China Hubungkan Generator Listrik CO2 Superkritis Komersial Pertama ke Jaringan Listrik

Pencapaian jaringan listrik untuk siklus tenaga jenis baru

China telah menghubungkan generator listrik komersial pertama di dunia yang beroperasi dengan karbon dioksida superkritis ke jaringan listrik, menandai tahap baru dalam pembangkitan listrik termal ber efisiensi tinggi. Instalasi ini berada di dalam pabrik baja Shougang Shuicheng di Liupanshui, Guizhou, dan mengubah panas buangan bersuhu tinggi dari produksi baja menjadi listrik. Dibangun oleh Nuclear Power Institute of China di bawah China National Nuclear Corporation dengan dukungan rekayasa dari Jigang International Engineering and Technology, proyek ini terdiri atas dua unit dengan kapasitas masing-masing 15 megawatt. Fluida kerjanya adalah karbon dioksida, bukan uap, dan produsennya menyatakan bahwa unit-unit tersebut dapat menangkap dan memanfaatkan panas buangan setidaknya 50 persen lebih baik dibandingkan sistem konvensional berbasis uap yang digunakan di pabrik baja.

Hal ini penting karena karbon dioksida superkritis, yang sering disingkat sCO2, dapat memungkinkan penggunaan turbin yang lebih kecil, waktu penyalaan yang lebih cepat, dan efisiensi termal yang lebih tinggi pada suhu tinggi. Karakteristik tersebut sesuai dengan kebutuhan industri berat, tempat panas yang saat ini terlepas melalui cerobong dan sistem pendingin dapat diubah menjadi sumber listrik yang stabil. Karakteristik yang sama juga sejalan dengan kebutuhan reaktor nuklir generasi berikutnya dan pembangkit listrik tenaga surya terkonsentrasi, yang setiap poin persentase efisiensinya dapat menekan biaya dan mengurangi ukuran komponen inti.

Proyek Guizhou juga menguji kinerja teknologi ini di luar laboratorium. Pembuatan baja merupakan salah satu industri yang paling banyak mengonsumsi energi, dan jalur sintering serta tungku melepaskan aliran panas dalam jumlah besar dengan suhu jauh di atas 700 Celsius (1292 Fahrenheit). Pemanfaatan panas tersebut memperbaiki keseimbangan energi pabrik dan dapat mengurangi pengambilan listrik dari jaringan setempat. Teknologi ini juga dapat mengurangi penggunaan air dibandingkan siklus uap, sebuah keuntungan di wilayah dengan pasokan air terbatas.

Apa itu listrik CO2 superkritis dan mengapa penting

Karbon dioksida superkritis adalah karbon dioksida yang dipertahankan pada suhu dan tekanan di atas titik kritisnya, sekitar 31 Celsius dan 74 bar. Dalam keadaan ini, CO2 merupakan fluida padat dengan sifat gas sekaligus cairan. Kepadatan tersebut memungkinkan para insinyur membangun turbin dan penukar panas yang ringkas. Dalam sistem tenaga sCO2, fluida bergerak dalam sirkuit tertutup, menyerap panas dari suatu sumber, mengembang melalui turbin untuk memutar generator, lalu melepaskan panas ke pendingin sebelum dikompresi dan dikirim kembali ke sumber panas. Sirkuit ini dikenal sebagai siklus Brayton, kerabat siklus turbin gas yang digunakan pada mesin jet, tetapi menggunakan CO2 sebagai fluida kerja dan recuperator untuk mendaur ulang panas di dalam sirkuit.

Cara kerja siklus

Di pabrik baja, gas panas dari proses sintering dan proses terkait melewati penukar panas yang memindahkan energi ke dalam sirkuit sCO2. Karbon dioksida yang dipanaskan mengembang saat melewati turbin, memutar generator untuk menghasilkan listrik. Setelah mengembang, CO2 masih membawa panas dalam jumlah besar, sehingga dialirkan melalui recuperator untuk memanaskan aliran yang masuk terlebih dahulu dan meningkatkan efisiensi. Fluida itu kemudian melepaskan sisa panas ke pendingin, dikompresi, lalu kembali ke penukar panas untuk mengulangi proses. Karena CO2 yang berada dekat titik kritisnya lebih mudah dikompresi dibandingkan gas biasa, siklus ini membutuhkan lebih sedikit energi untuk kompresi, sehingga membantu meningkatkan efisiensi bersih.

