Prof. dr hab. inż. Maciej Chorow ski W rocław 9.04.2016 Politechnika W rocław ska
W ydział M echaniczno-Energetyczny W ybrzeże W yspiańskiego 27
50-370 W rocław
Recenzja
R ozpraw y doktorskiej mgr inż. A leksandry Dryjańskiej
„W pływ w ybranych param etrów na charakterystyki energetyczne i ekonom iczne elektrow ni z kotłem fluidalnym , tlenow nią kriogeniczną i instalacją C C S”
Podstaw ą opracow ania opinii je st uchw ała Rady W ydziału Inżynierii Środow iska i Energetyki Politechniki Śląskiej z dnia 29.01.2016. Recenzow ana rozpraw a m a formę opraw ionego m aszynopisu zaw ierającego 220 stron.
W ybór tem atyki, sform ułow anie celu rozprawy
Tem atyka rozpraw y dotyczy integracji bloku energetycznego elektrow ni cieplnej z kriogeniczną tlenow nią oraz instalacją CCS. Taka konfiguracja je st niezbędna w celu ograniczenia emisji dw utlenku w ęgla do atm osfery w technologii spalania tlenowego. Z kolei spalanie tlenow e je st najbardziej uzasadnioną technologią, pod w zględem technicznym i ekonom icznym , pozw alającą na w ychw yt dw utlenku w ęgla em itow anego w elektrow niach cieplnych, w których paliw em je st węgiel brunatny. Praca była realizow ana w ram ach Strategicznego Program u B adań - Zaaw ansow ane technologie pozyskiw ania energii, co pozw oliło A utorce na kom pleksow e podejście do analizow anego zagadnienia i w ykorzystania opracow anych w ram ach Program u modeli obliczeniow ych elektrow ni i jej składowych systemów. Praca była rów nież w ykonyw ana przy w sparciu program u „D oktoRIS - Program stypendialny na rzecz innow acyjnego Śląska”. Praca je st niew ątpliw ie jednym z pierw szych kom pleksow ych opracow ań dotyczących m odelow ania elektrow ni cieplnej sprzęgniętej z tlenow nią oraz CCS.
Tem atyka pracy jest w ięc aktualna zarów no z naukow ego jak i gospodarczego punktu widzenia.
A utorka sform ułow ała w sposób jednoznaczny cel pracy jako analizę term odynam iczną i ekonom iczną parowego bloku nadkrytycznego zasilanego węglem brunatnym oraz w yposażonego w cyrkulacyjny kocioł fluidalny pracujący w technologii spalania tlenow ego, kriogeniczną instalację separacji pow ietrza, instalację oczyszczania i sprężania C 0 2 przed transportem oraz turbinę parow ą o m ocy 600 MW. Dodatkowo zdecydow ała o przeprow adzeniu m odelow ych badań porów naw czych bloku super- nadkrytycznego rów nież o mocy 600 MW . N a podkreślenie zasługuje podjęcie się przez Autorkę określenia granicznej ceny sprzedaży energii elektrycznej przez analizowane elektrow nie przy uw zględnieniu zarów no param etrów term odynam icznych ja k i dobrze udokum entow anych kosztów inw estycyjnych i eksploatacyjnych analizow anych układów. Zawartość pracy
Zasadnicza część pracy została podzielona na 8 rozdziałów uzupełnionych podsum ow aniem , spisem tabel, spisem rysunków, w ykazem literatury oraz załącznikam i zawierającymi schem aty technologiczne oraz wyniki m odelow ania.
W rozdziale 1. om ów iono technologie ograniczania emisji CO2 w blokach energetycznych,
przy czy najbardziej rozbudow any opis dotyczy spalania tlenow ego węgla.
W rozdziale 2. opisano strukturę analizow anego układu elektrow ni z instalacjam i ASU oraz CCS. Rozdział zaw iera schem at blokow y elektrow ni oraz uproszczone schematy przepływow e m odelow anych podsystem ów elektrow ni w raz z param etram i term odynam icznym i w istotnych punktach. W rozdziale przedstaw iono rów nież metodologię w yznaczania spraw ności elektrow ni, tlenow ni i układu separacji CO2.
