Nog niet zo lang geleden leek de uitdrukking 'schone kool' een oxymoron. Kolengestookte energiecentrales stoten een heks brouwsel van luchtverontreinigende stoffen uit die, tenzij deze met scrubbers worden verwijderd, de lucht aantasten, zure regen veroorzaken en astma of hartaanvallen kunnen veroorzaken. En steenkoolcentrales stoten twee keer zoveel koolstofdioxide uit de planeet uit als aardgasgestookte energiecentrales.
Een nieuw type reactor, echter, dat meer dan 99 procent van de koolstofdioxide afvangt die wordt gegenereerd door het verbranden van steenkool, zou "schone steenkool" mogelijk kunnen maken. Koolstofdioxide kan veilig worden opgeborgen onder het aardoppervlak waar het niet kan bijdragen aan klimaatverandering.
Deze reactor zou koolstof afvangen zonder de prijs van elektriciteit op te drijven, en dit zou het commercieel levensvatbaar kunnen maken. "Het is een geheel nieuwe manier om stroom te genereren uit steenkool die koolstofarm is", zegt Karma Sawyer, die het onderzoeksprogramma voor schone kolen leidt bij het onderzoeksbureau ARPA-E van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), dat het werk financierde.
Het verbranden van steenkool is verantwoordelijk voor de productie van ongeveer 40 procent van 's werelds elektriciteit, maar het produceert driekwart van de meer dan 12 miljard ton koolstofdioxide uitgestoten tijdens de opwekking van elektriciteit en warmte. Om steenkool niet-vervuilend te maken, zou dat koolstofdioxide moeten worden afgevangen voordat het wordt uitgestoten en permanent opgesloten onder de aarde. Maar ondanks jaren van onderzoek doet niet één van de kolengestookte energiecentrales in de Verenigde Staten dit.
Niettemin leveren kolengestookte elektriciteitscentrales nog steeds veel van 's werelds elektriciteit en blijven steenkoolreserves in de VS en elders overvloedig en betaalbaar. Om deze redenen - en vanwege de politieke invloed van de kolenindustrie - heeft de DOE meer dan $ 3, 4 miljard geïnvesteerd in technologieën voor het afvangen en opslaan van koolstof.
De meest geavanceerde koolstofafvangtechnologie van vandaag, amine-scrubben genaamd, is effectief en volwassen, maar het is te duur. Bij het wassen met amine, genoemd naar de alkylamines die in het proces worden gebruikt, wordt steenkool eerst op de gebruikelijke manier verbrand, met lucht, en de resulterende rookgasbellen door een vloeistof die het kooldioxide opsluit. Vervolgens wordt de vloeistof verwarmd om het koolstofdioxide vrij te geven, dat veel ontsnapt, net zoals een koel blikje soda koolzuurbellen uitstoot terwijl het opwarmt tot kamertemperatuur. Dit proces zuigt bijna een derde van de energie op die door de hele energiecentrale wordt geproduceerd - genoeg om een prijsstijging van 80 procent voor de consument te rechtvaardigen. Een dergelijke piek in kosten is onhoudbaar, dus nutsbedrijven hebben ervoor geweigerd dergelijke scrubbers te installeren.
Enkele jaren geleden daagde het DOE onderzoekers uit om een technologie te bedenken die meer dan 90 procent van de koolstofdioxide die door een fabriek wordt uitgestoten zou kunnen verwijderen, terwijl de prijs van met kolen aangedreven elektriciteit van een conventionele fabriek tot nu toe met meer dan 35 procent zou stijgen . Tot dusverre heeft de DOE geïnvesteerd in onderzoek naar meer dan een dozijn experimentele technologieën voor koolstofverwijdering. "Er is nog geen zilveren kogel, daarom hebben we een groot programma", zegt Lynn Brickett, divisiedirecteur van de Existing Plants Division van het DOE's National Energy Technology Laboratory in Pittsburgh, Pennsylvania.
Een van de meest veelbelovende nieuwe technologieën begint met poederkool, een droge mix van de consistentie van talkpoeder dat al in veel kolencentrales wordt verbrand. De verpulverde kool wordt gemengd met gedeeltelijk verroeste ijzerdeeltjes ter grootte van ijs dat in een hete reactor op 1.650 graden Fahrenheit strooit. Het kool-ijzermengsel ondergaat een chemische reactie die de roest verwijdert en koolstofdioxide en stoom produceert, die vervolgens wordt afgekoeld en vloeibaar water condenseert, waardoor een zeer zuivere stroom koolstofdioxide achterblijft.
De roestvrije ijzerdeeltjes gaan vervolgens naar een tweede reactor, waar ze onder lucht worden verbrand, waardoor ze weer gaan roesten. Deze roestreactie produceert voldoende warmte om water te koken en de resulterende stoom drijft een elektriciteitsproducerende turbine aan.
