Сверхкритический подход

Несмотря на ширящееся применение ВИЭ, тепловые станции по-прежнему обеспечивают около двух третей общемировой выработки электроэнергии. При этом 46% приходятся на угольные ТЭС с паровым циклом и 18% - на газотурбинные и парогазовые установки.

Прежде чем довести пар до температуры, необходимой для достижения высокой эффективности, его нужно получить путём испарения воды. Затем пар нагревается, пропускается через цилиндры паровой турбины, а на выходе конденсируется, опять превращаясь в воду. В этом процессе, называемом циклом Ренкина, происходит испарение воды - фазовый переход, который требует больших затрат тепла при неизменной температуре и, следовательно, снижает эффективность преобразования тепла в электроэнергию.

Сомненья прочь

Учёные и инженеры в принципе придумали, как избавиться от нежелательного фазового перехода. Для этого температура и давление в цикле повышаются так, чтобы вода перешла в состояние сверхкритического флюида, т. е. такое состояние, когда пар (газ) и жидкость представляют собой однородную среду с новыми физическими свойствами (критическая точка для воды - 374 °C, 218 атм). Однако в таком случае для сброса тепла (а это обязательная часть цикла) приходится поддерживать рабочее тело в условиях, очень близких к критической точке. В этом состоянии теплоёмкость флюида весьма высока и получается так, что до 36% подводимого тепла расходуется на низкотемпературный процесс, напоминающий испарение. Поэтому с водой «сверхкритика» не проходит. Но если вместо водяного пара использовать сверхкритическую углекислоту (скCO₂, критическая точка - 31 °C, 73 атм) и цикл Брайтона, который применяется в газовых турбинах, можно полностью избежать фазы испарения, существенно подняв общую эффективность тепловой машины.

ТЭС, работающие на ископаемом топливе, выбрасывают в атмосферу опасные вещества. Газовые станции, помимо электроэнергии, вырабатывают немалые объёмы окислов азота (NO_x). На угольных станциях к ним добавляются диоксид серы, ртуть и мелкодисперсные аэрозоли. Всё это негативно влияет на здоровье людей и окружающую среду. Чтобы справиться с вредными выбросами, проектировщики ТЭС оснащают их специальными системами для снижения объёмов токсичных выбросов или очистки отходящих газов. Из-за этих сложных и потребляющих много энергии устройств и сооружений снижаются экономические показатели станций и их общая надёжность.

Нежданный помощник

Профессор Родни Аллам, лауреат Нобелевской премии мира и энергетической премии «Глобальная энергия», долгие годы занимавшийся проблемами снижения выбросов CO₂, NO_x и SO_x на угольных ТЭС, разработал технологию для улавливания отходящего углекислого газа, которая позволяет не выбрасывать его в атмосферу, а сжижать и закачивать под землю на глубину порядка 1 км через скважины, оставшиеся после выработки нефтяных месторождений. Но выяснилось, что эта технология увеличивает себестоимость электроэнергии более чем на 60%, отчего эксплуатация ТЭС становятся экономически невыгодной.

Схема станции с циклом Аллама, работающей на природном газе

Изобретателю стало ясно, что необходимо придумать способ не просто утилизировать образующуюся при сжигании топлива углекислоту, но и каким-то образом включить её в термодинамический цикл. Найденное решение получило название цикла Аллама. В нём рабочим телом служит выделяющаяся при сгорании топлива практически чистая углекислота в сверхкритическом состоянии, поступающая в турбину при температуре до 1200 °C и давлении более 300 атм. После прохождения через турбину и теплообменник она снова возвращается в камеру сгорания. Используя вместо пара скCO₂, Родни Аллам смог избежать неэффективных фазовых переходов. Тепло остаётся внутри системы, что позволяет уменьшить количество топлива, необходимое для поддержания высокой рабочей температуры.

Ещё одно важное отличие цикла Аллама от традиционных схем - кислородное сжигание горючего. Для этого на входе системы устанавливается воздухоразделительная установка, выделяющая из воздуха чистый кислород, в котором и происходит сжигание ископаемого топлива - газифицированного угля или природного газа. Поскольку в реакции горения не участвует «доминирующий» в атмосфере азот, исключаются и выбросы его вредных окислов.

