China liga à rede elétrica o primeiro gerador comercial de energia a CO2 supercrítico

Um marco na rede elétrica para um novo tipo de ciclo de potência

A China ligou à rede elétrica o primeiro gerador comercial do mundo que funciona com dióxido de carbono supercrítico, marcando uma nova etapa para a energia térmica de alta eficiência. A instalação situa-se dentro da fábrica de aço Shougang Shuicheng, em Liupanshui, Guizhou, e converte calor residual de alta temperatura da produção de aço em eletricidade. Construído pelo Instituto de Energia Nuclear da China, sob a China National Nuclear Corporation, com apoio de engenharia da Jigang International Engineering and Technology, o projeto é composto por duas unidades com potência nominal de 15 megawatts cada. O fluido de trabalho é dióxido de carbono, não vapor, e o fabricante afirma que as unidades conseguem captar e utilizar calor residual pelo menos 50% melhor do que os sistemas convencionais a vapor utilizados em aciarias.

Isto é importante porque o dióxido de carbono supercrítico, frequentemente abreviado como sCO2, pode permitir turbinas mais pequenas, arranque mais rápido e maior eficiência térmica a altas temperaturas. Estas características correspondem às necessidades da indústria pesada, onde o calor que atualmente escapa por chaminés e sistemas de arrefecimento pode ser transformado numa fonte estável de energia. As mesmas características também se alinham com reactores nucleares de próxima geração e centrais solares de concentração, onde cada ponto percentual de eficiência pode reduzir custos e diminuir a dimensão dos componentes do núcleo.

O projeto de Guizhou é também um teste de como esta tecnologia se comporta fora do laboratório. A siderurgia é uma das indústrias com maior intensidade energética, e as linhas de sinterização e os fornos libertam grandes fluxos de calor a temperaturas bem acima de 700 graus Celsius (1292 graus Fahrenheit). A captação desse calor melhora o balanço energético da fábrica e pode reduzir o consumo da rede local. Também pode reduzir o consumo de água em comparação com ciclos a vapor, um benefício em regiões onde os recursos hídricos são escassos.

O que é a energia a CO2 supercrítico e porque é importante

O dióxido de carbono supercrítico é dióxido de carbono mantido a uma temperatura e pressão acima do seu ponto crítico, aproximadamente 31 graus Celsius e 74 bar. Neste estado, é um fluido denso com propriedades tanto de gás como de líquido. Essa densidade permite aos engenheiros construir turbinas e permutadores de calor compactos. Num bloco de potência sCO2, o fluido move-se num circuito fechado, absorvendo calor de uma fonte, expandindo-se através de uma turbina para fazer girar um gerador e, em seguida, rejeitando calor para um arrefecedor antes de ser comprimido e devolvido à fonte de calor. O circuito é conhecido como ciclo de Brayton, primo dos ciclos de turbina a gás usados em motores a reação, mas com CO2 como fluido de trabalho e com recuperadores que reciclam calor dentro do circuito.

Como funciona o ciclo

Na fábrica de aço, os gases quentes da sinterização e de processos relacionados passam por um permutador de calor que transfere energia para o circuito sCO2. O dióxido de carbono aquecido expande-se numa turbina, fazendo girar um gerador para produzir eletricidade. Após a expansão, o CO2 ainda transporta calor substancial, pelo que passa por um recuperador para pré-aquecer o fluxo de entrada, melhorando a eficiência. O fluido liberta então o calor restante para um arrefecedor, é comprimido e regressa ao permutador de calor para repetir o processo. Como o CO2 próximo do seu ponto crítico é fácil de comprimir em comparação com um gás normal, o ciclo gasta menos energia na compressão, o que ajuda a aumentar a eficiência líquida.

Vantagens de eficiência e dimensão

Os ciclos Rankine tradicionais a vapor são maduros e fiáveis, mas a sua eficiência estagna sem temperaturas e pressões muito elevadas, e os seus componentes são grandes. Relatórios do projeto chinês e de projetos-piloto internacionais indicam que os ciclos sCO2 que operam a altas temperaturas podem ultrapassar 50% de eficiência térmica, enquanto os ciclos a vapor modernos ficam mais próximos de 40% em regimes semelhantes. Em aplicações de calor residual, a eficiência exata depende da temperatura da fonte e da conceção do equipamento, mas a abordagem sCO2 oferece um grande avanço na quantidade desse calor que pode ser convertida em energia. O equipamento também é compacto porque o CO2 é muito mais denso do que o vapor, pelo que as turbinas e as tubagens podem ser muito mais pequenas para um determinado nível de potência.

