Japanska tvrtka Osaki CoolGen nastoji ostvariti visokoučinkovitu proizvodnju električne energije na ugljen s gotovo nultim emisijama, uz kombiniranje tehnika izgaranja ugljena s tehnikama zahvaćanja ugljika i gorivnim člancima. Iza svega zapravo stoji jedan od najvećih japanskih proizvođača energije, tvrtka J-Power koja se rukovodi idejom da bi pronalaženje isplativog i učinkovitog poboljšanja načina korištenja ugljena u nadolazećim desetljećima trebala biti njezina glavna tržišna prednost. 

Priča počinje sad već davno. Još 1995. godine J-Power u suradnji s japanskom agencijom za razvoj nove energetike i industrijskih tehnologija NEDO pokrenuo nacionalni projekt EAGLE za razvoj naprednih primjena ugljena za proizvodnju plina, tekućih goriva i električne energije. Ključni cilj projekta bio je razviti japansko rješenje za rasplinjavanje ugljena koje bi imalo višestruke primjene, uključujući proizvodnju električne energije i sintetičkih goriva, kemikalija i vodika. 

Proces za zahvaćanje ugljika tvrtke Osaki CoolGen u kombinaciji s procesima IGCC i IGFC
Proces za zahvaćanje ugljika tvrtke Osaki CoolGen u kombinaciji s procesima IGCC i IGFC

Dodavanje gorivih članaka

Koncept EAGLE je, međutim, otišao dalje od puke integracije uređaja za rasplinjavanje s plinskim i parnim turbinama u konvencionalnoj konfiguraciji integriranog rasplinjavanja u kombiniranom ciklusu (IGCC). Naime, bilo je predviđeno dodavanje gorivnih članaka sustavu za IGCC kako bi se povećala učinkovitost na više od 50% uz istovremeno smanjenje emisija. Time je nastao jedan od prvih integriranih sustava za rasplinjavanje s kombiniranim ciklusom i gorivnim člancima (IGFC) na svijetu. Još 2001. godine su J-Power i NEDO izgradili pilot-postrojenje kapaciteta 150 t/d, a od 2002. u njemu su se istraživali sustavi rasplinjavanja, ispitivale različite sirovine, a kasnije i izdvajanje i pohrana ugljičnog dioksida

Zatim je 2009. J-Power s tvrtkom Chugoku Electric Power osnovao ranije spomenutu tvrtku Osaki CoolGen kao zajedničko ulaganje. Danas je glavni cilj projekta koji ona vodi postizanje proizvodnje električne energije iz ugljena s nultim emisijama, pri čemu se kombinira vrhunska i visokoučinkovita proizvodnja električne energije iz ugljena u procesu (IGFC) sa zahvaćanjem CO2 . Projekt je već uspješno ostvario dvije od tri ključne faze, dok se zadnja faza planira dovršiti do kraja godine. 

Rasplinjavanje ugljena čistim kisikom

U prvoj fazi, 2017. godine, završena je izgradnja demonstracijske termoelektrane snage 166 MW, u kojoj se za rasplinjavanje ugljena koristi upuhivanje kisika velike čistoće. 

Električna energija se u postrojenju proizvodi u kombiniranom ciklusu u kojem se koristi plinska turbina na sintetički plin i parna turbina koja iskorištava toplinu ispušnih plinova iz plinske turbine i rasplinjača. U prvoj fazi je ostvaren neto toplinski stupanj djelovanja od 40,8%, što je najviša razina na svijetu za takva postrojenja na ugljen snage 170 MW. U NEDO-u vjeruju da takvo rješenje može smanjiti emisije CO2 za oko 15% u odnosu na danas raširene obične termoelektrane na ugljen. 

U drugoj fazi, 2016. - 2020., Osaki CoolGen dodao je postrojenju za IGCC s upuhivanjem kisika jedinicu za izdvajanje i zahvaćanje CO2 . Budući da postoji velika koncentracija ugljičnog monoksida u sintetičkom plinu, i on se može učinkovito izdvojiti i zahvatiti kao i CO2 . Do sada su rezultati premašili planirane ciljeve, tvrdi japanska tvrtka, navodeći da je stopa povrata CO2 čak 90% i više. Nadalje, u drugoj fazi se sintetički plin nakon uklanjanja kiseline šalje u reaktor gdje se CO pretvara u CO2

Sintetički plin, koji ima veliku koncentraciju vodika, vraća se u plinsku turbinu kao gorivo. U tom postrojenju 17% ukupnog sintetičkog plina šalje se u jedinicu za zahvaćanje CO2 kako bi se zahvatilo 15% ukupnog volumena CO2 koji se emitira iz sustava za IGCC. 