Keunggulan efisiensi dan ukuran

Siklus Rankine uap tradisional sudah matang dan andal, tetapi efisiensinya mencapai batas tanpa suhu dan tekanan yang sangat tinggi, sementara komponennya berukuran besar. Laporan mengenai proyek China dan proyek percontohan internasional menunjukkan bahwa siklus sCO2 yang beroperasi pada suhu tinggi dapat melampaui efisiensi termal 50 persen, sedangkan siklus uap modern berada di kisaran 40 persen dalam kondisi serupa. Dalam aplikasi panas buangan, efisiensi pastinya bergantung pada suhu sumber dan desain peralatan, tetapi pendekatan sCO2 menawarkan peningkatan besar dalam jumlah panas yang dapat diubah menjadi listrik. Peralatannya juga ringkas karena CO2 jauh lebih padat daripada uap, sehingga turbin dan pipa dapat jauh lebih kecil pada tingkat daya yang sama.

Mengapa pabrik baja menjadi sumber panas yang ideal

Pabrik baja menghabiskan energi dalam jumlah besar untuk proses sintering, kokas, dan penggulungan panas. Sintering menggumpalkan bijih halus pada suhu yang sering kali melebihi 700 Celsius. Tungku dan saluran gas buang kemudian membawa panas keluar dari proses. Sirkuit CO2 superkritis dapat menangkap aliran panas ini melalui penukar panas yang kokoh, mengambil kembali sebagian besar energi yang jika tidak akan terbuang.

Ada manfaat tambahan dalam lingkungan industri. Sistem tenaga sCO2 menggunakan sangat sedikit air dibandingkan sistem uap, karena tidak memerlukan air umpan boiler dalam jumlah besar atau menara pendingin basah. CO2 sebagai fluida kerja relatif inert dan tidak terlalu korosif terhadap banyak jenis paduan dibandingkan uap bersuhu tinggi, sehingga dapat mengurangi sejumlah tantangan material. Sirkuit yang tertutup berarti CO2 tidak dibuang dalam operasi normal. Kehilangan kecil persediaan CO2 dapat terjadi dan harus dikelola, tetapi sistem ini tidak bergantung pada pasokan CO2 segar secara berkelanjutan.

Bagi operator pabrik, karakteristik ini berarti tapak sistem tenaga yang lebih kecil, peralatan bantu yang lebih sedikit, dan pengoperasian yang lebih fleksibel. Penyalaan dan penghentian dapat berlangsung lebih cepat dibandingkan sistem uap, yang berguna untuk proses dengan suhu yang berubah sepanjang hari.

Bisakah teknologi ini diterapkan pada tenaga nuklir dan surya

Banyak rancangan reaktor canggih menghasilkan suhu keluaran yang sesuai untuk turbin sCO2. Reaktor gas bersuhu tinggi, reaktor garam cair, dan reaktor cepat natrium semuanya menargetkan suhu inti yang lebih tinggi daripada reaktor air bertekanan, dan sCO2 dapat memanfaatkan panas tersebut secara efisien. Turbin yang ringkas juga cocok dipasangkan dengan reaktor modular kecil, yang mengutamakan efisiensi ruang dan kesederhanaan.

Hal yang sama berlaku untuk pembangkit listrik tenaga surya terkonsentrasi, yang menyimpan panas dalam garam cair lalu mengalirkannya melalui sistem tenaga. Sebuah rencana demonstrasi di China bertujuan memodifikasi pembangkit menara surya skala demonstrasi di Dunhuang, mengganti sistem uap dengan sistem tenaga sCO2 untuk menilai kesiapan pemasok dan perilaku operasional. Upaya ini menyoroti dua komponen penting: penukar panas garam cair ke CO2 yang andal dan rangkaian kompresor yang mampu menangani CO2 di dekat titik kritisnya. Keduanya merupakan tantangan besar, tetapi kemajuan dalam material, seal, dan sistem kontrol membuat pencapaiannya semakin mungkin.

