Запаси вугілля на відміну від нафти і газу величезні. Вугілля здатний забезпечувати енергетичні апетити планети протягом найближчих століть. Однак, вже давно доведено, що вугілля, як паливо, має суттєві недоліки, головний з яких - величезної шкоди екології.
При спалюванні вугілля в атмосферу в значних концентраціях потрапляє цілий ряд небезпечних сполук (NOx, SO2 та ін.), Серед яких є і парникові гази. Особливість вугілля, як палива, в тому, що на один вироблений кВт * год електроенергії на вугільній станції доводиться значно більша емісія парникових газів, ніж на газовій станції. Саме спалювання вугілля є основним антропогенним фактором глобального потепління. На жаль, альтернативи використанню вугілля в енергетиці, особливо в країнах, що розвиваються на сьогодні немає. Тому, вчені б'ються над завданням зниження екологічних збитків від його використання.
Ще недавно завдання здавалася нездійсненною. Пропонувалися методи були практично не реалізованими і приводили до негативної енергетичної ефективності вугільних станцій. Побудована в Німеччині дослідну установку, повинна на практиці довести, що створення ефективної «чистої» вугільної електростанції можливо.
Дослідну станцію було вирішено побудувати поруч з діючою вугільної станцією мощность 1600 МВт в містечку Schwarze Pumpe в східній Німеччині. Таке рішення дозволило частково використовувати вже існуючі технологічні ланцюжки.
Для реалізації проекту компанія Vattenfall вибрала один з трьох широко відомих методів утилізації вуглекислого газу. Обраний метод найбільш економічний і пристосований для широкого поширення на діючих вугільних станціях.
Суть методу полягає в тому, що з повітря виділяється кисень, який змішується з вугільним пилом і спалюється. При спалюванні вугілля в чистому кисні (а не в повітрі) в димових газах відсутні небезпечні сполуки азоту (NOx). Після декількох ступенів очищення в димових газах залишається лише вуглекислий газ. Газ стискається в компресорі в 500 разів і закачуватимуться в ємність для транспортування до місця поховання на глибині 1000 метрів під поверхнею землі. Таким чином, закачаний газ буде надійно схований від попадання в атмосферу.
Модель станції Schwarze Pumpe. У порівнянні з гігантською діючої вугільної станцією (на зображенні справа) досвідчена установка (зліва) виглядає, як ліліпут.
Залишається невирішеним питання, чи захочуть енергетичні компанії платити високу ціну за установку на своїх станціях утилізаційного обладнання і оплачувати будівництво сховищ газу. Однією з екологічних груп виражають сумнів в доцільності освоєння нової технології є відома організація Greenpeace. Її фахівці вважають, що нова технологія служить лише приводом для виправдання продовження будівництва вугільних станцій. На їхню думку, нова технологія занадто дорога і вона освоюється занадто пізно, щоб змінити ситуацію з емісією парникових газів. Крім того, дослідження в області «чистого вугілля» відволікають такі необхідні ресурси від альтернативних джерел енергії, енергозбереження та енергоффектівності - від тих сфер, в яких дійсно може бути знайдено рішення проблеми.
Одним з головних чинників, що гальмують впровадження технології, є відсутність згоди між Європейською комісією та парламентом з приводу того, як фінансувати ці проекти. Потрібні десятки мільярдів доларів для того, щоб дообладнати діючі станції. При цьому, ніхто не хоче перекладати ці інвестиції на плечі споживачів енергії.
В даний час дискутуються кілька варіантів фінансування:
• Пряме виділення коштів з бюджету Європейського Союзу та держав-членів,
• Преміювання тих енергокомпаній, які будуть зменшувати емісію вуглекислого газу,
• Створення нового фонду, який буде діяти в рамках європейської системи торгівлі квотами на емісію парникових газів (EU's Emission Trading Scheme (EUETS).
Фонд буде кредитувати енергокомпанії, але не грошовими коштами, а квотами на викид парникових газів. Розраховуючись за кредит, енергокомпанія повинна буде закачати певну кількість тонн вуглекислого газу в підземні сховища.
Так як технологія будівництва комерційних станцій з утилізацією вуглекислого газу ще не існує, ніхто не знає, якою буде остаточна вартість таких об'єктів. Згідно з різними оцінками, вартість одного кіловата встановленої потужності на вугільній станції з утилізацією СО2 може бути порівнянна з вітроенергетичної установкою (тобто близько 3000 дол. За кВт).
Метод «oxyfuel capture»
Досвідчена вугільна електростанція в містечку Schwarze Pumpe використовує як окислювач для палива чистий кисень (oxyfuel). Вугільний пил змішується ні з повітрям, як на звичайних станціях, а з практично чистим киснем.
