Vejledning til en mere bæredygtig energifremtid

Det mellemstatslige panel for klimaændringer (IPCC) offentliggjorde i oktober en alarmerende rapport om, hvad det ville kræve for at begrænse stigende globale temperaturer på 1,5 ° C over præindustrielt niveau. At nå dette mål har motiveret lande til at begynde at udvikle og udføre planer for dekarbonisering af deres elproduktion og energimatrix, samt andre muligheder, såsom at fjerne CO ₂ ud af selve atmosfæren.

Konsekvenserne af samfundets reaktion på denne trussel, unødvendigt at sige, er forfærdelige.

"Der er ingen tvivl om, at det nuværende forslag om fossile brændstoffer som verdens primære energikilder skal ændres, " siger Dr. Carlos Romero fra Lehigh University's Energy Research Center (ERC), "men at gøre det er et massivt globalt foretagende, der ikke vil ske fra den ene dag til den anden. Som et eksempel, i øjeblikket, USA får omkring 70 procent af sin samlede energi fra kul, olie, og naturgas. Hvordan vi gør overgangen, og forstå konsekvenserne af beslutninger, der er truffet undervejs, er afgørende."

"Indtil vedvarende energi er fuldt etableret, " fortsætter Romero, som også er tilknyttet Lehighs nye institut for cyberfysisk infrastruktur og energi (I-CPIE), "verdens energi- og strømbehov vil stadig skulle opfyldes. Det er bydende nødvendigt, at vi fortsætter med at udvikle innovative måder at styre traditionelle kraftværker på så pålideligt, rent, og så effektivt som muligt, samtidig udvikle omkostningseffektive alternative energikilder. "

Romero har udført forskning på vegne af ERC i næsten 25 år og fungeret som dets direktør i de sidste fem. Siden 1972 har ERC har ydet forsknings- og ingeniørstøtte til elproduktionsindustrien, støtte samarbejde mellem Lehigh-forskere og energifokuserede føderale, stat, og lokale agenturer, virksomheder, teknologiudviklere og leverandører, samt tilknyttede akademiske og forskningsmiljøer i USA og i udlandet.

Ifølge Dr. Richard Sause, I-CPIE-direktør og Joseph T. Stuart-professor i strukturteknik ved Lehigh, ERC er positioneret til at hjælpe energiindustrien med at klare udfordringen med at transformere afhængigheden af ​​fossile brændstoffer.

"At støtte udviklingen af ​​nye teknologier og tilgange i dette rum er centralt for vores instituts mission, " siger Sause. "Alligevel, virkeligheden er, at vedtagelsen af ​​en sådan innovation på en global, industriel styrke skala vil ikke ske fra den ene dag til den anden. ERC kan prale af næsten fem årtiers dybt engagement i elproduktionsindustrien, tjener en værdifuld rolle i Lehighs arbejde på dette felt og fungerer som en kanal af afgørende viden og indsigt. ERC vil fortsat have en betydelig indflydelse, nu og i fremtiden, når vi overgår fra fossile brændstoffer. "

Sause peger på forskning fra ERC og en gruppe af fakulteter, der arbejder med ultrahøj temperatur termisk energilagring, som et eksempel på samarbejde inden for I-CPIE. Denne forskning vil hjælpe konventionelle fossilfyrede aktiver til at fungere mere effektivt i et nyt forsendelsesmiljø, han siger, samtidig bidrage til etableringen af ​​solenergi som en pålidelig kilde til vedvarende energi.

Romero mener, at tre nyligt annoncerede ERC -projekter - to støttet af det amerikanske energiministerium (DOE), den anden af ​​Verdensbanken og Mexicos nationale råd for videnskab og teknologi og dets energiminister – vidner om betydningen af ​​ERC's igangværende arbejde.

Smartere kulstoffangst

På tre år, $2,3 millioner projekt støttet af Mexicos regering og Verdensbanken, Lehigh vil samarbejde med det mexicanske institut for elektricitet og rene energier (INEEL, for dets forkortelse på spansk) for at studere brugen af ​​en vedvarende energikilde - termisk solenergi - for at forbedre ydelsen af ​​CO ₂ indfangningssystemer installeret i naturgas kombineret cyklus (NGCC) kraftværker. Mexico har et stort antal NGCC'er til elproduktion. Selvom NGCC-kraftværker har en lavere kulstofintensitet end kulværker, en del af disse planter vil kræve CO ₂ indfange teknologier for at opfylde Mexicos drivhusgasemissionsmål (GHG) fastsat af Climate Change Act. Landet har forpligtet sig til at reducere sine drivhusemissioner med 50 procent under 2000-niveauet inden 2050.

Dette projekt er en del af et stort $90 millioner interinstitutionelt konsortium designet til at fremme kulstoffangst, udnyttelse, og opbevaring (CCUS) i Mexico. Ifølge Det Internationale Energiagentur, CCUS kan potentielt bidrage til at mindske omkring 12 procent af de kumulative drivhusemissioner, der er nødvendige for at nå det globale mål om 1,5°C lofttemperatur inden 2050. Konsortiet omfatter internationale deltagere fra forskningsmiljøet, den akademiske verden, og industrien og vil støtte udviklingen af ​​en gruppe projekter, herunder et kulstoffangst pilotanlæg projekt og en CO ₂ -forbedret olieindvindingsprojekt.

