Mellanstatliga panelen för klimatförändringar (IPCC) släppte i oktober en alarmerande rapport om vad som skulle krävas för att täcka stigande globala temperaturer på 1,5 ° C över förindustriella nivåer. Att nå detta mål har motiverat länder att börja utveckla och genomföra planer för avkarbonisering av sin kraftproduktion och energimatris, samt andra alternativ, som att ta bort CO ₂ ur själva atmosfären.

Konsekvenserna av samhällets reaktion på detta hot, naturligtvis, är fruktansvärda.

"Det råder ingen tvekan om att det nuvarande förslaget om fossila bränslen som världens primära energikällor behöver omvandlas, "säger Dr Carlos Romero från Lehigh University's Energy Research Center (ERC), "men att göra det är ett enormt globalt åtagande som inte kommer att ske över en natt. Som ett exempel, för närvarande, USA får cirka 70 procent av sin totala energi från kol, olja, och naturgas. Hur gör vi för att göra övergången, och förstå konsekvenserna av beslut som fattas längs vägen, är avgörande."

"Tills förnybar energi är helt etablerad, " fortsätter Romero, som också är knuten till Lehighs nya Institute for Cyber ​​Physical Infrastructure and Energy (I-CPIE), "världens energi- och kraftbehov kommer fortfarande att behöva tillgodoses. Det är absolut nödvändigt att vi fortsätter att utveckla innovativa sätt att hantera traditionella kraftverk på ett så tillförlitligt sätt, rent, och så effektivt som möjligt, samtidigt som man utvecklar kostnadseffektiva alternativa energikällor."

Romero har bedrivit forskning på uppdrag av ERC i nästan 25 år och varit dess direktör under de senaste fem. Sedan 1972, ERC har tillhandahållit forsknings- och ingenjörsstöd till kraftgenereringsindustrin, stödja samarbete mellan Lehigh-forskare och energifokuserade federala, stat, och lokala byråer, företag, teknikutvecklare och leverantörer, samt associerade akademiska och forskargrupper i USA och utomlands.

Enligt Dr Richard Sause, I-CPIE direktör och Joseph T. Stuart professor i konstruktionsteknik vid Lehigh, ERC är positionerat för att hjälpa energiindustrin att möta utmaningen att förändra beroendet av fossila bränslen.

"Att stödja utvecklingen av ny teknik och tillvägagångssätt i detta utrymme är centralt för vårt instituts uppdrag, " säger Sause. "Ändå, verkligheten är att antagandet av sådan innovation på en global, industriell styrka kommer inte att hända över en natt. ERC stoltserar med nästan fem decennier av djupt engagemang i elkraftsindustrin, tjänar en värdefull roll i Lehighs arbete inom detta område och fungerar som en kanal av avgörande kunskap och insikt. ERC kommer att fortsätta att ha en betydande inverkan, nu och i framtiden, när vi går över från fossila bränslen."

Sause pekar på forskning av ERC och en grupp fakulteter som arbetar med ultrahög temperatur lagring av termisk energi som ett exempel på samarbete inom I-CPIE. Denna forskning kommer att hjälpa konventionella fossileldade tillgångar att fungera mer effektivt i en ny leveransmiljö, han säger, samtidigt som de bidrar till etableringen av solenergi som en pålitlig källa för förnybar energi.

Romero tror att tre nyligen tillkännagivna ERC-projekt – två med stöd av det amerikanska energidepartementet (DOE), den andra av Världsbanken och Mexikos nationella råd för vetenskap och teknik och dess energiminister – vittnar om betydelsen av ERC:s pågående arbete.

Smartare kolavskiljning

På tre år, 2,3 miljoner dollar projekt med stöd av Mexikos regering och Världsbanken, Lehigh kommer att samarbeta med Mexican Institute for Electricity and Clean Energies (INEEL, för sin förkortning på spanska) för att studera användningen av en förnybar energikälla - solenergi - för att förbättra prestanda för CO ₂ avskiljningssystem installerade i kraftverk med kombinerad naturgas (NGCC). Mexiko har ett stort antal NGCC för kraftproduktion. Även om NGCC -kraftverk har en lägre kolintensitet än kolverk, en del av dessa växter kommer att kräva CO ₂ fånga upp teknik för att uppfylla Mexikos utsläppsmål för växthusgaser (GHG) som fastställts i Climate Change Act. Landet har åtagit sig att minska sina växthusutsläpp med 50 procent under 2000 års nivåer till 2050.

Detta projekt är en del av ett stort interinstitutionellt konsortium på 90 miljoner dollar som är utformat för att främja kolavskiljning, utnyttjande, och lagring (CCUS) i Mexiko. Enligt International Energy Agency, CCUS kan eventuellt bidra till att minska cirka 12 procent av de kumulativa utsläppen av växthusgaser som krävs för att nå det globala målet om 1,5 ° C -kapacitetstemperatur år 2050. Konsortiet omfattar internationella deltagare från forskarsamhället, akademin, och industrin och kommer att stödja utvecklingen av en grupp projekt, inklusive ett pilotanläggningsprojekt för kolavskiljning och en CO ₂ -projekt för förbättrad oljeåtervinning.