Давайте проверим

В марте 2016 г. компания NET Power - совместное предприятие Exelon Generation, CB&I и 8 Rivers Capital - объявила о закладке фундамента демонстрационной ТЭС мощностью 50 МВт в Ла Порте, шт. Техас. Эта уникальная электростанция должна будет продемонстрировать эффективность цикла Аллама. Программа стоимостью 140 млн долл., которая включает не только разработку пилотного проекта и строительство демонстрационной станции, но и постоянное совершенствование технологии, полную программу тестирования и эксплуатации, а также разработку коммерческой ТЭС, финансируется компаниями Exelon и CB&I.

По заказу NET Power компания Toshiba изготовила работающую на диоксиде углерода в сверхкритическом состоянии турбину и камеру сгорания. CB&I выполняет инженерные работы, занимается строительством станции и её материальным снабжением. Exelon оказывает услуги по эксплуатации, техническому обслуживанию и развитию. Компания 8 Rivers, которую консультирует Родни Аллам, владеет технологией и продолжает её совершенствовать.

Как утверждают представители компании NET Power, электростанция на цикле Аллама будет производить только электричество, воду и жидкий диоксид углерода, готовый к транспортировке по трубопроводу, работая при этом не менее эффективно, чем лучшие из сегодняшних газовых электростанций. Её расчётный чистый КПД - 58,9% на газе и 51,4% на угле (с использованием встроенного газификатора). Кроме того, за счёт небольшого снижения КПД такая станция может работать без подвода воды для охлаждения, фактически становясь производителем чистой воды.

Берегите тепло

Помимо турбины, соединяющей элементы газовой и паровой технологий, и новой камеры сгорания, которая была успешно испытана на тестовой установке в Калифорнии, ключом к реализации цикла Аллама становится система рекуперации тепла, устанавливаемая на выходе турбины. Эта система должна обеспечить высокую эффективность в трудных условиях работы, включая высокие температуру и давление. Выходящая из турбины двуокись углерода имеет температуру около 750 °C. В теплообменнике она охлаждается примерно до 50 °C (чтобы можно было отделить воду), передавая тепло потоку входящей в камеру сгорания двуокиси углерода (под давлением 300 атм), которая нагревается примерно до 720 °C.

Ключевая особенность цикла Аллама в том, что тепло углекислоте передаётся сразу из двух источников - высокопотенциального, обеспечиваемого сгоранием топлива, и низкопотенциального, с температурой менее 400 °C. Низкотемпературное тепло, крайне важное для обеспечения высокой эффективности, может быть получено, например, от воздухоразделительной установки, газификатора угля, солнечной энергии, другой тепловой электростанции или завода по сжижению природного газа.

К недостаткам же относится то, что сверхкритическая углекислота представляет собой хотя и нейтральный, но очень сильный растворитель. Учитывая температуры и давления, при которых она работает в цикле Аллама, понимаешь, что к конструкционным материалам предъявляются весьма жёсткие требования (так, один из самых стойких сплавов титана, никеля, хрома и алюминия, контактирующий с скCO₂ при температуре 750 °C, утоньшается на 1-2 мкм в год). Это означает, что создатели ТЭС могут столкнуться с неприятными сюрпризами.

* * *

Несмотря на демонстрационный характер, пилотный проект NET Power предусматривает строительство полноценной электростанции, отдающей энергию в сеть. Запуск станции планировали уже в 2017 г., но на момент подготовки статьи к публикации свежей информации о ходе работ не было. На основе «пилота» NET Power предполагается спроектировать первую коммерческую алламовскую станцию мощностью 300 МВт.

Таким образом, разработанная компанией NET Power генерирующая система бросает вызов всем самым современным теплоэнергетическим технологиям, включая парогазовые и угольные со сверхкритическими параметрами пара и газификацией топлива. Создатели обещают дешёвую и экологически чистую энергию, а также возможности минимизировать потребление воды и избавиться от выбросов CO₂.