [1] publikáció 2014-re IGCC technológiával dolgozó 450 MW-os kísérleti erőmű füstgáz mosással történő leválasztás esetére 40 %-os termikus (nettó) hatásfokot ad meg. A kérdés vizsgálata során felállított műszaki- és költségmodell alapján dolgozó [22] tanulmány szerzői a referencia (hagyományos) és a leválasztásos technológia hatásjellemzőit a fajlagos hőfogyasztás alapján jellemzik. A fajlagos hőfogyasztás dimenziója a tanulmányban Btu/kWh, ahol Btu dimenziója = 1055 Joule. A közölt adatok 2000-re és 2012-re vonatkozóan, technológiánként. (7. táblázat) Technológia időpont Fajlagos hőfogyasztás leválasztás nélkül [Btu/kWh] Fajlagos hőfogyasztás C0 2 leválasztással [Btu/kWh] A leválasztás okozta fajlagos energiahozam csökkenés[%] PC 2000 8277 11037 25,0 2012 8042 9461 15,0 IGCC 2000 8081 9462 14,6 2012 7137 7843 9,0 NGCC 2000 6201 7131 13,0 2012 5677 6308 10,0 7. táblázat: Fajlagos hőfogyasztás különböző technológiák esetén (2000 és 2012) A technológiai fejlődés feltételezett eredményeként a leválasztás okozta energia hozam javulása sorra 10,0-5,6-3,00 %, az IGCC (szén) és NGCC (gáz) tüzelőanyag (technológia) közel azonos (14,6-13,0; 9,0-10,0%) hatásfok mutatókkal rendelkezik. A bemutatott adatok alapján megállapíthatóan a C0 2 leválasztás termikus hatásfokot csökkentő hatása tüzelőanyagtól, ill. választott technológiától függően általában 10-15 %-os, egyes tervezett projektek esetén 6-12 %, a 2007. évi 143
Kovács Ferenc publikáció szerint - korszerűbb kőszén-lignit tüzelés melett 8 %. A leválasztás + elhelyezés (benne szállítás?) együttes hatásfok csökkentő hatása a [12] tanulmány szerint 14-28 % lehet. 6. A tüzelés során felszabaduló széndioxid mennyisége, a C0 2 leválasztás hatásfoka különböző technológiai megoldások mellett A fosszilis energiahordozók felhasználása során különösen napjainkban, amikor a széndioxid kibocsátás indokolt, avagy vitatható módon különböző műszaki-gazdasági-környezeti szempontok homlokterébe került a széndioxid felszabadulás/képződés, illetőleg a légköri kibocsátás kiemelt megítélés alá esik, majdhogynem elsődleges értékelési szempontnak számít. A fűtőanyagok eltüzelése során keletkező C0 2 mennyisége döntő módon a fűtőanyag fajtájától (földgáz vagy szén), annak minőségétől (kőszén, barnakőszén, lignit), illetőleg a tüzelési rendszer (erőmű) típusától, teljesítményétől, korszerűségétől, a termikus hatásfoktól függ. A légköri kibocsátás a füstgázok C0 2 koncentrációja által is befolyásolt füstgáztisztítási technológiától, a C0 2 leválasztás műszaki megoldásától, hatásfokától függ. Az irodalomban számos helyen működő erőművekre vonatkozó tényleges üzemi adatok találhatók, a kísérleti, ill. tervezési fázisban levő leválasztási technológiákra vonatkozóan becsült, prognózis adatokat közölnek. E munka során egyrészt a különböző tüzelőanyagok, másrészt az eltérő tüzelési, illetőleg leválasztási technológiákra vonatkozóan idézünk fel adatokat, mind a C0 2 képződés mennyisége, mind pedig a leválasztási hatásfok, a kibocsátási (emisszió) jellemző vonatkozásában. Mind a C0 2 képződésre, mind pedig a kibocsátásra vonatkozóan esetenként más-más dimenziót közölnek a publikációk (pld. t/mwh, g/kwh, kg/kwh), ezek a dimenziók