ΔΗΜΟΣ ΚΟΖΑΝΗΣ «Ο Λιγνίτης στη Δυτική Μακεδονία» 26/02/2010 «Θερμοηλεκτρικές μονάδες με (σχεδόν) μηδενικές εκπομπές CO2» Ε. Κακαράς, Καθηγητής ΕΜΠ Δρ. Δ. Γιαννακόπουλος, Δρ. Α. Δουκέλης Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Εργαστήριο Ατμοπαραγωγών και Θερμικών Εγκαταστάσεων At present, fossil fuels are the dominant source of the global primary energy demand, and will likely remain so for the rest of the century. Fossil fuels supply over 85% of all primary energy; the rest is produced by nuclear, hydro-electricity and renewable energy (commercial biomass, geothermal, wind and solar energy). In identifying strategies for mitigation of climate change, the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) concludes that combinations of multiple technologies in all sectors must be considered: demand reductions and/or efficiency improvements; substitution among fossil fuels; switching to renewables or nuclear energy; CO2 sequestration; or afforestation. Currently, renewable energy supplies less than 1% of the global energy demand. While great efforts and investments are made by many nations to increase the share of renewable energy to the primary energy demand and to foster conservation and efficiency improvements of fossil fuel usage, addressing climate change concerns during the coming decades will likely require significant contributions from carbon sequestration. Carbon sequestration can be defined as the capture and secure storage of carbon that would otherwise be emitted to, or remain, in the atmosphere. This is called carbon capture and storage (CCS). The rationale for carbon capture and storage is to enable the use of fossil fuels while reducing the emissions of CO2 into the atmosphere, and thereby mitigating global climate change.

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Ο ευρωπαϊκός τομέας παραγωγής ενέργειας Κανονιστικό πλαίσιο για την εκπομπή και αποθήκευση CO2 Τεχνολογικές επιλογές για την χρήση άνθρακα στην ηλεκτροπαραγωγή Τεχνολογία Υπερκριτικών χαρακτηριστικών ατμού Δέσμευση και Αποθήκευση του CO2 Συμπεράσματα

Διαμόρφωση του Ευρωπαϊκού ενεργειακού τομέα Στην Ευρώπη αναμένεται απαίτηση για νέα ισχύ σταθμών ηλεκτροπαραγωγής της τάξης τω 300 GW έως το 2030 Η εκτίμηση για την προσθήκη νέας ισχύος περιλαμβάνει 58.7 GW σταθμών στερεών καυσίμων που αντιστοιχεί στο 24% των νέων έργων

Διαμόρφωση του Ευρωπαϊκού Ενεργειακού τομέα State of the art + 11.7 + 4.3 Σήμερα λειτουργούν 123 μονάδες συνολικής ισχύος περίπου 13 GW άνω των 45 ετών στην Διευρυμένη Ευρώπη. Η μέση ισχύς των μονάδων αυτών είναι 105 MW

Οδηγίες της Ε.Ε. ΕΤS - CCS Οδηγίες του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Ευρωπαϊκού Συμβουλίου για την Μετά-Κιότο εποχή Οδηγία 2009/29/ΕΚ για τροποποίηση της οδηγίας 2003/87/EΚ με στόχο τη βελτίωση και την επέκταση του συστήματος εμπορίας δικαιωμάτων εκπομπής αερίων θερμοκηπίου της Κοινότητας (23.4.2009) Οδηγία 2009/31/ΕΚ σχετικά με την αποθήκευση διοξειδίου του άνθρακα σε γεωλογικούς σχηματισμούς και για την τροποποίηση της οδηγίας 85/337/ΕΟΚ του Συμβουλίου, των οδηγιών του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου 2000/60/ΕΚ, 2001/80/ΕΚ, 2004/35/ΕΚ, 2006/12/ΕΚ και 2008/1/ΕΚ, και του κανονισμού (ΕΚ) αριθ. 1013/2006 (23.4.2009) 5

