Угольные электростанции считаются одними из самых загрязняющих способов производства электроэнергии из-за высоких выбросов углерода, а также остатков золы и других примесей, содержащихся в угле, которые обычно попадают в выхлопные трубы таких станций. Несмотря на то, что со временем разрабатывались новые фильтры, а цена угля традиционно была самой низкой среди всех ископаемых видов топлива, в наши дни угольные электростанции стали настоящими изгоями в энергетике.
В Китае до сих пор активно работает множество таких станций, хотя в последние годы страна стремительными темпами строит атомные и гидроэлектростанции, а также фотоэлектрические и ветряные парки. Однако Китай также имеет обязательства по сокращению их количества, чтобы соответствовать целям по снижению выбросов CO2 и уровня загрязнения, пишет PiataAuto.
Тем не менее, китайские инженеры создали технологию первой в мире угольной электростанции, которая не будет сжигать уголь, но при этом будет вырабатывать из него электричество с нулевыми выбросами в атмосферу.
Команду инженеров, разработавшую технологию, возглавил Се Хэпин, член Академии наук Китая и исследователь Университета Шэньчжэня. По его словам, за основу была взята идея, теоретически известная давно, но всегда считавшаяся непрактичной и сложной из-за проблем при реализации в реальных условиях.
Исследователи поэтапно устранили все препятствия, создав жизнеспособную технологию, которая прошла испытания и способна удивительно эффективно работать на практике.
Сравнение с традиционными методами генерации
На обычной угольной электростанции уголь проходит через процесс прямого сжигания в пламени, выделяя тепло. Это тепло нагревает водяной контур, превращая воду в пар, который, в свою очередь, приводит в движение турбину, вырабатывающую электричество.
В 2025 году на долю угольных электростанций в Китае все еще приходилось 45% всех мощностей по выработке электроэнергии в стране, а их доля в годовом производстве электричества составляла 60%, что является огромным показателем. При этом многим из этих станций всего около 15 лет, то есть они относительно новы по промышленным стандартам.
Коэффициент полезного действия (КПД) всего процесса на обычных угольных электростанциях в лучшем случае составляет 40%, а в реальных условиях колеблется между 30% и 40%. Одна тонна угля может содержать от 6 150 до 8 141 кВт⋅ч энергии; для угля, используемого в Китае, чаще всего встречается значение около 6 700 кВт⋅ч на тонну. При КПД 30–40% это означает производство примерно 2 010–2 580 кВт⋅ч электроэнергии при сжигании одной тонны угля.
Принцип работы - электрохимическое окисление
Согласно технологии, разработанной группой китайских инженеров, уголь не будет сжигаться, а будет пропускаться через установку с электрохимическими ячейками, или топливными элементами, по тому же принципу, по которому вырабатывается электричество из водорода. Таким образом, фактически уголь не сгорает, а нагревается и окисляется, напрямую выделяя электричество в ходе химических реакций. С технической точки зрения горение также является процессом окисления, но в данном случае речь идет об электрохимическом окислении.
Благодаря этой технологии углерод, содержащийся в угле и попадающий на анод установки, вступает в реакцию с кислородом из воздуха, образуя CO2 с высвобождением 4 электронов, которые мигрируют во внешнюю цепь, создавая полезный электрический ток. На катоде кислород из воздуха захватывает электроны, возвращающиеся из цепи, и превращается в ионы кислорода. Эти ионы затем мигрируют через электролит обратно к аноду, замыкая таким образом цикл электрохимической цепи.
Эффективность и экологические преимущества
В ходе этого процесса химическая энергия углерода, содержащегося в угле, напрямую преобразуется в электричество, минуя этапы сжигания, нагрева воды, превращения в пар и механического вращения турбины. Это устраняет большую часть нежелательных эффектов сжигания угля, таких как массивные выбросы, которые трудно фильтровать или улавливать, и одновременно исключает значительную часть тепловых потерь, возникающих при горении.
Китайские инженеры подчеркнули, что изолированный КПД электрохимической ячейки может достигать 80%, а с учетом обслуживания вспомогательных систем КПД на уровне станции составит около 60% при главном преимуществе – отсутствии выбросов в атмосферу.
Тем не менее, как упоминалось выше, в электрохимической ячейке при взаимодействии углерода с кислородом образуется CO2. Таким образом, генерация углерода происходит, но, поскольку все это происходит внутри установки, речь идет о чистом CO2, который выделяется напрямую. Это позволяет хранить его без энергоемких процессов улавливания и сепарации, которые иногда применяются в промышленности. Этот углекислый газ можно использовать для множества промышленных целей, включая производство синтетического топлива, или же он может быть петрифицирован и захоронен под землей.
Подготовка топлива и технические вызовы
Кроме того, уголь и углерод в твердом состоянии в целом крайне неохотно вступают в электрохимические реакции. Нельзя просто положить куски угля и ожидать реакции с высоким КПД. Поэтому первым этапом является механическое измельчение угля в ультратонкую пыль.
Справедливости ради стоит отметить, что некоторые современные угольные электростанции также используют измельчение для повышения эффективности сгорания.
Однако в данном случае измельчение должно производить частицы размером строго менее 10 микрон, после чего они проходят через секцию удаления влаги и очистки от специфических примесей. Все эти процессы отнимают несколько процентов КПД: механическое измельчение потребляет около 0,5% энергии, но сушка и фильтрация являются более энергоемкими.
Такая угольная пыль может вступать в реакцию в электрохимической установке гораздо эффективнее. Дизайн установки был разработан таким образом, чтобы исключить постоянное образование засоров, которые в предыдущих попытках сокращали срок службы систем и делали их нежизнеспособными.
Тщательное удаление влаги помогает противодействовать этим нежелательным эффектам, но в любом случае перемещение твердого материала по контуру остается гораздо более сложной задачей, чем транспортировка жидкостей или газов.
Помимо этого, электрохимическая реакция здесь протекает при температуре около 600–900°C, что означает первоначальную потребность в источнике тепла, потребляющем энергию. В дальнейшем реакция становится экзотермической и должна поддерживать необходимую температуру самостоятельно; выделяемое тепло остается важнейшим фактором потери КПД.
В завершение энергия расходуется на механическое направление потока CO2 и улавливание оставшихся остаточных частиц. В итоговом КПД конфигурация этой финальной части системы играет большую роль, но, по сути, КПД 55–60% на уровне станции выглядит более чем реалистично, в то время как диапазон 60–80%, на который нацелены инженеры, кажется весьма оптимистичным.
Тем не менее, достигнутый КПД в 60% означал бы увеличение выработки электроэнергии на 50–100% из одной тонны угля по сравнению с нынешними станциями. Все это дополняется преимуществом системы, которая позволяет легко улавливать CO2 у источника и избегать выбросов в атмосферу.
Китайские инженеры даже заявили, что такую станцию можно разместить прямо в угольных шахтах на глубине 1–2 км. Это исключит необходимость поднимать уголь на поверхность и транспортировать его, заменяя эту задачу передачей электричества по кабелю при гораздо более высоком системном КПД.
Такая возможность размещения открывает множество новых перспектив – от безопасности расположения станций до энергоснабжения подземных объектов. В то же время это может позволить Китаю и дальше использовать свои запасы дешевого угля для производства недорогой электроэнергии без выбросов CO2. А это означает новую опору для экономической конкурентоспособности, когда промышленность получает еще один источник дешевой энергии.
Ранее УНИАН сообщал, что исследователи с помощью ИИ воссоздали лицо мужчины, погибшего во время извержения вулкана.
