Πριν από λίγο καιρό, η φράση "καθαρός άνθρακας" φαινόταν σαν ένα οξύμωρο. Οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα εκπέμπουν μάζα ατμοσφαιρικών ρύπων από μάγισσα που, εκτός και αν αφαιρεθούν με πλυντρίδες, αμαύρωσαν τον αέρα, δημιούργησαν όξινη βροχή και μπορεί να προκαλέσουν άσθμα ή καρδιακές προσβολές. Και τα εργοστάσια άνθρακα εκπέμπουν δύο φορές το διοξείδιο του άνθρακα που θερμαίνει τον πλανήτη των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής με φυσικό αέριο.
Ωστόσο, ένας νέος τύπος αντιδραστήρα, ο οποίος συλλαμβάνει περισσότερο από το 99% του διοξειδίου του άνθρακα που παράγεται από την καύση άνθρακα, θα μπορούσε να καταστήσει εφικτή την "καθαρή παραγωγή άνθρακα". Το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να στοιβάζεται με ασφάλεια κάτω από την επιφάνεια της γης όπου δεν μπορεί να συμβάλει στην αλλαγή του κλίματος.
Αυτός ο αντιδραστήρας θα συλλέγει άνθρακα χωρίς να αυξάνει την τιμή του ηλεκτρικού ρεύματος και αυτό θα το καθιστούσε εμπορικά βιώσιμο. "Είναι ένας εντελώς νέος τρόπος να παράγουμε ενέργεια από άνθρακα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα", λέει ο Karma Sawyer που διευθύνει το ερευνητικό πρόγραμμα για τον καθαρό άνθρακα στο ερευνητικό πρακτορείο ARPA-E του Υπουργείου Ενέργειας (DOE), το οποίο χρηματοδότησε το έργο.
Ο καύση άνθρακα είναι υπεύθυνος για την παραγωγή περίπου 40% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά παράγει τα τρία τέταρτα των περισσότερων από 12 δισεκατομμυρίων τόνων διοξειδίου του άνθρακα που εκπέμπονται κατά την παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας. Για να αποφύγετε τη ρύπανση του άνθρακα, αυτό το διοξείδιο του άνθρακα θα έπρεπε να συλληφθεί πριν εκπέσει και μόνιμα κλειδωμένο κάτω από τη γη. Αλλά παρά τα χρόνια έρευνας, δεν κάνει κάτι τέτοιο κανένα από τα εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα στις Ηνωμένες Πολιτείες.
Ωστόσο, οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα εξακολουθούν να παρέχουν μεγάλο μέρος της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας και τα αποθέματα άνθρακα στις ΗΠΑ και αλλού παραμένουν άφθονα και προσιτά. Για αυτούς τους λόγους - και λόγω της πολιτικής επιρροής της βιομηχανίας άνθρακα - το DOE έχει επενδύσει περισσότερα από 3, 4 δισεκατομμύρια δολάρια για τις τεχνολογίες δέσμευσης και αποθήκευσης άνθρακα.
Η σημερινή πιο προηγμένη τεχνολογία δέσμευσης άνθρακα, που ονομάζεται καθαρισμός αμίνης, είναι αποτελεσματική και ώριμη, αλλά είναι πολύ ακριβή. Σε καθαρισμό αμίνης, που ονομάζεται μετά από τις αλκυλαμίνες που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία, ο άνθρακας αρχικά καίγεται με τον συνήθη τρόπο, με τον αέρα, και τις προκύπτουσες φυσαλίδες καπναερίων μέσα από ένα υγρό που παγιδεύει το διοξείδιο του άνθρακα. Στη συνέχεια το υγρό θερμαίνεται για να απελευθερώσει το διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο διαφεύγει πολύ καθώς ένα δροσερό δοχείο σόδας εκπέμπει φυσαλίδες διοξειδίου του άνθρακα καθώς θερμαίνεται σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτή η διαδικασία απορροφά σχεδόν το ένα τρίτο της ενέργειας που παράγεται από το σύνολο του σταθμού παραγωγής ενέργειας - αρκετή για να δικαιολογήσει 80% αύξηση των τιμών για τους καταναλωτές. Μια τέτοια ακίδα στο κόστος είναι αβάσιμη, έτσι οι επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας έχουν αποφύγει να εγκαταστήσουν τέτοιους πλυντρίδες.
