www.rurociagi.com


3-4 / 2002 - strona startowa

SUROWCE DLA WIELKIEJ SYNTEZY

 

Motto:
Polska jest jedynym krajem europejskim
przeciwstawiającym się - w sposób zakamuflowany -
rozwojowi odnawialnych źródeł energii,
natomiast zdecydowanie promującym produkcję energii
opartą na węglu.
Rzeczpospolita, 28.X. 2002

1. Generalia

Podobnie (jak w motto) wygląda sytuacja w dziedzinie zapewnienia tanich źródeł energii, szczególnie dla Wielkiej Syntezy Chemicznej. Dlatego zajmiemy się tendencjami planetarnymi, a dopiero później , na ich - szerokim w czasie i przestrzeni - tle, umieścimy interes Polski i naszej Wielkiej Syntezy.

Wielka synteza chemiczna wymaga ogromnych ilości energii dotąd uzyskiwanej głównie z metanu. Skąd brać metan?

Jeszcze 10-12 lat temu metan spalano w pochodniach jako "odpad" przy wydobywaniu ropy naftowej (Nigeria, Kuwejt, Irak i inne). Na zdjęciach satelitarnych nocnej półkuli Ziemi z tej epoki ognie te dominowały nad światłami cywilizacji rozumnej, szczególnie światłami wielkich miast.

Gaz naturalny stanowi najbardziej elastyczny w użyciu nośnik energii dla pierwszej połowy XXI wieku. Rozwój technologii jego transportu i użycia stanowią też naturalne przejście do wykorzystania nośnika drugiej połowy XXI w., tj. wodoru pochodzącego z efektywnej przemiany energii słonecznej.

W międzyczasie rozwinięto przemysł skraplania metanu do postaci LNG (Liquid Natural Gas), transportu morskiego (oceanicznego) na odległość 6 - 12 tys. km. wielkimi metanowcami i sprzedaży z zyskiem gazu oraz "energii zimna" po cenach konkurencyjnych względem gazu naturalnego uzyskiwanego z rurociągów dalekiego zasięgu. W 2001 r. już ok. 28% gazu sprzedawanego na rynkach międzynarodowych transportowało się metanowcami w postaci LNG.

2. Gaz na świecie

W.g. raportu francuskiego przedsiębiorstwa "Cedigaz" [1] zużycie gazu na świecie tylko w 1996r. wzrosło o 4.9% do wysokości 2.3 bln (2.3*1012) m3, w tym w krajach OECD o 11.6%, a w Hiszpanii o 15%, w Niemczech o ponad 12%, a w Wielkiej Brytanii o 18%. Transport gazu w postaci LNG wzrósł do prawie 24 % ogółu przetransportowanego gazu i wyniósł w 1996r. przeszło 103 mld m3. Istnieje więc już, wbrew opiniom przedstawicieli niektórych firm polskojęzycznych, działający na zasadzie konkurencji, światowy rynek na gaz, w szczególności na LNG. Potwierdzone rezerwy gazu ziemnego rosną z dziesięciolecia na dziesięciolecie mimo radykalnego wzrostu wydobycia. Jest to prawdą tak przy liczeniu w bilionach m3, jak i w jednostkach bardziej przemawiających do wyobraźni, t.j. w "dziesięcioleciach dostaw przy obecnym poziomie zużycia". W roku 1997 światowe rezerwy wyniosły ponad 170 bln. m3, co zapewnia istnienie stabilnego rynku na gaz na wiele dziesięcioleci. Szerzej o stronie transportowej LNG pisze prof. J. Doerfer w "Rurociągach" [2].

