Нельзя отрицать, что уголь как ископаемое топливо оказал огромное влияние на развитие человеческого общества. По сей день он остается одним из наиболее важных источников энергии: почти 36% мировой электроэнергии вырабатывается на угольных теплоэлектростанциях. Учитывая, как долго люди использовали уголь, мы полностью осознаем связанные с ним экологические проблемы. Большинство этих проблем сосредоточено вокруг наиболее часто используемого метода производства электроэнергии из угля; сжигая его. Этот процесс выбрасывает в воздух различные типы загрязняющих веществ и является основной причиной плохой репутации угля.
Хотя на протяжении десятилетий инженеры постоянно повышали эффективность угольных электростанций, традиционные методы сжигания по-прежнему тратят значительную часть энергии угля в виде тепла. Вот почему группа ученых из китайского Шэньчжэньского университета и Китайской инженерной академии пробуют другой метод. Эта группа недавно приступила к исследованию, которое предполагает использование угля в качестве относительно более чистого источника энергии. Еще находясь в зачаточном состоянии, им удалось усовершенствовать процесс под названием угольный топливный элемент с нулевым выбросом углерода (ZC-DCFC). Эта технология использует химическую энергию, хранящуюся в угле, для выработки электроэнергии. Не сжигая его, а используя принципы электрохимии.
Во многих отношениях процесс ZC-DCFC больше похож на топливный элемент, чем на традиционную угольную электростанцию. Однако решающим значением для разработки ZC-DCFC является возможность решения проблем энергетической и топливной безопасности, с которыми сталкиваются некоторые страны.
Как в процессе ZC-DCFC уголь используется для выработки электроэнергии?
Прежде чем понять, как работает ZC-DCFC, нам необходимо понять, как традиционная угольная тепловая электростанция вырабатывает электроэнергию. Проще говоря, эти электростанции сжигают огромное количество угля внутри печи. Тепло, выделяемое печью, приводит к кипению воды, которая превращается в пар. Затем этот пар вращает турбину, соединенную с генератором, который в конечном итоге вырабатывает электричество.
Этот метод оказался настолько эффективным, что его продолжают использовать и по сей день. Однако одной из основных проблем этого процесса является его явная неэффективность, поскольку он включает в себя несколько этапов преобразования энергии. Химическая энергия становится теплом, тепло — давлением пара, давление пара — механической энергией, а механическая энергия, наконец, становится электричеством. Если бы вы изучили основы преобразования энергии в школе, вы бы поняли, что каждый из этих шагов приводит к потерям энергии, что делает весь процесс очень неэффективным.
Одна из целей системы ZC-DCFC — исключить большинство этих стадий и повысить эффективность процесса производства электроэнергии из угля. Частично эта цель достигается за счет подачи топлива (угля) непосредственно в топливный элемент. Внутри ячейки электрохимические реакции отделяют электроны от углерода, содержащегося в угле. Затем эти электроны проходят через внешнюю цепь, создавая электрический ток, который можно использовать для питания домов, фабрик или центров обработки данных. По сути, топливный элемент извлекает электроэнергию непосредственно из химической энергии угля, а не сначала вырабатывает тепло.
Почему процесс ZC-DCFC привлекает внимание всего мира?
Одной из основных причин того, что технология ZC-DCFC привлекает внимание всего мира, является ее потенциал удовлетворения постоянно растущего спроса на электроэнергию, которая не производит вредных выбросов. Наибольшую выгоду от этой технологии могут получить такие страны, как Китай и Индия, обладающие огромными внутренними запасами угля. Обе эти страны, несмотря на впечатляющие успехи в развитии солнечной и ветровой энергетики, продолжают сжигать огромное количество местного угля для производства электроэнергии и остаются крупнейшими источниками глобальных выбросов углерода.
ZC-DCFC может в конечном итоге позволить этим странам использовать свои запасы угля гораздо более чистым способом. Эта технология также потенциально может улучшить энергетическую безопасность этих стран за счет ускорения перехода на чистые электромобили. Увеличение количества электромобилей и автомобилей с водородным двигателем в конечном итоге приведет к сокращению количества автомобилей с ДВС на дорогах. Это будет означать, что и Индия, и Китай смогут, в свою очередь, сократить свои расходы на импорт сырой нефти и защитить свои экономики, которые в настоящее время сильно реагируют на нестабильные цены на нефть. Это наблюдалось во время недавнего топливного кризиса, вызванного блокадой Ормузского пролива.
Проще говоря, если текущие исследования в области ZC-DCFC увенчаются успехом и страны смогут в конечном итоге использовать технологию ZC-DCFC в полной мере, один из самых грязных источников энергии может стать намного чище, чем сегодня. Это может привести к будущему, в котором вместо полного отказа от угля страны смогут продолжать использовать один из самых распространенных и доступных источников энергии в мире, не вызывая выбросов в воздух. При этом эта технология все еще находится в зачаточном состоянии, и до ее массового внедрения еще далеко.
