จีนเชื่อมเครื่องกำเนิดไฟฟ้า CO2 เหนือจุดวิกฤตเชิงพาณิชย์แห่งแรกเข้ากับโครงข่ายไฟฟ้า

หมุดหมายของโครงข่ายไฟฟ้าสำหรับวงจรผลิตพลังงานรูปแบบใหม่

จีนเชื่อมเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเชิงพาณิชย์แห่งแรกของโลกที่ใช้คาร์บอนไดออกไซด์เหนือจุดวิกฤตเข้ากับโครงข่ายไฟฟ้า นับเป็นก้าวใหม่ของการผลิตพลังงานความร้อนประสิทธิภาพสูง โรงงานแห่งนี้ตั้งอยู่ภายในโรงงานเหล็ก Shougang Shuicheng ในเมืองลิ่วผานสุ่ย มณฑลกุ้ยโจว และเปลี่ยนความร้อนเหลือทิ้งอุณหภูมิสูงจากการผลิตเหล็กให้เป็นไฟฟ้า โครงการนี้สร้างโดยสถาบันพลังงานนิวเคลียร์แห่งประเทศจีน ภายใต้บริษัท China National Nuclear Corporation โดยมี Jigang International Engineering and Technology สนับสนุนด้านวิศวกรรม ประกอบด้วยสองหน่วย กำลังการผลิตหน่วยละ 15 เมกะวัตต์ ของไหลที่ใช้คือคาร์บอนไดออกไซด์ ไม่ใช่ไอน้ำ และผู้ผลิตระบุว่าหน่วยผลิตทั้งสองสามารถดักจับและใช้ความร้อนเหลือทิ้งได้ดีกว่าระบบที่ใช้ไอน้ำแบบดั้งเดิมในโรงงานเหล็กอย่างน้อย 50 เปอร์เซ็นต์

เรื่องนี้มีความสำคัญ เพราะคาร์บอนไดออกไซด์เหนือจุดวิกฤต ซึ่งมักเรียกย่อว่า sCO2 ช่วยให้ใช้กังหันขนาดเล็กลง เริ่มเดินเครื่องได้เร็วขึ้น และมีประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงขึ้นที่อุณหภูมิสูง คุณสมบัติเหล่านี้เหมาะกับความต้องการของอุตสาหกรรมหนัก ซึ่งสามารถเปลี่ยนความร้อนที่ปัจจุบันระบายออกทางปล่องและระบบหล่อเย็นให้เป็นแหล่งพลังงานที่มีเสถียรภาพ คุณสมบัติเดียวกันนี้ยังสอดคล้องกับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์รุ่นใหม่และโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบรวมแสง ซึ่งประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นทุกเปอร์เซ็นต์ช่วยลดต้นทุนและขนาดของส่วนประกอบหลักได้

โครงการในกุ้ยโจวยังเป็นการทดสอบว่าเทคโนโลยีนี้ทำงานได้ดีเพียงใดนอกห้องทดลอง การผลิตเหล็กเป็นหนึ่งในอุตสาหกรรมที่ใช้พลังงานมากที่สุด และสายการผลิตเผาผนึกกับเตาหลอมปล่อยความร้อนปริมาณมากที่อุณหภูมิสูงกว่า 700 องศาเซลเซียส (1,292 องศาฟาเรนไฮต์) การนำความร้อนนี้กลับมาใช้ช่วยปรับสมดุลพลังงานของโรงงานและลดการดึงไฟฟ้าจากโครงข่ายในพื้นที่ได้ อีกทั้งยังอาจลดการใช้น้ำเมื่อเทียบกับวงจรไอน้ำ ซึ่งเป็นประโยชน์ในภูมิภาคที่มีน้ำจำกัด