Jika penukar panas dan mesin turbinnya terbukti tahan lama di pembangkit nyata, jalan menuju sistem tenaga sCO2 yang lebih besar akan semakin jelas. Keuntungannya menarik: efisiensi siklus yang lebih tinggi berarti ladang surya atau inti reaktor yang lebih kecil untuk menghasilkan daya yang sama ke jaringan listrik, sementara penggunaan air yang lebih rendah melonggarkan kendala pemilihan lokasi.

Bagaimana China membangunnya dan siapa di balik proyek ini

Instalasi di Guizhou merupakan hasil program jangka panjang di Nuclear Power Institute of China, yang merupakan bagian dari CNNC. Selama lebih dari satu dekade, lembaga tersebut telah mengembangkan sirkuit sCO2, turbin, bantalan, seal, dan sistem kontrol, menerbitkan hasil pengujian komponen dan membangun instalasi percontohan. Jigang International Engineering and Technology menjadi mitra dalam aspek rekayasa untuk integrasi di industri berat. Shougang Shuicheng Steel sebagai tuan rumah menyediakan lokasi dan akses ke aliran panas buangan berkualitas tinggi.

Setiap unit memiliki kapasitas 15 megawatt. Penggunaan dua unit memberikan redundansi dan memberi operator kesempatan menguji strategi kontrol dalam kondisi produksi nyata. CNNC menyebut proyek ini sebagai landasan bagi unit-unit masa depan di industri berat dan pembangkitan listrik, dengan tujuan menstandardisasi modul yang dapat direplikasi di berbagai lokasi. Replikasi penting karena nilai ekonomis pembangkitan listrik dari panas buangan meningkat ketika peralatan dapat diproduksi dalam skala besar dan dipasang dengan sedikit penyesuaian.

Pendapat para ahli

Di luar China, kelompok riset dan tim industri terus membuktikan keandalan komponen dan subsistem sCO2. Di Texas, fasilitas percontohan Supercritical Transformational Electric Power berkapasitas 10 megawatt listrik, yang didukung Departemen Energi AS dan dipimpin sebuah konsorsium, menyelesaikan tahap pertamanya pada 2024 dan menunjukkan operasi kecepatan penuh dengan mesin turbinnya serta sistem kontrol yang terintegrasi. Para peneliti di Southwest Research Institute, yang mendukung program tersebut, menekankan pentingnya pengujian terintegrasi, ketika kompresor, turbin, pemanas, pendingin, dan perangkat lunak kontrol beroperasi bersama sebagai satu pembangkit.

Mark Hibbs, peneliti senior di Carnegie Endowment for International Peace yang mengkaji sektor nuklir China, mengatakan China terus bergerak cepat untuk menunjukkan kepemimpinan teknologinya.

China bergerak sangat, sangat cepat. Mereka sangat ingin menunjukkan kepada dunia bahwa program mereka tidak dapat dihentikan.

Tim Allison, yang mengepalai Departemen Mesin di Southwest Research Institute dan bekerja pada proyek percontohan Texas, menjelaskan pencapaian pengoperasian sistem tenaga sCO2 terintegrasi pada kecepatan penuh.

Pengoperasian sistem terintegrasi ini merupakan pencapaian yang patut dicatat. Ini menyusul kegiatan komisioning komponen yang berhasil dilakukan tim dan menunjukkan operasi gabungan seluruh peralatan, termasuk kontrol pembangkit, kompresor, penukar panas, pemanas, turbin, dan persediaan CO2, serta sistem pasokan listrik dan gas dan sistem air pendingin fasilitas.

Tantangan rekayasa yang masih harus diatasi

Membangun turbin ringkas ber efisiensi tinggi yang tahan terhadap suhu dan kecepatan tinggi merupakan tantangan utama. Kajian akademis dan industri menggambarkan rotor turbin yang berputar mendekati 30.000 hingga 40.000 putaran per menit, dengan bilah dan casing yang menghadapi suhu di atas 600 Celsius. Paduan berbasis nikel dan baja canggih merupakan material yang umum digunakan untuk silinder bagian dalam dan rotor, sementara casing luar menggunakan baja feritik untuk mengelola tekanan dan biaya. Kombinasi material yang tepat menyeimbangkan kekuatan, ketahanan terhadap korosi, dan pemuaian termal agar celah tetap sempit tanpa terjadi gesekan.

