Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej i University of Witwatersrand w Johannesburgu pracują nad modelem numerycznym kotła energetycznego, który pokaże, co zmienia się w jego funkcjonowaniu, gdy do sieci trafia więcej energii ze źródeł odnawialnych i elektrownie węglowe muszą pracować z mniejszą wydajnością. Badacze prowadzą także eksperymenty dotyczące m.in. skuteczniejszej redukcji tlenków azotu i rtęci powstających w czasie spalania w blokach energetycznych.

Choć bez wątpienia spalanie węgla jest nadal głównym źródłem energii elektrycznej w naszym kraju, w ostatnich latach wzrasta liczba rozwiązań wykorzystujących źródła odnawialne (to m.in. panele fotowoltaiczne czy turbiny wiatrowe). Zakłada się, że do 2030 r. Polska, zgodnie z założeniami unijnej polityki klimatyczno-energetycznej, zwiększy udział odnawialnych źródeł energii w finalnej produkcji energii w kraju do 21 proc. (elektrownie węglowe od 2021 roku będą też zobowiązane do spełnienia nowych surowych norm emisji zanieczyszczeń do środowiska).

Co ma OZE do energetyki węglowej?

Każdego roku do sieci elektroenergetycznej trafia więc i będzie trafiać coraz więcej energii z OZE. I to nie tylko u nas. Jako że jesteśmy związani umowami międzynarodowymi o imporcie i eksporcie energii, na nasz system rzutuje także to, co dzieje się u naszych sąsiadów. Ci z zachodu postanowili tymczasem, że z tradycyjną energetyką kończą jak najszybciej. Do 2038 r. Niemcy chcą po kolei wygaszać swoje elektrownie (i elektrociepłownie) węglowe, aż do ostatniej.

Wytwarzanie energii z OZE nie pozostaje bez wpływu na energetykę węglową. Wynika to z ich – jak określają to specjaliści – słabej sterowalności. Gdy cieszymy się wieloma słonecznymi dniami albo silny wiatr wieje od dłuższego czasu, do sieci trafia bardzo dużo energii, powodując, że tradycyjne elektrownie muszą zmniejszyć produkcję – czasem dość radykalnie, nawet poniżej minimum technicznego kotłów energetycznych.

Elektrownie węglowe muszą być komplementarne ze źródłami odnawialnymi i odpowiadać na szybkie zmiany produkowanej z nich mocy. Oznacza to bardzo konkretne problemy dla energetyki konwencjonalnej, które nasilą sią wraz ze zwiększającą się popularnością OZE.

- Każde urządzenie będące elementem bloku energetycznego zostało bowiem zaprojektowane tak, by działało z największą wydajnością dla szczegółowo określonych parametrów nominalnych. Nikt nie zakładał takiej elastyczności tych rozwiązań, bo przed laty nie była potrzebna. Blok energetyczny miał pracować w określonym zakresie mocy – tłumaczy dr hab. inż. Norbert Modliński, prof. uczelni z Katedry Mechaniki, Maszyn, Urządzeń i Procesów Energetycznych na Wydziale Mechaniczno-Energetycznym. – Obecnie stawia się blokom nowe wymagania, które odbiegają od pierwotnych założeń technicznych, co może skutkować pogorszeniem warunków pracy elementów bloku.

W czasie dużej podaży energii z OZE najprostsze wydaje się odstawienie (czyli wyłączenie) bloku energetycznego. Taki zabieg i późniejsze uruchomienie oznaczają jednak dużo poważnych utrudnień dla operatora bloku.

- Blok węglowy jest ogromną i skomplikowaną instalacją wielkości gmachu głównego naszej uczelni – wyjaśnia obrazowo dr hab. inż. Krzysztof Czajka, prof. uczelni, także z Katedry Mechaniki, Maszyn, Urządzeń i Procesów Energetycznych. – Nie jest to więc urządzenie takie jak np. mikrofalówka, w którym możemy dowolnie, według potrzeb ustawiać poziom mocy, a kiedy jest nam zbędne, wyciągnąć wtyczkę. Wyłączenie go, a późniejszy rozruch i wejście z nim do sieci trwa kilka godzin i jest bardzo obciążające. Wymaga wykonania szeregu czynności, w czasie których zawsze coś może pójść nie tak.

- A do tego podczas rozruchu dochodzi do emisji zanieczyszczeń – dodaje prof. Modliński. – Dlatego, że wszystkie instalacje odpowiedzialne za oczyszczanie spalin nie funkcjonują jeszcze w swoich nominalnych warunkach pracy. Analizy często pokazują, że dużo lepiej jest takiego kotła nie wyłączać, a „kazać mu” pracować z zaniżonym minimum technicznym. To sytuacja pod kilkoma względami analogiczna do starszego samochodu zostawionego „na chodzie”, gdy wyskakuje się z niego na chwilę, by coś załatwić, bo jeśli się go wyłączy, ponownie uruchomienie go może nas kosztować dużo czasu i nerwów.

