יום שבת, 13 במרץ 2010

אוקסידלק - Oxyfuel

85% מהאנרגיה בעולם מופקת על ידי שריפת דלקי מאובנים - בעיקר נפט, פחם וגז טבעי - ויש עם זה כמה בעיות. ראשית, לשריפת נפט ופחם יש תוצרי לוואי מזהמים שגורמים לזיהום אוויר וקרקע. מהבחינה הזו, גז טבעי נקי לחלוטין, משום שתוצרי הלוואי היחידים של שריפתו הם פחמן דו-חמצני ואדי מים. פחמן דו-חמצני ואדי מים, הנפלטים בשריפה של כל חומר אורגני, ובפרט דלקי מאובנים, אינם יוצרים זיהום אוויר, אך הם מהווים גזי חממה מרכזיים המשפיעים על עוצמת אפקט החממה. עליית ריכוז הפחמן הדו-חמצני באוויר נחשבת כגורם עיקרי להתחממות פני כדור הארץ במהלך המאה ה-20. בנוסף לכך, דלקי המאובנים הם משאב מתכלה ועל כן התבססות כמעט מוחלטת עליהם עלולה ליצור בעיה כשהמלאי שלהם יקטן. ובאותו הקשר - התלות בהם כמקור דלק עיקרי יוצרת תלות במדינות שמספקות אותם, ותלות אנרגטית כזו היא מצב לא בריא למדינה, במיוחד למדינה כמו ישראל שהיא מבודדת למדי.

אני משער שבמהלך המאה ה-21 יגבר כוחם של פתרונות אנרגיה חלופית, כמו אנרגיה הידרואלקטרית, אנרגיית רוח ואנרגיית שמש, אבל צריך לזכור שלדלקים מאובנים יש שני יתרונות עיקריים שעדיין ישאירו אותם בתמונה, גם אם חלקם היחסי יקטן. היתרון הראשון הוא צפיפות אנרגיה גדולה, או במילים אחרות - תחנות הכוח ששורפות דלקי מאובנים קטנות יחסית. היתרון השני הוא מחיר נמוך יחסית לשיטות אחרות, אבל ייתכן שהמצב ישתנה, או לפחות יתרחשו תנודות גדולות במחיר. ראינו את זה במחירי הנפט במהלך העשור הראשון של המאה ה-21.

מצד שני, הלחץ הפוליטי שנוצר באירופה ובמקומות נוספים, כולל ארצות הברית, יביא לחיפוש פתרונות ידידותיים יותר לסביבה, גם בכל הקשור לשריפת דלקי מאובנים. אוקסידלק הוא רעיון כזה, ויישום רחב שלו ברחבי העולם יכול להקטין באופן ניכר את זיהום האוויר. חלק גדול מהמזהמים הנפלטים כתוצאה מבעירת דלקי מאובנים מכילים חנקן. החנקן נמצא באוויר בכמות גדולה (כ-78% מנפח האוויר), אבל הוא לא דרוש לבעירה. לכן, שימוש בחמצן בלבד בתהליך שריפת הדלק יכול להוריד את זיהום האוויר לרמה נמוכה. בשיטת אוקסידלק מפרידים את האוויר לחנקן וחמצן (החמצן מהווה כ-21% מנפח האוויר), ומשתמשים רק בחמצן בתהליך הבעירה. התוצרים שנפלטים לאוויר הם בעיקר אדי מים ופחמן דו-חמצני, וכאמור, שני אלו אינם מהווים זיהום אוויר. הבעיה העיקרית היא שתהליך ההפרדה בין חנקן לחמצן הוא בעצמו תהליך זולל אנרגיה, וזה מקטין את היעילות הכוללת של תחנה שעובדת בשיטת אוקסידלק. בעיה נוספת היא ייצורם של מזהמים שלא מכילים חנקן, כמו גופרית דו-חמצנית, שאותם צריך לסלק לאחר שריפת הדלק.

המבנה הכללי של תחנת הכוח הגרמנית Schwarze Pumpe, הראשונה בעולם שעובדת בשיטת אוקסידלק. האוויר מופרד לחמצן וחנקן, והפחם נשרף בעזרת חמצן נקי שמוזרם לתא הבעירה. השריפה נועדה לחימום מים והפיכתם לקיטור, וזאת לטובת התעשייה המקומית. גז הפליטה עובר סינון להרחקת מזהמים, והפחמן הדו-חמצני הנותר אמור להידחס עד שיהפוך לנוזל. הנוזל יוטמן מתחת לפני הקרקע. 

