Цикл со сверхкритическим CO₂ для генерации электроэнергии

Он может использоваться практически в любом приложении, которое в настоящее время использует цикл Ренкина, включая ядерное, солнечное, геотермальное, отработанное тепло и сжигание ископаемого топлива

Энергетический цикл сверхкритического диоксида углерода (sCO₂) - это инновационная концепция для преобразования тепловой энергии в электрическую. Он использует sCO₂ в качестве рабочей среды в замкнутом или полузамкнутом термодинамическом цикле Брайтона.

Цикл Брайтона - это тот же цикл, который выполняется турбинами при использовании природного газа. Только СО₂ находится в сверхкритических условиях в течение всего цикла. Таким образом, в отличие от цикла Ренкина, цикл Брайтона происходит без конденсации или изменения фазы.

sCO₂ обладает многими уникальными свойствами, которые делают его идеальной рабочей жидкостью. CO₂ не взрывоопасен, не горюч, не токсичен, термически стабилен и доступен по низкой цене. CO₂ имеет относительно низкое критическое давление 7,4 МПа и критическую температуру 31 °С. Таким образом, CO₂ может быть сжат до сверхкритического давления и нагрет до сверхкритического состояния при умеренных условиях.

В тепловой системе это может способствовать получению хорошего сочетания разных источников тепла в широком диапазоне температур, например, высокотемпературного сжигания ископаемого топлива и низкотемпературной геотермальной энергии.

С другой стороны, критическая температура не слишком низкая, чтобы затруднить достаточное охлаждение рабочей жидкости из-за нижнего предела, установленного температурой окружающей среды на Земле. Поэтому цикл Брайтона с sCO₂ имеет большой потенциал для получения высокой эффективности.

CO₂ вблизи его критической точки становится более несжимаемым, что приводит к высокой эффективности цикла. В своем сверхкритическом состоянии CO₂ почти в два раза плотнее, чем пар. Высокая плотность и объемная теплоемкость sCO₂, по сравнению с другими рабочими жидкостями, делают его более энергоемким.

Следовательно, размер всех компонентов системы, таких как турбина и теплообменники, могут быть значительно уменьшены, что приведет к меньшей занимаемой площади установки. Цикл с sCO₂ работает в одной фазе, снижая сложность системы. В результате чего энергетический цикл с sCO₂ может потребовать меньших капитальных вложений, более низких затрат на эксплуатацию и обслуживание, что приведет к удешевлению производимой электроэнергии.

Существует два типа циклов Брайтона: открытый цикл, в котором нагрев происходит прямо в камере сгорания и замкнутый цикл, в котором нагрев происходит косвенно с помощью теплообменника (или нагревателя). В замкнутом цикле рабочая жидкость циркулирует в замкнутом контуре и нагревается косвенно с помощью внешнего источника тепла, аналогично работе парового цикла Ренкина.

Газовые турбины обычно работают с открытым циклом, в котором смесь топливного газа и воздуха поступает в компрессор. Тепло генерируется при сгорании топливного газа в воздухе, а продукты сгорания, выходящие из турбины, отводятся.

Рабочий цикл sCO₂ происходит аналогично другим турбинным циклам, но использует CO₂ в качестве рабочего тела в турбомашине. Были исследованы два основных подхода к циклам выработки электроэнергии с использованием в качестве рабочей жидкости sCO₂: косвенно нагретый, цикл sCO₂ с замкнутым контуром и полузамкнутый кислородно-топливный цикл.

В простом цикле Брайтона с замкнутым контуром CO₂ (рабочая жидкость) нагревается косвенно от источника тепла через теплообменник (нагреватель), подобно тому, как пар нагревался бы в обычном котле. Энергия извлекается из CO₂ по мере его расширения в турбине.

CO₂, выходящий из турбины, затем охлаждают в теплообменнике (охладителе) до желаемой температуры на входе в компрессор. После сжатия до необходимого давления CO₂ отправляется обратно в нагреватель для завершения цикла.

В улучшенной версии простого цикла между выхлопом турбины и выхлопом компрессора добавляется рекуператор. Введение рекуператора в цикл повышает эффективность цикла, поскольку ощутимая часть тепла в выхлопе турбины рекуперируется и используется для предварительного нагрева рабочей жидкости перед входом в источник тепла и, следовательно, уменьшает количество теплопотерь в охладителе CO₂.

Для высокотемпературных применений обычно выбирают цикл повторного сжатия sCO₂. В конфигурации цикла повторного сжатия поток CO₂ низкого давления, выходящий из рекуператора, разделяется на два. Одна часть охлаждается в охладителе CO₂, а затем сжимается в главном компрессоре перед нагревом в низкотемпературном рекуператоре.

Другой поток обходит охладитель CO₂ и сжимается в повторном компрессоре до максимального давления цикла. Затем его смешивают с потоком, выходящим из низкотемпературного рекуператора, и смесь проходит через высокотемпературный рекуператор и нагреватель CO₂.

При такой схеме цикла теплоемкость между горячей и холодной сторонами рекуператора лучше согласована, и, следовательно, общая эффективность рекуператора повышается. Утверждается, что при оптимальном соотношении давления эффективность цикла повторного сжатия более чем на 5% выше, чем у восстановительного цикла.

Существует много других вариантов циклов мощности с косвенным нагревом и закрытым sCO₂, в которых используются различные конфигурации сжатия, подогрева и другие конфигурации циклов, такие как предварительное сжатие, промежуточное охлаждение и раздельное расширение для повышения эффективности цикла или адаптации к конкретным применениям.

Диапазон потенциальных применений для косвенного нагрева закрытого цикла с sCO₂ широк, поскольку он может использоваться практически в любом приложении, которое в настоящее время использует цикл Ренкина, включая ядерное, солнечное, геотермальное, отработанное тепло и сжигание ископаемого топлива.

Полузамкнутые циклы Брайтона, работающие на кислородном топливе, с прямым запуском, хорошо подходят для применения в процессах сжигания синтез-газа, природного газа или угля, и имеют дополнительное преимущество, заключающееся в облегчении захвата CO₂.

Полузакрытые, работающие в непосредственном контакте с кислородом, топливные циклы с sCO₂ могут потенциально достичь значительно более высокой эффективности, чем циклы с косвенным нагревом, так как в цикле с непосредственным сжиганием может быть достигнута гораздо более высокая температура на входе в турбину.

Источник: Цянь Чжу, Инновационные системы производства электроэнергии с использованием сверхкритических циклов CO₂, Чистая энергия, Том 1, Выпуск 1, декабрь 2017 года, страницы 68–79, https://doi.org/10.1093/ce/zkx003