Ikinonekta ng China sa grid ang unang komersyal na supercritical CO2 power generator

Isang mahalagang hakbang para sa bagong uri ng power cycle

Ikinonekta ng China sa electric grid ang kauna-unahang komersyal na power generator sa mundo na gumagamit ng supercritical carbon dioxide, na nagmamarka ng bagong yugto para sa high-efficiency na thermal power. Nasa loob ang instalasyon ng planta ng Shougang Shuicheng Steel sa Liupanshui, Guizhou, at ginagawa nitong kuryente ang mataas na temperaturang waste heat mula sa produksyon ng bakal. Itinayo ang proyekto ng Nuclear Power Institute of China sa ilalim ng China National Nuclear Corporation, sa tulong sa engineering ng Jigang International Engineering and Technology. Binubuo ito ng dalawang unit na may kapasidad na tig-15 megawatts. Carbon dioxide, hindi singaw, ang ginagamit na working fluid, at ayon sa manufacturer, nakakakuha at nagagamit ng mga unit ang waste heat nang hindi bababa sa 50 porsiyentong mas mahusay kaysa sa karaniwang mga sistemang nakabatay sa singaw na ginagamit sa mga gilingan ng bakal.

Mahalaga ito dahil maaaring magbigay-daan ang supercritical carbon dioxide, na madalas paikliing sCO2, sa mas maliliit na turbine, mas mabilis na pagsisimula, at mas mataas na thermal efficiency sa matataas na temperatura. Ang mga katangiang ito ay angkop sa mabibigat na industriya, kung saan maaaring gawing matatag na pinagkukunan ng kuryente ang init na kasalukuyang nasasayang sa mga tsimenea at cooling system. Angkop din ang mga ito sa mga susunod na henerasyong nuclear reactor at concentrated solar power plant, kung saan nakababawas sa gastos at nagpapaliit sa mga pangunahing bahagi ang bawat dagdag na porsiyento ng efficiency.

Sinusubok din ng proyekto sa Guizhou kung paano gumagana ang teknolohiyang ito sa labas ng laboratoryo. Isa ang paggawa ng bakal sa mga industriyang pinakamasidhi sa paggamit ng enerhiya, at naglalabas ang mga sintering line at furnace ng maraming init sa temperaturang lampas na lampas sa 700 Celsius (1292 Fahrenheit). Pinahuhusay ng pagsalo sa init na ito ang balanse ng enerhiya ng planta at maaari nitong bawasan ang kinukuhang kuryente mula sa lokal na grid. Maaari rin nitong bawasan ang paggamit ng tubig kumpara sa mga steam cycle, isang pakinabang sa mga rehiyong kapos ang suplay ng tubig.

Ano ang supercritical CO2 power at bakit ito mahalaga

Ang supercritical carbon dioxide ay carbon dioxide na pinananatili sa temperaturang at presyur na lampas sa kritikal na punto nito, na humigit-kumulang 31 Celsius at 74 bar. Sa ganitong kalagayan, isa itong siksik na fluid na may mga katangian ng gas at likido. Dahil sa densidad nito, nakagagawa ang mga inhinyero ng mga compact na turbine at heat exchanger. Sa isang sCO2 power block, umiikot ang fluid sa isang saradong loop: sumisipsip ito ng init mula sa isang pinagmumulan, lumalawak sa turbine upang paikutin ang generator, at pagkatapos ay naglalabas ng init sa isang cooler bago i-compress at ibalik sa pinagmumulan ng init. Brayton cycle ang tawag sa loop na ito. Kahawig ito ng mga gas turbine cycle na ginagamit sa mga jet engine, pero CO2 ang working fluid at may mga recuperator itong nagre-recycle ng init sa loob ng loop.

