Il Gruppo intergovernativo di esperti sui cambiamenti climatici (IPCC) ha pubblicato un rapporto allarmante questo ottobre su ciò che sarebbe necessario per limitare l'aumento delle temperature globali a 1,5°C rispetto ai livelli preindustriali. Raggiungere questo obiettivo ha motivato i paesi a iniziare a sviluppare ed eseguire piani per la decarbonizzazione della loro generazione di energia e matrice energetica, così come altre opzioni, come la rimozione di CO ₂ fuori dall'atmosfera stessa.

Le conseguenze della risposta della società a questa minaccia, inutile dire, sono terribili.

"Non c'è dubbio che l'attuale proposta di combustibili fossili come fonti energetiche primarie del mondo debba essere trasformata, " afferma il Dr. Carlos Romero del Centro di ricerca sull'energia della Lehigh University (ERC), "ma farlo è un'enorme impresa globale che non avverrà dall'oggi al domani. Ad esempio, attualmente, gli Stati Uniti ottengono circa il 70 percento della loro energia totale dal carbone, olio, e gas naturale. Come facciamo a fare la transizione, e comprendere le ramificazioni delle decisioni prese lungo la strada, è fondamentale."

"Fino a quando le rinnovabili non saranno completamente stabilite, "continua Romero, che è anche affiliato al nuovo Institute for Cyber ​​Physical Infrastructure and Energy (I-CPIE) di Lehigh, "La domanda mondiale di energia e potenza dovrà ancora essere soddisfatta. È imperativo continuare a sviluppare modi innovativi per gestire le centrali elettriche tradizionali in modo affidabile, pulito, ed efficientemente possibile, sviluppando allo stesso tempo fonti energetiche alternative convenienti”.

Romero ha condotto ricerche per conto dell'ERC per quasi 25 anni e ne è stato direttore negli ultimi cinque. Dal 1972, il CER ha fornito supporto alla ricerca e all'ingegneria all'industria della produzione di energia, sostenere la collaborazione tra i ricercatori di Lehigh e il governo federale focalizzato sull'energia, stato, e agenzie locali, imprese, sviluppatori e fornitori di tecnologie, così come le comunità accademiche e di ricerca associate negli Stati Uniti e all'estero.

Secondo il dottor Richard Sause, Direttore dell'I-CPIE e Joseph T. Stuart Professor di ingegneria strutturale a Lehigh, l'ERC è posizionato per aiutare l'industria energetica ad affrontare la sfida di trasformare la dipendenza dai combustibili fossili.

"Sostenere lo sviluppo di nuove tecnologie e approcci in questo spazio è fondamentale per la missione del nostro Istituto, " dice Sause. "Eppure, la realtà è che l'adozione di tale innovazione a livello globale, scala di forza industriale non accadrà dall'oggi al domani. L'ERC vanta quasi cinque decenni di profondo impegno nel settore della generazione di energia elettrica, svolgendo un ruolo prezioso nel lavoro di Lehigh in questo campo e fungendo da canale di conoscenza e intuizione cruciali. Il CER continuerà ad avere un impatto significativo, ora e in futuro, mentre passiamo dai combustibili fossili".

Sause indica la ricerca dell'ERC e di un gruppo di docenti che lavorano sull'immagazzinamento di energia termica ad altissima temperatura come esempio di collaborazione all'interno dell'I-CPIE. Questa ricerca aiuterà le risorse tradizionali alimentate a combustibili fossili a operare in modo più efficiente in un nuovo ambiente di spedizione, lui dice, contribuendo allo stesso tempo all'affermazione dell'energia solare come fonte affidabile di energia rinnovabile.

Romero ritiene che tre progetti ERC recentemente annunciati, due supportati dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), l'altro dalla Banca mondiale e dal Consiglio nazionale per la scienza e la tecnologia del Messico e dal suo Segretario per l'Energia, attestano l'importanza del lavoro in corso dell'ERC.

Cattura del carbonio più intelligente

In un triennio, Progetto da 2,3 milioni di dollari sostenuto dal governo del Messico e dalla Banca mondiale, Lehigh collaborerà con l'Istituto messicano per l'elettricità e le energie pulite (INEEL, per il suo acronimo in spagnolo) per studiare l'uso di una fonte di energia rinnovabile, l'energia solare termica, per migliorare le prestazioni di CO ₂ sistemi di cattura installati in centrali elettriche a ciclo combinato a gas naturale (NGCC). Il Messico ha un gran numero di NGCC per la generazione di energia. Sebbene le centrali elettriche NGCC abbiano un'intensità di carbonio inferiore rispetto alle centrali a carbone, una parte di questi impianti richiederà CO ₂ tecnologie di cattura per soddisfare gli obiettivi messicani di emissione di gas serra (GHG) fissati dalla legge sui cambiamenti climatici. Il paese si è impegnato a ridurre le proprie emissioni di gas serra del 50% rispetto ai livelli del 2000 entro il 2050.

Questo progetto fa parte di un grande consorzio interistituzionale da 90 milioni di dollari progettato per promuovere la cattura del carbonio, utilizzo, e stoccaggio (CCUS) in Messico. Secondo l'Agenzia internazionale per l'energia, Il CCUS può potenzialmente contribuire alla mitigazione di circa il 12% delle emissioni cumulative a effetto serra necessarie per raggiungere l'obiettivo globale di 1,5°C di temperatura massima entro il 2050. Il consorzio comprende partecipanti internazionali della comunità di ricerca, accademico, e industria e sosterrà lo sviluppo di un gruppo di progetti, compreso un progetto di impianto pilota di cattura del carbonio e un CO ₂ -progetto di recupero dell'olio potenziato.