természetes átszámíthatók. A [20] publikáció adatai alapján a tüzelőanyagok, ill. a tüzelési technológiák jellemzői is összehasonlíthatók, földgáztüzelés esetén az anyagminőségből" adódóan lényegesen alacsonyabb fajlagos C0 2 képződés jelentkezik, mint széntüzelés esetén. A bemutatott első adat gázra, a második szénre vonatkozik. A hagyományos gőzturbinás technológiánál 510/920 g/kwh a fajlagos C0 2 hozam", 180 %-os (+80 %) az arány, kombinált gőz-gáz ciklusnál 370/730 g/kwh, 197 %-os (+97 %) arány adódik. Gázbefüvásos gázturbina mellett 440/880 g/kwh, 200 %-os (+100 %) az arány, közbenső hűtésű gőzbefúvásos gázturbina esetén 370/730 g/kwh, 197 %-os arány adódik. A korszerű fűtőanyag cellás megoldásnál a várakozás 330-370/620-700 g/kwh C0 2 felszabadulás, 188-189 %- os arány a prognózis. 144
A CO2 emisszió csökkentésének műszaki és költség jellemzői Az eltérő szénfajtákra, illetőleg hozzájuk rendelten a különböző tüzelésileválasztási technológiákra vonatkozóan a [21] és [23] publikációban találunk adatokat. Feltehetően mindkét publikáció szerzői azonos alapadatokkal dolgoztak. (8. táblázat) Fűtőanyag technológia Képződés kibocsátás hatásfok C0 2 képződés [g/kwh] Leválasztás [g/kwh] A leválasztás hatásfoka Bitumenes szén Elgázosítás Szubbitumenes szén Elgázosítás Lignit Elgázosítás Lignit Amine mosás Lignit Oxyfuel [21] 771 852 883 883 883 [23] 766 851 892 880 885 [21] 641 750 701 823 738 [g/kwh] [231 650 740 710 820 740 RH 87 92 85,7 95 90 [23] 85 87 80 93 84 r%i Kibocsátás, [211 130 102 182 60 145 emisszió [g/kwh] [23] 116 111 182 60 145 8. táblázat: 1 7 ajlagos C0 2 képződés különböző fűtőanyagok és technológiák esetén Az egyes változatoknál a C0 2 képződés és a leválasztási értékekben számottevő eltérés nem jelenik meg, a leválasztási hatásfok és az emisszió értékeknél a füstgázmosás mutatkozik kedvezőbb megoldásnak. A [22] tanulmány a PC, IGCC és NGCC technológiák C0 2 képződés és a leválasztás után kibocsátás (emisszió) adatait hasonlítja össze. Az összevetés során a leválasztás hatásfokát mindhárom eset mindkét időpontjára vonatkozóan azonos, 90 %-os leválasztási hatásfokot ad meg. (Lehetséges, hogy ez az érték a választott tüzelési, ill. leválasztási technológiáknál közel azonos, elvi maximumnak tekintendő.) A C0 2 felszabadulás, ill. a leválasztás utáni kibocsátás értékek. (9. táblázat) 145
Kovács Ferenc Technológia, időpont Felszabadulás, kibocsátás PC IGCC NGCC 2000 2012 2000 2012 2000 2012 co 2 felszabadulás 789 766 752 664 368 337 [g/kwh A leválasztás utáni kibocsátás 105 90 88 73 42 37 [g/kwh] 9. táblázat: Széndioxid képződés és kibocsátás értékek különböző technológiáknál A bemutatott különböző közleményekből származó adatok alapján megállapítható, hogy a jelen időszakban üzemelő, ill. tervezés alatt levő széntüzeléses (kőszén, lignit) technológiáknál a CO2 felszabadulás/képződés általában 800-900 g/kwh (0,8-0,9 t/mwh) C0 2 mennyiség. Földgáz (gáz) tüzelés mellett a fajlagos C0 2 felszabadulás 300-500 g/kwh, kereken fele a széntüzelésnél jelentkező értékeknek. (Más kérdés természetesen, hogy a gáztüzelésnél a füstgáz C0 2 koncentrációja lényegesen kisebb (1/3-1/4) mint széntüzelésnél, ami a leválasztás/koncentrálás technikai, ill. költség