Οδηγίες της Ε.Ε. ΕΤS - CCS Στοιχεία της Οδηγίας 2009/29/ΕΚ για εμπορία δικαιωμάτων εκπομπής ΑτΘ Δέσμευση για μείωση των συνολικών εκπομπών ΑτΘ κατά 20% ως προς 1990. Το ποσοστό θα αυξηθεί σε 30 % εφόσον υπάρξουν δεσμεύσεις για συγκρίσιμες μειώσεις των εκπομπών από άλλες ανεπτυγμένες χώρες. Μείωση δικαιωμάτων εκπομπών κατά 21% σε σχέση με το 2005 έως το 2020 Πλειστηριασμός αποκλειστικός κανόνας για ηλεκτροπαραγωγή από το 2013, χωρίς δωρεάν κατανομή για CCS και με δυνατότητα μετακύλισης κόστους. Πλειστηριασμός δικαιωμάτων από το 2011 για είναι ομαλή η λειτουργία το 2013 6

Οδηγίες της Ε.Ε. ΕΤS - CCS Για τους υπόλοιπους τομείς θα υπάρξει σταδιακή μείωση των δωρεάν δικαιωμάτων έως το 2020. (80% το 2013 μέχρι 30% το 2020) Μέτρα για «διαρροή άνθρακα» έως το 2010 με ποσότητα δωρεάν δικαιωμάτων ή λειτουργία συστήματος αντιστάθμισης (Προστασία Ευρωπαϊκής βιομηχανίας) Μέτρα για την υπερβολική διακύμανση της τιμής των δικαιωμάτων Έμφαση στα έργα CCS και καινοτόμα ΑΠΕ μέσω μέτρων στήριξης δικαιωμάτων εκπομπών CO2 και χρήσης τμήματος του 50% των προσόδων των πλειστηριασμών δικαιωμάτων θα χρησιμοποιείται για μείωση ΑτΘ

Οδηγίες της Ε.Ε. ΕΤS - CCS Στοιχεία της Οδηγίας 2009/31/ΕΚ για δέσμευση/γεωλογική αποθήκευση CO2 Εφαρμογή σε γεωλογικούς σχηματισμούς εντός της επικράτειας των Κ.Μ., των οικονομικών ζωνών τους και την ηπειρωτική υφαλοκρηπίδα τους Η επιλογή των τόπων αποθήκευσης θα διασφαλίζει ότι το αποθηκευόμενο CO2 θα απομονώνεται πλήρως στο αέναο μέλλον, δεν υφίσταται σημαντικός κίνδυνος διαρροής και δεν υπάρχει πιθανότητα να σημειωθούν σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις ή επιπτώσεις στην υγεία στην αντίθετη περίπτωση. Με συχνότητα την οποία ορίζει η αρμόδια αρχή, και οπωσδήποτε τουλάχιστον μία φορά κατ’ έτος, ο φορέας εκμετάλλευσης υποβάλλει έκθεση των αποτελεσμάτων της παρακολούθησης στην αρμόδια αρχή Οι αρμόδιες αρχές θα οργανώνουν σύστημα τακτικών και έκτακτων επιθεωρήσεων όλων των συγκροτημάτων αποθήκευσης τουλάχιστον μία φορά κατ’ έτος έως τρία έτη από το κλείσιμο και στη συνέχεια ανά πενταετία. 8

Τροποποίηση της οδηγίας 2001/80/ΕΚ ”Άρθρο 9α”. Οδηγίες της Ε.Ε. ΕΤS - CCS Τροποποίηση της οδηγίας 2001/80/ΕΚ ”Άρθρο 9α”. Oι φορείς εκμετάλλευσης όλων των εγκαταστάσεων καύσης ονομαστικής ηλεκτρικής ισχύος > 300 MW και άνω, με αρχική άδεια κατασκευής την 23η Απριλίου 2009, να έχουν αξιολογήσει κατά πόσον πληρούνται οι ακόλουθες προϋποθέσεις : διατίθενται κατάλληλοι τόποι αποθήκευσης, οι εγκαταστάσεις μεταφοράς είναι τεχνικώς και οικονομικώς εφικτές, είναι τεχνικώς και οικονομικώς εφικτή η μετασκευή για τη δέσμευση CO2.   Εάν πληρούνται οι προϋποθέσεις αυτές, η αρμόδια αρχή μεριμνά ώστε να εξασφαλιστεί στον τόπο εγκατάστασης κατάλληλος χώρος για τον εξοπλισμό που είναι αναγκαίος για τη δέσμευση και τη συμπίεση CO2. 9