พลังงานจาก CO2 เหนือจุดวิกฤตคืออะไร และสำคัญอย่างไร

คาร์บอนไดออกไซด์เหนือจุดวิกฤตคือคาร์บอนไดออกไซด์ที่อยู่ในสภาวะอุณหภูมิและความดันสูงกว่าจุดวิกฤต ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 31 องศาเซลเซียสและ 74 บาร์ ในสภาวะนี้ คาร์บอนไดออกไซด์เป็นของไหลที่มีความหนาแน่นสูงและมีคุณสมบัติทั้งของก๊าซและของเหลว ความหนาแน่นดังกล่าวช่วยให้วิศวกรสร้างกังหันและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีขนาดกะทัดรัดได้ ในระบบผลิตพลังงาน sCO2 ของไหลจะไหลเวียนในวงจรปิด รับความร้อนจากแหล่งความร้อน ขยายตัวผ่านกังหันเพื่อหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า จากนั้นถ่ายเทความร้อนไปยังเครื่องหล่อเย็น ก่อนถูกอัดและส่งกลับไปยังแหล่งความร้อน วงจรนี้เรียกว่าวงจรเบรย์ตัน ซึ่งเป็นวงจรที่มีหลักการคล้ายกับวงจรกังหันก๊าซที่ใช้ในเครื่องยนต์เจ็ต แต่ใช้ CO2 เป็นของไหลทำงานและมีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบรีคูเพอเรเตอร์เพื่อหมุนเวียนความร้อนภายในวงจรกลับมาใช้ใหม่

การทำงานของวงจร

ที่โรงงานเหล็ก ก๊าซร้อนจากการเผาผนึกและกระบวนการที่เกี่ยวข้องจะไหลผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งถ่ายเทพลังงานเข้าสู่วงจร sCO2 คาร์บอนไดออกไซด์ที่ได้รับความร้อนจะขยายตัวผ่านกังหันและหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า หลังผ่านกังหัน CO2 ยังมีความร้อนเหลืออยู่มาก จึงไหลผ่านรีคูเพอเรเตอร์เพื่ออุ่นของไหลที่ไหลเข้ามา ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ จากนั้นของไหลจะถ่ายเทความร้อนที่เหลือให้เครื่องหล่อเย็น ถูกอัด และไหลกลับไปยังเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อเริ่มกระบวนการซ้ำ เนื่องจาก CO2 ที่อยู่ใกล้จุดวิกฤตอัดได้ง่ายกว่าก๊าซทั่วไป วงจรจึงใช้พลังงานในการอัดน้อยลง ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพสุทธิ

ข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพและขนาด

วงจรแรงคินที่ใช้ไอน้ำแบบดั้งเดิมเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาเต็มที่และเชื่อถือได้ แต่ประสิทธิภาพจะเพิ่มได้ไม่มากหากไม่มีอุณหภูมิและความดันสูงมาก อีกทั้งอุปกรณ์ยังมีขนาดใหญ่ รายงานจากโครงการในจีนและโครงการนำร่องนานาชาติระบุว่า วงจร sCO2 ที่ทำงานในอุณหภูมิสูงอาจมีประสิทธิภาพเชิงความร้อนเกิน 50 เปอร์เซ็นต์ ขณะที่วงจรไอน้ำสมัยใหม่ในสภาวะใกล้เคียงกันทำได้ราว 40 เปอร์เซ็นต์ สำหรับการนำความร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้ ประสิทธิภาพที่แน่นอนขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของแหล่งความร้อนและการออกแบบอุปกรณ์ แต่แนวทาง sCO2 ช่วยเพิ่มสัดส่วนความร้อนที่เปลี่ยนเป็นพลังงานได้อย่างมาก อุปกรณ์ยังมีขนาดกะทัดรัด เพราะ CO2 มีความหนาแน่นมากกว่าไอน้ำ จึงใช้กังหันและท่อขนาดเล็กกว่ามากเมื่อเทียบที่กำลังการผลิตเท่ากัน