אם רוצים לעשות את זה כמו שצריך, רצוי שלא לפלוט את הפחמן הדו-חמצני לאוויר על מנת שלא להגביר את אפקט החממה. ניתן לאסוף את הגז הזה ולהעביר אותו לתעשייה שזקוקה לו או להזרים אותו לחוות לגידול אצות שמהם יפיקו אחר כך ביודלק. האצות, כמו צמחים ירוקים אחרים, משתמשות בפחמן דו-חמצני בתהליך הפוטוסינתזה (הטמעה). אפשרות אחרת היא לאסוף את הפחמן הדו-חמצני, לדחוס אותו עד שיהפוך לנוזל ולקבור אותו מתחת לפני האדמה. זאת הייתה התוכנית בעת הקמת תחנת הכוח הראשונה בעולם שפועלת בשיטת אוקסידלק - שוורצה פומפה (Schwarze Pumpe) שבגרמניה. מדובר בתחנה בעלת הספק של 30 מגה ואט ששורפת פחם ומייצרת קיטור לשימוש התעשייה המקומית. התחנה הוקמה בשנים האחרונות ועובדת בצורה טובה, חוץ מבעיה אחת - נכון להיום הם לא מטמינים מתחת לפני האדמה את הפחמן הדו-חמצני שנאסף. לכן, מרבית הפחמן הדו-חמצני בכל זאת נפלט לאטמוספרה, וייקח זמן עד שיימצא הפתרון הביורוקרטי שיאפשר הטמנת פחמן דו-חמצני נוזלי במקומות המתאימים. חבל.
תחנת הכוח Schwarze Pumpe. שריפת הפחם בעזרת חמצן וללא חנקן מתבצעת במבנה (1) והרחקת מזהמים כמו גופרית דו-חמצנית מתבצעת במבנה (2). במבנה (3) עוברים אדי המים עיבוי והפחמן הדו-חמצני אמור להידחס על מנת שיהפוך לנוזל שאותו ניתן יהיה להטמין מתחת לפני הקרקע.

מקורות לתמונות: חברת האנרגיה השבדית Vattenfall שמפעילה את תחנת הכוח Schwarze Pumpe.

9 תגובות:

Ehoud אמר/ה...

אריה

אתה לא מזכיר לגמרי את האנרגיה הגרעינית. כ15% מתצרוכת החשמל העולמית מופקת מכורי כוח גרעיניים. בצרפת 80% מתצרוכת החשמל מסופקת באמצעות כורי כוח גרעיניים. כ20% מצריכת החשמל של ארה"ב (צרכנית האנרגיה מספר אחת בעולם) מופק על ידי כורים גרעיניים. כור גרעיני מפיק אנרגיה ללא בעירה והוא פולט פחות חומרים רדיואקיטביים מאשר תחנת כוח פחמית שפולטת חומרים רדיו-אקטיביים שהיו בתוך הפחם.ישנן אמנם מספר חסרונות: כריית האורניום מייצרת זיהום וכן שינוע של האורניום ושל הפסולת הגעינית שהיא בעלת זמן מחצית חיים ארוך, אבל לטעמי היתרונות גוברים בהרבה על החסרונות.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

נכון, לא התייחסתי לאנרגיה הגרעינית בפוסט הזה, אבל אני מתכוון להרחיב על כך בעתיד.

רק בכמה מילים: אני מסכים עם הניתוח שלך, וחושב שהחלק היחסי של האנרגיה הגרעינית בשוק האנרגיה העולמי יגדל כבר בעתיד הקרוב. ההשקעה הגדולה באנרגיה גרעינית בסין יכולה לרמז על הכיוון הזה.

לאנרגיה גרעינית יש צפיפות אנרגיה גבוהה מאוד וזה יתרון כלכלי מרכזי. החסרונות העיקריים, מלבד בעיית הזיהום שציינת, הם היות הדלק הגרעיני משאב מתכלה והפחד מאסונות דוגמת צ'רנוביל.

עמי בכר אמר/ה...

פוסט מעניין מאוד. רק לא לחלוטין הבנתי את הייתרון בהפרדת החמצן מהחנקן. אני מבין ששריפה עם חמצן נקי תהיה אולי יעילה יותר פר יחידת נפח, אבל מעבר לזה אני לא מצליח לרדת לסוף דעת ממציאי הרעיון. החנקן האטמוספרי N-N (קשר משולש) הוא אינרטי ולא משתתף, למיטב הבנתי, בתהליך השריפה עצמו.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

אתה צודק עמי בכך שהחנקן אינרטי בתנאים רגילים, אבל בטמפרטורות גבוהות, כמו אלו שמגיעים אליהן בשריפת הפחם, החנקן מגיב עם החמצן ויוצר תחמוצות חנקן שמהוות זיהום אוויר.

כפי שציינת, היעילות של התהליך גבוהה בגלל שמגיעים לטמפ' גבוהות (לא מתבזבז חום על חימום החנקן באוויר המוזרם לתא הבעירה), אבל אני לא בטוח שבסיכום הכולל השיטה הזו יעילה יותר, בגלל שתהליך ההפרדה של האוויר בזבזני למדי.

היתרונות שעמדו לנגד עיני המפתחים היו הקטנת זיהום האוויר ויכולת גבוהה ללכוד את מרבית הפחמן הדו-חמצני. כאמור, הנקודה השנייה לא מתבצעת בשלב זה.

ניר אמר/ה...

שלום אריה, האם אתה יכול לכתוב ולהסביר בהרחבה את המושג "אנטי חומר" באחד הפירסומים שלך בבלוג, תודה רבה,ניר

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

בסדר גמור.

אנונימי אמר/ה...

מעניין, למדתי משהו חדש...

hmorad אמר/ה...

האם החנקן הנוזלי יכול לשמש בשריפות גדולות כחומר כיביו

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

לדעתי כן, כי מולקולות חנקן כמעט שלא מגיבות עם חומרים אחרים, אבל אני לא בטוח שחנקן נוזלי יעיל יותר ממים בכיבוי שריפות, ומים הרי הרבה יותר זולים...