Kolentechnologie
Achterhaald of nieuw speerpunt?
De belangrijkste inputs van de hedendaagse energieproduktie zijn olie en gas. De
wereldolie- en -gasvoorraad is echter niet onbeperkt. Op een gegeven moment zal dus
moeten worden uitgekeken naar andere energiebronnen. Het probleem daarbij is dat
kernenergie riskant is, en kolen milieuvijandig. De laatste tijd is veel onderzoek gedaan
naar een milieuvriendelijker toepassing van kolen. In dit artikel wordt betoogd dat deze
toepassing bovendien kostenefficient is. De auteurs concluderen dat het de hoogste tijd is
dat Nederland op dit terrein stappen onderneemt.
IR. H.Y. BECHT* – IR. C. DAEY OUWENS** IR. J.W. STORM VAN LEEUWEN***
Er zijn grote voorraden kolen, goed gespreid over de wereld, en de produktiekosten ervan zijn laag. De milieubezwaren van kolen zijn echter groot: zure regen, vliegas,
slak en CO2. Het verstoken in grote conventionele elektriciteitscentrales is eigenlijk de enige verantwoorde toepassing, en ook daarvan worden de kosten steeds hoger door
de noodzakelijke milieumaatregelen. De klassieke kolen(verbrandings-)technologie lijkt haar langste tijd te hebben
gehad. De nieuwe kolentechnologie beoogt de milieuhygienisch verantwoorde toepassingsmogelijkheden van kolen te vergroten. Deze technologie kan zeer belangrijk
worden voor Nederland.
Als antwoord op de dreigende schaarste aan olie en gas
hebben de oliemaatschappijen reeds vele jaren grote bedragen in de vergroting van hun kolenbelangen gei’nvesteerd. Ontginning en handel zijn al voor een belangrijk
deel in hun handen. Ook aan de ontwikkeling van moderne
kolentechnologie hebben zij hard gewerkt. Het ziet er naar
uit dat op dit punt in de nabije toekomst belangrijke ontwikkelingen gaan plaatsvinden. Deze ontwikkelingen zijn bij
uitstek belangrijk voor de economie en de energievoorziening van Nederland met zijn uitstekende aanvoer-, overslag-, raffinage- en transportmogelijkheden voor fossiele
brandstoffen.
In dit artikel wordt nader ingegaan op de economische
kanten van de moderne kolentechnologie en de te verwachten ontwikkelingen. Het is gebaseerd op bijdragen
aan een CTA-studie (Constructive Technology Assessment) 1) en aan een deelstudie van het onderzoek naar de
energievoorziening van Nederland op de lange termijn dat
door Krekel, Van der Woerd, WOuterse b.v. is uitgevoerd
2)-
De kolenraffinaderij van de toekomst
De verwerking van kolen zal in de (verre) toekomst
plaatsvinden in fabrieken die nog het meest zullen lijken
op de grote olieraffinaderijen. We zullen daarom ook spreken van een kolenraffinaderij. Een vergaande integratie
tussen kolen- en olieraffinaderijen is ook heel wel denkbaar, al was het maar omdat de restprodukten van een
olieraffinaderij, de zogenaamde zware residuen, die bij
verbranding een grote milieuverontreiniging veroorzaken,
tegelijk met de kolen op een milieuhygienisch verantwoorde wijze kunnen worden verwerkt. In dit kader zullen we
niet diep ingaan op de technische en milieuhygienische
kanten van de kolenraffinaderij. Voor een goed begrip van
de economische aspecten kan een korte beschrijving echter niet worden gemist.
Kolenvergassing zal hoogstwaarschijnlijk steeds de eerste en belangrijkste stap in het conversieproces zijn. Deze
eerste stap zal tevens de duurste stap in het raffinageproces zijn, omdat alle milieu- en technologische problemen
die met het gebruik van kolen samenhangen, in deze stap
optreden en dienen te worden aangepakt. Vanwege de
aanwezige verontreinigingen en de hoge temperaturen
worden bij voorbeeld aan de toegepaste materialen hoge
eisen gesteld, zowel in de vergasser zelf als bij de behandeling van de geproduceerde gassen (keeling, reiniging).