Paano gumagana ang cycle

Sa planta ng bakal, dumaraan ang maiinit na gas mula sa sintering at mga kaugnay na proseso sa isang heat exchanger na naglilipat ng enerhiya papunta sa sCO2 loop. Lumalawak ang pinainit na carbon dioxide habang dumaraan sa turbine, na nagpapaikot sa generator upang makalikha ng kuryente. Pagkatapos lumawak, malaki pa rin ang init na taglay ng CO2, kaya dumaraan ito sa recuperator upang painitin nang maaga ang papasok na daloy at mapahusay ang efficiency. Inilalabas naman ng fluid ang natitirang init sa isang cooler, kino-compress, at ibinabalik sa heat exchanger upang ulitin ang proseso. Dahil madaling i-compress ang CO2 kapag malapit ito sa kritikal na punto nito kumpara sa karaniwang gas, mas kaunting enerhiya ang ginagamit ng cycle sa compression, na nakatutulong upang mapataas ang net efficiency.

Mga pakinabang sa efficiency at laki

Subok na at maaasahan ang mga tradisyonal na steam Rankine cycle, ngunit hindi na gaanong tumataas ang efficiency ng mga ito kung walang napakataas na temperatura at presyur, at malalaki ang mga bahagi ng sistema. Ipinakikita ng mga ulat tungkol sa proyektong Tsino at mga internasyonal na pilot na maaaring lumampas sa 50 porsiyento ang thermal efficiency ng mga sCO2 cycle na gumagana sa matataas na temperatura, samantalang nasa halos 40 porsiyento ang mga modernong steam cycle sa katulad na mga kondisyon. Sa mga aplikasyong gumagamit ng waste heat, nakadepende ang eksaktong efficiency sa temperatura ng pinagmumulan at disenyo ng kagamitan, ngunit malaking pag-angat ang iniaalok ng sCO2 sa dami ng init na nagagawang kuryente. Compact din ang kagamitan dahil mas siksik ang CO2 kaysa singaw, kaya maaaring mas maliliit nang malaki ang mga turbine at tubo sa parehong antas ng power output.

Bakit mainam na pinagmumulan ng init ang gilingan ng bakal

Napakalaki ng enerhiyang ginagamit ng mga planta ng bakal sa sintering, coking, at hot rolling. Pinagsasama-sama ng sintering ang maliliit na piraso ng ore sa temperaturang madalas lumampas sa 700 Celsius. Pagkatapos, inilalabas ng mga furnace at daluyan ng off-gas ang init mula sa proseso. Maaaring saluhin ng supercritical CO2 loop ang daloy na ito sa pamamagitan ng matibay na heat exchanger at bawiin ang malaking bahagi ng enerhiyang kung hindi ay masasayang.

May iba pang pakinabang sa industriyal na kapaligiran. Napakakaunting tubig ang ginagamit ng sCO2 power block kumpara sa mga steam system, dahil hindi nito kailangan ng maraming boiler feedwater o wet cooling tower. Relatibong hindi reaktibo ang CO2 bilang working fluid at hindi gaanong nakapagdudulot ng corrosion sa maraming haluang metal kumpara sa singaw na may mataas na temperatura, kaya maaaring mapagaan nito ang ilang hamon sa mga materyales. Dahil sarado ang loop, hindi inilalabas sa hangin ang CO2 sa normal na operasyon. Maaaring magkaroon ng maliliit na pagkawala ng CO2 sa imbentaryo at kailangang pangasiwaan ang mga ito, ngunit hindi umaasa ang sistema sa tuluy-tuloy na suplay ng sariwang CO2.

Para sa operator ng planta, nangangahulugan ang mga katangiang ito ng mas maliit na espasyong kailangan ng power block, mas kaunting auxiliary equipment, at mas madaling ibagay na operasyon. Maaari ring mas mabilis ang pagsisimula at paghinto nito kaysa sa steam system, na kapaki-pakinabang sa mga prosesong nagbabago ang temperatura sa buong araw.

