SwRI（美国西南研究院），GTI，GE Research和美国能源部/国家能源技术实验室（DOE/ NETL）正在合作完成一项名为“超临界转换发电系统（STEP）”的示范项目，旨在展示一种新型的发电方式，其效率和成本效益将大大提高。这是一项耗资1.12亿美元、容量10MW的超临界二氧化碳(sCO₂)示范项目。作为全球首座该类型示范电站，将展示下一代高效、低成本的电力技术。
近日，SwRI宣布，经过18个月的建设，该示范电站的厂房顺利完工，就坐落在美国圣安东尼奥市的西南研究院(SwRI)院内，并获得了“入住证书”。
这座耗资1200万美元的厂房建筑座落在STEP示范电站项目中，面积为22,000平方英尺（2043平方米），而整个项目设施占地5英亩（约2万平方米）。该设施具有撬装式组件，可提供灵活性和独特的可重新配置设计，使其能够随着时间的推移而发展，以与行业发展保持同步。该厂房还设有外部加热元件，冷却塔，单独的电子室和30吨起重机，将为sCO₂发电模块的项目运营和建设提供支持。
厂房东侧
低温换热器和主过程冷却器已经到货
“负载银行(loadbanks)”正在安装
30吨的高架起重机
电气室
sCO₂是保持在临界温度和压力以上的二氧化碳，这使其在具有液体密度的同时像气体一样。它无毒，不易燃，已经用于干洗过程以及对咖啡进行脱咖啡因处理。它的超临界状态使sCO₂成为产生动力的高效流体，因为温度或压力的微小变化会导致其密度发生明显变化。
据悉，北美的大部分电力来自已建成30多年的汽轮机组，燃烧化石燃料，且其灵活性有限，效率仅为35％或更低。传统的电站在发电循环中使用水作为热介质。由于其良好的热力学特性，用高温sCO₂代替蒸汽发电使效率提高多达10％。保持在临界温度和压力以上的二氧化碳类似于气体，而密度却接近于液体。作为工作流体的sCO₂的总体密度高，使STEP透平机械的尺寸约为传统发电厂组件的1/10，从而为缩小环境影响足迹和降低建设成本提供了机会。
图：sCO₂透平集成起来虽然只有一个桌子大小，但可以为1万户家庭供电。该技术还可以应用于工业废热，聚光太阳能光热发电，或几乎任何其他以热输入来发电的场景。
作为世界上最大的sCO₂技术示范设施之一，STEP设施将应对这些挑战。它将示范一个完全集成的发电站，该发电站使用sCO₂来显着提高这项新技术的规模、效率、经济性、操作灵活性，空间要求和环境性能。
10MWe STEP电站将使用sCO₂作为发电源
STEP的目标包括完善sCO₂的电源循环，演示组件的性能和可扩展性以及设计可容纳多种新支持技术的设施。SwRI，GTI和GE合作进行了STEP示范项目的设计。现在，该厂房已经竣工，部件制造和设备安装也正在进行中，预计于2021年初开始运营。接下来将进行全面测试，以评估sCO₂技术的发展。
为降低太阳能发电成本，美国能源部（DOE）于2011年开始实施太阳能应用领域的“Sunshot”攻关计划；其中包括超临界二氧化碳布雷顿循环系统研发项目的主体项目——10MW超临界二氧化碳发电机组项目研发和测试。随着该计划持续推进，近几年来DOE在支持超临界二氧化碳光热发电相关技术研发方面不断加码，并取得重大进展。2019年3月，DOE拨款支持《高级二氧化碳换热器中高强度镍合金薄板的蠕变和疲劳特性》、《适用于基于二氧化碳的动力循环和储能系统的高级压缩机》、《适用于先进热力循环的低成本短期/长期热化学和化学储能》、《减少超临界二氧化碳光热发电系统资本成本的近终型热等静压机制造方式》、《用于太阳能热发电的透平机械新型自润滑高效刷式密封垂直排列的碳纳米管阵列》等多项超临界二氧化碳相关技术研发项目。2019年4月，SwRI与GE联合设计并制造的全球运行温度最高的超临界二氧化碳透平机组进行了测试。今年2月，美国能源部又拨付太阳能光热发电相关项目资金3900万美元，其中大部分就是用于推进超临界二氧化碳布雷顿循环技术商业化。
研究表明，提高动力循环的热效率是降低太阳能光热发电系统的平准化能源成本（LCOE）的关键，配备超临界二氧化碳动力循环的光热发电系统可实现50%甚至更高的热效率。按照DOE的目标，到2030年含12小时储热系统的光热发电成本将降低到50美元/兆瓦时（5美分/kWh，约合RMB0.35元/kWh），而尽快推进超临界二氧化碳布雷顿循环技术商业化则是实现该目标的重要措施之一。