3. Na jakie odległości opłacalne jest przesyłanie gazu rurociągami

Podczas promocji książki W. Michałowskiego "Tranzytowy przekręt stulecia" [3], J. Korwin Mikke w czasie dyskusji o kosztach przesyłu gazu rurociągami podważał realistyczność żądania opłaty 4$/1000 Nm3/100 km. Dla rurociągu o długości ok. 4500 km opłaty tranzytowe stanowiłyby mianowicie koszt wyższy (ok. 180 $) od ceny uzyskiwalnej w Europie (60-110 $), co jest absurdem. Ten argument używany jest często przez grupy nacisku uznające za "normalne" wyrzeczenie się opłat tranzytowych przez Polskę. Rozumowanie to należy jednak odwrócić: Czy jest opłacalne (i dla kogo?) przesyłanie gazu rurociągiem na odległość 4500 km (w tym 1/3 trasy to wieczna zmarzlina, bagna, góry i tundra), jeśli opłaty należne za transport gazu wynoszą więcej, niż cena uzyskiwana na końcu rury? Przypomnijmy, że długość projektowanego gazociągu Gazpromu do Niemiec jest ogromna w porównaniu do długości gazociągów istniejących w krajach o gospodarce rynkowej (najdłuższe ok. 2500 km, a w wyjątkowych warunkach gospodarczo-geograficznych w Ameryce Połudn. - do 3700 km).

Chłodna analiza wykazuje więc, że podjęcie decyzji o budowie rurociągu Jamał-Niemcy możliwe było chyba tylko w umysłach ludzi, którzy przywykli do nie liczenia się z kosztami oraz przywykli do faktu swej - trwającej wiecznie - wszechwładzy. spodziewane zyski właścicieli Gazpromu. Wydaje się więc, że "Wielka Rura" z Jamału jest ostatnią z "wielkich budowli komunizmu.

Rozważane jest wybudowanie u podstaw półwyspu Kanin ogromnych zakładów skraplania gazu oraz portu przeładunkowego LNG. Analizy finansowe wykazują, że ekonomicznie oraz politycznie byłoby to przedsięwzięcie konkurencyjne do realizowanego obecnie projektu rurociągu Jamał - Niemcy (w zamyśle - dwie rury po fi-1420). Wariant droższy polega na przedłużeniu tego ("Białego") rurociągu do okolic Petersburga. Wykluczyłoby to kłopoty i koszty związane z transportem LNG po wodach Oceanu Lodowatego. Realizacja któregoś z tych wariantów włączyłaby Gazprom do grona firm uznających normalną konkurencję na świecie.

Szerzej na ten temat patrz [10]

4. Zasady powstawania cen LNG

Przedstawiciele PGNiG, np. A. Findziński [w: 4], oraz polskojęzycznych spółek działających na rzecz Gazpromu, systematycznie mówią i piszą, iż gaz w postaci LNG jest w Europie droższy od gazu rurociągowego. Dane obiektywne są odmienne: Np. Centrum Informatyki [5] podaje, iż LNG jest już w Europie tańszy od swego odpowiednika rurociągowego. Te relacje systematycznie zmieniają się na korzyść LNG.

By pojąć, dlaczego się tak dzieje, należy się cofnąć do początków tego typu transportu, t.j. do lat 60-tych. Ceny gazu uwarunkowane były (wtedy) głównie cenami produkcji. Sytuacja ta zmieniła sie w wyniku powstania światowego rynku na LNG. Zacytuję tu urywek z pracy Avidana i inn. [6]. Są to Amerykanie, eksperci od spraw LNG, pracujący w Huston, głównie w Mobil Oil Inc.

"Od roku 1973 LNG zaczął być wyceniany na podstawie kaloryczności na poziomie cen węglowodorów płynnych. Jego cena kształtowana była proporcjonalnie do ceny ropy naftowej i korygowana o inflację. W zależności od położenia rynków zbytu, producenci LNG odnosili sie do cen różnych węglowodorów. Na przykład algierski gaz eksportowany do Europy wyceniany był na podstawie ceny destylatów i olejów napędowych. Na Dalekim Wschodzie często używanym indeksem jest cena clearingowa japońskiej odprawy celnej (JPP), stanowiąca przeciętną cenę ropy naftowej importowanej do Japonii.