Magagamit ba ito sa nuclear at solar power

Maraming advanced reactor design ang gumagawa ng temperaturang angkop sa sCO2 turbine sa labasan ng reactor. Mas mataas na temperatura sa core ang layon ng mga high-temperature gas reactor, molten salt reactor, at sodium fast reactor kaysa sa pressurized water reactor, at mahusay na nakukuha ng sCO2 ang init na ito. Angkop din ang compact na turbine sa maliliit na modular reactor kung saan mahalaga ang pagtitipid sa espasyo at pagiging simple.

Ganoon din sa concentrated solar power, na nag-iimbak ng init sa mga tunaw na asin at pagkatapos ay ipinadaraan ito sa power block. Layunin ng isang demonstration plan sa China na i-retrofit ang isang display-scale solar tower plant sa Dunhuang, palitan ang singaw ng sCO2 power block, at suriin ang kahandaan ng mga supplier at ang asal nito sa operasyon. Itinatampok ng hakbang na ito ang dalawang mahalagang bahagi: maaasahang heat exchanger na naglilipat ng init mula sa tunaw na asin papunta sa CO2, at compressor train na kayang humawak sa CO2 na malapit sa kritikal na punto nito. Mahihirap gawin ang dalawa, ngunit dahil sa pag-unlad sa mga materyales, seal, at control system, nagiging mas abot-kaya ang mga ito.

Kung mapatutunayang matibay ang mga heat exchanger at turbomachinery sa mga aktuwal na planta, mas magiging malinaw ang landas tungo sa mas malalaking sCO2 power block. Kaakit-akit ang mga pakinabang: dahil sa mas mataas na cycle efficiency, maaaring mas maliit ang solar field o reactor core para sa parehong output sa grid, at napapagaan ng mas mababang paggamit ng tubig ang mga limitasyon sa pagpili ng lokasyon.

Paano ito itinayo ng China at sino ang nasa likod ng proyekto

Bunga ang instalasyon sa Guizhou ng matagal nang programa sa Nuclear Power Institute of China, na bahagi ng CNNC. Mahigit isang dekada nang nagtatrabaho ang institusyon sa mga sCO2 loop, turbine, bearing, seal, at control system. Naglathala ito ng mga pagsusuri sa mga bahagi at nagtayo ng mga pilot rig. Nakipagtulungan ang Jigang International Engineering and Technology sa larangan ng engineering para maisama ang teknolohiya sa mabibigat na industriya. Nagbigay naman ang host na Shougang Shuicheng Steel ng lugar at access sa mga daloy ng mataas ang kalidad na waste heat.

May kapasidad na tig-15 megawatts ang bawat unit. Nagbibigay ng redundancy ang paggamit ng dalawang unit at pagkakataon sa mga operator na subukan ang mga estratehiya sa pagkontrol sa ilalim ng aktuwal na kondisyon ng produksyon. Inilalarawan ng CNNC ang proyekto bilang pundasyon para sa mga susunod na unit sa mabibigat na industriya at paglikha ng kuryente, layuning gawing pamantayan ang mga module upang maikabit ang mga ito sa iba’t ibang lugar. Mahalaga ang pagkopya ng disenyo sa iba’t ibang lokasyon dahil lumalaki ang pakinabang sa ekonomiya ng power mula sa waste heat kapag maramihan ang paggawa ng kagamitan at kaunting pagbabago lamang ang kailangan sa pagkakabit nito.

Ano ang sinasabi ng mga eksperto

Sa labas ng China, tuluy-tuloy na pinatutunayan ng mga research group at pangkat sa industriya ang pagiging maaasahan ng mga sCO2 component at subsystem. Sa Texas, natapos noong 2024 ang unang yugto ng Supercritical Transformational Electric Power pilot plant, isang pasilidad na may 10 megawatts na kapasidad sa kuryente na suportado ng U.S. Department of Energy at pinangungunahan ng isang consortium. Ipinakita nito ang operasyon sa buong bilis gamit ang pinagsamang turbomachinery at control system. Binigyang-diin ng mga researcher sa Southwest Research Institute, na sumusuporta sa programang iyon, ang kahalagahan ng pinagsamang pagsusuri kung saan sabay-sabay na gumagana bilang iisang planta ang mga compressor, turbine, heater, cooler, at control software.

