Het Intergouvernementeel Panel voor Klimaatverandering (IPCC) heeft in oktober een alarmerend rapport uitgebracht over wat er nodig is om de stijgende mondiale temperaturen te beperken tot 1,5°C boven het pre-industriële niveau. Het behalen van dit doel heeft landen gemotiveerd om plannen te gaan ontwikkelen en uitvoeren voor het koolstofarm maken van hun elektriciteitsopwekking en energiematrix, evenals andere opties, zoals het verwijderen van CO ₂ uit de atmosfeer zelf.

De gevolgen van de reactie van de samenleving op deze dreiging, onnodig te zeggen, zijn erg.

"Het lijdt geen twijfel dat de huidige propositie van fossiele brandstoffen als 's werelds primaire energiebronnen moet worden getransformeerd, " zegt Dr. Carlos Romero van het Energy Research Center (ERC) van de Lehigh University, "maar dit doen is een enorme wereldwijde onderneming die niet van de ene op de andere dag zal gebeuren. momenteel, de VS haalt ongeveer 70 procent van zijn totale energie uit steenkool, olie, en aardgas. Hoe we de overstap maken, en het begrijpen van de gevolgen van beslissingen die onderweg worden genomen, is cruciaal."

"Totdat hernieuwbare energiebronnen volledig tot stand zijn gekomen, " vervolgt Romero, die ook is aangesloten bij Lehigh's nieuwe Institute for Cyber ​​Physical Infrastructure and Energy (I-CPIE), "Er zal nog steeds aan de vraag naar energie en energie in de wereld moeten worden voldaan. Het is absoluut noodzakelijk dat we innovatieve manieren blijven ontwikkelen om traditionele energiecentrales zo betrouwbaar te beheren, netjes, en efficiënt mogelijk en tegelijkertijd kosteneffectieve alternatieve energiebronnen te ontwikkelen."

Romero heeft bijna 25 jaar onderzoek gedaan in opdracht van de ERC en was de afgelopen vijf jaar directeur. Sinds 1972, de ERC heeft onderzoeks- en technische ondersteuning verleend aan de energieopwekkingsindustrie, ondersteuning van de samenwerking tussen Lehigh-onderzoekers en op energie gerichte federale, staat, en lokale instanties, ondernemingen, technologieontwikkelaars en leveranciers, evenals geassocieerde academische en onderzoeksgemeenschappen in de Verenigde Staten en in het buitenland.

Volgens Dr. Richard Sause, I-CPIE-directeur en de Joseph T. Stuart hoogleraar Structural Engineering aan Lehigh, de ERC is gepositioneerd om de energie-industrie te helpen de uitdaging aan te gaan om de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te transformeren.

"Het ondersteunen van de ontwikkeling van nieuwe technologieën en benaderingen op dit gebied staat centraal in de missie van ons Instituut, "zegt Sause. "Toch, de realiteit is dat de adoptie van dergelijke innovatie op een wereldwijde, industriële schaal zal niet van de ene op de andere dag plaatsvinden. De ERC kan bogen op bijna vijf decennia diepgaande betrokkenheid bij de industrie voor elektriciteitsopwekking, een waardevolle rol spelen in het werk van Lehigh op dit gebied en fungeren als een kanaal van cruciale kennis en inzicht. De ERC zal een aanzienlijke impact blijven hebben, nu en in de toekomst, terwijl we overstappen van fossiele brandstoffen."

Sause wijst op onderzoek van de ERC en een groep faculteiten die werken aan ultrahoge temperatuur thermische energieopslag als voorbeeld van samenwerking binnen I-CPIE. Dit onderzoek zal conventionele fossiele gestookte activa helpen efficiënter te werken in een nieuwe verzendomgeving, hij zegt, en tegelijkertijd bijdragen aan de vestiging van zonne-energie als een betrouwbare bron van hernieuwbare energie.

Romero is van mening dat drie onlangs aangekondigde ERC-projecten - twee ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), de andere door de Wereldbank en de Nationale Raad voor Wetenschap en Technologie van Mexico en zijn minister van Energie - getuigen van het belang van het lopende werk van de ERC.