Jak pomoże symulacja komputerowa?

Co jednak będzie się działo, gdy kocioł będzie pracował z mniejszą wydajnością – w dodatku coraz częściej i przez dłuższy czas? W jaki sposób wpłynie to na jego poszczególne elementy? Temu bardzo szczegółowo przyjrzą się naukowcy z Politechniki Wrocławskiej i University of Witwatersrand z Johannesburga. Zespół współpracowników prof. Modlińskiego (prof. Halina Pawlak-Kruczek, prof. Krzysztof Czajka, dr inż. Anna Kisiela-Czajka i dr inż. Michał Ostrycharczyk – wszyscy z tej samej katedry) wspólnie z naukowcami z Republiki Południowej Afryki zamierzają opracować modele numeryczne kotła energetycznego. Za pomocą symulacji komputerowej chcą więc określić wpływ pracy przy niższym (niż dotychczasowe) minimum technicznym kotła na instalacje, które go tworzą.

- To będzie narzędzie o bardzo inżynierskim charakterze – podkreśla prof. Modliński. – Jego pierwsza część będzie symulacją samego procesu spalania, jego stabilności i jakości przy niskich obciążeniach kotła. Obniżając moc bloku energetycznego czy samego kotła, możemy bowiem spodziewać się problemów np. z gospodarką powietrzem, a w rezultacie palniki w kotłach nie będą pracować w takim zakresie, w jakim oczekiwałby tego operator. Drugą częścią będzie symulacja całego kotła lub bloku energetycznego bez szczegółowej analizy procesu spalania, która pozwoli przyjrzeć się poszczególnym komponentom kotła i tym, czego doświadczają podczas pracy z niskim obciążeniem. Będziemy mogli zobaczyć np., że temperatura spalin na wlocie do katalizatora jest poniżej progu, w jakim może on pracować, i operator będzie musiał znaleźć rozwiązanie tego problemu. Może się też okazać, że poniżej punktu granicznego są parametry pary zasilającej turbinę. Symulacja wskaże więc potencjalne problemy eksploatacyjne.

Badania w wyjątkowej instalacji w RPA

Pierwsza część symulacji będzie opierać się o badania, jakie naukowcy przeprowadzą, korzystając z jednej z unikatowych instalacji badawczych na świecie. Przyjrzą się zjawisku zapłonu i propagacji (czyli rozprzestrzeniania się) płomienia na pojedynczym niskoemisyjnym palniku (o mocy aż 1 MW) w instalacji pilotażowej w Eskom Research Test and Development (to jedna z zaledwie kilku tak dużych instalacji badawczych tego typu na całym globie).

Będą badać działanie palnika dla różnych paliw, współczynników nadmiaru powietrza, strumieni paliwa i powietrza oraz stopnia zawirowania tzw. powietrza drugiego i trzeciego (czyli mieszanki pyłowo-powietrznej wykorzystywanej w pyłowych kotłach energetycznych). Dzięki temu będą mogli określić wymagania dla systemu sterowania kotła i układu młynowego, co pozwoli na optymalną pracę w każdych warunkach.

Korzystanie z instalacji jest możliwe dzięki ścisłej współpracy południowoafrykańskiej firmy Eskom z University of Witwatersrand, która doprowadziła do otwarcia na tej uczelni instytutu skupiającego się na badaniach branży energetycznej i finansuje jego działania. Eskom zajmuje się wytwarzaniem, przesyłaniem i dystrybucją energii elektrycznej. Jest największym jej producentem w całej Afryce, a w skali świata znajduje się w pierwszej dziesiątce pod względem mocy wytwórczych i sprzedaży.

- Dzięki temu mamy nie tylko możliwość przeprowadzenia badań w wyjątkowej instalacji, ale także możemy korzystać z doświadczenia specjalistów pracujących w firmie będącej jednym z największych graczy w tej branży – podkreśla prof. Modliński.

Druga część opracowywanego modelu numerycznego będzie opierała się o testy wielopalnikowe przeprowadzone w kotle HECLE. To skrót od Highly Efficient, high Capacity, Low Emission i oznacza wysokosprawne, niskoemisyjne bloki energetyczne o dużej mocy, których setki oddano do użytku w ostatnich latach na całym świecie – w tym także w Polsce i w RPA. Badania w takim kotle będą skupiać się na ocenie zachowania płomienia w komorze paleniskowej jako funkcji ustawień i warunków pracy głównych elementów układu paleniskowego – takich jak wydajność wentylatorów, wydajność podgrzewacza powietrza, układ młynowy i jego konfiguracja. Na razie wiadomo na pewno, że analizy będą prowadzone na kotle w RPA, ale naukowcy są właśnie w trakcie rozmów z polską firmą, która także zbudowała HECLE, i chcą zainteresować ją współpracą w tym temacie.

