L'evoluzione della generazione di energia del carbone

I prodotti di base che producono energia elettrica a base di energia elettrica in tutto il mondo, ma i costi ambientali della combustione convenzionale del carbone, l'anidride solforosa (SO]2]), gli ossidi di azoto (NO]]] x]), la materia di particelle e l'anidride carbonica (CO[ElectroflFLT:4] lontano]2]

Desolfurazione elettrochimica

La rimozione dello zolfo dai gas di combustione del carbone è una delle più antiche sfide ambientali che affrontano l'industria energetica. I sistemi di desolforazione del gas-flue tradizionali (FGD), comunemente noti come scrubber, utilizzano lo slurry calcareo per assorbire SO2, producendo gesso come sottoprodotto.

La desolforazione elettrochimica offre un approccio più elegante: in questi sistemi il gas flue passa attraverso una cellula elettrochimica dove SO2 viene ossidato all'anodo o ridotto al catodo, a seconda della configurazione cellulare.

I catalizzatori basati su platino rimangono i più attivi per l'ossidazione SO2, ma il loro alto costo ha spinto lo sviluppo di materiali alternativi come gli ossidi metallici, i quadri di struttura metallica (MOF), e leghe non metalliche (come i carbonhave) hanno dimostrato i ricercatori delle istituzioni, tra cui il Dipartimento di Energia dell'Ufficio

Un'altra variante promettente è il reattore a membrana elettrochimica, che integra una membrana selettiva che permette solo a SO2 di raggiungere la superficie dell'elettrodo. Questo elimina la necessità di pulizia a monte del gas e semplifica il sistema generale.

Ossidazione elettrochimica di NOx

Gli ossidi di azoto sono un altro importante inquinante dalla combustione del carbone, contribuendo allo smog e alla pioggia acida. I metodi elettrochimici sono anche in fase di elaborazione per affrontare il NOx contemporaneamente alla rimozione di SO2. In un scrubber elettrochimico combinato, NO è prima ossidato a NO2 all'anodo, e poi entrambe le specie sono ridotte al gas di azoto (N2) al catodo.

Cattura e conversione del carbonio elettrochimico

La cattura di CO2 dal gas di combustione delle centrali elettriche è la strategia più diretta per mitigare l'impatto climatico del carbone. I sistemi di lavaggio a base di ammina sono ad alta intensità di energia, che richiedono un vapore significativo per rigenerare il solvente, riducendo l'efficienza netta dell'impianto di alimentazione.

Membrani elettrochimici per la separazione di CO2

I sistemi di membrana elettrochimica utilizzano una membrana selettivamente permeabile combinata con una tensione applicata per guidare il trasporto di CO2 attraverso la membrana. Uno dei progetti più avanzati è la cella di combustibile a carbonato fuso (MCFC) utilizzata come concentratore CO2. In questa configurazione, il gas di combustione viene alimentato al compartimento di catodo, dove CO2 reagisce con ossigeno ed elettroni per formare ioni carbonati (CO32−).

Adsorbimento a elettroswing

Un approccio più nuovo, noto come adsorbimento elettrodi, utilizza elettrodi rivestiti con materiali che legano CO2 quando viene applicata una tensione e lo rilasciano quando la tensione è invertita.

Conversione elettrocatalitica CO2

Una volta catturato, CO2 non deve essere immagazzinato sotto terra; può essere trasformato elettrochimicamente in sostanze chimiche e combustibili utili. I catalizzatori a base di rame sono stati ampiamente studiati per l'elettroriduzione di CO2 a etilene, etanolo e metano.

Tecnologie per celle a combustibile per Singas Carbonio-Derived

Invece di bruciare il carbone direttamente, un altro percorso comporta la prima gassificazione del carbone per produrre sinergie (una miscela di idrogeno e monossido di carbonio), che viene poi alimentata in una cella di combustibile. Le cellule di combustibile di ossido solido (SOFC) sono particolarmente attraenti per questa applicazione perché possono operare ad alte temperature (700–1.000°C), che li rende tolleranti a certe impurità nei gassati e permette la riforma interna di qualsiasi residuo metano.

I moderni SOFC hanno raggiunto l'efficienza elettrica del 60–65 per cento, rispetto al 33–40 per cento tipico delle centrali a vapore convenzionali a carbone.Quando combinato con un ciclo di abbassamento che cattura il calore dei rifiuti, le efficienze del sistema generale possono avvicinarsi all'85 per cento. Questo miglioramento drammatico significa che è necessario ridurre significativamente il carbone per produrre ogni kilowatt-ora di energia elettrica, riducendo direttamente il consumo di carburante e le emissioni.

Gli sforzi di ricerca sono focalizzati sul miglioramento della durata degli anodi SOFC quando esposti ai contaminanti di traccia presenti nei gas di derivazione del carbone, in particolare sul zolfo e nei composti arsenici.

