טכנולוגיות אלקטרו-כימיקליות עבור הדור של כוח נקי יותר

התפתחותו של הדור של כוח קוד

(הופנה מהדף פיתוח תעשייתי במשך יותר ממאה שנים, מתן חשמל אמין לכלכלות ברחבי העולם, אך העלויות הסביבתיות של תבעירות פחם קונבנציונלית - דו-חמצני (SOFLT:02reaFLT:1), oxides חנקן (NOFLT:2xFLT 3LT) , חומר חלקיקים ופחמן- Carbon (COLT:42FLT) יכולות לגרום לטכנולוגיות חשמל נקיות יותר מאנרגיה יעילה יותר.

פיזור אלקטרו-כימי

הסרת גופרית מגזי הכפלת פחם היא אחד האתגרים הסביבתיים העתיקים ביותר העומדים בפני תעשיית הכוח.ד גז פלואופוריזציה מסורתית (FGD) מערכות, הידועות בדרך כלל כ-Scarubbers, משתמשים ב-Silstone Scurry כדי לספוג SO2, לייצר ג'יאום כתוצר לוואי.

אלקטרוכימי desulfurization מציע גישה אלגנטית יותר. במערכות אלה, גז פלוני עובר דרך תא אלקטרוכימי שבו SO2 הוא חמצון על ה aode או מופחת בקטודה, בהתאם לתצורה התא. A התקנה טיפוסית משתמשת a proton-exchange membrane (PEM) או Alkaline אלקטרוליטטה קלה יותר כדי להקל על העברת ערך.

מחקר עדכני התמקד בשיפור הזרזים המשמשים תאים אלה.הזרזים המבוססים על פלטינום נשארים הפעילים ביותר עבור oxidation SO2, אך העלות הגבוהה שלהם הובילה לפיתוח של חומרים חלופיים כגון תחמוצת מתכת, מסגרות אורגניות מתכת (MOFs), וכן לא חומרים קינאו-חומריים אחרים המבוססים על דלקים (FLT:0 מחלקת האנרגיה של U.S) , כולל חומרים נוגדי ייצור של חומרים אחרים של דלק ו-Fcious-Fbcious-F.

גרסה מבטיחה נוספת היא הכור membrane אלקטרוכימי, אשר משלבת קרום סלקטיבית המאפשר רק SO2 להגיע אל פני השטח אלקטרודה.זה מבטל את הצורך לניקוי גזי מעלה ומפשט את המערכת הכוללת.מבחנים בקנה מידה טייס הראו הסרת יעילות העולה על 98 אחוזים, עם היתרון הנוסף של ייצור חומצה פוליבית מרוכזת שיכולה להימכר לשוק הכימי, תפעולי עלויות.

אלקטרו-כימיקלי אוקסידציה של NOx

תחמוצות ניטרוגן הן עוד חומר גדול מבעירה פחם, לתרום לגשם של סמגוג וחומצה. שיטות אלקטרוכימיות מפותחות גם כדי להתמודד עם NOx במקביל עם הסרת SO2. בבדיקה אלקטרוכימית משולבת, לא הוא קודם מחומצן ל- NO2 ב aode, ולאחר מכן שני המינים מופחתים לגז חנקן (N2) בקטמולקולציה (N2x) הם תאים סטרקטיים פעילים ואופטיקה אחד (N2x) עם תאים יחיד (N) עם תאים סטרומטרוניים) אחד עם תאים פעילים עם תאים סטרואליים ואופטימיים אחד (NCR2x) עם תאים סטרומטרד אחד (NCR2x) עם תאים פעילים עם תאים בודדים) עם תאים בודדים) עם תאים בודדים (NCR2xיתיים אחד) עם תאים בודדים (NCR) עם תאים פעילים עם תאים סטריליים אחד (N2x) עם תאים פעילים עם תאים סטריליים אחד עם תאים סטרומנטאליים אחד (NCR2x אחד) עם תאים בודדים כדי להחליף תאים סטרומטרים אחד) עם תאים סטרומטרים אחד) הם להחליף תאים פעילים עם תאים בודדים כדי להחליף תאים בודדים) אחד) אחד) אחד (NCR

לכידת פחמן אלקטרו-כימי וקונסטציה

חיתוך CO2 מגז פלואום כוח הוא האסטרטגיה הישירה ביותר עבור מיגש את ההשפעה של האקלים של פחם. מערכות נביחות מבוססות אמין הן אנרגיה-רגישות, הדורשת קיטור משמעותי כדי לחדש את המפתור, אשר מפחית את היעילות נטו של תחנת הכוח.אלקטרוכימית לכידת פחמן מציעה דרך להוריד את עונש האנרגיה הזה תוך כדי הפעלת הדלת לנגב ערך פחמן פחמן דו-חמצני לתוך מוצרים.