เหตุใดโรงงานเหล็กจึงเป็นแหล่งความร้อนที่เหมาะอย่างยิ่ง

โรงงานเหล็กใช้พลังงานมหาศาลในกระบวนการเผาผนึก ผลิตโค้ก และรีดร้อน การเผาผนึกทำให้แร่ละเอียดเกาะรวมกันที่อุณหภูมิซึ่งมักสูงกว่า 700 องศาเซลเซียส จากนั้นเตาหลอมและช่องทางระบายก๊าซจะพาความร้อนออกจากกระบวนการ วงจร CO2 เหนือจุดวิกฤตสามารถดักรับความร้อนส่วนนี้ผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทนทาน และนำพลังงานส่วนใหญ่ที่มิฉะนั้นจะสูญเปล่ากลับมาใช้ได้

การใช้งานในภาคอุตสาหกรรมยังมีข้อดีเพิ่มเติม ระบบผลิตพลังงาน sCO2 ใช้น้ำน้อยมากเมื่อเทียบกับระบบไอน้ำ เพราะไม่จำเป็นต้องใช้น้ำป้อนหม้อไอน้ำปริมาณมากหรือหอหล่อเย็นแบบเปียก CO2 ในฐานะของไหลทำงานค่อนข้างเฉื่อยและกัดกร่อนโลหะผสมหลายชนิดน้อยกว่าไอน้ำอุณหภูมิสูง จึงช่วยบรรเทาความท้าทายด้านวัสดุบางประการ วงจรปิดยังหมายความว่าไม่มีการระบาย CO2 ออกระหว่างการทำงานตามปกติ แม้อาจเกิดการสูญเสีย CO2 ในระบบปริมาณเล็กน้อยซึ่งต้องมีการจัดการ แต่ระบบนี้ไม่ต้องพึ่งพาการจัดส่ง CO2 ใหม่อย่างต่อเนื่อง

สำหรับผู้ดำเนินงานโรงงาน คุณสมบัติเหล่านี้หมายถึงระบบผลิตพลังงานที่ใช้พื้นที่น้อยลง อุปกรณ์ประกอบลดลง และเดินเครื่องได้ยืดหยุ่นมากขึ้น การเริ่มและหยุดเดินเครื่องทำได้เร็วกว่าแบบไอน้ำ ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อกระบวนการที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงตลอดวัน

เทคโนโลยีนี้ขยายไปสู่พลังงานนิวเคลียร์และพลังงานแสงอาทิตย์ได้หรือไม่

การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ขั้นสูงหลายแบบให้ความร้อนขาออกที่เหมาะกับกังหัน sCO2 เครื่องปฏิกรณ์ก๊าซอุณหภูมิสูง เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมเหลว และเครื่องปฏิกรณ์เร็วระบายความร้อนด้วยโซเดียม ต่างมุ่งให้แกนปฏิกรณ์มีอุณหภูมิสูงกว่าเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดัน และ sCO2 สามารถนำความร้อนนั้นมาใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ กังหันขนาดกะทัดรัดยังเหมาะกับเครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็ก ซึ่งให้ความสำคัญกับพื้นที่และความเรียบง่าย

หลักการเดียวกันนี้ใช้ได้กับพลังงานแสงอาทิตย์แบบรวมแสง ซึ่งกักเก็บความร้อนไว้ในเกลือหลอมเหลว ก่อนส่งเข้าสู่ระบบผลิตพลังงาน แผนสาธิตในจีนมุ่งปรับปรุงโรงไฟฟ้าหอรับพลังงานแสงอาทิตย์ระดับสาธิตที่เมืองตุนหวง โดยเปลี่ยนจากระบบไอน้ำเป็นระบบผลิตพลังงาน sCO2 เพื่อประเมินความพร้อมของผู้จัดหาอุปกรณ์และพฤติกรรมการเดินเครื่อง ความพยายามนี้เน้นให้เห็นองค์ประกอบสำคัญสองส่วน ได้แก่ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เชื่อถือได้ระหว่างเกลือหลอมเหลวกับ CO2 และชุดคอมเพรสเซอร์ที่จัดการ CO2 ใกล้จุดวิกฤตได้ ทั้งสองส่วนเป็นงานที่ท้าทาย แต่ความก้าวหน้าด้านวัสดุ ซีล และระบบควบคุมกำลังทำให้การพัฒนาเข้าใกล้ความเป็นจริง

หากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและเครื่องจักรกลหมุนมีความทนทานในโรงไฟฟ้าจริง เส้นทางสู่ระบบผลิตพลังงาน sCO2 ขนาดใหญ่ขึ้นก็จะชัดเจนกว่าเดิม ประโยชน์ที่ได้ดึงดูดความสนใจ เพราะประสิทธิภาพวงจรที่สูงขึ้นหมายถึงใช้พื้นที่แผงรับแสงอาทิตย์หรือแกนปฏิกรณ์ขนาดเล็กลงเพื่อผลิตไฟฟ้าเข้าระบบได้เท่าเดิม และการใช้น้ำน้อยลงช่วยผ่อนคลายข้อจำกัดในการเลือกสถานที่ตั้ง

จีนสร้างโรงงานนี้อย่างไร และใครอยู่เบื้องหลังโครงการ

โรงงานในกุ้ยโจวเป็นผลจากโครงการระยะยาวของสถาบันพลังงานนิวเคลียร์แห่งประเทศจีน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ CNNC สถาบันแห่งนี้ทำงานด้านวงจร sCO2 กังหัน ตลับลูกปืน ซีล และระบบควบคุมมานานกว่าทศวรรษ โดยเผยแพร่ผลทดสอบส่วนประกอบและสร้างชุดทดสอบนำร่อง Jigang International Engineering and Technology ร่วมเป็นพันธมิตรด้านวิศวกรรมเพื่อบูรณาการระบบเข้ากับอุตสาหกรรมหนัก ส่วน Shougang Shuicheng Steel ซึ่งเป็นโรงงานเจ้าของพื้นที่ ได้จัดหาสถานที่และเปิดทางให้เข้าถึงกระแสความร้อนเหลือทิ้งคุณภาพสูง

แต่ละหน่วยมีกำลังการผลิต 15 เมกะวัตต์ การใช้สองหน่วยช่วยให้มีระบบสำรองและเปิดโอกาสให้ผู้ควบคุมทดสอบกลยุทธ์การควบคุมภายใต้สภาวะการผลิตจริง CNNC ระบุว่าโครงการนี้เป็นรากฐานสำหรับหน่วยผลิตในอนาคตสำหรับอุตสาหกรรมหนักและการผลิตพลังงาน โดยมีเป้าหมายกำหนดมาตรฐานโมดูลที่สามารถผลิตซ้ำและติดตั้งได้ในหลายพื้นที่ การผลิตซ้ำมีความสำคัญ เพราะความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจของการผลิตพลังงานจากความร้อนเหลือทิ้งจะเพิ่มขึ้นเมื่อผลิตอุปกรณ์ในปริมาณมากและติดตั้งได้โดยปรับแต่งเพียงเล็กน้อย

ผู้เชี่ยวชาญกล่าวว่าอย่างไร

นอกประเทศจีน กลุ่มวิจัยและทีมอุตสาหกรรมกำลังพิสูจน์ความน่าเชื่อถือของส่วนประกอบและระบบย่อย sCO2 อย่างต่อเนื่อง ในรัฐเท็กซัส โรงงานนำร่อง Supercritical Transformational Electric Power หรือ STEP กำลังผลิตไฟฟ้า 10 เมกะวัตต์ ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ และดำเนินการโดยกลุ่มพันธมิตร เสร็จสิ้นระยะแรกในปี 2024 และสาธิตการเดินเครื่องที่ความเร็วเต็มกำลังด้วยเครื่องจักรกลหมุนและระบบควบคุมที่ทำงานร่วมกัน นักวิจัยจาก Southwest Research Institute ซึ่งสนับสนุนโครงการนี้ เน้นย้ำความสำคัญของการทดสอบแบบบูรณาการ ที่คอมเพรสเซอร์ กังหัน เครื่องทำความร้อน เครื่องหล่อเย็น และซอฟต์แวร์ควบคุมทำงานร่วมกันเป็นโรงงานเดียว

