China menyambungkan penjana kuasa CO2 superkritikal komersial pertama ke grid

Pencapaian grid bagi kitaran kuasa jenis baharu

China telah menyambungkan penjana kuasa komersial pertama di dunia yang beroperasi menggunakan karbon dioksida superkritikal ke grid elektrik, menandakan tahap baharu bagi kuasa terma berkecekapan tinggi. Kemudahan itu terletak di dalam kilang keluli Shougang Shuicheng di Liupanshui, Guizhou, dan menukar haba buangan bersuhu tinggi daripada pengeluaran keluli kepada elektrik. Dibina oleh Institut Kuasa Nuklear China di bawah Perbadanan Nuklear Nasional China dengan sokongan kejuruteraan daripada Jigang International Engineering and Technology, projek itu merangkumi dua unit berkapasiti 15 megawatt setiap satu. Bendalir kerjanya ialah karbon dioksida, bukan wap, dan pengeluar menyatakan unit-unit itu boleh menangkap serta menggunakan haba buangan sekurang-kurangnya 50 peratus lebih baik berbanding sistem konvensional berasaskan wap yang digunakan di kilang keluli.

Hal ini penting kerana karbon dioksida superkritikal, yang sering disingkatkan sebagai sCO2, boleh membolehkan penggunaan turbin yang lebih kecil, permulaan operasi yang lebih pantas dan kecekapan terma yang lebih tinggi pada suhu tinggi. Ciri-ciri ini memenuhi keperluan industri berat, yang haba yang kini terlepas melalui cerobong dan sistem penyejukan boleh ditukar menjadi sumber kuasa yang stabil. Ciri-ciri yang sama juga sesuai untuk reaktor nuklear generasi seterusnya dan loji tenaga solar tertumpu, yang setiap mata peratusan kecekapan boleh mengurangkan kos dan saiz komponen teras.

Projek Guizhou itu juga menguji prestasi teknologi ini di luar makmal. Pembuatan keluli ialah antara industri yang paling intensif tenaga, manakala talian pensinteran dan relau membebaskan aliran haba yang banyak pada suhu jauh melebihi 700 Celsius (1292 Fahrenheit). Memanfaatkan haba itu meningkatkan imbangan tenaga kilang dan boleh mengurangkan pengambilan elektrik daripada grid tempatan. Ia juga boleh mengurangkan penggunaan air berbanding kitaran wap, satu kelebihan di kawasan yang bekalan airnya terhad.

Apakah kuasa CO2 superkritikal dan mengapa ia penting

Karbon dioksida superkritikal ialah karbon dioksida yang dikekalkan pada suhu dan tekanan melebihi titik kritikalnya, iaitu kira-kira 31 Celsius dan 74 bar. Dalam keadaan ini, ia merupakan bendalir tumpat yang mempunyai sifat gas dan cecair. Ketumpatan itu membolehkan jurutera membina turbin dan penukar haba yang padat. Dalam blok kuasa sCO2, bendalir bergerak dalam gelung tertutup, menyerap haba daripada sumber, mengembang melalui turbin untuk memutarkan penjana, kemudian melepaskan haba kepada penyejuk sebelum dimampatkan dan dihantar semula ke sumber haba. Gelung itu dikenali sebagai kitaran Brayton, sejenis kitaran yang berkait dengan kitaran turbin gas dalam enjin jet, tetapi menggunakan CO2 sebagai bendalir kerja serta penjana semula haba yang mengitar semula haba di dalam gelung.

Bagaimana kitaran ini berfungsi

Di kilang keluli itu, gas panas daripada pensinteran dan proses berkaitan melalui penukar haba yang memindahkan tenaga ke dalam gelung sCO2. Karbon dioksida yang dipanaskan mengembang merentasi turbin, memutarkan penjana untuk menghasilkan elektrik. Selepas mengembang, CO2 masih membawa haba yang banyak, lalu melalui penjana semula haba untuk memanaskan awal aliran masuk dan meningkatkan kecekapan. Bendalir itu kemudian melepaskan baki habanya kepada penyejuk, dimampatkan dan kembali ke penukar haba untuk mengulangi proses tersebut. Oleh sebab CO2 yang hampir dengan titik kritikalnya mudah dimampatkan berbanding gas biasa, kitaran ini menggunakan kurang tenaga untuk pemampatan, sekali gus membantu meningkatkan kecekapan bersih.

