Penghujung Era Stim?
Hampir dua abad lamanya, penjanaan elektrik bergantung pada prinsip mudah yang tidak berubah sejak Revolusi Perindustrian: mendidihkan air untuk menghasilkan stim, memutarkan turbin dan menjana kuasa. Teknologi kitaran Rankine ini mendominasi 80 peratus pengeluaran elektrik global hari ini. Pada Disember 2025, China menggugat legasi ini dengan pelancaran Chaotan One, penjana kuasa karbon dioksida superkritikal komersial pertama di dunia. Terletak di sebuah kilang keluli di Liupanshui, Wilayah Guizhou, kemudahan itu mula menukar haba buangan industri kepada elektrik menggunakan karbon dioksida yang dimampatkan sehingga mencapai keadaan superkritikal. Teknologi ini meningkatkan kecekapan dan mencabar asas ekonomi penjanaan kuasa terma.
Kandungan
Sistem ini terdiri daripada dua unit berkapasiti 15 megawatt, menjadikan jumlah kapasiti 30 megawatt, yang disambungkan kepada grid di kemudahan Besi dan Keluli Shougang Shuicheng. Dengan memanfaatkan haba buangan daripada proses pensinteran yang sebelum ini dilepaskan ke atmosfera, kemudahan itu menjana lebih 70 juta kilowatt-jam setahun, selain memberikan hasil tambahan kira-kira 30 juta yuan (sekitar AS$4.26 juta) kepada operasi keluli tersebut. Lebih penting, teknologi ini menunjukkan laluan untuk menaik taraf infrastruktur industri sedia ada, bukannya membina kemudahan baharu, satu kelebihan penting ketika permintaan elektrik global semakin meningkat.
Bagaimana CO2 Superkritikal Mengubah Segalanya
CO2 superkritikal berada dalam keadaan hibrid antara cecair dengan gas. Keadaan ini dicapai apabila bendalir melebihi suhu 31 darjah Celsius dan tekanan 73 atmosfera, bersamaan tekanan pada kedalaman 800 meter di bawah permukaan laut. Dalam keadaan ini, CO2 mempunyai ketumpatan seperti cecair sambil mengekalkan ciri aliran seperti gas, lalu membolehkannya memacu turbin dengan daya lebih besar dan geseran jauh lebih rendah berbanding stim. Teknologi ini menggantikan kitaran Rankine tradisional, yang menukar kira-kira 33 peratus tenaga terma kepada elektrik, dengan kitaran Brayton yang mampu mencapai kecekapan teori melebihi 50 peratus.
Tidak seperti sistem stim, sCO2 beroperasi dalam gelung tertutup sepenuhnya, mengitar semula bendalir kerja secara berterusan tanpa melepaskannya ke atmosfera dan menghapuskan keperluan sistem penyejukan berasaskan air. Operasi tanpa air ini amat bernilai bagi kawasan gersang, yang sering mengehadkan operasi loji terma tradisional. Reka bentuk kompak mengurangkan keperluan ruang lantai sebanyak 50 peratus berbanding sistem stim setara, manakala seni bina yang lebih ringkas menggunakan lebih sedikit komponen tambahan dan membolehkan tindak balas lebih pantas.
Huang Yanping, ketua saintis di Institut Kuasa Nuklear China dan pereka utama Chaotan One, menerangkan kelebihan termodinamik teknologi itu menerusi analogi yang jelas.
Ia seperti seorang lelaki kuat yang menunggang basikal bersalut minyak pelincir, membolehkannya mengayuh dengan mudah untuk jarak jauh.
Reka bentuk gelung tertutup ini menangani kekangan penting yang dihadapi infrastruktur tenaga moden. Ketika pusat data kecerdasan buatan dan pembuatan maju mendorong lonjakan permintaan elektrik, dengan Amerika Syarikat sahaja dijangka memerlukan peningkatan kapasiti penjanaan sebanyak 165 peratus menjelang 2030 untuk membekalkan kuasa kepada kemudahan AI, keupayaan menyediakan penjanaan cekap tanpa pembinaan baharu menjadi kepentingan strategik. Teknologi ini menangkap tenaga daripada sumber haba buangan bersuhu sederhana yang sebelum ini dianggap tidak ekonomik untuk penjanaan kuasa.