לימוזינה להפרדה CO2

מערכות membrane אלקטרוכימיות משתמשות membrane סלקטיבי בשילוב עם מתח יישומי כדי להניע CO2 תחבורה על פני membrane.אחד העיצובים המתקדמות ביותר הוא תא דלק מלוטש פחמן (MCFC) המשמש גם כקו CO2centrator אנרגיה על פני התצורה הזאת, גז שפעת הוא להאכיל את תא הדלק, שבו מגיבים עם חמצן ואלקטרונים כדי להפחית את רמת פחמן (2 ליטר) מתחת לנפח פחמן (cost) מתחת ל-32%) מתחת לנפח פחמן (cot) באופן חלקי).

אלקטרו-שינג אדמירציה

גישה חדשה יותר, המכונה אלקטרו-שינג מודעות, משתמשת באלקטרודות המצופה בחומרים המחברים את CO2 כאשר מתח מוחל ושחרורו כאשר המתח הפוך. Redox-active פולימרים, כגון פוליטרניקון, ותרכובות מסוימות מבוססות קינון הראו יכולת CO2 גבוהה והחלפת קינטיקה מהירה.

קידוד אלקטרומגנטי CO2

לאחר שנתפס, CO2 לא צריך להיות מאוחסן מתחת לאדמה; זה יכול להיות מומר אלקטרוכימי לתוך כימיקלים שימושיים דלקים. זרז מבוסס קופר נחקר נרחב עבור אלקטרורדוקציה של CO2 כדי ethylenelene, אתנול, ומתאן. ההתקדמות האחרונה בעיצוב זרז, כגון השימוש nanoparticles עם פניות ספציפיות, השיגו יעילות סינתטית של פחמן, ולאחר מכן מופעלת על ידי דלק פחמי זה הפך למעשה, 000 פחמן-ידי פחמן-ידי דלק מופעל על ידי דלק מופעל על ידי פחמן-ידי פחמן-ידי פחמן-ידי מערכת ההפעלה מופעלת של פחמן-ידי פחמן-ידי פחמן-ידי פחמן-ידי פחמן-ידי פחמן-ידי פחמן-ידי פחמן-ידי פחמן-ידי פחמן-ידי מחסנים מופעלת, 000.

חברת דלק Cell Technologies for Coal-Derived Syngas

במקום לשרוף פחם ישירות, מסלול אחר כרוך גז הראשון לייצר סינגס (תערובת של מימן פחמן חד תחמוצת פחמן), אשר לאחר מכן מוזן לתוך תא דלק. מוצק תאי דלק חד תחמוצת (SOFCs) הם אטרקטיביים במיוחד עבור יישום זה כי הם יכולים לפעול בטמפרטורות גבוהות (700-1,000 מעלות צלזיוס), אשר גורם להם סובלניים מסוימים ב סינתזה ומאפשרת רפורמה פנימית של כל מתאן.

SOFCs מודרניים השיגו יעילות חשמל של 60-65 אחוזים, בהשוואה ל-33-40% טיפוסי של צמחי קיטור קונבנציונאליים-אשים. כאשר בשילוב עם מחזור תחתית שלוכד חום פסולת, יעילות מערכת כוללת יכולה לגשת ל-85 אחוזים.זה שיפור דרמטי פירושו כי פחות פחם נדרש לייצר כל קילוגרם של חשמל, להפחית באופן ישיר את צריכת הדלק ואת פליטות.

מאמצים במחקר מתמקדים בשיפור עמידותם של להקות SOFC כאשר נחשפים לחומרי ה-Comtaminants המצויים ב-Syngas, במיוחד sulfur ו- arsenic. Novel anode כמו doped ctaminants ו-Fntium titanate הראו התנגדות להרעלת דלק ברמות עד 50 חלקים למיליון, בנוסף מערכות ניקוי מתקדמות המבוססות על ריכוז 1Falization (R) לפני ריכוז אנרגיה 1 (R)

תאי דלק ישירות

תא דלק פחמן ישיר (DC) הוא אולי הגישה אלקטרוכימית הקיצונית ביותר לכוח פחם. במקום להמיס את הפחם או להגיב עם אוויר ברתיחה, DCFC משתמשת פחמן מוצק ישירות כמו דלק הרוד. Carbon הוא מחמצן ב aode, שחרור אלקטרונים ומייצר CO2, בעוד חמצן מהאוויר מופחת בקטודה הכללית הוא אותו הדבר כמו אלקטרו-חמצני ל- 502 יעילות גבוהה יותר של חשמל, אך גבוהה יותר מ- 502, אך יעילות חשמלית.

האתגר העיקרי עבור DCFCs הוא התגובה המוגבלת של פחמן מוצק.כדי להתגבר על זה, החוקרים פיתחו כמה ארכיטקטורות תאים.ב molten hydroxide DCFC, ה aode מורכב של אמבטיה של נתרן פחמן דו-חמצני או אשלגן hydroxide שבו חלקיקים פחמן מושעה. hydroxides מופעלת ישירות פחמן-חמצן של פחמן-חמצן בטמפרטורות נמוכות יחסית (400-Cate), כלומר, כלומר, פועל ישירות עם אלקטרו-חמצני (C2-R) עם פחמן-חמצני, פועל עם פחמן-חמצני (מאט) גבוה יותר, 000) וטמפרטורות פחמן-חמצני (מאט) יותר (D2-חמצני).