Dzięki wszystkim tym analizom model termodynamiczny kotła pozwoli na określenie bezpiecznego reżimu pracy kotła przy zaniżonym minimum technicznym. Badacze – posługując się nim – będą też w stanie wskazać potencjalne zakresy pracy bez modyfikacji części ciśnieniowej i układu paleniskowego, przy niewielkich zmianach w układzie sterowania lub znaczących modyfikacjach niektórych komponentów.

Eksperymenty z węglem

Stworzenie modelu numerycznego to tylko część zadań, jakie postawili przed sobą naukowcy w ramach wspólnego projektu. W planach są także badania eksperymentalne.

Pierwsze z nich są poszukiwaniem metod zwiększenia skuteczności redukcji tlenków azotu (przy niskiej temperaturze spalin) w instalacji SCR (czyli selektywnej redukcji katalitycznej), która w kotle służy do zredukowania tlenków azotu do pary wodnej i nietoksycznego azotu.

- Jak już wspominaliśmy, wszystkie elementy kotła zostały zaprojektowane pod konkretne parametry. Także instalacje oczyszczania spalin – opowiada prof. Krzysztof Czajka. – W instalacjach służących do odazotowania podaje się czynnik mający redukować zanieczyszczenia, którym jest np. amoniak. Jego ilość jest dokładnie wyliczona w korelacji do ilości spalin, jakie trafiają do kotła w danej jednostce czasu, a także do temperatury i konkretnego składu chemicznego tych spalin. Przy innym obciążeniu kotła te parametry się zmieniają. Jeśli więc w kotle będzie mniejsza ilość spalin i nic z tym nie zrobimy, to amoniak zacznie przedostawać się do atmosfery, czyli zamiast oczyszczać spaliny będziemy je dodatkowo zanieczyszczać.

Uczestnicy projektu zamierzają zatem znaleźć materiał, który będzie pełnił rolę katalizatora, na potrzeby redukcji tlenków azotu, a dodatkowo także mógł adsorbować (czyli w dużym uproszczeniu: pochłaniać) nieprzereagowany amoniak, by ten nie przedostawał się do atmosfery.

- Ten materiał musi charakteryzować się funkcjonalnością w tzw. szerokim oknie temperaturowym – podkreśla dr Anna Kisiela-Czajka, w projekcie odpowiedzialna za realizację tego zadania. – Przy zmiennym obciążeniu kotła, zmianie będą ulegały między innymi temperatura i skład spalin, dlatego musimy dobrać taki katalizator, który będzie spełniał swoją rolę w rożnych warunkach.

Naukowcy zbudują stanowisko laboratoryjne symulujące warunki panujące w bloku energetycznym. Spaliny będą w nim przepuszczane przez złoże, które będzie pełnić funkcję katalizatora.

- Komercyjnie najczęściej stosowanymi katalizatorami są metaliczne katalizatory nośnikowe – opowiada dr Kisiela-Czajka. – My natomiast zaproponujemy zastosowanie materiałów węglowych, które mogą efektywnie pracować przy znacznie niższych temperaturach. Dotychczasowe badania, m.in. prowadzone w Niemczech, udowodniły już skuteczność materiałów węglowych w oczyszczaniu spalin kotłowych, i to zarówno z tlenków azotu, jak i dwutlenku siarki. Niemniej, nasze badania idą o krok dalej, bo zamierzamy zaaplikować materiały, które jak dotąd są uznawane za odpadowe.

Do tej pory w instalacjach oczyszczających wykorzystuje się bowiem węgle aktywne produkowane w specjalizujących się w tym zakładach. Badacze z PWr chcą natomiast wykorzystać materiały znacznie tańsze, czyli stanowiące pozostałość po procesie spalania paliw kopalnych. Mogą nimi być także np. odpady z rafinerii czy utylizacji zużytych opon.

- Będą to więc poprocesowe materiały odpadowe, charakteryzujące się znaczną koncentracją pierwiastkowego węgla – podkreśla dr Kisiela-Czajka. – Głównym aspektem wpływającym na efektywność pochłaniania zanieczyszczeń jest struktura porowata i chemiczna tych materiałów. Po przeprowadzeniu badań na materiałach źródłowych, planujemy także opracować metodę modyfikacji ich właściwości fizykochemicznych, np. poprzez zwiększenie dostępnej powierzchni czy zmianę charakteru chemicznego, by zintensyfikować ich zdolność oczyszczania spalin.

Dotychczasowe analizy dr Kisieli-Czajki i prof. Czajki związane z wykorzystaniem materiałów węglowych na potrzeby usuwania zanieczyszczeń z atmosfery zostały docenione w VII edycji Akademickiego Konkursu Przedsiębiorczości. Ich badania nagrodzono tytułem Akademickiego Lidera Innowacji.