Het koolstofafvangende materiaal hoeft niet apart te worden verwarmd om zuiver koolstofdioxide vrij te maken, zoals bij het schrobben van amine, en om die reden "zijn de energie-eisen voor afvang bijna verwaarloosbaar", legt Liang-Shih Fan, de chemische stof van de Ohio State University, uit ingenieur die dit onderzoek leidde.
Bijproducten van de techniek kunnen worden hergebruikt, wat extra kosteneffectiviteit oplevert. De zuivere koolstofdioxidestroom kan worden verkocht aan olieproducenten, die het in meestal gebruikte putten kunnen injecteren om waardevolle maar moeilijk te verzamelen laatste stukjes olie te winnen. Het proces kan ook worden aangepast om naast waterstof en koolstofdioxide zuivere waterstof te produceren, en die waterstof kan schoon worden verbrand voor elektriciteit of worden verkocht als grondstof voor industriële chemische productie.
"Het werk van Fan in de staat Ohio is het enige proces ter wereld dat alle drie [elektriciteit, kooldioxide en waterstof] afzonderlijk kan produceren", zegt Sawyer.
De ingenieurs lieten ook andere opties over. Een paar aanpassingen aan het reactorontwerp stellen het in staat om te werken bij kolenvergassingsinstallaties, een nieuw type energiecentrale die gedeeltelijk kolen verbrandt om synthetisch aardgas of syngas te maken, en vervolgens het syngas verbrandt om elektriciteit te maken. Hoewel er momenteel in de Verenigde Staten slechts twee grote kolenvergassingsinstallaties in aanbouw zijn - in Mississippi en Indiana - voorspellen experts dat veel toekomstige kolencentrales de technologie zullen gebruiken.
Fan en zijn collega's bouwden onlangs een pilotreactor op laboratoriumschaal op de campus van de staat Ohio en in februari meldden ze dat ze negen dagen lang actief waren. Dat lijkt misschien niet lang, maar het is de langste run ooit voor dit soort koolstofafvangtechnologie. En de reactor verwijderde meer dan 99 procent van de geproduceerde koolstofdioxide.
Ondanks het succes moet de nieuwe technologie nog vele hindernissen nemen voordat deze commercieel kan worden gebruikt. De reactor moet een grootschalige test doorstaan met echt rookgas van de elektriciteitscentrale, dat verontreinigingen bevat die bijvoorbeeld metalen reactoronderdelen kunnen beschadigen, en het moet jarenlang werken op hoge temperatuur en hoge druk.
Een dergelijke test is aan de gang voor de syngas-lustechnologie van het team. De ingenieurs van de staat Ohio werkten samen met een half dozijn bedrijven die voorraden of onderdelen maken voor kolengestookte energiecentrales om een $ 14 miljoen, zes verdiepingen tellende 250 kilowatt pilootfabriek te bouwen in het DOE's National Carbon Capture Center in Wilsonville, Alabama. Deze testreactor werkt op syngas dat wordt geproduceerd in een kolenvergassingsinstallatie op demonstratieschaal die wordt gerund door Southern Company in het centrum, en zal werken bij de hoge temperaturen en hoge drukken die typisch zijn voor commerciële fabrieken. (Openbaarmaking: Southern Company is adverteerder op Smithsonian.com, maar dit verhaal is onafhankelijk in opdracht gegeven.) "We testen zeer commercieel toepasbare omstandigheden", zegt Andrew Tong, een onderzoeker in de groep van Fan die de testrun helpt coördineren.
Zelfs als de inspanning succesvol is, zijn er meer piloottests nodig omdat een echte kolengestookte elektriciteitscentrale ongeveer 1000 keer groter is dan de geplande Alabama-pilootinstallatie. De Ohio State-technologie "heeft nog een lange weg te gaan om elektriciteit op te wekken in een commerciële kolen- of aardgasgestookte elektriciteitscentrale", zegt Sawyer.
Mocht de technologie op grote schaal succesvol blijken te zijn en in staat zijn om alle kooldioxide en luchtverontreinigende stoffen uit brandende kolen te verwijderen, dan zijn chemische reactoren nog steeds niet de schoonste, goedkoopste of gezondste manier om elektriciteit te produceren. Mijnwerkers sterven aan zwarte longziekte en de mijn stort in, en hele bergketens worden onthoofd tot kolenmijn. Zelfs schone steenkool produceert as die zich opstapelt in opslagvijvers of stortplaatsen, waardoor grondwater en rivieren met vervuiling worden bedreigd. Wanneer rekening wordt gehouden met gezondheids- en milieukosten, blijven duurzame energiebronnen zoals wind en zonne-energie goedkoper.
Maar met zeven miljard mensen die hongerig zijn naar goedkope energie en kolengestookte elektriciteitscentrales die elke dag miljoenen tonnen planeetbakgas in de atmosfeer brengen, kunnen nieuwe manieren om steenkool schoon te verbranden niet worden verwaarloosd. "Je moet iets vinden dat alle uitdagingen aankan, " zegt Sawyer. "Daarom zijn deze projecten zo spannend."
