China's kolentoekomst

Een bezoeker die in Shanghai aankomt, merkt meteen het technologische raadsel van China op. Door de ramen van de magnetisch zwevende trein die de 30 kilometer van Pudong International Airport naar Shanghai aflegt met een snelheid tot 430 kilometer per uur, zijn zowel de vooruitgang die het land boekt als de prijs die het ervoor betaalt duidelijk. De meeste dagen hangt er een gele waas over de bouwwaanzin van Shanghai. Vervuiling is de belangrijkste doodsoorzaak in China en kost meer dan een miljoen mensen per jaar. En de primaire oorzaak van vervuiling is ook de bron van de energie die de ultramoderne trein voortstuwt: steenkool.

Om gelijke tred te houden met de economische groei van het land, bouwen de lokale overheden, nutsbedrijven en ondernemers in China gemiddeld één kolencentrale per week. De energiecentrales stoten een gestage stroom roet, zwaveldioxide en andere giftige stoffen de lucht in; ze spuwen ook miljoenen tonnen koolstofdioxide uit. In november voorspelde het Internationaal Energieagentschap dat China in 2009 de grootste bron van kooldioxide-emissies ter wereld zal worden en de Verenigde Staten bijna tien jaar eerder zal inhalen dan eerder werd verwacht. Steenkool zal naar verwachting verantwoordelijk zijn voor driekwart van die koolstofdioxide.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2007

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

En het probleem zal erger worden. Volgens schattingen van experts zal het energieverbruik van China tussen nu en 2020 meer dan verdubbelen. Het opvoeren van de energie-efficiëntie, het aanboren van hernieuwbare bronnen met waterkrachtcentrales en windturbines, en het bouwen van kerncentrales kan helpen, maar - in ieder geval in de komende twee decennia - slechts marginaal. Aangezien China zeer weinig olie- en gasreserves heeft, hangt zijn toekomst af van steenkool. Met 13 procent van 's werelds bewezen reserves heeft China genoeg steenkool om zijn economische groei een eeuw of langer vol te houden. Het goede nieuws is dat de leiders van China in de jaren negentig de kolenkoorts zagen aankomen en een reeks geavanceerde technologieën begonnen te verkennen. De belangrijkste daarvan is kolenvergassing. Het is de sleutel tot schone steenkool in China, zegt chemisch ingenieur Li Wenhua, die van 2001 tot 2005 de geavanceerde steenkoolontwikkeling leidde voor het nationale hightech R&D-programma van Peking (in China beter bekend als het 863-programma).

Vergassing transformeert de complexe mix van koolwaterstoffen van steenkool in een waterstofrijk gas dat bekend staat als synthesegas of syngas. Energiecentrales kunnen syngas net zo schoon verbranden als aardgas. Bovendien, met de juiste katalysatoren en onder de juiste omstandigheden, vormen de chemische basisbouwstenen in syngas samen de koolwaterstofingrediënten van benzine en dieselbrandstof. Als gevolg hiervan heeft kolenvergassing het potentieel om zowel de uitstoot van roet en smog door elektriciteitscentrales te verminderen, als om China's groeiende afhankelijkheid van geïmporteerde olie te verminderen. Het zou zelfs kunnen helpen de uitstoot van kooldioxide te beheersen, dat gemakkelijker wordt opgevangen door syngasinstallaties dan door conventionele kolengestookte centrales.

multimedia

• Hoe vergassing werkt

Ondanks China's vroege anticipatie op de noodzaak van kolenvergassing, is de implementatie van de technologie in energiecentrales echter achtergebleven. De elektriciteitsproducenten van het land missen de economische en politieke prikkels om met hun traditionele praktijken te breken.

