Węgiel jest zbyt cennym surowcem żeby go po prostu spalać. Jest to jednak surowiec energetyczny występujący powszechnie, w regionach stabilnych politycznie. Z tego względu przed nastaniem ery energii z syntezy jąder lekkich pierwiastków, która według wszelkiego prawdopodobieństwa umożliwi efektywne konwertowanie węgla na cenne produkty chemiczne, węgiel pozostaje wciąż jednym z podstawowych surowców energetycznych. Węgiel zawiera w sobie szereg pierwiastków, które spalając się w atmosferze tlenu oddają energię do otoczenia. Poprzez szereg przemian termodynamicznych technicznie wykorzystanych w urządzeniach energetycznych możliwa jest konwersja tej energii do ciepła użytkowego i energii elektrycznej.
Wytwarzanie ciepła użytkowego realizowane jest na dwa główne sposoby. Pierwszym z nich jest bezpośrednie ogrzewanie pomieszczeń z wykorzystaniem pieców małej mocy. Ogrzewanie realizowane jest poprzez przekazanie energii wydzielonej w trakcie spalania węgla z pieca do otoczenia. Taka metoda jest realizowana w urządzeniach małej mocy. W szerszym zakresie mocy, w kotłach grzewczych i ciepłowniczych wytwarzanie ciepła użytkowego odbywa się poprzez podgrzanie czynnika roboczego. Czynnik roboczy jest następnie przesłany do odbiorcy. Z uwagi na dostępność, brak negatywnego wpływu na środowisko, oraz właściwości najczęściej stosowanym czynnikiem grzewczym jest woda lub para wodna. Typowe parametry wody w obecnie stosowanych systemach ciepłowniczych to temperatura zasilania – do 130 oC i temperatura powrotu - od 50 oC. Na rysunku 1 zamieszczono schematycznie typowy układ sieci ciepłowniczej (źródło: http://mpec.przemysl.pl/).
Rys. 1. Schemat systemu ciepłowniczego
W urządzeniu energetycznym potencjał wykorzystania węgla do wytwarzania energii elektrycznej można zdefiniować jako sprawność wytwarzania netto . Jest to stosunek wytworzonej mocy elektrycznej Nel pomniejszonej o moc wykorzystaną dla zaspokojenia potrzeb własnych instalacji Npw odniesiony do strumienia energii chemicznej węgla podanego do urządzenia . Zdefiniowany został zależnością 1.
, (1)
to strumień masowy węgla w kg/s, to jego wartość opałowa. W wielu krajach stosuje się zamiast wartości opałowej ciepło spalania. Maksymalna teoretyczna sprawność wytwarzania energii elektrycznej zależna jest od temperatury górnego źródła T2 i źródła dolnego T1. Opisuje ją sprawność idealnego obiegu Carnota.
. (2)
Zależność (2) wskazuje granicę możliwości energetycznego wykorzystania węgla. Im większa różnica pomiędzy T1 a T2 , tym większa teoretyczna sprawność wytwarzania energii elektrycznej. W analizie nowych sposobów wykorzystania energii węgla należy pamiętać, że górna temperatura T2 jest ograniczana temperaturą spalania węgla. Ta z kolei wynika ze składu węgla i sposobu spalania. Współczesna energetyka węglowa opiera się na obiegach, w których energia węgla przekazywana jest do wody / pary. Istotnym ograniczeniem tych obiegów są dopuszczalne parametry termodynamiczne umożliwiające długotrwałą eksploatację kotłów. Zawartość kwaśnych składników, zagrożenie korozją, czy dostępność i efektywność operowania czynnikiem chłodzącym część niskotemperaturową obiegu stanowi ograniczenie stopnia ochłodzenia spalin. Poszukuje się więc takich sposobów podniesienia sprawności, które umożliwiają podwyższenie temperatury czynnika obiegowego i odpowiednie ochłodzenie spalin. Stosowane obecnie maksymalne parametry pary to 640 oC i około 300 bar. Dla węgla o temperaturze spalania wynoszącej 1800 oC sprawność cyklu idealnego wg równania (2) wynosi ηc,max=86 %. Obecne obiegi parowe umożliwiają osiągnięcie sprawności maksymalnej obiegu rzeczywistego do 46 %. Dalsze podwyższenie sprawności wymaga odpowiedniej kombinacji kilku obiegów, lub skrócenia cyklu przemian. Konieczność uzyskania optimum ekonomicznego pomiędzy kosztami inwestycyjnymi a eksploatacyjnymi powoduje, że kocioł powinien pracować 250 i więcej tysięcy godzin. W celu przedłużenia okresu trwałości materiałów stosuje się niższe parametry, niż maksymalne możliwe do uzyskania. Sprawność wytwarzania to jak widać nie jedyny czynnik decydujący o wyborze technologii konwersji węgla.