Lehighs team til dette projekt inkluderer Romero, Dr. Hugo Caram, Dr. Sudhakar Neti, Dr. Joshua Charles, Dr. Xingchao Wang, og kandidatstuderende.

"En af de mest lovende teknologier til at opfange kuldioxid fra fossilfyrede kraftværker er brugen af ​​kemiske opløsningsmidler eller aminer til at opfange CO ₂ i en løsning, " siger Romero. "Men, det er ikke praktisk at forsøge at opsætte hele CO ₂ -ladet strøm. CO ₂ skal trækkes ud igen, og optimalt kan opløsningsmidlet regenereres til fremtidig brug."

Ifølge Caram, professor i kemiteknik, processen med denne udvinding af CO ₂ fra amin kræver en forbløffende mængde varme - en, der ville føre til en stor reduktion i anlæggets cykluseffektivitet og samlede effekt.

"Den varme, der blev brugt til at udvinde opfanget CO ₂ fra aminen ville normalt blive 'blødt' fra dampen, der bruges til at dreje anlæggets turbiner, " forklarer Neti, en professor emeritus i maskinteknik og mekanik. "Vi foreslår at bruge solvarmeenergi, i stedet for i det væsentlige at spilde en del af den dampenergi, der er beregnet til elproduktion. Vores primære mål i projektet er at screene den bedst egnede solcelleteknologi til denne applikation, designe solfeltet og koble det med CO ₂ plante, og forstå, hvordan solenergiens iboende variabilitet påvirker CO-processen ₂ fange."

En renere 'strømcyklus'

I et andet nyt projekt tættere på hjemmet, ERC forskere, herunder Dr. Alp Oztekin, Zheng Yao, Romero, og kandidatstuderende, arbejder med kolleger fra Western Kentucky University, med støtte fra DOE Office of Fossil Energy, at analysere virkningen af ​​"cykling" på forskellige kraftværks spildevandsrensningsprocesser, herunder fysisk-kemiske og biologiske teknologier.

Med titlen "Kulfyret kraftværks konfiguration og driftspåvirkning på anlæggets spildevandskontaminant og betingelser, "disse $400, 000-indsats analyserer påvirkningen af ​​spildevandsbehandlingsprocessen, når kulfyrede kraftværker engagerer sig i cykeldrift.

Med fremkomsten af ​​konkurrence fra vedvarende energikilder - hvilket har introduceret et krav om fleksibel elproduktion - er kraftværksoperatører blevet tvunget til at cykle aldrende enheder, der oprindeligt var designet til at blive drevet ved basisbelastningsforhold.

Holdet vil samarbejde med kraftværker i Virginia, Illinois, og North Dakota for at indhente driftsdata og materialeprøver for at karakterisere virkningen af ​​cykeldrift på spildevandsbehandlingstogene. DOE er især interesseret i emissioner af kviksølv, arsen, selen, bromid, og nitrater/nitrit i udledningsspildevandet.

"Hver gang et kraftværk cykles fra maksimal til minimum belastning, alle dets komponenter gennemgår uundgåeligt store belastninger, som forårsager problemer, der forkorter plantelevetiden, " siger Oztekin, professor i maskinteknik. "Da disse enheder ikke var designet til at cykle, denne undersøgelse skal bestemme virkningen af ​​denne cykling på effektiviteten og økonomien i spildevandsbehandlingsprocessen."

Denne form for analyse er afgørende, siger Yao, fordi det ville hjælpe med at vurdere, hvordan de endelige emissioner af giftige målelementer reagerer på cykling og omkostningerne forbundet med det.

'Rengøring' af kul mere effektivt

Et tredje nyligt annonceret projekt, også relateret til reduktion af kulforureninger, er en partnerskabsindsats finansieret gennem DOE Small Business Innovation Research (SBIR)-programmet, som gør det muligt for små virksomheder at opfylde føderale forsknings- og udviklingsbehov.

ERC-forskere vil deltage i et fase II-projekt med en million dollar med Advanced Cooling Technologies, Inc. (ACT), af Lancaster, Pa. Virksomheden forfølger kulrensningsteknologi og har udviklet en unik reaktor med sprøjtebed, der øger ydelsen af ​​termisk desorption af kviksølv, svovl, og sjældne jordarters elementer (REE'er). ERC-forskere inkluderer Romero, Yao, og kandidatstuderende.

I fase 1, ACT's spouted bed design viste en reduktion på 65 procent af kviksølv og 28 procent af svovlindholdet i bituminøst kul, hvilket fordoblede fjernelseseffektiviteten sammenlignet med standard konisk tudbed. I fase II, Lehigh vil udføre eksperimentel forskning og analyser af de giftige metaller og REE'er, og vil give støtte til kinetikken i desorptionsprocessen. ACT vil fremstille en opskaleret pilotskala reaktor designet til at fjerne forurenende stoffer fra kul via en automatiseret/kontinuerlig proces, samt at undersøge økonomien ved at anvende teknologien.

"Der er en mulighed gennem denne innovation for at tillade kulfyrede kraftværker at udnytte kul med højere kviksølvindhold og samtidig realisere omkostningsbesparelser i forhold til eksisterende kviksølvfangstsystemer efter forbrænding, "siger Romero." Teknologien kan også udvides til at omfatte andre affaldskilder, såsom kommunalt fast affald (MSW) og cement. "