自托马斯·爱迪生时代以来，现代发电厂发生了很大变化，但将热能转化为电子的部分自他顿悟的那一刻起就没变过。
无论是燃烧煤炭、汇聚太阳能还是分裂原子，大多数火力发电厂都将能量用于同一件事：将水加热成蒸汽以驱动涡轮机。基于蒸汽的发电占世界电力产量的 80%。
在蒸汽循环经历一个多世纪的渐进改进后，工程师们已经摘取了大部分唾手可得的成果，并且正在追逐收益递减，为了每提高一个百分点的效率而花费数百万美元。这些升级会扩展到电力生产的其他步骤，使发电厂能够从给定的燃料单位中提取更多能量。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。 通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
在化石燃料发电机中，这意味着在产生相同单位的电力时，二氧化碳排放量更少。对于太阳能热发电厂而言，这意味着在较低的运营成本下具有更高的容量。
现在，工程师们正在研究用超临界二氧化碳取代蒸汽，这项技术可以使用更小、更便宜的涡轮机，使热效率提高多达 50%。
上个月，在一次预算简报和两次国会听证会上，能源部长欧内斯特·莫尼兹特别提到了能源部的超临界二氧化碳计划。该部门 2016 年的预算申请为这方面的研发分配了 4400 万美元，其中包括一个 10 兆瓦的超临界涡轮机示范系统。
更简单、更小、更清洁的机器
“超临界”一词描述了二氧化碳高于其临界温度和压力（摄氏 31 度和 73 个大气压）的状态。在这些条件下，二氧化碳的密度类似于其液态，并且像气体一样填充容器。
咖啡生产商已经在使用超临界二氧化碳从咖啡豆中提取咖啡因。材料公司也在使用它来制造塑料和陶瓷。
非营利性研发机构西南研究所的机械主管克劳斯·布伦说：“从热力学的角度来看，它是一种非常好的工艺流体。你会得到一个相当高效的循环和一个合理的燃烧温度。”
在其超临界状态下，二氧化碳的密度几乎是蒸汽的两倍，从而产生非常高的功率密度。超临界二氧化碳比蒸汽更容易压缩，并允许发电机在更高的温度下从涡轮机中提取动力。
最终的结果是一个更简单的涡轮机，可以比其蒸汽等效物小 10 倍。蒸汽涡轮机通常有 10 到 15 个转子级。一个超临界涡轮机等效物将有四个。
国家能源技术实验室的涡轮机技术经理理查德·丹尼斯说：“我们正在研究一个带有四个叶轮级的涡轮转子轴，它的直径为 4 英寸，长度为 4 英尺，可以为 1000 个家庭供电。”
他指出，超临界二氧化碳动力循环的想法可以追溯到 20 世纪 40 年代，但蒸汽循环已经非常高效、易于理解且便宜，这为新的动力装置的普及造成了阻碍。此外，工程师们仍在寻找改进电力生产燃烧侧的方法，因此直到最近，改进电厂发电侧的需求才变得如此迫切。
法规可能会创造不断扩大的市场
现在，法规和气候问题正迫使电力生产商考虑像超临界二氧化碳这样的想法。
丹尼斯说：“仅在封闭的间接循环中，数据表明，在与蒸汽循环相似的工作温度下，热力学效率将提高 3 到 4 个百分点。”通过进一步优化和更好的材料，工程师可以进一步提高性能。
间接加热的动力装置本质上将是蒸汽动力装置的直接替代品。这种设备将有利于核电站、聚光太阳能发电厂、地热装置、热电联产系统和化石燃料发电厂。
超临界涡轮机也将是船舶和潜艇上蒸汽系统的有吸引力的升级，在占用更少空间的同时产生相同的功率。由于它们使用二氧化碳而不是水作为工艺流体，这些涡轮机在干旱地区也能很好地工作。
此外，超临界涡轮机可以安装在直接加热循环中，其中天然气等燃料在纯氧存在下在涡轮机内部燃烧，仅产生水和二氧化碳作为废物。
然后，操作员可以去除水并隔离多余的二氧化碳。丹尼斯说：“如果技术管理计划取得适度成功，这些循环可以与联合循环天然气涡轮机和碳捕获和封存相竞争。”该系统还可以将废热送回系统的前端，从而进一步提高整体效率。
然而，涡轮机并非动力装置的唯一组成部分；超临界二氧化碳系统仍然需要热交换器、冷却系统和管道，这会增加成本和复杂性。而且二氧化碳会腐蚀材料，因此工程师必须重新设计大部分管道和蒸汽系统的支持硬件，以解决这些问题。
另一个担忧是，迄今为止展示的大多数超临界二氧化碳系统都是以千瓦规模构建的，太小，无法为完整尺寸的版本提供有用的经验教训。美国能源部的试点提案将大大有助于证明超临界二氧化碳的可行性。丹尼斯说：“建造一座 10 兆瓦的工厂将是向前迈进的巨大一步。”
经 Environment & Energy Publishing, LLC 许可，转载自 Climatewire。www.eenews.net, 202-628-6500