Trung Quốc kết nối máy phát điện CO₂ siêu tới hạn thương mại đầu tiên với lưới điện

Dấu mốc hòa lưới cho một chu trình điện năng mới

Trung Quốc đã kết nối máy phát điện thương mại đầu tiên trên thế giới sử dụng carbon dioxide siêu tới hạn với lưới điện, đánh dấu bước phát triển mới của công nghệ nhiệt điện hiệu suất cao. Hệ thống được lắp đặt bên trong nhà máy thép Shougang Shuicheng ở Liupanshui, tỉnh Quý Châu, và chuyển nhiệt thải ở nhiệt độ cao từ hoạt động sản xuất thép thành điện năng. Được Viện Năng lượng hạt nhân Trung Quốc thuộc Tập đoàn Hạt nhân Quốc gia Trung Quốc xây dựng, với sự hỗ trợ kỹ thuật của Công ty Kỹ thuật và Công nghệ Quốc tế Jigang, dự án gồm hai tổ máy, mỗi tổ có công suất 15 megawatt. Môi chất làm việc là carbon dioxide, không phải hơi nước; nhà sản xuất cho biết các tổ máy có thể thu hồi và sử dụng nhiệt thải hiệu quả hơn ít nhất 50% so với các hệ thống dùng hơi nước thông thường tại các nhà máy thép.

Điều này đáng chú ý vì carbon dioxide siêu tới hạn, thường được viết tắt là sCO2, có thể giúp chế tạo turbine nhỏ gọn hơn, khởi động nhanh hơn và đạt hiệu suất nhiệt cao hơn ở nhiệt độ cao. Những đặc tính đó phù hợp với nhu cầu của ngành công nghiệp nặng, nơi nhiệt lượng hiện thoát ra qua ống khói và hệ thống làm mát có thể được chuyển thành nguồn điện ổn định. Chúng cũng phù hợp với các lò phản ứng hạt nhân thế hệ mới và nhà máy điện mặt trời tập trung, nơi mỗi điểm phần trăm hiệu suất tăng thêm đều có thể giảm chi phí và thu nhỏ các bộ phận cốt lõi.

Dự án ở Quý Châu cũng là phép thử khả năng vận hành của công nghệ này ngoài phòng thí nghiệm. Sản xuất thép là một trong những ngành tiêu thụ nhiều năng lượng nhất; các dây chuyền thiêu kết và lò nung thải ra lượng nhiệt lớn ở mức nhiệt cao hơn nhiều so với 700 độ C (1.292 độ F). Thu hồi lượng nhiệt này giúp cải thiện cân bằng năng lượng của nhà máy và có thể giảm lượng điện lấy từ lưới địa phương. So với chu trình hơi nước, công nghệ này cũng có thể giảm lượng nước sử dụng, đem lại lợi ích cho những khu vực khan hiếm nguồn cung nước.

Điện năng từ CO₂ siêu tới hạn là gì và vì sao quan trọng

Carbon dioxide siêu tới hạn là carbon dioxide được duy trì ở nhiệt độ và áp suất cao hơn điểm tới hạn, khoảng 31 độ C và 74 bar. Ở trạng thái này, nó là một lưu chất đậm đặc có đặc tính của cả khí lẫn chất lỏng. Mật độ đó cho phép các kỹ sư chế tạo turbine và bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn. Trong một cụm phát điện sCO2, lưu chất tuần hoàn trong một vòng kín: hấp thụ nhiệt từ nguồn nhiệt, giãn nở qua turbine để quay máy phát, sau đó thải nhiệt qua bộ làm mát trước khi được nén và đưa trở lại nguồn nhiệt. Vòng tuần hoàn này được gọi là chu trình Brayton, có nét tương đồng với chu trình turbine khí dùng trong động cơ phản lực, nhưng sử dụng CO2 làm môi chất làm việc và có các bộ hồi nhiệt để tái sử dụng nhiệt bên trong vòng tuần hoàn.

