Kinas kolframtid

En besökare som anländer till Shanghai märker omedelbart Kinas tekniska gåta. Genom fönstren på det magnetiskt svävande tåget som täcker de 30 kilometerna från Pudong International Airport till Shanghai i upp till 430 kilometer i timmen framgår både de framsteg landet gör och priset det betalar för det. De flesta dagar hänger ett gult töcken över Shanghais byggvansinne. Föroreningar är den vanligaste dödsorsaken i Kina och dödar mer än en miljon människor om året. Och den främsta orsaken till föroreningar är också källan till energin som driver det ultramoderna tåget: kol.

För att hålla jämna steg med landets ekonomiska tillväxt bygger Kinas lokala myndigheter, allmännyttiga företag och entreprenörer i genomsnitt ett koleldat kraftverk per vecka. Kraftverken avger en jämn ström av sot, svaveldioxid och andra giftiga föroreningar i luften; de spyr också ut miljontals ton koldioxid. I november beräknade Internationella energiorganet att Kina kommer att bli världens största källa till koldioxidutsläpp 2009, och gå om USA nästan ett decennium tidigare än tidigare förutsett. Kol förväntas stå för tre fjärdedelar av den koldioxiden.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2007

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Och problemet kommer att förvärras. Mellan nu och 2020 kommer Kinas energiförbrukning att mer än fördubblas, enligt expertuppskattningar. Att öka energieffektiviteten, utnyttja förnybara resurser med vattendammar och vindkraftverk och bygga kärnkraftverk kan hjälpa, men – åtminstone under de kommande två decennierna – bara marginellt. Eftersom Kina har väldigt lite olje- och gasreserver beror dess framtid på kol. Med 13 procent av världens bevisade reserver har Kina tillräckligt med kol för att upprätthålla sin ekonomiska tillväxt i ett sekel eller mer. Den goda nyheten är att Kinas ledare såg kolrushen komma på 1990-talet och började utforska en rad avancerade teknologier. Den främsta bland dem är kolförgasning. Det är nyckeln till rent kol i Kina, säger kemiingenjör Li Wenhua, som ledde avancerad kolutveckling för Pekings nationella högteknologiska FoU-program (mer känt i Kina som 863-programmet) från 2001 till 2005.

Förgasning omvandlar kolets komplexa blandning av kolväten till en väterik gas känd som syntesgas eller syngas. Kraftverk kan bränna syngas lika rent som naturgas. Dessutom, med rätt katalysatorer och under rätt förhållanden, kombineras de grundläggande kemiska byggstenarna i syngas för att bilda kolväteingredienserna i bensin och diesel. Som ett resultat har kolförgasning potential både att dämpa kraftverks utsläpp av sot och smog och att minska Kinas växande beroende av importerad olja. Det kan till och med hjälpa till att kontrollera utsläppen av koldioxid, som lättare fångas upp från syngasanläggningar än från konventionella koleldade anläggningar.

Multimedia

• Hur förgasning fungerar

Trots Kinas tidiga förutsägelse av behovet av kolförgasning har emellertid dess implementering av tekniken i kraftverk släpat efter. Landets elproducenter saknar ekonomiska och politiska incitament att bryta från sina traditionella metoder.

Däremot är storskaliga ansträngningar för att producera flytande transportbränslen med hjälp av kolförgasning på god väg. Kinas största kolföretag, Shenhua Group, planerar att starta upp landets första kol-till-bränsleanläggning 2007 eller början av 2008, i världens mest ambitiösa tillämpning av kolvätskebildning sedan andra världskriget. Shenhua planerar att driva åtta kondensationsanläggningar till 2020, och producera totalt mer än 30 miljoner ton syntetisk olja årligen – tillräckligt för att ersätta mer än 10 procent av Kinas beräknade oljeimport.

Kinas framsteg när det gäller att bygga kolkonverteringsanläggningar sätter landet långt före USA, där kolförgasningen fortfarande återhämtar sig från ett skadat rykte. Demonstrationsprogram för förgasning som initierades i USA efter energikriserna på 1970-talet blev föräldralösa när olje- och gaspriserna rasade på 1980-talet. Det gjorde att många fick intrycket att själva tekniken var opålitlig (se koldioxid till salu, juli 2005) . I Kina, däremot, såg oljan aldrig billig ut, och kol har aldrig förlorat sin glans.

Kol och kashmir

Norra Kina håller snabbt på att bli epicentrum för Kinas energiindustri. Den ledande dragningen är Shenfu Dongsheng-kolfältet, ett 31 000 kvadratkilometer stort lager av grunt kol som sträcker sig från den norra spetsen av Kinas Shaanxi-provins till den södra kanten av Nei Mongol, eller Inre Mongoliet. Dongshengfältets beräknade reserv på 223,6 miljarder ton kol gör det till världens sjunde största; ansträngningar att omvandla mycket av det kolet till transportbränslen kan göra det till världens mest lönsamma.

Tills nyligen var Inre Mongoliets kolhuvudstad, Erdos, till stor del orörd av den moderna världen, avgränsad av bergskedjor och den kinesiska muren i söder och av Gula floden i norr. Dess isolering är nu över, tack vare nygjutna motorvägar och nya järnvägslinjer som rullar över dess spruckna kullar och branta dalar. En flygplats borde öppna i år.

Erdos BNP fördubblades mellan 2001 och 2004, till stor del på grund av kol, kemikalier och kashmir (Erdos levererar en fjärdedel av världens kashmir). För att nå kolfälten kör du 40 minuter söder om staden och passerar ett mausoleum från 1950-talet för Genghis Khan, 1200-talskrigaren som erövrade stora delar av Asien. När du närmar dig den torra översvämningsslätten i Wulanmulunfloden, hoppar den imponerande infrastrukturen av ett dussin kolgruvor, inklusive några av världens största och mest mekaniserade, ut ur det karga landskapet. Regionen är också hem för flera hundra mindre, mindre moderna gruvor (gaser och grottor dödar minst 6 000 kinesiska kolgruvarbetare om året). Gruvarbetare på sin lediga dag cyklar förbi på mopeder, tre eller fyra till ett fordon och tävlar förbi 40-tons lastbilar fulla av kol. Längs motorvägen lastar kolsorteringsterminaler järnvägsvagnar avsedda för kraftverk och hamnar på den industrialiserade östkusten.

Inget av den infrastrukturen och aktiviteten förbereder dock en besökare för Shenhuas kol-till-bränsle-komplex, som reser sig från en platå som skärs in i kullarna. Det är en imponerande plats, med ett eget koleldat kraftverk, förgasningsanläggningar och två massiva reaktorer där kol kommer att göras till flytande, var och en vägande 2 250 ton (Shenhua tog världsrekordet när det lyfte reaktorerna på plats i juni förra året) . Efter en börsnotering på 2,95 miljarder USD 2005 och 5 miljarder USD i årliga intäkter från sina integrerade gruvor, järnvägar och kraftverk, expanderar Shenhua snabbt sin verksamhet. Det sålde 113 miljoner ton kol bara under första halvåret 2006, vilket nästan matchade föregående års totalsumma. Om Shenhua håller den takten i år kan det bli världens största producent av kol.

Kinas regering i Peking skapade Shenhua för ett decennium sedan för att tillföra stordriftsfördelar och modern teknik på Dongsheng-kolfälten. Företagets 1,5 miljarder dollar kol-till-bränsle-anläggning är ett uttryck för den strategin – en anläggning så tekniskt ambitiös att många experter, både kineser och västerländska, tvivlade på att den någonsin skulle byggas.

Produktionen av transportbränslen från kol dateras till början av 1900-talets Tyskland, där kemister utvecklade två metoder för att omvandla kols fasta långkedjiga kolväten till de kortare flytande kolvätena som finns i motorbränslen. (Nazityskland, med liten tillgång till olja, förlitade sig starkt på dessa processer för att driva sin högmekaniserade armé och flygvapen, som producerade bensin, diesel och flygbränsle från kol.) Franz Fischer och Hans Tropsch uppfann den mer kända av de två metoderna på 1920-talet. Fischer-Tropsch-syntes reducerar kol till syngas, en blandning av väte och kolmonoxid. En katalysator, ofta kobolt, får sedan kol- och väteatomerna att återförenas till nya föreningar, såsom alkoholer och bränslen. Fischer-Tropsch-syntes är konventionell kemi idag: i Sydafrika, till exempel, byggde Johannesburg-baserade Sasol Fischer-Tropsch-kol-till-olja-anläggningar för att säkerställa landets bränsleförsörjning under apartheidårens handelsbojkotter; och genom att byta in olika katalysatorer har Kinas kol-till-kemikalier förgasningsanläggningar använt Fischer-Tropsch i årtionden för att producera produkter som syntetiska gödselmedel och metanol.

Shenhuas anläggning, däremot, valde Fischer-Tropschs mindre kända rival, uppfann av Friedrich Bergius ett decennium tidigare. Även om den användes flitigt av nazisterna, övergavs Bergius process senare. Processen har kommit att kallas direkt flytande, eftersom den går förbi syngassteget. Vid direkt kondensering pulveriseras huvuddelen av kolet och blandas med en del av växtens syntetiska olja, behandlas sedan med väte och värms upp till 450 °C i närvaro av en järnkatalysator, som bryter kolvätekedjorna i de kortare kedjorna lämpliga för raffinering till flytande bränslen.

Direkt kondensering producerar mer bränsle per ton kol än Fischer-Tropsch-syntes. Experter vid det kinesiska kolforskningsinstitutet i Peking uppskattar att processen fångar upp 55 till 56 procent av energin i kol, jämfört med bara 45 procent för Fischer-Tropsch. Direkt kondensering är emellertid också mycket mer komplicerad, och kräver separata kraft- och förgasningsanläggningar för att leverera värme och väte och betydande återvinning av olja, väte och kolslam mellan separata sektioner av anläggningen. Och att bryta ner kolväten till precis rätt längd kräver utsökt kontroll över driftsförhållandena och en konsekvent kolförsörjning.

Shenhua designade om processen under de senaste fem åren för att öka effektiviteten och minska avfallet, men samtidigt öka dess komplexitet. Och företaget tar en enorm teknisk och ekonomisk risk genom att driva en så ny teknik i så stor skala.

I slutet av detta år hoppas Shenhua kunna pumpa ut 20 000 fat syntetisk olja per dag, nästan 500 gånger så mycket som dess pilotanläggning i Shanghai producerar. Enligt Jerald Fletcher, en naturresursekonom vid West Virginia University i Morgantown, utgör Erdos-anläggningen ett experiment på 1,5 miljarder dollar som bara kan äga rum i Kina. Det skulle vara svårt att få den typen av engagemang av medel i väst utan en mer beprövad teknik, säger Fletcher. Eric Larson, expert på energiteknik och modellering vid Princeton University, uttrycker det mer rakt på sak: Det är inte så vettigt att bygga en sådan enorm anläggning, för det kanske inte fungerar.

Men för den kinesiska regeringen kan belöningarna vara värda risken. Trots sin börsnotering 2005 av vissa tillgångar förblir Shenhua ett till stor del statligt ägt företag, och anläggningen för direktförvätsning tjänar ett avgörande statligt intresse: energisäkerhet. Oavsett hur stor kostnaden är kommer Shenhua att bygga den, säger Zhou Zhijie, en förgasningsexpert vid East China University of Science and Technologys Institute of Clean Coal Technology i Shanghai. Kinas regering kommer att stödja detta projekt tills vätskan rinner.

Naturligtvis, om den nya anläggningen fungerar, kommer Shenhua att tjäna en betydande vinst. Företaget förutspår att dess syntetiska olja kommer att gå med vinst på ungefär 30 dollar per fat, även om många analytiker säger att 45 dollar är mer realistiskt. (USA:s energidepartements senaste prisprognos förutspår att råolja kommer att sjunka till 47 dollar per fat 2014 och sedan stadigt stiga till 57 dollar per fat 2030.) Shenhua har också ingått ett preliminärt avtal med partners Shell och Sasol för att säkra sina insatser. om flera lika stora eller större Fischer-Tropsch-bränsleanläggningar i norra Kina, som skulle starta 2012.