Ayon kay Mark Hibbs, isang senior fellow sa Carnegie Endowment for International Peace na nag-aaral sa sektor ng nukleyar ng China, mabilis na sumusulong ang China upang ipakita ang pamumuno nito sa teknolohiya.

Napakabilis ng pagkilos ng mga Tsino. Gustong-gusto nilang ipakita sa mundo na hindi mapipigilan ang kanilang programa.

Inilarawan naman ni Tim Allison, direktor ng Department of Machinery sa Southwest Research Institute at nagtatrabaho sa pilot sa Texas, ang mahalagang tagumpay ng pagpapatakbo nang mabilis ng isang pinagsamang sCO2 power block.

Kapansin-pansing tagumpay ang pagpapatakbo sa pinagsamang sistema. Kasunod ito ng matagumpay na mga aktibidad ng pangkat sa pagkomisyon sa bawat bahagi at ipinakikita ang pinagsamang operasyon ng lahat ng kagamitan, kabilang ang mga control system ng planta, compressor, heat exchanger, heater, turbine, at imbentaryo ng CO2, gayundin ang mga sistema ng suplay ng kuryente at gas at pampalamig na tubig ng pasilidad.

Mga hamon sa engineering na kailangan pang lutasin

Pangunahing hamon ang paggawa ng mga compact at episyenteng turbine na kayang tumagal sa matataas na temperatura at bilis. Inilalarawan sa mga pag-aaral sa akademya at industriya ang mga rotor ng turbine na umiikot nang halos 30,000 hanggang 40,000 revolutions per minute, habang nalalantad ang mga blade at casing sa temperaturang lampas 600 Celsius. Karaniwang ginagamit ang mga haluang metal na nakabatay sa nickel at mga advanced na bakal sa mga panloob na silindro at rotor, habang ferritic steel naman ang gamit sa mga panlabas na casing upang mapangasiwaan ang stress at gastos. Kailangang balansehin ng tamang kombinasyon ang tibay, resistensiya sa corrosion, at paglawak dahil sa init upang manatiling masikip ang mga pagitan nang hindi nagkikiskisan ang mga bahagi.

Kasinghalaga rin ang mga seal at bearing. Nililimitahan ng dry gas seal ang pagtagas ng CO2 sa shaft, at sinusubok sa ilang disenyo ang gas bearing sa halip na oil bearing upang mapasimple ang mga sistema ng lubrication at maiwasan ang mga problemang dulot ng init. Natuklasan sa pananaliksik sa isang 25-megawatt-class na turbine na kapag inilagay ang balance piston sa loob ng seksiyon ng cooling gas, umiikli ang rotor, nababawasan ang mga daanan ng tagas, at bumababa ang mekanikal na pagkalugi. Pinahuhusay ng mas compact na rotor ang katatagan at pinapasimple ang housing. Sa isa pang disenyo, pinalitan ng gas bearing ang oil bearing, na lalo pang nagpaiikli sa shaft at nag-alis sa pangangailangan ng hiwalay na sistema para sa pagpapalamig at lubrication. Nakatutulong ang mga pagbabagong ito upang mapataas ang efficiency at pagiging maaasahan.

Isa pang aktibong larangan ng pananaliksik ang pagkontrol sa cycle habang nagbabago ang mga kondisyon. Ipinakita ng maliliit na demonstrasyon na maaaring magdulot ng pansamantalang pagtaas sa presyur at daloy ang mga pagbabago sa bilis ng pump, init na ipinapasok, at load bago maging matatag ang sistema. Tinutukoy ng mga inhinyero ang mga kombinasyon ng mass flow, pressure ratio, at bilis ng pag-ikot upang mahanap ang mga matatag na sona kung saan nakakamit ang pinakamataas na power at efficiency. Umabot sa sampu-sampung kilowatts ang electric output ng isang maliit na sCO2 turbo generator test, na may kabuuang efficiency na halos 59 porsiyento sa ilalim ng pinakamainam na kondisyon. Ipinakikita nito kapwa ang potensiyal ng teknolohiya at ang pangangailangan sa masusing pagkontrol.

