Superkritický CO₂ jako médium energetických oběhů

Unikátní fyzikální vlastnosti oxidu uhličitého v superkritickém stavu představují možnost jeho využití jako pracovního média energetických konverzních oběhů. Především díky malým rozměrům klíčových komponent a předpokladu vysoké účinnosti cyklu má tato technologie velký potenciál nahradit v některých oblastech klasické parní cykly. Inovativní tepelné oběhy se superkritickým CO₂ mohou významně přispět k dekarbonizaci energetiky a průmyslu, což je celosvětově považováno za klíčové téma a nevyhnutelný trend.

Oxid uhličitý ve spojení s emisemi skleníkových plynů při spalování fosilních paliv v energetice a dopravě je kvůli dopadu na životní prostředí vnímán negativně. Existuje však odvětví technologického vývoje, kde využívání CO₂ může paradoxně naopak pozitivně přispívat k transformaci a dekarbonizaci velké energetiky. Jde o využití CO₂ jako pracovního média termodynamických oběhů určených pro transformaci tepelné energie na elektrickou, tedy o alternativu k nejčastěji využívané vodní páře (v obězích uhelných či jaderných elektráren a tepláren) nebo ke spalinám v případě využití plynové turbíny. Výhodných fyzikálních charakteristik takové technologie je však dosaženo až ve chvíli, kdy je CO₂ v oběhu udržován v superkritickém stavu. Ten nastává, když teplota a tlak překročí kritický bod (obr. 1). V takovém stavu médium není ani kapalné, ani plynné, ale přitom umožňuje kombinovat výhodné fyzikální vlastnosti obou těchto lépe představitelných skupenství. Hustota těsně nad kritickým bodem je totiž blízká kapalině, zatímco z hlediska viskozity se médium podobá plynům. A právě tyto vlastnosti lze velmi dobře uplatnit při návrhu zařízení energetických procesů.

Fázový diagram CO₂.

Tepelné oběhy se superkritickým CO₂ (sCO₂) procesně odpovídají známým Braytonovým oběhům s plynovou turbínou.1 Protože nízká stlačitelnost média v okolí kritického bodu snižuje potřebnou práci kompresoru, lze při vhodné konfiguraci a vhodných provozních podmínkách dosáhnout v porovnání s konvenčními technologiemi až o několik procent vyšších účinností cyklu. Za vhodné podmínky lze považovat vstupní teploty na turbínu alespoň 550 °C a tlak ve vysokotlaké části oběhu kolem 25 MPa. Při ještě vyšších teplotách (nad 600 °C) lze teoreticky dosáhnout tepelné účinnosti nad 50 %, celková účinnost oběhu však závisí na konfiguraci cyklu a účinnosti jednotlivých komponent. Nejpatrnější výhodou oběhů se superkritickým CO₂ jsou však geometrické rozměry komponent a celé technologie, které jsou řádově menší než u parních oběhů o stejných výkonech. To je opět dáno vysokou hustotou, a tedy nízkými objemovými průtoky média. V malých rozměrech, potažmo hmotnostech zařízení jsou skryty i další výhody – například vysoká flexibilita vlivem nízkých teplotních setrvačností. Výrazně nižší spotřeba konstrukčních materiálů pak může vést ke snížení investičních nákladů na výstavbu. Je však nutné neopomenout, že extrémní provozní podmínky budou vyžadovat pokročilé a vysoce odolné materiály na bázi niklových slitin. Stejně tak jednotlivé komponenty vyžadují před širším energetickým využitím další technologický vývoj a ověření při reálných podmínkách. Jiným přínosem těchto oběhů je možnost suchého chlazení, a tedy nulová potřeba vody, což může být v některých lokalitách klíčové.

Model kompandéru, tedy hlavního kompresoru poháněného vlastní radiální turbínou na společné hřídeli. Patrné jsou kompaktní rozměry zařízení, kdy průměr oběžného kola kompresoru o výkonu 600 kW činí pouze 68 mm. Malé rozměry kladou speciální požadavky na technologii výroby a její preciznost.