jellemzőit megemeli). A füstgázból történő C0 2 leválasztás hatásfoka (80) 85-90 (95) %, a légköri kibocsátás széntüzelés mellett 80-190 g/kwh, füstgáz mosásnál 60 g/kwh, gáztüzelés esetén 40-50 g/kwh. (90 % hatásfok mellett) A C0 2 leválasztás (majd elhelyezés) kérdéseivel való foglalkozás, illetőleg a megvalósítás minél szélesebb körben történő elterjesztésének alapvető célja a légkörbe kerülő széndioxid hatásainak - amelyek részben vitathatók - enyhítése. Ezen cél megvalósításában a CCS technológiák a jövőben növekvő szerepet kapnak, Preston Chiaro közlése szerint 2100-ig a CCS technológiák a megkívánt csökkentés 15-50 %-át adhatják. [7] Más, anyagi kérdés természetesen az, hogy P. Chiaro szerint nagy általánosságban a jelen fajlagos költségek szintjén a leválasztás költségei az elektromos áram önköltségét 1-5 USD cent/kwh-val emelik. 7. A leválasztás, illetőleg az elkerülés költségei A fosszilis tüzelőanyagok használatának jellemzése kérdésében egyrészt a már fó összetevőkben vizsgált műszaki paraméterek adnak tájékoztatást, másrészt pedig indokolt a gazdasági/költség mutatók vizsgálata, összehasonlítása is. A C0 2 146
A CO2 emisszió csökkentésének műszaki és költség jellemzői leválasztás beruházási/létesítési költséget módosító hatásáról korábban szóltunk, most az üzemviteli, ill. teljes önköltséget befolyásoló hatást kívánjuk jellemezni. A termelés, ill. CO2 leválasztás költségében általában a beruházások terhei (leírása) is benne foglaltatnak. Az energiatermelés, ill. a hozzá kapcsolódó leválasztás műszaki paraméterei vonatkozásában a publikált adatok minden forrásból közel azonosak, a költségelemek, illetőleg a leválasztás költségeiben viszont jelentős eltérések mutatkoznak. Változhatnak a költség-elemek számbavételi szempontjai, az eltérő időszakból származó költségeknél az inflációs hatások, a különböző pénznemek esetén az átszámítás kulcsai. Jelentős eltérést adhat a költségek összehasonlításánál az is, hogy a leválasztás költsége mellett, a szállítás, az elhelyezés költségei is szerepelnek-e az ún. elkerülési" költségben. Egyes publikációk - nyilván üzemi alkalmazás tény adatait közlik - pontos (számszerű) értékeket közölnek, mások - becsült, tervezett adatként - tól-ig határok közötti számokat. Az irodalmi források egyik része abszolút számokat ad például az egységnyi (1 t) CO2 leválasztás, ill. elkerülés költségére, másik részük pedig a termelt (bruttó), avagy kiadott (nettó) villamosenergia egység költségét (pénzegység/kwh) adja meg, ismét mások a leválasztás költségnövelő hatását-arányát. Az egyes források által közölt adatok eltérését azzal jellemezzük, hogy a [21] és [23] publikáció azonos tüzelőanyagra, ill. technológiára vonatkozó költségjellemzőit a 10. táblázatban mutatjuk be. A két irodalmi forrásból származó azonos" jellegű költségadatok összehasonlítása alapján az valószínűsíthető (állítható), hogy a [21] irodalom csak" a leválasztás költségeivel számol", míg a [23] publikációban a fajlagos áramköltségben (USDc/kWh) a leválasztás+elhelyezés = elkerülés költségei is szerepelnek. Hasonló módon tekinthető az USD/tco2 költség is. Első esetben a leválasztás, a második esetben a leválasztás (szállítás?) + elhelyezés