美國不斷加碼超臨界二氧化碳發電技術研制示范,已取得重大進展

時間:2020-08-15 09:16來源:國家光熱聯盟
  SwRI(美國西南研究院),GTI,GE Research和美國能源部/國家能源技術實驗室(DOE/ NETL)正在合作完成一項名為“超臨界轉換發電系統(STEP)”的示范項目,旨在展示一種新型的發電方式,其效率和成本效益將大大提高。這是一項耗資1.12億美元、容量10MW的超臨界二氧化碳(sCO?)示范項目。作為全球首座該類型示范電站,將展示下一代高效、低成本的電力技術。
  近日,SwRI宣布,經過18個月的建設,該示范電站的廠房順利完工,就坐落在美國圣安東尼奧市的西南研究院(SwRI)院內,并獲得了“入住證書”。
  這座耗資1200萬美元的廠房建筑座落在STEP示范電站項目中,面積為22,000平方英尺(2043平方米),而整個項目設施占地5英畝(約2萬平方米)。該設施具有撬裝式組件,可提供靈活性和獨特的可重新配置設計,使其能夠隨著時間的推移而發展,以與行業發展保持同步。該廠房還設有外部加熱元件,冷卻塔,單獨的電子室和30噸起重機,將為sCO?發電模塊的項目運營和建設提供支持。
廠房東側
低溫換熱器和主過程冷卻器已經到貨
“負載銀行(loadbanks)”正在安裝
30噸的高架起重機
電氣室
  sCO?是保持在臨界溫度和壓力以上的二氧化碳,這使其在具有液體密度的同時像氣體一樣。它無毒,不易燃,已經用于干洗過程以及對咖啡進行脫咖啡因處理。它的超臨界狀態使sCO?成為產生動力的高效流體,因為溫度或壓力的微小變化會導致其密度發生明顯變化。
  據悉,北美的大部分電力來自已建成30多年的汽輪機組,燃燒化石燃料,且其靈活性有限,效率僅為35%或更低。傳統的電站在發電循環中使用水作為熱介質。由于其良好的熱力學特性,用高溫sCO?代替蒸汽發電使效率提高多達10%。保持在臨界溫度和壓力以上的二氧化碳類似于氣體,而密度卻接近于液體。作為工作流體的sCO?的總體密度高,使STEP透平機械的尺寸約為傳統發電廠組件的1/10,從而為縮小環境影響足跡和降低建設成本提供了機會。
 
圖:sCO?透平集成起來雖然只有一個桌子大小,但可以為1萬戶家庭供電。該技術還可以應用于工業廢熱,聚光太陽能光熱發電,或幾乎任何其他以熱輸入來發電的場景。
  作為世界上最大的sCO?技術示范設施之一,STEP設施將應對這些挑戰。它將示范一個完全集成的發電站,該發電站使用sCO?來顯著提高這項新技術的規模、效率、經濟性、操作靈活性,空間要求和環境性能。
10MWe STEP電站將使用sCO?作為發電源
  STEP的目標包括完善sCO?的電源循環,演示組件的性能和可擴展性以及設計可容納多種新支持技術的設施。SwRI,GTI和GE合作進行了STEP示范項目的設計。現在,該廠房已經竣工,部件制造和設備安裝也正在進行中,預計于2021年初開始運營。接下來將進行全面測試,以評估sCO?技術的發展。
  為降低太陽能發電成本,美國能源部(DOE)于2011年開始實施太陽能應用領域的“Sunshot”攻關計劃;其中包括超臨界二氧化碳布雷頓循環系統研發項目的主體項目——10MW超臨界二氧化碳發電機組項目研發和測試。隨著該計劃持續推進,近幾年來DOE在支持超臨界二氧化碳光熱發電相關技術研發方面不斷加碼,并取得重大進展。2019年3月,DOE撥款支持《高級二氧化碳換熱器中高強度鎳合金薄板的蠕變和疲勞特性》、《適用于基于二氧化碳的動力循環和儲能系統的高級壓縮機》、《適用于先進熱力循環的低成本短期/長期熱化學和化學儲能》、《減少超臨界二氧化碳光熱發電系統資本成本的近終型熱等靜壓機制造方式》、《用于太陽能熱發電的透平機械新型自潤滑高效刷式密封垂直排列的碳納米管陣列》等多項超臨界二氧化碳相關技術研發項目。2019年4月,SwRI與GE聯合設計并制造的全球運行溫度最高的超臨界二氧化碳透平機組進行了測試。今年2月,美國能源部又撥付太陽能光熱發電相關項目資金3900萬美元,其中大部分就是用于推進超臨界二氧化碳布雷頓循環技術商業化。
  研究表明,提高動力循環的熱效率是降低太陽能光熱發電系統的平準化能源成本(LCOE)的關鍵,配備超臨界二氧化碳動力循環的光熱發電系統可實現50%甚至更高的熱效率。按照DOE的目標,到2030年含12小時儲熱系統的光熱發電成本將降低到50美元/兆瓦時(5美分/kWh,約合RMB0.35元/kWh),而盡快推進超臨界二氧化碳布雷頓循環技術商業化則是實現該目標的重要措施之一。

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