Досвідчена електростанція в містечку Schwarze Pumpe
Метод утилізації вуглекислого газу «oxyfuel capture»
Стадії процесу спалювання вугілля і утилізації димових газів:
1. Поділ повітря
У спеціальній установці видаляється азот, частка якого в повітрі досягає 78%. Істотним недоліком технології є великі енерговитрати на процес поділу, істотно знижують ефективність станції в цілому.
2. Спалювання палива
В котлі відбувається згорання вугілля і утворення пари, який приводить в обертання турбіну. Киснево-вугільна суміш згорає при більш високих температурах, ніж повітряно-вугільна. Для того, щоб знизити температуру частина димових газів повертається в котел.
3. Видалення золи з димових газів
Для видалення золи використовуються електромагнітні фільтри.
4. Видалення оксидів сірки
З димових газів видаляється оксид сірки (SO2), який при потраплянні в атмосферу може стати причиною кислотних дощів. Для видалення цього з'єднання в потік димових газів подається струмінь із суміші води і вапняку. SO2 вступає в реакцію і утворюється гіпс, який в подальшому може використовуватися в будівництві.
5. Охолодження і конденсація
На цьому етапі димові гази охолоджуються, в результаті чого пари води конденсуються. Оскільки азот був видалений з повітря ще до потрапляння в котел, в димових газах відсутні небезпечні сполуки азоту (NOx). Після проходження цього етапу димові гази являють собою практично чистий потік вуглекислого газу.
6. Стиснення вуглекислого газу
Компанія Vattenfall продовжує досліджувати потенціал і двох інших технологій - видалення вуглекислого газу в димових газах після спалювання (метод postcombustion) і до спалювання (метод precombustion).
Метод «pre-combustion»
Відмінність методу полягає в тому, що на першому етапі вугілля піддається газифікації (нагрівання) в результаті чого виходить синтетичний газ і твердий залишок. Потім синтетичний газ проходить ряд ступенів очищення і піддається хімічній реакції, в ході якої міститься в синтезгаз монооксид вуглецю (СО) перетворюється в водень (H2) і вуглекислий газ (CO2). Вуглекислий газ видаляється з синтезу-газу за допомогою рідкого абсорбенту. Що залишився водень спалюється в газовій турбіні. В окремій установці вуглекислий газ відновлюється і потім піддається стисненню.
У цьому методі вугілля спалюється, змішуючись з повітрям в звичайному котлі. Потім відбувається видалення золи і SO2, після чого за допомогою рідкого абсорбенту видаляється вуглекислий газ. Головний мінус цього методу в тому небезпечний оксид азоту (NOx) потрапляє в атмосферу.
Остання стадія процесу утилізації вуглекислого газу - це поховання його в підземних сховищах, де він повинен залишатися тисячі років.
Для найбільш ефективного транспортування вуглекислий газ повинен бути скраплений при тиску близько 70 атмосфер. Транспортування можлива за допомогою трубопроводів, танкерів, цистерн.
Поховання газу на глибині 800 метрів і більше дає гарантію збереження тиску, тобто газ буде залишатися в рідкій фазі. Для сховища підійдуть досить поширені області з пористими породами. Наприклад, може бути використаний вапняк, третина обсягу якого складають пори. Над пористими повинні знаходиться щільні породи (наприклад глина), що формують герметичний ковпак, який зберігає тиск в сховище.
Як сховищ можуть бути використані:
• родовища газу і нафти (причому як вироблені так і діючі). Ці сховища довели свою герметичність. Якби ці області були герметичними, не було б і родовищ нафти і газу.
• підземні резервуари солоної води. СО2 буде надійно зберігається в таких резервуарах, подібно до того, вуглекислий газ зберігається в пляшках з газованою мінеральною водою.
• невикористовувані вугільні родовища. Вугілля так само має мікропори, які можуть бути заповнені вуглекислотою.
Згідно з останніми дослідженнями, ємності всіх відомих родовищ нафти і газу достатньо, щоб закачувати в них весь обсяг емісії СО2 на планеті протягом 40 років. Ємність резервуарів солоної води, на думку вчених, в 100 перевищує ємність нафтових і газових родовищ. Таким чином, на землі цілком достатньо ємностей для захоронення вуглекислого газу протягом кількох століть. Проблема тільки в тому, що ємності розміщені вкрай нерівномірно. В Індії та Японії, наприклад, їх практично немає. З іншого боку, це відкриває нові можливості для бізнесу в найбідніших країнах, які могли б представляти свої сховища розвиненим країнам за плату.