Сотрудники Уральского федерального университета (УрФУ) разработали более эффективную, по сравнению с существующими на сегодняшний день, технологию превращения каменного угля в электроэнергию. Результаты исследованная были опубликованы в журнале International Journal of Hydrogen Energy.
Каменный уголь составляет более 90 % запасов органического топлива, находящегося в литосфере Земли. С помощью сжигания угля и ископаемого топлива можно получить электрическую энергию (на этом основана работа ТЭС), однако существующие технологии её получения таким методом малоэффективны, неэкологичны и очень материалоемки – с большим количеством отходов. Добыча и сжигание угля загрязняют почву, воздух, неблагоприятно влияют на флору и фауну.
Если прямо преобразовывать углеводородное топливо в электрическую энергию, то можно одновременно и упростить, и улучшить конструкции электростанций. Такое прямое преобразование можно осуществить с помощью электрохимических генераторов, использующих в качестве топлива природный газ или схожие с ним по составу смеси.
Учёные предложили оригинальную схему получения аналога природного топлива — синтез-газа (смеси водорода с угарным газом) — из каменного угля, и проанализировали эффективность его использования в качестве топлива для электрохимического генератора. Оказалось, что новая разработка может заменить использующийся сегодня неэкологичный и низкоэффективный процесс сжигания угля более экологичным и безотходным. Все продукты, полученные при работе созданной установки, возможно либо сжижать и захоранивать, либо использовать для производства промышленно важных веществ: этилового спирта, этилена, и других углеводородов.
«В данной работе мы решаем задачу — заменить уникальный продукт — природный газ — на каменный уголь с одновременным улучшением энергетических и экологических характеристик установок по сравнению с существующими угольными электростанциями. Показана высокая эффективность применения данной технологии для совместного производства электрической и тепловой энергии при существенно более простой схеме установки», — рассказал один из авторов статьи Сергей Щеклеин, доктор технических наук, заведующий кафедрой атомных станций и возобновляемых источников энергии Уральского энергетического института УрФУ.
Получение синтез-газа проходило в установке с кипящим слоем, разработанном в УрФУ под руководством профессора Алексея Дубинина, позволяющей многократно увеличить интенсивность взаимодействия реагентов и получить на выходе более чистый продукт. После очистки полученного продукта, ученые поместили его в высокотемпературный твердо-оксидный топливный элемент, где в результате реакций водорода и кислорода воздуха выработалась электрическая энергия. Остатки водорода и весь оксид углерода поступили в котёл-утилизатор, в котором за счёт сгорания была получена тепловая энергия, необходимая для технологического процесса и генераторов. Продукты сгорания в котле-утилизаторе не содержат золы и серы, поэтому не требуют глубокой очистки.
Работа состояла из теоретической и экспериментальной частей. В теоретической части ученые рассмотрели энергетические и физико-химические процессы, протекающие в предложенной схеме установки, и определили основные энергетические характеристики. Также ученые показали, что предложенная технологическая схема позволяет получить такие же характеристики топливной эффективности, как и у передовых разработок, использующих в качестве сырья дефицитные топлива, такие как нефть и природный газ.
В экспериментальной части работы ученые получили из угольного топлива синтез-газ, который является достаточно энергоёмким продуктом и очень удобен для транспортировки. Авторы исследовали состав полученного газа в широком диапазоне изменения режимных параметров и определили области, наибольшей устойчивости кипящего слоя и эффективной газогенерации.
Подобные разработки ведутся во всём мире, и больше всех в этой области продвинулись США, Китай, и Германия. Но наша российская разработка в этом плане является уникальной. На данный момент идут переговоры с промышленными партнёрами о создании демонстрационных образцов. Следующий шаг – масштабирование установки и её запуск в производство.
«Полученные результаты позволяют ставить вопрос о создании новой энергетики ХХI века», — заключил учёный.