Daarentegen zijn grootschalige inspanningen om vloeibare transportbrandstoffen te produceren met behulp van kolenvergassing in volle gang. China's grootste kolenbedrijf, Shenhua Group, is van plan om in 2007 of begin 2008 de eerste kolen-naar-brandstoffabriek van het land op te starten, in 's werelds meest ambitieuze toepassing van het vloeibaar maken van kolen sinds de Tweede Wereldoorlog. Shenhua is van plan om tegen 2020 acht vloeibaarmakingsfabrieken te exploiteren, die in totaal meer dan 30 miljoen ton synthetische olie per jaar produceren - genoeg om meer dan 10 procent van China's verwachte olie-import te verdringen.

China's vooruitgang bij de bouw van kolenconversiecentrales plaatst het ver voor op de Verenigde Staten, waar de kolenvergassing nog steeds herstelt van een beschadigde reputatie. Demonstratieprogramma's voor vergassing die in de VS zijn gestart na de energiecrises van de jaren zeventig, werden verweesd toen de olie- en gasprijzen in de jaren tachtig kelderden. Dat gaf velen de indruk dat de technologie zelf onbetrouwbaar was (zie Kooldioxide te koop, juli 2005) . In China daarentegen zag olie er nooit goedkoop uit en steenkool heeft nooit zijn glans verloren.

Kolen en kasjmier

Noord-China is hard op weg het epicentrum van de Chinese energie-industrie te worden. De belangrijkste trekpleister is het Shenfu Dongsheng-bekken, een 31.000 vierkante kilometer dikke laag ondiepe steenkool die zich uitstrekt van de noordpunt van de Chinese provincie Shaanxi tot de zuidelijke rand van Nei Mongol, of Binnen-Mongolië. De geschatte reserve van 223,6 miljard ton steenkool van het Dongsheng-veld maakt het de op zeven na grootste ter wereld; inspanningen om veel van die steenkool om te zetten in transportbrandstoffen, zouden het de meest winstgevende ter wereld kunnen maken.

Tot voor kort was Erdos, de kolenhoofdstad van Binnen-Mongolië, grotendeels onaangetast door de moderne wereld, begrensd door bergketens en de Grote Muur in het zuiden en door de Gele Rivier in het noorden. Het isolement is nu voorbij, dankzij vers gestorte snelwegen en nieuwe spoorlijnen die over de gespleten heuvels en steile valleien rollen. Dit jaar zou er een luchthaven moeten openen.

Het BBP van Erdos verdubbelde tussen 2001 en 2004, grotendeels als gevolg van steenkool, chemicaliën en kasjmier (Erdos levert een kwart van 's werelds kasjmier). Om de bekkens te bereiken, rijdt u 40 minuten ten zuiden van de stad, langs een mausoleum uit de jaren 50 voor Genghis Khan, de 13e-eeuwse krijger die een groot deel van Azië veroverde. Als je de droge uiterwaarden van de Wulanmulun-rivier nadert, springt de imposante infrastructuur van een tiental kolenmijnen, waaronder enkele van 's werelds grootste en meest gemechaniseerde, uit het kale landschap. De regio is ook de thuisbasis van enkele honderden kleinere, minder moderne mijnen (gassen en instortingen doden minstens 6.000 Chinese mijnwerkers per jaar). Mijnwerkers rijden op hun vrije dag voorbij op bromfietsen, drie of vier naar een voertuig, en racen langs vrachtwagens van 40 ton vol met kolen. Langs de snelweg laden kolensorteerterminals treinwagons die bestemd zijn voor elektriciteitscentrales en havens aan de geïndustrialiseerde oostkust.

Niets van die infrastructuur en activiteit bereidt een bezoeker echter voor op het kolen-naar-brandstofcomplex van Shenhua, dat oprijst vanaf een plateau dat in de heuvels is uitgehouwen. Het is een indrukwekkende locatie, met een eigen kolengestookte elektriciteitscentrale, vergassingsinstallaties en twee enorme reactoren waar steenkool vloeibaar zal worden gemaakt, elk met een gewicht van 2.250 ton (Shenhua claimde het wereldrecord hijsen toen het de reactoren afgelopen juni op hun plaats tilde) . Na een beursgang van $ 2,95 miljard in 2005 en $ 5 miljard aan jaarlijkse inkomsten uit zijn geïntegreerde mijnen, spoorwegen en energiecentrales, breidt Shenhua zijn activiteiten snel uit. Het verkocht 113 miljoen ton steenkool in de eerste helft van 2006, bijna gelijk aan het totaal van het voorgaande jaar. Als Shenhua dat tempo dit jaar vasthoudt, kan het de grootste steenkoolproducent ter wereld worden.

