Ученые Объединенного института высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) разработали экологически чистую ТЭЦ, работающую на новом термодинамическом цикле с кислородным сжиганием природного газа. Предлагаемая технология обеспечивает одновременную выработку электроэнергии и тепла и при этом позволяет практически полностью исключить выбросы CO₂ в атмосферу. В условиях, когда ископаемое топливо еще долго будет сохранять ключевую роль в энергобалансе, а требования по снижению выбросов ужесточаются, такая схема рассматривается как один из возможных путей модернизации традиционной генерации.
Разработка, получившая название цикл ОИВТ РАН, основана на отказе от использования воздуха при сжигании топлива. В камеру сгорания подается чистый кислород, а рабочим телом, вращающим турбину, становится смесь углекислого газа и водяного пара. Это принципиально меняет состав продуктов сгорания и конфигурацию всей станции. В обычной ТЭЦ дымовые газы содержат лишь несколько процентов CO₂, поэтому его выделение требует сложных и энергоемких систем. В новой схеме углекислый газ изначально является частью рабочего тела и после конденсации воды выводится из цикла в жидком виде – удобном для транспортировки, хранения или промышленного использования. Кроме того, компоненты рабочего тела сжимаются насосами в жидком состоянии, а не компрессорами в газовой фазе, что снижает энергозатраты и позволяет достигать высокого давления перед турбиной.
По расчетам разработчиков, удельный расход условного топлива на производство полезной энергии составляет менее 130 г у.т. на кВт·ч в годовом интегральном выражении. Это обеспечивает экономию более 30% топлива по сравнению с современными теплофикационными станциями аналогичной мощности. Существенно и то, что установка может гибко регулировать соотношение тепловой и электрической мощности – без применения пиковых котельных. Такая возможность особенно важна для российских городов с развитой системой централизованного теплоснабжения, где тепловая нагрузка часто превышает электрическую.
Экологический эффект связан прежде всего с особенностями процесса горения. Поскольку воздух не используется, в зоне горения практически отсутствует азот, а значит, образование оксидов азота минимально. Углекислый газ не выбрасывается через дымовую трубу, а конденсируется и отводится в жидком виде. Для станции мощностью около 300 МВт это более 550 тонн CO₂ в сутки, которые могут направляться на промышленное использование, например, в производство удобрений, химической продукции или для закачки в пласты при добыче нефти. Одновременно полностью конденсируется водяной пар, включая так называемую топливную воду, образующуюся при сгорании водорода в составе метана. В год это порядка 1 млн тонн воды, пригодной для технологических нужд. Воздухоразделительная установка, необходимая для получения кислорода, дополнительно производит более 5 млн тонн азота в год для станции мощностью 300 МВт. Этот продукт востребован в металлургии, нефтегазовой и пищевой промышленности.
Для практической отработки технологии предлагается создание полигона — электростанции мощностью 60 МВт. Такой объект позволит решить конструктивные и технологические задачи, проверить работу оборудования в различных режимах и оценить экономические параметры перед масштабированием до станций мощностью 100-600 МВт и более. В проекте предполагается участие российских предприятий энергомашиностроения.