Integracija gorivih članaka s čvrstim oksidom (SOFC)

Kao dio treće faze, Osaki CoolGen dovršio je integraciju postrojenja s gorivnim člancima s čvrstim oksidom (SOFC) snage 1,2 MW i u travnju ove godine započeo je s ispitivanjima. Treća faza također uključuje izgradnju postrojenja za ukapljivanje CO2 . Kako se navodi, sintetski plin na izlazu iz postrojenja za rasplinjavanje sastoji se od 50% CO i 20% vodika. 

Na ulazu u pomični reaktor ubrizgava se para i u reaktoru se CO pretvara u CO2 i vodik. Na izlazu iz reaktora sastav plina je 40% CO2 i 55% vodika. Ugrađena oprema zahvaća emisije ugljika i proizvodi CO2 velike čistoće. S druge strane, ostatak plina sadržava oko 85% vodika. Dok je taj vodik u drugoj fazi bio korišten kao gorivo za plinsku turbinu, pri ispitivanju u trećoj fazi vodik će biti usmjeren u sklop gorivnih članaka radi proizvodnje energije. 

Međutim, neće se stati samo na tome. Osaki CoolGen planira dio zahvaćenog CO2 poslati i u jedinicu za ukapljivanje kako bi proizveo ugljični dioksid velike čistoće za potrebe prehrambene industrije, uz planiranu proizvodnju oko 5 t/d. Tako ukapljeni CO2 velike čistoće kamionima će se prevoziti do obližnjeg komercijalnog staklenika za uzgoj rajčica. 

SAD ide drugim putem 

Američka tvrtka Holtec International, proizvođač opreme za nuklearne reaktore, ide drugim putem. Tvrtka je u svibnju ove godine predstavila rješenje pod nazivom Green Boiler koje je razvijeno za prenamjenu postojećih termoelektrana na ugljen. Green Boiler je modularni sustav za pohranu energije velikog kapaciteta koji se sastoji od velikog toplinskog spremnika ispunjenog solima. Svaki modul može pohraniti oko 60 MW h toplinske energije sa standardnim projektiranim ciljem od 12 h. Sustav se sastoji od tri velike izolirane cilindrične posude: predgrijača, kotla i pregrijača, koji su u velikoj mjeri ispunjeni solima i opremljeni posebno izvedenim cijevima u kojima se voda pretvara u pregrijanu paru. Svaka posuda sadržava snop cijevi koji je izveden tako da dopušta značajno širenje i skupljanje materijala tijekom rada postrojenja. 

Ciklus termoelektrane na ugljen i primjena tehnike Green Boiler
Ciklus termoelektrane na ugljen i primjena tehnike Green Boiler

Postrojenje koristi električne grijače za zagrijavanje soli, za što se koristi višak energije iz elektroenergetske mreže. Tako dobivena toplinska energija može se zatim koristiti za pokretanje postojećeg sklopa turbine i generatora u termoelektranama na ugljen, čime se može proizvoditi električna energija. S ekonomskog gledišta prednost je to što bi se tako proizvedena energija isporučivala kupcima kako bi se zadovoljila njihova vršna potražnja, čime bi se za proizvođače za nju postigla i povoljnija cijena. Kako se navodi, Green Boiler može isporučivati paru pri istoj entalpiji i tlaku kao i postojeći sklop turbine i generatora za proizvodnju energije kada je to potrebno. 

U sadašnjem trenutku razvoja sustav Green Boiler može se lako prilagoditi postojećim termoenergetskim postrojenjima na ugljen, a posebno je usmjeren na prenamjenu postrojenja koja se zbog strogih ekoloških propisa povlače iz proizvodnje. Kako navodi proizvođač, iako Green Boiler još nije ispitan u stvarnoj elektrani, temelji se na postojećim i poznatim rješenjima, a značajno je da koristi veći dio postojeće infrastrukture termoelektrana na ugljen. Tvrtka još zasebno razvija sustav koji bi mogao integrirati Green Boiler s njezinim malim modularnim nuklearnim reaktorom SMR-160 ili fotonaponskim sustavom. Uz to, tvrdi da bi se time mogla ostvariti učinkovitost od 55 % (u usporedbi s oko 35 % iz Rankineovog ciklusa).