De Chinese regering in Peking heeft Shenhua tien jaar geleden opgericht om schaalvoordelen en moderne technologie toe te passen op de Dongsheng-bekkens. De kolen-naar-brandstoffabriek van het bedrijf van $ 1,5 miljard is een uitdrukking van die strategie - een faciliteit die technisch zo ambitieus is dat veel experts, zowel Chinese als westerse, betwijfelden of deze ooit zou worden gebouwd.

De productie van transportbrandstoffen uit steenkool dateert uit het begin van de 20e eeuw in Duitsland, waar scheikundigen twee benaderingen ontwikkelden om de vaste koolwaterstoffen met lange ketens om te zetten in de kortere vloeibare koolwaterstoffen die in motorbrandstoffen worden aangetroffen. (Nazi-Duitsland, met weinig toegang tot olie, leunde zwaar op deze processen om zijn sterk gemechaniseerde leger en luchtmacht van brandstof te voorzien, waarbij benzine, diesel en vliegtuigbrandstof uit steenkool werden geproduceerd.) Franz Fischer en Hans Tropsch vonden de bekendere van de twee benaderingen uit. in de jaren 1920. Fischer-Tropsch-synthese reduceert steenkool tot syngas, een mengsel van waterstof en koolmonoxide. Een katalysator, vaak kobalt, zorgt er vervolgens voor dat de koolstof- en waterstofatomen zich opnieuw verbinden tot nieuwe verbindingen, zoals alcoholen en brandstoffen. Fischer-Tropsch-synthese is tegenwoordig conventionele chemie: in Zuid-Afrika, bijvoorbeeld, heeft het in Johannesburg gevestigde Sasol Fischer-Tropsch kolen-naar-olie-installaties gebouwd om de brandstofvoorziening van het land te verzekeren tijdens de handelsboycots van de apartheidsjaren; en door verschillende katalysatoren in te wisselen, hebben de Chinese kolen-naar-chemicaliënvergassingsfabrieken Fischer-Tropsch al tientallen jaren gebruikt om producten op te leveren zoals synthetische meststoffen en methanol.

De fabriek van Shenhua koos daarentegen voor de minder bekende rivaal van Fischer-Tropsch, een decennium eerder uitgevonden door Friedrich Bergius. Hoewel het op grote schaal door de nazi's werd gebruikt, werd het proces van Bergius vervolgens verlaten. Het proces staat bekend als directe liquefactie, omdat het de syngasstap omzeilt. Bij directe vloeibaarmaking wordt het grootste deel van de steenkool verpulverd en gemengd met een deel van de synthetische olie van de plant, vervolgens behandeld met waterstof en verwarmd tot 450 °C in aanwezigheid van een ijzerkatalysator, die de koolwaterstofketens in kortere ketens breekt die geschikt zijn voor raffinage tot vloeibare brandstoffen.

Directe liquefactie produceert meer brandstof per ton steenkool dan Fischer-Tropsch-synthese. Experts van het Chinese Coal Research Institute in Peking schatten dat het proces 55 tot 56 procent van de energie in steenkool opvangt, vergeleken met slechts 45 procent voor Fischer-Tropsch. Directe liquefactie is echter ook veel gecompliceerder en vereist afzonderlijke stroom- en vergassingsinstallaties om warmte en waterstof te leveren en aanzienlijke recycling van olie, waterstof en kolenslib tussen afzonderlijke delen van de installatie. En het afbreken van koolwaterstoffen tot precies de juiste lengte vereist een uitstekende controle van de bedrijfsomstandigheden en een consistente kolentoevoer.