Chu trình hoạt động như thế nào

Tại nhà máy thép, khí nóng từ quá trình thiêu kết và các quy trình liên quan đi qua bộ trao đổi nhiệt, truyền năng lượng vào vòng tuần hoàn sCO2. Carbon dioxide được làm nóng giãn nở qua turbine, làm quay máy phát để sản xuất điện. Sau khi giãn nở, CO2 vẫn còn mang theo lượng nhiệt đáng kể nên đi qua bộ hồi nhiệt để làm nóng trước dòng khí đi vào, qua đó tăng hiệu suất. Sau đó, lưu chất thải phần nhiệt còn lại qua bộ làm mát, được nén rồi quay lại bộ trao đổi nhiệt để bắt đầu chu trình mới. Vì CO2 gần điểm tới hạn dễ nén hơn khí thông thường, chu trình tiêu tốn ít năng lượng hơn cho khâu nén, góp phần nâng cao hiệu suất ròng.

Lợi thế về hiệu suất và kích thước

Chu trình Rankine dùng hơi nước truyền thống đã phát triển hoàn thiện và có độ tin cậy cao, nhưng hiệu suất sẽ chững lại nếu không tăng nhiệt độ và áp suất lên mức rất cao, đồng thời các bộ phận có kích thước lớn. Các báo cáo từ dự án của Trung Quốc và những chương trình thí điểm quốc tế cho thấy chu trình sCO2 vận hành ở nhiệt độ cao có thể vượt mức hiệu suất nhiệt 50%, trong khi các chu trình hơi nước hiện đại đạt gần 40% ở điều kiện tương tự. Trong các ứng dụng thu hồi nhiệt thải, hiệu suất cụ thể tùy thuộc vào nhiệt độ nguồn nhiệt và thiết kế thiết bị, nhưng cách tiếp cận sCO2 giúp tăng đáng kể lượng nhiệt có thể chuyển thành điện năng. Phần cứng cũng nhỏ gọn vì CO2 đậm đặc hơn hơi nước rất nhiều, nên turbine và đường ống có thể nhỏ hơn đáng kể ở cùng mức công suất.

Vì sao nhà máy thép là nguồn nhiệt lý tưởng

Các nhà máy thép tiêu thụ lượng năng lượng khổng lồ cho quá trình thiêu kết, luyện cốc và cán nóng. Quá trình thiêu kết kết tụ quặng mịn ở nhiệt độ thường vượt quá 700 độ C. Sau đó, lò nung và các kênh dẫn khí thải đưa nhiệt ra khỏi quy trình sản xuất. Vòng tuần hoàn CO2 siêu tới hạn có thể thu nhận dòng nhiệt này thông qua một bộ trao đổi nhiệt bền chắc, thu hồi phần lớn năng lượng vốn sẽ bị lãng phí.

Công nghệ này còn có thêm lợi ích trong môi trường công nghiệp. Cụm phát điện sCO2 sử dụng rất ít nước so với hệ thống hơi nước, vì không cần lượng lớn nước cấp lò hơi hay tháp giải nhiệt ướt. CO2 làm môi chất tương đối trơ và ít ăn mòn nhiều loại hợp kim hơn hơi nước nhiệt độ cao, giúp giảm bớt một số thách thức về vật liệu. Vòng tuần hoàn khép kín đồng nghĩa với việc CO2 không bị thải ra trong điều kiện vận hành bình thường. Có thể xảy ra hao hụt nhỏ CO2 và cần được kiểm soát, nhưng hệ thống không phụ thuộc vào nguồn cung CO2 mới liên tục.

Đối với đơn vị vận hành nhà máy, những đặc tính này giúp giảm diện tích cụm phát điện, giảm thiết bị phụ trợ và tăng tính linh hoạt khi vận hành. Hệ thống có thể khởi động và dừng nhanh hơn so với chu trình hơi nước, hữu ích cho các quy trình có nhiệt độ thay đổi trong ngày.

