Dekarbonizacja przemysłu staje się globalnym faktem. Nie brakuje głosów, że zmiany klimatyczne są widoczne „gołym okiem” i z tego powodu ograniczenie emisji CO2 jest koniecznością. Z tego powodu w dniach 16-23 marca 2024 izba Gospodarcza Gazownictwa we współpracy z firma Langas zorganizowała wyjazd studyjny do Japonii w celu zapoznania członków Izby z doświadczeniami Japonii w kierunku dekarbonizacji przemysłu energetycznego.
Poniżej relacja z wizyt w odwiedzanych miejscach.
Wizyta techniczna w Elektrowni Nakoso IGCC (Integrated Gasification Combined Cykle) Power Plant. Głównym udziałowcem jest firma Mitsubishi. Pozostali udziałowcy mniejsi to Tokio Electric i Joban Joint Power. Elektrownia zlokalizowana jest w pobliżu miasteczku Iwaki w prefekturze Fukushima. Jest to faktycznie elektrownia, dla której pierwotnym paliwem jest węgiel kamienny. Elektrownia ta powstała w 2016r., po katastrofie spowodowanej falami Tsunami w Elektrowni Jądrowej Fokushima i spowodowanie w ten sposób skażenia terenu. Przed tą katastrofą ten region Japonii był regionem typowo rolniczym gdzie uprawiano głównie ryż. Niestety skażenie terenu spowodowało, że teren ten już na zawsze przestał być terenem rolniczym. Pomimo, że w ramach przywracania tego terenu do ponownego zamieszkania Rząd Japonii zdecydował o zerwaniu wierzchniej warstwy gleby na głębokość co najmniej kilkunastu centymetrów, to jednak teren ten pozostał terenem typowo przemysłowym i z tego powodu podjęta była decyzja o założeniu i ulokowaniu na tym terenie Elektrowni Nakoso IGCC. Teren ten jest też dziś terenem bardzo słabo zaludnionym jak na warunki japońskie. Po katastrofie Rząd Japonii zdecydował o przeniesieniu ludności z tych terenów a po „rekultywacji” skażonych obszarów wróciło tutaj niespełna 10% pierwotnych mieszkańców.
Elektrownia Nakoso IGCC uważana jest za jedną z najnowocześniejszych i najwydajniejszych elektrowni węglowych. Wydajność netto to ok. 48%. Jak na warunki japońskie jest to elektrownia mała. Łączna moc to 550 MW. W elektrowni tej węgiel pochodzący z importu jest raczej przetwarzany w energię elektryczną niż spalany. Dzienne zapotrzebowanie na węgiel to ok. 3400 ton/dzień, który trzeba codziennie dostarczyć ciężarówkami z portu oddalonego od elektrowni o kilkanaście kilometrów. Węgiel najpierw jest rozdrabniany i wstępnie osuszany. Następnie poddaje się go zgazowaniu (azot – 50%, tlenek węgla – 30%, wodór – 10%, siarkowodór – 5%, siarkowodór jest usuwany ze składu gazu przed jego dalszym przetwarzaniem na energię elektryczną) i wytworzone w ten sposób paliwo gazowe jest dopiero paliwem dla turbiny gazowej. Powstające gazy spalinowe mają bardzo wysoką temperaturę i dlatego wykorzystuje się je do wytwarzania pary wodnej, którą z kolei kieruje się na następną turbinę, tym razem parową. Jest to faktycznie układ gazowo-parowy pracujący na dwóch turbinach współosiowych (wg wyjaśnień gospodarzy).Te dwie turbiny wytwarzają prąd elektryczny. Skojarzony układ gazowo-parowy pozwala na optymalne wykorzystanie ciepła odpadowego w całym procesie i w ten sposób zmniejszenie emisji CO2 o około 15%. Bardzo niskie są na tym obiekcie emisje NOx i SOx, wynoszące odpowiednio 3-4 ppm i 0,3-0,2 ppm (dane z dnia wizyty). Tlenki azotu eliminuje się poprzez reakcje katalityczne z amoniakiem na katalizatorze platynowym a tlenki siarki wymywa się na mokro uzyskując przy tym jeszcze produkt uboczny do produkcji płyt gipsowo-kartonowych.