Czym redukować rtęć?

Częścią projektu będą także badania wychwytywania rtęci ze spalin przy pomocy katalizatorów. Przeprowadzą je prof. Halina Pawlak-Kruczek i dr Michał Ostrycharczyk.

- Konieczne jest sprawdzenie czy przy zmianie profilu temperatury na nitce spalin w kotle i kolejno w ciągu oczyszczania spalin nie dochodzi do emitowania rtęci do atmosfery w najgorszej możliwej postaci, czyli elementarnej – wyjaśnia dr Ostrycharczyk. – To forma, która nie jest oczyszczana w istniejących już instalacjach w elektrowni i nie wiąże się w żadnych materiałach, w przeciwieństwie do postaci utlenionej, która powstaje po połączeniu ze związkami np. chloru lub bromu, oraz postaci stałej, występującej w popiele. Podobnie jak w przypadku oczyszczania tlenków azotu konieczne jest dobranie takiego katalizatora, który będzie w stanie pracować w niższych temperaturach i przy zmiennym składzie spalin. Katalizator mógłby być częścią instalacji SCR, czyli odazotowania, lub mógłby się znaleźć nieco dalej – w ostatnim punkcie instalacji gdzie panuje między 150 a 300 stopni Celsjusza.

Dr Ostrycharczyk pod uwagę bierze różne tlenki metali m.in. tlenek rutenu i tytanu oraz mangan.

Jak tłumaczy naukowiec, do tej pory w blokach energetycznych nie montowano specjalnych instalacji wychwytujących rtęć, bo nie wymagały tego przepisy (elektrofiltr i instalacja odsiarczania spalin mogą wychwycić około 75 proc. rtęci ze spalin) – jako że poziom emisji tego zanieczyszczenia oscylował w granicach 5-20 µg/m3 (czy kilku części miliona) grama. Wprowadzana aktualnie w Unii Europejskiej norma na emisję rtęci dla pracujących elektrowni to maksymalnie 10 µg/m3.

Aby dotrzymać norm, w przypadku niektórych bloków energetycznych w procesie oczyszczania spalin stosuje się węgiel aktywny albo odpowiednią zawartość chloru w spalinach, co powoduje utlenianie rtęci i łatwiejsze odprowadzenie jej ze spalin.

- Niektórzy producenci chwalą się, że oferują wkłady katalityczne do SCR, które redukują również rtęć, ale nie są w stanie zagwarantować konkretnych poziomów redukcji – dodaje prof. Modliński. – Wynika to z trudności w jej monitorowaniu. Część redukcji zachodzi bezpośrednio w katalizatorze, a część jest redukowana w instalacji odsiarczania, która jest wspólna dla kilku bloków. Konieczne są więc dodatkowe analizy, które bardzo dokładnie określą poziom redukcji dla konkretnego bloku.

Dlaczego RPA?

Badania PWr i Wits (University of Witwatersrand) są możliwe w ramach projektu ‘Environomical impact of enhanced coal power plant operating flexibility’ („Środowiskowo-ekonomiczny wpływ zwiększonej elastyczności elektrowni węglowych”). Finansowanie zapewnił grant z konkursu na wspólne polsko-południowoafrykańskie projekty badawcze. Taką inicjatywę ogłosiły razem Narodowe Centrum Badań i Rozwoju i National Research Foundation z RPA. Projekt naszej uczelni i zagranicznego partnera zaczął się w marcu 2019 r. i będzie trwał trzy lata.

To już drugi duży naukowy projekt PWr z Wits realizowany dzięki temu programowi. Pierwszy zakończył się w ubiegłym roku. Dotyczył rozwoju procedury prognostycznej do oceny procesu spalania pyłu węglowego. Jego kierownikiem był również prof. Norbert Modliński.

- Współpraca PWr i Wits nie byłaby możliwa, gdyby nie zaangażowanie prof. Louisa Jestin, który był wieloletnim dyrektorem technicznym oddziału francuskiej firmy EDF Polska oraz założycielem konsorcjum uczelni i EDF na potrzeby prac badawczych dla energetyki w Polsce – opowiada prof. Modliński. - Szefem tego konsorcjum był wówczas prof. Maciej Chorowski z naszego wydziału. Prof. Jestin wyjechał z Polski właśnie do RPA, gdzie prowadził działania badawczo-rozwojowe o podobnym charakterze i wspierał obydwa projekty o współpracy.

Podobieństwa sektora energetycznego Polski i RPA powodują, że pojawiają się propozycje rozwinięcia współpracy między PWr a Wits na większą skalę – w celu wymiany doświadczeń i wiedzy -  i to również po zakończeniu projektu naukowego.

Lucyna Róg