Slimmere koolstofafvang

In een driejarige $ 2,3 miljoen project ondersteund door de regering van Mexico en de Wereldbank, Lehigh gaat samenwerken met het Mexicaanse Instituut voor Elektriciteit en Schone Energieën (INEEL, voor zijn acroniem in het Spaans) om het gebruik van een hernieuwbare energiebron - thermische zonne-energie - te bestuderen om de prestaties van CO te verbeteren ₂ afvangsystemen die zijn geïnstalleerd in elektriciteitscentrales met een gecombineerde cyclus (NGCC) voor aardgas. Mexico heeft een groot aantal NGCC's voor energieopwekking. Hoewel NGCC-centrales een lagere koolstofintensiteit hebben dan kolencentrales, een deel van deze planten heeft CO . nodig ₂ afvangtechnologieën om te voldoen aan Mexico's doelstellingen voor de uitstoot van broeikasgassen (BKG) die zijn vastgelegd in de Climate Change Act. Het land heeft zich ertoe verbonden de uitstoot van broeikasgassen tegen 2050 met 50 procent te verminderen tot onder het niveau van 2000.

Dit project maakt deel uit van een groot interinstitutioneel consortium van $ 90 miljoen dat is ontworpen om het afvangen van koolstof te bevorderen, gebruik, en opslag (CCUS) in Mexico. Volgens het Internationaal Energie Agentschap, CCUS kan mogelijk bijdragen aan de vermindering van ongeveer 12 procent van de cumulatieve uitstoot van broeikasgassen die nodig is om het wereldwijde doel van 1,5 ° C maximumtemperatuur in 2050 te bereiken. Het consortium omvat internationale deelnemers uit de onderzoeksgemeenschap, academische wereld, en industrie en zal de ontwikkeling van een groep projecten ondersteunen, inclusief een proeffabriek voor CO2-afvang en een CO ₂ -verbeterd oliewinningsproject.

Het team van Lehigh voor dit project omvat Romero, Dr. Hugo Caram, Dr. Sudhakar Neti, Dr. Joshua Charles, Dr. Xingchao Wang, en afstudeerders.

"Een van de meest veelbelovende technologieën voor het opvangen van koolstofdioxide uit fossiele gestookte elektriciteitscentrales is het gebruik van chemische oplosmiddelen of amines om de CO ₂ in een oplossing, "zegt Romero. "Echter, het is niet praktisch om te proberen de volledige CO . op te vangen ₂ -beladen stroom. de CO ₂ moet er weer uit worden gehaald, en optimaal kan het oplosmiddel worden geregenereerd voor toekomstig gebruik."

Volgens Caram, een professor in de chemische technologie, het proces van deze extractie van CO ₂ van amine vereist een verbazingwekkende hoeveelheid warmte - een die zou leiden tot een grote vermindering van de cyclusefficiëntie van de fabriek en het totale vermogen.

"De warmte die wordt gebruikt om afgevangen CO . te extraheren ₂ van het amine zou normaal gesproken worden 'ontlucht' uit de stoom die wordt gebruikt om de turbines van de fabriek te laten draaien, " legt Neti uit, emeritus hoogleraar werktuigbouwkunde en mechanica. "We stellen voor om thermische zonne-energie te gebruiken, in plaats van in wezen een deel van de voor energieopwekking bestemde stoomenergie te verspillen. Onze primaire doelen in het project zijn om de meest geschikte zonnetechnologie voor deze toepassing te screenen, ontwerp het zonneveld en koppel het aan de CO ₂ plant, en begrijpen hoe de inherente variabiliteit van zonne-energie het CO .-proces beïnvloedt ₂ vastlegging."

Een schonere 'power cycle'

In een ander nieuw project dichter bij huis, ERC-onderzoekers, waaronder Dr. Alp Oztekin, Zheng Yao, Romero, en afgestudeerde studenten, werken samen met collega's van de Western Kentucky University, met steun van het DOE Office of Fossil Energy, de impact van "fietsen" op de afvalwaterzuiveringsprocessen van verschillende energiecentrales analyseren, met inbegrip van fysisch-chemische en biologische technologieën.