Wizyta techniczna w Fukushima Hydrogen Energy Research Field (FH2R). Jest to aktualnie największa na świecie instalacja do produkcji wodoru wykorzystująca energię odnawialną, czyli w przypadku tego obiektu farmę fotowoltaiczną o mocy 10 MW. Obiekt znajduje się w prefekturze Fukushima w Japonii. Niniejszy projekt (FH2R) rozpoczęto we wrześniu 2016r. Budowę instalacji pilotażowej rozpoczęto w sierpniu 2018r a ukończono i próbnie uruchomiono w marcu 2020r. Instalacja może wyprodukować 1200 Nm3 wodoru na godzinę, czyli ok. 180 kg/h. Została założona wspólnie przez NEDO (New Energy Development Organization, Organizację Rozwoju Nowej Energii i Technologii Przemysłowych), Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation, Tohoku Electric Power i Iwatani Corporation.
Instalacja powstała jako instalacja pilotażowa, która miała na celu:
- opracowanie modelu biznesowego wykorzystania zielonego wodoru w Japonii, oraz
- optymalizację nowego system wytwarzania i wykorzystania wodoru w zależności od jego zapotrzebowania ,
- osiągnięcie łańcucha dostaw odpowiedniego paliwa zdolnego prowadzić do dekarbonizacji atmosfery w energetyce.
Na instalacji znajdowały się też zbiorniki do przechowywania wytworzonego wodoru. W dniu wizyty instalacja jednak nie pracowała z powodu braku zapotrzebowania w danym momencie na tego typu wodór.
Wizyta techniczna w Fukushima Natural Gas Power Plant. Obiekt zlokalizowany jest przy porcie/terminalu SOMA LNG. W całości jest to instalacja łącząca elektrownie gazową z Terminalem odbiorczym LNG. Zarządzana jest przez spółkę Fukushima Gas Power Corporation, która ma faktycznie pięciu udziałowców, z których największym jest JAPEX Co. (Japan Petroleum Exploration Co. Ltd.). Obiekt rozpoczęto budować w 2015 r. a uruchomienie nastąpiło w 2020r.
Instalacja wykorzystuje w cyklu kombinowanym turbinę gazową (GTCC, Gas Turbine Combined Cycle), dla które paliwem jest gaz ziemny pochodzący z regazyfikacji LNG z gazoportu będącego częścią obiektu, z turbiną parową gdzie do wytworzenia pary w generatorze pary wykorzystuje się ciepło spalin pierwszej turbiny. Ciepło odpadowe ze skroplin po turbinie parowej wykorzystuje się jeszcze do regazyfikacji LNG. W ten sposób optymalnie zarządza się energią. Wydajność netto obiektu sięga 61%.
Sumaryczna moc wyjściowa elektrowni to 1,18 GW – dwa bloki po 0,59 GW każdy. Elektrownia ma bardzo małe poziomy emisji NOx i SOx wynoszące w dniu wizyty praktycznie ułamki ppm, jak przystało na elektrownię gazową.
Na obiekcie są dwa zbiorniki LNG w gazoporcie o objętości 230 tys. m3 każdy. Zwykle jeden zbiornik jest wykorzystywany na potrzeby zespołu elektrowni a drugi do regazyfikacji LNG do sieci gazowej.
Prezentacja JH2A (JAPAN HYDROGEN ASSOCIATION – Japońska izba Wodorowa), utworzona w kwietniu 2022r. JH2A zaprezentował Kazuki Yamamura, członek Komitetu Regulacji w JH2A.
Głównym celem istnienia i działania JH2A jest budowa i promocja szeroko pojętej społeczności wodorowej w Japonii, poprzez:
- promocję wodoru i tworzenie zapotrzebowania na wodór,
- redukowanie łańcucha kosztów w zapotrzebowanie na wodór poprzez wdrażanie różnego rodzaju rozwiązań innowacyjnych,
- zapewnianie źródeł finansowania w projektach wodorowych – poszukiwanie funduszy na projekty.