Τεχνολογικές επιλογές Οι προτεινόμενες τεχνολογικές επιλογές για στερεά καύσιμα αφορούν : Την αύξηση του βαθμού απόδοσης Την αντιμετώπιση των κλιματικών αλλαγών με τεχνολογίες δέσμευσης και αποθήκευσης CO2

Τεχνολογία Υπερκριτικών χαρακτηριστικών ατμού * * ΣΗΘ Η εξέλιξη της τεχνολογίας υπερκρίσιμων χαρακτηριστικών ατμού οδηγεί τόσο σε αύξηση του βαθμού απόδοσης όσο και της εγκατεστημένης ισχύος Λύσεις διαθέσιμες για κάθε είδος στερεού καυσίμου

Τεχνολογία Υπερκριτικών χαρακτηριστικών ατμού Βελτίωση της ειδικής κατανάλωσης θερμότητας [%] συναρτήσει της τεχνολογίας Η σημερινή βιομηχανική πρακτική έχει οδηγήσει σε σταθμούς 600 οC αναθέρμου ατμού Ο υφιστάμενος στόλος περιλαμβάνει 19 σταθμούς παγκοσμίως συνολικής ισχύος 13.4 GW, εκ των οποίων 8.9 GW αφορούν 13 ανθρακικές και 4 GW αναφέρονται σε 5 λιγνιτικές μονάδες

Λέβητας Ατμοστρόβιλος Τεχνολογία Υπερκριτικών χαρακτηριστικών ατμού Λέβητας Ατμοστρόβιλος Σύγκριση Υλικών (400 MW, Απλή Αναθέρμανση)

Τεχνολογία Υπερκριτικών χαρακτηριστικών ατμού Πειραματική εγκατάσταση COMTES700 στο Block F, Scholven, ισχύος 676 MW net Χρονική εξέλιξη της τεχνολογίας AD700

Τεχνολογία Υπερκριτικών χαρακτηριστικών ατμού Μονάδα RDK 8 ισχύος 912 MWel, gross (275bar/600oC,620oC) και ΣΗΘ 220 MWth Προβλεπόμενος βαθμός απόδοσης άνω του 46% Αναμενόμενη εμπορική λειτουργία 2009 - 2011

Τεχνολογία Υπερκριτικών χαρακτηριστικών ατμού RWE Power Ο λιγνιτικός σταθμός Niederaussem K ισχύος 965 MW επιτυγχάνει βαθμό απόδοσης της τάξης του 43.2% LHV. O σταθμός λειτουργεί από το 2002.

Τεχνολογίες Δέσμευσης και Aποθήκευσης CO2 (CCS) Διαθέσιμες Επιλογές Δέσμευση μετά την καύση Δέσμευση προ καύσης Καύση με καθαρό Ο2 Oxyfuel

Τεχνολογίες Δέσμευσης και Aποθήκευσης CΟ2 (CCS) Σήμερα Σενάρια/Άξονες Εφαρμογής για το 2050 Scottish Centre for Carbon Storage ΙΕΑ, CO2 Capture and Storage : A Key Carbon Abatement Option (2008)

