Termoelektrana bez dima (i dimnjaka)

U Teksasu se iskušava rad elektrane na prirodni plin bez emisije ugljikova dioksida. Tajna je u izgaranju goriva u čistom kisiku...

Nenad Raos srijeda, 29. kolovoza 2018. u 06:00

Spajanjem jedne litre metana, prirodnog (zemnog) plina, s dvije litre kisika nastaje jedna litra ugljikova dioksida i dvije litre vodene pare. (Za butan omjer plina i kisika nije 1:2 nego 2:13, pa je stoga jasno zašto za plin iz plinovoda trebaju drugačije sapnice, dizne, nego za plin iz boce.) No koliki je taj omjer ako metan ne izgara u (čistom) kisku nego u zraku? Odgovor je jednostavan: budući da se zrak sastoji od 78 posto dušika i samo 21 posto kisika, za potpuno izgaranje litre metana treba potrošiti deset  litara zraka. Drugim riječima od jedne litre plina što izgara u plinskim elektranama nastaje 11 litara dima koji sadržava 9 % CO2 i 18 % H2O, ostalo je dušik. Zbog tih 18 % H2O metan se smatra ekološkim gorivom; dim od ugljena gotovo ne sadržava vodenu paru, nego samo CO2 -  ako pretpostavimo da ugljen potpuno izgara te da se dim čisti od prašine.

Ovaj mali pregled omjera reaktanata i produkata kemijskih reakcija izgranja fosilnih goriva daje nam odgovor na pitanje kako je moguće da neko gorivo u pogledu emisije stakleničkih plinova bude pogodnije od drugog, unatoč tome što pri izgaranju svakog fosilnog goriva nastaje ugljikov dioksid. Usput smo dobili i odgovor na pitanje zašto je metan ekološki najpogodnije fosilno gorivo: u njemu je omjer vodika i ugljika (4:1) najveći od svih ugljikovodika, a metan i ne mora biti fosilno gorivo jer se može proizvoditi truljenjem otpada (bioplin).

No vratimo se prvoj rečenici: iz litre metana i dvije  litre kisika nastaje litra ugljikova dioksida te  dvije litre vodene pare. Da bi se ta reakcija mogla odvijati bez zraka, tj. izgaranjem metana u čistom kisiku stara je ideja (oxyfuel process), no kako to obično biva jednostavne ideje najteže je ostvariti. Prvi je problem kako dobiti kisik iz zraka. To nije problem, reći će čitatelj, jer se kisik odavno izdvaja iz tekućeg zraka, frakcionom destilacijom (Lindeov postupak iz 1895. godine!). No za pogoniti elektranu treba ga proizvoditi i trošiti u velikim količinama, dvije litre po litri goriva, a usto za njegovu proizvodnu trošiti ne malu energiju.

Svi su ti problemi barem načelno riješeni u postupku koji se po kemičaru Rodneyu Allamu zove Allamov ciklus. Kao prvo, u njemu nema parne nego samo plinske turbine, turbine  koju pokreće vreli ugljikov dioksid. U plamenik ulazi metan, kisik i ugljikov dioksid (kao radni fluid), a iz njega izlazi ugljikov dioksid i vodena para pri temperaturi od 1150 oC  i tlaku od 300 bara. Kad obavi  rad u turbini plin se hladi da bi se iz njega izdvojila voda, a ugljikov dioksid vratio u turbinu, no smo djelomično. Višak se ugljikova dioksida ne ispušta u zrak nego se koristi kao sirovina za kemijsku industriju ili se – što je najjednostavnije – ubrizgava u ležišta nafte čime se povećava iscrpak. (Na taj se način CO2 miče „za sva vremena“ iz atmosfere. Ne samo da je položen preduboko da bi mogao izići, nego se kemijski spaja sa stijenama gradeći karbonate.)

Da sve ovo nije znanstvena fantastika, nešto što će se (ako će se) ostvariti tek u dalekoj budućnosti, govori projekt tvrtke NET Power iz Durhama (savezna država North Carolina) vrijedan 140 milijuna dolara. Ta novoosnovana tvrtka upravo dovršava pokusni pogon u mjestu La Porte (Texas). Njihova će termoelektrana bez dima i dimnjaka  raditi s toplinskom snagom 50 MW i izlaznom (električnom) snagom 25 MW. Nadaju se da neće imati većih problema, pa bi se već 2021. godine mogle početi graditi komercijalne elektrane temeljena na Allamovom ciklusu izlazne snage 300 MW.  

Je li to moguće? Na prvi bismo pogled rekli da nije, jer s obzirom na visoke troškove proizvodnje kisika, elektrane bez dimnjaka ne bi mogle konkuritati današnjim plinskim elektranama. No nije baš tako. Proizvodnja kisika je doduše skupa, no frakcionom destilacijom tekućega zraka iz njega se ne izdvaja samo kisik nego i dušik te  vrlo skupi argon (plemeniti plin kojeg u zraku ima 1 %).  Dio otpadne topline pri proizvodnji kisika koristi se Allamovom ciklusu za grijanje ugljikova dioksida prije ulaska u plamenik, a ne treba zaboraviti da se i „otpadni“ ugljikov dioksid može prodavati. I što na kraju reći? U projektu tvrtke NET Power ostvario se ideal kemijske tehnologije: ništa se ne baca, sve se koristi kao sirovina – pa i sam dim.

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju. Do umirovljenja radio je u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI)  baveći se bioanorganskom i teorijskom (računalnom) kemijom. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti surađujući u mnogim časopisima i revijama (Priroda, ABC tehnike, Čovjek i svemir, Modra lasta, Smib, Fokus). Napisao je više od dvije tisuće znanstveno-popularnih članaka, 13 znanstveno-popularnih knjiga te u koautorstvu dva sveučilišna udžbenika. Sada piše za mrežne stranice  Zg-magazina te za časopis Čovjek i svemir te, naravno, za BUG online. U časopisu Kemija u industriji je stalni komentator i urednik rubrike „Kemija u nastavi“. Godine 2003. dodijeljena mu je Državna godišnja nagrada za promidžbu i popularizaciju znanosti.