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

Komentáře

0 komentářů ke článku "undefined"

Přidat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *