Не так давно фраза «чистый уголь» казалась оксюмороном. Угольные электростанции испускают колдунья из воздуха, который, если его не удалить с помощью скрубберов, портит воздух, создает кислотные дожди и может вызвать астму или сердечные приступы. А угольные электростанции в два раза больше выделяют углекислый газ для отопления планет электростанций, работающих на природном газе.
Однако реактор нового типа, который улавливает более 99 процентов углекислого газа, образующегося при сжигании угля, может сделать возможным использование «чистого угля». Углекислый газ можно безопасно хранить под земной поверхностью, где он не может способствовать изменению климата.
Этот реактор будет улавливать углерод, не повышая цены на электроэнергию, и это может сделать его коммерчески жизнеспособным. «Это совершенно новый способ получения энергии из угля с низким содержанием углерода», - говорит Карма Сойер, которая руководит исследовательской программой по чистому углю в исследовательском агентстве Министерства энергетики США (DOE) ARPA-E, которое финансировало эту работу.
При сжигании угля производится около 40 процентов мировой электроэнергии, но он производит три четверти из более чем 12 миллиардов тонн углекислого газа, выделяющегося при производстве электроэнергии и тепла. Чтобы уголь не загрязнял окружающую среду, этот углекислый газ должен быть захвачен до его выброса и навсегда заблокирован под землей. Но, несмотря на годы исследований, ни одна из угольных электростанций в Соединенных Штатах не делает этого.
Тем не менее, электростанции, работающие на угле, по-прежнему поставляют большую часть мировой электроэнергии, а запасы угля в США и в других местах остаются многочисленными и доступными. По этим причинам - и из-за политического влияния угольной промышленности - Министерство энергетики вложило более 3, 4 миллиарда долларов в технологии улавливания и хранения углерода.
Самая современная технология улавливания углерода, называемая очисткой амина, является эффективной и зрелой, но она слишком дорогая. При очистке амина, названной в честь алкиламинов, используемых в процессе, уголь сначала сжигается обычным способом с воздухом, и образующийся дымовой газ пузырится через жидкость, которая улавливает углекислый газ. Затем жидкость нагревают, чтобы выпустить углекислый газ, который выходит так же, как холодная банка соды испускает пузырьки углекислого газа при нагревании до комнатной температуры. Этот процесс поглощает почти треть энергии, производимой всей электростанцией, - достаточно, чтобы гарантировать повышение цен на 80 процентов для потребителей. Такой скачок в стоимости является несостоятельным, поэтому коммунальные службы уклоняются от установки таких скрубберов.
Несколько лет назад Министерство энергетики поставило перед исследователями задачу разработать технологию, которая позволяла бы удалять более 90 процентов углекислого газа, выделяемого электростанцией, и в то же время удерживать цены на электроэнергию, работающие на угле, от обычной установки на сегодняшний день более чем на 35 процентов., До настоящего времени Министерство энергетики инвестировало в исследования более десятка экспериментальных технологий удаления углерода. «Пока еще нет серебряной пули, поэтому у нас большая программа», - говорит Линн Бриккетт, директор отделения существующих растений Национальной лаборатории энергетических технологий Министерства энергетики США в Питтсбурге, Пенсильвания.
Одна из наиболее многообещающих новых технологий начинается с пылевидного угля, сухой смеси консистенции талька, который уже сжигается на многих угольных электростанциях. Размельченный уголь смешивают с частично заржавевшими частицами железа размером с мороженое, которое разбрызгивается внутри горячего реактора при температуре 1650 градусов по Фаренгейту. Угольно-железная смесь подвергается химической реакции, которая удаляет ржавчину и производит углекислый газ и пар, которые затем охлаждаются и жидкая вода конденсируется, оставляя высокоочищенный поток углекислого газа.
Частицы железа, не содержащие ржавчины, затем перемещаются во второй реактор, где они сжигаются под воздухом, заставляя их снова ржаветь. Эта реакция коррозии производит достаточно тепла для кипячения воды, и полученный пар приводит в движение электрическую турбину.
Улавливающий углерод материал не нужно отдельно нагревать для выделения чистого диоксида углерода, как это происходит при очистке амина, и по этой причине «требования к энергии захвата практически ничтожны», объясняет Лян-Ши Фан, химик из Университета штата Огайо. инженер, который возглавил это исследование.
