自托馬斯·愛迪生時代以來，現代發電廠發生了很大變化，但將熱能轉化為電子的部分自他頓悟的那一刻起就沒變過。
無論是燃燒煤炭、匯聚太陽能還是分裂原子，大多數火力發電廠都將能量用於同一件事：將水加熱成蒸汽以驅動渦輪機。基於蒸汽的發電佔世界電力產量的 80%。
在蒸汽迴圈經歷一個多世紀的漸進改進後，工程師們已經摘取了大部分唾手可得的成果，並且正在追逐收益遞減，為了每提高一個百分點的效率而花費數百萬美元。這些升級會擴充套件到電力生產的其他步驟，使發電廠能夠從給定的燃料單位中提取更多能量。
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在化石燃料發電機中，這意味著在產生相同單位的電力時，二氧化碳排放量更少。對於太陽能熱發電廠而言，這意味著在較低的運營成本下具有更高的容量。
現在，工程師們正在研究用超臨界二氧化碳取代蒸汽，這項技術可以使用更小、更便宜的渦輪機，使熱效率提高多達 50%。
上個月，在一次預算簡報和兩次國會聽證會上，能源部長歐內斯特·莫尼茲特別提到了能源部的超臨界二氧化碳計劃。該部門 2016 年的預算申請為這方面的研發分配了 4400 萬美元，其中包括一個 10 兆瓦的超臨界渦輪機示範系統。
更簡單、更小、更清潔的機器
“超臨界”一詞描述了二氧化碳高於其臨界溫度和壓力（攝氏 31 度和 73 個大氣壓）的狀態。在這些條件下，二氧化碳的密度類似於其液態，並且像氣體一樣填充容器。
咖啡生產商已經在使用超臨界二氧化碳從咖啡豆中提取咖啡因。材料公司也在使用它來製造塑膠和陶瓷。
非營利性研發機構西南研究所的機械主管克勞斯·布倫說：“從熱力學的角度來看，它是一種非常好的工藝流體。你會得到一個相當高效的迴圈和一個合理的燃燒溫度。”
在其超臨界狀態下，二氧化碳的密度幾乎是蒸汽的兩倍，從而產生非常高的功率密度。超臨界二氧化碳比蒸汽更容易壓縮，並允許發電機在更高的溫度下從渦輪機中提取動力。
最終的結果是一個更簡單的渦輪機，可以比其蒸汽等效物小 10 倍。蒸汽渦輪機通常有 10 到 15 個轉子級。一個超臨界渦輪機等效物將有四個。
國家能源技術實驗室的渦輪機技術經理理查德·丹尼斯說：“我們正在研究一個帶有四個葉輪級的渦輪轉子軸，它的直徑為 4 英寸，長度為 4 英尺，可以為 1000 個家庭供電。”
他指出，超臨界二氧化碳動力迴圈的想法可以追溯到 20 世紀 40 年代，但蒸汽迴圈已經非常高效、易於理解且便宜，這為新的動力裝置的普及造成了阻礙。此外，工程師們仍在尋找改進電力生產燃燒側的方法，因此直到最近，改進電廠發電側的需求才變得如此迫切。
法規可能會創造不斷擴大的市場
現在，法規和氣候問題正迫使電力生產商考慮像超臨界二氧化碳這樣的想法。
丹尼斯說：“僅在封閉的間接迴圈中，資料表明，在與蒸汽迴圈相似的工作溫度下，熱力學效率將提高 3 到 4 個百分點。”透過進一步最佳化和更好的材料，工程師可以進一步提高效能。
間接加熱的動力裝置本質上將是蒸汽動力裝置的直接替代品。這種裝置將有利於核電站、聚光太陽能發電廠、地熱裝置、熱電聯產系統和化石燃料發電廠。
超臨界渦輪機也將是船舶和潛艇上蒸汽系統的有吸引力的升級，在佔用更少空間的同時產生相同的功率。由於它們使用二氧化碳而不是水作為工藝流體，這些渦輪機在乾旱地區也能很好地工作。
此外，超臨界渦輪機可以安裝在直接加熱迴圈中，其中天然氣等燃料在純氧存在下在渦輪機內部燃燒，僅產生水和二氧化碳作為廢物。
然後，操作員可以去除水並隔離多餘的二氧化碳。丹尼斯說：“如果技術管理計劃取得適度成功，這些迴圈可以與聯合迴圈天然氣渦輪機和碳捕獲和封存相競爭。”該系統還可以將廢熱送回系統的前端，從而進一步提高整體效率。
然而，渦輪機並非動力裝置的唯一組成部分；超臨界二氧化碳系統仍然需要熱交換器、冷卻系統和管道，這會增加成本和複雜性。而且二氧化碳會腐蝕材料，因此工程師必須重新設計大部分管道和蒸汽系統的支援硬體，以解決這些問題。
另一個擔憂是，迄今為止展示的大多數超臨界二氧化碳系統都是以千瓦規模構建的，太小，無法為完整尺寸的版本提供有用的經驗教訓。美國能源部的試點提案將大大有助於證明超臨界二氧化碳的可行性。丹尼斯說：“建造一座 10 兆瓦的工廠將是向前邁進的巨大一步。”
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