Kailangang makayanan ng mga heat exchanger na naglilipat ng enerhiya mula sa maruruming gas sa industriya papunta sa malinis na CO2 loop ang pagdami ng dumi at thermal stress. Kailangan naman ng mga recuperator sa loob ng CO2 loop ang compact na disenyong malaki ang surface area upang makapag-recycle ng init nang hindi nagdudulot ng malaking pagbaba ng presyur. Kailangang episyenteng gumana ang mga compressor malapit sa kritikal na punto ng CO2, kung saan maaaring magbago nang malaki ang densidad dahil sa maliliit na pagbabago sa temperatura at bumaba ang performance kapag hindi mabilis tumugon ang mga control system.

Epekto sa kapaligiran at mga usaping pampatakaran

Nangako ang China na aabot sa pinakamataas na antas ang carbon emissions nito bago ang 2030 at makakamit ang carbon neutrality bago ang 2060. Sentral sa planong ito ang paglilinis sa pinagkukunan ng kuryenteng nagpapatakbo sa mabibigat na industriya. Nakakatulong sa dalawang paraan ang pagbawi ng waste heat gamit ang sCO2: binabawasan nito ang netong kinukuhang kuryente ng planta mula sa mga grid na pinatatakbo ng fossil fuel, at pinapababa nito ang paggamit ng tubig sa mga lugar kung saan mangangailangan ng maraming tubig pampalamig ang karaniwang steam cycle. Para sa mga proyektong nukleyar at solar thermal, direktang nagpapababa sa gastos ng malinis na kuryente ang mas mataas na efficiency.

Itinuturo rin ng ilang analyst ang posibleng ugnayan nito sa carbon capture. Sa prinsipyo, maaaring gamitin ang nakuhang CO2 bilang working fluid sa saradong loop, na magbibigay ng kapaki-pakinabang na gamit sa bahagi ng gas. Gayunman, kailangan ng power cycle ng malinis at tuyong CO2 upang maprotektahan ang turbomachinery at mabawasan ang corrosion, at sarado ang loop kaya hindi ito tuluy-tuloy na kumokonsumo ng bagong CO2. Kung isasama ito sa carbon capture, pagtutuunan ng integrasyon ang magkakaparehong proseso ng paghawak, pag-iimbak, at paglilinis sa halip na gawing feedstock ang CO2 na sinusunog o ginagawang ibang produkto.

Ipinakikita rin ng bagong generator ang kahalagahan ng mga limitasyon sa likas na yaman. Malaki ang matitipid na tubig sa mga tuyong rehiyong kapos sa tubig pampalamig. Maaaring ikabit ang compact na power block sa mga barko o malalayong industriyal na lugar, na magpapalakas sa seguridad sa enerhiya sa pamamagitan ng paggawa ng kuryente sa mismong lugar gamit ang init doon.

Ang pandaigdigang karera at mga susunod na hakbang

Isinusulong ng mga pangkat sa United States, Europe, at Asia ang pagiging maaasahan ng mga sCO2 component at integrasyon ng planta. Lumipat ang proyektong Texas STEP mula sa pagkomisyon sa mga bahagi tungo sa pinagsamang operasyon at nakalikha ito ng kuryente sa unang yugto, kaya tumibay ang kumpiyansang mapalalaki at mauulit ang paggamit sa teknolohiyang ito. Ang unit sa Guizhou na nakakonekta sa grid ang unang komersyal na instalasyon sa isang prosesong industriyal sa China. Magbibigay ito ng datos tungkol sa tuluy-tuloy na operasyon, mga siklo ng pagpapanatili, at ekonomiya ng paglikha ng kuryente mula sa waste heat sa paggawa ng bakal.