Rostoucí pozornost a útok na ověření technologie

Potenciál širokého uplatnění technologie se superkritickým CO₂ neuniká pozornosti společností zaměřených na vývoj energetických technologií, zejména v typických technologicky vyspělých regionech, jako je Severní Amerika, Evropa, Jižní Korea nebo Japonsko. Především v posledních několika letech lze pozorovat nárůst projektů zaměřených na realizaci pilotních jednotek, ale i na výzkum dílčích problematických oblastí. Česká republika patří k těm nejaktivnějším zemím a k průkopníkům v oblasti vývoje technologie se superkritickým CO₂ v Evropě. A to nejen aktuálně, ale i historicky – možná vůbec první experimentální okruh s touto technologií realizoval na konci devadesátých let tým Ing. Petra Hájka, CSc., v pražských Běchovicích [1]. Přes absenci výkonové turbíny dokázalo zařízení simulovat základní chování Braytonova oběhu. V USA společnosti Sandia National Laboratory a Echogen sestavily dvě demonstrační jednotky, již s elektrickým výkonem v řádu stovek kW, respektive jednotek MW [2]. Dle dostupných informací byly jednotky testovány na nižších parametrech a nedošlo ke komerčnímu rozšíření produktů. V Centru výzkumu Řež jsme vybudovali unikátní experimentální smyčku se superkritickým CO₂ s tepelným příkonem 110 kW. Na tomto zařízení úspěšně testujeme různé komponenty oběhu a materiály a zkoumáme systémové chování cyklů. Jde o dosud jediné zařízení v Evropě provozované při podobných výkonech na teplotě 550 °C a tlaku 25 MPa.

Oblasti využití

Jak již bylo zmíněno, i tuto technologii čeká v blízkých letech klíčový milník v podobě zprovoznění pilotních jednotek. Případný úspěšný provoz otevře dveře realizaci energetických jednotek se širokými možnostmi využití. Možné je nahrazení stávajících parních oběhů fosilních elektráren, pokud oběhy se superkritickým CO₂ prokážou, že mohou vyrovnat nebo zvýšit účinnost a současně snížit investiční náklady. V Centru výzkumu Řež rozvíjíme koncept velkokapacitní akumulace energie, kdy je přebytková energie z obnovitelných zdrojů (nebo z jiných procesů) ukládána ve formě vysokopotenciálního tepla. To lze ve chvíli zvýšené poptávky transformovat na elektřinu prostřednictvím oběhu se superkritickým CO₂. Uvedený systém pro akumulaci tepelné energie s konverzním cyklem se superkritickým CO₂ může usnadnit integraci rostoucího počtu intermitentních obnovitelných zdrojů do přenosové soustavy a celkově přispět k dekarbonizaci energetiky. Aktivně je také řešeno využití těchto cyklů v jaderné energetice, kde lze především u malých modulárních reaktorů uplatnit malé rozměry, s tím spojenou rychlou realizaci a kompaktní řešení. Široké nasazení se nabízí v oblasti zpětného využívání odpadního tepla z průmyslových procesů, například z metalurgických provozů nebo cementáren. Teoreticky lze uvažovat i o využití technologie se superkritickým CO₂ pro vesmírné aplikace, opět hlavně díky malým rozměrům a nízké hmotnosti.

Konfigurace celého superkritického oběhu SOFIA.

Oběhy se superkritickým CO₂ tedy mohou nalézt širokou škálu využití. Rozhodně stojí za to, sledovat další vývoj této inovativní technologie, která aktuálně stojí před důležitým mezníkem a musí prokázat technickou a ekonomickou proveditelnost a výhodnost. 

Prezentované výsledky byly realizovány v rámci Institucionální podpory Ministerstva průmyslu a obchodu ČR.

Článek vychází s finanční podporou ÚJ V Řež.