Tua bin chạy bằng CO2 "siêu hiệu quả"

Công nghệ số làm thay đổi tương lai ngành dầu khí
Lưới điện siêu nhỏ cho đảo xa

Tua bin chạy bằng CO_2.

Kỹ sư Doug Hofer của GE Global Research đang phát triển một tua-bin thu gọn và hiệu suất cao có thể nằm gọn trên mặt bàn họp nhưng có công suất 10 MW, đủ dùng cho 10.000 hộ dân Mỹ. Chiếc tua bin và vỏ bọc được làm từ siêu hợp kim nền niken để có thể chịu được mức nhiệt đến 715ºC và áp suất đến 248 bar, thay thế hơi nước bằng CO₂ siêu nóng và siêu nén.

Thiết kế của tua bin hơi nước đã luôn được cải thiện kể từ lần đầu Thomas Edison dùng một máy phát hơi nước tại Nhà máy Pearl Street Station để cấp điện cho một số vùng Manhattan hạ vào năm 1892. Nếu trước đây Edison phải chật vật mới đạt được hiệu suất lò hơi và máy phát là 1,6% thì hiệu suất của cỗ máy “trên siêu tới hạn” gần đây nhất đã vừa chạm mốc 47,5%.

Doug Hofer, nhà khoa học đứng sau những thành quả này, chỉ vừa mới khởi động. Ông là kỹ sư tại trụ sở GE Global Research ở Niskayuna, New York đang phát triển một tua bin thu gọn nhưng “siêu hiệu quả” sử dụng CO₂ siêu nóng và siêu nén thay vì hơi nước.

Chiếc tua bin tương thích với tất cả các nhà máy nhiệt điện và các nhà máy điện mặt trời hội tụ sản xuất điện từ hơi nóng mặt trời. Công nghệ này được phát triển bởi GE và Viện Nghiên cứu Southwest, thuộc một dự án nghiên cứu với chương trình SunShot Initiative của Cục Năng lượng Mỹ.

Sự kết hợp của nhiệt độ và áp suất cao là những yếu tố cho phép Hofer thiết kế một tua bin nằm gọn trên một chiếc bàn họp nhưng có công suất 10 MW điện, đủ dùng cho 10.000 hộ dân ở Mỹ.

Hofer từng được biết đến trên GE Reports trong bài viết về mẫu tua-bin bằng nhựa in 3D đăng vào năm ngoái. Từ đó, nhóm của ông, cùng với Viện Nghiên cứu Southwest và Viện Công nghệ khí đã gửi thiết kế đến Cục Năng lượng Mỹ và được thưởng 80 triệu  UDS để phát triển chiếc tua bin 10 MW.

Chiếc tua bin này có một rô to dài 1,37 m, đường kính gần 18,8 cm và chỉ nặng 68 kg. Các kỹ sư đang hoàn thiện một phiên bản nhỏ hơn có công suất 1 MW và sẽ tiến hành thử nghiệm vào tháng 7 tại Viện nghiên cứu Southwest.

Ý tưởng sử dụng CO₂ làm nguồn nhiên liệu cho tua-bin khí đã từng được đưa ra trước đây. Lần đầu tiên người ta nghe đến nó là vào cuối những năm 1960, và vào năm 2004, một học viên nghiên cứu sinh MIT đã làm “sống dậy” ý tưởng này.

“Ngành công nghiệp đang thực sự hứng thú với lợi ích tiềm năng của việc thay hơi nước bằng CO₂ trong những nhà máy điện siêu tới hạn tiên tiến,” Hofer nói.

Với cụm từ “siêu tới hạn”, Hofer ám chỉ những trạm điện hiệu quả dùng CO₂ nén rất chặt và rất nóng đến mức khí này biến thành một chất lỏng siêu tới hạn có tính chất của cả khí và chất lỏng. Nhà máy nhiệt điện hiệu quả nhất thế giới hiện nay, RDK 8 ở Đức, dùng một tua bin “trên siêu tới hạn” hoạt động ở nhiệt độ 600ºC và áp suất 275 bar, cao hơn lực của một viên đạn bắn vào vật thể rắn.

Theo ông Hofer, công nghệ này đang trên đà tăng hiệu suất và nhiệt độ hơi nước, nhưng khi đạt 700ºC, “chu trình CO₂ sẽ có hiệu suất cao hơn chu trình hơi nước”.

Chiếc tua bin và vỏ bọc được làm từ siêu hợp kim nền niken để có thể chịu được mức nhiệt đến 715ºC và áp suất đến 248 bar. “Bạn cần một vật liệu cực bền cho một thiết kế như thế này,” ông Hofer nói.

Nhiệt độ và áp suất “của địa ngục” kể trên biến CO₂ thành một chất lỏng nóng, cô đặc, cho phép Hofer thu nhỏ kích thước tua bin và có thể tăng hiệu suất của nó thêm vài điểm so với các cỗ máy hiện đại nhất hiện nay.

“Áp suất và độ đậm đặc của chất lỏng ở cửa ra của tua-bin quyết định kích thước của tua bin hơi nước,” Hofer nói. “Vì thế, bạn có thể có một tua-bin nhỏ hơn bởi lượng vật chất cần đẩy ở cửa ra đã cô đặc hơn.”

Thiết kế của Hofer sử dụng một lượng nhỏ CO₂ trong một vòng khép kín. “Cần nhớ rằng nó không phải là công nghệ tích trữ hay cô lập CO₂,” ông cho biết. Ông nói rằng công nghệ này, thuộc một chương trình của GE Ecomagination, một ngày nào đó có thể thay thế các tua bin hơi nước. “Công nghệ này nằm trong lộ trình phát triển nhà máy điện hơi nước ‘đa thế hệ’,” ông nói.

Nhờ hiệu suất cao hơn, công nghệ này có thể giúp giảm phát thải khí nhà kính cho các nhà máy điện. “Hiệu suất biến than thành điện có ý nghĩa lớn: nhà máy hiệu suất cao hơn tiêu tốn ít nhiên liệu hơn và thải ra ít CO₂ hơn,” các tác giả viết trong báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế về năng suất của nhà máy điện than.

Nâng hiệu suất trung bình của các nhà máy điện than hiện tại, nơi đun nóng và biến nước (hoặc CO₂) thành hơi nước, từ 33% lên 40% bằng việc triển khai các công nghệ tiên tiến hơn có thể cắt giảm 2 tỉ tấn CO₂ mỗi năm, tương đương với phát thải CO₂ của Ấn Độ, theo Hiệp hội Than thế giới.

THANH HUYỀN