Het geproduceerde (synthese- of kolen-)gas heeft zeer
uiteenlopende toepassingsmogelijkheden, zoals:
– gebruik als stookgas of als grondstof voor groot-industriele toepassingen, op plaatsen waar nu aardgas wordt
ingezet; hieronder vallen onder meer ook warmtekrachttoepassingen;
– de bereiding van synthetisch aardgas (sng), in te zetten
als aanvulling op de aardgasvoorziening voor andere
dan (groot)industriele toepassingen;
– bereiding van koolwaterstoffen en/of methanol als
vloeibare brandstoffen;
– produktie van elektriciteit in een stoom- en gasturbine(steg-)centrale.
* Centrum voor Energiebesparing en schone technologie.
* * Provinciaal Bureau Energiebesparing Noord-Holland.
* * * Adviesbureau CEEDATA.
1) H.Y. Becht, C. Daey Ouwens, S.C. de Hoc en J.W. Storm van
Leeuwen, Kolenvergassing: het verbranden of vergassen van steenkolen voorde elektriciteitsproduktie, Ministerie van Onderwijs en Wetenschappen, Zoetermeer, 1986.
2) J.W. Storm van Leeuwen. H.Y. Becht en C. Daey Ouwens, Kolentechnologie in de 21ste eeuw, CEEDATA, Chaam, 1987.
Combinatie van de produktie van verschillende van de
hierbovengenoemde eindprodukten is heel goed mogelijk
en waarschijnlijk ook economisch aantrekkelijk. Naar onze verwachting zullen deze produkties daarom gecombineerd en gei’ntegreerd worden in een kolenraffinaderij.
Elektriciteitsproduktie zal waarschijnlijk steeds onderdeel zijn van de kolenraffinaderij, aangezien bij de verschillende conversiestappen restwarmte in de vorm van
hoogwaardige stoom beschikbaar komt, en omdat een
deel van het gas niet in het gewenste eindprodukt wordt
omgezet; dit deel kan in een gasturbine-installatie worden
verbrand. Afhankelijk van het gewenste produktenpakket
van de kolenraffinaderij zal meer of minder elektriciteit ten
behoeve van het openbare net worden geproduceerd. Het
is heel wel denkbaar dat de raffinaderij bij voorbeeld vooral
overdag elektriciteit ‘exporteert’.
De in het voorgaande beschreven kolenraffinaderij zal
evenmin als Keulen en Aken in een dag gebouwd worden.
Lang niet alle eindprodukten kunnen nu of op korte termijn
al concurreren met de bestaande alternatieven. Waarschijnlijk zal het kolenvergassingsproces aanvankelijk
met name zijn gericht op de produktie van elektriciteit in
een zogenaamde kv-steg-centrale. Het door de kolenvergasser geproduceerde gas behoeft dan niet aan zulke hoge kwaliteitseisen te voldoen als wanneer de gasproduktie
primair gericht is op de produktie van synthesegas, methaan of vloeibare koolwaterstoffen. De vergassing kan
daardoor goedkoper worden uitgevoerd (gebruik van lucht
in plaats van zuurstof).
De kv-steg-centrale kan nu al concurreren met conventionele elektriciteitsopwekking op basis van kolen 3). Een
bijzonder kenmerk van de kv-steg-centrale is dat de elektriciteitscentrale (steg) al als aardgasgestookte centrale in
gebruik genomen kan worden voordat de kolenvergasser
gereed is. Bij een grote beschikbaarheid van aardgas en
(age gasprijzen behoeft het tijdstip van toepassing van kolen dus niet meer samen te vallen met het beschikbaar komen van het noodzakelijke elektrische vermogen.