Mark Hibbs นักวิจัยอาวุโสจาก Carnegie Endowment for International Peace ซึ่งศึกษาภาคนิวเคลียร์ของจีน กล่าวว่า จีนกำลังเร่งเดินหน้าเพื่อแสดงความเป็นผู้นำทางเทคนิค

จีนกำลังเดินหน้าเร็วมาก เร็วจริง ๆ พวกเขากระตือรือร้นอย่างยิ่งที่จะพิสูจน์ให้โลกเห็นว่าโครงการของพวกเขาไม่มีอะไรหยุดยั้งได้

Tim Allison ผู้อำนวยการแผนกเครื่องจักรของ Southwest Research Institute และผู้ทำงานในโครงการนำร่องที่เท็กซัส กล่าวถึงหมุดหมายของการเดินระบบผลิตพลังงาน sCO2 แบบบูรณาการที่ความเร็วเต็มกำลัง

การเดินระบบแบบบูรณาการถือเป็นความสำเร็จที่น่าจับตา หลังจากทีมประสบความสำเร็จในการทดสอบเดินเครื่องส่วนประกอบ และแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์ทั้งหมดทำงานร่วมกันได้ ทั้งระบบควบคุมโรงงาน คอมเพรสเซอร์ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน เครื่องทำความร้อน กังหัน และปริมาณ CO2 ในระบบ ตลอดจนระบบจ่ายไฟฟ้าและก๊าซ รวมถึงระบบน้ำหล่อเย็นของโรงงาน

ความท้าทายทางวิศวกรรมที่ยังต้องแก้ไข

ความท้าทายหลักคือการสร้างกังหันขนาดกะทัดรัด ประสิทธิภาพสูง ที่ทนต่ออุณหภูมิและความเร็วรอบสูง งานวิจัยในแวดวงวิชาการและอุตสาหกรรมระบุว่า โรเตอร์กังหันหมุนใกล้ 30,000 ถึง 40,000 รอบต่อนาที โดยใบพัดและตัวเรือนต้องเผชิญกับอุณหภูมิสูงกว่า 600 องศาเซลเซียส โลหะผสมนิกเกิลและเหล็กกล้าขั้นสูงเป็นวัสดุที่ใช้กันทั่วไปสำหรับกระบอกชั้นในและโรเตอร์ ส่วนตัวเรือนชั้นนอกใช้เหล็กกล้าเฟอร์ริติกเพื่อจัดการความเค้นและต้นทุน การเลือกวัสดุที่เหมาะสมต้องรักษาสมดุลระหว่างความแข็งแรง ความต้านทานการกัดกร่อน และการขยายตัวจากความร้อน เพื่อให้ช่องว่างมีขนาดแคบโดยไม่เกิดการเสียดสี

ซีลและตลับลูกปืนก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน ซีลก๊าซแห้งช่วยจำกัดการรั่วไหลของ CO2 บริเวณเพลา ขณะที่การออกแบบบางแบบศึกษาการใช้ตลับลูกปืนก๊าซแทนตลับลูกปืนน้ำมัน เพื่อลดความซับซ้อนของระบบหล่อลื่นและหลีกเลี่ยงปัญหาด้านความร้อน งานวิจัยเกี่ยวกับกังหันขนาด 25 เมกะวัตต์พบว่า การจัดวางลูกสูบปรับสมดุลไว้ภายในส่วนก๊าซหล่อเย็นช่วยลดความยาวโรเตอร์ ลดเส้นทางการรั่วไหล และลดการสูญเสียทางกล โรเตอร์ที่กะทัดรัดขึ้นช่วยเพิ่มเสถียรภาพและทำให้ตัวเรือนเรียบง่ายขึ้น แนวทางอีกแบบที่เปลี่ยนจากตลับลูกปืนน้ำมันเป็นตลับลูกปืนก๊าซช่วยลดความยาวเพลาลงอีก และไม่ต้องใช้ระบบหล่อเย็นและหล่อลื่นแยกต่างหาก การปรับปรุงเหล่านี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ

การควบคุมวงจรในช่วงที่สภาวะเปลี่ยนแปลงเป็นอีกประเด็นที่กำลังศึกษาอย่างจริงจัง การสาธิตในระดับขนาดเล็กแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนความเร็วปั๊ม ปริมาณความร้อนขาเข้า และภาระโหลด อาจทำให้ความดันและอัตราการไหลพุ่งสูงเกินค่าที่ต้องการก่อนที่ระบบจะเข้าสู่เสถียรภาพ วิศวกรจำลองชุดค่าผสมของอัตราการไหลเชิงมวล อัตราส่วนความดัน และความเร็วรอบ เพื่อระบุช่วงการทำงานที่เสถียร ซึ่งให้กำลังและประสิทธิภาพสูงสุด การทดสอบเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหัน sCO2 ขนาดเล็กทำกำลังไฟฟ้าได้หลายสิบกิโลวัตต์ โดยวัดประสิทธิภาพรวมได้เกือบ 59 เปอร์เซ็นต์ภายใต้สภาวะเหมาะสม สะท้อนทั้งศักยภาพและความจำเป็นของการควบคุมอย่างละเอียด

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ถ่ายเทพลังงานระหว่างก๊าซอุตสาหกรรมสกปรกกับวงจร CO2 สะอาดต้องทนต่อการเกาะสะสมของสิ่งสกปรกและความเค้นจากความร้อน ส่วนรีคูเพอเรเตอร์ภายในวงจร CO2 ต้องมีการออกแบบที่กะทัดรัดและมีพื้นที่ผิวสูง เพื่อหมุนเวียนความร้อนกลับมาใช้โดยไม่ทำให้ความดันลดลงมาก คอมเพรสเซอร์ต้องทำงานอย่างมีประสิทธิภาพใกล้จุดวิกฤตของ CO2 ซึ่งการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเพียงเล็กน้อยอาจทำให้ความหนาแน่นเปลี่ยนแปลงและกระทบประสิทธิภาพ หากระบบควบคุมตอบสนองไม่รวดเร็ว

เดิมพันด้านสิ่งแวดล้อมและนโยบาย

จีนให้คำมั่นว่าจะทำให้การปล่อยคาร์บอนถึงจุดสูงสุดก่อนปี 2030 และบรรลุความเป็นกลางทางคาร์บอนก่อนปี 2060 การลดมลพิษจากพลังงานที่ขับเคลื่อนอุตสาหกรรมหนักเป็นหัวใจสำคัญของแผนดังกล่าว การนำความร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้ด้วย sCO2 ช่วยได้สองทาง คือ ลดการดึงไฟฟ้าสุทธิจากโครงข่ายที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลของโรงงาน และลดการใช้น้ำในพื้นที่ที่วงจรไอน้ำแบบดั้งเดิมต้องใช้น้ำหล่อเย็นปริมาณมาก สำหรับโครงการพลังงานนิวเคลียร์และพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นช่วยลดต้นทุนไฟฟ้าสะอาดโดยตรง

นักวิเคราะห์บางรายยังชี้ถึงความเป็นไปได้ของการทำงานร่วมกับการดักจับคาร์บอน ในทางทฤษฎี CO2 ที่ดักจับได้อาจนำมาใช้เป็นของไหลในวงจรปิด ทำให้ก๊าซส่วนหนึ่งเกิดประโยชน์ อย่างไรก็ตาม วงจรผลิตพลังงานต้องใช้ CO2 ที่สะอาดและแห้งเพื่อปกป้องเครื่องจักรกลหมุนและลดการกัดกร่อน อีกทั้งวงจรยังเป็นระบบปิด จึงไม่ได้ใช้ CO2 ใหม่อย่างต่อเนื่อง การบูรณาการกับระบบดักจับจะมุ่งเน้นการใช้ขั้นตอนจัดการ จัดเก็บ และทำให้บริสุทธิ์ร่วมกัน มากกว่าการใช้ CO2 เป็นวัตถุดิบที่นำไปเผาหรือแปรสภาพ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าใหม่ยังตอบโจทย์ข้อจำกัดด้านทรัพยากร การประหยัดน้ำอาจมีมากในพื้นที่แห้งแล้งซึ่งขาดแคลนน้ำหล่อเย็น ระบบผลิตพลังงานขนาดกะทัดรัดอาจติดตั้งบนเรือหรือในพื้นที่อุตสาหกรรมห่างไกล ช่วยเสริมความมั่นคงทางพลังงานด้วยการเปลี่ยนความร้อนในพื้นที่ให้เป็นไฟฟ้าที่ผลิตได้ในพื้นที่เดียวกัน

การแข่งขันระดับโลกและก้าวต่อไป

ทีมงานในสหรัฐฯ ยุโรป และเอเชีย ต่างกำลังพัฒนาความน่าเชื่อถือของส่วนประกอบ sCO2 และการบูรณาการระบบโรงไฟฟ้า โครงการ STEP ในเท็กซัสก้าวจากการทดสอบเดินเครื่องส่วนประกอบไปสู่การเดินระบบแบบบูรณาการ และผลิตไฟฟ้าได้ในระยะแรก ช่วยเพิ่มความเชื่อมั่นว่าเทคโนโลยีนี้สามารถขยายขนาดและทำซ้ำได้ หน่วยผลิตในกุ้ยโจวของจีนเป็นการติดตั้งเชิงพาณิชย์แห่งแรกที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าและใช้ในกระบวนการอุตสาหกรรม โดยจะให้ข้อมูลเกี่ยวกับการเดินเครื่องตลอดวันตลอดคืน รอบการบำรุงรักษา และความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจของการผลิตไฟฟ้าจากความร้อนเหลือทิ้งในกระบวนการผลิตเหล็ก

จากนี้ไป มีแนวโน้มว่าจะติดตั้งหน่วยผลิตเพิ่มเติมในโรงงานเหล็กและปูนซีเมนต์ หากผลการดำเนินงานเป็นไปตามที่กล่าวอ้างเมื่อทดสอบต่อเนื่องเป็นรายเดือนและรายปี โครงการพลังงานแสงอาทิตย์แบบรวมแสงกำลังประเมินระบบผลิตพลังงาน sCO2 เพื่อลดขนาดอาคารกังหันและเพิ่มกำลังผลิต นักออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ขั้นสูงวางแผนใช้ sCO2 เป็นระบบแปลงพลังงานมาตรฐาน โดยแทนที่โรงไฟฟ้าไอน้ำขนาดใหญ่ด้วยกังหันและรีคูเพอเรเตอร์ขนาดกะทัดรัด แหล่งพลังงานนิวเคลียร์เคลื่อนที่สำหรับพื้นที่ห่างไกลก็ได้ประโยชน์จากอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัด และความหนาแน่นของ CO2 ช่วยให้กังหันมีขนาดเล็กสำหรับกำลังการผลิตที่กำหนด