חידושים אחרונים כוללים גם שימוש בחומרי פחמן מהונדסים עם פורוזים מהונדסים וקבוצות פונקציונליות משטח כדי לשפר את שיעורי התגובה. חוקרים הוכיחו גם מערכות DCFC-SOFC היברידיות המשלבות פחמן ישירות לתוך הode של תא תחמוצת מוצק, המשלבות את גמישות הדלק של SOFC עם ניצול פחמן גבוה של DCFCs.

אלקטרו-כימיקלים של קואל לפני הבעירה

אסטרטגיה נוספת היא להשתמש בתהליכים אלקטרו-כימיים כדי לטפל בפחם עצמו, הסרת זיהומים מינרלים וחמצן חלקית את ממטריקס הפחמן לייצר דלק נקי יותר, תגובתי יותר.לדבקות אלקטרו-כימיקלית משתמשת שדה חשמלי כדי להניע ions לתוך המבנה של פחם, פירוק sulfur pyritic ומינרלים מסוימים ash-forming.זה יכול להפחית את התוכן על ידי 50-70 אחוזים לפני אספקת פחם, 000 .

חמצון אלקטרוכימי של פחם לייצר פחמימנים חמצן הוא גם מקבל תשומת לב.בתהליכים אלה, פחם הוא מזחלת אלקטרוליט חומצי ו מוחזק פוטנציאל לא טיפוסי, אשר גורם פחמן כדי חמצון כדי ליצור CO2, חומצות קרוקסיליות, ותרכובות אחרות.

שילוב עם אנרגיה מתחדשת

אחד ההיבטים המשכנעים ביותר של טכנולוגיות אלקטרו-כימיות עבור כוח פחם הוא היכולת שלהם להשתלב עם מקורות אנרגיה מתחדשת משתנים כגון רוח ושמש. תהליכים אלקטרו-כימיים כמו CO2 אלקטרוליטיזה וייבוש יכול להיות מובחן במהירות - על סדר של שניות עד דקות - מה שהופך אותם אידיאלי כמו עומסים גמישים המסייעים כדי לאזן את הרשת.

אתגרים וכיוונים עתידיים

בעוד ההתקדמות הטכנית מרשימה, מכשולים משמעותיים נשארים לפני טכנולוגיות אלקטרו-כימיות אלה ניתן לפרוס בקנה מידה על צי הפחם בעולם.האתגר העיקרי הוא עלות. רבים של זרזים מתקדמים וחומרי קרום המשמשים תאים אלקטרו-כימיים יקרים לייצר, וערימות תאים עדיין קצרות מדי עבור מחזורי כוח טיפוסיים.

עמידות חומרים היא דאגה הקשורה.טמפרטורות תפעול גבוהות, אלקטרוליטים קורוזיביים, וחשיפה לעקב אחר contaminants בזרםים בעלי כוח פחם, כל ההידרדרות המאצת.מחקר לציפוי הגנה, קרמיקה מתקדמת, וחומרים של פיגור עצמי מתמשך והניבו מגבלות מבטיחות לטווח קצר יותר.

בחזית המדיניות, סביבה רגולטורית תומכת שגורמת לירידה בפחמן ומספקת מחיר על פליטות CO2 יהיה חיוני לנהוג באימוץ.חוק ניכוי האינפלציה בארה"ב ומדיניות דומה במדינות אחרות מציעות זיכויים מס עבור לכידת פחמן וחילוץ, אשר לטובת מערכות לכידת אלקטרו-כימיות.עם זאת, רמת הסובסידי עשויה להיות צריכה להגדיל את הפער בין עלויות נוכחיות לבין מחיר החשמל.

במבט קדימה, המסלול המבטיח ביותר כרוך שילוב של טכנולוגיות אלקטרו-כימיות מרובות במפעל יחיד. מתקן "e-coal" עתידי יכול להשתמש טרום טיפול אלקטרו-כימי לנקות את הדלק, להאכיל את הפחם למערכת DCFC או ממזג גז-SOFC עבור ייצור כוח יעילות גבוהה, ולאחר מכן להשתמש במזכר אלקטרו-כימי כדי ללכוד כל CO2 שנותר מ-Strata, ולבסוף להמיר CO2 לדלקים המופעלים על ידי דלקים חשמליים.

מסקנה

טכנולוגיות אלקטרו-כימיות מעצבות מחדש את האפשרויות לייצור חשמל פחם.מפלגציה ולכידת פחמן לתאי דלק ישירים ושדרוג פחם, שיטות אלה מציעות נתיבים להפחתה דרמטית של פליטות תוך שמירה על יעילות ייצור החשמל.הנתיב קדימה דורש המשך ההשקעה בחומרים מדעיים, מערכות הנדסה ותמיכה בפריצת כדי להביא את הטכנולוגיות הללו מהמעבדה למפעל הכוח.