In de tijd gezien zou de opbouw tot een volwaardige kolenraffinaderij er als volgt uit kunnen zien:
– fase 1: steg, aardgas gestookt. Elektrisch vermogen
wordt gerealiseerd op basis van aardgas;
– fase 2: kv-steg, luchtvergassing. De steg wordt gestookt met kolengas dat geproduceerd is met lucht
(eventueel met zuurstof verrijkt);
– fase 3: kolenraffinaderij: grotere vergassingscapaciteit; produkten: kolengas, SNG, vloeibare koolwaterstoffen en elektriciteit. De capaciteit van de reeds
bestaande kolenvergassers wordt vergroot door vergassing met zuurstof. Het geproduceerde gas ondergaat nu enige eenvoudige en onvolledige synthesestappen. Het restgas en de afvalwarmte (stoom) worden gebruikt voor elektriciteitsproduktie.
Tabel 1. Kostenparameters van kolentechnologie
Conversieproces
(en voornaamsle
Rendement
in procenten
nu
Investering in
Mogelijke
reductie
Produktiekosten a)
in gld. per GJ
nu
haalbaar
haalbaar
1
Kolenvergassing
– kolenbehandeling
en -opslag
– vergasser en
gaskoeling
– gas- en waterreiniging
– luchtscheiding
– algemene kosten
en onvoorzien
Totaal c.q.
gemiddeld
Elektriciteitsproduktie (STEG)
1.150MW(nu)
1 .470 MW (toekomst)
– gaskosten
– steg-kosten
Totaal
Synthese van
methanol, koolwaterstoffen, synthetisch aardgas b)
– gaskosten
– synthesekosten
Totaal
181
0,34
30
1.30
0,86
192
438
50
50
0,38
0,18
0,88
0,41
227
85
0,36
652
80
—
—
0,45
0,43
1.690
30
3,37
2,22
7,1
4,2
4,0
3,6
—
48
55
1.690
1.022
47
30
2.712
19
4,00
2,70
676
250
39
—
3,9
1,68
2,5
1,57
926
23
5,6
4,1
an
(+ 3 elektriciteit)
24
26
a) Kapitaallasten 9% van investering (15 jaar afschrijving, 4% reele rente), bedrijfstijd
ca. 7.450 uur (beschikbaarheid 85%), onderhoud en bediening steeds 4% van de investering per jaar; 1 gld. per GJ = 0,36 ct/kWh.
b) Synthese zonder recirculatie van niet-geconverteerd gas, verondersteld is dat 40%
wordt omgezet met een rendement van 75%. Dit leidt tot de genoemde omzettingsrendementen. Van de investering in de vergasser zelf wordt 40% toegerekend aan
de gesynthetiseerde produkten. Van de reactiewarmte kan een deel in elektriciteit
worden omgezet, naar schatting 3% van de energie uit de kolentoevoer. Gecorrigeerd voor de elektriciteitsproduktie uit restwarmte en niet geconverteerd gas bedraagl het conversierendement van synthesegas naar vloeibare koolwaterstoffen
ca. 87%.
De kosten
teit van ca. 10.000 ton per dag (of wel ca. 3 mln. ton per
jaar) die is opgebouwd uit vier eenheden met een capaciteit van 2.500 ton per dag. Deze cijfers zijn goed vergelijkbaar met die van het Texaco-proces. Deze cijfers zijn omgerekend naar guldens van 1986 door vermenigvuldiging
met een factor 2,18. Deze factor is als volgt afgeleid: het
kostenniveau in dollars van 1986 ten opzichte van 1981
wordt verondersteld goed te worden weergegeven door de
nivaeus van de ‘plant cost index’ en de ‘equipment cost index’. Deze beide indexcijfers worden regelmatig gepubliceerd in Chemical Engineering 5). Het gemiddelde niveau
van deze twee indices bedroeg in 1986 ten opzichte van
1981: 1,09. Vermenigvuldiging met een wisselkoers van
$ 1 = f. 2, ruwweg overeenkomend met de koopkrachtverhouding, levert bovengenoemde factor.
Op de in label 1 vermelde kostencijfers van het kolenvergassingsproces zijn naar verwachting nog belangrijke
kostenreduclies mogelijk, lot ca. 30%, zoals aangegeven
in de label. Daarnaast zullen ook de conversierendementen kunnen toenemen.
In deze paragraaf wordt ingegaan op de vaste kosten
van de kolentechnologie: de kapitaallasten en de onderhouds- en bedieningskosten.
