Ei kauan sitten ilmaus ”puhdas hiili” näytti oksymoronilta. Hiilellä toimivat voimalaitokset päästävät noidasta ilman epäpuhtauksia, jotka, jos sitä ei poisteta pesurilla, tuhoavat ilmaa, aiheuttavat happosateita ja voivat aiheuttaa astman tai sydänkohtauksia. Ja hiililaitokset päästävät kaksinkertaisesti maakaasua käyttävien voimalaitosten planeettaa lämmittävään hiilidioksidiin.
Uuden tyyppinen reaktori, joka sieppaa kuitenkin yli 99 prosenttia hiilen polttamisen tuottamasta hiilidioksidista, voisi tehdä ”puhtaan hiilen” mahdolliseksi. Hiilidioksidia voidaan varastoida turvallisesti maanpinnan alle, jos se ei voi vaikuttaa ilmastonmuutokseen.
Tämä reaktori keräisi hiiltä ilman, että sähkön hintaa nostetaan, ja tämä voisi tehdä siitä kaupallisesti kannattavaa. "Se on aivan uusi tapa tuottaa energiaa vähähiilisestä hiilestä", sanoo Karma Sawyer, joka johtaa puhtaan hiilen tutkimusohjelmaa Yhdysvaltojen energiaministeriön (DOE) tutkimuslaitoksen ARPA-E: lle, joka rahoitti työtä.
Polttava hiili tuottaa noin 40 prosenttia maailman sähköstä, mutta se tuottaa kolme neljäsosaa yli 12 miljardista tonnista hiilidioksidia, joka päästää sähkön ja lämmön tuotannossa. Hiilen pilaantumisen estämiseksi hiilidioksidi jouduttiin sieppaamaan ennen sen päästöä ja lukitsemaan pysyvästi maan alle. Vuosien tutkimuksesta huolimatta yksikään Yhdysvaltain hiilivoimalaitoksista ei tee tätä.
Siitä huolimatta kivihiilivoimalat toimittavat edelleen suuren osan maailman sähköstä, ja USA: ssa ja muualla sijaitsevat hiilivarannot ovat edelleen runsaat ja edulliset. Näistä syistä - ja hiiliteollisuuden poliittisen vaikutusvallan takia - DOE on investoinut yli 3, 4 miljardia dollaria hiilen talteenotto- ja varastointitekniikoihin.
Tämän päivän edistyksellisin hiilin talteenotto tekniikka, nimeltään amiinipuhdistus, on tehokas ja kypsä, mutta se on liian kallis. Prosessissa käytettyjen alkyyliamiinien mukaan nimeltään amiinipuhdistuksessa hiili poltetaan ensin tavalliseen tapaan ilmalla ja tuloksena syntyvät savukaasukuplat nesteen läpi, joka vangitsee hiilidioksidin. Sitten neste lämmitetään hiilidioksidin vapauttamiseksi, joka karkaa paljon, kun viileä soodakanisteri tuottaa hiilidioksidikuplia, kun se lämpenee huoneenlämpötilaan. Tämä prosessi imee lähes kolmanneksen koko voimalaitoksen tuottamasta energiasta - riittää takaamaan 80 prosentin hinnankorotus kuluttajille. Tällainen kustannuspiikki on kestämätön, joten apuohjelmat ovat poistuneet tällaisten pesurien asentamisesta.
Muutama vuosi sitten DOE haastoi tutkijoita suunnittelemaan tekniikkaa, jolla voitaisiin poistaa yli 90 prosenttia laitoksen päästöistä hiilidioksidista, samalla kun perinteisen laitoksen kivihiilellä tuotetun sähkön hinta nousisi yli 35 prosenttiin toistaiseksi. . Toistaiseksi DOE on investoinut yli kymmenen kokeellisen hiilenpoistoteknologian tutkimukseen. "Hopea luoti ei ole vielä olemassa, minkä vuoksi meillä on iso ohjelma", sanoo Lynn Brickett, DOE: n kansallisen energiateknologian laboratorion nykyisen kasvien osaston johtaja Pittsburghin Pennsylvaniassa.
Yksi lupaavimmista uusista tekniikoista alkaa jauhemaisella kivihiilellä, kuivasekoittamalla talkkijauheen konsistenssi, joka on jo palanut monissa hiilivoimaloissa. Jauhemainen kivihiili sekoitetaan osittain ruostuneiden rautahiukkasten kanssa, joiden kokoinen jäätelö sirpoo kuuman reaktorin sisällä 1650 astetta Fahrenheit. Hiili-rauta-seoksessa tapahtuu kemiallinen reaktio, joka poistaa ruosteen ja tuottaa hiilidioksidia ja höyryä, joka sitten jäähdytetään ja nestemäinen vesi kondensoituu ulos, jolloin jäljelle jää erittäin puhdistettu hiilidioksidivirta.
Ruostumattomat rautahiukkaset siirtyvät sitten toiseen reaktoriin, missä ne poltetaan ilman alla aiheuttaen niiden uudelleen ruosteen. Tämä ruostumisreaktio tuottaa tarpeeksi lämpöä veden kiehumiseen, ja tuloksena oleva höyry ajaa sähköä tuottavan turbiinin.
Hiiltä sieppaavaa materiaalia ei tarvitse lämmittää erikseen puhtaan hiilidioksidin vapauttamiseksi, kuten se tapahtuu amiinipuhdistuksessa, ja tästä syystä "talteenottoenergian tarve on melko vähäinen", selittää Ohio State Universityn kemiantekijä Liang-Shih Fan. insinööri, joka johti tätä tutkimusta.