Getiteld "Configuratie van kolengestookte elektriciteitscentrales en werkingsimpact op verontreiniging en omstandigheden van fabriekseffluent, " deze $ 400, 000 inspanning analyseert de impact op het afvalwaterzuiveringsproces wanneer kolengestookte elektriciteitscentrales deelnemen aan cyclusactiviteiten.

Met de komst van concurrentie van hernieuwbare energiebronnen - die de vraag naar flexibele stroomopwekking heeft doen ontstaan ​​- zijn exploitanten van elektriciteitscentrales gedwongen om verouderde eenheden te gebruiken die oorspronkelijk waren ontworpen om te worden gebruikt bij basisbelasting.

Het team gaat samenwerken met energiecentrales in Virginia, Illinois, en North Dakota om bedrijfsgegevens en materiaalmonsters te verkrijgen om de impact van het fietsen op de afvalwaterzuiveringstreinen te karakteriseren. DOE is vooral geïnteresseerd in de uitstoot van kwik, arseen, selenium, bromide, en nitraten/nitrieten in het lozingseffluent.

"Elke keer dat een elektriciteitscentrale van maximale naar minimale belasting wordt gefietst, al zijn componenten ondergaan onvermijdelijk grote spanningen, die problemen veroorzaken die de levensduur van planten verkorten, " zegt Oztekin, hoogleraar werktuigbouwkunde. "Aangezien deze eenheden niet zijn ontworpen om te fietsen, deze studie is bedoeld om de impact van deze cycli op de prestatie-efficiëntie en de economie van het afvalwaterzuiveringsproces te bepalen."

Dit soort analyse is essentieel, zegt Yao, omdat het zou helpen beoordelen hoe de uiteindelijke emissies van toxische doelelementen reageren op het fietsen en de daaraan verbonden kosten.

Kolen efficiënter 'schoonmaken'

Een derde recent aangekondigd project, ook gerelateerd aan het verminderen van steenkoolverontreinigingen, is een samenwerkingsinspanning die wordt gefinancierd via het DOE Small Business Innovation Research (SBIR) -programma, waarmee kleine bedrijven kunnen voldoen aan de federale onderzoeks- en ontwikkelingsbehoeften.

ERC-onderzoekers zullen deelnemen aan een Fase II-project van een miljoen dollar met Advanced Cooling Technologies, Inc. (ACT), van Lancaster, Pa. Het bedrijf streeft naar steenkoolreinigingstechnologie en heeft een unieke spoutbedreactor ontwikkeld die de prestaties van thermische desorptie van kwik verbetert, zwavel, en zeldzame aardelementen (REE's). ERC-onderzoekers zijn onder meer Romero, Ja, en afstudeerders.

In fase 1, Het ontwerp van het spuibed van ACT toonde een vermindering van 65 procent van het kwik en 28 procent van het zwavelgehalte in bitumineuze steenkool, wat de verwijderingsefficiëntie verdubbelde in vergelijking met een standaard conisch tuitbed. In fase II, Lehigh zal experimenteel onderzoek en de analyse van de giftige metalen en REE's uitvoeren, en zal ondersteuning bieden voor de kinetiek van het desorptieproces. ACT zal een opgeschaalde reactor op proefschaal fabriceren die is ontworpen om verontreinigingen uit steenkool te verwijderen via een geautomatiseerd/continu proces, evenals om de economie van het toepassen van de technologie te onderzoeken.

"Deze innovatie biedt de mogelijkheid om kolengestookte elektriciteitscentrales in staat te stellen steenkool met een hoger kwikgehalte te gebruiken en tegelijkertijd kostenbesparingen te realiseren ten opzichte van bestaande kwikafvangsystemen na verbranding, ", zegt Romero. "De technologie zou ook kunnen worden uitgebreid naar andere afvalbronnen, zoals gemeentelijk vast afval (MSW) en cement."