Obecnie większość kontraktów na dostawy LNG wyceniana jest w oparciu o indeks ropy. W miarę rozwoju i ewolucji przemysłu LNG i wobec konieczności sprostania wymaganiom producentów i nabywców LNG, może okazać się konieczne stworzenie alternatywnych metod jego wycenienia. Mogą być wykorzystane formuły cenowe stosowane dotychczas dla gotowych produktów, takich jak olej opałowy i paliwo do silników odrzutowych. Możliwa jest też sprzedaż po cenach stałych lub odniesionych do wielkości inflacji. Może się okazać, że LNG będzie musiał konkurować z innymi paliwami w zakresie łącznych koszów, pomijając jego zalety ekologiczne. Na przykład węgiel jest konkurencyjnym paliwem przy wytwarzaniu energii elektrycznej. Jeżeli cena LNG będzie kształtowana w stosunku do ceny węgla, klient będzie mógł być pewien, że koszt produkcji energii (elektr.) w oparciu o LNG będzie konkurencyjny wobec budo-wy elektrowni opalanej węglem".

Obecnie w Japonii i Korei, cena LNG jest zbliżona do cen ropy, biorąc pod uwagę wartość energetyczną obu nośników.

Tę analizę można rozszerzyć i podsumować następująco:

5. Dylemat

Ze względu na skończoność zasobów planety, musi nastąpić radykalne ograniczenie zużycia energii kopalnych. Może to nastąpić tylko na dwa sposoby: niecywilizowany lub cywilizowany.

Przykładem realizacji scenariusza niecywilizowanego są wojny o źródła energii i o drogi ich transportu:

Rozważmy realistyczne możliwości zmniejszenia takich napięć. Przejdźmy do analizy wariantu cywilizowanego:

Możliwe jest radykalne zmniejszenie (3-4 razy) energochłonności gospodarki. Możliwe też jest wykorzystanie energii termojądrowej. Mamy wspaniały, niezawodny reaktor termojądrowy. Jest to Słońce.

Technologie wykorzystania zasobów słonecznej energii termojądrowej są nam dane (np. fotosynteza), a sposoby ich wykorzystania już poznane ("bio-solids, bio-liquids, bio-gas").

Na szerszą skalę mamy inne możliwości:

6. Hydraty

6.1 Co to są hydraty.

Szerzej na ten temat [15,16].

Hydraty, zwane często wodzianami, należą do związków chemicznych, w których cząsteczki składowe łączą się przy pomocy sił elektrostatycznych łatwiej polaryzowalnych molekuł. Powstanie i stabilność hydratów spowodowana jest dużym momentem dipolowym cząsteczki wody, umożliwiającym powyższe wiązanie.

Węglowodory lekkie (metan, etan, propan...) dość łatwo elektrostatycznie "przyklejają" spolaryzowane dipolowo cząsteczki wody. Powstające w ten sposób hydraty mają konsystencję "mazi" lub, przy niższych temperaturach i większych ciśnieniach, krystalizują do postaci stałej ("płonący lód").

Technicy najczęściej spotykają się ze zjawiskiem hydratyzacji węglowodorów przy wydobyciu, oczyszczaniu, sprężaniu i transporcie gazu ziemnego ("naturalnego").

6.2. Ocena ilości i rozmieszczenia hydratów.

Na polach wydobywczych Arktyki stwierdzono, że pod skorupą wiecznej zmarzliny gaz przesączający się z głębszych warstw gazonośnych, w warunkach dużych ciśnień i niskich temperatur, tworzy z wodą, obecną w szczelinach skał, hydraty. Są to warstwy o miąższości sięgającej kilkuset metrów,.

Innym źródłem hydratów w naturze jest metan biogenny, powstający np. przy rozkładzie biomasy w bagnach i tundrach, czy przy podobnych reakcjach dla dennych osadów mórz i oceanów. Już w latach 60-tych geologowie zwracali uwagę na ogromne ilości hydratów nagromadzonych w tundrach i tajgach Syberii, Alaski oraz Kanady (pod warstwami wiecznej zmarzliny), a także pod powierzchniami litoralu morskiego. Tematyka ta wzbudziła ogromne zainteresowanie w amerykańskim "US Department of Energy", szczególnie w ich "Morgentown Energy and Technology Center" (DOE-METC). Właśnie dla nich prowadzi ogromne prace badawcze i poszukiwawcze firma Geoexplorers International, której duszą i właścicielem jest od ćwierćwiecza Polak, dr Jan Krasoń [7,8,9].

