Americký start-up přišel s revoluční elektrárnou. Jako palivo využívá směs s 94 % CO2

Hasící systémy na bázi oxidu uhličitého (CO2) se běžně používají v průmyslu, pro kanceláře, výpočetní techniku a elektroniku. Díky využití CO2 dochází k uhašení plamene, a ne k jeho podpoře. Spalování tohoto plynu k výrobě elektřiny se tak trochu zdá jako oxymóron. Ovšem za správných podmínek může být CO2 součástí spalovacího procesu. Tento fakt je srdcem nové elektrárny, která se staví na předměstí LaPorte v Houstonu. Nový model plynové elektrárny od NET Power využívá jako palivo směs obsahující 94 % oxidu uhličitého.

Důležitým faktem je, že elektrárna zachytává a sekvestruje oxid uhličitý bez dalších dodatečných nákladů. Podle kalkulací společnosti NET Power, po komerčním zavedení  technologie dojde ke zvětšení společnosti a náklady na výstavbu a provoz elektrárny nebudou vyšší než u konvenčních plynových elektráren.

Klíčem pro přeměnu CO2 z problému na „řešení“ je superkritická tekutina. Nad určitou teplotu a tlak (31,1 stupňů Celsia a 7,39 Mpa) se oxid uhličitý stává superkritickou tekutinou. V tomto stavu není CO2 ani plynem ani kapalinou, ale spíše kombinací obojího.

Superkritický CO2 může být přečerpáván a stlačován tak, aby poháněl turbínu s účinností, které pravděpodobně nebude u parních turbín nikdy dosaženo. Superkritický CO2 byl navrhován a vyvíjen po desetiletí jako náhrada za páru do všech možných druhů výroben, včetně jaderných elektráren.

V LaPorte je ovšem stavěna elektrárna s technologií, která by mohla mít větší dopad na boj proti změně klimatu, než je několikaprocentní navýšení účinnosti výroby elektřiny a tepla využitím superkritického CO2 namísto páry. Po skoro desetiletém vývoji dokončuje společnost NET Power elektrárnu s instalovaným výkonem 50 MW za 140 milionů dolarů (cca 3,1 miliard korun českých). Elektrárna, připojená na přenosovou soustavu, je letos testována a její stoupenci doufají v brzkou komercializaci technologie.

„Jejich technologie je vlastně excelentní, a podle všech informací by měla fungovat dobře,“ uvedl Nathan Weiland, výzkumník z Národní laboratoře US, který se specializuje na výrobu elektrické energie ze superkritického CO2.

Technologie zásluhou Rodneyho Allama

Tato technologie, využívající superkritického CO2, je velkou zásluhou britského vynálezce Rodneyho Allama. Ten se v roce 2009 setkal se spolumajitelem NET Power a začal spolupracovat na zdánlivě nemožné technologii. Cílem bylo vytvořit proces, který by spaloval fosilní paliva bez emitování uhlíku při zachování stejné účinnosti a nákladů jako v případě konvenčních elektráren.

Po nepovedeném začátku s uhlím se společnost NET Power zaměřila na kombinovaný cyklus. Elektrárna na bázi kombinovaného cyklu má jak plynovou, tak parní turbínu. Plynový cyklus probíhá v rozmezí poměrně vysokých teplot. Spaliny vstupují do turbíny v rozmezí 950- 1400 °C a opouštějí ji při teplotě 400-575 °C, což je vhodné pro navazující parní cyklus, který využívá přehřátou páru o teplotách kolem 560 °C.

Běžně kombinovaný cyklus využívaný v paroplynových elektrárnách dosahuje okolo 52% účinnosti. Kombinovaný cyklus emituje zhruba 0,4 kilogramu CO2 na kWh, v porovnání s uhelnou elektrárnou, která emituje okolo 0,8 kg CO2 na kWh.

Pokud připojíme systém na zachytávání uhlíku k elektrárně využívající kombinovaný cyklus, bude výkon elektrárny snížen o zhruba 13 % z důvodu spotřeby energie pro nově připojené zařízení. Tato energie je z většiny spotřebována na oddělení relativně malého množství CO2 od dusíku.

Vývoj nového cyklu

Inženýři z NET Power došli k závěru, že nevyužijí kombinovaný cyklus a že jejich nový cyklus nebude využívat vzduch ve spalovací komoře. Docílení toho, aby spaliny tvořil pouze čistý CO2 a vodní pára, znamenalo využití směsi tvořené z 95 % kyslíkem a tedy odstranění dusíku ze vzduchu před spalováním. Tento koncept zvaný oxy-fuel spalování je hlavním principem několika schémat na sekvestraci CO2.

