Není to tak dávno, fráze „čisté uhlí“ vypadala jako oxymoron. Uhelné elektrárny vyzařují čarodějnickou směs látek znečišťujících ovzduší, které, pokud nejsou odstraněny pračkami, znečišťují vzduch, vytvářejí kyselý déšť a mohou způsobovat astma nebo srdeční infarkty. A uhelné elektrárny emitují dvojnásobek oxidu uhličitého zahřívaného na planetě u elektráren na zemní plyn.
Nový typ reaktoru, který zachycuje více než 99 procent oxidu uhličitého generovaného spalováním uhlí, by však mohl učinit „čisté uhlí“ proveditelným. Oxid uhličitý lze bezpečně uložit pod zemský povrch, kde nemůže přispět ke změně klimatu.
Tento reaktor by zachytával uhlík bez zvyšování ceny elektřiny, což by mohlo učinit komerčně životaschopným. „Je to zcela nový způsob, jak vyrábět energii z uhlí s nízkým obsahem uhlíku, “ říká Karma Sawyer, která řídí výzkumný program čistého uhlí ve výzkumné agentuře ARPA-E Ministerstva energetiky USA (DOE), která tuto práci financovala.
Spalování uhlí je odpovědné za výrobu asi 40 procent světové elektřiny, ale produkuje tři čtvrtiny z více než 12 miliard tun oxidu uhličitého emitovaného během výroby elektřiny a tepla. Aby bylo uhlí neznečišťující, musel by se tento oxid uhličitý zachytit dříve, než bude vypouštěn a trvale uzamčen pod zemí. Ale přes léta výzkumu, žádná z uhelných elektráren ve Spojených státech to nedělá.
Nicméně uhelné elektrárny stále dodávají velkou část světové elektřiny a zásoby uhlí v USA a jinde zůstávají hojné a dostupné. Z těchto důvodů - a kvůli politickému vlivu uhelného průmyslu - investoval DOE více než 3, 4 miliardy dolarů do technologií na zachycování a ukládání uhlíku.
Dnešní nejpokročilejší technologie zachycování uhlíku, nazývaná aminová pračka, je efektivní a vyspělá, ale je příliš drahá. Při praní aminů, pojmenovaném po alkylaminech použitých v procesu, se uhlí nejprve spálí obvyklým způsobem se vzduchem a výsledné bublinky spalin přes kapalinu, která zachycuje oxid uhličitý. Poté se kapalina zahřeje, aby se uvolnil oxid uhličitý, který uniká stejně, jako chladná plechovka sody emituje bubliny oxidu uhličitého, jak se zahřívá na pokojovou teplotu. Tento proces nasává téměř jednu třetinu energie vyrobené v celé elektrárně - dost na to, aby zákazníkům zaručil zvýšení cen o 80 procent. Takový nárůst nákladů je neudržitelný, takže veřejné služby se vyhýbají instalaci takových praček.
Před několika lety výzva DOE vyzvala výzkumníky, aby vyvinuli technologii, která by dokázala odstranit více než 90 procent oxidu uhličitého emitovaného zařízením, a přitom udržovat cenu elektřiny poháněné uhlí z konvenčních elektráren od růstu o více než 35 procent k dnešnímu dni . DOE doposud investovala do výzkumu více než tuctu experimentálních technologií odstraňování uhlíku. "Zatím není k dispozici žádná stříbrná střela, a proto máme velký program, " říká Lynn Brickett, ředitelka divize Existující rostliny divize Národní energetické laboratoře DOE v Pittsburghu v Pensylvánii.
Jedna z nejslibnějších nových technologií začíná u práškového uhlí, suché směsi a konzistence talekového prášku, který se již spaloval v mnoha uhelných elektrárnách. Práškové uhlí se smíchá s částečně zrezivělými železnými částicemi velikosti zmrzliny posypané uvnitř horkého reaktoru při 1650 stupňů Fahrenheita. Směs uhlí a železa podléhá chemické reakci, která odstraňuje rez a produkuje oxid uhličitý a páru, která se potom ochladí a kapalná voda kondenzuje ven, čímž zanechává vysoce vyčištěný proud oxidu uhličitého.
Nerezové částice železa se poté přesunou do druhého reaktoru, kde se spálí vzduchem a způsobí opět rezavění. Tato rezavá reakce produkuje dostatečné množství tepla k varu vody a výsledná pára pohání turbínu produkující elektřinu.
Materiál zachycující uhlík nemusí být samostatně zahříván, aby se uvolnil čistý oxid uhličitý, jako tomu je při čištění aminů, a proto „požadavky na zachytávací energii jsou téměř zanedbatelné, “ vysvětluje Liang-Shih Fan, chemikálie z Ohio State University inženýr, který vedl tento výzkum.