Πριν από λίγα χρόνια, το DOE αμφισβήτησε τους ερευνητές να σχεδιάσουν μια τεχνολογία που θα μπορούσε να αφαιρέσει πάνω από το 90% του διοξειδίου του άνθρακα που εκπέμπεται από ένα εργοστάσιο, διατηρώντας παράλληλα την τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας με άνθρακα από ένα συμβατικό εργοστάσιο από την αύξηση πάνω από 35% . Μέχρι στιγμής το DOE έχει επενδύσει στην έρευνα πάνω από δώδεκα πειραματικές τεχνολογίες απομάκρυνσης άνθρακα. "Δεν υπάρχει ακόμη ασημένια σφαίρα, γι 'αυτό έχουμε ένα μεγάλο πρόγραμμα", λέει ο Lynn Brickett, διευθυντής τμήματος της Διεύθυνσης Υφιστάμενων Φυτών του Εθνικού Εργαστηρίου Ενεργειακής Τεχνολογίας του DOE στο Πίτσμπουργκ της Πενσυλβανίας.
Μία από τις πιο ελπιδοφόρες νέες τεχνολογίες ξεκινά με τον κονιορτοποιημένο άνθρακα, ένα ξηρό μείγμα τη συνοχή της σκόνης τάλκης που έχει ήδη καεί σε πολλούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα. Ο κονιοποιημένος άνθρακας αναμειγνύεται με μερικώς σκουριασμένα σωματίδια σιδήρου το μέγεθος του παγωτού ψεκάζει μέσα σε ένα ζεστό αντιδραστήρα στους 1.650 βαθμούς Φαρενάιτ. Το μίγμα άνθρακα-σιδήρου υφίσταται μια χημική αντίδραση που απομακρύνει τη σκουριά και παράγει διοξείδιο του άνθρακα και ατμό, το οποίο στη συνέχεια ψύχεται και υγρό νερό συμπυκνώνεται, αφήνοντας ένα πολύ καθαρό ρεύμα διοξειδίου του άνθρακα.
Τα σωματίδια σιδήρου χωρίς σκουριά κινούνται στη συνέχεια σε έναν δεύτερο αντιδραστήρα, όπου καίγονται στον αέρα, προκαλώντας τους να σκουριάζουν ξανά. Αυτή η αντίδραση σκουριάς παράγει αρκετή θερμότητα για να βράσει νερό, και ο ατμός που προκύπτει οδηγεί έναν ηλεκτροπαραγωγό στρόβιλο.
Το υλικό συλλήψεως άνθρακα δεν χρειάζεται να θερμαίνεται ξεχωριστά για να απελευθερώνει καθαρό διοξείδιο του άνθρακα, όπως συμβαίνει με τον καθαρισμό με αμίνες, και για το λόγο αυτό «οι απαιτήσεις ενέργειας δέσμευσης είναι σχεδόν αμελητέες», εξηγεί η Liang-Shih Fan, μηχανικός που πρωτοστάτησε στην έρευνα αυτή.
Τα υποπροϊόντα της τεχνικής μπορούν να επανατοποθετηθούν, παρέχοντας πρόσθετη σχέση κόστους-αποτελεσματικότητας. Το ρεύμα του καθαρού διοξειδίου του άνθρακα μπορεί να πωληθεί στους παραγωγούς πετρελαίου, οι οποίοι μπορούν να το εγχύσουν σε πηγάδια που δαπανώνται κυρίως για να επιτρέψουν την άντληση πολύτιμων αλλά σκληρά για να συλλέξουν τα τελευταία κομμάτια λαδιού. Η διαδικασία μπορεί επίσης να τροποποιηθεί για να παράγει καθαρό υδρογόνο εκτός από την ηλεκτρική ενέργεια και το διοξείδιο του άνθρακα και ότι το υδρογόνο μπορεί να καεί καθαρά για ηλεκτρική ενέργεια ή να πωληθεί ως πρώτη ύλη για βιομηχανική χημική παραγωγή.
"Η δουλειά του Fan στην πολιτεία του Οχάιο είναι η μοναδική διαδικασία στον κόσμο που μπορεί να παράγει και τα τρία αυτά [ηλεκτρισμό, διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο] ξεχωριστά", λέει ο Sawyer.
Οι μηχανικοί άφησαν και άλλες επιλογές. Μερικές τροποποιήσεις στο σχεδιασμό του αντιδραστήρα του επιτρέπουν να λειτουργεί σε μονάδες αεριοποίησης άνθρακα, ένας νέος τύπος μονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που καίει εν μέρει τον άνθρακα για να παράγει συνθετικό φυσικό αέριο ή syngas, στη συνέχεια, καίει το syngas για να κάνει ηλεκτρική ενέργεια. Παρόλο που μόνο δύο μεγάλα εργοστάσια αεριοποίησης άνθρακα βρίσκονται υπό κατασκευή στις Ηνωμένες Πολιτείες τώρα - στο Μισισιπή και στην Ιντιάνα - ειδικοί προβλέπουν ότι πολλά μελλοντικά εργοστάσια άνθρακα θα χρησιμοποιήσουν την τεχνολογία.
Ο ανεμιστήρας και οι συνάδελφοί του έχτισαν πρόσφατα έναν πειραματικό αντιδραστήρα εργαστηριακής κλίμακας στην πανεπιστημιούπολη του Οχάιο και τον Φεβρουάριο ανέφεραν να τρέχουν για εννέα ημέρες. Αυτό μπορεί να μην φαίνεται σαν πολύς χρόνος, αλλά είναι το μακρύτερο τρέξιμο ποτέ για αυτόν τον τύπο τεχνολογίας δέσμευσης άνθρακα. Και ο αντιδραστήρας αφαιρεί περισσότερο από 99 τοις εκατό του παραγόμενου διοξειδίου του άνθρακα.
Παρά την επιτυχία, η νέα τεχνολογία έχει πολλά εμπόδια για να πηδήσει προτού να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί εμπορικά. Ο αντιδραστήρας πρέπει να περάσει σε δοκιμασία μεγάλης κλίμακας με αέρια καυσαερίων πραγματικής ισχύος, τα οποία έχουν μολυντές που μπορεί να βλάψουν τα μέρη των μεταλλικών αντιδραστήρων, για παράδειγμα, και πρέπει να κρατήσουν μέχρι και χρόνια λειτουργίες υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης.
Μια τέτοια δοκιμασία βρίσκεται σε εξέλιξη για την τεχνολογία του syngas looping της ομάδας. Οι μηχανικοί της πολιτείας του Οχάιο συνεργάστηκαν με μισή ντουζίνα εταιρίες που κάνουν προμήθειες ή εξαρτήματα για σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα για να κατασκευάσουν πιλοτικά εργοστάσια μήκους 14 εκατομμυρίων, έξι ιστορικών και 250 κιλοβάτ, στο εθνικό κέντρο καταγραφής άνθρακα του DOE στο Wilsonville της Αλαμπάμα. Αυτός ο δοκιμαστικός αντιδραστήρας θα λειτουργεί με αέριο σύνθεσης που παράγεται σε εργοστάσιο αεριοποίησης άνθρακα επίδειξης κλίμακας που λειτουργεί από την εταιρεία Southern στο κέντρο και θα λειτουργεί στις υψηλές θερμοκρασίες και στις υψηλές πιέσεις που είναι τυπικές για τις εμπορικές εγκαταστάσεις. (Ανακοινώσεις: Η Southern Company είναι διαφημιζόμενος στο Smithsonian.com, αλλά αυτή η ιστορία ανατέθηκε ανεξάρτητα). "Κάνουμε δοκιμές σε πολύ εμπορικά εφαρμόσιμες συνθήκες", λέει ο Andrew Tong, ερευνητής στην ομάδα των Fan, ο οποίος βοηθά να συντονίσει την δοκιμαστική πορεία.
Ακόμη και αν η προσπάθεια είναι επιτυχής, θα απαιτηθούν πιλοτικές δοκιμές, επειδή ένας πραγματικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα είναι περίπου 1.000 φορές μεγαλύτερος από τον προγραμματισμένο σταθμό παραγωγής της Αλαμπάμα. Η τεχνολογία της πολιτείας του Οχάιο "έχει ακόμα πολύ δρόμο να προχωρήσει στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα εμπορικό σταθμό ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα ή φυσικού αερίου", λέει ο Sawyer.
Εάν η τεχνολογία αποδειχθεί επιτυχής σε μεγάλη κλίμακα και αποδειχθεί ικανή να απομακρύνει όλους τους ρύπους του διοξειδίου του άνθρακα και του αέρα από την καύση του άνθρακα, οι αντιδραστήρες χημικής δέσμης δεν θα εξακολουθούν να είναι οι καθαρότεροι, φθηνότεροι ή υγιεινότεροι τρόποι παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Οι ανθρακωρύχοι πεθαίνουν από ασθένειες των μαύρων πνευμόνων και οι συντριβές των ορυχείων και ολόκληρες οροσειρές αποκεφαλίζονται για να εξορύξουν άνθρακα. Ακόμα και ο καθαρός άνθρακας παράγει τέφρα που συσσωρεύεται σε δεξαμενές αποθήκευσης ή σε χώρους υγειονομικής ταφής, απειλώντας τα υπόγεια ύδατα και τα ποτάμια με ρύπανση. Όταν λαμβάνεται υπόψη το κόστος για το περιβάλλον και το περιβάλλον, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως η αιολική και η ηλιακή ενέργεια παραμένουν φθηνότερες.
Όμως, με επτά δισεκατομμύρια ανθρώπους πεινασμένους για φθηνή ενέργεια και σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα που εισέρχονται στην ατμόσφαιρα καθημερινά σε εκατομμύρια τόνους πλανητικού ψησίματος στην ατμόσφαιρα, δεν μπορούν να παραμεληθούν νέοι τρόποι καύσης άνθρακα καθαρά. "Πρέπει να βρείτε κάτι που να μπορεί να χειριστεί όλες τις προκλήσεις", λέει ο Sawyer. "Γι 'αυτό τα έργα αυτά είναι τόσο συναρπαστικά."