Seal dan bantalan sama pentingnya. Seal gas kering membatasi kebocoran CO2 pada poros, dan sejumlah desain mengkaji penggunaan bantalan gas alih-alih bantalan minyak untuk menyederhanakan sistem pelumasan dan menghindari masalah termal. Penelitian terhadap turbin kelas 25 megawatt menemukan bahwa penempatan piston penyeimbang di dalam bagian gas pendingin memperpendek rotor, mengurangi jalur kebocoran, dan menekan kehilangan mekanis. Rotor yang lebih ringkas meningkatkan stabilitas dan menyederhanakan rumah turbin. Skema lain yang mengganti bantalan minyak dengan bantalan gas semakin memperpendek poros dan menghilangkan kebutuhan akan sistem pendingin dan pelumasan terpisah. Penyempurnaan ini membantu meningkatkan efisiensi dan keandalan.

Pengendalian siklus selama perubahan kondisi operasi juga menjadi bidang yang aktif diteliti. Demonstrasi skala kecil menunjukkan bahwa perubahan kecepatan pompa, masukan panas, dan beban dapat menyebabkan lonjakan tekanan dan aliran sebelum sistem stabil. Para insinyur memetakan kombinasi aliran massa, rasio tekanan, dan kecepatan putar untuk mengidentifikasi zona stabil tempat daya dan efisiensi maksimum dapat dicapai. Sebuah pengujian generator turbo sCO2 skala kecil mencapai keluaran listrik puluhan kilowatt dengan efisiensi total terukur mendekati 59 persen dalam kondisi optimal, yang menunjukkan potensi teknologi sekaligus perlunya kontrol yang cermat.

Penukar panas yang memindahkan energi antara gas industri kotor dan sirkuit CO2 bersih harus tahan terhadap pengotoran dan tekanan termal. Recuperator di dalam sirkuit CO2 membutuhkan desain ringkas dengan luas permukaan tinggi untuk mendaur ulang panas tanpa menyebabkan penurunan tekanan besar. Kompresor harus beroperasi secara efisien di dekat titik kritis CO2, tempat perubahan suhu kecil dapat mengubah kepadatan dan menurunkan kinerja jika sistem kontrol tidak merespons dengan cepat.

Dampak lingkungan dan kebijakan

China berjanji mencapai puncak emisi karbon sebelum 2030 dan netralitas karbon sebelum 2060. Pembersihan pasokan listrik yang menggerakkan industri berat menjadi bagian penting dari rencana tersebut. Pemulihan panas buangan dengan sCO2 membantu dalam dua hal: mengurangi pengambilan listrik bersih dari jaringan berbasis bahan bakar fosil dan menekan penggunaan air di tempat siklus uap konvensional membutuhkan aliran pendingin dalam jumlah besar. Untuk proyek nuklir dan termal surya, efisiensi yang lebih tinggi secara langsung menurunkan biaya listrik bersih.

Sejumlah analis juga menyoroti potensi sinergi dengan penangkapan karbon. Secara teori, CO2 yang ditangkap dapat memasok sirkuit tertutup sebagai fluida kerja, sehingga sebagian gas tersebut dapat dimanfaatkan secara produktif. Namun, siklus tenaga membutuhkan CO2 yang bersih dan kering untuk melindungi mesin turbinnya serta meminimalkan korosi, dan sirkuitnya tertutup sehingga tidak terus-menerus mengonsumsi CO2 baru. Integrasi dengan penangkapan karbon akan berfokus pada penanganan, penyimpanan, dan pemurnian bersama, bukan menggunakan CO2 sebagai bahan baku yang dibakar atau diubah.

Generator baru ini juga menyoroti keterbatasan sumber daya. Penghematan air dapat sangat besar di wilayah kering yang kekurangan air pendingin. Sistem tenaga yang ringkas dapat ditempatkan di kapal atau lokasi industri terpencil, memperkuat ketahanan energi dengan mengubah panas di lokasi menjadi listrik di lokasi.