17 Tahun Dalam Pembikinan
Operasi komersial Chaotan One menamatkan program penyelidikan yang dimulakan pada 2009 oleh Institut Kuasa Nuklear China di bawah Perbadanan Nuklear Kebangsaan China. Laluan pembangunannya memerlukan penyelesaian kepada cabaran asas kejuruteraan yang membantutkan kemajuan antarabangsa sejak konsep itu mula dicadangkan pada 1948. Kemajuan utama dicapai menerusi pembangunan penukar haba saluran mikro dengan saluran berdiameter kira-kira satu milimeter, yang diperlukan untuk pemindahan haba cekap pada tekanan superkritikal.
Proses pembuatan itu memerlukan inovasi dalam kimpalan resapan vakum, teknik yang menyambungkan plat logam pada suhu dan tekanan tinggi tanpa meleburkannya. Selepas pembekal asing enggan mengeksport teknologi ini, yang turut disenaraikan dalam senarai kawalan komersial dengan sekatan ketat, pasukan Huang menjalankan penyelidikan khusus selama 829 hari, menguji 218 parameter kimpalan berbeza dalam 27 pusingan pengoptimuman. Sampel ujian yang gagal memenuhi separuh ruang gudang sebelum kejayaan dicapai. Sambungan kukuh yang muktamad terhasil dalam ujian proses ke-49 pada pagi musim sejuk yang dingin pada 2021, disahkan oleh lengkung hijau stabil yang dipaparkan pada skrin pemantauan makmal.
Satu lagi halangan penting ialah teknologi pengedapan. Pandangan konvensional beranggapan turbin sCO2 berskala megawatt mustahil dihasilkan kerana risiko kebocoran pada aci berputar bertekanan tinggi. Pakar asing menasihati Huang supaya tidak meneruskan pembangunan unit melebihi 100 kilowatt, dengan menganggap sistem berskala megawatt sebagai misi mustahil. Namun, pasukannya menganalisis pelbagai teknik pengedapan dan membangunkan sistem pengedap gas kering yang disesuaikan khusus untuk keadaan CO2 superkritikal, sekali gus melaksanakan teknologi pengedap gas kering sCO2 berskala megawatt yang pertama di dunia.
Bagaimana China Mendahului Amerika ke Grid
Ketika China meraikan sambungan ke grid pada 20 Disember 2025, Amerika Syarikat masih menguji teknologi serupa menerusi program Supercritical Transformational Electric Power di Makmal Kebangsaan Sandia. Pendekatan Amerika menekankan pengesahan menyeluruh di makmal sebelum penggunaan komersial. Pada April 2022, Sandia membekalkan 10 kilowatt kepada grid selama 50 minit menggunakan sCO2, kemudian meningkatkan kapasiti kepada 4 megawatt yang disegerakkan dengan grid menjelang Oktober 2024. Namun, sasaran komersial AS masih tertumpu pada pertengahan 2030-an.
Perbezaan itu mencerminkan falsafah inovasi yang berbeza. Penyelidik Amerika mengutamakan penyelesaian semua masalah teori dan pencirian tingkah laku bahan dalam jangka panjang sebelum meningkatkan skala, disokong oleh ujian kakisan yang meluas dan program penilaian aloi. Pembangunan China pula mengikuti metodologi pragmatik yang digambarkan di dalam negara sebagai menyeberangi sungai sambil meraba batu. Pendekatan utamakan pembinaan ini menerima bahawa cabaran operasi akan timbul dan ditangani menerusi penambahbaikan berulang. Strategi itu membolehkan penggunaan pantas, namun menimbulkan ketidakpastian tentang kebolehpercayaan jangka panjang yang cuba diminimumkan oleh jadual pembangunan lebih berhati-hati.
Jabatan Tenaga AS mengenal pasti penjanaan kuasa CO2 superkritikal sebagai teknologi strategik di barisan hadapan pada 2017, dan MIT Technology Review menyenaraikannya antara 10 teknologi terobosan utama pada 2018. Walaupun pengiktirafan awal ini, sikap berhati-hati dalam kawal selia dan penekanan terhadap pengurangan risiko menyeluruh telah melambatkan pengkomersialan di Amerika.
