For ikke længe siden virkede udtrykket “rent kul” som en oxymoron. Kulfyrede kraftværker udsender en heksebryg af luftforurenende stoffer, som medmindre det fjernes med skrubbere, pletter luften, skaber surt regn og kan forårsage astma eller hjerteanfald. Og kulfabrikker afgiver to gange planetopvarmning af kuldioxid fra naturgasfyrede kraftværker.
En ny type reaktor, dog en, der fanger mere end 99 procent af det kuldioxid, der genereres ved at brænde kul, kan gøre ”rent kul” muligt. Kuldioxid kan opbevares sikkert under jordoverfladen, hvor det ikke kan bidrage til klimaændringer.
Denne reaktor ville fange kulstof uden at hæve prisen på elektricitet, og dette kunne gøre det kommercielt levedygtigt. ”Det er en helt ny måde at generere energi fra kul, der er kulstofindhold, ” siger Karma Sawyer, der leder forskningsprogrammet for kul kul ved det amerikanske energiministerium (DOE) forskningsbureau ARPA-E, som finansierede arbejdet.
Forbrænding af kul er ansvarlig for at producere omkring 40 procent af verdens elektricitet, men det producerer tre fjerdedele af de mere end 12 milliarder ton kuldioxid, der udsendes under elektricitet og varmeproduktion. For at gøre kul ikke-forurenende, skal kuldioxid indfanges, før det udsendes og permanent låses væk under jorden. Men trods mange års forskning gør ikke et af de kulfyrede kraftværker i USA dette.
Ikke desto mindre leverer kulfyrede kraftværker stadig meget af verdens elektricitet, og kulreserver i USA og andre steder forbliver rigelige og overkommelige. Af disse grunde - og på grund af kulindustriens politiske trussel - har DOE investeret mere end 3, 4 milliarder dollars til kulstoffangst- og oplagringsteknologier.
Dagens mest avancerede kulstoffangstteknologi, kaldet aminscrub, er effektiv og moden, men det er for dyrt. Ved skrubning af aminer, opkaldt efter de alkylaminer, der blev anvendt i processen, brændes først kul på den sædvanlige måde med luft, og den resulterende røggas bobler gennem en væske, der fælder kuldioxid. Derefter opvarmes væsken for at frigive kuldioxid, som slipper meget ud, da en kølig dåse soda udsender kuldioxidbobler, når den varmes op til stuetemperatur. Denne proces suger næsten en tredjedel af den energi, der produceres af hele kraftværket - nok til at berettige en stigning på 80 procent for forbrugerne. En sådan stigning i omkostningerne er uholdbar, så hjælpeprogrammer har været væk fra at installere sådanne skrubbere.
For et par år siden udfordrede DOE forskere til at udtænke en teknologi, der kunne fjerne mere end 90 procent af det kuldioxid, der udsendes fra et anlæg, samtidig med at prisen på kuldrevet elektricitet fra et konventionelt anlæg stiger fra mere end 35 procent til dato . Indtil videre har DOE investeret i forskning på mere end et dusin eksperimentelle kulstoffjernelsesteknologier. ”Der er endnu ingen sølvkugle, og derfor har vi et stort program, ” siger Lynn Brickett, divisionsdirektør for afdelingerne for eksisterende planter i DOE's National Energy Technology Laboratory i Pittsburgh, Pennsylvania.
En af de mest lovende nye teknologier starter med pulveriseret kul, en tør blanding af konsistensen af talkumspulver, der allerede er brændt i mange kulfyrede kraftværker. Det pulveriserede kul blandes med delvist rustne jernpartikler på størrelse med is drys inde i en varm reaktor ved 1.650 grader Fahrenheit. Kuljernblandingen gennemgår en kemisk reaktion, der fjerner rusten og producerer kuldioxid og damp, som derefter afkøles, og flydende vand kondenseres, hvilket efterlader en stærkt oprenset strøm af kuldioxid.
De rustfrie jernpartikler bevæger sig derefter til en anden reaktor, hvor de brændes under luft, hvilket får dem til at ruste igen. Denne rustende reaktion producerer nok varme til at koge vand, og den resulterende damp driver en elektricitetsproducerende turbin.
Det kulstoffangende materiale behøver ikke opvarmes separat for at frigøre rent kuldioxid, som det gør ved aminskrubning, og af den grund er "energibehovet til fangst næsten ubetydelig, " forklarer Liang-Shih Fan, Ohio State University kemikalie ingeniør, der var spidsen for denne forskning.
Byprodukter af teknikken kan genbruges, hvilket giver ekstra omkostningseffektivitet. Den rene kuldioxidstrøm kan sælges til olieproducenter, som kan injicere den i mest brugte brønde for at muliggøre ekstraktion af værdifulde, men vanskelige at samle de sidste oliebiter. Processen kan også finjusteres for at producere rent brint ud over elektricitet og kuldioxid, og at brint kan forbrændes rent for elektricitet eller sælges som råstof til industriel kemisk produktion.
”Fanens arbejde i Ohio State er den eneste proces i verden, der kan gøre det muligt for alle disse tre [elektricitet, kuldioxid og brint] at blive produceret separat, ” siger Sawyer.
Ingeniørerne efterlod sig også andre muligheder. Et par justeringer til reaktordesignet gør det muligt for den at fungere på kulforgasningsanlæg, en ny type kraftværk, der delvist forbrænder kul for at fremstille syntetisk naturgas eller syngas og derefter brænde syngassen for at fremstille elektricitet. Selvom kun to store kulforgasefabrikker er under opførelse i USA lige nu - i Mississippi og Indiana - forudsiger eksperter, at mange fremtidige kulfabrikker vil bruge teknologien.
Fan og hans kolleger byggede for nylig en laboratorieskala pilotreaktor på Ohio State campus, og i februar rapporterede de at køre den i ni dage. Det ser måske ikke ud som længe, men det er det længste løb nogensinde for denne type kulstoffangst-teknologi. Og reaktoren fjernede mere end 99 procent af den producerede kuldioxid.
På trods af succesen har den nye teknologi mange forhindringer at springe inden den kunne bruges kommercielt. Reaktoren skal bestå en storstilet test med reel kraftværks røggas, som har forurenende stoffer, som for eksempel kan skade metalreaktordele, og den skal holde op til år med høje temperaturer under højt tryk.
En sådan test er i gang for holdets syngas-looping-teknologi. Ohio State-ingeniører samarbejdede med et halvt dusin virksomheder, der fremstiller forsyninger eller dele til kulfyrede kraftværker for at bygge et 14-million dollar, seks etagers, 250 kilowatt pilotanlæg i DOE's National Carbon Capture Center i Wilsonville, Alabama. Denne testreaktor kører på syngas produceret på et demonstrationsskala kulforgaseforarbejdningsanlæg, der drives af Southern Company i centrum, og den vil køre ved de høje temperaturer og høje tryk, der er typisk for kommercielle anlæg. (Videregivelse: Southern Company er annoncør på Smithsonian.com, men denne historie blev uafhængigt bestilt.) ”Vi tester meget kommercielt anvendelige forhold, ” siger Andrew Tong, en forsker i Fan's gruppe, der hjælper med at koordinere testkørslen.
Selv hvis indsatsen er vellykket, ville der være behov for flere pilotforsøg, fordi et faktisk kulfyret kraftværk er omkring 1.000 gange større end det planlagte Alabama-pilotanlæg. Ohio State-teknologien "har stadig en lang vej at gå til at generere elektricitet i et kommercielt kul- eller naturgasfyret kraftværk, " siger Sawyer.
Hvis teknologien viser sig at være en succes i stor skala og vise sig at være i stand til at fjerne al kuldioxid og luftforurenende stoffer fra brændende kul, ville kemiske sløjfereaktorer stadig ikke være den reneste, billigste eller sundeste måde at producere elektricitet. Kulgruvearbejdere dør af sort lungesygdom, og min kollapser, og hele bjergkæder halshugges for at miner. Selv rent kul producerer aske, der hoper sig op i opbevaringsdamme eller deponier, der truer grundvandet og floder med forurening. Når der tages hensyn til sundheds- og miljøomkostninger, forbliver vedvarende energi som vind og sol billigere.
Men med syv milliarder mennesker, der er sultne efter billig energi og kulfyrede kraftværker, der spænder millioner af tons jordbagsgas ud i atmosfæren hver dag, kan nye måder at brænde kul rent ikke overses. ”Du er nødt til at finde noget, der kan håndtere alle udfordringer, ” siger Sawyer. ”Derfor er disse projekter så spændende.”