Lehighs team för detta projekt inkluderar Romero, Dr Hugo Caram, Dr Sudhakar Neti, Dr Joshua Charles, Dr Xingchao Wang, och doktorander.

"En av de mest lovande teknikerna för att fånga upp koldioxid från fossileldade kraftverk är användningen av kemiska lösningsmedel eller aminer för att fånga upp koldioxiden. ₂ i en lösning, " säger Romero. "Men, det är inte praktiskt att försöka beslagta hela CO ₂ -laddad bäck. Kompaniet ₂ måste tas ut igen, och optimalt kan lösningsmedlet regenereras för framtida användning."

Enligt Caram, professor i kemiteknik, processen för denna extraktion av CO ₂ från amin kräver en häpnadsväckande mängd värme—en som skulle leda till en stor minskning av anläggningens cykeleffektivitet och totala effektuttag.

"Värmen som används för att utvinna fångat CO ₂ från aminen skulle normalt "blödas" från ångan som används för att vända anläggningens turbiner, "förklarar Neti, en professor emeritus i maskinteknik och mekanik. "Vi föreslår att använda solvärmeenergi, istället för att i huvudsak slösa bort en del av ångenergin som är avsedd för kraftproduktion. Våra primära mål i projektet är att screena den mest lämpade solenergitekniken för denna applikation, designa solfältet och koppla det till CO ₂ växt, och förstå hur solenergins inneboende variation påverkar processen av CO ₂ fånga."

En renare "strömcykel"

I ett annat nytt projekt närmare hemmet, ERC-forskare, inklusive Dr. Alp Oztekin, Zheng Yao, Romero, och doktorander, arbetar med kollegor från Western Kentucky University, med stöd från DOE Office of Fossil Energy, att analysera effekten av "cykling" på olika kraftverkens processer för avloppsvattenrening, inklusive fysikalisk-kemisk och biologisk teknik.

Med titeln "Konfiguration av koleldade kraftverk och inverkan på anläggningens avloppsvattenföroreningar och förhållanden, "denna $ 400, 000 ansträngning analyserar inverkan på reningsprocessen för avloppsvatten när koleldade kraftverk ägnar sig åt cykling.

Med tillkomsten av konkurrens från förnybara energikällor – vilket har skapat ett krav på flexibel kraftproduktion – har kraftverksoperatörer tvingats cykla åldrande enheter som ursprungligen var konstruerade för att drivas vid basbelastningsförhållanden.

Teamet kommer att samarbeta med kraftverk i Virginia, Illinois, och North Dakota för att erhålla driftsdata och materialprover för att karakterisera effekten av cykling på avloppstågen. DOE är särskilt intresserad av utsläpp av kvicksilver, arsenik, selen, bromid, och nitrater/nitrit i utsläppsavfallet.

"Varje gång ett kraftverk cyklas från maximal till minimal belastning, alla dess komponenter utsätts för oundvikligt stora påfrestningar, som orsakar problem som förkortar växtliv, " säger Oztekin, professor i maskinteknik. "Eftersom dessa enheter inte var designade för att cykla, Den här studien är för att bestämma effekten av denna cykling på prestandaeffektiviteten och ekonomin i avloppsvattenbehandlingsprocessen."

Denna typ av analys är livsviktig, säger Yao, eftersom det skulle hjälpa till att bedöma hur de slutliga utsläppen av giftiga ämnen reagerar på cykeldrift och kostnaderna i samband med det.

"Rening" av kol mer effektivt

Ett tredje nyligen annonserat projekt, också relaterat till att minska kolföroreningar, är en partnerskapsinsats som finansieras genom programmet DOE Small Business Innovation Research (SBIR), som gör det möjligt för småföretag att möta federala forsknings- och utvecklingsbehov.

ERC-forskare kommer att delta i ett fas II-projekt för miljoner dollar med Advanced Cooling Technologies, Inc. (ACT), av Lancaster, Pa. Företaget bedriver kolreningsteknik och har utvecklat en unik sprutbäddsreaktor som ökar prestandan för termisk desorption av kvicksilver, svavel, och sällsynta jordartsmetaller (REEs). ERC-forskare inkluderar Romero, Yao, och doktorander.

I fas 1, ACT:s tutbäddsdesign visade en minskning med 65 procent kvicksilver och 28 procent av svavelhalten i bituminöst kol, vilket fördubblade borttagningseffektiviteten jämfört med standard konisk sprutbädd. I fas II, Lehigh kommer att utföra experimentell forskning och analyser av de giftiga metallerna och REE, och kommer att ge stöd om kinetiken i desorptionsprocessen. ACT kommer att tillverka en skalad reaktor i pilotskalan som är utformad för att avlägsna föroreningar från kol via en automatiserad/kontinuerlig process, samt att undersöka ekonomin i att tillämpa tekniken.

"Det finns en möjlighet genom denna innovation att tillåta koleldade kraftverk att använda kol med högre kvicksilverinnehåll samtidigt som man realiserar kostnadsbesparingar jämfört med befintliga kvicksilveravskiljningssystem efter förbränning, " säger Romero. "Tekniken kan också utvidgas till andra avfallskällor, såsom kommunalt fast avfall (MSW) och cement."