Kelebihan kecekapan dan saiz

Kitaran Rankine wap tradisional sudah matang dan boleh dipercayai, namun kecekapannya mendatar tanpa suhu dan tekanan yang sangat tinggi, sementara komponennya pula besar. Laporan daripada projek China dan program perintis antarabangsa menunjukkan bahawa kitaran sCO2 yang beroperasi pada suhu tinggi boleh mencapai kecekapan terma melebihi 50 peratus, sedangkan kitaran wap moden menghampiri 40 peratus dalam keadaan serupa. Dalam aplikasi haba buangan, kecekapan tepat bergantung pada suhu sumber dan reka bentuk peralatan, tetapi pendekatan sCO2 menawarkan peningkatan besar dalam jumlah haba yang boleh ditukar kepada kuasa. Peralatannya juga padat kerana CO2 jauh lebih tumpat berbanding wap, maka turbin dan paip boleh jauh lebih kecil pada tahap kuasa yang sama.

Mengapa kilang keluli menyediakan sumber haba yang ideal

Kilang keluli menggunakan tenaga yang sangat banyak dalam proses pensinteran, pengkokan dan penggelekan panas. Pensinteran mengaglomeratkan bijih halus pada suhu yang sering melebihi 700 Celsius. Relau dan saluran gas ekzos kemudian membawa haba itu keluar daripada proses. Gelung CO2 superkritikal boleh memintas aliran ini melalui penukar haba yang teguh, mendapatkan semula sebahagian besar tenaga yang sebaliknya akan terbazir.

Terdapat juga manfaat tambahan dalam persekitaran industri. Blok kuasa sCO2 menggunakan air yang sangat sedikit berbanding sistem wap kerana tidak memerlukan air suapan dandang dalam jumlah besar atau menara penyejuk basah. CO2 sebagai bendalir kerja agak lengai dan kurang mengakis bagi banyak aloi berbanding wap bersuhu tinggi, yang boleh memudahkan beberapa cabaran bahan. Sifat gelung yang tertutup bermakna CO2 tidak dilepaskan dalam operasi biasa. Kehilangan kecil inventori CO2 boleh berlaku dan perlu diuruskan, tetapi sistem ini tidak bergantung pada bekalan CO2 baharu yang berterusan.

Bagi pengendali kilang, ciri-ciri ini bermakna ruang yang lebih kecil untuk blok kuasa, pengurangan peralatan tambahan dan operasi yang lebih fleksibel. Permulaan dan pemberhentian operasi boleh dilakukan dengan lebih pantas berbanding sistem wap, yang berguna untuk proses yang mengalami perubahan suhu sepanjang hari.

Bolehkah teknologi ini diperluas kepada kuasa nuklear dan solar

Banyak reka bentuk reaktor canggih menghasilkan suhu keluar yang sesuai untuk turbin sCO2. Reaktor gas suhu tinggi, reaktor garam lebur dan reaktor pantas natrium semuanya menyasarkan suhu teras yang lebih tinggi berbanding reaktor air bertekanan, dan sCO2 boleh memanfaatkan haba itu dengan cekap. Turbin padat juga sesuai digandingkan dengan reaktor modular kecil, yang mengutamakan ruang dan kesederhanaan.

Perkara yang sama terpakai bagi tenaga solar tertumpu, yang menyimpan haba dalam garam lebur sebelum mengalirkannya melalui blok kuasa. Pelan demonstrasi di China bertujuan menaik taraf loji menara solar berskala demonstrasi di Dunhuang daripada wap kepada blok kuasa sCO2 bagi menilai kesiapsiagaan pembekal dan prestasi operasi. Usaha ini menonjolkan dua komponen penting, iaitu penukar haba garam lebur kepada CO2 yang boleh dipercayai serta rangkaian pemampat yang mampu mengendalikan CO2 berhampiran titik kritikal. Kedua-duanya merupakan tugas yang mencabar, namun kemajuan dalam bahan, pengedap dan sistem kawalan semakin menjadikannya mampu dilaksanakan.

