Tua bin hơi nước vẫn sản xuất ra phần lớn năng lượng của thế giới, nhưng supercritical carbon dioxide hứa hẹn sẽ rẻ hơn nhiều và hiệu quả hơn 10% so với nước, sử dụng tua bin nhỏ hơn 10 lần. Một nhà máy thí điểm trị giá 155 triệu USD hiện đã hoàn thành ở San Antonio.
Các dải băng đã được cắt tại nhà máy thí điểm Năng lượng điện biến đổi supercritical (STEP) ở Texas vào ngày 27 tháng 10 khi nó được các đối tác dự án là Viện Nghiên cứu Tây Nam (SwRI), GTI Energy, GE Vernova và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tuyên bố là “hoàn thiện về mặt cơ khí”.
Thiết bị trong hình trên là tuabin supercritical carbon dioxide đầu tiên trên thế giới. Có kích thước gần bằng một chiếc bàn làm việc, là một tuabin công suất 10 megawatt có khả năng cung cấp năng lượng cho khoảng 10.000 ngôi nhà. Mười megawatt là một con số khá nhỏ trong lĩnh vực kinh doanh năng lượng, nhưng để làm được điều đó với một tuabin nhỏ bé như thế này thì sao? Điều đó có thể chứng tỏ là một kỳ công mang tính cách mạng.
Carbon dioxide trở nên supercritical khi nhiệt độ và áp suất lần lượt trên khoảng 31 °C (88 °F) và 74 bar (1.070 psi). Tại thời điểm này, nó không còn hoạt động như chất khí hoặc chất lỏng nữa mà thay vào đó bắt đầu hoạt động giống như chất khí với mật độ của chất lỏng. Sau thời điểm này, những thay đổi tương đối nhỏ về nhiệt độ có thể gây ra những thay đổi đáng kể về mật độ.
Tất nhiên, nước cũng có thể đạt đến mức supercritical – nó chỉ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn, đòi hỏi nhiệt độ và áp suất trên 373 °C (703 °F) và 220 bar (3.191 psi).
Các đặc tính của chất lỏng supercritical CO2 này khiến nó trở nên lý tưởng để khai thác năng lượng trong hệ thống khép kín. Trở lại năm 2016, General Electric đã thông báo rằng họ sẽ bắt đầu xây dựng một nhà máy thí điểm để chứng minh ý tưởng này trong một hệ thống lắp đặt phù hợp về mặt thương mại, kỳ vọng sẽ đạt được 10 MW với hiệu suất khai thác 50% – tốt hơn khoảng 10% so với các tua-bin hơi nước hiện tại hoạt động vào giữa những năm 40 – sử dụng tua-bin có kích thước bằng 1/10.
Tua bin như vậy có thể giảm đáng kể chi phí vốn khi thiết lập bất kỳ máy phát điện nào phụ thuộc vào nhiệt và tua bin; Các tuabin nhỏ hơn không chỉ rẻ hơn mà còn nhỏ gọn hơn rất nhiều nên bạn sẽ cần ít đất hơn cho một nhà máy điện nhất định. Nó cũng sẽ tạo ra nhiều năng lượng hơn từ một nguồn nhiệt nhất định và theo mặc định sẽ giảm lượng khí thải carbon trên mỗi đơn vị ngay cả của các máy phát điện chạy bằng than và khí đốt.
Và trên hết, việc khởi động và bật sẽ nhanh hơn nhiều. Chạy ở nhiệt độ khoảng 700°C (1.292°F), các nguyên mẫu của GE mất khoảng hai phút để bắt đầu tạo ra năng lượng, trong khi tua-bin hơi nước mất ít nhất nửa giờ. Vì vậy, các tua-bin CO2 này sẽ đáp ứng nhu cầu tải nhanh hơn nhiều, khiến chúng càng trở nên hữu ích hơn trong lưới điện dựa trên năng lượng tái tạo.
Sau khi được chứng minh, công nghệ này có thể mở rộng quy mô đến các kích cỡ phù hợp với tiện ích và bắt đầu thay thế tua-bin hơi nước trong các nhà máy điện. Điều đó bao gồm các nhà máy sử dụng nhiên liệu hóa thạch, cũng như một số cơ sở hạt nhân, địa nhiệt, năng lượng mặt trời tập trung và các cơ sở lắp đặt khác.
Vẫn còn nhiều việc phải làm trước khi nhà máy thí điểm được đưa vào vận hành nhưng tập đoàn dự kiến nó sẽ bắt đầu hoạt động vào năm 2024.
Chủ tịch kiêm Giám đốc điều hành SwRI Adam Hamilton cho biết trong một thông cáo báo chí: “STEP chắc chắn sẽ thay đổi cách chúng ta nghĩ về việc sản xuất điện. “Thật thú vị khi chính thức ra mắt nhà máy thí điểm này, nơi có công nghệ mang tính cách mạng tiềm năng được phát triển ngay tại SwRI.”