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 около 36% мировой выработки электроэнергии приходится на угольные электростанции, а 10% – на атомные паровые турбины. Примерно 30 процентов электроэнергии вырабатывается на газотурбинных электростанциях комбинированного цикла, что составляет 20 процентов от общемировой генерации. Таким образом, около половины всего электричества на Земле генерируется паровыми установками – устройствами, в которых топливо сначала нагревает воду до состояния пара под давлением, а затем пар вращает турбину, расширяясь и охлаждаясь. Вращение ротора турбины 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.
Инженеры на протяжении долгого времени разрабатывают методы для уменьшения габаритов турбин, не снижая при этом их мощность, а по возможности увеличивая ее. В качестве альтернативы рассматривают турбины на углекислом газе (CO2).
Углекислый газ достигает сверхкритического состояния при температуре 31 градус и давлении 74 бара. В этом состоянии он обладает свойствами как газа, равномерно заполняя доступный объем, но при этом характеризуется высокой плотностью, свойственной жидкостям. Небольшие колебания температуры способны вызывать заметные изменения в плотности этого вещества.
Принцип действия данной турбины достаточно прост: солнечная энергия нагревает соль, которая затем используется для нагрева углекислого газа, предварительно хранящегося в виде сухого льда. Этот перегретый 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 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 этого момента подобные системы отсутствовали. В 2016 году компания General Electric сообщила, что собирается построить первую турбину, но окончательный рабочий вариант пока не представлен. 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).
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 STEP составила 10 мегаватт, она обеспечит электроэнергией около 10 тысяч домов. Конечно, 10 мегаватт — лишь пилотный образец, а в дальнейшем на таком же принципе планируют строить намного более крупные устройства.
Поскольку паровые турбины обеспечивают примерно половину мировой выработки электроэнергии, их полная замена на сверхкритические установки способна потенциально уменьшить потребление ископаемого и атомного топлива в паротурбинном цикле на 10%. Кроме того, это позволит значительно снизить размеры и стоимость атомных электростанций, использующих традиционные паровые турбины.
Инженеры планируют ввести STEP в эксплуатацию к 2024 году. До этого времени она будет проходить испытания на специальном заводе. Если установка окажется эффективной, ее можно будет внедрить в работу различных коммунальных служб, и начать вытеснять ею паровые турбины на электростанциях.
По мнению сотрудников Юго-Западного исследовательского института, их разработка в скором времени существенно изменит методы производства электроэнергии.