Poprzez połączenie wytwarzania ciepła użytkowego i energii elektrycznej w odpowiedniej konfiguracji wymienników, upustów pary i stopni turbinowych uzyskuje się skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła. Realizowane jest ono w szerokim zakresie mocy. W mniejszej skali skojarzenie spotykane jest w układach kogeneracyjnych (np. w silnikach spalinowych z układem podgrzewu wody sieciowej wykorzystującym chłodzenie silnika i spalin).
W większej skali skojarzenie wykorzystywane jest w elektrociepłowniach. Schematycznie zasadę wytwarzania skojarzonego ujmuje rysunek 2 (źródło: www.pracowniaregister.pl)
Rys. 2. Schemat ideowy skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła
Generalnie w energetyce węglowej dominuje tendencja do realizacji urządzeń wielkoskalowych. Przemawiają za tym wyższe sprawności wytwarzania. Dlatego najczęściej w odniesieniu do kogeneracji myśli się o urządzeniach w skali kilkudziesięciu MW (megawat) do kilkuset MW.
W ostatnich latach coraz częściej uwagę badaczy i eksploatatorów skupia się na tzw "kogeneracji w małej skali".
Z pośród wielu spotykanych technologii konwersji energii chemicznej węgla do energii elektrycznej i ciepła użytkowego można przedstawić kilka najważniejszych. Podział ten przedstawia rysunek 3. Podzielone zostały one na takie, które znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle i takie, które mogą być w przyszłości rozwijane, lub też były rozwijane w przeszłości i oczekują na odpowiednie technologie materiałowe i sposoby eksploatacji.
Rys. 3. Obecne i przyszłościowe technologie konwersji węgla do energii elektrycznej i ciepła
Podstawowe kierunki rozwoju technologii energetycznego wykorzystania węgla można streścić w następujący sposób: dla wytwarzania ciepła lub skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła - kierunkiem działań jest podwyższanie sprawności spalania i efektywności wykorzystania ciepła użytkowego. Istotne zmiany są wymuszane konsekwentnie poprzez podnoszenie izolacyjności termicznej przegród budynków ogrzewanych - odbiorników ciepła. Idący za tym spadek wymaganych temperatur czynnika grzewczego umożliwia w coraz większym stopniu stosowanie energii odpadowej. W efekcie dla obiegów parowych zwiększa to możliwości zastosowania energii do tej pory bezpowrotnie traconej w obiegu kondensacji.
W zakresie wytwarzania energii elektrycznej istotne przyszłościowe technologie oparte są m. in. na skróceniu cyklu przemian (generatory MHD, ogniwa paliwowe). Interesującym zagadnieniem i olbrzymim wyzwaniem dla materiałoznawstwa jest technologia turbiny gazowej zasilanej węglem. Obecnie główny wysiłek badawczy jest kierowany na poprawę funkcjonowania istniejących instalacji energetycznych. Chodzi tutaj o podniesienie górnej temperatury obiegu parowego w cyklu Rankine'a (zwanej temperaturą przegrzewu pary), połączenie eliminacji CO2 ze spalin z efektywnym jego wykorzystaniem w chemii, czy wydobyciu węglowodorów poprzez zastosowanie CO2 jako tłoka gazowego i podniesienie w ten sposób ciśnienia złożowego. Poszukuje się nowych, tanich w wytworzeniu i łączeniu materiałów na elementy kotłów. W zakresie obniżania dolnej temperatury obiegu połączenie konieczności zapewnienia niskiej emisji ze spalania węgla przy podwyższonej sprawności powoduje realizację układów wychładzania spalin z odzyskiem entalpii kondensacji wilgoci.