少し前まで、「きれいな石炭」という言葉は矛盾した言葉のように見えました。 石炭火力発電所は、大気汚染物質の魔女の醸造物を放出します。これは、スクラバーで除去しない限り、空気を変色させ、酸性雨を発生させ、喘息または心臓発作を引き起こす可能性があります。 そして、石炭火力発電所は、天然ガス火力発電所の2倍の惑星加熱二酸化炭素を放出します。
ただし、石炭の燃焼によって生成される二酸化炭素の99％以上を捕捉する新しいタイプのリアクターは、「クリーンコール」を実現可能にする可能性があります。 二酸化炭素は、地球の表面下に安全に収納でき、気候変動に貢献することはできません。
このリアクターは、電気の価格を上げることなく炭素を捕捉するため、商業的に実行可能になる可能性があります。 「低炭素の石炭から電力を生成するまったく新しい方法です」と、研究に資金を提供した米国エネルギー省（DOE）の研究機関ARPA-Eでクリーンコール研究プログラムを指揮するKarma Sawyer氏は言います。
石炭の燃焼は世界の電力の約40％を生成しますが、電気と熱の生成中に放出される120億トン以上の二酸化炭素の4分の3を生成します。 石炭を無公害にするためには、二酸化炭素が放出されて地球の下に永久に閉じ込められる前に二酸化炭素を捕捉する必要があります。 しかし、長年の研究にもかかわらず、米国の石炭火力発電所のどれもこれを行いません。
それにもかかわらず、石炭火力発電所は依然として世界の電力の多くを供給しており、米国およびその他の地域の石炭埋蔵量は依然として豊富で手頃な価格です。 これらの理由のために、そして石炭産業の政治的影響力のために、DOEは34億ドル以上を炭素回収および貯蔵技術に投資しました。
アミンスクラビングと呼ばれる今日の最先端のカーボンキャプチャテクノロジーは効果的で成熟していますが、高価すぎます。 プロセスで使用されるアルキルアミンにちなんで名付けられたアミンスクラビングでは、石炭が最初に通常の方法で空気とともに燃焼され、その結果生じる煙道ガスが二酸化炭素を捕捉する液体に泡立ちます。 その後、液体が加熱されて二酸化炭素が放出されます。二酸化炭素は、冷たいソーダが室温まで温まると二酸化炭素の泡を放出するのと同じように逃げます。 このプロセスは、発電所全体で生成されるエネルギーのほぼ3分の1を消費します。これは、消費者に80％の価格引き上げを保証するのに十分です。 このようなコストの急上昇は受け入れられないため、ユーティリティはそのようなスクラバーの設置を避けています。
数年前、DOEは研究者に、プラントから排出される二酸化炭素の90パーセント以上を除去し、従来のプラントからの石炭火力の電力価格を現在までに35パーセント以上上昇させない技術の考案に挑戦しました。 。 これまでDOEは、12を超える実験的な炭素除去技術の研究に投資してきました。 「まだ特効薬はありません。それが大きなプログラムを持っている理由です」と、ペンシルベニア州ピッツバーグにあるDOEの国立エネルギー技術研究所の既存プラント部門の部門ディレクター、リンブリケットは言います。
最も有望な新技術の1つは、多くの石炭火力発電所で既に燃焼しているタルカムパウダーの一貫したドライミックスである微粉炭から始まります。 微粉炭は、華氏1, 650度の高温の反応器内でアイスクリームの大きさの部分的に錆びた鉄粒子と混合されます。 石炭と鉄の混合物は、錆を除去して二酸化炭素と蒸気を生成する化学反応を受け、冷却されて液体の水が凝縮して、高度に精製された二酸化炭素の流れが残ります。
さびのない鉄粒子は、2番目の反応器に移動し、そこで空気下で燃焼し、再び錆を発生させます。 この錆反応により、水を沸騰させるのに十分な熱が生成され、生成された蒸気が発電タービンを駆動します。
炭素捕捉材料は、アミンスクラビングの場合のように、純粋な二酸化炭素を遊離するために個別に加熱する必要がありません。そのため、「捕捉エネルギー要件はほとんど無視できます」と、オハイオ州立大学の化学者Liang-Shih Fanが説明しますこの研究を主導したエンジニア。