Menukar Haba Buangan kepada Hasil
Pemasangan Chaotan One menangani kesesakan lama dalam penggunaan sumber haba bersuhu sederhana pada skala kecil hingga sederhana. Sistem stim tradisional sering tidak berdaya maju dari segi ekonomi untuk mendapatkan semula haba buangan di bawah ambang suhu tertentu, menyebabkan sejumlah besar tenaga tidak dimanfaatkan. Prestasi termodinamik kitaran sCO2 yang lebih baik menangkap tenaga yang sebaliknya akan terlesap, sekali gus menawarkan laluan praktikal untuk menyahkarbonkan industri berat tanpa memerlukan pembinaan semula seluruh kemudahan.
Bagi kegunaan di kilang keluli itu, sistem ini memanfaatkan haba baki daripada proses pensinteran, iaitu proses memanaskan serbuk bijih besi sebelum dimasukkan ke relau bagas. Haba itu sebelum ini dibazirkan. Pemasangan ini menunjukkan bahawa penjana CO2 superkritikal boleh mencapai kecekapan penjanaan 85 peratus lebih tinggi dan output kuasa bersih 50 peratus lebih besar berbanding teknologi stim haba buangan konvensional, sambil memerlukan hanya separuh ruang fizikal.
Selain pulangan ekonomi segera, teknologi ini menyokong matlamat dwi karbon China dengan menukar aliran buangan industri kepada elektrik bersih. Penghapusan penggunaan air oleh sistem ini amat bernilai di barat daya China, yang kekurangan air sering mengehadkan peluasan industri. Tidak seperti loji stim yang memerlukan air penyejuk dalam jumlah besar, reka bentuk sCO2 gelung tertutup beroperasi dengan berkesan di kawasan gersang, sekali gus meluaskan kawasan geografi yang membolehkan pemulihan haba buangan dilaksanakan secara ekonomik.
Kebimbangan Ketahanan dan Risiko Teknikal
Walaupun pencapaian ini penting, penganalisis bebas mengingatkan supaya metrik prestasi awal tidak diterima bulat-bulat. Michael Barnard, penganalisis di CleanTechnica, menganggarkan kebarangkalian kemerosotan prestasi yang boleh diukur pada Chaotan One dalam tempoh dua hingga lima tahun ialah 40 hingga 70 peratus. Anggaran itu berdasarkan beberapa mekanisme kegagalan yang saling berkaitan dalam sistem CO2 superkritikal yang beroperasi pada tekanan 200 atmosfera dan suhu tinggi.
Penukar haba berketepatan tinggi menggunakan ikatan resapan untuk menghasilkan saluran mikro yang mampu menahan tekanan ekstrem. Apabila kemerosotan berlaku pada antara muka yang diikat, pembaikan secara praktikalnya mustahil dan memerlukan penggantian unit sepenuhnya. Karburisasi, iaitu pergerakan karbon ke dalam aloi keluli dalam keadaan superkritikal, boleh menyebabkan bahan menjadi rapuh dan mengubah kekasaran permukaan di dalam saluran. Keadaan ini meningkatkan kehilangan tekanan dan mengurangkan kecekapan kitaran dari semasa ke semasa, lalu perlahan-lahan menghakis kelebihan kecekapan 85 peratus yang didakwa ketika loji mula beroperasi.
Keutuhan pengedap juga menjadi satu lagi kelemahan. Molekul CO2 bertekanan tinggi, yang kecil dan mudah bergerak seperti hidrogen, memerlukan pengedapan sempurna pada aci berputar dan bebibir yang mengalami kitaran haba serta mekanikal. Data sejarah daripada stesen pengisian semula hidrogen, yang menunjukkan kegagalan pengedap menyumbang kira-kira 50 peratus daripada gangguan perkhidmatan, mencadangkan bahawa mengekalkan pengedapan sempurna sepanjang operasi berterusan selama beberapa tahun mungkin terlalu optimistik. Kebocoran kecil mengubah jumlah bendalir kerja, menyebabkan pemampat menyimpang daripada titik operasi optimum dan meningkatkan beban parasit.
Pencemaran industri menambah risiko ini. Aliran ekzos kilang keluli mengandungi zarah, oksida logam dan sebatian sulfur yang mengotorkan permukaan pemindahan haba, lalu mengurangkan kecekapan secara beransur-ansur seperti pembentukan kerak kapur. Barnard menganggarkan kebarangkalian kehilangan prestasi akibat pengotoran dalam persekitaran industri ini pada 60 hingga 85 peratus dalam tempoh dua hingga lima tahun. Keadaan itu berpotensi mengurangkan suhu masuk turbin tanpa mengira keutuhan gelung CO2 dalaman.
Melangkaui Keluli: Bidang Seterusnya
CNNC sudah mengumumkan rancangan peluasan untuk mengintegrasikan teknologi CO2 superkritikal dengan sistem penyimpanan tenaga garam lebur, dengan operasi demonstrasi disasarkan menjelang 2028. Pendekatan hibrid ini menangani cabaran ketidakstabilan bekalan tenaga boleh baharu dengan menyimpan tenaga terma dalam garam lebur dan menukarkannya kepada elektrik menerusi kitaran sCO2 yang cekap apabila permintaan memuncak. Projek ini terpilih untuk kumpulan kelima China bagi peralatan tenaga utama yang julung-julung kali dibangunkan.
Keserasian teknologi ini dengan loji tenaga suria tertumpu menawarkan satu lagi peluang pertumbuhan. Kemudahan terma suria menjana suhu tinggi yang sesuai untuk kitaran Brayton sCO2, yang berpotensi mencapai kecekapan penukaran lebih tinggi berbanding loji suria berasaskan stim semasa. Penggunaan nuklear juga berpotensi, kerana jentera turbo kompak menawarkan kelebihan bagi reka bentuk reaktor maju, termasuk reaktor modular kecil dan sistem penyejukan gas bersuhu tinggi.
Huang Yanping membayangkan penggunaan lebih meluas dalam penyimpanan tenaga, pemulihan haba buangan dan bekalan stim industri. Terobosan ini khusus menyasarkan sumber terma berskala sederhana yang sebelum ini sukar ditukar dengan cekap, sekali gus membuka pasaran yang tidak ekonomik bagi peralatan penjanaan kuasa. Jika teknologi ini terbukti tahan lama dalam beberapa tahun akan datang, ia berpotensi mengubah asas ekonomi penjanaan teragih dan penyahkarbonan industri di seluruh dunia.
Perkara Utama
- Chaotan One, penjana kuasa CO2 superkritikal komersial pertama di dunia, mula beroperasi di Wilayah Guizhou, China pada Disember 2025
- Kemudahan berkapasiti 30 megawatt itu menggunakan haba buangan daripada kilang keluli untuk menjana elektrik dengan kecekapan 85% lebih tinggi berbanding sistem stim konvensional
- CO2 superkritikal beroperasi pada suhu melebihi 31 darjah Celsius dan tekanan 73 atmosfera, dengan ketumpatan seperti cecair dan ciri aliran seperti gas
- Pembangunannya memerlukan penyelidikan selama 17 tahun, termasuk terobosan dalam kimpalan resapan vakum dan teknologi pengedapan gas kering berskala megawatt
- Sistem gelung tertutup itu tidak memerlukan air untuk penyejukan dan boleh digunakan untuk menaik taraf kemudahan industri sedia ada tanpa pembinaan baharu
- Penganalisis memberi amaran bahawa kemerosotan penukar haba, kebocoran pengedap dan pencemaran industri mewujudkan kebarangkalian 40-70% berlakunya kemerosotan prestasi dalam tempoh 2-5 tahun
- Amerika Syarikat masih menguji teknologi serupa menerusi program STEP, dengan penggunaan komersial disasarkan pada 2030-an
- Penggunaan pada masa hadapan termasuk integrasi dengan penyimpanan tenaga garam lebur, tenaga suria tertumpu dan reaktor nuklear maju
