Учёные разработали электрохимический способ получения энергии из угля без горения

Китайская исследовательская группа представила электрохимическую систему преобразования угля в электричество, которая принципиально отличается от традиционной угольной энергетики отсутствием стадии сжигания и, как следствие, прямых выбросов углекислого газа в процессе выработки энергии. Вместо горения уголь рассматривается как источник химической энергии, которая может быть напрямую преобразована в электрическую.

Разработку возглавляет команда под руководством Се Хэпина из Китайской академии наук при Шэньчжэньском университете. Учёные создали так называемый прямой угольный топливный элемент с нулевыми выбросами углерода (ZC-DCFC), который фактически переопределяет саму концепцию использования угля, переводя его из категории топлива для сжигания в категорию электрохимического реагента.

Перед использованием уголь проходит подготовку, включающую измельчение до порошкообразного состояния, сушку, очистку и поверхностную обработку для повышения реакционной способности. Затем он подаётся в анодную камеру топливного элемента, тогда как на катодную сторону поступает кислород. Внутри системы частицы угля подвергаются прямому окислению через оксидную мембрану, что вызывает электрохимическую реакцию и приводит к генерации электричества без участия процессов горения.

Одним из ключевых отличий технологии является отказ от традиционной схемы угольных электростанций, где энергия сначала превращается в тепло при сжигании топлива, затем используется для получения пара и, наконец, приводит в движение турбины. В новом подходе отсутствуют паровые циклы и механические турбины, что устраняет значительную часть энергетических потерь, связанных с многоступенчатым преобразованием энергии.

Образующийся на аноде углекислый газ не выбрасывается в атмосферу, а сразу улавливается на месте. Далее он может быть либо каталитически преобразован в полезные химические продукты, такие как синтез-газ, либо химически стабилизирован в соединения, например бикарбонат натрия. Такой замкнутый подход позволяет существенно снизить экологическую нагрузку и делает процесс, по словам исследователей, практически бесшумным и чистым в эксплуатации.

По словам Се Хэпина, традиционные угольные электростанции ограничены термодинамическими пределами, в частности циклом Карно, который ограничивает эффективность примерно уровнем около 40 процентов. В отличие от них, прямой угольный топливный элемент теоретически способен достичь более высокой эффективности, поскольку исключает потери, связанные с тепловыми преобразованиями энергии.

Разработка технологии ведётся с 2018 года и прошла несколько этапов совершенствования. Исследователи постепенно решали ключевые проблемы, связанные с долговечностью материалов, плотностью мощности, непрерывной подачей топлива и стабильностью работы системы. Ранние версии подобных топливных элементов ограничивались низкой производительностью и коротким сроком службы, однако новая итерация демонстрирует улучшенную масштабируемость, устойчивость и более эффективное преобразование углерода в электричество, а также лучшую интеграцию всех компонентов системы.

Отдельно подчёркивается потенциальная возможность применения технологии для работы с глубокими угольными пластами, расположенными примерно на глубине до 2 км под землёй. В таком сценарии уголь не нужно добывать и транспортировать на поверхность: его можно преобразовывать в электричество прямо в пласте, передавая наверх только произведённую энергию. Это может снизить затраты и частично компенсировать сокращение доступных поверхностных запасов угля.

В целом разработка рассматривается как попытка переосмыслить использование ископаемого топлива, сохраняя энергетическую ценность угля при одновременном снижении его климатического воздействия за счёт электрохимического принципа преобразования.