Jika penukar haba dan jentera turbo terbukti tahan lama di loji sebenar, laluan untuk membina blok kuasa sCO2 yang lebih besar akan menjadi lebih jelas. Manfaatnya menarik: kecekapan kitaran yang lebih tinggi bermakna medan solar atau teras reaktor yang lebih kecil untuk menghasilkan kuasa grid yang sama, manakala penggunaan air yang lebih rendah melonggarkan kekangan pemilihan tapak.

Bagaimana China membinanya dan pihak di sebalik projek ini

Kemudahan di Guizhou itu merupakan hasil program berjangka panjang di Institut Kuasa Nuklear China, sebahagian daripada CNNC. Institut itu telah menjalankan kerja mengenai gelung sCO2, turbin, galas, pengedap dan kawalan selama lebih sedekad, menerbitkan ujian komponen serta membina pelantar rintis. Jigang International Engineering and Technology bekerjasama dalam aspek kejuruteraan bagi penyepaduan dengan industri berat. Pihak tuan rumah, Shougang Shuicheng Steel, menyediakan tapak dan akses kepada aliran haba buangan gred tinggi.

Setiap unit berkapasiti 15 megawatt. Penggunaan dua unit menyediakan lebihan sistem dan memberi peluang kepada pengendali menguji strategi kawalan dalam keadaan pengeluaran sebenar. CNNC menyifatkan projek itu sebagai asas bagi unit masa depan dalam industri berat dan penjanaan kuasa, dengan matlamat menyeragamkan modul yang boleh dihasilkan semula di pelbagai tapak. Penghasilan semula penting kerana daya maju ekonomi kuasa daripada haba buangan meningkat apabila peralatan boleh dihasilkan secara besar-besaran dan dipasang dengan pengubahsuaian yang minimum.

Kata pakar

Di luar China, kumpulan penyelidikan dan pasukan industri terus membuktikan kebolehgunaan komponen serta subsistem sCO2. Di Texas, loji perintis Supercritical Transformational Electric Power, sebuah kemudahan elektrik 10 megawatt yang disokong Jabatan Tenaga Amerika Syarikat dan diterajui sebuah konsortium, menamatkan fasa pertamanya pada 2024 serta menunjukkan operasi pada kelajuan penuh dengan jentera turbo dan kawalan bersepadu. Para penyelidik di Southwest Research Institute, yang menyokong program itu, menekankan kepentingan ujian bersepadu yang menjalankan pemampat, turbin, pemanas, penyejuk dan perisian kawalan bersama-sama sebagai satu loji.

Mark Hibbs, felo kanan di Carnegie Endowment for International Peace yang mengkaji sektor nuklear China, berkata China bergerak pantas untuk menunjukkan kepimpinan teknikal.

Pihak China bergerak dengan sangat, sangat pantas. Mereka amat berhasrat menunjukkan kepada dunia bahawa program mereka tidak dapat dihentikan.

Tim Allison, yang mengetuai Jabatan Jentera di Southwest Research Institute dan terlibat dalam projek perintis Texas, menghuraikan pencapaian operasi blok kuasa sCO2 bersepadu pada kelajuan penuh.

Pengendalian sistem bersepadu itu merupakan pencapaian yang penting. Ia menyusuli aktiviti pentauliahan berasaskan komponen yang berjaya oleh pasukan tersebut dan menunjukkan operasi gabungan semua peralatan, termasuk kawalan loji, pemampat, penukar haba, pemanas, turbin dan inventori CO2, selain sistem bekalan elektrik dan gas serta air penyejuk kemudahan itu.

Cabaran kejuruteraan yang masih perlu diatasi

Membina turbin padat berkecekapan tinggi yang mampu bertahan pada suhu dan kelajuan tinggi merupakan cabaran utama. Kajian akademik dan industri menyifatkan rotor turbin berputar pada kira-kira 30,000 hingga 40,000 putaran seminit, dengan bilah dan perumah terdedah kepada suhu melebihi 600 Celsius. Aloi berasaskan nikel dan keluli termaju lazim digunakan untuk silinder dalaman dan rotor, manakala perumah luar menggunakan keluli feritik untuk mengawal tekanan dan kos. Gabungan bahan yang tepat perlu mengimbangi kekuatan, rintangan kakisan dan pengembangan terma agar ruang kelegaan kekal kecil tanpa menyebabkan sentuhan antara komponen.