Zarząd JH2A składa się z 25 członków z wybranych firm członkowskich. Wszystkich firm członkowskich jest (marzec 2024) 413., m.in. tak duże i znane firmy japońskie jak: Toyota, Kawasaki, Kubota, Chiyoda, Toshiba, Air Liquide (Jap), Panasonic, Marubeni, Mitsubishi (kilka niezależnych firm z GK Mitsubishi), Iwatani, i in.
Struktura stowarzyszenia: Zgromadzenie Ogólne, Zarząd, pięć Komitetów Sterujących: 1 – Komitet Wdrożeń, 2 – Komitet Regulacji Wewnętrznych, 3 – Komitet Regulacji Zewnętrznych, 4 – Komitet „Zielonego Wodoru”, 5 – Komitet Finansowy. Pracę JH2A koordynuje Sekretariat (ok. 20 osób).
Cel nadrzędny JH2A jest taka promocja gospodarki wodorowej aby w 2030r osiągnąć w Japonii emisję CO2 na poziomie 3,4kgCO2/kgH2, co oznaczałoby redukcję wodoru otrzymywanego z konwersji parowej dwutlenku węgla o 70% [1]. Oznaczałoby to, że od roku 2020 do roku 2040 Japonia musi zwiększyć zapotrzebowanie na wodór o ok. 1 mln ton wodoru corocznie.
JH2A aby osiągnąć założony cel będzie tez promować: produkcję dóbr preferując nowe technologie niskoemisyjne, projekty CCS (w Japonii i w innych krajach), aktywny udział firm i instytucji japońskich w kierunku tworzenia odpowiednich standardów – głównie ISO (JH2A jest członkiem Podkomitetu SC01 utworzonego w XII 2022 przy Komitecie Technicznym OSO nr TC197 – Hydrogen technology), tworzenie międzynarodowego systemu certyfikacji wyrobów z wykorzystaniem H2 i redukcją emisji CO2, kojarzenie współpracy akademia-przemysł (promocja nowych projektów pro-wodorowych i dekarbonizacyjnych).
W jaki sposób JH2A promują wewnętrzne (JAP) zapotrzebowanie na wodór:
- poprzez p[romocje małej energetyki wodorowej (domowe urządzenia gazowe zasilane wodorem; w roku 2021 było ich 420 tys. natomiast do roku 2030 przewiduje się ich liczbę na ok. 3 mln.),
- promocja pojazdów (samochodów, maszyn rolniczych, maszyn budowlanych) z napędem wodorowym; aktualnie w Japonii jest 194 stacje tankowania wodoru a w 2030 przewiduje się, że będzie ich ok. 1000; aktualnie w Japonii jest ok. 8 tys. samochodów z napędem wodorowym (Fuel Cell, ogniwa paliwowe)
Przewidywany duży wzrost pojazdów samochodowych z napędem wodorowym poprzez ogniwa paliwowe zdaniem JH2A będzie powodował tym samym rozwój technologii związanych z samymi ogniwami paliwowymi na całym łańcuchu ich istnienia.
Wizyta techniczna w Chiyoda Corporationima. (Instalacja pilotazowa MCH-T). Chiyoda Corporation to firma chemiczno-inżynierska dostarczająca na rynek nowoczesne rozwiązania, nowe technologie, od 1948r. Aktualna misja firmy to: „Przemysł i Środowisko we wzajemnej harmonii”. Firma od początku istnienia pokrywa łańcuch źródeł energii, który od 1948r ewoluuje w kierunku węgiel-ropa-gaz-źródła odnawialne. Firma uznawana jest za prekursora, który pokazał i zrealizował w praktyce pełen łańcuch dostaw wodoru od wytworzenia po utylizację (w latach 2015-2020).
