Nie tak dawno wyrażenie „czysty węgiel” wydawało się oksymoronem. Elektrownie opalane węglem emitują napar z czarownic, który, o ile nie zostanie usunięty za pomocą skruberów, zmatowi powietrze, spowoduje kwaśne deszcze i może spowodować astmę lub zawał serca. A elektrownie węglowe emitują dwa razy więcej niż dwutlenek węgla ogrzewający planetę elektrowni opalanych gazem ziemnym.
Jednak nowy typ reaktora, który wychwytuje ponad 99 procent dwutlenku węgla wytwarzanego przez spalanie węgla, może umożliwić „czysty węgiel”. Dwutlenek węgla można bezpiecznie przechowywać pod powierzchnią ziemi, gdzie nie może przyczynić się do zmian klimatu.
Reaktor ten wychwytywałby węgiel bez podnoszenia ceny energii elektrycznej, a to mogłoby uczynić go opłacalnym z handlowego punktu widzenia. „To zupełnie nowy sposób na wytwarzanie energii z węgla o niskiej zawartości węgla”, mówi Karma Sawyer, która kieruje programem badań czystego węgla w agencji badawczej ARPA-E Departamentu Energii USA (DOE), która sfinansowała prace.
Spalanie węgla jest odpowiedzialne za wytwarzanie około 40 procent światowej energii elektrycznej, ale wytwarza on trzy czwarte z ponad 12 miliardów ton dwutlenku węgla emitowanych podczas wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Aby węgiel nie był zanieczyszczony, dwutlenek węgla musiałby zostać wychwycony, zanim zostanie wyemitowany i trwale zamknięty pod ziemią. Ale pomimo lat badań żadna z elektrowni węglowych w Stanach Zjednoczonych tego nie robi.
Niemniej jednak elektrownie węglowe nadal dostarczają dużą część światowej energii elektrycznej, a rezerwy węgla w USA i innych krajach są obfite i niedrogie. Z tych powodów - oraz ze względu na siłę polityczną przemysłu węglowego - DOE zainwestowało ponad 3, 4 miliarda dolarów w technologie wychwytywania i składowania dwutlenku węgla.
Najbardziej zaawansowana dzisiejsza technologia wychwytywania dwutlenku węgla, zwana oczyszczaniem amin, jest skuteczna i dojrzała, ale jest zbyt droga. W przemywaniu amin, nazwanym na cześć alkiloamin użytych w procesie, węgiel jest najpierw spalany w zwykły sposób za pomocą powietrza, a powstałe pęcherzyki spalin przechodzą przez ciecz, która zatrzymuje dwutlenek węgla. Następnie ciecz jest podgrzewana w celu uwolnienia dwutlenku węgla, który ucieka tak bardzo, jak zimna puszka sody emituje bąbelki dwutlenku węgla, gdy ogrzewa się do temperatury pokojowej. Proces ten pochłania prawie jedną trzecią energii wytwarzanej przez całą elektrownię - wystarczającą, aby zagwarantować konsumentom podwyżkę cen o 80 procent. Taki skok kosztów jest nie do utrzymania, więc narzędzia unikały instalowania takich skruberów.
Kilka lat temu DOE wezwał badaczy do opracowania technologii, która mogłaby usunąć ponad 90 procent dwutlenku węgla emitowanego przez elektrownię, przy jednoczesnym utrzymaniu ceny energii elektrycznej z węgla w konwencjonalnej elektrowni rosnącej do tej pory o ponad 35 procent . Jak dotąd DOE zainwestowało w badania nad kilkunastoma eksperymentalnymi technologiami usuwania węgla. „Nie ma jeszcze srebrnej kuli, dlatego mamy duży program”, mówi Lynn Brickett, dyrektor oddziału Existing Plants Division z National Energy Technology Laboratory DOE w Pittsburghu w Pensylwanii.
Jedna z najbardziej obiecujących nowych technologii zaczyna się od sproszkowanego węgla, suchej mieszanki o konsystencji talku, który jest już spalany w wielu elektrowniach opalanych węglem. Sproszkowany węgiel miesza się z częściowo zardzewiałymi cząstkami żelaza wielkości lodów lecących w gorącym reaktorze w temperaturze 1650 stopni Fahrenheita. Mieszanina węgiel-żelazo podlega reakcji chemicznej, która usuwa rdzę i wytwarza dwutlenek węgla i parę wodną, które są następnie schładzane, a ciekła woda kondensuje, pozostawiając wysoce oczyszczony strumień dwutlenku węgla.
Następnie wolne od rdzy cząstki żelaza przemieszczają się do drugiego reaktora, gdzie są spalane w powietrzu, powodując ich ponowną rdzewienie. Ta reakcja rdzewienia wytwarza wystarczającą ilość ciepła do zagotowania wody, a powstająca para napędza turbinę wytwarzającą energię elektryczną.
Materiał wychwytujący węgiel nie musi być osobno ogrzewany, aby uwolnić czysty dwutlenek węgla, tak jak ma to miejsce podczas przemywania aminy, i dlatego „zapotrzebowanie na energię wychwytywania jest prawie znikome”, wyjaśnia Liang-Shih Fan, chemikalia z Ohio State University inżynier, który przewodził tym badaniom.