Shenhua heeft het proces de afgelopen vijf jaar opnieuw ontworpen om de efficiëntie te verhogen en verspilling te verminderen, maar heeft tegelijkertijd de complexiteit vergroot. En het bedrijf neemt een enorm technisch en economisch risico door zo'n nieuwe technologie op zo'n enorme schaal na te streven.

Tegen het einde van dit jaar hoopt Shenhua 20.000 vaten synthetische olie per dag op te pompen, bijna 500 keer zoveel als de proeffabriek in Shanghai produceert. Volgens Jerald Fletcher, een natuurlijke hulpbronneneconoom aan de West Virginia University in Morgantown, vormt de Erdos-fabriek een experiment van $ 1,5 miljard dat alleen in China zou kunnen plaatsvinden. Het zou moeilijk zijn om zo'n toezegging van fondsen in het Westen te krijgen zonder een meer bewezen technologie, zegt Fletcher. Eric Larson, een expert op het gebied van energietechnologie en modellering aan de Princeton University, stelt het scherper: het heeft niet veel zin om zo'n enorme fabriek te bouwen, omdat het misschien niet werkt.

Maar voor de Chinese overheid kunnen de beloningen het risico waard zijn. Ondanks de beursgang van enkele activa in 2005, blijft Shenhua een grotendeels staatsbedrijf, en de directe-liquefactiefabriek dient een cruciaal staatsbelang: energiezekerheid. Hoe hoog de kosten ook zijn, Shenhua zal het bouwen, zegt Zhou Zhijie, een vergassingsexpert aan het Institute of Clean Coal Technology van de East China University of Science and Technology in Shanghai. De Chinese regering zal dit project steunen totdat de vloeistof stroomt.

Als de nieuwe fabriek werkt, kan Shenhua natuurlijk een aanzienlijke winst maken. Het bedrijf voorspelt dat zijn synthetische olie een winst van ongeveer $ 30 per vat zal maken, hoewel veel analisten zeggen dat $ 45 realistischer is. (De meest recente prijsprognose van het Amerikaanse ministerie van Energie voorspelt dat ruwe olie in 2014 zal dalen tot $ 47 per vat en vervolgens gestaag zal stijgen tot $ 57 per vat in 2030.) Om zijn weddenschappen af ​​te dekken, heeft Shenhua ook een voorlopige overeenkomst gesloten met partners Shell en Sasol met betrekking tot verschillende Fischer-Tropsch-brandstoffabrieken van vergelijkbare grootte of groter in Noord-China, die in 2012 zouden worden opgestart.

Ook de Chinese kolenconcurrenten van Shenhua zijn al bezig met hun versies van kolen-naar-brandstofcentrales. De kolengroep van Yankuang, de op één na grootste kolenproducent in China, plant een Fischer-Tropsch-brandstoffabriek in de buurt van Erdos die een eigen vergasser en katalysator zal gebruiken.

Naast de risico's die inherent zijn aan de grootschalige toepassing van onbewezen technologie, is de vergassingshausse ook een gok voor het milieu. Wat uiteindelijk de kolen-naar-olie-ambities van China kan belemmeren, is water. Het Chinese Coal Research Institute schat dat de fabriek van Shenhua 10 ton water zal verbruiken voor elke ton geproduceerde synthetische olie (360 gallons water per vat olie), en de verhouding is nog slechter voor Fischer-Tropsch-fabrieken. Afgelopen zomer waarschuwde de Chinese Nationale Commissie voor Ontwikkeling en Hervorming, het machtige orgaan dat belast is met het reguleren van de Chinese economie en het goedkeuren van grote kapitaalprojecten, voor de gevolgen voor het milieu van de op hol geslagen ontwikkeling van synthetische olie- en chemische fabrieken, die volgens haar tientallen miljoenen kubieke meter water per jaar.