Elektriciteitsopwekking
GeVntegreerd met eleklriciteitsopwekking onlslaal een
kv-sleg-cenlrale van ca. 1.150 MW. Ook hiervan zijn de
Doordat verscheidene vergassers parallel werken en
omdat voor het gas verschillende, ten dele uitwisselbare
gebruiksmogelijkheden bestaan, waaronder tijdelijke
opslag van te veel geproduceerd gas, kenmerkt de raffinaderij zich door een grote flexibiliteit, waarmee snel op de
actuele marktsituatie kan worden ingespeeld.
Kolenvergassing
Kostenschattingen voor de verschillende onderdelen
van het vergassingsproces zijn ontleend aan een in opdracht van de EPRI uitgevoerde studie 4), gesprekken met
deskundigen en diverse andere bronnen. De in de EPRIstudie genoemde kostencijfers (in dollars van 1981) voor
het Shell-kolenvergassingsproces zijn opgenomen in label 1. De cijfers gelden voor een installatie met een capaci860
3) J.F. Tummers en J. Toebes, Kolenvergassing en elektriciteitsopwekking, Elektrotechniek, juni 1987, biz. 611.
4) Shell based gasification-combined cycle power plant evaluation,
EPRI, 1983 en vergelijkbare studies naar het Texaco-proces (EPRI,
1984) en het British Gas-Lurgi-proces (EPRI, 1985). Gesprekken met
Shell (SIPM), hr. van der Burgt en Comprimo (hr. Mink) en andere
gesprekken in het kader van een CTA-studie (zie noot 1).
5) Chemical Engineering, december 1986, biz. 7.
T
kostencijfers in label 1 gegeven. Zoals eerder opgemerkt
kan elektriciteitsopwekking via vergassing met lucht niet
alleen goedkoper zijn door het achterwege laten van de
luchtscheiding, maar kan ook het energetisch rendement
(iets) hoger zijn 6). Bij de huidige stand van de techniek lijkt
een kv-steg-centrale qua prijs goed te kunnen concurreren
met een conventionele kolencentrale met rookgasreiniging, terwijl ook in milieuhygienisch opzicht de kv-stegcentrale de voorkeur verdient 7). Met name door de mogelijke kostenreducties in het vergassingsproces en door de
rendementsverbetering van gasturbines zullen deze kostenvoordelen in de toekomst alleen maar groter worden.
Synthese van sng, methanol .en vloeibare koolwaterstoffen
Voor de produktie van methaan (sng), methanol en koolwaterstoffen zijn katalytische conversieprocessen beschikbaar. Voor een eenvoudige reactor zonder recirculatie van niet-geconverteerd gas en bewerking van ongewenste bijprodukten – deze kunnen immers in de
gasturbine worden verstookt – zijn de investeringskosten
beperkt. Deze keus heeft wel tot gevolg dat ten hoogste ca.
40% van het door de vergasser geproduceerde gas met
een rendement van ca. 75% in het gewenste eindprodukt
kan worden omgezet (overall rendement ca. 25%). In de
berekeningen wprdt dan ook slechts 40% van de kosten
van het vergassingsdeel toegerekend aan deze eindprodukten. De rest wordt toegerekend aan de elektriciteitsproduktie.
Figuur 1. Produktiekosten van elektriciteit op basis van kvsteg vergeleken met de kosten van een aardgasgestookte
steg-centrale
Produktiekosten van
elektriciteit
(ct/kWh)
20kv-steg nu
kv-steg
haalbaar
steg nu
steg
haalbaar
10-
<^^?r
“^•”T^^”^ i
————ii—
5
)
11
|i
-i
1
1
t
|
‘
1
I
t
i
10
In de voorgaande paragraaf zijn de vaste kosten van de
verschillende eindprodukten van de kolenconversie vermeld. De kosten van de grondstof: kolen, spelen natuurlijk
ook een belangrijke rol. In figuren 1 en 2 zijn de kosten van
de verschillende eindprodukten van de kolenraffinaderij
uitgezet als functie van de kolenprijs. Uit deze figuren is af
te leiden bij welke prijzen van de concurrerende brandstoffen: olieprodukten en gas, een markt voor de conversieprodukten van kolen ontstaat. Het op de markt komen van
gas en vloeibare brandstoffen uit kolen kan betekenen dat
aan de prijsstijging van olie en gas in de toekomst grenzen
worden gesteld 8). Dit zal zeker het geval zijn wanneer de
zeer gematigde kolenprijsverwachting van ca. f. 5 per GJ
bewaarheid wordt 9).