összege adja az elkerülés költségét. A CO2 kezelés" százalékos költségnövelő hatása (%) viszont nem tükrözi a fenti számbavételi módot", mivel a második forrás százalékos arányai alacsonyabb értékek (a szállítás és elhelyezés többlet költsége ellenére) mint az első forrás leválasztási tétel hatása. A [22] tanulmány, amely költségmodell felhasználásával részletes bemenő adatokkal (pl. fűtőanyag költség PC és IGCC technológiánál 1,24 USD/MMBtu, NGCC technológiánál 2,93 USD/MMBtu, ami több, mint kétszerese a gáz esetében), továbbá az önköltségben a tőketerhekkel, a működtetés és a karbantartás költségeivel is számol, az alábbi jellemzőket adja meg. (11. táblázat) 147
Kovács Ferenc Technológia, PC IGCC NGCC időszak Költség 2000 2012 2000 2012 2000 2012 Aramköltség leválasztás nélkül 4,10 4,99 4,10 4,39 [USDc/kWhl 3,30 3,10 Aramköltség leválasztással 7,71 6,26 6,69 5,14 4,91 4,33 [USDc/kWhl A leválasztás költségnövelő 76 53 34 25 49 40 hatása [%] A CO2 leválasztás költsége fusd/tco2l 49 32 26 18 49 41 11. táblázat: A C0 2 leválasztás fajlagos költségei különböző technológiák esetén 148
A CO2 emisszió csökkentésének műszaki és költség jellemzői [21] [23] Tüzelőanyag Technológia Költségjellemző Áramköltség leválasztás nélkül [USD c/kwh] A C0 2 leválasztás költsége [USD c/kwhl Áramköltség C0 2 leválasztással [USD c/kwhl A leválasztás költségnövelő hatása [%] A C0 2 leválasztás költsége [USD/tco21 A C0 2 leválasztás (elkerülés) költsége az áramköltségben [USD c/kwhl A termelt vili. energia teljes önköltsége [USD c/kwh] A C0 2 leválasztás költség aránya a teljes önköltségben[%] A C0 2 leválasztás (elkerülés) költsége [USD/tco2l Bitumenes szén Elgázosítás Szubbitumenes szén Elgázosítás Lignit Elgázosítás Lignit Amine mosás Lignit Oxyfiiel 4,87 3,73 4,45 4,45 4,45 1,97 2,48 3,94 2,98 5,29 6,84 6,21 8,39 7,43 9,74 40 66 91 67 119 31 33 56 36 72 3,1 3,8 6,2 4,7 8,3 10,7 9,7 13,1 11,6 15,2 29 39 47 41 55 47 52 88 57 112 10. táblázat: A CO2 leválasztás, ill. elkerülés fajlagos költségei A most megjelenített adatokból a tüzelőanyagok, a technológiák, ill. a technikai fejlődés hatásairól is következtetések adódnak. A gáz tüzelőanyag használatával a 2,3-szor magasabb fajlagos tüzelőanyag ár ellenére mind hagyományos (leválasztás nélküli), mind pedig leválasztásos 149
Kovács Ferenc technológia mellett is alacsonyabb villamosenergia önköltség érhető el mint szén esetében. (A publikációk megjelenése idején érvényes fűtőanyag árak mellet.) Az anyagár" 2,3-szeres aránya az áramár" esetén azonban 1,3-szeresére csökken. A gáz Jóságának" csökkenő mértéke alapvetően abból adódik - amint már szóltunk róla -, hogy gáztüzelés mellett a füstgáz C0 2 koncentrációja (3-4 %) csak 1/3-1/4-e a széntüzelés esetén adódó 8-13 %-os C0 2 koncentrációnak, aminek következtében a C0 2 leválasztás fajlagos költsége 40-50 USD/tco2> szemben a szénhasználat (ICCC) során a magas nyomáson, koncentrált áramban megjelenő C0 2 20-30 USD/tco2-ás leválasztási költéségével. A C0 2 leválasztásra, illetőleg elkerülésre (leválasztás, tárolóba történő szállítás, tárolás) vonatkozó fentebb kiemelt, döntő részben tényleges, számos más irodalmi forrással megegyező adatok értékelése alapján megállapítható, hogy