Pengedap dan galas juga sama penting. Pengedap gas kering mengehadkan kebocoran CO2 pada aci, sementara sesetengah reka bentuk mengkaji penggunaan galas gas sebagai ganti galas minyak untuk memudahkan sistem pelinciran dan mengelakkan masalah terma. Penyelidikan terhadap turbin kelas 25 megawatt mendapati bahawa penempatan omboh imbangan dalam bahagian gas penyejuk memendekkan rotor, mengurangkan laluan kebocoran dan menurunkan kehilangan mekanikal. Rotor yang lebih padat meningkatkan kestabilan dan memudahkan perumahnya. Satu lagi pendekatan yang menggantikan galas minyak dengan galas gas memendekkan lagi aci dan menghapuskan keperluan sistem penyejukan serta pelinciran yang berasingan. Penambahbaikan ini membantu meningkatkan kecekapan dan kebolehpercayaan.

Kawalan kitaran semasa perubahan sementara juga merupakan bidang yang giat dikaji. Demonstrasi berskala kecil menunjukkan bahawa perubahan pada kelajuan pam, input haba dan beban boleh menyebabkan tekanan dan aliran melebihi paras sasaran sebelum sistem menjadi stabil. Jurutera memetakan gabungan aliran jisim, nisbah tekanan dan kelajuan putaran untuk mengenal pasti zon stabil yang membolehkan kuasa dan kecekapan maksimum dicapai. Ujian penjana turbo sCO2 berskala kecil mencapai output elektrik dalam lingkungan puluhan kilowatt dengan jumlah kecekapan terukur hampir 59 peratus dalam keadaan optimum, sekali gus menunjukkan potensinya serta keperluan terhadap kawalan yang teliti.

Penukar haba yang memindahkan tenaga antara gas industri yang kotor dengan gelung CO2 bersih mesti tahan terhadap pengotoran dan tegasan terma. Penjana semula haba di dalam gelung CO2 memerlukan reka bentuk padat dengan luas permukaan yang besar untuk mengitar semula haba tanpa penurunan tekanan yang ketara. Pemampat mesti beroperasi dengan cekap berhampiran titik kritikal CO2, yang perubahan suhu kecil boleh mengubah ketumpatan dan menjejaskan prestasi jika kawalan tidak bertindak balas dengan pantas.

Implikasi alam sekitar dan dasar

China berikrar untuk mencapai kemuncak pelepasan karbon sebelum 2030 dan mencapai neutraliti karbon sebelum 2060. Usaha membersihkan bekalan kuasa yang menggerakkan industri berat merupakan teras rancangan itu. Pemulihan haba buangan menggunakan sCO2 membantu dalam dua cara: ia mengurangkan pengambilan elektrik bersih kilang daripada grid berasaskan bahan api fosil dan mengurangkan penggunaan air di tempat yang kitaran wap konvensional memerlukan aliran penyejukan yang besar. Bagi projek nuklear dan terma solar, kecekapan yang lebih tinggi secara langsung menurunkan kos elektrik bersih.

Sesetengah penganalisis turut menekankan potensi sinergi dengan penangkapan karbon. Secara prinsipnya, CO2 yang ditangkap boleh membekalkan gelung tertutup sebagai bendalir kerja, sekali gus menyediakan kegunaan produktif bagi sebahagian gas itu. Namun begitu, kitaran kuasa memerlukan CO2 yang bersih dan kering untuk melindungi jentera turbo serta meminimumkan kakisan, dan gelungnya tertutup, maka ia tidak menggunakan CO2 baharu secara berterusan. Sebarang penyepaduan dengan penangkapan karbon akan menumpukan pada langkah pengendalian, penyimpanan dan penulenan bersama, bukannya menggunakan CO2 sebagai bahan suapan yang dibakar atau ditukar.

Penjana baharu itu juga menangani kekangan sumber. Penjimatan air boleh menjadi besar di kawasan gersang yang kekurangan air penyejuk. Blok kuasa padat boleh dipasang di kapal atau tapak industri terpencil, memperkukuh keselamatan tenaga dengan menukar haba di tapak kepada kuasa di tapak.

