Прорив в енергетиці: Китай створив вугільну електростанцію з нульовими викидами

Вугільні електростанції вважаються одними з найбільш забруднюючих способів виробництва електроенергії через високі викиди вуглецю, а також залишки золи та інших домішок, що містяться у вугіллі, які зазвичай потрапляють у вихлопні труби таких станцій. Незважаючи на те, що з часом розроблялися нові фільтри, а ціна вугілля традиційно була найнижчою серед усіх викопних видів палива, у наші дні вугільні електростанції стали справжніми ізгоями в енергетиці.

У Китаї досі активно працює безліч таких станцій, хоча в останні роки країна стрімкими темпами будує атомні та гідроелектростанції, а також фотоелектричні та вітрові парки. Однак Китай також має зобов'язання щодо скорочення їх кількості, щоб відповідати цілям зі зниження викидів CO2 та рівня забруднення, пише PiataAuto.

Проте китайські інженери створили технологію першої в світі вугільної електростанції, яка не спалюватиме вугілля, але при цьому вироблятиме з нього електроенергію з нульовими викидами в атмосферу.

Команду інженерів, яка розробила технологію, очолив Се Хепін, член Академії наук Китаю та дослідник Університету Шеньчжень. За його словами, за основу було взято ідею, теоретично відому давно, але яка завжди вважалася непрактичною та складною через проблеми при реалізації в реальних умовах.

Дослідники поетапно усунули всі перешкоди, створивши життєздатну технологію, яка пройшла випробування і здатна напрочуд ефективно працювати на практиці.

Порівняння з традиційними методами генерації

На звичайній вугільній електростанції вугілля проходить через процес прямого спалювання у полум'ї, виділяючи тепло. Це тепло нагріває водяний контур, перетворюючи воду на пару, яка, у свою чергу, приводить у рух турбіну, що виробляє електроенергію.

У 2025 році на частку вугільних електростанцій у Китаї все ще припадало 45% усіх потужностей з виробництва електроенергії в країні, а їхня частка у річному виробництві електроенергії становила 60%, що є величезним показником. При цьому багатьом із цих станцій лише близько 15 років, тобто вони відносно нові за промисловими стандартами.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) всього процесу на звичайних вугільних електростанціях у кращому випадку становить 40%, а в реальних умовах коливається між 30% і 40%. Одна тонна вугілля може містити від 6 150 до 8 141 кВт⋅год енергії; для вугілля, що використовується в Китаї, найчастіше зустрічається значення близько 6 700 кВт⋅год на тонну. При ККД 30–40% це означає виробництво приблизно 2 010–2 580 кВт⋅год електроенергії при спалюванні однієї тонни вугілля.

Принцип роботи – електрохімічне окислення

Згідно з технологією, розробленою групою китайських інженерів, вугілля не спалюватиметься, а пропускатиметься через установку з електрохімічними комірками, або паливними елементами, за тим самим принципом, за яким виробляється електрика з водню. Таким чином, фактично вугілля не згорає, а нагрівається й окислюється, безпосередньо виділяючи електрику в ході хімічних реакцій. З технічної точки зору горіння також є процесом окислення, але в даному випадку йдеться про електрохімічне окислення.

Завдяки цій технології вуглець, що міститься у вугіллі та потрапляє на анод установки, вступає в реакцію з киснем з повітря, утворюючи CO2 з вивільненням 4 електронів, які мігрують у зовнішній ланцюг, створюючи корисний електричний струм. На катоді кисень з повітря захоплює електрони, що повертаються з ланцюга, і перетворюється на іони кисню. Ці іони потім мігрують через електроліт назад до анода, замикаючи таким чином цикл електрохімічного ланцюга.

Ефективність та екологічні переваги

У ході цього процесу хімічна енергія вуглецю, що міститься у вугіллі, безпосередньо перетворюється на електрику, оминаючи етапи спалювання, нагрівання води, перетворення на пару та механічного обертання турбіни. Це усуває більшу частину небажаних ефектів спалювання вугілля, таких як масивні викиди, які важко фільтрувати або уловлювати, і водночас виключає значну частину теплових втрат, що виникають під час горіння.