Побочные продукты метода могут быть перенаправлены, обеспечивая дополнительную экономическую эффективность. Поток чистого углекислого газа может быть продан производителям нефти, которые могут закачивать его в отработанные скважины, чтобы добывать ценные, но трудно собранные последние куски нефти. Процесс также можно настроить для получения чистого водорода в дополнение к электричеству и углекислому газу, и этот водород можно чисто сжигать для производства электроэнергии или продавать в качестве сырья для промышленного химического производства.
«Работа Фана в штате Огайо - это единственный процесс в мире, который позволяет раздельно производить все три из них [электричество, углекислый газ и водород]», - говорит Сойер.
Инженеры оставили себе и другие варианты. Несколько изменений в конструкции реактора позволяют ему функционировать на установках газификации угля, электростанции нового типа, которая частично сжигает уголь для производства синтетического природного газа или синтез-газа, а затем сжигает синтез-газ для производства электроэнергии. Хотя в Соединенных Штатах сейчас строятся только два крупных завода по газификации угля - в Миссисипи и Индиане, - эксперты прогнозируют, что многие будущие угольные заводы будут использовать эту технологию.
Фан и его коллеги недавно построили лабораторный пилотный реактор в кампусе штата Огайо, и в феврале они сообщили, что эксплуатировали его в течение девяти дней. Это может показаться недолгим, но это самый продолжительный период для такого типа технологии улавливания углерода. И реактор удалил больше чем 99 процентов произведенного углекислого газа.
Несмотря на успех, новая технология имеет много препятствий, прежде чем ее можно будет использовать в коммерческих целях. Реактор должен пройти крупномасштабное испытание с реальным дымовым газом электростанции, в котором есть загрязняющие вещества, которые могут повредить, например, металлические детали реактора, и он должен выдерживать годы высокотемпературных операций под высоким давлением.
Такое тестирование проводится в рамках технологии петли синтез-газа команды. Инженеры штата Огайо объединились с полдюжины компаний, которые производят поставки или запчасти для угольных электростанций, чтобы построить шестиэтажную экспериментальную 250-киловаттную пилотную установку стоимостью 14 миллионов долларов США в Национальном центре по улавливанию углерода Министерства энергетики в Уилсонвилле, штат Алабама. Этот испытательный реактор будет работать на синтез-газе, произведенном на демонстрационной установке газификации угля, эксплуатируемой Southern Company в центре, и он будет работать при высоких температурах и высоких давлениях, типичных для коммерческих установок. (Раскрытие информации: Southern Company является рекламодателем на Smithsonian.com, но эта история была заказана независимо.) «Мы тестируем очень коммерчески применимые условия», - говорит Эндрю Тонг, исследователь из группы Fan, который помогает координировать тестовый запуск.
Даже если усилия будут успешными, потребуется больше пилотных испытаний, потому что фактическая электростанция, работающая на угле, примерно в 1000 раз больше, чем запланированная пилотная установка в Алабаме. По словам Сойера, технологии штата Огайо «еще предстоит пройти долгий путь для выработки электроэнергии на коммерческой электростанции, работающей на угле или природном газе».
Если технология окажется успешной в больших масштабах и окажется способной удалить все углекислый газ и загрязнители воздуха из горящего угля, химические петлевые реакторы по-прежнему не будут самым чистым, дешевым или самым здоровым способом производства электроэнергии. Шахтеры умирают от болезней черного легкого и обрушения шахт, а целые горные хребты обезглавлены для добычи угля. Даже чистый уголь производит золу, которая накапливается в прудах или на свалках, угрожая загрязнению подземных вод и рек. Когда учитываются затраты на здравоохранение и окружающую среду, возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия, остаются дешевле.
Но из-за того, что семь миллиардов человек жаждут дешевой энергии и электростанций, работающих на угле, каждый день выбрасывают в атмосферу миллионы тонн газа, добывающего планеты, нельзя пренебрегать новыми способами чистого сжигания угля. «Вы должны найти что-то, что может справиться со всеми проблемами», - говорит Сойер. «Вот почему эти проекты такие захватывающие».