Även Shenhuas kinesiska kolkonkurrenter bryter redan mark med sina versioner av kol-till-bränsleanläggningar. Kolgruppen Yankuang, den näst största kolproducenten i Kina, planerar en Fischer-Tropsch-bränsleanläggning nära Erdos som kommer att använda en egenutvecklad förgasare och katalysator.

Utöver de risker som är inneboende i storskalig användning av oprövad teknik, är förgasningsbyggnadsboomen också en miljömässig chansning. Det som i slutändan kan hindra Kinas kol-till-olja-ambitioner är faktiskt vatten. Kinas kolforskningsinstitut uppskattar att Shenhuas anläggning kommer att förbruka 10 ton vatten för varje ton syntetisk olja som produceras (360 liter vatten per fat olja), och förhållandet är ännu värre för Fischer-Tropsch-anläggningar. Förra sommaren utfärdade Kinas nationella utvecklings- och reformkommission, det mäktiga organ som har till uppgift att reglera Kinas ekonomi och godkänna stora kapitalprojekt, en varning om miljökonsekvenserna av den skenande utvecklingen av syntetisk olja och kemiska anläggningar, som den sa kommer att förbruka tiotals miljoner kubikmeter vatten årligen.

Den förutsägelsen låter särskilt olycksbådande i norra Kina, där det är ont om vatten. Erdos är en blandning av busk och öken vars magra vattentillgång redan är överbeskattad av befolkningstillväxt och befintliga kraftverk. Zhou Ji Sheng, som som vice chef för ZMMF, en av Shenhuas Erdos-baserade konkurrenter, söker finansiering för ett förgasningsprojekt, erkänner att vattenbrist kan sätta stopp för kolförgasning i området. Även om vi har så mycket kol, om vi inte har något vatten, måste vi bara använda det traditionella sättet – att gräva ut det och transportera det, säger han. Vatten är nyckelfaktorn för oss att utveckla denna nya industri. Zhou säger att hans företag planerar att komplettera sin vattenförsörjning genom att bygga en 120 kilometer lång rörledning till Gula floden. Men avdunstning från vattenkraftsreservoarer, den ökade efterfrågan från växande städer och industrier och effekterna av klimatförändringarna gör att Gula floden knappt når havet på sommaren.

Kolkraft

Medan Kinas önskan att avsluta sitt beroende av utländsk olja hjälper till att driva på enorma kapitalinvesteringar i förvätsningsteknik, går landets kraftproducenter mycket långsammare för att dra fördel av kolförgasning. Vad de, liksom sina amerikanska motsvarigheter, saknar är ett incitament att uppgradera från konventionella pulveriserat kol till de dyrare förgasningsanläggningarna. Enligt Li Wenhua, den tidigare programchefen för 863 (som nu leder förgasningsforskningen i Kina för General Electric), uppfattar kinesiska industrimän pulveriserat kol som en licens att trycka pengar. Folk säger att man inte ska kalla det ett kraftverk; det är en maskin för att tjäna pengar, säger Li. Ännu har inget kraftbolag varit villigt att vara först med att slå av.

Ironiskt nog har Kinas övergång till en mer öppen ekonomi hämmat ansträngningarna att implementera mer innovativ teknik. På 1990-talet såg det ut som om Kinas kraftsektor var på väg mot sin egen förgasningsrevolution. 1993 började Kinas ledande kraftteknikföretag, China Power Engineering Consulting i Peking, designa landets första förgasningskraftverk. Erans monopolverktyg, State Power Corporation, planerade att bygga den kommersiella anläggningen i Yantai, en blomstrande hamn inte långt från Bohaihavet. Yantai-anläggningen skulle bli början på en övergång till renare kolteknik, säger Zhao Jie, anläggningens designer, nu vice vd för China Power Engineering. Kina ville ta ett renare och mer effektivt sätt att producera kraft, säger Zhao. Istället åkte demonstrationsanläggningen hon designade på en berg-och-dalbana till ingenstans. Designarbetet stoppades tillfälligt 1994 när kostnaden för tekniken ansågs oacceptabelt hög, återupplivades i slutet av 1990-talet och bröts sedan av efter 2002 genom upplösningen av State Power Corporation.