Công nghệ này có thể mở rộng sang điện hạt nhân và điện mặt trời không

Nhiều thiết kế lò phản ứng tiên tiến tạo ra nhiệt độ đầu ra phù hợp với turbine sCO2. Lò phản ứng làm mát bằng khí nhiệt độ cao, lò phản ứng muối nóng chảy và lò phản ứng neutron nhanh làm mát bằng natri đều hướng tới nhiệt độ lõi cao hơn lò phản ứng nước áp lực; sCO2 có thể thu hồi nhiệt đó một cách hiệu quả. Turbine nhỏ gọn cũng phù hợp với các lò phản ứng mô-đun nhỏ, nơi không gian và sự đơn giản được ưu tiên.

Điều tương tự cũng đúng với điện mặt trời tập trung, công nghệ lưu trữ nhiệt trong muối nóng chảy rồi đưa nhiệt qua cụm phát điện. Một kế hoạch trình diễn ở Trung Quốc hướng tới cải tạo nhà máy tháp năng lượng mặt trời quy mô trình diễn tại Đôn Hoàng, chuyển từ hơi nước sang cụm phát điện sCO2 nhằm đánh giá mức độ sẵn sàng của nhà cung cấp và đặc tính vận hành. Nỗ lực này làm nổi bật hai thành phần thiết yếu: bộ trao đổi nhiệt muối nóng chảy–CO2 đáng tin cậy và cụm máy nén có thể xử lý CO2 gần điểm tới hạn. Cả hai đều là những nhiệm vụ khó, nhưng tiến bộ về vật liệu, phớt làm kín và hệ thống điều khiển đang giúp chúng dần khả thi.

Nếu bộ trao đổi nhiệt và máy móc tuabin chứng minh được độ bền trong các nhà máy thực tế, con đường phát triển các cụm phát điện sCO2 lớn hơn sẽ rõ ràng hơn. Lợi ích rất hấp dẫn: hiệu suất chu trình cao hơn đồng nghĩa với việc cần cánh đồng pin mặt trời nhỏ hơn hoặc lõi lò phản ứng nhỏ hơn để tạo ra cùng lượng điện lên lưới; lượng nước sử dụng thấp hơn cũng giúp giảm hạn chế khi lựa chọn địa điểm.

Trung Quốc xây dựng hệ thống ra sao và ai đứng sau dự án

Hệ thống tại Quý Châu là kết quả của chương trình kéo dài nhiều năm tại Viện Năng lượng hạt nhân Trung Quốc, một đơn vị thuộc Tập đoàn Hạt nhân Quốc gia Trung Quốc (CNNC). Hơn một thập kỷ qua, viện nghiên cứu các vòng tuần hoàn sCO2, turbine, ổ trục, phớt làm kín và hệ thống điều khiển, đồng thời công bố kết quả thử nghiệm linh kiện và xây dựng các giàn thử nghiệm thí điểm. Công ty Kỹ thuật và Công nghệ Quốc tế Jigang hợp tác về mặt kỹ thuật để tích hợp hệ thống vào ngành công nghiệp nặng. Đơn vị chủ nhà, Công ty Thép Shougang Shuicheng, cung cấp địa điểm và cho phép tiếp cận các dòng nhiệt thải chất lượng cao.

Mỗi tổ máy có công suất 15 megawatt. Việc sử dụng hai tổ máy tạo dự phòng và giúp các đơn vị vận hành thử nghiệm chiến lược điều khiển trong điều kiện sản xuất thực tế. CNNC mô tả dự án là nền tảng cho các tổ máy tương lai trong ngành công nghiệp nặng và phát điện, với mục tiêu tiêu chuẩn hóa các mô-đun để có thể triển khai lặp lại tại nhiều địa điểm. Khả năng nhân rộng rất quan trọng, bởi hiệu quả kinh tế của việc phát điện từ nhiệt thải sẽ tăng lên khi thiết bị được sản xuất hàng loạt và lắp đặt với ít tùy chỉnh nhất.

Giới chuyên gia nói gì

Ngoài Trung Quốc, các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp trong ngành cũng đang từng bước chứng minh độ tin cậy của linh kiện và hệ thống con sCO2. Tại Texas, nhà máy thí điểm Điện năng Biến đổi Siêu tới hạn (STEP), cơ sở phát điện 10 megawatt được Bộ Năng lượng Mỹ hậu thuẫn và do một liên danh triển khai, đã hoàn thành giai đoạn đầu vào năm 2024, trình diễn vận hành ở tốc độ tối đa với hệ thống máy móc tuabin và điều khiển tích hợp. Các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Tây Nam, đơn vị hỗ trợ chương trình này, nhấn mạnh tầm quan trọng của thử nghiệm tích hợp, trong đó máy nén, turbine, bộ gia nhiệt, bộ làm mát và phần mềm điều khiển cùng vận hành như một nhà máy duy nhất.

Mark Hibbs, nghiên cứu viên cao cấp tại Quỹ Carnegie vì Hòa bình Quốc tế, người nghiên cứu lĩnh vực hạt nhân Trung Quốc, cho biết Trung Quốc đang nhanh chóng thúc đẩy dự án nhằm thể hiện vị thế dẫn đầu về công nghệ.

Người Trung Quốc đang tiến rất, rất nhanh. Họ rất muốn cho thế giới thấy rằng chương trình của họ là không thể ngăn cản.

Tim Allison, người đứng đầu Khoa Máy móc tại Viện Nghiên cứu Tây Nam và tham gia dự án thí điểm ở Texas, mô tả ý nghĩa của cột mốc vận hành cụm phát điện sCO2 tích hợp ở tốc độ cao.

Vận hành hệ thống tích hợp là một thành tựu đáng ghi nhận. Đây là bước tiếp nối các hoạt động chạy thử từng bộ phận thành công của nhóm và chứng minh khả năng vận hành kết hợp của toàn bộ thiết bị, bao gồm hệ thống điều khiển nhà máy, máy nén, bộ trao đổi nhiệt, bộ gia nhiệt, turbine và lượng CO2 trong hệ thống, cùng với các hệ thống cấp điện, cấp khí và nước làm mát của cơ sở.

Những thách thức kỹ thuật vẫn cần giải quyết

Thách thức cốt lõi là chế tạo turbine nhỏ gọn, hiệu suất cao, có thể chịu được nhiệt độ và tốc độ quay lớn. Các nghiên cứu học thuật và công nghiệp mô tả rotor turbine quay ở tốc độ gần 30.000–40.000 vòng/phút, trong khi cánh turbine và vỏ máy phải chịu nhiệt độ trên 600 độ C. Hợp kim nền niken và thép tiên tiến thường được dùng làm xi-lanh trong và rotor, còn vỏ ngoài sử dụng thép ferit để kiểm soát ứng suất và chi phí. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp cần cân bằng độ bền, khả năng chống ăn mòn và mức giãn nở nhiệt để khe hở luôn nhỏ mà không gây cọ xát.

Phớt làm kín và ổ trục cũng quan trọng không kém. Phớt khí khô hạn chế rò rỉ CO2 tại trục, còn một số thiết kế nghiên cứu sử dụng ổ trục khí thay cho ổ trục dầu nhằm đơn giản hóa hệ thống bôi trơn và tránh các vấn đề về nhiệt. Một nghiên cứu về turbine công suất 25 megawatt cho thấy việc bố trí piston cân bằng bên trong khu vực khí làm mát giúp rút ngắn rotor, giảm các đường rò rỉ và giảm tổn thất cơ học. Rotor nhỏ gọn hơn cải thiện độ ổn định và đơn giản hóa vỏ máy. Một phương án khác thay ổ trục dầu bằng ổ trục khí giúp rút ngắn thêm trục và loại bỏ nhu cầu về hệ thống làm mát và bôi trơn riêng. Những cải tiến này giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy.

Điều khiển chu trình trong các giai đoạn quá độ cũng là lĩnh vực đang được nghiên cứu tích cực. Các thử nghiệm quy mô nhỏ cho thấy thay đổi tốc độ bơm, lượng nhiệt đầu vào và tải có thể khiến áp suất và lưu lượng vượt ngưỡng trước khi hệ thống ổn định. Các kỹ sư lập bản đồ những tổ hợp lưu lượng khối, tỷ số áp suất và tốc độ quay để xác định các vùng ổn định, nơi đạt công suất và hiệu suất tối đa. Một thử nghiệm máy phát điện turbine sCO2 quy mô nhỏ đạt công suất điện hàng chục kilowatt, với tổng hiệu suất đo được gần 59% trong điều kiện tối ưu, cho thấy cả tiềm năng lẫn yêu cầu điều khiển chính xác cao của công nghệ.

Bộ trao đổi nhiệt truyền năng lượng giữa khí thải công nghiệp bẩn và vòng tuần hoàn CO2 sạch phải chống được tình trạng bám bẩn và ứng suất nhiệt. Các bộ hồi nhiệt bên trong vòng tuần hoàn CO2 cần thiết kế nhỏ gọn, diện tích bề mặt lớn để tái sử dụng nhiệt mà không gây sụt áp đáng kể. Máy nén phải vận hành hiệu quả gần điểm tới hạn của CO2, nơi những thay đổi nhỏ về nhiệt độ có thể làm mật độ biến động và ảnh hưởng hiệu suất nếu hệ thống điều khiển không phản ứng kịp thời.

Ý nghĩa đối với môi trường và chính sách

Trung Quốc cam kết đạt đỉnh phát thải carbon trước năm 2030 và đạt trung hòa carbon trước năm 2060. Làm sạch nguồn điện cung cấp cho ngành công nghiệp nặng là trọng tâm của kế hoạch này. Thu hồi nhiệt thải bằng sCO2 giúp ích theo hai cách: giảm lượng điện ròng nhà máy lấy từ lưới điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch và giảm lượng nước tiêu thụ ở những nơi mà chu trình hơi nước thông thường cần lưu lượng nước làm mát lớn. Với các dự án hạt nhân và nhiệt điện mặt trời, hiệu suất cao hơn giúp trực tiếp giảm chi phí sản xuất điện sạch.

Một số nhà phân tích cũng chỉ ra khả năng kết hợp với công nghệ thu giữ carbon. Về nguyên tắc, CO2 đã thu giữ có thể được cấp vào vòng kín làm môi chất, tạo ra một ứng dụng hữu ích cho một phần lượng khí này. Tuy nhiên, chu trình phát điện cần CO2 sạch và khô để bảo vệ máy móc tuabin và giảm thiểu ăn mòn; vòng tuần hoàn lại khép kín nên không tiêu thụ CO2 mới liên tục. Việc tích hợp với công nghệ thu giữ sẽ tập trung vào khâu xử lý, lưu trữ và tinh chế dùng chung, thay vì dùng CO2 làm nguyên liệu đầu vào để đốt hoặc chuyển hóa.

Máy phát điện mới cũng góp phần giải quyết các hạn chế về tài nguyên. Lượng nước tiết kiệm được có thể rất lớn tại những vùng khô hạn thiếu nước làm mát. Cụm phát điện nhỏ gọn có thể lắp trên tàu hoặc tại các cơ sở công nghiệp vùng sâu vùng xa, tăng cường an ninh năng lượng bằng cách chuyển nhiệt tại chỗ thành điện tại chỗ.

Cuộc đua toàn cầu và bước tiếp theo

Các nhóm tại Mỹ, châu Âu và châu Á đều đang cải thiện độ tin cậy của linh kiện sCO2 và khả năng tích hợp nhà máy. Dự án STEP ở Texas đã chuyển từ chạy thử từng bộ phận sang vận hành tích hợp và sản xuất điện trong giai đoạn đầu, củng cố niềm tin rằng công nghệ này có thể được mở rộng và nhân rộng. Tổ máy ở Quý Châu của Trung Quốc là hệ thống thương mại đầu tiên được kết nối với lưới điện trong một quy trình công nghiệp; hệ thống sẽ cung cấp dữ liệu về vận hành liên tục, chu kỳ bảo trì và hiệu quả kinh tế của việc phát điện từ nhiệt thải trong ngành thép.

Từ đây, nhiều tổ máy hơn có thể được lắp đặt tại các nhà máy thép và xi măng nếu các tuyên bố về hiệu suất được xác thực qua quá trình vận hành hàng tháng và hàng năm. Các dự án điện mặt trời tập trung đang đánh giá cụm phát điện sCO2 để thu nhỏ nhà turbine và tăng sản lượng. Các nhà thiết kế lò phản ứng tiên tiến dự kiến dùng sCO2 làm hệ thống chuyển đổi điện năng mặc định, thay các nhà máy hơi nước cồng kềnh bằng turbine và bộ hồi nhiệt nhỏ gọn. Các nguồn điện hạt nhân di động dành cho địa điểm vùng sâu vùng xa cũng được hưởng lợi từ thiết bị nhỏ gọn; mật độ cao của CO2 giúp giữ kích thước turbine nhỏ ở cùng mức công suất.

Chuỗi cung ứng thiết bị sẽ đóng vai trò quan trọng. Cần có nhiều nhà cung cấp bộ trao đổi nhiệt hiệu suất cao, phớt khí khô và máy phát tốc độ cao. Các quy chuẩn và tiêu chuẩn cho bình chịu áp lực, đường ống và phớt làm kín sử dụng với CO2 cần được hoàn thiện. Đào tạo nhân viên vận hành để điều khiển và xử lý sự cố chu trình một cách an toàn cũng là một phần của quá trình thương mại hóa. Thử nghiệm và nhân rộng đều đặn có thể giúp giảm chi phí và thuyết phục các chủ nhà máy triển khai công nghệ trên quy mô lớn.

Kết luận chính

• Trung Quốc đã kết nối hai tổ máy CO2 siêu tới hạn công suất 15 megawatt với lưới điện tại một nhà máy thép ở Liupanshui, tỉnh Quý Châu.
• Hệ thống sử dụng nhiệt thải từ quá trình thiêu kết thép để sản xuất điện và được cho là chuyển đổi nhiệt thải hiệu quả hơn ít nhất 50% so với các hệ thống dùng hơi nước.
• Chu trình sCO2 vận hành trong vòng kín với CO2 ở trạng thái trên điểm tới hạn, cho phép sử dụng turbine nhỏ gọn và đạt hiệu suất cao hơn ở nhiệt độ cao.
• Cụm phát điện sử dụng ít nước và có thể lắp đặt ở không gian chật hẹp, phù hợp với ngành công nghiệp nặng, tàu biển và hệ thống năng lượng vùng sâu vùng xa.
• Lò phản ứng tiên tiến và nhà máy điện mặt trời tập trung là những ứng viên hàng đầu cho cụm phát điện sCO2 vì có thể cung cấp mức nhiệt độ cao mà chu trình này cần.
• Các nhiệm vụ kỹ thuật then chốt gồm chế tạo bộ trao đổi nhiệt bền bỉ, máy nén hiệu suất cao gần điểm tới hạn và turbine tốc độ cao với phớt làm kín cùng ổ trục chắc chắn.
• Một dự án thí điểm của Mỹ tại Texas đã vận hành nhà máy sCO2 tích hợp công suất 10 megawatt điện và sản xuất điện trong giai đoạn đầu, cho thấy công nghệ đang tiến triển ngoài Trung Quốc.
• Dự án của Trung Quốc cung cấp dữ liệu quy mô thương mại đầu tiên về phát điện từ nhiệt thải công nghiệp bằng sCO2.
• Tiết kiệm nước và cải thiện hiệu suất hỗ trợ các mục tiêu đạt đỉnh phát thải carbon và trung hòa carbon của Trung Quốc, đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong ngành công nghiệp nặng.
• Khả năng mở rộng phụ thuộc vào mức độ sẵn sàng của nhà cung cấp, độ tin cậy khi vận hành và hiệu quả kinh tế của việc nhân rộng tại nhiều nhà máy.