Die voorspelling klinkt vooral onheilspellend in het noorden van China, waar water schaars is. Erdos is een mix van struikgewas en woestijn waarvan de magere watervoorraden al overbelast zijn door bevolkingsgroei en bestaande elektriciteitscentrales. Zhou Ji Sheng, die als vice-manager van ZMMF, een van Shenhua's Erdos-gebaseerde concurrenten, financiering zoekt voor een vergassingsproject, erkent dat waterschaarste een einde kan maken aan de kolenvergassing in het gebied. Ook al hebben we zoveel steenkool, als we geen water hebben, zullen we gewoon de traditionele manier moeten gebruiken om het uit te graven en te transporteren, zegt hij. Water is voor ons de belangrijkste factor om deze nieuwe industrie te ontwikkelen. Zhou zegt dat zijn bedrijf van plan is om de watervoorziening aan te vullen door een 120 kilometer lange pijpleiding naar de Gele Rivier aan te leggen. Maar verdamping uit waterkrachtreservoirs, de toegenomen vraag van groeiende steden en industrieën en de effecten van klimaatverandering zorgen ervoor dat de Gele Rivier in de zomer nauwelijks de zee bereikt.

Koolstofkracht

Terwijl de wens van China om zijn afhankelijkheid van buitenlandse olie te beëindigen, enorme kapitaalinvesteringen in vloeibaarmakingstechnologie stimuleert, gaan de stroomproducenten van het land veel langzamer om te profiteren van kolenvergassing. Wat zij, net als hun Amerikaanse tegenhangers, missen is een stimulans om van conventionele poederkoolcentrales op te waarderen naar duurdere vergassingsinstallaties. Volgens Li Wenhua, de voormalige 863 programmamanager (die nu voor General Electric het vergassingsonderzoek in China leidt), zien Chinese industriëlen steenkoolcentrales als een vergunning om geld te drukken. Mensen zeggen dat je het geen energiecentrale moet noemen; het is een geldmachine, zegt Li. Er is nog geen energiebedrijf bereid om als eerste op de uit-knop te drukken.

Ironisch genoeg heeft de overgang van China naar een meer open economie de inspanningen om meer innovatieve technologieën in te zetten, belemmerd. In de jaren negentig leek het alsof de Chinese energiesector op weg was naar zijn eigen vergassingsrevolutie. In 1993 begon China's toonaangevende energie-engineeringbedrijf, China Power Engineering Consulting in Peking, met het ontwerpen van de eerste vergassingscentrale van het land. Het monopoliebedrijf van die tijd, de State Power Corporation, was van plan de fabriek op commerciële schaal te bouwen in Yantai, een bloeiende zeehaven niet ver van de Bohai-zee. De fabriek in Yantai zou het begin zijn van een overgang naar schonere steenkooltechnologie, zegt Zhao Jie, de ontwerper van de fabriek en nu vice-president van China Power Engineering. China wilde op een schonere en efficiëntere manier stroom produceren, zegt Zhao. In plaats daarvan ging de demonstratiefabriek die ze ontwierp in een achtbaan naar nergens. Ontwerpwerkzaamheden werden in 1994 tijdelijk stopgezet toen de kosten van de technologie onaanvaardbaar hoog werden geacht, nieuw leven ingeblazen in de late jaren 1990, en vervolgens op drift geraakt na 2002 door het uiteenvallen van de State Power Corporation.

De energiecentrale van Yantai was gebaseerd op technologie voor geïntegreerde vergassing met gecombineerde cyclus (IGCC). IGCC-centrales lijken op aardgasgestookte elektriciteitscentrales - ze gebruiken twee turbines om mechanische en warmte-energie op te vangen uit uitzettende verbrandingsgassen - maar worden gevoed met syngas uit een geïntegreerde kolenvergassingsinstallatie. Ze zijn niet emissievrij, maar hun gasstromen zijn meer geconcentreerd, dus het zwavelhoudende roet, kooldioxide en andere verontreinigende stoffen die ze genereren, zijn gemakkelijker te scheiden en af ​​te vangen. Zodra de koolstofdioxide, het belangrijkste broeikasgas, is opgevangen, moeten ingenieurs natuurlijk nog steeds een plek vinden om het op te bergen. De meest veelbelovende strategie is om het diep in zoute watervoerende lagen en oliereservoirs op te slaan. In voorlopige analyses hebben Chinese geologen geschat dat verouderende olievelden en watervoerende lagen meer dan een biljoen ton koolstofdioxide zouden kunnen absorberen - meer dan de kolengestookte centrales in China honderden jaren in hun huidige tempo zouden uitstoten.

