Proč může být uhlí součástí rozumné energetické politiky

• Foto

Přestože politici, kteří vytváří energetickou politiku, a představitelé energetického průmyslu mají rozdílné názory na to, jak směřovat směrem k čistému, spolehlivému a cenově dostupnému systému dodávky energie, všichni se shodují na jedné věci: při trvale pokračující nejistotě, plynoucí z odvětví energetiky, je pro uspokojení našich budoucích energetických potřeb nejlepší strategií portfolio variant paliv a technologií.

Důsledek je ještě závažnější. Přílišné spoléhání na jedinou technologii nebo palivo může mít zničující dopad. To lze pozorovat dnes v japonském energetickém průmyslu po havárii v jaderné elektrárně Fukushima, v zemích vyvážejících ropu s cenou ropy o více než polovinu nižší, než byla před rokem. Dalším příkladem mohou být Spojené státy, kde byly po kolapsu vzestupu konstrukcí s kombinovaným cyklem v roce 2006 na burze eBay prodány za nejnižší ceny plynové turbíny masivní konstrukce.

Všechny technologie a paliva mají své výhody, nevýhody a přináší rizika. Výhodami prachového uhlí jsou nízká cena, velký rozsah, spolehlivý výkon. Jeho nevýhodou byl (a stále je) vliv na životní prostředí. Avšak při bližším pohledu na nedávno otevřené nové elektrárny na prachové uhlí, připojované k síti, jako na elektrárnu o výkonu 770 MW komplexu Longview Power v Západní Virginii, neodpovídá skutečnost titulkům, které vidíme v médiích.

PROJEKT LONGVIEW

Projekt Longview je dobrým příkladem kombinace vhodného provozního modelu se špičkovou technologií k získání velmi cenově dostupné, spolehlivé a bezpečné energie s minimálním dopadem na životní prostředí. Komplex Longview Power se spojil s přidruženou těžební společností Mepco za účelem vytvoření integrovaného energetického komplexu „uhelný důl-výroba energie“ v Maidsville v Západní Virginii ve Spojených státech.

Elektrárna se nachází 8 km od uhelného dolu, kde se těží černé uhlí s vysokým obsahem síry, především pro elektrárnu Longview. Komerční provoz v elektrárně začal v prosinci 2011 s hrubou kapacitou 770 MW a jmenovitou čistou kapacitou 700 MW.

Elektrárna, která je ve vlastnictví velkých soukromých investičních společností, ročně zaměstnává více než 600 místních kvalifikovaných pracovníků a za rok dodává do místní ekonomiky přibližně 43 milionů dolarů, pokud jde o nepřímou zaměstnanost a dodávky materiálu. Vzhledem ke struktuře projektu elektrárny „důl-násypka“ a k její vysoké účinnosti patří elektrárna mezi výrobce s nejnižšími náklady nejen ve Spojených státech, ale na celém světě. Její marginální výrobní náklady jsou nižší než u elektráren s kombinovaným cyklem zemního plynu a jaderných elektráren v přenosové soustavě PJM, kterou zásobuje. Jak je znázorněno na obrázku 1, mezní náklady elektrárny Longview jsou dokonce nižší než náklady většiny vodních elektráren v přenosové soustavě PJM, před ní jsou pouze větrné a solární elektrárny.

Obr. 1 – Křivka ceny dodávky pro přenosovou soustavu PJM, zásobovanou elektrárnou Longview

S tímto profilem nákladů není divu, proč elektrárna Longview vyráběla od dokončení nedávných oprav 98,5 procent svého celkového jmenovitého výkonu elektrické energie a proč se komplex Longview Power pro rok 2016 snaží dosáhnout 92 procent součinitele využití jmenovitého výkonu.

Jedním z klíčových faktorů pro dosažení této nízké úrovně výrobních nákladů na výrobu elektrické energie jsou velmi nízké náklady na palivo. Vzhledem k tomu, že společnost Mepco je sesterskou společností, je cena uhlí sjednána ve prospěch obou společností a nepřetržitě jsou vyvíjena provozní zlepšení. Navíc, pro snížení stavu personálu, vybavení, paliv a nákladů na údržbu nákladních automobilů, vlaků, silnic a cest, které většina ostatních uhelných elektráren vynakládá, je uhlí z dolu do elektrárny přepravováno na 7,2 km dlouhém dopravníku. 

