Запасы угля в отличии от нефти и газа огромны. Уголь способен обеспечивать энергетические аппетиты планеты в течении ближайших столетий. Однако, уже давно доказано, что уголь, как топливо, имеет существенные недостатки, главный из которых – огромный ущерб экологии.

При сжигании угля в атмосферу в значительных концентрациях попадает целый ряд опасных соединений (NOx, SO2 и пр.), среди которых есть и парниковые газы. Особенность угля, как топлива, в том, что на один выработанный кВт*ч электроэнергии на угольной станции приходится значительно большая эмиссия парниковых газов чем на газовой станции. К сожалению, альтернативы использованию угля в энергетике, особенно в развивающихся странах на сегодня нет. Поэтому, ученые бьются над задачей снижения экологического ущерба от его использования.

Еще недавно задача казалась невыполнимой. Предлагавшиеся методы были практически не реализуемыми и приводили к отрицательной энергетической эффективности угольных станций. Построенная в Германии опытная установка, должна на практике доказать, что создание эффективной «чистой» угольной электростанции возможно.

Строительство установки осуществила одна из крупнейших немецких энергетических компаний – Vattenfall. Пилотный проект является важной вехой на пути к реализации стратегической цели компании – строительству коммерческой «чистой» угольной станции в периоде между 2015 и 2020 годом.

Реализация проекта была начата в 2005 году, когда Vattenfall принял решение о строительстве первой в мире опытной «чистой» угольной электростанции мощностью 30 МВт, использующей технологию сжигания угля в чистом кислороде с последующей очисткой дымовых газов и утилизацией углекислого газа (oxyfuel capture method). За три года в проект было инвестировано 50 млн. евро.

Опытную станцию было решено построить рядом с действующей угольной станцией мощностью 1600 МВт в местечке Schwarze Pumpe в восточной Германии. Такое решение позволило частично использовать уже существующие технологические цепочки.

Для реализации проекта компания Vattenfall выбрала один из трех широко известных методов утилизации углекислого газа. Выбранный метод наиболее экономичен и приспособлен для широкого распространения на действующих угольных станциях.

Суть метода состоит в том, что из воздуха выделяется кислород, который смешивается с угольной пылью и сжигается. При сжигании угля в чистом кислороде (а не в воздухе) в дымовых газах отсутствуют опасные соединения азота (NOx). После нескольких ступеней очистки в дымовых газах остается лишь углекислый газ. Газ сжимается в компрессоре в 500 раз и закачиваться в емкость для транспортировки к месту захоронения на глубине 1000 метров под поверхностью земли. Таким образом, закаченный газ будет надежно скрыт от попадания в атмосферу.

Рисунок 1 - Модель станции Schwarze Pumpe. По сравнению с гигантской действующей угольной станцией (на изображении справа) опытная установка (слева) выглядит, как лилипут

Рисунок 1 – Модель станции Schwarze Pumpe. По сравнению с гигантской действующей угольной станцией (на изображении справа) опытная установка (слева) выглядит, как лилипут

Евросоюз в течение ближайших лет планирует запустить в эксплуатацию 10-12 демонстрационных установок по утилизации углекислого газа на разных станциях Европы. Многие энергокомпании давно проявляют интерес к это проекту, но никто из них еще не приступил к строительству. Правительство Великобритании в октябре заявило, что присоединяется в программе Евросоюза и готово участвовать в финансировании пилотного проекта.

Одним из главных факторов, тормозящих внедрение технологии, является отсутствие согласия между Европейской комиссией и парламентом по поводу того, как финансировать эти проекты. Требуются десятки миллиардов долларов для того, чтобы дооборудовать действующие станции. При этом, никто не хочет перекладывать эти инвестиции на плечи потребителей энергии.

В настоящее время дискутируются несколько вариантов финансирования:
– Прямое выделение средств из бюджета европейского союза и государств-членов,
– Премирование тех энергокомпаний, которые будут уменьшать эмиссию углекислого газа,
– Создание нового фонда, который будет действовать в рамках европейской системы торговли квотами на эмиссию парниковых газов (EU’s Emission Trading Scheme (EUETS). Фонд будет кредитовать энергокомпании, но не денежными средствами, а квотами на выброс парниковых газов. Расплачиваясь за кредит, энергокомпания должна будет закачать определенное количество тонн углекислого газа в подземные хранилища.

Так как технология строительства коммерческих станций с утилизацией углекислого газа еще не существует, никто не знает, какова будет окончательная стоимость таких объектов. Согласно разным оценкам, стоимость одного киловатта установленной мощности на угольной станции с утилизацией СО2 может быть сравнима с ветроэнергетической установкой (то есть около 3000 долл. за кВт).

Метод «oxyfuel capture»

Опытная угольная электростанция в местечке Schwarze Pumpe использует в качестве окислителя для топлива чистый кислород (oxyfuel). Угольная пыль смешивается не с воздухом, как на обычных станциях, а с практически чистым кислородом.