Китайські інженери підкреслили, що ізольований ККД електрохімічної комірки може досягати 80%, а з урахуванням обслуговування допоміжних систем ККД на рівні станції складе близько 60% при головній перевазі – відсутності викидів в атмосферу.

Проте, як згадувалося вище, в електрохімічній комірці при взаємодії вуглецю з киснем утворюється CO2. Таким чином, генерація вуглецю відбувається, але, оскільки все це відбувається всередині установки, мова йде про чистий CO2, який виділяється безпосередньо. Це дозволяє зберігати його без енергоємних процесів уловлювання та сепарації, які іноді застосовуються в промисловості. Цей вуглекислий газ можна використовувати для безлічі промислових цілей, включаючи виробництво синтетичного палива, або ж його можна петрифікувати та захоронити під землею.

Підготовка палива та технічні виклики

Крім того, вугілля та вуглець у твердому стані загалом вкрай неохоче вступають в електрохімічні реакції. Не можна просто покласти шматки вугілля й очікувати реакції з високим ККД. Тому першим етапом є механічне подрібнення вугілля в ультратонкий пил.

Справедливості заради варто зазначити, що деякі сучасні вугільні електростанції також використовують подрібнення для підвищення ефективності згоряння.

Однак у даному випадку подрібнення повинно утворювати частинки розміром строго менше 10 мікрон, після чого вони проходять через секцію видалення вологи та очищення від специфічних домішок. Усі ці процеси забирають кілька відсотків ККД: механічне подрібнення споживає близько 0,5% енергії, але сушіння та фільтрація є більш енергоємними.

Такий вугільний пил може вступати в реакцію в електрохімічній установці набагато ефективніше. Дизайн установки був розроблений таким чином, щоб виключити постійне утворення засмічень, які в попередніх спробах скорочували термін служби систем і робили їх нежиттєздатними.

Ретельне видалення вологи допомагає протидіяти цим небажаним ефектам, але в будь-якому випадку переміщення твердого матеріалу по контуру залишається набагато складнішим завданням, ніж транспортування рідин або газів.

Крім цього, електрохімічна реакція тут протікає при температурі близько 600–900 °C, що означає початкову потребу в джерелі тепла, яке споживає енергію. Надалі реакція стає екзотермічною і повинна підтримувати необхідну температуру самостійно; тепло, що виділяється, залишається найважливішим фактором втрати ККД.

На завершення енергія витрачається на механічне спрямування потоку CO2 та уловлювання залишкових частинок. У підсумковому ККД конфігурація цієї фінальної частини системи відіграє велику роль, але, по суті, ККД 55–60% на рівні станції виглядає більш ніж реалістично, тоді як діапазон 60–80%, на який націлені інженери, здається вельми оптимістичним.

Проте, досягнутий ККД у 60% означав би збільшення вироблення електроенергії на 50–100% з однієї тонни вугілля порівняно з нинішніми станціями. Все це доповнюється перевагою системи, яка дозволяє легко уловлювати CO2 біля джерела та уникати викидів в атмосферу.

Китайські інженери навіть заявили, що таку станцію можна розмістити прямо у вугільних шахтах на глибині 1–2 км. Це виключить необхідність піднімати вугілля на поверхню та транспортувати його, замінюючи це завдання передачею електрики по кабелю при набагато вищому системному ККД.

Така можливість розміщення відкриває безліч нових перспектив – від безпеки розташування станцій до енергопостачання підземних об’єктів. Водночас це може дозволити Китаю й надалі використовувати свої запаси дешевого вугілля для виробництва недорогої електроенергії без викидів CO2. А це означає нову опору для економічної конкурентоспроможності, коли промисловість отримує ще одне джерело дешевої енергії.