ห่วงโซ่อุปทานของอุปกรณ์จะมีความสำคัญ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประสิทธิภาพสูง ซีลก๊าซแห้ง และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าความเร็วสูงต้องมีผู้จัดหาหลายราย มาตรฐานและข้อกำหนดสำหรับภาชนะรับความดัน ท่อ และซีลที่ใช้กับ CO2 จะต้องได้รับการพัฒนาให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น การฝึกอบรมผู้ควบคุมให้เดินเครื่องและแก้ไขปัญหาของวงจรได้อย่างปลอดภัยจะเป็นส่วนหนึ่งของการนำเทคโนโลยีไปใช้เชิงพาณิชย์ การสาธิตและผลิตซ้ำอย่างต่อเนื่องจะช่วยลดต้นทุนและโน้มน้าวให้เจ้าของโรงงานหันมาใช้เทคโนโลยีนี้ในวงกว้าง

สรุปประเด็นสำคัญ

• จีนเชื่อมหน่วยผลิตไฟฟ้า CO2 เหนือจุดวิกฤตสองหน่วย กำลังการผลิตหน่วยละ 15 เมกะวัตต์ เข้ากับโครงข่ายไฟฟ้าที่โรงงานเหล็กในเมืองลิ่วผานสุ่ย มณฑลกุ้ยโจว
• ระบบใช้ความร้อนเหลือทิ้งจากการเผาผนึกเหล็กเพื่อผลิตไฟฟ้า และระบุว่าสามารถเปลี่ยนความร้อนเหลือทิ้งเป็นพลังงานได้ดีกว่าระบบที่ใช้ไอน้ำอย่างน้อย 50 เปอร์เซ็นต์
• วงจร sCO2 ทำงานในระบบปิดโดยใช้ CO2 ที่มีอุณหภูมิและความดันสูงกว่าจุดวิกฤต จึงใช้กังหันขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสูงขึ้นที่อุณหภูมิสูง
• ระบบผลิตพลังงานใช้น้ำน้อยและติดตั้งในพื้นที่จำกัดได้ จึงเหมาะกับอุตสาหกรรมหนัก เรือ และระบบพลังงานในพื้นที่ห่างไกล
• เครื่องปฏิกรณ์ขั้นสูงและโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบรวมแสงเป็นกลุ่มที่มีศักยภาพนำระบบ sCO2 ไปใช้ เนื่องจากให้ความร้อนอุณหภูมิสูงตามที่วงจรต้องการ
• งานวิศวกรรมสำคัญที่ต้องพัฒนาต่อ ได้แก่ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทนทาน คอมเพรสเซอร์ประสิทธิภาพสูงที่ทำงานใกล้จุดวิกฤต และกังหันความเร็วสูงที่มีซีลและตลับลูกปืนแข็งแรง
• โครงการนำร่องของสหรัฐฯ ในรัฐเท็กซัสเดินระบบ sCO2 แบบบูรณาการกำลังผลิตไฟฟ้า 10 เมกะวัตต์ และผลิตไฟฟ้าได้ในระยะแรก แสดงให้เห็นความก้าวหน้านอกประเทศจีน
• โครงการของจีนเป็นแหล่งข้อมูลระดับเชิงพาณิชย์แห่งแรกเกี่ยวกับการเปลี่ยนความร้อนเหลือทิ้งจากอุตสาหกรรมเป็นไฟฟ้าด้วย sCO2
• การประหยัดน้ำและการเพิ่มประสิทธิภาพสนับสนุนเป้าหมายลดการปล่อยคาร์บอนและความเป็นกลางทางคาร์บอนของจีน พร้อมยกระดับการใช้พลังงานในอุตสาหกรรมหนัก
• การขยายการใช้งานขึ้นอยู่กับความพร้อมของผู้จัดหา ความน่าเชื่อถือในการเดินเครื่อง และความคุ้มค่าของการผลิตซ้ำและติดตั้งในโรงงานหลายแห่ง