Tento koncept má však své nevýhody. Získání skoro čistého kyslíku vyžaduje využití zařízení na separaci kyslíku, které spotřebuje část vyrobené elektřiny. Druhým problémem může být, že směs nebude mít dostatek hmotnosti k pohánění turbíny. Hmotnost vzduchu je zastoupena zhruba ze 75 % dusíkem, takže dusík je hlavní hybnou silou k pohonu turbíny. Pokud tuto hmotnost nahradíme kyslíkem a palivem, bude spalování probíhat za tak vysokých teplot, že by byly vyžadovány k výrobě turbíny exotické a drahé slitiny.

Allamův cyklus

Přístup Rodenyho Allama spočívá  ve spalování paliva a kyslíku spolu se superkritickým CO2 (zastoupení hmotnosti směsi: 94 % CO2, 1,25 % zemní plyn a 4,75 % kyslík). Výsledné spaliny mají dostatečnou hmotnost k pohonu turbíny, kterou opouští pod tlakem zhruba 3 MPa. Spaliny jsou poté ochlazeny ve výměníku tepla přičemž dojde ke kondenzaci vodní páry, která je odvedena pryč. Oxid uhličitý je poté stlačen mechanicky a množství CO2, které vznikne navíc procesem spalování, je zachyceno a připraveno k přepravě potrubím. Zbytku oxidu uhličitého je předáno teplo ve výměníku a je recyklován zpět do spalovací komory.

Přepravení CO2 do spalovací komory představuje jeden z nejdůležitějších kroků. Allam a jeho kolegové zjistili, že samotné stlačení CO2 ze 3 MPa na 30 MPa by bylo energeticky náročné a snížilo by účinnost celého cyklu. Důvodem je, že komprese zvyšuje tlak při snižování objemu plynu, zatímco přečerpávání zvyšuje tlak při zvyšování množství plynu. Výsledkem je stlačení CO2 na tlak 8 MPa a následné přečerpání a dosažení tlaku 30 MPa.

Většina CO2 je znovu využita ve spalovací komoře. Zbytek, který vznikl při spalování, je odveden vysokotlakým potrubím pro jeho uložení nebo k ostatním účelům.

„Jsem si absolutně jist, že tento postup bude fungovat. Používáme standardní vybavení a nebyla provedena žádná inovace turbíny,“ uvedl Allam.

Allamův cyklus vyrábí elektrickou energii spalovaním směsi z většiny tvořené superkritickým CO2. Zároveň má nově vzniklý CO2 vhodný tlak i teplotu k dalším účelům.

Využití CO2 a oddělených plynů

Podnikatelský plán společnosti NET Power počítá s prodejem vyprodukovaných plynů. Zejména dusík, který je oddělen v separačním zařízení, by mohl být využit na výrobu hnojiv. Ostatní plyny by mohly být využity ve svařování nebo chemickém průmyslu.

Podnikatelský plán bude ale také ovlivněn využitím zachyceného CO2. Rostoucím trhem v posledních letech pro CO2 je jeho využití při těžbě ropy (při sekundární těžbě). Společnost Occidental Petroleum spotřebovává denně zhruba 100 tisíc kubickým metrů CO2 k tomuto účelu.

Na papíře je Levelized cost of electicity (LCOE) odhadován na zhruba 50 USD/MWh (zhruba 1100 Czk/MWh). Tato hodnota je shodná s elektrárnami s kombinovaným cyklem bez zachytávání CO2. Až bude několik elektráren v provozu a se započítáním prodeje vyprodukovaných plynů je odhadovaný LCOE 42 USD/MWh. Stoupenci této technologie a NET Power tvrdí, že při provozu třicáté elektrárny bude cena výstavby zhruba 1000 USD za kilowatt instalovaného výkonu a tedy 50 % ceny výstavby elektrárny s kombinovaným cyklem.

Poznámka: Ukazatel LCOE (Levelized Cost of Electricity) udává takovou cenu elektřiny, která při daných ekonomických a provozních charakteristikách zdroje zajistí návratnost investice právě na konci její životnosti. Vypočten je jako podíl diskontovaných investičních + provozních nákladů zdroje a celkové vyrobené elektřiny za životnost zdroje.

Na druhou stranu jsou toto pouze předpoklady a je velmi brzy na to, aby byla cena předpověděna s jistotou. Například zařízení na separaci kyslíku je investičně náročné. Allam však tvrdí, že se náklady nezvětší, protože nová technologie nepotřebuje některá zařízení, která se vyskytují u kombinovaného cyklu.