Další klíčový faktor se týká nedávné snahy elektrárny Longview optimalizovat svou efektivitu a dosáhnout velmi vysoké celkové efektivity 39,5 procenta (palivo na HHV bázi), která umožňuje elektrárně produkovat plný výkon při spotřebě o 17,5 procent méně paliva, než u průměrné uhelné elektrárny ve Spojených státech. To samo o sobě ušetří elektrárně Longview více než 10 milionů dolarů ročně v jejích provozních nákladech.

ČISTÁ A EFEKTIVNÍ ENERGIE

Elektrárna Longview podléhá velmi přísným normám pro oblast životního prostředí. Stát Západní Virginie předepsal elektrárně Longview nejnižší limity emisí NO_x, SO_x, PM, CO a rtuti, které kdy byly v USA uhelné elektrárně předepsány.

Elektrárna důsledně splňuje všechny povolené emise a je nyní nejčistší funkční uhelnou elektrárnou na energetickém trhu PJM a jednou z nejčistších elektráren v USA. Jak ukazuje obrázek 2, povolené komínové emise elektrárny Longview jsou mnohonásobně nižší než emise jiných uhelných elektráren ve státě Západní Virginie. Navíc, jak ukazuje obrázek 3, skutečné komínové emise elektrárny jsou rovněž hluboko pod přísnými limity standardních hodnot toxinů rtuti obsažených ve vzduchu (MATS) organizace EPA.

Obr. 2 – Povolené provozní limity programu Title V a emisní limity kyselého deště pro uhelné elektrárny v Západní Viginii

Vzhledem k vysoké celkové účinnosti elektrárny Longview jsou skutečné emise elektrárny v tunách za rok nebo mg na MWh sníženy o dalších 17,5 procenta ve srovnání s průměrnou uhelnou elektrárnou v USA. To platí nejen pro emise SO_x, NO_x, PM, CO a rtuti do ovzduší, ale rovněž pro emise CO₂ a pro odtok všech pevných a kapalných odpadů z elektrárny, uhelného dolu a systému dodávky paliva.

Samotná struktura projektu důl-násypka sama o sobě poskytuje další přínosy pro životní prostředí. Elektrárna je navržena tak, aby spalovala netříděné uhlí kvůli zamezení odtoku odpadní vody a uhelné hlušiny, spojených s praním uhlí, které je běžnou praxí v mnoha uhelných dolech a elektrárnách po celém světě. Ve skutečnosti se do povrchových vod z žádné části elektrárny Longview ani dolu nevypouští žádná odpadní voda.

Obr. 3 – Skutečné komínové emise elektrárny Longview jsou hluboko pod limity MATS

Vzhledem k tomu, že uhlí do elektrárny Longview dopravuje dopravník, jsou zcela vyloučeny emise z nákladních automobilů a vlaků a prach a hluk ze silnic. Významná část popílku z kotle se prodává k prospěšnému využití a zbývající část se suchá naváží na místní skládku, čímž se opět minimalizuje doprava kamiony a vlaky přes místní obce, kde si lidé při využívání energie z elektrárny Longview pro své domovy, školy, farmy a podniky užívají klid a pohodu.

ZÁLEŽITOSTI TECHNOLOGIE

Technologie tvoří velkou část špičkového výkonu elektrárny Longview. K dosažení vysoké účinnosti a spolehlivosti využívá elektrárna nadkritický prachový kotel s jedinečným nízkým hmotnostním průtokem a vertikálními trubkami, dodaný společností Amec Foster Wheeler. Je to jediná nadkritická elektrárna na prachové uhlí v USA, patřící do malého počtu elektráren na světě, které využívají tuto pokročilou technologii uhelného kotle. (powder coal - prachové uhlí) kotel společnosti Amec Foster Wheeler využívá nadkritických podmínek páry (tlaky páry nad 22 MPa nebo 3 206 psia), které umožňují, aby pára absorbovala z hořícího paliva více tepla, což vede k vyšší účinnosti elektrárny. 

Je to právě nadkritický stav páry, který umožňuje elektrárně Longview dosáhnout své velmi vysoké efektivity 41,3 procenta/39,5 procenta, založené na nižší/vyšší hodnotě výhřevnosti uhlí. Elektrárna Longview je nejúčinnější fungující uhelnou elektrárnou ve Spojených státech, což jí poskytuje špičkové úrovně emisí a nákladovou konkurenceschopnost. Tabulka 1 ukazuje hodnoty parního a výrobního výkonu elektrárny Longview při konstrukčních provozních podmínkách plného zatížení.

Tab. 1 – Hodnoty parního a výrobního výkonu elektrárny Longview při konstrukčních podmínkách plného zatížení

Téměř všechny nadkritické kotle s klouzavým tlakem mají trubky, obsahující vodu a páru, zahnuté a svinuté do tvaru spirály nebo šroubovice pro vytvoření spodní části stěn pece, jak je znázorněno na obrázku 4. To se provádí s cílem vyrovnat teplotní rozdíly trubka-trubka a mechanická napětí mezi trubkami blízko hořáků, které přijímají intenzivní teplo, a trubkami, které jsou mnohem dále od hořáků a přijímají mnohem méně tepla. Při nadkritických tlacích páry může být významný teplotní rozdíl a přidružená napětí a čas přes stanovenou dobu může trubky prakticky roztrhnout a způsobit jejich selhání.

Obr. 4 – Konvenční spirálová konstrukce pece proti konstrukci s vertikálními trubkami

Ale to, co dělá kotel elektrárny Longview tak odlišným od všech ostatních nadkritických kotlů s klouzavým tlakem, je to, že celá jeho pec je tvořena pouze svislými trubkami, které nesou velmi nízký hmotnostní průtok páry a vody (pod 1 000 kg/m²-s). Jde o mnohem jednodušší konstrukci, jejíž výroba stojí méně a jejíž opravy a údržba jsou jednodušší.

Kotel je jednoduše zavěšen z horních podpěr s vertikálními trubkami kotle, které hrají dvojí úlohu (kotel podpírají a produkují páru). Jelikož u spirálových konstrukcí obtáčí trubky pec ve spirále, a pokud jsou podepřeny pouze ve svislém směru, mají tendenci se rozkroutit a vyžadují složitější systém podpěry pece, který je dražší, těžší a vyžaduje speciální výztuhy při opravách trubek pece.

Navíc při konstrukci se svislými trubkami pára musí pro dosažení vrcholu pece urazit mnohem kratší vzdálenost ve srovnání s delší vzdáleností u konstrukce se spirálovými trubkami. Kratší trubky a nízký hmotnostní průtok způsobují, že vertikální konstrukce má mnohem nižší pokles tlaku páry, který se převádí na nižší čerpací výkon napájecí vody kotle a vyšší čistou účinnost elektrárny.

Spirálové konstrukce typicky vyžadují 10 barů nebo 145 psia dodatečné ztráty tlaku páry napříč pecí, což se promítá do cca 1 MW dodatečné spotřeby energie napájecího vodního čerpadla kotle. Při 50 dolarech za MWh se tato ztráta může promítnout do ročních ztrát asi 432 000 dolarů v tržbách elektrárny a za celou dobu životnosti elektrárny může v současné hodnotě činit celkem až 6,6 milionu dolarů. 

Pro překonání teplotního problému a problému namáhání „trubka-trubka“ používá konstrukce kotle s vertikální trubicí společnosti Amec Foster Wheeler mnohem menší průměr trubky, která přenáší mnohem méně vody a páry. To umožňuje zvýšení vztlakových sil vody a páry v trubici, což způsobuje zvýšení průtoku vody a páry a zajišťuje dodatečné chlazení trubek, které přijímají více tepla.

Tím je zajištěn pasivní samochladicí ochranný mechanismus, který omezuje teploty a napětí mezi trubkami a napříč stěnami pece. Pro dodatečnou ochranu jsou vnitřky trubek, které přijímají velké teplo, rýhované nebo drážkované do spirálového vzoru pro zvýšení chlazení trubky. Tato konstrukční vylepšení přispívají k bezpečnému, vysoce spolehlivému kotli s malými nároky na údržbu a dlouhou životností.

