Нова турбіна працює на вуглекислому газі замість традиційної пари. За рахунок цього вона отримує більше енергії з того ж обсягу палива, а за розмірами дорівнює звичайному офісному столу.
Так виглядає турбіна STEP, що працює на надкритичному вуглекислому газу © Southwest Research Institute
Сьогодні практично всі вугільні (36 відсотків світової електрогенерації) і атомні (10 відсотків світової генерації) електростанції використовують парові турбіни. З них же отримують приблизно 30 відсотків електроенергії на газових ТЕС комбінованого циклу (20 відсотків світової генерації). В результаті близько половини всієї електрики на планеті виробляють саме парові установки, тобто пристрої, де паливо спершу нагріває водяну пару під тиском, а потім вона крутить турбіну, попутно розширюючись і охолоджуючись. Обертання ротора турбіни генерує струм.
Сама ця технологія з’явилася ще в XIX столітті. Велике зростання тиску і температур дозволив істотно підняти їх ККД, але фундаментальні обмеження «століття пари» нікуди не поділися.
Головний недолік таких установок — вони дуже громіздкі: ротор має масу від трьох до 150 тонн, а розмах лопатей може досягати декількох метрів. Загальна довжина великої парової турбіни доходить до десятків метрів: інакше водяна пара не встигне віддати всю свою енергію.
Необхідність в настільки великих установках різко збільшує розмір електростанцій і їх вартість. Але навіть при таких габаритах ККД парових турбін важко підняти вище 45 відсотків. Причина в тому, що нагрівати пар до необхідних 550-560 градусів (і вище) технічно дуже непросто.
Інженери давно шукають способи, за допомогою яких можна було б зменшити розміри таких турбін і при цьому зберегти або навіть підвищити вихідні потужності. В якості альтернативи розглядають турбіни на вуглекислому газі (CO2).
При температурі 31 градус і тиску 74 бари вуглекислий газ переходить в надкритичний стан. У цьому стані речовина розширюється, займаючи весь наданий обсяг, подібно газу, але має високу щільність, як у рідини. Потім за допомогою відносно невеликих змін температури можна викликати значні зміни щільності речовини.
Принцип роботи такої турбіни досить простий: сонячна енергія нагріває сіль, яка після використовується для нагріву вуглекислого газу, спочатку зберігається у вигляді сухого льоду. Цей перегрітий СО2 перетворюється в надкритичну рідину – вона подається в турбіну, і на виході виробляється електроенергія.
ККД турбіни, що працює на надкритичному вуглекислому газі, — близько 50 відсотків, тобто з тієї ж кількості теплової енергії вона може отримати на 10 відсотків більше електрики, ніж звичайна парова. Також вони досить компактні. Турбіна CO2 довжиною в метр може виконувати той же обсяг роботи, що і парова турбіна довжиною 20 метрів.
Крім того, установки на CO2 запускаються, включаються і вимикаються набагато швидше, ніж парові. Прототипи турбін на вуглекислому газі показали, що при робочій температурі близько 700 градусів їм потрібно приблизно дві хвилини, щоб почати генерувати енергію, тоді як у парових турбін на це йде мінімум пів години.
До недавнього часу таких установок представлено не було. У 2016 році компанія General Electric повідомила, що збирається побудувати першу турбіну, але остаточний робочий варіант не показала. Зате це зробили фахівці з Південно-Західного дослідницького інституту (США), компанії GTI Energy і GE Vernova, а також Міністерства енергетики США. В кінці жовтня в місті Сан-Антоніо (штат Техас) вони представили спільний проект: відкрили першу у світі турбіну, що працює на вуглекислому газі, яка отримала назву Supercritical Transformational Electric Power (STEP).
Підприємство в Сан-Антоніо, де стоїть турбіна STEP / © Southwest Research Institute
Поки це пілотна версія, але розробники заявили, що вона «технічно завершена». STEP має розмір офісного столу і в 10 разів менше звичайної парової турбіни такої ж потужності.
Потужність STEP склала 10 мегаватів, вона забезпечить електроенергією близько 10 тисяч будинків. Звичайно, 10 мегаватів — лише пілотний зразок, надалі на такому ж принципі планують будувати набагато більші пристрої.
Враховуючи, що саме парові турбіни сьогодні дають половину всієї світової електроенергії, повна їх заміна на надкритичні потенційно може знизити споживання викопного і атомного палива в паротурбінному циклі на одну десяту. Крім цього, вона може зробити АЕС, що використовують тільки парові турбіни, помітно менше і дешевше.
Інженери планують ввести STEP в експлуатацію до 2024 року. До цього часу вона буде проходити випробування на спеціальному заводі. Якщо установка виявиться ефективною, її можна буде впровадити в роботу різних комунальних служб, і почати витісняти неї парові турбіни на електростанціях.
У будь-якому випадку представники Південно-Західного дослідницького інституту впевнені, що їх розробка змінить уявлення про виробництво електроенергії вже найближчим часом.