Działający od listopada ub. roku mikołowski reaktor - symulujący warunki zalegania złoża pod ziemią - wykonano z ogniotrwałego betonu. To prostopadłościan o długości ok. 5 m, szerokości ok. 3m i wysokości niespełna 2 m. Ostatnio uruchomiono go w środę w południe, o 15 po raz pierwszy został podany czynnik zgazowujący, czyli para. Czas tego eksperymentu zaplanowano na tydzień.
Wewnątrz reaktora umieszczono ważący ok. tony lity pokład węgla z kopalni "Piast" - o długości 2,5 m, a wysokości i szerokości ok. 80 cm. Do czoła urządzenia podłączono w jednym miejscu przewody doprowadzające tlen, parę lub - w razie konieczności gaszenia wkładu - azot. Z tyłu reaktora inny przewód odprowadza wytwarzany gaz.
W reaktorze - prócz zgazowania - przebiega m.in. proces spalania. W podwyższonej dzięki działaniu tlenu temperaturze węgiel reaguje tam z tzw. czynnikiem zgazowującym, w tym wypadku czystą parą. Produktem końcowym jest m.in. gaz, którego głównymi składnikami są - prócz sięgającego 60 proc. wodoru - tlenek węgla oraz metan.
Reaktor rozpoczął w środę pracę cykliczną - podczas trwającej ok. 10 min fazy podawania tlenu (ok. 5 m sześc. na minutę) temperatura wewnątrz dochodzi do ok. 1100 stopni Celsjusza. Później, przy podawaniu pary, temperatura spada do ok. 500 stopni. Ciśnienie w reaktorze cały czas nieznacznie przewyższa ciśnienie atmosferyczne.
Wychodzące z reaktora gazy - z tym większą zawartością wodoru im wyższa temperatura złoża - są zanieczyszczone. W separatorach oddzielana jest nieprzereagowana para i cząstki stałe m.in. smoły. Dalej gazy trafiają m.in. do linii chromatograficznej, badającej co 15 minut ich skład. Potem są uwalniane - do atmosfery.
Cały reaktor obłożono instrumentami pomiarowymi - m.in. 25 termoparami umieszczonymi co 15 cm. Eksperymenty na razie prowadzone są na powierzchni, ze względu na ograniczone możliwości prowadzenia pod ziemią dokładnych pomiarów - m.in. parametrów termodynamicznych zachodzącego procesu.
Reaktor, prócz pracy cyklicznej, może również pracować w sposób ciągły - gdy para wodna i tlen podawane są jednocześnie. Ta metoda, mimo że również dostarcza dużo wodoru, skutkuje równoczesnym powstawaniem znacznych ilości niepożądanego dwutlenku węgla. Jeden eksperyment trwa kilka tygodni - samo wygaszanie reaktora zajmuje ok. 20 dni.
Wyniki uzyskane na powierzchni pozwolą na prawidłowe zaprojektowanie eksperymentów pod ziemią - w skali rzeczywistej. Zaplanowano je na jesień tego roku. Zostaną poprzedzone jeszcze czterema próbami w reaktorze na powierzchni. Prócz węgla z kopalni "Piast", wykorzystane będą bloki o tych samych wymiarach z kopalni "Bielszowice" oraz jednej z kopalń węgla brunatnego należącego do koncernu BOT.
Eksperymentalne zgazowanie węgla pod ziemią będzie prowadzone również na terenie "Barbary". Kopalnia dysponuje własnymi pokładami na poziomie 30 metrów - o miąższości, czyli grubości ok. 2 metrów. Wyznaczono tam pole długości 16 metrów, gdzie odbędą się prawdopodobnie dwa eksperymenty.
Podziemny reaktor nie będzie wkładanym pod ziemię urządzeniem - lecz fragmentem złoża, w którym będzie prowadzone zgazowanie. Najpierw złoże będzie pod ziemią rozpalane - a następnie doprowadzany będzie czynnik zgazowujący. Docelowo w złożach będzie można zakładać takie reaktory obok siebie, by maksymalnie wykorzystać istniejące pokłady.
