Nhằm giúp ngành năng lượng sớm đạt mục tiêu trung hòa cacbon, các nhà khoa học thế giới đang khẩn trương vào cuộc để tìm ra giải pháp sản xuất điện mới, thỏa mãn tiêu chí môi trường và kinh tế. Một trong những ứng viên sáng giá vừa được thử nghiệm thành công có tên: Chu trình năng lượng carbon dioxide siêu tới hạn.
Theo trang tin Điện trực tuyến Mỹ Powermag.com (PMC) số cuối tháng 9-2022: Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia ở New Mexico, Mỹ (SNL) vừa thử nghiệm thành công công nghệ mới, cấp điện cho lưới điện địa phương bằng cách sử dụng một hệ thống chuyển đổi năng lượng mà họ cho rằng: Có thể thúc đẩy sự gia tăng đáng kể hiệu suất cho các nhà máy điện trên khắp nước Mỹ và thế giới trong tương lai.
Theo thông cáo báo chí từ Văn phòng Năng lượng Hạt nhân của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE): Công nghệ mới do SNL vừa phát triển có tên: Chu trình năng lượng carbon dioxide siêu tới hạn (Supercritical carbon dioxide power cycles), hay còn gọi là chu trình Brayton khép kín (closed-loop Brayton cycle) - gọi ngắn là SCO2. Công nghệ này khá đơn giản sử dụng carbon dioxide (CO2) siêu tới hạn làm chất lỏng mang nhiệt. Khí chạy qua một vòng lặp liên tục được điều áp, làm nóng và giãn nở thông qua một tua bin để tạo ra điện. Sau khi chất lỏng ra khỏi tua bin, nó được làm mát trong bộ thu hồi khí trước khi quay trở lại máy nén để hoàn thành chu trình.
Trong thử nghiệm tiến hành thành công đầu năm nay, SNL đã sử dụng một lò điện để tăng nhiệt độ của CO2 siêu tới hạn lên 600 độ F (315,5 độ C). Sau đó, họ sử dụng mạch điện tử hiện đại để truyền điện vào lưới điện của Căn cứ Không quân Sandia-Kirkland đóng gần đó.
Các nhà nghiên cứu cho biết: Trong quá trình thử nghiệm, lưới điện nhận được nguồn điện liên tục trong 50 phút, với mức cao nhất là 10 kW khi điện được tạo ra và chuyển vào lưới. Lượng điện đó chiếm khoảng một phần ba lượng điện mà một ngôi nhà trung bình ở Mỹ sử dụng mỗi ngày.
Chu trình năng lượng CO2 siêu tới hạn (gọi tắt là SCO2) là chu trình Brayton sử dụng chất lỏng CO2 siêu tới hạn để chuyển nhiệt thành năng lượng. Chúng cung cấp tiềm năng cho hiệu suất hệ thống cao hơn so với các công nghệ chuyển đổi năng lượng khác (như chu trình Rankine hơi nước, hoặc Rankine hữu cơ), đặc biệt là khi hoạt động ở nhiệt độ cao. Các đặc tính độc đáo của CO2 siêu tới hạn mang lại lợi ích nội tại so với hơi nước như một chất lỏng hoạt động trong các chu trình khép kín và bán kín để hấp thụ nhiệt năng, được nén và truyền động lượng cho tua bin. Việc dễ dàng đạt được trạng thái siêu tới hạn của CO2 (trên 31 độ C và 7,4 MPa (1.070 psi) danh nghĩa, và chất lỏng siêu tới hạn có thể nén được, nhưng có tỷ trọng cao hơn so với hơi nước, hoặc không khí. Điều này dẫn đến máy động cơ tua bin nhỏ hơn nhiều (hệ số 10: 1) cho cùng một mức công suất. Ưu việt của chu kỳ năng lượng SCO2 có thể mang lại một số lợi ích sau:
1/ SCO2 có hiệu suất chu trình cao hơn do đặc tính nhiệt động và chất lỏng độc đáo.
2/ Giảm lượng khí thải do sử dụng nhiên liệu ít hơn.
3/ Máy móc tua bin nhỏ gọn, dẫn đến chi phí thấp hơn, giảm kích thước và diện tích nhà máy, đồng thời phản ứng nhanh hơn với quá độ tải.
4/ Giảm lượng nước sử dụng, bao gồm cả khả năng làm mát không dùng nước.
5/ Nguồn nhiệt linh hoạt…
Lưu trình tóm tắt của công nghệ SCO2 (Nguồn: NLR).
