Unterirdische Kohlevergasung: Option zur Dekarbonisierung und Wasserstoffquelle?

Insgesamt weist UCG sowohl strategische Vorteile als auch enorme Umwelt- und geologische Risiken auf. Indien müsste dies abwägen, bevor es fortfährt

Dieser Artikel ist Teil der Reihe „Comprehensive Energy Monitor: India and the World“.

Das erste Pilotprojekt zur unterirdischen Kohlevergasung (UCG) in Indien wurde 2010 von ONGC (Oil & Natural Gas Corporation Limited) in Zusammenarbeit mit Gujarat Industries Power Company Ltd (GIPCL) im Vastan-Minenblock, Surat, Gujarat, durchgeführt. ONGC übernahm den Vastan-Minenblockstandort von GIPCL in Nani Naroli, Distrikt Surat, Gujarat, als F&E-Pilotprojekt zur Einführung der UCG-Technologie in Zusammenarbeit mit dem National Mining Research Center-Skochinsky Institute of Mining (NMRC-SIM), Russland. Die Kooperationsvereinbarung (AOC) zur Zusammenarbeit mit ONGC bei Dienstleistungen, Betrieb, Entwicklung und Forschung im Zusammenhang mit UCG in Indien wurde bis März 2020 verlängert. Eine Reihe von Standorten wurden gemeinsam von ONGC und Neyveli Lignite Corporation Limited (NLC) identifiziert. für die Prüfung ihrer Eignung für UCG. Dies sind Tadkeshwar in Gujarat und Hodu-Sindhari und East Kurla in Rajasthan. Ein weiterer Standort wurde gemeinsam von ONGC und GMDC (Gujarat Mineral Development Corporation Limited) in Surkha im Distrikt Bhavnagar, Gujarat, identifiziert. Die Daten aller Felder wurden analysiert, um die Eignung dieser Standorte für UCG zu bewerten. Alle Standorte wurden für die UCG-Exploration als geeignet befunden. Die Fortschritte bei den UCG-Projekten waren langsam, aber könnte es eine Option für die Dekarbonisierung der Kohle in Indien werden?

Bei der unterirdischen Kohlevergasung (UCG) handelt es sich um die teilweise In-situ-Verbrennung des Kohleflözes, um durch dieselben chemischen Reaktionen, die in Oberflächenvergasern ablaufen, nutzbares Gas zu erzeugen. Dies wird erreicht, indem Dampf und Luft (oder Sauerstoff) in das Kohleflöz injiziert werden, die dann gezündet werden, um die Vergasung einzuleiten. Typischerweise sind Temperaturen über 1000 °C erforderlich, damit die Vergasung abläuft. Die Produkte und Nebenprodukte der Vergasung variieren je nach Art der Kohle, der Temperatur, dem Druck und auch davon, ob Luft oder Sauerstoff verwendet wird. Die Produktgase (Synthesegas oder Synthesegas) bestehen hauptsächlich aus Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2), Wasserstoff (H2), Methan (CH4) und in geringerem Maße aus Schwefelwasserstoff (H2S) und einigen Pyrolyseprodukten mit höherem Molekulargewicht . Unabhängig von der Verwendung muss Synthesegas mit kommerziell verfügbaren Technologien gereinigt werden, um Verunreinigungen wie Partikel, Teer und Schwefelverbindungen wie H2S und Carbonylsulfid (COS) zu entfernen, um es nutzbar zu machen.

Elektrizität

Das heiße Synthesegas von UCG kann verwendet werden, um Dampf zu erzeugen, der eine Dampfturbine antreibt, die Strom erzeugt, oder es kann verbrannt werden, um Dampf zu erzeugen, der eine elektrische Turbine antreibt. Synthesegas kann auch direkt in eine Brennstoffzelle eingespeist werden, die CO verträgt, um Niederspannungsstrom zu erzeugen, der hochgestuft und in das Netz eingespeist werden kann.

Chemischer Rohstoff

Synthesegas kann als chemischer Rohstoff verwendet werden (nachdem sein H2-zu-CO-Verhältnis angemessen ausbalanciert ist), um Methanol, Wasserstoff, Ammoniak und andere chemische Produkte mithilfe des Fischer-Tropsch-Verfahrens herzustellen. Das Central Institute of Mining & Fuel Research (CIMFR) in Indien hat Methanol und Flüssiggas (LPG) als potenzielle Gasprodukte aus UCG-Betrieben identifiziert. CIMFR produziert im Rahmen seines UCG-Pilotprojekts täglich 5 Liter Synthesegas und wandelt in seinem Methanol-Rektifizierer 1,5 Tonnen Kohle in Methanol um.

Produktion von Wasserstoff

Ein stärkeres Argument für UCG liegt in der Tatsache, dass Kohle die offensichtliche Quelle für Wasserstoff ist, der möglicherweise ein wichtiger, nahezu kohlenstofffreier Energieträger der Zukunft ist. UCG als Wasserstoffgenerator in Verbindung mit einer Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) zur direkten Stromerzeugung wurde von indischen Experten untersucht. Die Integration mit SOFC bietet zwei spezifische Vorteile: (1) Das Anodenabgas von SOFC, das eine hohe Betriebstemperatur aufweist, kann zur Erzeugung von Dampf verwendet werden, der für den Betrieb von UCG sowie für die Reformierung des Synthesegases für die SOFC erforderlich ist. (2) SOFC kann verwendet werden dienen auch als selektiver Absorber von Luftsauerstoff für ein effizientes System zur CO2-neutralen Stromerzeugung aus unterirdischer Kohle. Die thermodynamische Analyse des integrierten Systems zeigt eine erhebliche Verbesserung des thermischen Nettowirkungsgrads gegenüber einem herkömmlichen Kombikraftwerk.

Nur ein kleiner Teil der indischen Kohle wird unter Tage abgebaut, der Rest erfolgt größtenteils im Tagebau. In Tiefen über 300 Metern sind große Kohlevorkommen vorhanden, die für konventionelle Bergbautechnologien weniger geeignet sind. Dies schränkt die verfügbaren Kohleressourcen trotz großer Papierreserven ein. Indische Kohle galt als „nicht abbaubar“, da sie unter unberührten Waldflächen lag, zu tief lag, minderwertig war oder in engen Flözen vergast werden konnte, was die Verfügbarkeit von Kohleressourcen enorm erhöhte. Indien verfügt außerdem über große Braunkohlevorkommen, deren wirtschaftlicher Abbau aufgrund ihres geringen Energiegehalts schwierig ist. Schätzungen aus dem Jahr 2006 zufolge könnten etwa 66 Prozent der minderwertigen indischen Kohle in mittlerer Tiefe unter Tage vergast werden, um synthetisches Erdgas, Methanol, Benzin, Diesel und Wasserstoff zu produzieren und auch als Rohstoff für die Düngemittelproduktion verwendet zu werden.

Ein hoher Aschegehalt in indischer Kohle stellt eine betriebliche Herausforderung bei der Nutzung der im Inland geförderten Kohle in Oberflächengeräten wie Vergasern und Kesseln dar. UCG verfügt über ein einzigartiges Potenzial bei der Rückgewinnung von Heizwert aus Kohle mit hohem Aschegehalt. Es würde keine Kohle an der Oberfläche transportiert, was auch die Kosten und den lokalen Umweltverschmutzungsfußabdruck verringern würde, der mit dem Kohletransport per Bahn (oder LKW) verbunden wäre. Es würde auch die mit der Lagerung von Kohle verbundene Umweltverschmutzung verringern. Da mit UCG der konventionelle Kohlebergbau entfällt, werden Betriebskosten und Oberflächenschäden reduziert und die Minensicherheit erhöht, da Unfälle wie Mineneinsturz und Erstickung vermieden werden. Für UCG sind keine Oberflächenvergasungssysteme erforderlich und daher wären die Kapitalkosten niedriger. Noch wichtiger ist, dass UCG mit der Abtrennung und Wiederinjektion von CO2 im Untergrund den steigenden Strombedarf von den steigenden Treibhausgasemissionen (THG) entkoppeln kann. Das wachsende Interesse an Wasserstoff als kohlenstofffreiem Energieträger rechtfertigt auch eine Neubewertung der UCG-Option.

Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS) haben sich zu einer Schlüsseltechnologiekomponente zur Reduzierung von Treibhausgasen (THGs), hauptsächlich CO2, durch geologische Sequestrierung entwickelt, wie im Bericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) festgestellt wird. Die geologische Kohlenstoffspeicherung (GCS) ähnelt CCUS. Die Speicherung von CO2 im Hohlraum, der durch den UCG-Prozess in der Reaktorzone entsteht, hat eine Reihe von Vorteilen: (1) UCG erzeugt einen ziemlich großen Hohlraum (in der Größenordnung von 5–8 Metern (m) Durchmesser) zwischen den Bohrlöchern. Eine einzelne Verbrennung mit Bohrlöchern im Abstand von 300 m würde einen Hohlraum von 6.000–15.000 Kubikmetern erzeugen, der etwa 8.000 Tonnen CO2 speichern kann. (2) Für die CO2-Lieferung und entsprechende Verstopfung und Aufgabe stehen Produktions- und Injektionsbohrlöcher zur Verfügung. Dadurch werden die CCUS-Kosten erheblich gesenkt, da die Bohrlöcher 40 bis 60 Prozent der CCUS-Kosten ausmachen. (3) Die physische Reaktion von Kohle auf CO2 kann die Sequestrierung verbessern. Wenn Sauerstoff zur Vergasung verwendet wird, wandeln Wassergas-Shift-Reaktoren (Reaktion von CO mit Dampf zur Erzeugung von CO2 und H2) fast das gesamte CO in CO2 um, aus dem CO2 durch eine Reihe verfügbarer Technologien leicht entfernt werden kann. CO2 kann in tiefen Salzgrundwasserleitern, erschöpften Gasfeldern, aktiven Ölfeldern und erschöpften und nicht abbaubaren Kohleflözen gespeichert werden, die sich alle häufig in der Nähe der für UCG ausgewählten Kohleflöze befinden, was das UCG-CCUS-Paket zu einer attraktiven Option für das Kohlenstoffmanagement macht. Da Kohle in der Gegenwart von CO2 aufquillt und weicher wird, können Brüche und Porositäten schnell geschlossen werden, wodurch ein potenzieller CO2-Austritt immobilisiert und abgeschwächt wird.

Der durch UCG erzeugte Hohlraum kann zu erheblichen Verformungen sowohl der verbleibenden Kohle als auch des umliegenden Gesteins führen. Erhitzung, Abschreckung, Wasserfluss und ein möglicher Einsturz von Dach und Wand können die Integrität des Hohlraums ernsthaft gefährden. Diese sind schwer vorherzusagen. Im Allgemeinen bewegen sich die Seiten des Hohlraums nach innen, der Boden nach oben und das Dach nach unten (Setzung). Das Ausmaß und die Form der Senkung hängen von vielen Faktoren ab, darunter der Flöztiefe (Mächtigkeit und Überlagerung), der effektiven Gesteinssteifigkeit und der Streckgrenze. Vorhersagen können ungenau sein, da viele Gesteine ​​ein nichtlineares Spannungs-Dehnungs-Verhalten aufweisen.

UCG-Vorgänge können nicht im gleichen Maße kontrolliert werden wie Oberflächenvergaser, was aufgrund der hohen Temperatur und des hohen Drucks im Hohlraum ein Risiko darstellt. Ein Teil der Kohle in UCG weist möglicherweise geologische oder hydrologische Merkmale auf, die die Umweltrisiken auf ein unannehmbares Niveau erhöhen. Die größere Reaktionszone von UCG im Originalmaßstab kann eine ausgedehnte Grundwasserdepressionszone erzeugen, die eine Strömung in die Verbrennungszone hinein statt aus ihr weg erzeugt. Da es sich bei UCG um einen Hochtemperatur- und Hochdruckprozess handelt, ist die Produktion und der Transport giftiger organischer Verbindungen aus der Brennkammer eine Folge, unabhängig davon, welche Art von Kohle vergast wird. Tiefer gelegene UCG-Standorte müssen einen höheren Druck und eine höhere Temperatur anwenden, um die Brennzone aufrechtzuerhalten, was das Risiko eines Abflusses in das regionale Grundwasser erhöht. Die Nutzung des UCG-Standorts für CCUS kann die Mobilität vieler Schadstoffe erhöhen, da organische Stoffe typischerweise in CO2 gut löslich sind und Metalle unter sauren wässrigen Bedingungen mobilisiert werden. Durch die Beibehaltung der Richtung des Grundwasserflusses in den Hohlraum statt aus diesem weg könnte die Mobilität löslicher Schadstoffe erheblich verringert werden.

Die Wirtschaftlichkeit von UCG-basierten Kraftwerken ist nicht ohne weiteres verfügbar, da in der westlichen Welt keine UCG-Kraftwerke in Betrieb sind und Kostenschätzungen für Kraftwerke in China und Russland schwierig zu erhalten sind. Im Allgemeinen ist ein UCG-basiertes Kraftwerk einem IGCC-Kraftwerk (Integrated Gasification Combined Cycle) ohne den Oberflächenvergaser sehr ähnlich. Die UCG-Anlage benötigt außerdem viel kleinere Gasreinigungsgeräte, da sowohl der Teer- als auch der Aschegehalt in UCG-basiertem Synthesegas wesentlich niedriger ist als der, der aus einem Oberflächenvergaser gewonnen wird. Diese Faktoren verschaffen UCG-basierten Kraftwerken einen erheblichen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber IGCC-Kraftwerken und überkritischen Pulverkohlekraftwerken (SCPC). Schätzungen gehen davon aus, dass die Kosten eines UCG-Kraftwerks etwa halb so hoch sind wie die Kosten eines SCPC- und IGCC-Kraftwerks und die Kosten für Strom, der mit einem UCG-Kraftwerk erzeugt wird, etwa ein Viertel der Kosten eines IGCC- oder SCPC-Kraftwerks betragen.

Die Wirtschaftlichkeit der UCG weist große Unsicherheiten auf, die wahrscheinlich anhalten werden. UCG ist ein inhärent „instationärer“ Prozess und sowohl die Durchflussrate als auch der Heizwert des Produktgases variieren im Laufe der Zeit. Jede Betriebsanlage muss diesen Faktor berücksichtigen. Viele wichtige Prozessvariablen wie die Geschwindigkeit des Wasserzuflusses, die Verteilung der Reaktanten in der Vergasungszone und die Wachstumsrate des Hohlraums können nur aus Messungen der Temperatur sowie der Qualität und Menge des Produktgases geschätzt werden. Änderungen in der Menge und Qualität des geförderten Gases werden erhebliche Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit des Projekts haben. Andererseits kann der Investitionsaufwand für UCG-Projekte wesentlich niedriger sein als für gleichwertige Oberflächenvergaser, da der Kauf eines Vergasers nicht erforderlich ist. Auch die Betriebskosten aufgrund von Kohlebergbau, Kohletransport und Aschemanagement werden in UCG erheblich reduziert. Selbst bei Projekten, die über umfangreiche Umweltüberwachungs- und Sicherheitseinrichtungen verfügen, haben UCG-Anlagen ihre wirtschaftlichen Vorteile beibehalten.

Insgesamt bietet UCG strategische Vorteile wie die Nutzung einer inländischen Ressource, die zur Energiesicherheit, Kostenwettbewerbsfähigkeit gegenüber alternativen sauberen Technologien und einer geringen Nachfrage nach knappen Landressourcen in Indien beiträgt. Es birgt jedoch auch enorme ökologische und geologische Risiken. Um die richtige Wahl für Indien zu treffen, ist eine sorgfältige Analyse der Kosten und Vorteile von UCG durch detaillierte Pilotprojekte erforderlich.

Die oben geäußerten Ansichten gehören dem/den Autor(en).