For ikke lenge siden virket uttrykket “rent kull” som en oksymoron. Kullfyrte kraftverk avgir en heksebrygge av luftforurensende stoffer som, med mindre den fjernes med skrubbere, pletter luften, skaper sur nedbør og kan forårsake astma eller hjerteinfarkt. Og kullanlegg slipper ut to ganger det planetvarme karbondioksidet fra naturgassfyrte kraftverk.
En ny type reaktor, derimot, som fanger opp mer enn 99 prosent av karbondioksid som genereres ved å brenne kull, kan gjøre "rent kull" mulig. Karbondioksid kan lagres trygt under jordoverflaten der det ikke kan bidra til klimaendringer.
Denne reaktoren ville fange opp karbon uten å øke prisen på elektrisitet, og dette kan gjøre det kommersielt levedyktig. "Det er en helt ny måte å generere kraft fra kull som er lite karbon, " sier Karma Sawyer som leder forskningsprogrammet for kullkull ved det amerikanske energidepartementet (DOE) forskningsbyrå ARPA-E, som finansierte arbeidet.
Forbrenning av kull er ansvarlig for å produsere rundt 40 prosent av verdens strøm, men det produserer tre fjerdedeler av de mer enn 12 milliarder tonn karbondioksid som slippes ut under strøm og varmeproduksjon. For å gjøre forurensning av kull, må karbondioksid fanges opp før det slippes ut og permanent låses bort under jorden. Men til tross for mange års forskning, gjør ikke et av de kullkraftverkene i USA dette.
Likevel leverer kullkraftverk fortsatt mye av verdens strøm, og kullreserver i USA og andre steder er fortsatt rikelig og rimelig. Av disse grunnene - og på grunn av kullindustriens politiske anstrengelse - har DOE investert mer enn 3, 4 milliarder dollar til teknologi for fangst og lagring av karbon.
Dagens mest avanserte karbonfangstteknologi, kalt aminsvassing, er effektiv og moden, men den er for dyr. Ved skrubber av aminer, oppkalt etter alkylaminene som ble brukt i prosessen, brennes først kull på vanlig måte, med luft, og den resulterende røykgassen bobler gjennom en væske som fanger karbondioksid. Deretter varmes væsken opp for å frigjøre karbondioksid, som slipper ut mye ettersom en kjølig boks med brus avgir karbondioksidbobler når den varmer til romtemperatur. Denne prosessen suger opp nesten en tredjedel av energien som produseres av hele kraftverket - nok til å garantere en prisstigning på 80 prosent for forbrukerne. En slik stigning i kostnadene er uholdbar, så verktøy har kastet seg bort fra å installere slike skrubbere.
For noen år siden utfordret DOE forskere til å utvikle en teknologi som kunne fjerne mer enn 90 prosent av karbondioksid som avgis fra et anlegg, samtidig som prisen for kulldrevet strøm fra et konvensjonelt anlegg stiger fra nå til over 35 prosent. . Så langt har DOE investert i forskning på mer enn et dusin eksperimentelle teknologier for karbonfjerning. "Det er ingen sølvkule ennå, og det er grunnen til at vi har et stort program, " sier Lynn Brickett, divisjonsdirektør for Existing Plants Division i DOEs National Energy Technology Laboratory i Pittsburgh, Pennsylvania.
En av de mest lovende nye teknologiene starter med pulverisert kull, en tørr blanding av konsistensen av talkumspulver som allerede er brent i mange kullkraftverk. Det pulveriserte kullet er blandet med delvis rustne jernpartikler på størrelse med iskrem som drysser inne i en varm reaktor ved 1650 grader Fahrenheit. Kulljernblandingen gjennomgår en kjemisk reaksjon som fjerner rusten og produserer karbondioksid og damp, som deretter avkjøles og flytende vann kondenserer, og etterlater en sterkt renset strøm av karbondioksid.
De rustfrie jernpartiklene beveger seg deretter til en andre reaktor, der de blir brent under luft, og får dem til å ruste igjen. Denne rustende reaksjonen produserer nok varme til å koke vann, og den resulterende dampen driver en elektrisitetsproduserende turbin.
Det karbonfangende materialet trenger ikke å oppvarmes separat for å frigjøre rent karbondioksid, som det gjør ved skrubbering av aminer, og av den grunn "kravene til fangstenergi er nesten ubetydelige, " forklarer Liang-Shih Fan, Ohio State University Chemical ingeniør som ledet denne forskningen.
Byprodukter av teknikken kan brukes på nytt, noe som gir ekstra kostnadseffektivitet. Den rene karbondioksidstrømmen kan selges til oljeprodusenter, som kan injisere den i for det meste brukte brønner for å muliggjøre utvinning av verdifulle, men vanskelig å samle siste biter av olje. Prosessen kan også finjusteres for å produsere rent hydrogen i tillegg til elektrisitet og karbondioksid, og at hydrogen kan forbrennes rent for elektrisitet eller selges som et råstoff for industriell kjemisk produksjon.
"Fanens arbeid i Ohio State er den eneste prosessen i verden som gjør det mulig å produsere alle disse tre [elektrisitet, karbondioksid og hydrogen] separat, " sier Sawyer.
Ingeniørene forlot seg andre alternativer også. Noen få justeringer til reaktordesignet gjør det mulig å fungere ved kullgassifiseringsanlegg, en ny type kraftverk som delvis brenner kull for å lage syntetisk naturgass, eller syngas, og deretter brenner syngassen for å lage elektrisitet. Selv om bare to store kullgassifiseringsanlegg er under bygging i USA akkurat nå - i Mississippi og Indiana - spår eksperter at mange fremtidige kullanlegg vil bruke teknologien.
Fan og kollegene bygde nylig en laboratorieskala pilotreaktor på Ohio State campus, og i februar rapporterte de at de kjørte den i ni dager. Det virker kanskje ikke så lenge, men det er det lengste løpet noensinne for denne typen karbonfangstteknologi. Og reaktoren fjernet mer enn 99 prosent av den produserte karbondioksid.
Til tross for suksessen har den nye teknologien mange hinder å hoppe før den kunne brukes kommersielt. Reaktoren må bestå en storstilt test med reell kraftverk røykgass, som har forurensninger som for eksempel kan skade metallreaktordeler, og den må holde opptil år med høy temperatur og høyt trykk.
En slik test pågår for teamets syngas looping-teknologi. Ingeniørene i Ohio State slo seg sammen med et halvt dusin selskaper som lager forsyninger eller deler til kullkraftverk for å bygge et 14-million dollar, seks etasjers, 250 kilowatt pilotanlegg ved DOEs National Carbon Capture Center i Wilsonville, Alabama. Denne testreaktoren vil kjøre på syngass produsert ved et demonstrasjonsskala kullgassifiseringsanlegg som drives av Southern Company i sentrum, og den vil kjøre ved høye temperaturer og høye trykk som er typiske for kommersielle anlegg. (Avsløring: Southern Company er annonsør på Smithsonian.com, men denne historien ble uavhengig bestilt.) "Vi tester veldig kommersielt gjeldende forhold, " sier Andrew Tong, en forsker i Fan-gruppen som hjelper til med å koordinere testkjøringen.
Selv om innsatsen er vellykket, vil det være behov for flere pilotforsøk fordi et faktisk kullkraftverk er rundt 1000 ganger større enn det planlagte Alabama-pilotanlegget. Ohio State-teknologien "har fortsatt en lang vei å gå for å generere strøm i et kommersielt kull- eller naturgassdrevet kraftverk, " sier Sawyer.
Skulle teknologien vise seg å være vellykket i stor skala og vise seg å være i stand til å fjerne alt karbondioksid og luftforurensende stoffer fra å brenne kull, ville fremdeles ikke kjemiske loopingsreaktorer være den reneste, billigste eller sunneste måten å produsere strøm på. Kullgruvearbeidere dør av svart lungesykdom og gruva kollapser, og hele fjellkjeder blir halshugget for å gruve kull. Selv rent kull produserer aske som hoper seg opp i lagringsdammer eller søppelfyllinger, som truer grunnvann og elver med forurensning. Når helse- og miljøkostnadene tas med, forblir fornybar energi som vind og sol billigere.
Men med syv milliarder mennesker sultne på billig energi og kullkraftverk som belter millioner av tonn bakegass i planet hver dag, kan ikke nye måter å brenne kull rent neglisjeres. "Du må finne noe som kan takle alle utfordringene, " sier Sawyer. "Derfor er disse prosjektene så spennende."