In figuur 1 zijn de kosten van elektriciteit uit kolen vergeleken met die van een gasgestookte steg-centrale. In beide gevallen is zowel de huidige of op korte termijn te verwachten kostprijs aangegeven als de kostprijs die op lange termijn te verwachten is. In deze figuur is ook af te lezen
bij welke gasprijs elektriciteitsopwekking door middel van
kolen goedkoper is dan door middel van aardgas. Bij een
kolenprijs tussen f. 5 en f. 8 per GJ blijkt deze break-evengasprijs te liggen tussen f. 8,80 en f. 12.60 per GJ (traject
a1 in figuuer 1) en tussen f. 7,80 en f. 11,30 per GJ in de
verre toekomst (traject 2 in figuur 1).
In figuur 2 zijn de kosten van middelcalorisch kolengas
(synthesegas), van synthetisch aardgas (methaan) en van
vloeibare koolwaterstoffen (vergelijkbaar met een zeer
lichte ruwe olie) aangegeven. Uit deze figuur is direct af te
U ia2
1!
Brandstofprijs (f./GJ)
Figuur 2. De kosten van vloeibare en gasvormige brandstoffen geproduceerd door een kolenraffinaderij
aardgas (sng)/vloeibare
koolwaterstoffen nu
ronwe
conversieprodukten
van kolen
Demaxkt
1
I
»
|
Idem
/haalbaar
Stookgas/
•synthesegas
nu
(f-/GJ)
20.
haalbaar
10-
10
15
Kolenprijs (f./GJ)
leiden bij welke prijsniveaus van deze brandstoffen produktie op basis van kolen concurrerend kan zijn. Wanneer
de kolenprijs zich stabiliseert op f. 5 per GJ, is (groot-)industriele toepassing van middelcalorisch gas momenteel dan wel in de nabije toekomst aantrekkelijk bij een
grootverbruikersgasprijs hoger dan ca. f. 10 per GJ. Op
lange termijn kan deze break-evenprijs dalen tot ruim f. 8
per GJ. De produktie van methaan (sng) dat in het aardgasnet kan worden ge’injecteerd, of wel van lichte ruwe
olie, is concurrerend bij een olieprijs of gasprijs van f. 13
per GJ. In de toekomst kan door kostprijsdalingen reeds bij
aardgas- en olieprijzen van f. 11 per GJ concurrerend sng
Tabel 2. Kostprijs van eindprodukten van kolentechnologie vergeleken met aardgas en olie in gld. per GJ
Kotenprijs-
varianten
Stookgas
(Industrie, STEG)
SNG en lichte
ruwe olie
Huidige Toekomstige Huidige Toekomstige
technologic technologic technologic technologic
5
8
9,7
13,4
8,1
11,6
12,8
17,1
10,9
14,9
Olie
(en aardgas-)prijzen
Ca. 1980
Ca. 1987
14
7
of olie worden geproduceerd. Dit alles bij kolenprijzen rond
6) F. van Oorsouw, The prospects of Shell-Koppers gasification power plant, Kohlevergassung in der Energietechnik, biz. 217, VGB,
Essen, 1979.
7) R. Muller, Environmental protection in coal-fed power plants; a
systematic overview of existing and future measurements, Londen,
1985.
8) H.Y. Becht, T.G. Potma en K. Utttien, Kolen als prijsleider op de
energiemarkt, Energiespectrum, nr. 5, 1981.
9) Beschikbaarheid van steenkool tot 2050, Krekel, Van der Woerd,
Wouterse b.v., Rotterdam, oktober 1986.
Rfil
f. 5 per GJ.
In tabel 2 worden de kostprijzen van de eindprodukten
van moderne kolentechnologie vergeleken met de gas- en
olieprijzen nu (juni 1987) en die uit het begin van de jaren
tachtig.