Celle di combustibile a carbone dirette

La cellula di combustibile a carbone diretto (DCFC) è forse l'approccio elettrochimico più radicale alla potenza del carbone. Invece di gassificare il carbone o reagire con l'aria in una caldaia, un DCFC utilizza il carbonio solido direttamente come combustibile dell'anodo. Il carbonio è ossidato all'anodo, rilasciando elettroni e producendo CO2, mentre l'efficienza dall'aria è ridotta al catodo.

La sfida principale per DCFC è la limitata reattività del carbonio solido. Per superare questo, i ricercatori hanno sviluppato diverse architetture cellulari. Nell'idrossido fuso DCFC, l'anodo è costituito da un bagno di sodio fuso o idrossido di potassio in cui le particelle di carbonio sono sospese. Gli ioni di idrossido facilitano l'ossidazione del carbonio a temperature relativamente basse (400-600°C).

Le recenti innovazioni includono l'utilizzo di materiali in carbonio derivati dal carbone con porosità ingegnerizzate e gruppi funzionali di superficie per migliorare i tassi di reazione. I ricercatori hanno anche dimostrato sistemi ibridi DCFC-SOFC che integrano il carbonio direttamente nell'anodo di una cella di ossido solido, combinando la flessibilità del combustibile di SOFC con l'elevata utilizzazione del carbonio di DCFC.

Aggiornamento elettrochimico del carbone prima della combustione

Un'altra strategia emergente è quella di utilizzare processi elettrochimici per pretrattare il carbone stesso, rimuovere le impurità minerali e parzialmente ossidare la matrice di carbonio per produrre un combustibile più pulito e più reattivo.

In questi processi, il carbone è slurrito in un elettrolito acido e tenuto ad un potenziale anodico, che provoca il carbonio per ossidare a formare CO2, acidi carbossilici e altri composti. Mentre questo non è un percorso di generazione di energia diretta, può produrre importanti mangimi chimici, mentre allo stesso tempo desolfora il carbone necessario.

Integrazione con l'energia rinnovabile

Una delle più interessanti tecnologie elettrochimiche per l'energia carbonica è la loro capacità di integrare con fonti energetiche rinnovabili variabili come il vento e il solare. I processi elettrochimici come l'elettrolisi di CO2 e la desolforazione possono essere modulati rapidamente, sull'ordine di secondi a minuti, rendendoli ideali come carichi flessibili che aiutano a bilanciare la rete elettrica.

Sfide e direzioni future

Mentre il progresso tecnico è impressionante, gli ostacoli significativi rimangono prima che queste tecnologie elettrochimiche possono essere impiegate in scala sulla flotta di carbone del mondo. La sfida principale è il costo. Molti dei catalisti avanzati e dei materiali a membrana utilizzati nelle celle elettrochimiche sono costosi da produrre, e le vite di stack delle cellule sono ancora troppo brevi per i cicli di funzionamento di centrali elettriche tipiche.

Le alte temperature operative, gli elettroliti corrosivi e l'esposizione ai contaminanti tracciati in flussi derivati dal carbone sono in corso di ricerca nei rivestimenti protettivi, nelle ceramiche avanzate e nei materiali auto-guarigione e ha dato risultati promettenti a breve termine. Un altro problema è l'integrazione di moduli elettrochimici con apparecchiature esistenti di bilanciamento delle piante come scambiatori di calore, treni di processo di depurazione del gas e cicli di vapore esistenti.

Sul fronte politico, un ambiente normativo di supporto che valorizza le riduzioni di carbonio e fornisce un prezzo sulle emissioni di CO2 sarà essenziale per l'adozione. La legge sulla riduzione dell'inflazione e le politiche simili in altri paesi offrono crediti fiscali per la cattura del carbonio e la sequestrazione, che beneficiano direttamente dei sistemi di cattura elettrochimica. Tuttavia, il livello di sovvenzione potrebbe essere necessario aumentare per colmare il divario tra i costi attuali e il prezzo di mercato dell'elettricità.

Una futura struttura "e-coal" potrebbe utilizzare pre-trattamento elettrochimico per pulire il combustibile, alimentare il carbone ad un sistema DCFC o gasifier-SOFC per la produzione di energia ad alta efficienza, quindi utilizzare membrane elettrochimiche per catturare qualsiasi CO2 residuo dallo scarico, e infine convertire gli impianti CO2 a combustibili sintetici che utilizzano la coalisi alimentata da elettrolisi alimentata da elettrolisi.

Conclusioni

Le tecnologie elettrochimiche stanno ridisegnando le possibilità di produzione di energia carbonica: dalla desolforazione e dalla cattura di carbonio alle celle a combustibile diretto e al potenziamento del carbone, questi metodi offrono percorsi per ridurre drasticamente le emissioni, mantenendo o aumentando l'efficienza della produzione di energia elettrica.