技術の副産物を再利用して、費用対効果を高めることができます。 純粋な二酸化炭素の流れは石油生産者に販売することができ、石油生産者はそれをほとんどが使用済みの井戸に注入して、貴重であるが収集が困難な最後の油を抽出することができます。 このプロセスは、電気と二酸化炭素に加えて純粋な水素を生成するように調整することもでき、その水素は電気のためにきれいに燃やすか、工業用化学製品の原料として販売できます。
「オハイオ州でのファンの仕事は、これら3つの[電気、二酸化炭素、水素]をすべて個別に生産できる世界で唯一のプロセスです」とSawyer氏は言います。
エンジニアは他の選択肢も残しました。 原子炉設計のいくつかの調整により、石炭ガス化プラントで機能することができます。石炭ガス化プラントは、石炭を部分的に燃焼して合成天然ガスまたは合成ガスを生成し、次に合成ガスを燃焼して電気を生成する新しいタイプの発電プラントです。 現在、米国ではミシシッピ州とインディアナ州の2つの大型石炭ガス化プラントのみが建設中であるが、専門家は将来の多くの石炭プラントがこの技術を使用すると予測している。
ファンと彼の同僚は最近、オハイオ州のキャンパスに実験室規模のパイロット炉を建設し、2月に9日間運転したと報告しました。 それは長い時間のように思えないかもしれませんが、このタイプのカーボンキャプチャテクノロジーにとってこれまでで最も長い期間です。 そして、リアクターは、生成された二酸化炭素の99％以上を除去しました。
成功したにもかかわらず、この新しい技術は商業的に使用される前に跳躍する多くのハードルを持っています。 原子炉は、例えば金属製原子炉部品に損傷を与える可能性のある汚染物質を含む実際の発電所煙道ガスによる大規模試験に合格する必要があり、最大数年の高温高圧運転を維持する必要があります。
このようなテストは、チームの合成ガスルーピングテクノロジーに対して進行中です。 オハイオ州のエンジニアは、アラバマ州ウィルソンビルにあるDOEの国立炭素回収センターに、石炭火力発電所の供給または部品を製造する6社と協力して、1400万ドル、6階建て、250キロワットのパイロットプラントを建設しました。 この試験反応器は、サザンカンパニーが中心とする実証規模の石炭ガス化プラントで生成された合成ガスで稼働し、商業プラントに特有の高温高圧で稼働します。 （開示：Southern CompanyはSmithsonian.comの広告主ですが、このストーリーは独立して委託されました。） 「私たちは非常に商業的に適用可能な条件をテストしています」と、テスト実行の調整を手伝っているFanのグループの研究者Andrew Tongは言います。
たとえ努力が成功したとしても、実際の石炭火力発電所は計画されたアラバマのパイロットプラントよりも約1, 000倍大きいため、より多くのパイロットテストが必要になります。 オハイオ州の技術は、「商業用の石炭または天然ガスを燃料とする発電所で発電するにはまだ長い道のりがあります」とソーヤーは言います。
この技術が大規模に成功し、二酸化炭素の燃焼と大気汚染物質を石炭の燃焼からすべて除去できることが証明されたとしても、化学ループリアクターは、電気を生成する最もクリーンで安価な、または最も健康的な方法ではありません。 炭鉱労働者は黒肺病で死に、鉱山は崩壊し、山全体が石炭を採掘するために断頭されました。 きれいな石炭でさえ、貯蔵池や埋め立て地に堆積する灰を生成し、地下水や河川を汚染で脅かします。 健康と環境のコストを考慮に入れると、風力や太陽光などの再生可能エネルギーは依然として安価です。
しかし、安価なエネルギーに飢えている70億人の人々と、毎日何百万トンもの惑星を焼くガスを大気中に吐き出す石炭火力発電所があるため、石炭をきれいに燃やす新しい方法は無視できません。 「すべての課題に対処できるものを見つける必要があります」とSawyer氏は言います。 「だから、これらのプロジェクトはとてもエキサイティングです。」