Według naukowców z GIG podczas prowadzenia takich eksperymentów istnieje teoretyczne niebezpieczeństwo związane z pracą z gazami, w których zawartość tlenku węgla dochodzi do 30 proc. Zagrożenie minimalizowane jest jednak dobrym rozpoznaniem geologicznym i hydrogeologicznym, potrzebnym również by nie zanieczyścić np. wód podziemnych.
Z reaktora powierzchniowego naukowcy otrzymują na razie ok. 10-12 m sześc. gazów z wysoką zawartością wodoru w ciągu godziny. Podczas eksperymentów podziemnych, wartość ta będzie 15 do 20 razy większa. Obecnie gazy - po przebadaniu - odprowadzane są do atmosfery. Uzyskiwane spod ziemi - będą spalane w tzw. pochodni.
Badania GIG służą ustaleniu warunków, w których podczas zgazowania produkowana jest maksymalna ilość wodoru. Prócz tego procesu w reaktorze jednocześnie zachodzą też inne - odgazowania czy skoksowania węgla. Naukowcy wskazują jednak, że ewentualne odzyskanie ich rezultatów z wygaszonego złoża będzie niemożliwe- m.in. ze względów bezpieczeństwa.
Według Kapusty, zgazowanie węgla w złożu nie jest na razie uniwersalnym rozwiązaniem, mogącym wyprzeć w najbliższej przyszłości tradycyjne wydobycie węgla. "Ta technologia nastawiona jest raczej na pokłady słabszej jakości, gdzie nie dobralibyśmy się metodami górniczymi, lub bezpieczeństwo robót byłoby niskie" - ocenił ekspert.
Eksperci podkreślają, że na razie ich wyniki są niepełne. Trudno więc mówić o wyciąganiu na tej podstawie wniosków co do opłacalności przemysłowej produkcji wodoru w drodze zgazowania węgla w złożu. Wstępne wyniki wskazują jednak m.in., że uzyskiwany dotychczas podczas eksperymentów gaz najlepiej nadaje się do syntezy chemicznej i produkcji np. paliw płynnych.
Innowacyjność projektu HUGE polega na ukierunkowaniu podziemnego zgazowania węgla na produkcję gazu bogatego w wodór. Technologia ta ma być kluczowa dla przyszłości górnictwa węglowego, zaspokajając jednocześnie zapotrzebowanie na energię, surowiec dla przemysłu chemicznego i paliwo dla środków transportu.
Podsumowanie Ekonomia i ekologia
Polskie projekty mają szanse podbić Europę, ponieważ dysponuje ona wielkimi zasobami węgla brunatnego (zalegającego pod powierzchnią ziemi od 100 do 300 m) oraz węgla kamiennego na dużych głębokościach (poniżej kilometra). Ich udostępnienie dla potrzeb klasycznych technologii wydobywczych staje się coraz mniej opłacalne. A nikt nie chce marnować surowców energetycznych. Trzeba szukać efektywnego ekonomicznie i ekologicznie sposobu ich wykorzystania. Naukowcy twierdzą, że bezpośrednie zgazowanie pokładów węglowych do gazu energetycznego (zasilającego turbiny), gazu syntezowego (dostarczających mieszaninę wodoru i tlenku węgla do syntez chemicznych) lub do substytutu gazu ziemnego (metanu) może stanowić atrakcyjną alternatywę dla dotychczasowego górnictwa.