W rozdziale 3 opisano model kotła fluidalnego w postaci rów nań bilansow ych dla stanów stacjonarnych. R ozdział zaw iera rów nież liczbowe w artości param etrów przyjętych do obliczeń. M odel pozw olił na określenie stopnia recyrkulacji spalin przy założonej wartości udziału tlenu w kom orze paleniskowej w ynoszącej 30%. Rozpatrzono dw a sposoby recyrkulacji spalin - w stanie suchym i wilgotnym . Przeprow adzono szereg symulacji, których wyniki dokum entują czułość sprawności cieplnej kotła fluidalnego na wybrane param etry takie ja k np.: różnica tem peratur za przegrzew aczem w ody, w spółczynnika nadm iaru utleniacza, strum ienia m asy przez suszarkę paliwa, różnicy tem peratur na zimnych końcach podgrzew acza tlenu. R óżnice spraw ności nie przekraczają kilku procent i wskazują na niew ielką w rażliw ość kotła na badane parametry.
W rozdziale 4 om ów iono podstaw y kriogenicznej separacji m ieszanin gazów oraz podano przykładow e schem aty tlenow ni. N astępnie zaproponow ano schem at i model tlenowni w program ie A SPEN , który zastosow ano do dalszych obliczeń. W obliczeniach wykorzystano gotowe m oduły program u A SPE N , rów nowagi fazowe były liczone z wykorzystaniem rów nania Peng-R obinsona. A utorka przeprow adziła szereg sym ulacji ukierunkow anych na określenie energochłonności procesu separacji tlenu w zależności od ciśnienia sprężania pow ietrza, czystości produkow anego tlenu, m iejsca zasilania kolum ny niskiego ciśnienia strum ieniem pow ietrza rozprężonego w detanderze. O bliczenia potw ierdziły, że ze względu na energochłonność procesu separacji pow ietrza, czystość w ytw arzanego tlenu nie pow inna być w yższa od 97% , optym alną w artością z uw zględnieniem recyrkulacji spalin i energochłonności instalacji CCS je st 95%. W pracy przeprow adzono analizę wrażliwości energochłonności separacji tlenu na sposób w ym iany ciepła pom iędzy kolum nam i oraz sposób sprężania pow ietrza. A utorka w ykazała, że przy zadanej czystości gazu wynoszącej 95% jest m ożliw e uzyskanie energochłonności separacji tlenu poniżej 200 kW h/tonę tlenu co jest dobrym rezultatem , gdyż obecnie eksploatow ane tlenow nie charakteryzują się wyższymi
energochłonnościam i.
Rozdział 5 zaw iera m odel układu w ychw ytu C 0 2 w program ie ASPEN. A utorka przeprow adziła analizę m ożliw ości zm niejszenia energochłonności separacji i sprężania C 0 2 . W ykonała analizę w rażliw ości energochłonności separacji i sprężania na takie param etry jak m.in. końcow e ciśnienie sprężania, tem peratura za chłodnica spalin. A utorka zdefiniow ała param etry procesow e układu separacji i sprężania C 0 2 , tak aby jego odzysk wynosił nie mniej niż 90% , przy czystości w ynoszącej ok. 93%.
Rozdział 6 zaw iera kom pleksow ą analizę term odynam iczną zintegrow anego bloku energetycznego typu OXY. A utorka połączyła opracow ane m odele cząstkowe kotła fluidalnego, tlenow ni oraz instalacji CCS i przeprow adziła w ielow ariantow e obliczenia spraw ności zintegrow anego bloku. Jako obiekty referencyjne przyjęła bloki zasilane powietrzem . Stw ierdziła, że w przypadku bloku nadkrytycznego następuje spadek sprawności netto w ynosi 10,37% oraz 10,42 % w przypadku bloku super-nadkrytycznego. Spadki te m ogą zostać ograniczone poprzez obniżenie ciśnienia sprężania pow ietrza na w ejściu do tlenowni i zw iększenie ilości stopni sprężania C 0 2 odpow iednio do 8,71% oraz 8,76% w przypadku bloków nadkrytycznych i super-nadkrytycznych. W dalszych analizach A utorka wskazuje, ze nie je st m ożliw e dalsze istotne obniżenie energochłonności procesu CCS, nawet poprzez zm iany w układzie polegające na w ykorzystaniu ciepła chłodzenia pow ietrza i spalin podczas ich sprężania w A SU i układzie CCS.