Inteligentní regulace emisí

Na základě jednoduchého principu, že je mnohem méně nákladné v první řadě tvorbě NO_x zabránit, než ji poté snižovat, má systém spalování kotle společnosti Amec Foster Wheeler mnoho pokročilých a inovativních konstrukčních prvků. Pro dosažení nízké úrovně vypouštěného NO_x z pece elektrárny Longview jsou použity technologie regulace jemnosti namletí, regulace vzduchu pro spalování do každého vzdušníku a každého hořáku, stupňového spalování s nízkým objemem NO_x a přívodu vzduchu nad spalování.

Kromě ultra nízkých emisí CO minimalizuje omezení, požadované systémem SCR, které má velký přínos v dlouhodobých nákladech po dobu životnosti elektrárny s ohledem na náklady spotřebovaného amoniaku a výměny katalyzátoru.

Například vzdušníky hořáku jsou rozčleněny mezi každou z šesti řad hořáku (tři řady na každé straně protilehlé stěny kotle). Systém vzduchových klapek, měření průtoku a řídicí logiky je navržen tak, aby proud vzduchu mohl být ke každé řádě hořáku regulován a nakláněn ze strany na stranu v rámci každé řady. Tento stupeň měření a regulací, určený pro spolehlivou a účinnou regulaci poměru vzduch/palivo, CO a NO_x, je opravdu unikátní a není spolehlivě dosažitelný v mnoha jiných uhelných elektrárnách.

Namísto použití typické konfigurace skrubru ESP + Wet FGD za kotlem elektrárna Longview využívá DSI + tkaninový filtr + Wet FGD skrubr se dvěma duálními zásobníky průtoku. Tato konfigurace poskytuje nejlepší míru odstranění (např. 99,5 procenta odstranění SO₂), přizpůsobitelnost paliva a redundantní systémy (usnadňující on-line údržbu), aby bylo možné co nejhospodárněji regulovat množství různých znečišťujících látek.

Systém vstřikování suchého sorbentu (DSI) může využít celou řadu sorbentů pro regulaci kovů a kyselých plynů v plynné fázi adsorpcí na pevné částice popela. Tkaninový filtr zachycuje tyto částice a popílek kotle na úrovních, které značně překračují elektrostatický odlučovač (ESP). Zásobníky duálního toku v mokrém FGD rozšiřují kapacitu FGD pro zachycení všech kyselých plynů.

Všechny tyto systémy jsou zkonstruovány flexibilně tak, aby splňovaly pokračující zpřísňování předpisů na ochranu životního prostředí USA a změny v kvalitě pohonných hmot v průběhu dlouhé životnosti energetického komplexu elektrárny Longview.

Energetický komplex elektrárny Longview nastavuje novou úroveň špičkového výkonu pro dnešní moderní řešení výroby energie z uhlí. Představuje řešení pro bezpečnou, spolehlivou a cenově dostupnou výrobu energie z uhlí s minimálním dopadem na životní prostředí.

V současné době se z uhlí vyrábí asi 40 procent celosvětové výroby elektrické energie, což je největší podíl ze všech zdrojů. Téměř všechny dlouhodobé prognózy ukazují, že za 30 let se z uhlí bude stále vyrábět asi jedna třetina celosvětové výroby elektrické energie. Na globální úrovni to podporuje rozumnou strategii udržování diverzifikovaného portfolia možností výroby.

Prognostikové odhadují, že v zájmu zachování úrovně energie z uhlí budou v průběhu příštích 30 let postaveny nové uhelné elektrárny se souhrnným výkonem mezi 1 500 GW a 2 000 GW, s cílem uspokojit rostoucí poptávku po elektrické energii a nahradit stárnoucí uhelné elektrárny.

O autorovi: Robert Giglio je viceprezidentem pro strategické plánování a rozvoj obchodu ve společnosti Amec Foster Wheeler a Steve Nelson je provozním ředitelem v komplexu Longview Power. Více informací naleznete na www.PowerEngineeringlnt.com. 

Autor

• Giglio Robert