Рисунок 2 - Опытная электростанция в местечке Schwarze Pumpe

Рисунок 2 – Опытная электростанция в местечке Schwarze Pumpe

Рисунок 3 - Метод утилизации углекислого газа «oxyfuel capture»

Рисунок 3 – Метод утилизации углекислого газа «oxyfuel capture»

Стадии процесса сжигания угля и утилизации дымовых газов:

1. Разделение воздуха
В специальной установке удаляется азот, доля которого в воздухе достигает 78%. Существенным недостатком технологии являются большие энергозатраты на процесс разделения, существенно снижающие эффективность станции в целом.

2. Сжигание топлива
В котле происходит сгорание угля и образование пара, который приводит во вращение турбину. Кислородно-угольная смесь сгорает при более высоких температурах, чем воздушно-угольная. Для того, чтобы снизить температуру часть отходящих дымовых газов возвращается в котел.

3. Удаление золы из дымовых газов
Для удаления золы используются электромагнитные фильтры.

4. Удаление оксидов серы
Из дымовых газов удаляется оксид серы (SO2), который при попадании в атмосферу может стать причиной кислотных дождей. Для удаления этого соединения в поток дымовых газов подается струя из смеси воды и известняка. SO2 вступает в реакцию и образуется гипс, который в дальнейшем может использоваться в строительстве.

5. Охлаждение и конденсация
На этом этапе дымовые газы охлаждаются, в результате чего пары воды конденсируются. Поскольку азот был удален из воздуха еще до попадания в котел, в дымовых газах отсутствуют опасные соединения азота (NOx). После прохождения этого этапа дымовые газы представляют собой практически чистый поток углекислого газа.

6. Сжатие углекислого газа
Содержание СО2 в дымовых газах на этом этапе достигает 95%. При давлении около 70 атмосфер газа становится жидким, напоминающим по плотности тяжелую нефть. После этой стадии углекислый газ готов к транспортировке и захоронению.

Компания Vattenfall продолжает исследовать потенциал и двух других технологий – удаления углекислого газа в дымовых газах после сжигания (метод postcombustion) и до сжигания (метод precombustion).

Метод «pre-combustion»

Отличие метода состоит в том, что на первом этапе уголь подвергается газификации (нагреванию) в результате чего получается синтетический газ и твердый остаток. Затем синтетический газ проходит -ряд ступеней очистки и подвергается химической реакции, в ходе которой содержащийся в синтезгазе монооксид углерода (СО) преобразуется в водород (H2) и углекислый газ (CO2). Углекислый газ удаляется из синтеза-газа при помощи жидкого абсорбента. Оставшийся водород сжигается в газовой турбине. В отдельной установке углекислый газ восстанавливается и затем подвергается сжатию.

Рисунок 4 - Метод «pre-combustion»

Рисунок 4 – Метод «pre-combustion»

Метод «post-combustion»

 

Рисунок 5 - Метод «post-combustion»

Рисунок 5 – Метод «post-combustion»

В этом методе уголь сжигается, смешиваясь с воздухом в обычном котле. Затем происходит удаление золы и SO2, после чего при помощи жидкого абсорбента удаляется углекислый газ. Главный минус этого метода в том опасный оксид азота (NOx) попадает в атмосферу.

Последняя стадия процесса утилизации углекислого газа – это захоронение его в подземных хранилищах, где он должен оставаться тысячи лет.

Для наиболее эффективной транспортировки углекислый газ должен быть сжижен при давлении около 70 атмосфер. Транспортировка возможна при помощи трубопроводов, танкеров, цистерн.

Захоронение газа на глубине 800 метров и более дает гарантию сохранения давления, то есть газ будет оставаться в жидкой фазе. Для хранилища подойдут достаточно распространенные области с пористыми породами. Например, может быть использован известняк, треть объема которого составляют поры. Над пористыми должны находится плотные породы (например глина), формирующие герметичный колпак, сохраняющий давление в хранилище.

В качестве хранилищ могут быть использованы:
– месторождения газа и нефти (причем как выработанные так и действующие). Эти хранилища доказали свою герметичность. Если бы эти области были не герметичными, не было бы и месторождений нефти и газа.
– подземные резервуары соленой воды. СО2 будет надежно хранится в таких резервуарах, подобно тому, углекислый газ хранится в бутылках с газированной минеральной водой.
– неиспользуемые угольные месторождения. Уголь так же имеет микропоры, которые могут быть заполнены углекислотой.

Согласно последним исследованиям, емкости всех известных месторождений нефти и газа достаточно, чтобы закачивать в них весь объем эмиссии СО2 на планете в течение 40 лет. Емкость резервуаров соленой воды, по мнению ученых, в 100 превышает емкость нефтяных и газовых месторождений. Таким образом, на земле вполне достаточно емкостей для захоронения углекислого газа в течение нескольких веков. Проблема только в том, что емкости размещены крайне неравномерно. В Индии и Японии, например, их практически нет. С другой стороны, это открывает новые возможности для бизнеса в беднейших странах, которые могли бы представлять свои хранилища развитым странам за плату.

Подготовлено по материалам BBC, Vattenfal и сайта energyland.info