W rozdziale 7 w prow adzono podstaw y rachunku ekonom icznego inwestycji oraz zaproponow ano m odele pozw alające na w yznaczenie minimalnej ceny sprzedaży energii elektrycznej w elektrow niach tlenow ych z blokami nadkrytycznym i i super-nadkrytycznym i ja k rów nież w elektrow niach referencyjnych, w których utleniaczem je st powietrze. Jako zm ienne w ejściow e w przeprow adzonych obliczeniach w prow adzono koszty związane z inwestycją, koszty operacyjne, cenę pieniądza, koszt upraw nień do em isji C 0 2 , cenę węgla, koszt transportu C 0 2 do m iejsca składowania. A utorka w ykazała, że w przypadku zastosow ania spalania tlenow ego m inim alna cena energii elektrycznej musi wzrosnąć o około 25% w stosunku do ceny elektrow ni zasilanej powietrzem .
Rozpraw ę kończą w nioski szczegółow e, podsum ow anie oraz załączniki z w ynikam i obliczeń. Uwagi o treści rozpraw y
Praca stanow i am bitne i kom pleksow e podejście do oceny w pływ u w drożenia spalania tlenow ego zarów no na spadek spraw ności elektrow ni cieplnej ja k i konieczny wzrost ceny energii elektrycznej w ynikający z rachunku ekonom icznego. Szczególnie cenna je st integracja opracow anych osobno i w ykorzystujących odm ienne program y modeli: bloku energetycznego, instalacji separacji pow ietrza oraz instalacji separacji i sprężania CO2.
A utorka przeprow adziła analizy dla dw óch w ybranych bloków fluidalnych różniących się param etram i pary (blok nadkrytyczny i super-nadkrytyczny) dla uzm iennionych wartości w ybranych param etrów term odynam icznych ora dw óch w ariantów cyrkulacji spalin. W ykazała, że przejście na spalanie tlenow e będzie skutkow ać utratą sprawności netto elektrow ni rzędu 10%, co m oże zostać zredukow ane o około 2% poprzez zm niejszenie energochłonności tlenow ni i stacji sprężania CO2. Byłoby interesujące, gdyby Autorka
przeprow adziła analizę m inim alnej, nieuniknionej utraty spraw ności przy założeniu, że procesy separacji tlenu i sprężania CO2 są odw racalne i charakteryzują się najm niejszą
m ożliwą, w ynikającą z II zasady term odynam iki, energochłonnością.
C enną częścią pracy je st opis, model i obliczenia instalacji separacji pow ietrza przy użyciu program u A SPEN . A utorka uzyskała wyniki energochłonności i czystości tlenu zgodne z obecnie eksploatow anym i tlenow niam i. Brak je st natom iast jednoznaczności w określeniu optym alnej czystości tlenu. W rozdziale 1 określono go na 97% uzasadniając, że przy tej czystości tlenow nia nie musi być w yposażona w dodatkow ą kolum nę pozw alającą na separacje argonu. W dalszych częściach pracy A utorka w skazuje na 95%. Czy te różnice w proponowanej czystości tlenu są istotne? Prośba o komentarz.
N a stronie 23 A utorka pisze „ G łówne w nioski jak ie ustalono, w skazyw ały, że w yższa czystość uzyskiw anego tlenu w pływ a na zw iększenie mocy generacji tego gazu, jednak zaznaczono, że moc ta m oże być redukow ana poprzez w zrost stężenia CO2 w spalinach” .
Stw ierdzenie to je st niejasne. Prośba o przeredagow anie i w yjaśnienie.
K riogeniczne instalacje separacji tlenu z pow ietrza w ytw arzają ok. 2% tego gazu w postaci ciekłej. Pozw ala to na w ypłukiw anie w ęglow odorów z układu i uniknięcie niebezpieczeństw a w ybuchu. Czy fakt częściow ego poboru tlenu w postaci ciepłej m a wpływ na energochłonność elektrow ni typu oxy? Czy A utorka widzi ew entualne korzyści z konieczności w ytw arzanie części tlenu w postaci ciekłej? W jaki sposób strumień ciekłego tlen w płynie na zm ianę schem atu 2.2 i innych?