Il team di Lehigh per questo progetto include Romero, Dott. Hugo Caram, Dott. Sudhakar Neti, Dott. Joshua Charles, Dott. Xingchao Wang, e studenti laureati.

"Una delle tecnologie più promettenti per catturare l'anidride carbonica dalle centrali elettriche a combustibili fossili è l'uso di solventi chimici o ammine per catturare la CO ₂ in una soluzione, " dice Romero. "Tuttavia, non è pratico cercare di sequestrare l'intera CO ₂ -flusso carico. il CO ₂ deve essere estratto di nuovo, e in modo ottimale il solvente può essere rigenerato per un uso futuro."

Secondo Caram, professore di ingegneria chimica, il processo di questa estrazione di CO ₂ dall'ammina richiede una quantità sorprendente di calore, una che porterebbe a una grande riduzione dell'efficienza del ciclo dell'impianto e della potenza totale prodotta.

"Il calore utilizzato per estrarre la CO . catturata ₂ dall'ammina normalmente verrebbe 'dissanguato' dal vapore utilizzato per far girare le turbine dell'impianto, " spiega Neti, professore emerito di ingegneria meccanica e meccanica. "Proponiamo di utilizzare l'energia solare termica, invece di sprecare sostanzialmente una parte dell'energia del vapore destinata alla generazione di energia. I nostri obiettivi primari nel progetto sono lo screening della tecnologia solare più adatta per questa applicazione, progettare il campo solare e accoppiarlo con la CO ₂ pianta, e capire come la variabilità intrinseca dell'energia solare influisce sul processo di CO ₂ catturare."

Un "ciclo di alimentazione" più pulito

In un altro nuovo progetto più vicino a casa, ricercatori del CER, compreso il dottor Alp Oztekin, Zheng Yao, Romero, e dottorandi, stanno lavorando con i colleghi della Western Kentucky University, con il supporto dell'Ufficio DOE di Fossil Energy, analizzare l'impatto del "ciclismo" sui processi di trattamento delle acque reflue di diverse centrali elettriche, comprese le tecnologie fisico-chimiche e biologiche.

Intitolato "Configurazione e funzionamento della centrale elettrica a carbone Impatto sul contaminante e sulle condizioni degli effluenti dell'impianto, "questi 400 dollari, Lo sforzo di 000 analizza l'impatto sul processo di trattamento delle acque reflue quando le centrali elettriche a carbone si impegnano in operazioni ciclabili.

Con l'avvento della concorrenza delle fonti di energia rinnovabile, che ha introdotto una domanda di generazione di energia flessibile, gli operatori delle centrali elettriche sono stati costretti a ciclare le unità obsolete originariamente progettate per funzionare a condizioni di carico di base.

Il team collaborerà con centrali elettriche in Virginia, Illinois, e North Dakota per ottenere dati operativi e campioni di materiale per caratterizzare l'impatto delle operazioni ciclistiche sui treni di trattamento delle acque reflue. Il DOE è particolarmente interessato alle emissioni di mercurio, arsenico, selenio, bromuro, e nitrati/nitriti nell'effluente di scarico.

"Ogni volta che una centrale elettrica viene ciclata dal carico massimo a quello minimo, tutti i suoi componenti sono sottoposti a sollecitazioni inevitabilmente grandi, che causano problemi che accorciano la vita delle piante, "dice Oztekin, un professore di ingegneria meccanica. "Dal momento che queste unità non sono state progettate per il ciclo, questo studio ha lo scopo di determinare l'impatto di questo ciclo sull'efficienza delle prestazioni e sull'economia del processo di trattamento delle acque reflue".

Questo tipo di analisi è fondamentale, dice Yao, perché aiuterebbe a valutare come le emissioni finali di elementi tossici target rispondono al funzionamento del ciclo e il costo ad esso associato.

"Pulire" il carbone in modo più efficiente

Un terzo progetto recentemente annunciato, anche legati alla riduzione dei contaminanti del carbone, è uno sforzo di partnership finanziato attraverso il programma DOE Small Business Innovation Research (SBIR), che consente alle piccole imprese di soddisfare le esigenze di ricerca e sviluppo federali.

I ricercatori dell'ERC parteciperanno a un progetto di Fase II da un milione di dollari con Advanced Cooling Technologies, Inc. (ACT), di Lancaster, Pa. L'azienda sta perseguendo la tecnologia di pulizia del carbone e ha sviluppato un reattore unico a letto con beccuccio che aumenta le prestazioni del desorbimento termico del mercurio, zolfo, ed elementi delle terre rare (REE). I ricercatori del CER includono Romero, Yao, e studenti laureati.

Nella Fase 1, Il design del letto con beccuccio di ACT ha dimostrato una riduzione del 65% del mercurio e del 28% del contenuto di zolfo nel carbone bituminoso, che ha raddoppiato l'efficienza di rimozione rispetto al letto a becco conico standard. Nella Fase II, Lehigh effettuerà la ricerca sperimentale e l'analisi dei metalli tossici e dei REE, e fornirà supporto sulla cinetica del processo di desorbimento. ACT produrrà un reattore su scala pilota su larga scala progettato per rimuovere i contaminanti dal carbone tramite un processo automatizzato/continuo, così come per indagare l'economia dell'applicazione della tecnologia.

"Questa innovazione offre l'opportunità di consentire alle centrali elettriche a carbone di utilizzare carbone con un contenuto di mercurio più elevato, realizzando al contempo risparmi sui costi rispetto ai sistemi di cattura del mercurio post-combustione esistenti, " dice Romero. "La tecnologia potrebbe essere estesa anche ad altre fonti di rifiuti, come i rifiuti solidi urbani (RSU) e il cemento".