Πιλοτικά – επιδεικτικά έργα δέσμευσης και αποθήκευσης CΟ2 στην Ευρώπη Πιλοτικά – Επιδεικτικά CCS (Zero Emission Fossil Fuel Power Plants - ΖΕP) Τεχνολογίες Δέσμευσης CO2 μετά την καύση Αναφορικά με την αξιοποίηση λιγνίτη : 6 από τα 43 έργα αφορούν λιγνιτικές εφαρμογές Όλες οι τεχνολογικές επιλογές είναι υπό εξέταση Περισσότερες επιλογές αφορούν τεχνολογία δέσμευσης μετά την καύση Τεχνολογίες Δέσμευσης CO2 Oxyfuel / πρό καύσης

Αξιολόγηση Προτάσεων Έργων Επίδειξης (CCS) από την Ε.Ε. Πιλοτικά – επιδεικτικά έργα δέσμευσης και αποθήκευσης CΟ2 στην Ευρώπη Αξιολόγηση Προτάσεων Έργων Επίδειξης (CCS) από την Ε.Ε. Προβλεπόμενη Αλατούχοι Πεδία Συμμετοχή ΕΕ Κράτος Σταθμός Ισχύς ( Μ W ) Τεχνολογία υδροφορείς Πετρελαίου/Αερίου Μ € Huerth 450 IGCC ? Γερμανία 180 Jaenschwalde 500 OxyFuel ? Eemshaven 1200 IGCC ? Ολλανδία Rotterdam 1080 Κονιοποιημένο καύσιμο ? 180 Rotterdam 800 Κονιοποιημένο καύσιμο ? Πολωνία Belchatow Coal 858 Κονιοποιημένο καύσιμο ? 180 Ισπανία Compostilla (Leon) 500 OxyFuel ? 180 Kingsnorth 800 Κονιοποιημένο καύσιμο ? Longannet 3390 Κονιοποιημένο καύσιμο ? Ηνωμένο Βασίλειο 180 Tilbury 1600 Κονιοποιημένο καύσιμο ? Hatfield (Yorkshire) 900 IGCC ? Ιταλία Porto Tolle 660 Κονιοποιημένο καύσιμο ? 100 Γαλλία Εφαρμογή αποθήκευσης Florange 50 CO2 από χαλυβουργία ? 50 Total 1050 Πρόταση της Προεδρίας του Ευρωπαϊκού Συμβουλίου (20/3/2009) σχετικά με το Ευρωπαϊκό Σχέδιο Οικονομικής Ανάκαμψης και τις προσκλήσεις προτάσεων του Μαίου 2009

Βασικός εξοπλισμός συμβατικής μονάδας αναφοράς Συμβατική θερμοηλεκτρική μονάδα αναφοράς Βασικές παραδοχές- Περιγραφή εξοπλισμού Βασικός εξοπλισμός συμβατικής μονάδας αναφοράς Ισχύς (Net) : 326.6 ΜW Βαθμός απόδοσης (Net) : 42.2%

Απλοποιημένο διάγραμμα ροής βελτιστοποιημένης μονάδας Μονάδα με δέσμευση του CO2- Καύση με καθαρό O2 Βελτιστοποίηση επιδόσεων Απλοποιημένο διάγραμμα ροής βελτιστοποιημένης μονάδας Στοιχεία ενεργειακής βελτιστοποίησης Προθέρμανση και θέρμανση O2 Θέρμανση N2 Προθέρμανση τροφοδοτικού νερού μέσω της ψύξης των καυσαερίων και των συστημάτων ψύξης των συμπιεστών CO2 Ισχύς (Net) : 269.7 ΜW Βαθμός απόδοσης (Net) : 34.8%

Μονάδα με δέσμευση του CO2- Καύση με καθαρό O2 Σύγκριση με τη μονάδα αναφοράς Η μικτή παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς του ατμοστροβίλου εμφανίζεται αυξημένη εξ’ αιτίας τόσο της βελτίωσης του βαθμού απόδοσης του λέβητα όσο και της μείωσης της ειδικής κατανάλωσης θερμότητας του ίδιου του ατμοστροβίλου Η αυξημένη συγκέντρωση αερίων που δε συμπυκνώνονται καθώς και οι αυξημένες απαιτήσεις καθαρισμού του CO2 συνεπάγονται και αυξημένη κατανάλωση ισχύος από τους συμπιεστές. Η καθαρή παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς μειώνεται σημαντικά λόγω της αύξησης της κατανάλωσης των βοηθητικών συστημάτων Έτσι, ενώ ο μικτός βαθμός απόδοσης παρουσιάζεται βελτιωμένος, ο καθαρός βαθμός απόδοσης μειώνεται κατά 7.36 εκατοστιαίες μονάδες