A utorka w skazuje na m ożliw ość w ykorzystania azotu pow stałego w procesie separacji pow ietrza w suszeniu węgla. W instalacjach separacji pow ietrza suchy, odpadow y azot jest stosowany do regeneracji adsorpcyjnych oczyszczalników pow ietrza. Czy zostało to wzięte pod uw agę? Czy w procesie suszenia w ęgla brunatnego przy w ykorzystaniu azotu istotna jest niska w ilgotność gazu czy jeg o podw yższona tem peratura? Jakie są zalety azotu w porów naniu z suszeniem pow ietrzem ?
W pracy analizow ane są rów nolegle dw a bloki węglowe: na param etry nadkrytyczne pary (29 M Pa/600 °C) oraz na param etry super-nadkrytyczne pary (30 M Pa/650 °C). O trzym ane wyniki w skazują, że w przypadku bloku super-nadkrytycznego brak je st poprawy param etrów pracy przy niew ątpliw ie podw yższonej trudności technologicznej jego budowy wynikającej z wyższej tem peratury pracy. W iększość w yników w skazuje na wręcz pogorszone param etry bloku super-nadkrytycznego w stosunku do bloku nadkrytycznego. Przykładem są spraw ności przedstaw ione na rysunkach 3.1, 3.2 czy na rysunku 3.6. Czy m ożna w yciągnąć ogólny w niosek, że bloki super-nadkrytyczne są generalnie mniej sprawne od bloków nadkrytycznych i nie pow inny być rozw ażane w układach ze spalaniem tlenow ym ? Prośba o kom entarz do otrzym anych w yników i w yjaśnienie przyczyn niższych sprawności bloku super-nadkrytycznego.
N a stronie 95 (dół) A utorka pisze „Czystość ciekłego strum ienia bogatego w dw utlenek w ęgla je st determ inow ana a analizow anym m o d e lu ...” Przytoczone zdanie jest niejasne, brakuje odniesienia do rysunku, co utrudnia zrozum ienie. Prośba o przeredagow anie. U w aga dotyczy w ielu innych fragm entów pracy, w których A utorka w opisach stosuje oznaczenia bez jednoznacznego odniesienia się do rysunku lub tabeli. N iniejsza uw aga m a charakter porządkow y i dotyczy przede w szystkim ewentualnych publikacji rezultatów pracy. Styl, w którym praca je st napisana utrudnia nieraz jej zrozum ienie poprzez konieczność odnoszenia się do zam ieszczonych wcześniej rysunków i w yników zam ieszczonych w załącznikach do pracy. N ie m a to w pływ u na wartość treści pracy, ale utrudnia jej odbiór przez czytelnika.
W pracy określono spadek spraw ności netto elektrow ni tlenow ych z uw zględnieniem potrzeb w łasnych tlenow ni oraz instalacji w ychw ytu CCb. A naliza nie uw zględnia nakładów energetycznych na transport C O2 i zatłaczanie w m iejscu końcow ego składowania. W części
pracy poświęconej analizie ekonom icznej elektrow ni tlenowej A utorka założyła, że CO2
będzie składow any na dnie Bałtyku, a średnia droga transportu tego gazu w yniesie 1000 km. Byłoby interesujące uw zględnienie w obliczeniach spadku spraw ności netto elektrowni rów nież kosztów energetycznych transportu CO2 na odległość 1000 km. Pozw oliłoby to na
rzetelne określenie całości nakładów energetycznych na CCS i sform ułow anie rekomendacji
dla w ykorzystania tej technologii. Prośba do A utorki o przeprow adzenie takiej analizy, nawet w bardzo uproszczony sposób.
