В США разработана компактная турбина нового поколения, превосходящая обычные в десять раз по размеру

Новости МирТесен

Вместо традиционного пара новая турбина использует углекислый газ. Это позволяет ей извлекать больше энергии из того же количества топлива, при этом она не превышает габариты обычного офисного стола.

В настоящее время почти все угольные электростанции (обеспечивающие 36 процентов мировой выработки энергии) и атомные станции (ответственные за 10 процентов генерации) применяют паровые турбины. Приблизительно треть электричества также производится из этих источников на газотурбинных установках комбинированного цикла (занимающих 20 процентов мирового рынка). Таким образом, около половины всего объема электроэнергии в мире создается паровыми турбинами – устройствами, где топливо сначала нагревает воду до состояния пара под давлением, который затем вращает лопасти турбины при расширении и охлаждении. Вращение ротора приводит к генерации электрического тока.

Эта технология была разработана еще в XIX веке. Значительное повышение давления и температуры позволило добиться существенного увеличения их эффективности, однако принципиальные ограничения, характерные для эпохи паровых машин, остались неизменными.

Основной минус данных установок заключается в их больших габаритах: масса ротора может колебаться от трех до 150 тонн, а размах лопастей достигает нескольких метров. Общая длина крупной паровой турбины нередко составляет десятки метров, поскольку для полной отдачи энергии водяной пар необходимо обеспечить достаточное пространство.

Использование столь мощного оборудования значительно увеличивает габариты и стоимость электростанций. Однако, несмотря на большие размеры, эффективность паровых турбин сложно повысить выше 45 процентов. Это связано с тем, что нагрев пара до требуемых 550-560 градусов и более представляет собой сложную техническую задачу.

Специалисты на протяжении долгого времени пытаются найти методы уменьшения габаритов турбин при сохранении или даже увеличении их первоначальной производительности. В качестве альтернативного подхода рассматривают турбины на углекислом газе (CO2).

Когда температура достигает отметки в тридцать один градус Цельсия при давлении семьдесят четыре бара, углекислотный газ приобретает свойства сверхкритической фазы. В таком состоянии он проявляет характеристики как газа – заполняя доступный объем пространства – так и жидкости благодаря своей высокой плотности. Небольшие колебания температуры способны вызывать заметные сдвиги в его плотности.

Основа функционирования данной установки заключается в том, что солнечный свет нагревает соль, которая затем служит для подогрева углекислого газа, первоначально находящегося в форме твердого диоксида. Этот сильно разогретый СО2 превращается в сверхкритическую жидкость — она подается в турбину, и на выходе производится электроэнергия.

Эффективность турбины, использующей сверхкритический углекислый газ, составляет приблизительно 50 процентов. Это означает, что она способна генерировать на 10 процентов больше электроэнергии по сравнению с обычной паровой турбиной при использовании того же объема тепловой энергии. Кроме того, такие турбины отличаются сравнительно небольшими размерами. Турбина CO2длиной один метр может выполнить такой же объем работ, как и паровая турбина размером двадцать метров.

Кроме того, установки на CO2Газовые турбины демонстрируют значительно более быстрый процесс запуска, включения и выключения по сравнению с паровыми аналогами. Экспериментальные образцы турбин на углекислоте продемонстрировали способность генерировать энергию примерно за две минуты при рабочей температуре порядка 700 градусов Цельсия, в то время как для достижения аналогичного результата паровым установкам требуется не менее тридцати минут.

До этого момента подобные системы отсутствовали. В 2016 году компания General Electric сообщила, заявила о планах по созданию первой турбины, однако готовый к эксплуатации образец пока не представлен общественности. Вместе с тем, сотрудники Юго-Западного исследовательского института (США) и 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).

Несмотря на то, что это пилотная версия, разработчики утверждают о ее полной технической готовности». STEP имеет размер офисного стола и в 10 раз меньше обычной паровой турбины такой же мощности.

Мощность STEPМощность установки достигла десяти мегаватт и позволит питать электричеством приблизительно десять тысяч домохозяйств. Следует отметить, что это лишь экспериментальный образец, а в перспективе предполагается создание значительно более масштабных систем на аналогичном принципе.

Принимая во внимание, что в настоящее время именно паровые турбины обеспечивают приблизительно половину всего мирового производства электроэнергии, их всеобщая замена на устройства сверхкритического типа может привести к уменьшению расхода ископаемого топлива и ядерного сырья при использовании паротурбинного цикла на десять процентов. Кроме того, это позволит сделать атомные электростанции, использующие исключительно паровые турбины, значительно компактнее и экономичнее.

Инженеры планируют ввести STEPЗапуск объекта запланирован к 2024 году. До этой даты будет проводиться тестирование на специализированном предприятии. При положительных результатах испытаний установка может быть интегрирована в деятельность различных предприятий сферы ЖКХ и постепенно заменить паровые турбины, используемые на электростанциях.

По мнению сотрудников Юго-Западного исследовательского института, их разработка в скором времени существенно изменит методы производства электроэнергии.