Poniżej omówię ilościową ocenę zasobów hydratów gazu oraz warstw gazu pułapkowanych pod geologicznymi warstwami hydratów. Specjaliści z "Geoexplorers" w roku 1994 badali na zlecenie DOE kilkanaście makro-obszarów naszej planety. Od tego czasu wielkie firmy amerykańskie, niemieckie i rosyjskie (Gazprom), czy japońskie związane z JNOC (Japan National Oil Center), poczyniły ogromne postępy. O ostrości konkurencji świadczy fakt, iż w "Świecie Nauki" (Scientific American) z lutego 2000r niemiecki artykuł o "Płonącym lodzie" [16] w ogóle nie wspomina o innych, niż niemieckie, wynikach. Tak mało problematyka hydratów znana jest energetykom...

Badania i poszukiwania przeprowadzone przez "Geoexplorers" obejmują ok. 10% linii brzegowej (litoral) kontynentów. Wyrywkowe badania pozostałych, niezbadanych jeszcze bezpośrednio (choć badanych przez inne firmy) stref możliwej koncentracji hydratów wskazują, że światowy potencjał gazu naturalnego zawarty w pokładach hydratów dla całej planety wynosi między 7 tys. a 50 tys. tcf, t.j, od 2*1014 do 1.5*1016 m3. Ogrom tej ostatniej liczby może nam uzmysłowić fakt, iż gdyby uwolniono taką ilość gazu, to przy grubości warstwy 1 km, mogłaby ona tworzyć koło o promieniu 2200 km. Nie dziwi zatem, że potęgi ekonomiczne i polityczne przywiązują wielką wagę do badań i odkryć zasobów hydratów, a także do powstania odpowiednich technologii w tej dziedzinie.

6.3. Hydraty jako konkurencyjny sposób transportu gazu.

Jednym ze sposobów transportu gazu w postaci hydratów są rurociągi. Wymaga to rozwinięcia trochę odmiennej technologii w porównaniu do rurociągów ropy czy gazu. Inną z możliwości jest hydratyzacja gazu do postaci najbardziej skondensowanej (t.j minimalna ilość cząsteczek wody) - i przesyłanie transportem morskim na duże odległości. Obecnie transport gazu do Europy w postaci LNG jest już konkurencyjny cenowo w porównaniu do gazu otrzymywanego z rurociągów dalekiego zasięgu [6]. Jednocześnie zaczęto poważnie liczyć wszelkie koszty transportu rurociągowego (również zaspokajanie żądań właścicieli gruntów oraz godziwe opłaty tranzytowe dla państw, przez które przechodzi rurociąg, nie zaś podstawionych firm). Transport hydratowy może być tańszy.

Można też użyć hydratów do transportu morskiego, zamiast LNG.

Hydraty można transportować nie w temperaturze -160 oC (jak LNG), lecz tuż poniżej zera oC. Obniża to w sposób zasadniczy cenę statku. Transport w postaci hydratów zmniejsza też ew. niebezpieczeństwo wybuchu czy zamachu terrorystycznego na statek. Jak ocenia Krasoń [8], koszt transportu gazu statkami przy użyciu hydratów na standartowych trasach byłyby o 24 - 30 % niższe od przewozu LNG. Warto przyjrzeć się tej sprawie bliżej.

7. ENERGETYKA WODOROWA

7.1. Cechy i zalety

Ogromne zasoby energii Słońca dostępne na Ziemi (szerzej - p. [15]) najłatwiej będzie transportować, magazynować i używać w postaci wodoru. Jest to niezwykle elastyczny i wygodny nośnik energii. Technologie jego wykorzystania rozwinęły się głównie dzięki programom kosmicznym. Powszechna dostępność i nieograniczone zasoby tej energii czynią ją bardzo "demokratyczną".

Jedną z ciekawszych propozycji uzyskiwania wodoru jest użycie biomasy, bezpośredniego produktu energii Słońca. Ogólnie proces można zapisać następująco:

CH1,37O0,6+H2O(g)+ciepło CO2+H2

Sprawność energetyczna procesu wynosi ok. 75%. Koszt uzyskania wodoru przy użyciu tej metody na razie jest o kilkanaście procent wyższy, niż z węgla kamiennego.