Eksperyment w Barbarze
W trwającym dwa tygodnie eksperymencie w kopalni Barbara, prowadzonym w złożu 30 m pod ziemią, z ok. 15 ton węgla uzyskano blisko 60 tys. m sześc. gazu o parametrach zbliżonych do używanego przed laty gazu koksowniczego. Gaz płonął w pochodni na powierzchni, ale gdyby go uchwycić, wystarczyłby na ogrzanie przez rok 10 domków jednorodzinnych. - Nie był najwyższej jakości, ale naszym głównym celem było zapanowanie nad podziemnym procesem - mówi prof. Dubiński. Trzeba umieć go zatrzymać i podrasować. Należy też zbadać kwestię bezpieczeństwa i wpływu na środowisko. - Kolejne doświadczenia będziemy prowadzić na wydzielonym węglowym polu w czynnej kopalni Wieczorek w Katowicach - zapowiada dyrektor GIG. Prof. Stańczyk mówi, że ta próba zgazowania prowadzona była w otamowanym miejscu i nie mogła wymknąć się spod kontroli: - W warunkach rzeczywistych, a nie eksperymentalnych, takiej pewności już nie będzie.
W reaktorach na powierzchni węgiel jest specjalnie dobierany, można sterować ciśnieniem, mediami zgazowującymi i temperaturą. W georeaktorze mamy do czynienia z chaotycznym procesem. Zapanowanie nad nim będzie kluczem do sukcesu.
Na początku eksperymentowano w czynnych kopalniach - wtedy największym problemem, oprócz kontroli procesu, było odizolowanie tej części kopalni od pracujących górników. Z biegiem lat zaczęto stosować metodę wiercenia otworów - takich jak przy wydobyciu gazu - i łączenia ich pod ziemią wierceniami kierunkowymi. Trochę instalacji i elektrownia na powierzchni - tak będą wyglądać przyszłe kopalnie. Bez wież wyciągowych, chodników i umorusanych górników.
Ale pojawiają się kolejne kłopoty: w miejscu georeaktora powstaje podziemna komora - kawerna. Jeżeli pokład jest niski, to nie ma problemu, jeżeli pustka jest olbrzymia, to traci się kontrolę nad przepływem wtłaczanego tlenu lub pary wodnej. - Należałoby sukcesywnie ją zapełniać jakimiś materiałami - mówi prof. Palarski. Tak jak w tradycyjnym górnictwie wyrobiska tzw. podsadzką. Były przypadki zapadania się gruntu nad kawernami i powstawania szkód na powierzchni.
Gaz i ciepło
Ostatnie badania australijskie szły w dwóch kierunkach: uzyskania w podziemnych procesach gazów syntezowych - a z nich paliw płynnych, albo do wytwarzania energii elektrycznej w turbinach gazowych. Prof. Stańczyk uważa, że w polskich warunkach należy pójść tą drugą drogą. Australijczycy, którzy przez kilka lat w jednym miejscu prowadzili proces zgazowania, nie chwalą się, jak to wpływa na koszty wytwarzania energii. - Nieoficjalnie dowiedziałem się, że wychodziło im 4-5-krotnie taniej niż przy tradycyjnym wydobyciu węgla, transporcie i jego spaleniu w elektrowniach. No i odpadają też koszty budowy kopalń.
Zgazowując węgiel zmierzamy więc ku taniej energii. Ale dla prof. Palarskiego to jeszcze za mało. W czasie ostatniego pobytu w Chinach oglądał instalację, którą gaz wypływa na powierzchnię. Była rozgrzana do 90-120 st. C. - Gaz niesie ze sobą określoną porcję ciepła, którą trzeba na górze wykorzystać. Jego zdaniem, podziemne technologie będą miały rację bytu, kiedy wykorzystywać będziemy nie tylko gaz, ale i ciepło. - Może nawet z palącego się pod ziemią węgla.
A
Podstawowymi surowcami w procesie zgazowania mogą być w zasadzie wszystkie naturalne lub sztuczne paliwa stałe. Współczesne metody zgazowania stosują z reguły jako surowiec małowartościowe węgle kamienne lub brunatne. Nawet możemy wykorzystywać poza nielicznymi wyjątkami węgle najgorsze a więc zapopielone, nieposiadające własności koksujących i bardzo drobne. Otrzymany z takiego surowca gaz jako paliwo uszlachetnione daje się stosunkowo łatwo uwolnić od wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń (S, CO2, NO itp.).