Tekniikan sivutuotteet voidaan valmistaa uudelleen, mikä tarjoaa lisäkustannustehokkuutta. Puhdas hiilidioksidivirta voidaan myydä öljyntuottajille, jotka voivat injektoida sen enimmäkseen käytettyihin kaivoihin arvokkaiden, mutta vaikeasti kerättävien viimeisten öljypohjien erottamiseksi. Prosessia voidaan myös ohjata tuottamaan puhdasta vetyä sähkön ja hiilidioksidin lisäksi, ja että vety voidaan polttaa puhtaasti sähköä varten tai myydä raaka-aineeksi teollisuuskemikaalien tuotantoon.
"Fanin työ Ohion osavaltiossa on ainoa prosessi maailmassa, jonka avulla kaikki nämä kolme (sähkö, hiilidioksidi ja vety) voidaan tuottaa erikseen", Sawyer sanoo.
Suunnittelijat jättivät itselleen myös muita vaihtoehtoja. Muutaman reaktorisuunnittelun ansiosta se voi toimia hiilen kaasutuslaitoksissa, uudentyyppisissä voimalaitoksissa, jotka polttavat hiiltä osittain synteettisen maakaasun tuottamiseksi, tai synteesikaasuna, sitten polttaa synteesikaasua sähkön tuottamiseksi. Vaikka Yhdysvalloissa on parhaillaan rakentamassa vain kahta suurta hiilen kaasutuslaitosta - Mississippi ja Indiana - asiantuntijat ennustavat, että monet tulevat hiilitehtaat käyttävät tekniikkaa.
Fan ja hänen kollegansa rakensivat äskettäin laboratoriomittakaavan reaktorin Ohion osavaltion kampukselle, ja helmikuussa he ilmoittivat käyttävän sitä yhdeksän päivän ajan. Se ei ehkä näytä kauan, mutta se on kaikkien aikojen pisin aika tämän tyyppiselle hiilidioksidin talteenotto tekniikalle. Ja reaktori poisti yli 99 prosenttia tuotetusta hiilidioksidista.
Menestyksestä huolimatta uudella tekniikalla on monia hyppyjä ennen kuin sitä voitaisiin käyttää kaupallisesti. Reaktorin on läpäistävä laajamittainen testi todellisen voimalaitoksen savukaasulla, jossa on epäpuhtauksia, jotka voivat vahingoittaa esimerkiksi metallireaktorin osia, ja sen on kestettävä jopa vuosia korkean lämpötilan, korkeapaineoperaatioita.
Tällainen testi on meneillään ryhmän syngaskaasun silmukkateknologialle. Ohion osavaltion insinöörit ryhtyivät puoli tusinaa yritystä, jotka toimittavat tarvikkeita tai osia hiilivoimalaitoksille, rakentaakseen 14 miljoonan dollarin, kuuden tarinan, 250 kilowatin voimalaitoksen DOE: n kansallisen hiilidioksidin talteenottokeskuksen Wilsonvillessä Alabamassa. Tämä testireaktori toimii synteesikaasulla, jota tuotetaan demonstraation mittakaavassa hiilen kaasutuslaitoksessa, jota johtaa eteläinen yritys keskellä, ja se toimii korkeissa lämpötiloissa ja korkeissa paineissa, jotka ovat tyypillisiä kaupallisille laitoksille. (Ilmoittaminen: Southern Company on mainostaja sivustossa Smithsonian.com, mutta tämä tarina tilattiin itsenäisesti.) "Testaamme hyvin kaupallisesti sovellettavia olosuhteita", sanoo Fanw-ryhmän tutkija Andrew Tong, joka auttaa koordinoimaan koeajoa.
Vaikka työ onnistuisi, tarvitaan enemmän pilottikokeita, koska todellinen hiilivoimalaitos on noin 1000 kertaa suurempi kuin suunniteltu Alabaman koelaitos. Ohion osavaltion tekniikalla ”on vielä pitkä tie kuljettavana sähkön tuottamiseen kaupallisessa hiili- tai maakaasukäyttöisessä voimalaitoksessa”, Sawyer sanoo.
Jos tekniikka osoittautuu onnistuneeksi laajassa mittakaavassa ja osoittautuu kykeneväksi poistamaan kaikki hiilidioksidit ja ilman epäpuhtaudet hiilen polttamisesta, kemialliset silmukkareaktorit eivät silti olisi puhtain, halvin tai terveellisin tapa tuottaa sähköä. Hiilikaivostoiminnot kuolevat mustasta keuhkosairaudesta ja kaivos romahtaa, ja kokonaiset vuoristot on rappeutunut hiilikaivokseksi. Jopa puhdas hiili tuottaa tuhkaa, joka kasaantuu varastoaltaisiin tai kaatopaikoille, uhkaa pohjavettä ja jokia pilaantumisella. Kun terveys- ja ympäristökustannukset otetaan huomioon, uusiutuvat energialähteet, kuten tuuli ja aurinko, jäävät halvemmaksi.
Mutta kun seitsemän miljardia ihmistä on nälkä halvan energian ja hiilellä toimivien voimalaitosten ympäröimässä miljoonia tonneja maapallon leivontakaasua ilmakehään päivittäin, uusia tapoja polttaa hiiltä puhtaasti ei voida unohtaa. "Sinun on löydettävä jotain, joka pystyy käsittelemään kaikkia haasteita", Sawyer sanoo. "Siksi nämä projektit ovat niin jännittäviä."