a jelen, ill. évtizedekig várható erőműi technológiák alkalmazása során a C0 2 leválasztás fajlagos költsége 30-80 USD/tco2 közötti érték, az elkerülés (leválasztás + elhelyezés) költségei 50-100(120) USD/tc 02 közötti érték. A C0 2 füstgázból történő leválasztása 40-80 (oxyfuel eljárás mellett 100-120) %-ai emeli/növeli a villamosenergia termelés önköltségét. A fentebb bemutatott tényleges (konkrét) költségmutatók mellett más tanulmányok általános hivatkozásként - konkrét tüzelőanyagokat, ill. technológiák megjelölése nélkül közölnek adatokat a C0 2 kezelése" tárgyában. A [7] tanulmány például a 12. táblázatban bemutatott költséghatárokat adja meg. CCS (költség) elemek C0 2 leválasztás erőműi füstgázból C0 2 leválasztás más jellegű gázfeldolgozásból, vagy ammónia előállásból Leválasztás egyéb ipari forrásból (kohászat, cementgyár, stb.) Szállítás 250 km-re Földalatti (földtani) tárolás Óceáni tárolás Költség intervallumok 15-75 USD/tco2 5-50 USD/tco2 25-115 USD/tco2 1-8 USD/tco2 0,5-8 USD/tco2 5-30 USD/tco2 Ásványi karbonizálás 50-100 USD/tc 02 12. táblázat: Költséghatárok a C0 2 leválasztás és elhelyezéshez tartozóan (Az elkerülés költségét természetesen a leválasztás, szállítás és elhelyezés összes költsége adja.) 150
A CO2 emisszió csökkentésének műszaki és költség jellemzői Preston Chiaro [7] tanulmányában a kérdéskör általános vizsgálata során azt is rögzíti - számos más szerző véleményével egyezően -, hogy a CCS technológiák alkalmazása gazdasági szempont alapján csak 25-30 USD/tco2»ár" fölött lehet célszerű megoldás. A CCS technológia alkalmazása költségeivel számos szerző foglalkozik. Mark Trexler [8] adatai szerint például a C0 2 leválasztás (elkerülés?) fajlagos költségei: Szénportüzelés (PC) esetén 30-70 USD/tco2 Elgázosítás széntüzelés (IGCC) esetén 15-55 USD/tco2 Földgáztüzelés (NGCC) esetén 40-90 USD/tc 02 A szállítás + tárolás költségére vonatkozóan az [1] publikáció 14 EUR/tco2 költséget ad meg, ami jelentősen meghaladja a már hivatkozott [7] tanulmányban szereplő (1-8) + (0,5-8) =1,5-16 USD/tco2 fajlagos költséget. Kutatásaink során a hazai viszonyokra vonatkozóan is végeztünk számításokat. Részben a hazai olajkiszorításos C0 2 besajtolás költségei, részben a publikált leválasztási költségek alapján. A leválasztás költsége, irodalmi adatok [21, 22,23] alapján a napjainkban is alkalmazott erőmű technológiákkal 4-6 USDc/kWh, (az oxyfuel eljárással 8 USDc/kWh) 8-12 Ft/kWh lehet. A szállítási költség 100-300 km távolságra 0,2-0,50 Ft/kWh, a földalatti elhelyezés (besajtolás) költsége 1000-2000 m mélységbe, 50-200 md permiabilitás mellett 1-2 Ft/kWh. Összességében a C0 2 elkerülés költsége szén (lignit) erőműnél 9(10)-14(16) Ft/kWh, ami meghaladja a jelenlegi (C0 2 leválasztás nélküli, kéntelenítéses) önköltség 100 %- át. A C0 2 elkerülés költsége önmagában meghaladja az atom alapon előállítható villamos energia önköltségét. 