Энергетический цикл со сверхкритическим диоксидом углерода

Им можно заменить цикл Ренкина практически везде, где он присутствует: ядерная, фотоэлектрическая, геотермальная энергетика, утилизация отработанного тепла и сжигание ископаемого топлива

Энергетический цикл со сверхкритическим диоксидом углерода (sCO₂) - это перспективная технология, с помощью которой тепловая энергия преобразуется в электрическую. Этот метод использует sCO₂ как рабочую среду в замкнутом или полузамкнутом термодинамическом цикле Брайтона.

Цикл Брайтона - это тот же цикл, который определяет работу турбин в установках на природном газе. Только СО₂ в течение всего цикла находится в сверхкритическом состоянии. Таким образом, в отличие от цикла Ренкина, цикл Брайтона происходит без конденсации или изменения фазы рабочей среды.

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 можно сжать до сверхкритического давления и нагреть до сверхкритического состояния в умеренных условиях.

В тепловой системе получается хорошее сочетание разных источников тепла в широком диапазоне температур, например, высокотемпературного сжигания ископаемого топлива и низкотемпературной геотермальной энергии.

С другой стороны, критическая температура умеренно низкая, и не препятствует охлаждению рабочей жидкости из-за нижнего предела, который определяется температурой окружающей среды. Поэтому цикл Брайтона с sCO₂ имеет высокую эффективность. CO₂ вблизи его критической точки становится несжимаемым, что приводит к высокой эффективности цикла. В своем сверхкритическом состоянии CO₂ почти в два раза плотнее, чем водяной пар. Высокая плотность и объемная теплоемкость sCO₂ по сравнению с другими рабочими жидкостями, делают его более энергоемким.

Следовательно, все компонентов системы, такие как турбина и теплообменники, можно существенно уменьшить, что приведет к меньшей занимаемой площади установки. Цикл с sCO₂ работает в одной фазе, снижая сложность системы, в результате чего требуются меньшие капитальные вложения, снижаются затраты на эксплуатацию и обслуживание, а производство электроэнергии становится дешевле.

Существует два типа цикла 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 вырабатывается, когда топливный газ сгорает в воздухе, а отработанные продукты отводятся из турбины.

Рабочий цикл sCO₂ происходит аналогично другим турбинным циклам, но в турбомашине в качестве рабочего тела используется CO₂. Были исследованы два основных подхода к циклам, чтобы вырабатывать электроэнергию с помощью 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 нагревается в обычном котле. Энергия извлекается из CO₂ по мере его расширения в турбине.

CO₂, выходящий из турбины, охлаждают в теплообменнике (охладителе) до желаемой температуры на входе в компрессор. Когда CO₂ сжимается до необходимого давления, он 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 его эффективность, поскольку ощутимая часть тепла в выхлопе турбины рекуперируется и направляется, чтобы предварительно нагреть рабочую жидкость перед входом в источник тепла. Это уменьшает количество теплопотерь в охладителе CO₂.

В высокотемпературных системах рабочая среда сжимается повторно. В конфигурации цикла повторного сжатия поток CO₂ низкого давления, выходящий из рекуператора, разделяется на две части. Одна из них охлаждается в охладителе CO₂, а затем сжимается в главном компрессоре перед тем, как его нагреть в низкотемпературном рекуператоре.

Другая часть потока обходит охладитель CO₂ и сжимается повторно в компрессоре до максимального давления. Затем ее смешивают с потоком, выходящим из низкотемпературного рекуператора, и смесь проходит через высокотемпературный рекуператор и нагреватель CO₂.

При такой схеме цикла горячая и холодная стороны рекуператора работают лучше, и общая эффективность устройства повышается. Утверждается, что при оптимальном соотношении давления эффективность цикла повторного сжатия более чем на 5% выше, чем восстановительного.

Существует много других вариантов с косвенным нагревом sCO₂, при которых изменяется мощность установки в различных режимах, включающих предварительное сжатие, промежуточное охлаждение и раздельное расширение рабочей среды, чтобы адаптировать цикл к конкретным условиям.

Область применения цикла с sCO₂ широка. Им можно заменить цикл Ренкина практически везде, где он присутствует: ядерная, фотоэлектрическая, геотермальная энергетика, утилизация отработанного тепла и сжигание ископаемого топлива.

Полузамкнутый цикл Брайтона на кислородном топливе хорошо подходит, чтобы сжигать синтез-газ, природный газ или уголь, и с ним легче уловить отработанный CO₂.

Полузакрытый цикл с sCO₂, в котором топливо находится в непосредственном контакте с кислородом, может произвести больше энергии, чем цикл с косвенным нагревом, так как на входе в турбину газы имеют повышенную температуру.

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