Vedlejší produkty této techniky mohou být znovu použity, což poskytuje další nákladovou efektivitu. Čistý proud oxidu uhličitého může být prodán výrobcům ropy, kteří jej mohou vstřikovat do většinou utracených studní, aby bylo možné extrahovat cenné, ale těžko získatelné poslední kousky ropy. Tento proces může být také vylepšen tak, aby kromě elektřiny a oxidu uhličitého produkoval čistý vodík, a tento vodík lze čistě spalovat na elektřinu nebo prodávat jako surovinu pro průmyslovou chemickou výrobu.
"Práce Fan ve státě Ohio je jediný proces na světě, který umožňuje, aby se všechny tři (elektřina, oxid uhličitý a vodík) vyráběly samostatně, " říká Sawyer.
Inženýři si ponechali i jiné možnosti. Několik vylepšení v konstrukci reaktoru mu umožňuje fungovat v zařízeních na zplyňování uhlí, což je nový typ elektrárny, která částečně spaluje uhlí za účelem výroby syntetického zemního plynu, nebo syngas, a pak spaluje syngas za účelem výroby elektřiny. Přestože ve Spojených státech jsou ve Spojených státech v současné době ve výstavbě pouze dvě velké zařízení na zplynování uhlí - v Mississippi a Indianě - odborníci předpovídají, že tuto technologii bude využívat mnoho budoucích uhelných elektráren.
Fan a jeho kolegové nedávno postavili pilotní reaktor v laboratorním měřítku ve školním areálu Ohio a v únoru uvedli, že jej provozovali devět dní. To se nemusí zdát jako dlouhá doba, ale je to nejdelší jízda pro tento typ technologie zachycování uhlíku. A reaktor odstranil více než 99 procent vyrobeného oxidu uhličitého.
Navzdory úspěchu má nová technologie mnoho překážek, které by mohly skákat, než by se daly komerčně použít. Reaktor musí projít rozsáhlým testem se skutečnými spalinami elektrárny, který obsahuje kontaminanty, které by mohly například poškodit kovové části reaktoru, a musí vydržet až roky vysokoteplotních vysokotlakých operací.
Takový test probíhá pro technologii smyčky syngas týmu. Státní inženýři z Ohia se spojili s půl tuctem společností, které dodávají nebo dodávají díly pro uhelné elektrárny, aby v národním středisku pro zachytávání uhlíku DOE ve Wilsonvillu v Alabamě postavily pilotní elektrárnu s kapacitou 14 milionů dolarů, šestipodlažní 250 kilowatty. Tento zkušební reaktor bude běžet na syngasu produkovaném v demonstračním zařízení na zplyňování uhlí, které provozuje společnost Southern Company ve středu, a bude pracovat při vysokých teplotách a vysokých tlacích, které jsou typické pro komerční závody. (Zveřejnění: Southern Company je inzerentem na Smithsonian.com, ale tento příběh byl nezávisle objednán.) „Testujeme velmi komerčně použitelné podmínky, “ říká Andrew Tong, výzkumník ve skupině Fan, který pomáhá koordinovat testovací běh.
I kdyby bylo úsilí úspěšné, bylo by zapotřebí více pilotních testů, protože skutečná uhelná elektrárna je asi 1000krát větší než plánovaná pilotní elektrárna Alabama. Technologie státu Ohio „má stále dlouhou cestu k výrobě elektřiny v komerční elektrárně na uhlí nebo zemní plyn, “ říká Sawyer.
Pokud by se technologie ukázala jako úspěšná ve velkém měřítku a dokázala by schopna odstranit ze spalování uhlí všechny znečišťující látky kysličník uhličitý a do ovzduší, reaktory s chemickou smyčkou by stále nebyly nejčistším, nejlevnější nebo nejzdravějším způsobem výroby elektřiny. Horníci uhlí umírají na černou plicní chorobu a kolaps dolů a celá horská pásma jsou odbourávána na důlní uhlí. I čisté uhlí produkuje popel, který se hromadí ve skladovacích rybnících nebo skládkách, což ohrožuje podzemní vodu a řeky znečištěním. Když se zohlední náklady na zdraví a životní prostředí, obnovitelné zdroje, jako je vítr a sluneční energie, zůstanou levnější.
Ale se sedmi miliardami lidí, kteří touží po levné energii a elektrárnách spalujících uhlí a každý den do atmosféry spalují miliony tun plynu na vypalování planety, nelze zanedbat nové způsoby čistého spalování uhlí. "Musíte najít něco, co zvládne všechny výzvy, " říká Sawyer. "Proto jsou tyto projekty tak vzrušující."