Bardzo istotnym osiągnięciem firmy jest opracowanie elementu bezpiecznego transportu wodoru do Japonii w postaci chemicznej, bazując na reakcji:
Metylocykloheksan (MCH) ® (transport tankowcami) ® Toluen (TOL) + Wodór
Jak dotychczas metylocykloheksan Japonia pozyskuje w Królestwie Brunei, gdzie jest produkowany w rafineriach w wyniku przerobu produktów ropopochodnych. Substrat ten może być bezpiecznie transportowany do Japonii i tam rozkładany w wyniku procesu niskoenergetycznego (nawet egzotermicznego) na toluen i wodór. Toluen może być z powrotem zawrócony do miejsc jego uwodornienia znowu do metylocykloheksanu w sposób cykliczny. Proces ten pod względem energetycznym jest bardziej korzystny niż transport w postaci amoniaku. Całkowita wydajność energetyczna w pozyskaniu wodoru z zastosowaniem łańcucha transportu MCH/TOL wynosi 60%.
Czystość wodoru uzyskiwanego wg tej metody transportu jest bardzo wysoka (<99,8%) i jest porównywalna z wodorem transportowanym w postaci ciekłej (metoda transportu w postaci ciekłej jest jednak bardzo niebezpieczna).
Proces ten był już opisywany w roku 2018 w Przeglądzie Gazowniczym (D.Dzirba, G.Rosłonek, Przegląd Gazowniczy nr 4 (60), 2018).
Proces opracowywania metody transportu MCH-TOL odbywał się w latach 2002-2015. W Wykonano instalację pilotażowa i przetestowano metodę od strony procesowej w latach 2013-2020. Instalacja ta była dla skali od 50 do 300 Nm3H2/h. W roku 2025 przewiduje się pełną komercjalizację metody. Pierwsze pilotażowe transporty tankowcami z Królestwa Brunei do Japonii już się odbyły – rok 2022 (projekt transportu z formy AHEAD w Brunie do rafinerii ENEOS w Japonii; dystans do transportu ok. 5000 km).
Chiyoda Corporation rozważa utworzenie globalnych sieci transportu wodoru metoda MCH-TOL. Miedzy innymi w lipcu 2021r. podpisano w tej sprawie Memorandum z portem Rotterdam, który miałby stać się europejskim hubem do dystrybucji wodoru [2] w Europie. W dalszej przyszłości Chiyoda Corporation bierze pod uwagę możliwość transportu zielonego wodoru metoda MCH-TOL. Na ten moment nie ma na Świecie tak dużych instalacji do produkcji zielonego wodoru.
Prezentacja/wykład Prof. Mitsushima Shigenori z Uniwersytetu w Yokohamie nt gospodarki wodorowej (YNU – Yokohama National University).
YNU jest uczelnią młodą, założona w 1949r. Powstał w wyniku połączenia czterech niezależnych szkół wyższych. Jest to uniwersytet raczej niewielki. Studiuje na nim ok. 10 tys. studentów na dziesięciu kierunkach. Corocznie na YNU studiuje ok. 1 tys. studentów z zagranicy z ok. 75 krajów w wyniku różnych wymian studenckich.
W ramach wizyty technicznej uczestnicy mogli wysłuchać wykładu Prof. Mitsushima Shigenori z Wydziału Chemii i Inżynierii Materiałowej. Tytuł wykładu: „Podstawy technologii wodorowej w kierunku neutralności pod względem emisji dwutlenku węgla”.
Prof. M.Shinegori przedstawił na wykładzie cztery zagadnienia:
- Zwrócił uwagę na cykl obiegu materii na Ziemi oraz związane z tym emisje CO2.
- Przedstawił role wodoru i innych systemów energetycznych opartych na odnawialnych źródłach energii.
- Przypomniał właściwości wodoru i technologie jego wytwarzania.
- Omówił technologie magazynowania i transportu wodoru.
Wykład zakończony był konkluzjami, po czym miała miejsce interesująca dyskusja w postaci pytań uczestników i odpowiedzi Profesora.
Profesor zwrócił generalną uwagą uczestników, że powszechnie uważa się, że obieg materii i energii na ziemi związany jest z obiegiem wegiel-CO2, natomiast może być związany z układem wodór-tlen-woda gdzie eliminuje się emisje dwutlenku węgla.