Yantai kraftverk baserades på integrerad förgasningsteknik (IGCC). IGCC-anläggningar liknar naturgaseldade kraftverk – de använder två turbiner för att fånga upp mekanisk energi och värmeenergi från expanderande förbränningsgaser – men drivs med syngas från en integrerad kolförgasningsanläggning. De är inte utsläppsfria, men deras gasströmmar är mer koncentrerade, så svavelhaltiga sot, koldioxid och andra föroreningar som de genererar är lättare att separera och fånga upp. Naturligtvis, när koldioxiden – den huvudsakliga växthusgasen – är fångad, behöver ingenjörer fortfarande hitta en plats att förvara den på. Den mest lovande strategin är att binda den djupt inne i salthaltiga akviferer och oljereservoarer. I preliminära analyser har kinesiska geologer uppskattat att åldrande oljefält och akviferer kan absorbera mer än en biljon ton koldioxid – mer än vad Kinas koleldade anläggningar skulle släppa ut, i sin nuvarande takt, under hundratals år.

Huaneng Group, en kraftproducent baserad i Peking, har samlat ett konsortium av kraft- och kolintressen (inklusive Shenhua) kallat GreenGen för att bygga den första kinesiska IGCC-demoanläggningen till 2010; liksom det relaterade FutureGen-projektet som organiseras av det amerikanska energidepartementet, ska GreenGen börja med kraftproduktion och sedan lägga till kolavskiljning och lagring. Kinas vice premiärminister, Zeng Peiyan, gjorde ett framträdande vid GreenGens ceremoniella debut förra sommaren, vilket indikerar Pekings stöd för projektet.

Problemet är att IGCC-anläggningar fortfarande kostar cirka 10 till 20 procent mer per megawatt än kraftverk som eldas med pulveriserat kol. (Och det är utan koldioxidavskiljning.) Kinas kraftproducenter – ungefär som deras motsvarigheter i USA och Europa – väntar på en ekonomisk eller politisk anledning att göra bytet. Det som delvis har saknats är reglering som straffar konventionella kolverk. Och Kinas miljöbyråer saknar resurser och makt för att få företag att följa de regler som redan finns i boken. Topptjänstemän i Peking erkänner att deras påbud i stor utsträckning ignoreras, eftersom nya kraftverk byggs utan miljöbedömningar och, enligt vissa källor, utan nödvändig utrustning för föroreningskontroll.

Även förespråkare för IGCC-teknik förväntar sig att dess utbredda utbyggnad i Kina kommer att ta åtminstone ytterligare ett decennium. Du Minghua, chef för kolkemi vid Chinese Coal Research Institute, förutspår faktiskt att det kommer att dröja 2020 innan tillämpningen av IGCC-tekniken börjar på allvar.

Väntar på att andas in

Trots sådana pessimistiska förutsägelser ger Kinas stora erfarenhet av avancerad kolteknik och dess bevisade förmåga att implementera ny teknik i en häpnadsväckande takt gott om utrymme för optimism. När du tävlar in i Shanghai med en tredjedel av ljudhastigheten på ett tåg som stöds av ett elektromagnetiskt kraftfält, är det svårt att tro att ett land som kan göra en sådan ingenjörsprestation kommer att fortsätta att ignorera den dödliga föroreningen som uppslukar dess städer.

För vissa analytiker verkar övergången till ren kolteknik nästan oundviklig. Kina måste förlita sig på kol för framtida el- och bränslebehov, och det kommer så småningom att behöva begränsa sina CO2-utsläpp, säger Guodong Sun, en teknikpolitisk expert vid New Yorks Stony Brook University som har rådgivit den kinesiska regeringen om energipolitik. Förgasning är en av mycket få tekniker som kan förena dessa motstridiga scenarier till en rimlig kostnad.

Ändå är tidpunkten för en sådan teknikövergång mycket ifrågasatt. Kommer Kina verkligen att vänta till 2020 med att påbörja processen med att sanera sina koleldade kraftverk? Svaret kommer i slutändan att bero på när Kina börjar känna att det är lika brådskande att använda kolförgasning för att generera el som att använda det för att producera transportbränslen – när kostnaderna för luftföroreningar blir lika oroande som kostnaderna för att förlita sig på utländsk olja.

Peter Fairley, a Teknikgranskning bidragande författare, reste till Kina i oktober.

Dölj