Další překážkou by mohl být vysoký tlak, pod kterým Allamův cyklus pracuje (o řád větší než u konvenční technologie) a jeho dopad na turbínu. Avšak ředitel společnosti NET Power, Bill Brown, uvedl, že výrobce turbín Toshiba neprojevil žádné obavy ohledně vysokého tlaku.

Společnost NET Power není sama

NET Power není jediná společnost, která zkoumá superkritický CO2 na výrobu elektřiny. Další přístupem k této technologii je „nepřímé spalování“. Tento proces spočívá ve využití tepla spalin k ohřevu a stlačení superkritického CO2. Ten je následně využíván pro následující cyklus (původně parní cyklus). Tento proces by měl zvýšit účinnost o 2-4 % oproti původnímu procesu.

Společnost Echogen vyvinula generátor s výkonem 8 MW, který využívá superkritický CO2 k přeměně odpadního tepla na elektrickou energii. Tento proces by měl zlepšit účinnost o zhruba 20 %.

I když je elektrárna v LaPorte pouze v testovací fázi, vyhledává společnost NET Power již nyní vhodná místa pro další elektrárny. Ředitel společnosti uvedl, že se zvažuje výstavba i ve Spojených arabských emirátech, Kataru a ve Spojeném království. Hlavním faktorem pro rozhodnutí bude poptávka po průmyslových plynech a dostupnost potrubní sítě pro přepravu CO2 k těžbě ropy.

Zdroj úvodního obrázku: www.incoreinsightlytics.com



16 odpovědí na Americký start-up přišel s revoluční elektrárnou. Jako palivo využívá směs s 94 % CO2

  1. Vilém Kalaš napsal:

    Ten kdo tenhle příspěvek psal, možná ani neumí dobře anglicky, nehleděna skutečnost, že pravděpodobně neví vůbec o co tam jde. Kde končí ten CO2, který do procesu vstupuje? Zdá se, že se nakonec odvede (po obohacení o CO2 vzniklý navíc těmi 4% metanu) někam jinam. Tedy starost o CO2 se vlastně nechává někomu jinému. Tak by se to také mělo tak prezentovat a ne z toho dělat zázrak, který by nám snad mohl pomoci se CO2 zbavit. Nebo si to autor přál aby to tak vypadalo?

    • Emanuel napsal:

      Zachycený CO2 se dá také pod vysokým tlakem vhánět do hlubiného geotermálního vrtu naplněného čistou vodou o hloubce zhruba pěti kilometrů. Z druhého stejně hlubokého vrtu v blízkosti prvého vrtu se drobními prasklinami v hornině dostává potom zahřátý CO2 z prvého vrtu do druhého ve formě horké vody s obsahem rozpuštěného CO2 a tato voda se dá využít k výrobě tlakové páry s obsahem horkého CO2, která se dá využít k pohonu parní turbíny. Po vychladnutí této směsy v kondenzátoru páry se dá opět odělit CO2 od vody a proces se může opakovat. Část vháněného CO2 do hloubkového vrtu se v horninovém podloží zachytí a vytvoří horniny s vyšším obsahem CO2, tedy se část CO2 trvale usazuje v hornině a musí být proto jeho množství do procesu dopňováno. Tento proces má i výhodu v tom, že CO2 a chladná voda může být do vrtu vháněna v době nadbytku elektrické energie v rozvodných sítích a tuto nadbytečnou elektrickou energii je možno využít podobně jako v přečerpávací vodní elektrárně a v době nedostatku elektrické energie v rozvodných sítích vypouštět horkou vodu s horkým CO2 a využít jejich tepelnou energii k pohonu parní turbíny.

    • Vinkler napsal:

      Obecná myšlenka vypadá jako smyslu plná. Jde o cyklus plynové turbíny, kde se místo vzduchu použije CO2. Použitý CO2 se vede zpět ochlazený a stlačený. Něco co je navíc – z CH4 se použije jinde.

    • Jan Veselý napsal:

      No, já nevím, ale v tom článku to je. CO2 se natlakuje do ložisek ropy, aby se z nich dostalo ven ještě více ropy, tedy i zdroje CO2. Je to pakárna.
      Co mi na té technologii přijde užitečné je ten krok, kdy se odděluje kyslík ze vzduchu. To je konečné řešení problému s NOx u spalovacích technologií. A v motorech a parních zdrojích ani nepotřebujete dopovat kyslík CO2. já si vždy myslel, že tohle je moc drahé a nepraktické, pokud to vyřešili, jen dobře.