Persaingan global dan langkah selanjutnya

Tim-tim di Amerika Serikat, Eropa, dan Asia terus meningkatkan keandalan komponen sCO2 dan integrasi pembangkit. Proyek STEP di Texas beralih dari komisioning komponen ke uji coba terintegrasi dan menghasilkan listrik pada tahap pertamanya, sehingga meningkatkan keyakinan bahwa teknologi ini dapat ditingkatkan skalanya dan direplikasi. Unit China yang terhubung ke jaringan listrik di Guizhou merupakan instalasi komersial pertama pada proses industri, dan akan menyediakan data tentang operasi sepanjang waktu, siklus pemeliharaan, serta keekonomian pembangkitan listrik dari panas buangan dalam industri baja.

Ke depan, kemungkinan akan ada lebih banyak unit di pabrik baja dan semen jika klaim kinerjanya terbukti dalam operasi bulanan dan tahunan. Proyek tenaga surya terkonsentrasi tengah mengevaluasi sistem tenaga sCO2 untuk memperkecil gedung turbin dan meningkatkan keluaran. Perancang reaktor canggih merencanakan sCO2 sebagai sistem konversi daya utama, menggantikan instalasi uap yang besar dengan turbin dan recuperator yang ringkas. Sumber nuklir bergerak untuk lokasi terpencil juga mendapat manfaat dari peralatan ringkas, sementara kepadatan CO2 membantu menjaga ukuran turbin tetap kecil untuk tingkat daya tertentu.

Rantai pasokan peralatan akan menjadi faktor penting. Penukar panas berkinerja tinggi, seal gas kering, dan generator berkecepatan tinggi harus tersedia dari berbagai vendor. Peraturan dan standar untuk bejana tekan, pipa, dan seal yang digunakan dengan CO2 perlu terus dikembangkan. Pelatihan bagi operator untuk menjalankan dan mengatasi masalah siklus dengan aman akan menjadi bagian dari penerapan komersial. Demonstrasi dan replikasi yang berlangsung secara konsisten dapat menekan biaya dan meyakinkan pemilik pabrik untuk mengadopsi teknologi ini dalam skala besar.

Intinya

• China menghubungkan dua unit CO2 superkritis berkapasitas 15 megawatt ke jaringan listrik di sebuah pabrik baja di Liupanshui, Guizhou.
• Sistem ini menggunakan panas buangan dari proses sintering baja untuk menghasilkan listrik dan disebut mampu mengubah panas buangan setidaknya 50 persen lebih baik daripada sistem berbasis uap.
• Siklus sCO2 beroperasi dalam sirkuit tertutup dengan CO2 di atas titik kritisnya, sehingga memungkinkan penggunaan turbin ringkas dan efisiensi lebih tinggi pada suhu tinggi.
• Sistem tenaga ini hanya menggunakan sedikit air dan dapat ditempatkan di ruang terbatas, sehingga cocok untuk industri berat, kapal, dan sistem energi terpencil.
• Reaktor canggih dan pembangkit listrik tenaga surya terkonsentrasi merupakan kandidat utama untuk sistem tenaga sCO2 karena menghasilkan suhu tinggi yang dibutuhkan siklus tersebut.
• Tugas rekayasa utama mencakup pengembangan penukar panas yang tahan lama, kompresor efisien di dekat titik kritis, serta turbin berkecepatan tinggi dengan seal dan bantalan yang kokoh.
• Proyek percontohan AS di Texas mengoperasikan pembangkit sCO2 terintegrasi berkapasitas 10 megawatt listrik dan menghasilkan listrik pada tahap pertamanya, menunjukkan kemajuan di luar China.
• Proyek China menyediakan data skala komersial pertama tentang pemanfaatan panas buangan industri untuk menghasilkan listrik dengan sCO2.
• Penghematan air dan peningkatan efisiensi mendukung target puncak emisi karbon dan netralitas karbon China sekaligus memperbaiki pemanfaatan energi di industri berat.
• Peningkatan skala akan bergantung pada kesiapan pemasok, keandalan operasional, dan keekonomian replikasi di berbagai pabrik.