De Huaneng Group, een energieproducent gevestigd in Peking, heeft een consortium van elektriciteits- en kolenbelangen (inclusief Shenhua) samengebracht onder de naam GreenGen om tegen 2010 de eerste Chinese IGCC-demofabriek te bouwen; net als het gerelateerde FutureGen-project, georganiseerd door het Amerikaanse ministerie van Energie, moet GreenGen beginnen met energieproductie en vervolgens koolstofafvang en -opslag toevoegen. De vice-premier van China, Zeng Peiyan, verscheen afgelopen zomer op het ceremoniële debuut van GreenGen, waarmee hij de steun van Peking voor het project aangaf.

Het probleem is dat IGCC-centrales nog steeds zo'n 10 tot 20 procent meer kosten per megawatt dan kolencentrales. (En dat is zonder het afvangen van kooldioxide.) China's energieproducenten wachten - net als hun tegenhangers in de Verenigde Staten en Europa - op een financiële of politieke reden om de overstap te maken. Wat gedeeltelijk ontbrak, is regelgeving die conventionele kolencentrales benadeelt. En de Chinese milieuagentschappen hebben niet de middelen en macht om bedrijven te laten voldoen aan de regelgeving die al in de boeken staat. Topfunctionarissen in Peking geven toe dat hun edicten op grote schaal worden genegeerd, aangezien nieuwe energiecentrales worden gebouwd zonder milieubeoordelingen en, volgens sommige bronnen, zonder de vereiste apparatuur voor verontreinigingsbeheersing.

Zelfs voorstanders van IGCC-technologie verwachten dat de wijdverbreide toepassing ervan in China nog minstens tien jaar zal duren. Du Minghua, directeur kolenchemie bij het Chinese Coal Research Institute, voorspelt inderdaad dat het 2020 zal zijn voordat de toepassing van IGCC-technologie serieus begint.

Wachten om in te ademen

Ondanks dergelijke pessimistische voorspellingen, bieden China's enorme ervaring met geavanceerde steenkooltechnologieën en het bewezen vermogen om nieuwe technologieën in een verrassend tempo te implementeren, voldoende ruimte voor optimisme. Als je Shanghai binnenreist met een derde van de geluidssnelheid in een trein die wordt ondersteund door een elektromagnetisch krachtveld, is het moeilijk te geloven dat een land dat in staat is tot zo'n technische prestatie, de dodelijke vervuiling die zijn steden overspoelt, zal blijven negeren.

Voor sommige analisten lijkt de overstap naar schone steenkooltechnologie bijna onvermijdelijk. China is afhankelijk van steenkool voor toekomstige elektriciteits- en brandstofbehoeften, en het zal uiteindelijk zijn CO2-uitstoot moeten beperken, zegt Guodong Sun, een technologiebeleidsexpert aan de Stony Brook University in New York, die de Chinese regering heeft geadviseerd over energiebeleid. Vergassing is een van de weinige technologieën die deze tegenstrijdige scenario's tegen redelijke kosten met elkaar kunnen verzoenen.

Toch is de timing van een dergelijke technologietransitie zeer twijfelachtig. Zal China echt tot 2020 wachten om te beginnen met het opruimen van zijn kolencentrales? Het antwoord zal uiteindelijk afhangen van wanneer China begint te voelen dat het gebruik van kolenvergassing om elektriciteit op te wekken net zo urgent is als het gebruik ervan om transportbrandstoffen te produceren - wanneer de kosten van luchtvervuiling net zo zorgwekkend worden als de kosten van het vertrouwen op buitenlandse olie.

Peter Fairley, een Technologie beoordeling bijdragende schrijver, reisde naar China in oktober.

zich verstoppen