7.2. Wodór ze Słońca.

Istnieje też projekt zbudowania na płaskowyżu Tinheret w Algerii ogromnej słonecznej instalacji do produkcji wodoru, [12]. Na powierzchni około 2500 km2 ma zostać wybudowana elektrownia słoneczna. Pozyskiwany z niej prąd elektryczny umożliwiałby wyprodukowanie wodoru. Następnie wodór byłby przesyłany do Niemiec rurociągiem o średnicy 2 m i długości 3300 km (w tym 200 km pod morzem). Maksymalna prędkość przesyłu to 7,6106 m3 H2/h czyli 13 PJ/h. Całkowite koszty inwestycyjne wahają się w granicach 20 mld. DM. Na powierzchni globu ziemskiego istnieją obszary pustynne o powierzchni około 600 tys. km2 o bardzo dobrych warunkach do przetwarzania promieniowania słonecznego na inne nośniki energii. Łącznie obszary te mogą dostarczać rocznie około 3,81013 m3 wodoru, czyli 64 tys. EJ/a. Są to liczby ogromne:

W jednym z wariantów ma być zbudowana instalacja PV złożona z ok. miliarda modułów, w innym instalacja zbudowana z wież słonecznych zawierających łącznie 2,7106 heliostatów (zwierciadeł odbijających promienie Słońca zawsze w tym samym kierunku). Instalacja, pracując 3620 h w ciągu roku, wytwarzać ma 63 tys. GWh energii elektrycznej. Przykład trzeci dotyczy instalacji składającej się z 1106 luster parabolicznych. W tym wypadku roczna produkcja energii to 60 tys. GWh przy 2315 h pracy w ciągu roku. Koszty instalacji, uwzględniające wydajność tych urządzeń, są największe dla ogniw fotowoltaicznych oraz najmniejsze dla luster parabolicznych.

Dostosowanie rurociągów metanowych do przesyłu wodoru wiąże się z dwoma ważnymi zagadnieniami: (1) z technologicznego punktu widzenia, prace dotyczą modyfikacji lub wymiany pewnych elementów instalacji (zawory zamykające, zawory redukujące ciśnienie, szczelność spawów itp.), (2) z ekonomicznego punktu widzenia, pojemność sieci przesyłowej w przeliczeniu na energię ulega zmniejszeniu.

Wiele scenariuszy (np. publikacje badaczy Boston Energy Stockholm Institute) ukazują możliwość zupełnego odejścia od energii rozszczepienia w ciągu ćwierćwiecza. Możliwe i konieczne jest zrezygnowanie z energetyki nośników kopalnych w ciągu obecnego wieku. Takie warunki brzegowe dają stabilne (nieoscylacyjne) rozwiązania równań scenariuszy.

Słońce jest stabilnym i dostatecznym źródłem energii dla ludzi. Wodór może być najwygodniejszym nośnikiem energii Słońca, a hydraty metanu najlepszym naszym łącznikiem do tej epoki.

8. Podsumowanie

Należy sobie postawić pytanie, czy niezawisłość jakiegoś kraju, w naszym wypadku Polski, jest walorem istotnym? Wiele grup związanych z władzą w różnych krajach odpowiada, szczególnie swymi czynami, negatywnie na tak postawione pytanie. Niniejsze rozważania skierowane są głównie do osób, które na to pytanie odpowiadają pozytywnie. Istotne jest, by podstawowe, strategiczne decyzje można było podejmować w gremiach, dla których dobro Polski i Polaków jest wartością nadrzędną. Od wszystkich, a szczególnie osób o innych priorytetach domagać się możemy argumentów merytorycznych. Przedstawienie takich argumentów jest miarą wiarygodności i uczciwości dyskutantów oraz pożyteczności dyskusji.

Państwa, których elity rządzące pragną zachować zdolność do samodzielnych decyzji, starannie pilnują, by ich gospodarki miały zapewniony stabilny i stały dostęp do różnorodnych nośników energii pierwotnych. Przestrzegają też zasady, by w przypadku nośników importowanych, konkretny nośnik dostarczany był z różnych kierunków. W przypadku gazu i podobnych nośników (ropa, w niedalekiej przyszłości wodór), takim wymogiem dla krajów Unii Europejskiej jest, by z jednego kierunku importowano nie więcej niż 25-30 %. Ta zasada zapewnia bezpieczeństwo energetyczne kraju i eliminuje możliwość nacisków czy szantaży ze strony eksportera - monopolisty. Służy również do korzystania ze zdrowej konkurencji między państwami i firmami oferującymi te nośniki.