Wodór nie jest aktualnie łatwym w użyciu paliwem ale na szczęście jest wiele sposobów na jego wytwarzanie. Elektroliza wody jest bardzo obiecującym sposobem wytwarzania wodoru zielonego/odnawialnego.
Ciekły wodór, ciekły amoniak, organiczne substancje chemiczne (MCH-TOL), czy wodorki metali, sa uważane za współczesne nośniki energii wodorowej. W zależności od różnych uwarunkowań społecznych te technologie transportu i magazynowania wodoru mogą być brane pod uwagę.
Prezentacja eksperymentu w firmie ISHIKAWA LABO Corporation (ILC)
Firma Ishikawa labo Corpration jest aktualnie bardzo małą firmą. Od wielu lat prowadzą eksperymenty związane z redukcją CO2 do wodoru z wykorzystaniem reaktorów plazmowych. Zgodnie z wyjaśnieniem na miejscu eksperymenty te pochłonęły znaczną część majątku rodziny Ishikawa, który był tez majątkiem firmy ILC.
Uczestnicy byli świadkami przeprowadzonego eksperymentu w celu pokazowym. Eksperyment przeprowadzony był w reaktorze plazmowym. W stalowym piecu, po uzyskaniu wstępnej próżni i podgrzaniu reaktora do ok. 600°C tworzyły się warunki do powstawania promieniowania elektromagnetycznego co było dodatkowo stymulowane metalicznym sodem, który najprawdopodobniej znajdował się we wnętrzu reaktora). Promieniowanie to jest w stanie wytwarzać stan plazmy z materii, która w tym reaktorze się znajdzie. Materią tą był napuszczony do wnętrza reaktora gazowy CO2 z zewnętrznej butli. Stan plazmy polega na utrzymywaniu się naładowanych i obojętnych cząstek elementarnych oraz zjonizowanych jader atomowych. Zdaniem inż. Ishikawy we wnętrzu reaktora był utrzymywany atomowy „C” oraz gaz atomowy „O”. Stan plazmy przeciwdziałał atomom węgla i tlenu do ponownej rekombinacji i dodatkowo atom tlenu ulegał dalszym przemianom jądrowym polegającym na wyodrębnianiu swobodnych protonów, neutronów i swobodnych elektronów. Neutrony w wyniku przemian b, także wnętrze reaktora po ok. 10 min. był wypełniony plazmą składającą się z protonów i elektronów, które rekombinowały do atomów wodoru a te z kolei do cząsteczek wodoru.
Wykonana na szybko analiza gazu poreakcyjnego metoda chromatografii gazowej GC-MS pokazała w produktach obecność „technicznego” wodoru.
Eksperyment wymaga dokładnej analizy i najprawdopodobniej będzie oddzielnie analizowany w ramach odpowiedniego zespołu w IGG i będzie przedstawiony w PG.
Warto dodać, że ILC posiada patent dotyczący opisanej powyżej metody przetwarzania CO2 do wodoru.
Wizyta w Muzeum Wodorowym w Tokio
Władze w Japonii, zarówno lokalne jak i Rząd, są wyjątkowo mocno nakierowane na promocje gospodarki wodorowej. W Tokio utworzono nawet Muzeum Wodorowe, które ma przybliżać mieszkańcom Japonii oraz turystom tajniki i założenia gospodarki wodorowej, w szczególności tajniki energetyki wodorowej.
Muzeum Wodorowe w Tokio zlokalizowane jest przy jednej ze stacji tankowania wodoru do autobusów miejskich. Wizytując muzeum można zrozumieć jak ważny jest aktualnie i będzie w przyszłości wodór dla gospodarki japońskiej i docelowo dla świata. W muzeum można naocznie obserwować proces elektrolitycznego wytwarzania wodoru w elektrolizerach a potem jego wykorzystania w ogniwach paliwowych do napędu różnego rodzaju pojazdów a także w różnego rodzaju domowych odbiornikach wodorowych. Podczas wizyty w muzeum odwiedzaj acy może się przekonać, że wodór jako taki, chociaż jest gazem wyjątkowo niebezpiecznym, to jednak w wyniku odpowiedniego, czyli ostrożnego traktowania może być bezpiecznym nośnikiem energii. Wystawy muzealne pokazują także jak w przyszłości może być wykorzystywany wodór pokazując w szczególności wielkie benefity środowiskowe w porównaniu z wykorzystywaniem paliw kopalnych.