Bij alle hiervoor gepresenteerde kostprijsberekeningen
is uitgegaan van een zeer lage opbrengst van het ge’i’nvesteerde kapitaal (rente + aflossing 9%). Bij investeringen door het particuliere bedrijfsleven worden vanwege de
marktrisico’s doorgaans veel hogere rendementseisen
aan het gei’nvesteerde kapitaal gesteld (opbrengst van het
geTnvesteerde kapitaal 20% of meer). De vaste kosten genoemd in tabel 1 moeten met een factor anderhalf a twee
vermenigvuldigd worden om aan deze rendementseis te
voldoen. Initiatieven van de particuliere oliemaatschappijen in de bouw van kolenraffinaderijen kunnen dan ook pas
verwacht worden bij gas- en olieprijzen die blijvend f. 2 a 3
per GJ hoger liggen dan de in deze paragraaf genoemde
niveaus. Voor elektriciteitsproducenten liggen de marktvoorwaarden heel anders. De investeringen in nieuwe
kolen- en kerncentrales zijn bijzonder hoog en worden
over lange tijd (15 a 20 jaar) afgeschreven. De kosten van
kolencentrales nemen nog verder toe door de strengere
milieu-eisen. Bovendien is de toepassing van kolen gebaseerd op een politieke beslissing (diversificatie) en niet (alleen) op rendementsoverwegingen. Elektriciteit uit een kvsteg-centrale concurreert, vanwege het hoge conversierendement en de goedkopere gasreiniging, nu al met elektriciteit uit poederkoolcentrales. Het is vooral om deze reden dat investeringen in moderne kolentechnologie het
eerst in de elektriciteitssector kunnen worden verwacht.
Slot________________________
Op termijn zullen de olieprijzen weer gaan stijgen, bovendien zal de olieraffinage in toenemende mate door de
olieproducerende landen zelf ter hand worden genomen.
De onzekerheid over de toekomst van de raffinaderijen in
West-Europa is dus groot. Een geleidelijke overschakeling
van deze raffinaderijen op een grondstof waarvan de aanvoer tegen redelijke kosten op lange termijn verzekerd is
(kolen), is derhalve te voorzien. Vanwege de gunstige ligging voor de aanvoer, verwerking en doorvoer van grote
hoeveefheden fossiele brandstoffen is het tijdig inhaken
op deze ontwikkeling voor de Nederlandse economie van
groot belang, zowel voor de raffinaderijsector en de daar
nauw mee samenhangende chemische industrie, als voor
de apparatenindustrie die bij de produktie van kolenconversie-apparatuur een sterke (export-)positie zou kunnen
opbouwen. Bovendien sluit de produktie van het meest
voorde hand liggende conversieprodukt: kolengas, uitstekend aan bij de huidige energie-infrastructuur van Nederland zelf en zijn directe omgeving.
De eerste concurrerende toepassing van de moderne
kolenconversietechnologie zal echter gelegen zijn in de
elektriciteitssector: de kv-steg-centrale. Beslissingen die
de komende jaren in deze sector genomen zullen worden,
zijn dan ook van veel groter belang dan voor deze sector
alleen. Aangezien de moderne kolentechnologie in staat is
de milieubezwaren van het gebruik van kolen aanzienlijk
te verminderen, zal toepassing daarvan waarschijnlijk niet
op grote maatschappelijke weerstand stuiten. Alleen de
CO2-produktie bij het gebruik van kolen is ook met kolenvergassing niet te vermijden. Vanwege de waarschijnlijke
gevolgen van de CO2-toename in de atmosfeer op het klimaat (broeikaseffect) en omdat ook kolen geen oneindige
energiebron zijn, blijft de noodzaak van een krachtig energiebesparingsbeleid bestaan. Op grond van het bovenstaande ligt het voor de hand dat Nederland nu eindelijk
een duidelijke keuze maakt voor zijn toekomstige energievoorziening.
H.Y. Becht
C. Daey Ouwens
J.W. Storm van Leeuwen
862
Een beroep met toekomst
(foto ANP)