Persaingan global dan langkah seterusnya

Pasukan di Amerika Syarikat, Eropah dan Asia semuanya sedang meningkatkan kebolehpercayaan komponen sCO2 serta penyepaduan loji. Projek STEP di Texas beralih daripada pentauliahan komponen kepada operasi bersepadu dan menghasilkan kuasa dalam fasa pertamanya, sekali gus meningkatkan keyakinan bahawa teknologi ini boleh diperluas dan digunakan berulang kali. Unit China yang disambungkan ke grid di Guizhou ialah pemasangan komersial pertama pada proses industri, dan akan menyediakan data tentang operasi sepanjang masa, kitaran penyelenggaraan serta ekonomi penjanaan kuasa daripada haba buangan dalam pembuatan keluli.

Selepas ini, lebih banyak unit di kilang keluli dan simen berkemungkinan dibina jika tuntutan prestasi terbukti dalam operasi bulanan dan tahunan. Projek solar tertumpu sedang menilai blok kuasa sCO2 untuk mengecilkan dewan turbin dan meningkatkan output. Pereka reaktor termaju merancang menggunakan sCO2 sebagai sistem penukaran kuasa lalai, menggantikan sebahagian besar loji wap dengan turbin dan penjana semula haba yang padat. Sumber nuklear mudah alih untuk tapak terpencil juga mendapat manfaat daripada peralatan padat, sementara ketumpatan CO2 membantu mengekalkan saiz turbin yang kecil pada tahap kuasa tertentu.

Rantaian bekalan peralatan akan menjadi penting. Penukar haba berprestasi tinggi, pengedap gas kering dan penjana berkelajuan tinggi mesti tersedia daripada pelbagai pembekal. Kod dan piawaian bagi bejana tekanan, paip dan pengedap untuk penggunaan CO2 perlu dimatangkan. Latihan untuk pengendali menjalankan dan menyelesaikan masalah kitaran dengan selamat akan menjadi sebahagian daripada pelaksanaan komersial. Demonstrasi dan penghasilan semula yang berterusan boleh mengurangkan kos serta meyakinkan pemilik loji untuk menerima pakai teknologi ini secara besar-besaran.

Kesimpulan

• China menyambungkan dua unit CO2 superkritikal berkapasiti 15 megawatt ke grid di sebuah kilang keluli di Liupanshui, Guizhou.
• Sistem itu menggunakan haba buangan daripada pensinteran keluli untuk menjana elektrik dan dikatakan sekurang-kurangnya 50 peratus lebih baik dalam menukar haba buangan berbanding sistem berasaskan wap.
• Kitaran sCO2 beroperasi dalam gelung tertutup dengan CO2 melebihi titik kritikalnya, membolehkan penggunaan turbin padat dan kecekapan lebih tinggi pada suhu tinggi.
• Blok kuasa itu menggunakan sedikit air dan boleh dipasang di ruang terhad, menjadikannya sesuai untuk industri berat, kapal dan sistem tenaga terpencil.
• Reaktor termaju dan loji solar tertumpu ialah calon utama bagi blok kuasa sCO2 kerana kedua-duanya menghasilkan suhu tinggi yang diperlukan oleh kitaran tersebut.
• Tugas kejuruteraan utama termasuk membina penukar haba yang tahan lama, pemampat cekap berhampiran titik kritikal serta turbin berkelajuan tinggi dengan pengedap dan galas yang teguh.
• Projek perintis Amerika Syarikat di Texas mengendalikan loji sCO2 bersepadu berkapasiti elektrik 10 megawatt dan menghasilkan kuasa dalam fasa pertamanya, menunjukkan kemajuan di luar China.
• Projek China menyediakan data berskala komersial pertama tentang penukaran haba buangan industri kepada kuasa menggunakan sCO2.
• Penjimatan air dan peningkatan kecekapan menyokong matlamat China untuk mencapai kemuncak pelepasan karbon dan neutraliti karbon, di samping meningkatkan penggunaan tenaga dalam industri berat.
• Perluasan teknologi ini bergantung pada kesiapsiagaan pembekal, kebolehpercayaan operasi dan ekonomi penghasilan semula di pelbagai loji.