Wizyta w muzeum kończy się pokazem tankowania autobusu (pojazdu) napędzanego wodorem.
Wizyta w Elektrowni Węglowej JERA w Hekinan
Jest to jedna z największych w Japonii elektrowni węglowych. Posiada pięć bloków energetycznych o łącznej mocy ponad 4 tys. MW. Paliwo do elektrowni jest dostarczane co kilka dni sześcioma statkami, głównie z Indonezji, które kursują wahadłowo. Przy elektrowni jest wybudowany port węglowy. Na jednym z bloków węglowych budowana jest pilotażowa instalacji współspalania amoniaku z węglem. Dla tego bloku (1000 MW) planuje się wprowadzać aż 20% amoniaku, co ostatecznie może prowadzić do ograniczenia emisji CO2 o te 20%. Instalacja amoniaku jest jeszcze w budowie. Amoniak będzie pozyskiwany z importu z reakcji Habera-Boscha, czyli z przetworzenia gazu ziemnego [3]. Projekt prowadzony jest od roku 2021 finansowany jest z grantu NEDO (Organizacji Rozwoju Nowej Energii i Technologii).
W przyszłości firma JERA Co. nie wyklucza inicjowania projektów, które polegałyby na bezpośrednim wyłapywaniu CO2 i późniejszej jego sekwestracji.
W elektrowni kładzie się szczególny nacisk na ochronę środowiska. Miejsca składowania węgla są toczone specjalnymi siatkami aby nie doprowadzać do rozprzestrzeniania się w powietrzu pyłu węglowego. Produkty odsiarczania węgla, głównie w postaci siarczanu wapnia, wykorzystuje się jako produkt odpadowy do produkcji materiałów budowlanych. Elektrownia monitoruje emisje SOx i NOx, które nie przekraczają kilku ppm.
KONKLUZJA
- W Japonii intensywnie wprowadza się rozwiązania powodujące dekarbonizacje gospodarki/przemysłu poprzez daleko posuniętą oszczędność w wykorzystaniu energii wytwarzanej z tzw. źródeł konwencjonalnych – poprzez optymalizację źródeł wytwarzania energii w postaci źródeł skojarzonych. Deklarowana oszczędność energii i emisji CO2 jest rzędu kilkunastu procent.
- W Japonii stawia się bardzo duży nacisk na pilotaże, które mają w realny sposób, w skali 1:1 dać przekonanie, że dane kierunki dekarbonizacji są poprawne – np. instalacja PV w połączeniu z baterią elektrolizerów do produkcji wodoru (FH2ER w prefekturze Fukushima), instalacja współspalania amoniaku – elektrownia JERA w Hekinan.
- W Japonii jest bardzo wysoka nadzieja, że wodór jest paliwem przyszłości. Aktualnie stawia się bardzo duży nacisk na rozwój technologii wodorowych – np. transport (ogniwa paliwowe), czy technologie do transportu wodoru (MCH/TOL). Wodór pozyskiwany jest na ten moment głównie z zagranicy z rafinerii przerabiających paliwa konwencjonalne. Znacznie mniej uwagi poświęca się nad całym łańcuchem dostaw wodoru w samej Japonii ze źródeł OZE. Na dzień dzisiejszy nie prowadzi się intensywnych prac:
- związanych z magazynowaniem ewentualnego wodoru z OZE w sieciach gazowych, oraz
- sekwestracji CO2.
[1] UWAGA – w Japonii wodór pozyskiwany jest głównie z importu, głównie z Królestwa Brunei (z reformingu parowego metanu), oraz z Australii (ze zgazowania węgla). W obydwu przypadkach jest to typowo wodór brązowy.
[2] Na ten moment byłby to wodór brązowy. Na ten moemnt nie przewiduje się wodoru zielonego transportowanego metoda MCH-TOL.
[3] Na ten moment nie jest to amoniak zielony