W Polsce jednoznacznie sformułowano tę zasadę w Założeniach Polityki Energetycznej Państwa w r. 1990 [13]:

Należy zwiększyć import gazu, i to przede wszystkim z kierunków innych niż ZSSR. Obecny stopień naszego uzależnienia od ZSRR powoduje, że w przypadku zakłóceń dostaw importowych zagrożone jest bezpieczeństwo krajowego systemu gazowniczego. Poza tym dywersyfikacja kierunków importu polepszy pozycję Polski w negocjacjach ze Związkiem Radzieckim, który prawdopodobnie - mimo wszystko - pozostanie przez długi czas naszym głównym dostawcą.

Pisze się tam również: Gospodarka polska będzie w stanie zaabsorbować do roku 2000 ... w scenariuszu wysokim 12 mld m3, w tym ok. 5 mld (m3) gazu LNG.

Była to zasada strategicznie korzystna dla zachowania niezawisłości państwa i narodu polskiego, oraz zgodna z zasadami państw EWG, później Unii Europejskiej. Niestety - dotąd (koniec 2002r.) nie została zrealizowana.

8.1. Wnioski dla Wielkiej Syntezy w Polsce.

Tak wyglądają perspektywy bezpieczeństwa energetycznego naszej cywilizacji.

9. Literatura.

  1. "Cedigaz", Nafta & Gaz Biznes, wrzesień 1997, str. 50

  2. J. Doerfer, Morski transport skroplonych surowców gazowych luzem, Rurociągi nr 1-2/98, str. 3

  3. W. Michałowski, Tranzytowy przekręt stulecia, Wyd. Odysseum, W-wa, 1997

  4. J. Tokarzewski, Perspektywy dostaw gazu ziemnego... Dodatek reklamowy "Rzeczypospolitej", 12. XI. 1997

  5. Centrum Informatyki, Ceny gazu ziemnego w Europie w 1996r., Rurociągi nr 3/97, str.2

  6. A. Avidan, R. Gardner, D. Nelson, & E. Borelli, Tam, gdzie rurociągiem za daleko: LNG, Nafta & Gaz Biznes, luty 1998, str. 73

  7. J. Krasoń, Study of 21 marine basins indicates wide prevalence of hydrates, Offshore, Aug.1994

  8. J. Krasoń, Methane hydrates impetus for reasearch and exploration, Offshore, March 1999, str. 76, nast.

  9. J. Krasoń, Industry considers difficulty, cost of pursuing hydrates, Offshore, April 1999 str. 96, 162 nast.

  10. M. Dakowski, Geopolityczne uwarunkowania dywersyfikacji dostaw surowców energetycznych, I Sympozjum "LNG Poland,98", 24-26 czerwca 1998, Jastrzębia Góra

  11. Veziroglu T. N., Smith D.: Słońce i wodór niewyczerpalne źródła energii, 1993.

  12. Winter C. J., Nitsch J.: Wasserstoff als Energietrger, Springer - Verlag 1986.

  13. Założenia polityki energetycznej Rzeczypospolitej Polskiej 1990-2010, Ministerstwo Przemysłu, sierpień 1990.

  14. Schmidtchen U., Behrend E.: Auf dem Weg zur Wasserstoffenergie, Berlin 1997.

  15. M. Dakowski, Perspektywy energetyki: Słońce, wodór, hydraty, "Rurociągi" nr.4, 2001r.

  16. "Płonący lód", Świat Nauki (Scientific American), luty 2000r.

 

Prof. dr hab. Mirosław Dakowski
Fizyk rozszczepienia, energo-analityk
Kierownik Zakładu Energii Odnawialnych
Akademia Podlaska, Siedlce

 

1 tcf : skrót od "tryllion of cubic feet", czyli =1012 stóp sześciennych. 1 tcf=28 mld. m3