Новая турбина функционирует на углекислом газе вместо обычного пара. Это обеспечивает ей большую энергию при том же объёме топлива, её размеры соответствуют стандартному офисному столу.
Сегодня почти все угольные и атомные электростанции вырабатывают 36% и 10% мирового потребления электричества. паровые турбиныПримерно 30 процентов электроэнергии вырабатывают газовые ТЭС комбинированного цикла (20 процентов мировой генерации). Почти половина всего электричества на планете производится паровыми установками, где топливо нагревает водяной пар под давлением, а затем пар вращает турбину. Вращение ротора турбины генерирует ток.
Эта технология возникла ещё в девятнадцатом веке. Высокое давление и температура значительно повысили её эффективность, однако базовые ограничения «эпохи пара» так и не исчезли.
Главный недостаток таких установок — их громоздкость: ротор весит от трех до 150 тонн, а размах лопастей может составлять несколько метров. Длина крупной паровой турбины достигает десятков метров, иначе водяной пар не успеет передать всю свою энергию.
Крупные установки увеличивают размер и стоимость электростанций. КПД паровых турбин при таких габаритах не превышает 45 процентов. Это связано с тем, что нагрев пара до 550-560 градусов (и выше) технически сложно осуществить.
Инженеры долгое время стремятся сократить габариты турбин, не снижая при этом либо увеличивая производительность. В качестве замены турбины на углекислом газе (CO2).
При температуре 31 градуса и давлении 74 бара углекислый газ приобретает сверхкритическое состояние. В таком состоянии вещество расширяется, занимая весь предоставленный объем, подобно газу, но обладает высокой плотностью, как у жидкости. Затем с помощью небольших изменений температуры возможно вызвать значительные изменения плотности вещества.
Работа такого устройства базируется на простом принципе: солнечная энергия нагревает соль, которую потом применяют для прогрева углекислого газа, первоначально находящегося в виде сухого льда. СО2Превратившись в сверхкритическую жидкость, вещество подаётся в турбину для получения электроэнергии.
Эффективность турбины, работающей на сверхкритическом углекислом газе, составляет около 50 процентов, что позволяет получать на 10 процентов больше электричества из того же количества тепловой энергии, чем обычная паровая турбина. Кроме того, турбины достаточно компактные. CO2Модели длиною в метр выполняют ту же работу, что и паровые турбины длиною в двадцать метров.
Кроме того, установки на CO2Турбины на углекислом газе запускаются, включаются и выключаются существенно быстрее, чем паровые. Прототипы таких турбин, работающие при температуре около семисот градусов, генерируют энергию примерно через две минуты, в то время как паровым турбинам для этого требуется не менее получаса.
До недавнего времени подобных установок не существовало. В 2016 году компания … General ElectricсообщилаКомпания сообщила о планах постройки первой турбины, но не представила окончательного рабочего варианта. Специалисты Юго-Западного исследовательского института (США) выполнили эту задачу. GTI Energy и GE Vernova…а также Министерства энергетики Соединённых Штатов Америки. В конце октября в городе Сан-Антонио (штат Техас) … представилиВпервые в мире создана и запущена турбина, функционирующая на углекислом газе. Supercritical Transformational Electric Power (STEP).
В качестве тестовой версии разработчики утверждают, что программа полностью готова технически. STEPОн занимает площадь рабочего стола и в десять раз компактнее стандартной паровой турбины с аналогичной мощностью.
Мощность STEPОна способна вырабатывать 10 мегаватт и обеспечивать электроэнергией порядка десяти тысяч домов. Несомненно, 10 мегаватт — лишь тестовый образец, а в будущем на таком же принципе планируют возводить существенно более мощные устройства.
Паровые турбины обеспечивают сегодня половину мирового производства электроэнергии. Полная их замена на сверхкритические может уменьшить потребление ископаемого и атомного топлива в паротурбинном цикле на одну десятую.
Это также сделает АЭС, работающие исключительно на паровых турбинах, заметно компактнее и дешевле.
Инженеры планируют ввести STEPУстановка будет запущена в эксплуатацию к 2024 году. До этого времени пройдет испытания на специализированном заводе. В случае эффективности ее можно будет использовать в работе коммунальных служб, а также начать замещать ею паровые турбины на электростанциях.
Представители Юго-Западного исследовательского института уверены, что их разработка изменит представления о производстве электроэнергии в самое ближайшее время.