      • Petr Poruban napsal:

        Ano CO2 se použije k vytlačení ropy, ze které také bude CO2. Rozdíl ale je, že energeticky využitelná ropa jde ven a CO2 z jiného procesu, který je energeticky nevyužitelný nejde jako dřív do atmosféry, ale vrací se pod zem.
        Otázka je účinnost. Kolik CO2 zůstane pod zemí a kolik se „v ropě“ dostane na povrch.
        Nicméně, i kdyby to znamenalo, že se vytěží víc, než zakonzervuje, i tak to bude lepší, než dnes, kdy se ropa jen vytěží a spálením se všechen CO2 dostane do atmosféry.

        • Dochy napsal:

          „Podnikatelský plán bude ale také ovlivněn využitím zachyceného CO2. Rostoucím trhem v posledních letech pro CO2 je jeho využití při těžbě ropy (při sekundární těžbě).“

          Takže nejde o pravidlo. Jen jedno z možných využití přebytku CO2. Spotřebování CO2 se v článku komplexně neřeší, zkrátka CO2 vzniká (nikoli že by se spotřebovával – což ale naznačuje titulek) a pak se bude řešit jestli jej někdo využije.

          “ Ostatní plyny by mohly být využity ve svařování nebo chemickém průmyslu“ – což znamená např. volné vypouštění získaného CO2 při svařování v ochranné atmosféře.

      • Petr Hariprasad Hajič napsal:

        Nemusí to zase být zas až takový nesmysl pokud a) Výrazně naroste celková účinnost. Pak by CO2 bylo poměrně méně. b) Relativně čistý CO2 je něco dost jiného, než ta exhalátorská polévka z komína. Z toho se dá leccos vyrábět. Dají se tím krmit řasy, rostliny obecně, dá se to využít například při výrobě CH4 a dalších uhlovodíků, plastů, uhličitanů, třeba jedlé sody. Je toho dost, co se s tím dá dělat.

      • Martin Hájek napsal:

        Obávám se, že nic nevyřešili, jenom získání kyslíku prostě nezapočetli. Jde o mimořádně energeticky náročnou záležitost, která se nehodí.

  2. Dochy napsal:

    Souhlas s Vilémem.
    Nadpis: Jako palivo se využívá CO2
    V článku: CO2 se využívá jen jako nosný plyn, spaluje se zemní plyn s kyslíkem.
    Článek poněkud zmateně přebíhá od jednoho procesu k druhému a člověk až potom co si to celé přečte si může tu skládačku poskládat aby dávala smysl…

  3. Kalfa napsal:

    Pokud jsem to dobře pochopil, tak se zázračně zvýšit účinnost plynové turbíny, nahradí li se dusík CO2. To je už samo o sobě něco tak úžasného, že to u mně budí dojem, že je pouze o pastičku na dotace, případně naivní investory.

    • Petr Hariprasad Hajič napsal:

      Celé je to postavené na tom, že CO2 má poněkud jiné fyzikální vlastnosti než N2. Kromě toho je CO2 použitý v superkritickém stavu, což by u N2 znamenalo mnohem větší tlak. V článku se neuvádí, o kolik se zvýší účiinost. Další energie se spotřebuje na separaci O2 a následné uvedení CO2 do superkritického stavu. Jaká je celková účinnost takového generátoru, to je to, oč tu běží. Fungovat bu to mohlo.

      • Petr Hariprasad Hajič napsal:

        Aha, tak prý se zvedne účinnost o 20%. Jaká je pak celková?

      • Petr Vytlačil Petr Vytlačil napsal:

        Podle institutu technologií v Tokiu je účinnost solárně tepelných elektráren se superkritickým Co2 49 %. Národní laboratoře Sandia uvádí, že účinnost by mohla překročit i 60 % při použití superkritického CO2 v kombinovaném cyklu.

    • Vinkler napsal:

      Předpoklad zázraku to asi není. Data však nejsou uvedena. Carnotův cyklus praví, že pro uvedené teploty je teotreticky účinnost cca 65%. Nicméně:
      realita bývá tak 70 % teorie, tj. tak 45% což se nijak významně neodlišuje od běžné.
      Výhodou může být to, že CO2 je koncentrováno, nikoli rozptýleno.
      Bohužel u teploty 1400°C budou velké materiálové a životnostní problémy s komorou a lopatkami.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *