Oto właśnie po raz pierwszy na świecie do napędzania turbin generatora wykorzystano nie parę, a dwutlenek węgla w tak zwanym stanie superkrytycznym. Stanowi to jedno wielkie odejście od technologii opartej na cyklu parowym, która dominuje w energetyce od ponad stulecia. Chaotan One został oficjalnie uruchomiony 20 grudnia 2025 roku, choć do sieci podłączono go już miesiąc wcześniej. Sukces ten jest efektem technologicznego wyścigu, w którym Chiny zdają się wyprzedzić Stany Zjednoczone, wciąż testujące swoją pilotażową jednostkę w Teksasie.
Sekret superkrytycznego dwutlenku węgla (sCO2)
Czym jest ten szczególny stan materii? Kiedy dwutlenek węgla zostanie poddany odpowiednio wysokiemu ciśnieniu (powyżej 7,37 MPa) i temperaturze (powyżej 31°C), traci swoją klasyczną postać. Przestaje być wyraźnie gazem lub cieczą, a staje się czymś pomiędzy. W stanie superkrytycznym CO2 łączy właściwości cieczy i gazu, bo ma gęstość zbliżoną do cieczy, ale wypełnia przestrzeń jak gaz. Dla inżynierów projektujących turbiny to idealne medium, które oferuje większy potencjał do wykonania pracy przy mniejszych oporach wewnętrznych. Co kluczowe, doprowadzenie CO2 do tego stanu wymaga znacznie mniej energii niż zagotowanie wody i wytworzenie pary w konwencjonalnych systemach.
Czytaj też: Energetyka jądrowa ma szansę na nowy start. Największa bolączka reaktorów jądrowych ma swoje lekarstwo
Trzeba przy tym pamiętać, że dwutlenek węgla krążący w obiegu turbiny pełni rolę czynnika roboczego, a nie gazu pobieranego z powietrza i trwale w nim uwięzionego. Z punktu widzenia klimatu kluczowe jest tutaj jednak coś innego, bo możliwość wytworzenia większej ilości energii elektrycznej z tej samej porcji ciepła, bez dodatkowego spalania paliw.
Jak bardzo różni się taka elektrownia od klasycznej parowej?
W praktyce zmiana pary wodnej na dwutlenek węgla w stanie superkrytycznym oznacza nie tylko inny wykres w podręczniku termodynamiki, ale zupełnie inne podejście do konstrukcji całej siłowni. W klasycznym cyklu Rankine’a para wodna przechodzi przez szereg przemian fazowych, co wymusza stosowanie wielostopniowych turbin, rozbudowanych układów separacji kondensatu i dużych wymienników ciepła. W cyklu Braytona z superkrytycznym CO2 nie ma już tej skomplikowanej “orkiestry faz”. Czynnik roboczy pozostaje w jednym stanie, co upraszcza konstrukcję turbiny, pozwala ograniczyć liczbę stopni i zmniejsza jej gabaryty, a przy tym poprawia sprawność całego obiegu w zakresie temperatur typowych dla wielu źródeł ciepła odpadowego.
Dla operatorów energetycznych ma to bardzo konkretny wymiar, bo zamiast kolejnego bloku wymagającego osobnego budynku, chłodni kominowej i rozbudowanej infrastruktury, pojawia się kompaktowa instalacja, którą można wpiąć w istniejący zakład przemysłowy. Otwiera to drogę nie tylko dla hut stali, ale też rafinerii, cementowni czy zakładów chemicznych, gdzie ciepło procesowe dotąd traktowano jak nieuniknioną stratę.
Dwie wyjątkowe turbiny w hucie stali
Instalacja w Liupanshui w prowincji Guizhou nie powstała w środku szczerego pola. Jej lokalizacja w hucie stali jest kluczowa, ponieważ głównym zadaniem generatora jest odzyskiwanie i wykorzystanie ciepła odpadowego z procesów przemysłowych. System składa się z dwóch niezależnych turbin, każda o mocy 15 megawatów, a podawane parametry wydajności robią wrażenie. W porównaniu do tradycyjnych metod odzysku ciepła Chaotan One ma bowiem zwiększyć produkcję energii elektrycznej netto o 50 procent, a ogólna efektywność całego procesu wytwarzania ma wzrosnąć o ponad 85 procent. Dodatkowym atutem jest prostsza konstrukcja w stosunku do elektrowni parowych, bo mniej skomplikowanych komponentów przekłada się na łatwiejszą konserwację i potencjalnie niższe koszty operacyjne.
Dla porównania amerykański projekt STEP Demo prowadzony w Southwest Research Institute w San Antonio osiągnął moc 10 megawatów przy szacunkowych kosztach sięgających 169 milionów dolarów (około 676 milionów złotych). Chociaż amerykańska instalacja ruszyła wcześniej, wchodząc w fazę testów pełnej mocy w 2024 roku, to Chiny jako pierwsze mogą pochwalić się komercyjnym wdrożeniem tej technologii na skalę przemysłową.
Czytaj też: Koniec z nocnymi przerwami w fotowoltaice. Startup zebrał miliony na pomysł, który wydaje się szalony
Chociaż pierwszym komercyjnym poligonem dla superkrytycznego dwutlenku węgla stała się huta stali, to prace badawcze od lat wskazują, że to medium może wspierać znacznie szerszy katalog źródeł energii. W literaturze naukowej jako naturalnych kandydatów wymienia się między innymi elektrownie jądrowe nowej generacji, instalacje spalające paliwa kopalne oraz elektrownie słoneczne w technologii skoncentrowanej energii słonecznej, gdzie wysoka temperatura czynnika roboczego i kompaktowość turbin są szczególnie pożądane.
Co dalej z tą technologią?
Uruchomienie pierwszej komercyjnej elektrowni z obiegiem superkrytycznego dwutlenku węgla nie jest oczywiście odpowiedzią na wszystkie problemy energetyki, ale dobrze pokazuje, jak możemy zrewolucjonizować rynek energetyczny. Zamiast wyłącznie budować kolejne wielkie źródła mocy, coraz większy nacisk kładzie się na to, by lepiej wykorzystywać to, co już mamy, czyli ciepło odpadowe, istniejącą infrastrukturę i lokalne zasoby energii. W takim podejściu liczy się sprawność, elastyczność i kompaktowość instalacji, a właśnie w tych obszarach sCO2 ma najwięcej do zaoferowania.