Malamang na magtatayo ng mas maraming unit sa mga planta ng bakal at semento kung mapatutunayan sa buwanan at taunang operasyon ang mga pahayag tungkol sa performance. Sinusuri ng mga concentrated solar project ang mga sCO2 power block upang paliitin ang mga gusali ng turbine at pataasin ang output. Itinuturing ng mga disenyo ng advanced reactor ang sCO2 bilang pangunahing sistema ng conversion ng enerhiya, kapalit ng malalaking steam plant ng mga compact na turbine at recuperator. Nakikinabang din ang mga mobile nuclear power source para sa malalayong lugar sa compact na kagamitan, at nakatutulong ang densidad ng CO2 upang manatiling maliit ang turbine para sa isang partikular na antas ng power.

Mahalaga ang supply chain ng kagamitan. Kailangang makuha sa maraming vendor ang mga high-performance na heat exchanger, dry gas seal, at high-speed generator. Kailangang paunlarin ang mga code at pamantayan para sa mga pressure vessel, tubo, at seal na ginagamit sa mga sistemang CO2. Bahagi ng komersyal na pagpapalawak nito ang pagsasanay sa mga operator upang ligtas nilang mapatakbo at matukoy ang mga problema sa cycle. Makapagpapababa ng gastos at makakakumbinsi sa mga may-ari ng planta na gamitin nang maramihan ang teknolohiya ang tuluy-tuloy na serye ng mga demonstrasyon at pagkopya ng disenyo.

Buod

• Ikinonekta ng China sa grid ang dalawang supercritical CO2 unit na may kapasidad na tig-15 megawatts sa isang planta ng bakal sa Liupanshui, Guizhou.
• Ginagamit ng sistema ang waste heat mula sa sintering ng bakal upang makalikha ng kuryente. Inilalarawan itong hindi bababa sa 50 porsiyentong mas mahusay sa pag-convert ng waste heat kaysa sa mga sistemang nakabatay sa singaw.
• Gumagana ang mga sCO2 cycle sa saradong loop na may CO2 na lampas sa kritikal na punto nito, kaya nagagamit ang mga compact na turbine at nakakamit ang mas mataas na efficiency sa matataas na temperatura.
• Kaunti ang tubig na ginagamit ng power block at kasya ito sa masisikip na espasyo, kaya angkop ito sa mabibigat na industriya, barko, at malalayong sistema ng enerhiya.
• Pangunahing kandidato para sa mga sCO2 power block ang mga advanced reactor at concentrated solar plant dahil nakapagbibigay ang mga ito ng matataas na temperaturang kailangan ng cycle.
• Kabilang sa mahahalagang gawaing pang-engineering ang paggawa ng matibay na heat exchanger, episyenteng compressor na gumagana malapit sa kritikal na punto, at high-speed turbine na may matitibay na seal at bearing.
• Nagpatakbo ang isang pilot plant sa Texas, United States, ng pinagsamang 10-megawatt na sCO2 plant na lumilikha ng kuryente sa unang yugto nito, na nagpapakita ng pag-unlad sa labas ng China.
• Nagbibigay ang proyekto ng China ng kauna-unahang datos sa komersyal na antas tungkol sa paggawa ng kuryente mula sa industriyal na waste heat gamit ang sCO2.
• Sumusuporta sa mga layunin ng China na paabutin sa pinakamataas na antas ang carbon emissions at makamit ang carbon neutrality ang pagtitipid sa tubig at pagtaas ng efficiency, habang pinahuhusay ang paggamit ng enerhiya sa mabibigat na industriya.
• Nakadepende ang malawakang paggamit sa kahandaan ng mga supplier, pagiging maaasahan sa operasyon, at ekonomiya ng pagkopya ng teknolohiya sa iba’t ibang planta.