Xây dựng nhà máy điện CO2 siêu giới hạn 10 MW

54
Nhà máy đi vào hoạt động sẽ cấp điện cho 10.000 hộ gia đình ở Mỹ.

Nguồn ảnh: GE Global Research

Tháng 10 vừa qua, Viện nghiên cứu Tây Nam (SwRI) khởi công dự án nhà máy điện 10 megawatt sử dụng cacbon điôxít (CO2) siêu tới hạn đầu tiên trên thế giới tại San Antonio, Hoa Kỳ.

“Siêu tới hạn” là trạng thái của CO2 khi tuần hoàn qua hệ thống, đẩy các cánh quạt và làm quay tua-bin. CO2 có dạng khí ở nhiệt độ phòng và hình thành “đá khô” khi đóng băng. Còn ở nhiệt độ và áp suất cao, nó vừa có tính chất của thể lỏng nhưng vẫn có thể khuếch tán như chất khí để lấp đầy không gian. Các dự án thí điểm quy mô nhỏ cho thấy tua-bin chạy bằng CO2 siêu tới hạn tương đối nhỏ gọn, có thể đặt vừa trên bàn họp và có hiệu suất cao hơn tua-bin hơi nước.

Nhà máy ở San Antonio là một phần của dự án hợp tác trị giá US$119 triệu giữa GE, SwRI, Viện Công nghệ Khí gas (GTI) và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Công trình này sẽ là tua-bin cacbon điôxít lớn nhất từng được chế tạo. Nó sẽ tạo ra 10 megawatt, đủ sức cấp điện cho 10.000 hộ gia đình Mỹ và sẽ vận hành ở 700 độ C. Đây sẽ là nguồn điện lớn hơn hàng trăm lần và có mức nhiệt cao hơn 200 độ so với nhà máy CO2 100 kilowatt đang hoạt động tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia ở New Mexico.

 

Viện nghiên cứu Tây Nam đã khởi công dự án trị giá US$119 triệu để xây dựng nhà máy điện 10 megawatt đầu tiên trên thế giới sử dụng cácbon điôxít (CO2) siêu tới hạn thay vì hơi nước. Kỹ sư Douglas Hofer thuộc GE Global Research, người phát triển tua-bin, cho biết: “Chúng tôi hy vọng sẽ chứng minh được rằng nhà máy có thể vận hành ở quy mô lớn với độ an toàn cao và hệ thống kiểm soát tốt”. Nguồn ảnh: GTI.

Mục đích của cơ sở mới là để chứng minh các tua-bin CO2 nhỏ có thể mở rộng quy mô thành các nhà máy công nghiệp. Douglas Hofer, kỹ sư phát triển tua-bin tại trụ sở GE Global Research ở Niskayuna, New York, cho biết: “Chúng tôi hy vọng sẽ chứng minh được rằng nhà máy có thể vận hành ở quy mô lớn với độ an toàn cao và hệ thống kiểm soát tốt”.

Nhóm nghiên cứu sẽ xem xét kỹ các biến số vận hành để xác định hiệu suất tua-bin, như nhiệt độ CO2 khi đi vào tua-bin, áp suất tại các van chính và trạng thái vật liệu tại các khớp nối và vòng đệm chính.

Một mục tiêu quan trọng của dự án là tìm ra cách khởi động tua-bin chính xác. Giống như việc xoay chìa chỉ là bước đầu tiên để nổ máy ô tô thì khởi động tua-bin khí cũng gồm nhiều bước. Khác biệt là, việc tăng tốc tua-bin CO2 từ nhiệt độ phòng lên nhiệt độ và áp suất cao gây nhiều áp lực cho các bộ phận máy hơn là trong động cơ xe hơi.

“Đây là một chu kỳ năng lượng nhiệt động học, vì vậy mọi thứ bắt đầu ở nhiệt độ thấp,” Hofer cho hay. “Ta phải làm nóng chúng theo cách có kiểm soát, tránh gây áp lực cho nhiều bộ phận. Ngoài ra, phải lấy đúng lượng CO2 ở nhiệt độ phù hợp. Khi nào có thể bắt đầu quay tua-bin theo đúng trình tự? Làm thế nào để tránh CO2 lỏng chuyển sang trạng thái ngưng tụ hoặc đá khô? Chúng tôi phải kiểm soát tất cả những điều này”.

Nhờ hiệu suất cao của nhiên liệu đốt là CO2 siêu tới hạn, tua-bin có thể nhỏ bằng 1/10 kích thước của các bộ phận nhà máy điện thông thường, giúp giảm ảnh hưởng lên môi trường cũng như tiết kiệm chi phí xây dựng cơ sở mới. Nguồn ảnh: Viện nghiên cứu Tây Nam.

Khi các tua-bin đi vào hoạt động, vấn đề tiếp theo là làm thế nào để cân bằng tải trên lưới điện. Cả tua-bin thông thường và tua-bin CO2 đều có thể điều chỉnh sản lượng bằng cách tăng hoặc giảm nhiệt độ chất khí (hơi nước hoặc CO2) đi vào tua-bin. Người vận hành cũng có thể điều chỉnh lượng CO2 làm quay tua-bin. “Vì có thể thay đổi được lượng CO2 trong vòng lặp và từ đó thay đổi tốc độ lưu thông, chúng tôi có thể tạo ra sản lượng thấp hơn với cùng nhiệt độ đầu vào của tua-bin,” Hofer nói. Điều đó cho phép thiết bị hoạt động hiệu quả hơn.

Hofer hy vọng GE sẽ bắt đầu thu thập dữ liệu của nhà máy mới từ năm 2020 đến năm 2022. Ngoài ra, công ty cũng có thể tìm cách áp dụng các bài học kinh nghiệm của mình vào các nhà máy điện mặt trời tập trung và các nhà máy hạt nhân thế hệ tiếp theo vì những công trình này cũng sử dụng các hệ thống nhiệt động học vòng kín tương tự.

Mặc dù dự án mới triển khai được hai năm, GE đã bắt đầu nghiên cứu về tua-bin CO2 từ sớm khi ký hợp đồng với Bộ Năng lượng hồi năm 2012.

Nhà máy điện sử dụng CO2 siêu tới hạn sẽ nhỏ hơn các nhà máy điện hiện nay, nhưng công suất thậm chí có thể cao hơn. Nguồn ảnh: Viện nghiên cứu Tây Nam.

 

Theo Fred Guterl

BÌNH LUẬN CỦA BẠN