Απλοποιημένο διάγραμμα ροής βελτιστοποιημένης μονάδας Μονάδα με δέσμευση του CO2- Χημική απορρόφηση με ΜΕΑ Βελτιστοποίηση επιδόσεων Απλοποιημένο διάγραμμα ροής βελτιστοποιημένης μονάδας Στοιχεία ενεργειακής βελτιστοποίησης Προθέρμανση αέρα με αξιοποίηση της θερμότητας των καυσαερίων Προθέρμανση τροφοδοτικού νερού με αξιοποίηση της θερμότητας των καυσαερίων και των συστημάτων ψύξης των συμπιεστών CO2 Ισχύς (Net) : 235.4 ΜW Βαθμός απόδοσης (Net) : 30.4%

Μονάδα με δέσμευση του CO2- Χημική απορρόφηση με ΜΕΑ Σύγκριση με τη μονάδα αναφοράς Οι δυνατότητες αύξησης του β.α. με την εκμετάλλευση της χαμηλής «ποιότητας» (χαμηλής θερμοκρασίας) θερμότητας που αποβάλλεται στο ψυκτικό νερό είναι περιορισμένες Η μικτή ισχύς της μονάδας εμφανίζεται σημαντικά μειωμένη σε σχέση με αυτήν της συμβατικής μονάδας αναφοράς λόγω της αύξησης της ειδικής κατανάλωσης θερμότητας του ατμοστροβίλου από την απαίτηση σε ατμό του θερμαντήρα αμίνης Η κατανάλωση ισχύος των συμπιεστών του CO2 της μονάδας με χημική απορρόφηση του CO2 (22.75 MWe) εμφανίζεται μειωμένη σε σχέση με αυτήν της καύσης με καθαρό Ο2 (34.40 MWe). Ο καθαρός βαθμός απόδοσης της βελτιστοποιημένης θερμοηλεκτρικής μονάδας 11.79 εκατοστιαίες μονάδες χαμηλότερος από αυτόν της συμβατικής μονάδας αναφοράς.

Οικονομική αξιολόγηση Μεθοδολογία- Τεχνικές και οικονομικές παραδοχές Εμπορική περίοδος

Οικονομική αξιολόγηση Περίοδος επιδεικτικής εφαρμογής

Οικονομική αξιολόγηση Εμπορική περίοδος- Αποπληρωμή 40 έτη

Συμπεράσματα Η διεθνείς δεσμεύσεις για μείωση των αερίων του θερμοκηπίου καθώς και η αγορά του CO2 αναμένεται να επιβαρύνουν το κόστος παραγωγής ενέργειας, ανεξάρτητα από το αν εφαρμόζεται τεχνολογία δέσμευσης. Η έρευνα και ανάπτυξη στον τομέα των καθαρών τεχνολογιών αξιοποίησης στερεών καυσίμων αναμένεται να διασφαλίσουν υψηλούς βαθμούς απόδοσης και σημαντική μείωση των εκπομπών CO2. Οι τεχνολογίες δέσμευσης CO2 μπορούν να συμβάλουν στη μείωση του εκπεμπόμενου CO2 στην ατμόσφαιρα από τον τομέα της ηλεκτροπαραγωγής, παρουσιάζοντας όμως επιβάρυνση στην ισχύ και βαθμό απόδοσης των μονάδων. Το κόστος δέσμευσης CO2 για μονάδες στερεών καυσίμων είναι ανταγωνιστικό ως προς υφιστάμενες λύσεις ηλεκτροπαραγωγής με την χρήση φυσικού αερίου.