В США представили первую «суперкритическую» турбину — в десять раз меньше обычной
Новая турбина работает на углекислом газе вместо традиционного пара. За счет этого она получает больше энергии из того же объема топлива, а по размерам равна обычному офисному столу.
Сегодня практически все угольные (36 процентов мировой электрогенерации) и атомные (10 процентов мировой генерации) электростанции используют паровые турбины. Из них же получают примерно 30 процентов электроэнергии на газовых ТЭС комбинированного цикла (20 процентов мировой генерации). В итоге около половины всего электричества на планете производят именно паровые установки, то есть устройства, где топливо сперва нагревает водяной пар под давлением, а затем он крутит турбину, попутно расширяясь и охлаждаясь. Вращение ротора турбины генерирует ток.
Сама эта технология появилась еще в XIX веке. Большой рост давления и температур позволил существенно поднять их КПД, но фундаментальные ограничения «века пара» никуда не делись.
Главный недостаток таких установок — они очень громоздкие: ротор имеет массу от трех до 150 тонн, а размах лопастей может достигать нескольких метров. Общая длина крупной паровой турбины доходит до десятков метров: иначе водяной пар не успеет отдать всю свою энергию.
Необходимость в настолько крупных установках резко увеличивает размер электростанций и их стоимость. Но даже при таких габаритах КПД паровых турбин трудно поднять выше 45 процентов. Причина в том, что нагревать пар до необходимых 550-560 градусов (и выше) технически очень непросто.
Инженеры давно ищут способы, с помощью которых можно было бы уменьшить размеры таких турбин и при этом сохранить или даже повысить исходные мощности. В качестве альтернативы рассматривают турбины на углекислом газе (CO2).
При температуре 31 градус и давлении 74 бара углекислый газ переходит в сверхкритическое состояние. В этом состоянии вещество расширяется, занимая весь предоставленный объем, подобно газу, но имеет высокую плотность, как у жидкости. Затем с помощью относительно небольших изменений температуры можно вызвать значительные изменения плотности вещества.
Принцип работы такой турбины достаточно прост: солнечная энергия нагревает соль, которая после используется для нагрева углекислого газа, изначально хранящегося в виде сухого льда. Этот перегретый СО2 превращается в сверхкритическую жидкость — она подается в турбину, и на выходе производится электроэнергия.
КПД турбины, работающей на сверхкритическом углекислом газе, — около 50 процентов, то есть из того же количества тепловой энергии она может получить на 10 процентов больше электричества, чем обычная паровая. Также они достаточно компактные. Турбина CO2 длиной в метр может выполнять тот же объем работы, что и паровая турбина длиной 20 метров.
Кроме того, установки на CO2 запускаются, включаются и выключаются гораздо быстрее, чем паровые. Прототипы турбин на углекислом газе показали, что при рабочей температуре около 700 градусов им требуется примерно две минуты, чтобы начать генерировать энергию, тогда как у паровых турбин на это уходит минимум полчаса.
До недавнего времени таких установок представлено не было. В 2016 году компания General Electric сообщила, что собирается построить первую турбину, но окончательный рабочий вариант не показала. Зато это сделали специалисты из Юго-Западного исследовательского института (США), компании GTI Energy и GE Vernova, а также Министерства энергетики США. В конце октября в городе Сан-Антонио (штат Техас) они представили совместный проект: открыли первую в мире турбину, работающую на углекислом газе, которая получила название Supercritical Transformational Electric Power (STEP).
Пока это пилотная версия, но разработчики заявили, что она «технически завершена». STEP имеет размер офисного стола и в 10 раз меньше обычной паровой турбины такой же мощности.