Theo đánh giá của SNL: Rất nhiều nhà máy điện đang hoạt động hiện nay, kể cả các máy nhiệt điện than, hạt nhân và khí đốt tự nhiên, thường sử dụng chu trình Rankine dựa trên hơi nước để chuyển nhiệt thành điện năng, nhưng những hệ thống này có thể tổn thất tới 2/3 năng lượng được tạo ra khi chuyển đổi hơi nước thành nước để lặp lại chu trình. Khác với những gì đang diễn ra với các công nghệ truyền thống, công nghệ SCO2 hiện đang được thử nghiệm trong khuôn khổ dự án thí điểm STEP ở SWRI (Viện Nghiên cứu Tây Bắc) có quy mô nhỏ, dưới 10 MWe, do đó, máy phát điện thông dụng hơn so với công nghệ Rankine hơi nước thường áp dụng trong ngành công nghiệp.
Tại nhà máy thử nghiệm STEP, người ta sử dụng kết hợp tua bin, máy phát điện/động cơ và máy nén, tất cả trên một trục duy nhất. Ở mức công suất này và cấu hình của tua bin, việc dùng roto nam châm vĩnh cửu có thể hoạt động ở chế độ động cơ, hoặc chế độ phát điện. Nghĩa là, trong quá trình khởi động, có thể cung cấp điện năng cho roto quay ở chế độ vận hành và một khi chu trình hoạt động ở nhiệt độ ổn định, thì có thể chuyển sang chế độ phát điện.
Theo Rapp và Fleming - hai kỹ sư phụ trách thử nghiệm tại STEP: Điều này đòi hỏi thiết bị điện tử công suất phải kiểm soát hướng của dòng điện và đảm bảo nguồn điện tạo ra có chất lượng đủ để chuyển vào lưới điện xoay chiều thương mại. Thử nghiệm thành công đầu tiên của thiết bị điện tử công suất mới, chứng minh khả năng vừa tiêu thụ điện từ lưới điện ở chế độ vận hành vừa cấp điện trở lại lưới điện trong chế độ phát điện.
Các nhà nghiên cứu ở SNL cho hay: Chu trình năng lượng CO2 siêu tới hạn có thể cải thiện hiệu suất tới 50%, phần lớn là do nhiệt độ nóng hơn mà vật liệu có thể đạt tới trên 1.290 độ F (700 độ C). Kết quả cải thiện hiệu suất đáng kể tại nhà máy nhiệt điện và cũng có thể nâng cấp hiệu suất của hệ thống điện mặt trời tập trung, hay CSP.
Theo các nhà nghiên cứu, CO2 siêu tới hạn là một vật liệu ổn định, không độc hại, dưới áp suất quá lớn, nó hoạt động giống như cả chất lỏng lẫn khí. Chu trình Brayton có tiềm năng biến nhiệt từ các nhà máy điện - hạt nhân, khí đốt tự nhiên, hoặc thậm chí là năng lượng mặt trời tập trung hiệu quả hơn nhiều so với chu trình Rankine dựa trên hơi nước truyền thống.
Các thiết bị trong hệ thống STEP mới có kích thước nhỏ hơn đáng kể so với các nhà máy điện truyền thống. Ví dụ, một tua bin SCO2 chỉ có cỡ bàn có thể cung cấp năng lượng cho 10.000 ngôi nhà.
Theo DOE: Chương trình STEP sẽ “hợp tác với ngành công nghiệp để phát triển và hoàn thiện công nghệ nhằm giúp thương mại hóa các hệ thống chu trình năng lượng carbon dioxide siêu tới hạn trong tương lai”. Các chu trình năng lượng CO2 siêu tới hạn hứa hẹn giảm chi phí đáng kể, giảm lượng khí thải và lợi ích vận hành áp dụng cho một loạt các máy phát điện (bao gồm than, khí tự nhiên, nhiệt thải, năng lượng mặt trời tập trung, sinh khối, địa nhiệt, hạt nhân và động cơ đẩy tàu). Hầu hết các ứng dụng chu trình năng lượng hơi nước ngày nay có thể được thay thế bằng chu trình năng lượng SCO2.
Dự án thử nghiệm thử nghiệm STEP 10 MWe đang trình diễn các chu trình SCO2 đốt gián tiếp đến các giới hạn vật liệu sẵn có (T>700 độ C) trong một nhà máy thí điểm phát điện 10 MWe được tích hợp đầy đủ. Dự án sẽ cho phép nâng cao mức độ sẵn sàng của công nghệ từ TRL là 3 lên TRL là 7 và thương mại hóa sau đó. Dự kiến sẽ có sự thích nghi sớm về mặt thương mại đối với việc thu hồi nhiệt thải từ [tua bin khí] nhỏ theo chu trình đơn giản như trạm nén. Các thuộc tính năng lượng CO2 siêu tới hạn cho ứng dụng này bao gồm hiệu suất cao ở quy mô nhỏ (1 MW đến 20 MW), thiết bị nhỏ gọn, khả năng tốc độ tăng tốc nhanh, tránh làm mát bằng nước và tiềm năng vận hành tự động./.
KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM