Kína nulla kibocsátású széntüzelésű erőművet hoz létre

A széntüzelésű erőműveket a villamosenergia- termelés egyik legszennyezőbb módjának tartják a magas szén-dioxid-kibocsátásuk, valamint a szénben található hamu és egyéb szennyeződések miatt, amelyek általában az ilyen erőművek kipufogócsöveiben kötnek ki. Annak ellenére, hogy az idők során új szűrőket fejlesztettek ki, és a szén ára hagyományosan a legalacsonyabb volt az összes fosszilis tüzelőanyag közül, a széntüzelésű erőművek mára valódi kitaszítottakká váltak az energiaszektorban.

Kínában még mindig sok ilyen erőmű működik, bár az utóbbi években az ország gyors ütemben épített atom- és vízerőműveket, valamint fotovoltaikus és szélerőműveket. Kína azonban kötelezettséget vállalt ezek számának csökkentésére is, hogy teljesítse a CO2-kibocsátás és a szennyezési szint csökkentésére vonatkozó célokat – írja a PiataAuto .

Kínai mérnökök azonban megalkották a világ első széntüzelésű erőművének technológiáját, amely nem szenet éget, hanem abból termel áramot, nulla légköri kibocsátással.

A technológiát kifejlesztő mérnökcsapatot Xie Heping, a Kínai Tudományos Akadémia tagja és a Sencsen Egyetem kutatója vezette. Elmondása szerint az ötlet egy régóta ismert elméleti elképzelésen alapult, amelyet azonban a valós körülmények között történő megvalósításának problémái miatt mindig is kivitelezhetetlennek és nehéznek tartottak.

A kutatók fokozatosan elhárítottak minden akadályt, létrehozva egy életképes technológiát, amelyet teszteltek, és amely a gyakorlatban meglepően hatékonyan képes működni.

Egy tipikus széntüzelésű erőműben a szén közvetlen égésfolyamaton megy keresztül egy lángban, hőt szabadítva fel. Ez a hő felmelegíti a vízkört, a vizet gőzzé alakítva, ami viszont egy turbinát hajt meg, amely áramot termel.

2025-ben a kínai széntüzelésű erőművek még mindig az ország teljes villamosenergia-termelő kapacitásának 45%-át, az éves villamosenergia-termelésnek pedig óriási, 60%-át tették ki, és ezek közül sok erőmű mindössze 15 éves, így iparági mércével mérve viszonylag újnak számítanak.

Egy tipikus széntüzelésű erőmű összhatásfoka (EC) legjobb esetben is 40%, de a gyakorlatban 30% és 40% között változik. Egy tonna szén 6150 és 8141 kWh közötti energiát tartalmazhat; a Kínában felhasznált szén esetében ez a leggyakoribb érték tonnánként körülbelül 6700 kWh. 30–40%-os hatásfok mellett ez azt jelenti, hogy egy tonna szén elégetéséből körülbelül 2010–2580 kWh villamos energia termelődik.

Egy kínai mérnökökből álló csoport által kifejlesztett technológia szerint a szenet nem elégetik, hanem egy elektrokémiai cellákkal, vagyis üzemanyagcellákkal ellátott üzemen vezetik át, ugyanazon az elven, mint amelyik a hidrogénből állít elő áramot. Így a szén valójában nem ég el, hanem felmelegszik és oxidálódik, közvetlenül elektromos áramot szabadítva fel a kémiai reakciók során. Technikai szempontból az égés szintén oxidációs folyamat, de ebben az esetben elektrokémiai oxidációról van szó.

Ennél a technológiánál a szénben található és a berendezés anódjába jutó szén reakcióba lép a levegő oxigénjével, CO2-t képezve 4 elektron felszabadulása közben, amelyek a külső áramkörbe vándorolnak, hasznos elektromos áramot hozva létre. A katódon a levegő oxigénje megköti az áramkörből visszatérő elektronokat, és oxigénionokká alakul. Ezek az ionok ezután az elektroliton keresztül visszavándorolnak az anódra, így lezárva az elektrokémiai áramkört.

Hatékonyság és környezeti előnyök

Ebben a folyamatban a szénben található szén kémiai energiáját közvetlenül elektromos árammá alakítják, megkerülve az égés, a víz melegítése, gőzzé alakítása és a turbina mechanikus forgatása lépéseit. Ez kiküszöböli a szén elégetésének legtöbb nemkívánatos hatását, például a nehezen szűrhető vagy megköthető hatalmas kibocsátást, miközben az égés során fellépő hőveszteség jelentős részét is kiküszöböli.

A kínai mérnökök hangsúlyozták, hogy egy elektrokémiai cella elszigetelt hatékonysága elérheti a 80%-ot, és figyelembe véve a segédrendszerek karbantartását, az állomás szintjén a hatékonyság körülbelül 60% lesz, a fő előny a légkörbe történő kibocsátás hiánya.

Azonban, ahogy fentebb említettük, egy elektrokémiai cellában a szén oxigénnel reagálva CO2-t termel. Így szén keletkezik, de mivel mindez a növényen belül történik, közvetlenül tiszta CO2 szabadul fel. Ez lehetővé teszi a tárolását az iparban olykor alkalmazott energiaigényes leválasztási és elválasztási folyamatok nélkül. Ez a szén-dioxid különféle ipari célokra felhasználható, beleértve a szintetikus üzemanyagok előállítását, vagy megkövesíthető és föld alá temethető.

Továbbá a szén és a szilárd szén általában rendkívül vonakodnak az elektrokémiai reakcióktól. Nem lehet csak úgy bedobni a széndarabokat, és várni egy nagy hatékonyságú reakciót. Tehát az első lépés a szén mechanikus őrlése ultrafinom porrá.

Igazság szerint néhány modern széntüzelésű erőmű porítást is alkalmaz az égés hatékonyságának javítása érdekében.

Azonban ebben az esetben az őrlésnek szigorúan 10 mikronnál kisebb részecskéket kell előállítania, majd ezek egy nedvességeltávolító és specifikus szennyeződésektől megtisztító szakaszon haladnak át. Mindezek a folyamatok a hatékonyság több százalékát elveszik: a mechanikus őrlés az energia körülbelül 0,5%-át fogyasztja, de a szárítás és a szűrés energiaigényesebb.

Ez a szénpor sokkal hatékonyabban tud reagálni egy elektrokémiai üzemben. Az üzem kialakítását úgy fejlesztették ki, hogy kiküszöböljék az állandó dugulásképződést, amely a korábbi próbálkozások során lerövidítette a rendszerek élettartamát és életképtelenné tette azokat.

Az alapos nedvességeltávolítás segít ellensúlyozni ezeket a nemkívánatos hatásokat, de mindenesetre a szilárd anyagok kontúr mentén történő mozgatása sokkal nehezebb feladat, mint a folyadékok vagy gázok szállítása.

Ezenkívül az elektrokémiai reakció itt körülbelül 600–900 °C hőmérsékleten megy végbe, ami kezdetben egy energiát fogyasztó hőforrás szükségességét jelenti. Később a reakció exotermvé válik, és magának kell fenntartania a szükséges hőmérsékletet; a felszabaduló hő továbbra is a legfontosabb tényező a hatásfokveszteségben.

Végül az energiát a CO2-áramlás mechanikus irányítására és a maradék részecskék befogására fordítják. A rendszer ezen utolsó részének konfigurációja nagy szerepet játszik a végső hatásfokban, de lényegében az üzemi szintű 55–60%-os hatásfok több mint reálisnak tűnik, míg a mérnökök által célzott 60–80%-os tartomány nagyon optimistának tűnik.

Az elért 60%-os hatásfok azonban 50–100%-os növekedést jelentene a szén tonnájára vetítve a jelenlegi erőművekhez képest. Mindezt kiegészíti egy olyan rendszer előnye, amely lehetővé teszi a CO2 egyszerű megkötését a forrásnál, és elkerüli a légkörbe történő kibocsátást.

Kínai mérnökök azt is kijelentették, hogy egy ilyen állomást közvetlenül szénbányákban lehetne elhelyezni 1-2 km mélységben. Ez kiküszöbölné a szén felszínre emelésének és szállításának szükségességét, ezt a feladatot pedig a sokkal nagyobb rendszerhatékonyságú kábeles villamosenergia-átvitel váltaná fel.

Ez a helyszín számos új lehetőséget nyit meg, az üzemek helyszínének biztonságától kezdve a földalatti létesítmények energiaellátásáig. Ugyanakkor lehetővé teheti Kína számára, hogy továbbra is olcsó szénkészleteit felhasználva alacsony költségű, CO2-mentes áramot termeljen. Ez új pillért jelent a gazdasági versenyképesség számára, mivel az ipar egy újabb olcsó energiaforráshoz jut.