Produkty uboczne tej techniki można zmienić, zapewniając dodatkową opłacalność. Strumień czystego dwutlenku węgla może być sprzedawany producentom ropy naftowej, którzy mogą wtryskiwać go do najczęściej zużytych studni, aby umożliwić wydobycie cennych, ale trudnych do zebrania ostatnich kawałków ropy. Proces można również dostosować, aby uzyskać czysty wodór oprócz elektryczności i dwutlenku węgla, a wodór ten można spalać czysto w celu wytworzenia energii elektrycznej lub sprzedać jako surowiec do przemysłowej produkcji chemicznej.
„Praca wentylatora w Ohio State jest jedynym procesem na świecie, który może umożliwić wytwarzanie wszystkich trzech z nich [elektryczności, dwutlenku węgla i wodoru] oddzielnie”, mówi Sawyer.
Inżynierowie pozostawili sobie także inne opcje. Kilka poprawek w konstrukcji reaktora umożliwia jego funkcjonowanie w elektrowniach zgazujących węgiel, nowej elektrowni, która częściowo pali węgiel w celu wytworzenia syntetycznego gazu ziemnego lub gazu syntezowego, a następnie spala gaz syntezowy w celu wytworzenia elektryczności. Chociaż obecnie w USA budowane są tylko dwie duże elektrownie do zgazowania węgla - w Missisipi i Indianie - eksperci przewidują, że wiele przyszłych elektrowni węglowych będzie korzystać z tej technologii.
Fan i jego koledzy niedawno zbudowali reaktor pilotażowy na skalę laboratoryjną na terenie kampusu stanowego w Ohio, aw lutym poinformowali o jego eksploatacji przez dziewięć dni. To może nie wydawać się długim czasem, ale jest to najdłuższy okres w historii tego typu technologii wychwytywania dwutlenku węgla. Reaktor usunął ponad 99 procent wytwarzanego dwutlenku węgla.
Pomimo sukcesu nowa technologia ma wiele przeszkód do przeskoczenia, zanim będzie można ją wykorzystać komercyjnie. Reaktor musi przejść test na dużą skalę z prawdziwym gazem spalinowym z elektrowni, który zawiera zanieczyszczenia, które mogą na przykład uszkodzić metalowe części reaktora, i musi wytrzymać lata pracy w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem.
Taki test jest w toku dla technologii zapętlania gazu syntezowego w zespole. Inżynierowie z Ohio State współpracowali z pół tuzinem firm, które dostarczają części lub części do elektrowni węglowych, aby zbudować sześciopiętrową, pilotażową elektrownię o wartości 14 milionów dolarów w amerykańskim centrum przechwytywania dwutlenku węgla w Wilsonville w Alabamie. Ten reaktor testowy będzie pracował na gazie syntezowym produkowanym w demonstracyjnej instalacji do zgazowania węgla prowadzonej przez Southern Company w centrum i będzie działał w wysokich temperaturach i wysokich ciśnieniach typowych dla zakładów komercyjnych. (Ujawnienie: Southern Company jest reklamodawcą na Smithsonian.com, ale ta historia została niezależnie zlecona.) „Testujemy bardzo komercyjne warunki”, mówi Andrew Tong, badacz z grupy Fan, który pomaga koordynować przebieg testu.
Nawet jeśli wysiłek się powiedzie, potrzebne będą dalsze testy pilotażowe, ponieważ faktyczna elektrownia węglowa jest około 1000 razy większa niż planowana elektrownia pilotowa w Alabamie. Technologia Ohio State „ma jeszcze długą drogę do wytwarzania energii elektrycznej w komercyjnej elektrowni opalanej węglem lub gazem ziemnym”, mówi Sawyer.
Jeśli technologia odniesie sukces na dużą skalę i okaże się, że jest w stanie usunąć wszystkie dwutlenek węgla i zanieczyszczenia powietrza ze spalania węgla, reaktory z pętlą chemiczną nadal nie byłyby najczystszym, najtańszym ani najzdrowszym sposobem wytwarzania energii elektrycznej. Górnicy giną z powodu choroby czarnego płuca i kopalnia zapada się, a całe pasma górskie zostają odcięte do kopalni węgla. Nawet czysty węgiel wytwarza popiół, który gromadzi się w stawach magazynowych lub składowiskach odpadów, zagrażając zanieczyszczeniu wód gruntowych i rzek. Po uwzględnieniu kosztów związanych ze zdrowiem i środowiskiem odnawialne źródła energii, takie jak wiatr i słońce, pozostają tańsze.
Ale przy siedmiu miliardach ludzi spragnionych taniej energii i opalanych węglem elektrowni wyrzucających codziennie do atmosfery miliony ton gazu do wypalania planety, nie można pominąć nowych sposobów na czyste spalanie węgla. „Musisz znaleźć coś, co poradzi sobie ze wszystkimi wyzwaniami”, mówi Sawyer. „Dlatego te projekty są tak ekscytujące.”