8. Összefoglaló, következtetés A jövő energiaigényei kielégítésével kapcsolatos prognózisok szerint még hosszabb távon, 30-50 év múlva is, meghatározó szerepe lesz a fosszilis energiahordozóknak, a szénhidrogéneknek és a szénnek. Erre is tekintettel indokolt az erőművek technológiai fejlesztési lehetőségeinek elemzése, a műszaki-gazdasági jellemzők várható alakulásának számbavétele. Külön aktuális feladat a várható környezeti hatások, aktuálisan a széndioxid képződés mértékének meghatározása, a leválasztási technológiák műszaki-gazdasági jellemzőinek prognózisa, hatásfokának jellemzése, a C0 2 kibocsátás, minimalizálásának esélye, ill. költségkihatásai megjelölése. 1. A C0 2 képződésével, a füstgázokból történő leválasztásával és különösen a tárolóba (földalatti, tengeri) történő elhelyezésével kapcsolatos kutatások, 151
Kovács Ferenc 152 fejlesztések, kísérleti üzemek létesítése anyagi fedezetét a témában érintett kutató-fejlesztő szervezetet, ill. termelő vállalkozások az RWE kivételével - döntő részben állami/központi forrásokból igénylik, vátják biztosítani. 2. A fosszilis tüzelőanyagokat (kőolaj, földgáz, kőszén, lignit) hasznosító erőművek utóbbi 50 évben történt technológiai fejlesztése a korszerűsítés, az egységteljesítmények növelése irányában hatott. Az utóbbi évtizedben a fejlesztések homlokterébe a környezeti hatásokat okozó füstgázkomponensek (S0 2, C0 2 ) leválasztása, hatásának minimalizálása áll. Az erőműi technikai fejlesztések eredményeként 30-32 %-ról 42-50(55) %-ra nőtt termikus hatásfok, aminek egyenes arányú" eredménye a fajlagos széndioxid felszabadulás (g/kwh) csökkenése. 3. A füstgázokból (egyéb származási helyről) leválasztott C0 2 földalatti (geológiai) potenciális tárolási lehetőségei elsősorban a leművelt földgázkőolaj telepek, illetőleg a mélyfekvésű porózus homokkő (sósvízi akvifer) formációk - (megfelelő permeabilitás mellett), kérdőjeles lehetőség a nagy metántartalmú nem műrevaló széntelepek ilyen célú hasznosítása, továbbá a tengeri (tenger alatti) tárolók gyakorlati megvalósítása. 4. A füstgázokból történő leválasztás technikai megvalósítása számottevő mértékben növeli az erőműi rendszer beruházási költségeit. Irodalmi források szerint a jelenleg működő rendszereknél a leválasztás többlet beruházási költsége 40-90 %, az új fejlesztéseknél 30-70 %. Újabb adatok szerint kőszén esetén a C0 2 leválasztás 1,2 10 6 EUR/MW-ról 1,68 10 6 EUR/MW-ra (-40 %), lignit esetén 1,35 10 6 EUR/MW-ról 1,75 10 6 EUR/MW-ra (~30 %) növeli a fajlagos beruházási költséget. 5. A C0 2 leválasztás alkalmazása a felhasznált tüzelőanyag fajtától, az alkalmazott leválasztási technológiától függően általában 10-15 %-al csökkenti a rendszer termikus hatásfokát. Az egyes tervezett projekteknél 6-12 %-os hatásfok csökkentéssel számolnak, újabb publikáció szerint korszerű kőszén-lignit tüzelés mellett 8 %-al. A leválasztás + elhelyezés (szállítás, besajtolás) együttes hatásfok csökkentő hatása 14-28 % közötti érték lehet. 6. A feldolgozott publikációk széles köre széntüzelés (kőszén, lignit) esetén 800-900 g/kwh (0,8-0,9 t/mwh), földgáztüzelés mellett 300-500 g/kwh C0 2 felszabadulással számol. A füstgázból történő C0 2 leválasztás hatásfoka (80) 85-90 (95) %, a légköri kibocsátás széntüzelés mellett 80-180 g/kwh, füstgáz mosásnál 60 g/kwh, gáztüzelés esetén - 90 %-os hatásfok mellett - 40-50 g/kwh. 7. A C0 2 leválasztás/elkerülés fajlagos költsége, a villamos áram költségét növelő hatása vonatkozásában az irodalmi források adatainak