Cenną częścią pracy je st analiza ekonom iczna inw estycji i eksploatacji bloku typu OXY. Z aproponow any aparat analizy ekonom icznej jest kom pletny i pozw ala na uw zględnienie w szystkich kosztów zw iązanych z inw estycją (koszty budow y bloku, tlenowni i instalacji w ychw ytu, czas trw ania inwestycji), eksploatacją (koszt paliwa, transportu CO2,
am ortyzacja, koszty osobow e) i uw arunkow aniam i praw nym i (koszt emisji CO2). Dane
liczbowe dotyczące kosztów A utorka przyjęła na podstaw ie literatury. Byłoby dobrze, gdyby zostały one porów nane z rzeczyw istym i kosztam i inwestycji prow adzonych w ostatnich latach w Polsce i Europie. W pracy podano estym acje kosztu transportu dw utlenku węgla, natom iast nie założono naw et przybliżonego kosztu budowy rurociągu i system u zatłaczania CO2 na dno morza. Podobnie czas budowy rurociągu C O2, ze w zględu na konieczne
uzgodnienia służebności gruntu, decyzje środow iskow e itp. może znacznie przekroczyć czas budowy kom pleksu elektrow nia-tlenow nia-system w ychw ytu CO2.
O znacza to, że podana w pracy analiza ekonom iczna m oże być zbyt optym istyczna. U waga ta nie m a w pływ u na w ysoką ocenę przeprow adzonej analizy ekonom icznej pod w zględem użytego aparatu i przyjętych pozostałych założeń. N a podkreślenie zasługuje, że przedstaw iona analiza ekonom iczna m ogłaby stanowić podstaw ę odrębnej rozpraw y i w skazuje, że A utorka je st dobrze przygotow ana do analiz inwestycji w energetyce zarówno pod w zględem badaw czych i technicznym ja k i ekonom icznym .
Przystępując do analizy ekonom icznej A utorka podkreśla, że obecnie podejmując decyzje o budow ie nowej bądź gruntownej m odernizacji starej elektrow ni znacznie więcej uwagi pośw ięca się analizom ekonom icznym niż „dekady tem u” . W ydaje się jednak, że w latach 90-tych XX w ieku, a więc ju ż po upadku system u gospodarki kom unistycznej, możliw e było prognozow anie skutków ekonom icznych inwestycji (w szczególności m odernizacyjnych) dzięki system ow i kontraktów długoterm inow ych. Przy ich w adach i zaletach pozw alały one na przeprow adzenie analizy ekonom icznej i pozyskanie finansow ania inwestycji. Stąd pew ien „w ysyp” działań inw estycyjnych w latach 90-tych i ich zatrzym anie po w yham ow aniu system u kontraktów długoterm inow ych ok. 10 lat temu. Obecnie przeprow adzenie analizy ekonom icznej je st w zasadzie niem ożliw e ze względu na brak m ożliw ości prognozow ania przyszłych przepływ ów finansow ych i w konsekwencji obserw owany je st brak decyzyjności na w szystkich szczeblach decydujących o kierunkach rozw oju energetyki. Jaki je st pogląd A utorki na tem at kontraktów długoterm inow ych? Czy podobne m echanizm y pow inny być teraz rekom endow ane w celu zagw arantowania stabilności ekonom icznej inw estycji i w konsekw encji zw iększenia bezpieczeństw a energetycznego Państw a? Czy obecny stan praw ny je st w ystarczający do podjęcia uzasadnionych ekonom icznie decyzji dot. budowy elektrow ni, w tym elektrow ni tlenow ych? Zadane pytania m ają charakter dyskusyjny i nie sugerują, że praca je st niekom pletna.
Podsum owanie
Przedstaw iona praca doktorska „W pływ w ybranych param etrów na charaktery styki energetyczne i ekonom iczne elektrow ni z kotłem fluidalnym , tlenownią kriogeniczną i instalacją C C S” stanowi kom pleksow e rozw iązanie problem u współpracy elektrowni cieplnej z tlenow nią. U ważam , że spełnia w ym ogi ustaw y o stopniach i tytule naukow ym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki. Dzięki w prow adzenia elementów analizy ekonom icznej rozpraw a, poza w artością naukow ą m a rów nież w alory aplikacyjne, w szczególności m oże być pom ocnym m ateriałem przy podejm ow aniu strategicznych decyzji o kierunkach inw estycji w energetyce. Stąd uw ażam , że praca kw alifikuje się do w yróżnienia