Porque é que uma aciaria proporciona a fonte de calor perfeita

As fábricas de aço gastam imensa energia na sinterização, coquização e laminagem a quente. A sinterização aglomera minérios finos a temperaturas que frequentemente ultrapassam 700 graus Celsius. Os fornos e os canais de gás de escape transportam então esse calor para fora do processo. Um circuito de CO2 supercrítico pode intercetar este fluxo através de um permutador de calor robusto, recuperando uma grande fração da energia que, de outra forma, seria desperdiçada.

Há benefícios adicionais num contexto industrial. Um bloco de potência sCO2 utiliza muito pouca água em comparação com sistemas a vapor, uma vez que não há necessidade de grandes volumes de água de alimentação da caldeira ou de torres de arrefecimento húmidas. O CO2 como fluido de trabalho é relativamente inerte e menos corrosivo para muitas ligas do que o vapor a alta temperatura, o que pode atenuar alguns desafios de materiais. A natureza fechada do circuito significa que o CO2 não é libertado em operação normal. Podem ocorrer pequenas perdas de inventário de CO2, que têm de ser geridas, mas o sistema não depende de um fornecimento constante de CO2 novo.

Para um operador de uma fábrica, estas características traduzem-se numa menor pegada para o bloco de potência, menos equipamento auxiliar e uma operação mais flexível. O arranque e a paragem podem ser mais rápidos do que com vapor, o que é útil para processos que alteram a temperatura ao longo do dia.

Poderá isto ser alargado à energia nuclear e solar?

Muitos projetos de reactores avançados produzem temperaturas de saída adequadas a turbinas sCO2. Reactores a gás de alta temperatura, reactores de sal fundido e reactores rápidos de sódio visam todos temperaturas do núcleo mais elevadas do que os reactores de água pressurizada, e o sCO2 pode aproveitar esse calor eficientemente. Uma turbina compacta também combina bem com reactores modulares pequenos, onde o espaço e a simplicidade são prioridades.

O mesmo se aplica à energia solar de concentração, que armazena calor em sais fundidos e depois o passa por um bloco de potência. Um plano de demonstração na China visa adaptar uma central solar de torre em escala de demonstração em Dunhuang de vapor para um bloco de potência sCO2, a fim de avaliar a prontidão dos fornecedores e o comportamento operacional. Este esforço destaca dois componentes essenciais: um permutador de calor fiável de sal fundido para CO2 e um conjunto de compressores capaz de gerir CO2 perto do ponto crítico. Ambas são tarefas exigentes, mas os progressos em materiais, vedantes e sistemas de controlo estão a torná-las alcançáveis.

Se os permutadores de calor e as turbomáquinas se revelarem duráveis em centrais reais, o caminho para blocos de potência sCO2 maiores torna-se mais claro. Os ganhos são atrativos: maior eficiência do ciclo significa campos solares mais pequenos ou núcleos de reactor mais pequenos para a mesma produção para a rede, e um menor consumo de água facilita as restrições de localização.

Como a China o construiu e quem está por trás do projeto

A instalação de Guizhou é o produto de um programa de longa duração do Instituto de Energia Nuclear da China, parte da CNNC. O instituto tem trabalhado em circuitos sCO2, turbinas, rolamentos, vedantes e controlos durante mais de uma década, publicando testes de componentes e construindo instalações-piloto. A Jigang International Engineering and Technology foi parceira na vertente de engenharia para a integração na indústria pesada. A anfitriã, Shougang Shuicheng Steel, forneceu o local e o acesso a fluxos de calor residual de alta qualidade.

Cada unidade tem uma potência nominal de 15 megawatts. A utilização de duas unidades cria redundância e dá aos operadores a oportunidade de testar estratégias de controlo em condições reais de produção. A CNNC descreve o projeto como uma base para futuras unidades na indústria pesada e na produção de energia, com o objetivo de normalizar módulos que possam ser replicados em vários locais. A replicação é importante, uma vez que a viabilidade económica da energia a partir de calor residual aumenta quando o equipamento pode ser produzido em escala e instalado com personalização mínima.

O que dizem os especialistas

Fora da China, grupos de investigação e equipas da indústria têm vindo a provar de forma constante componentes e subsistemas sCO2. No Texas, a instalação-piloto Supercritical Transformational Electric Power, uma instalação elétrica de 10 megawatts apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA e liderada por um consórcio, concluiu a sua primeira fase em 2024 e demonstrou operação a plena velocidade com turbomáquinas e controlos integrados. Investigadores do Southwest Research Institute, que apoia esse programa, sublinham a importância dos testes integrados, nos quais compressores, turbinas, aquecedores, arrefecedores e software de controlo funcionam em conjunto como uma única central.

Mark Hibbs, investigador sénior na Carnegie Endowment for International Peace que estuda o setor nuclear chinês, afirmou que a China está a avançar rapidamente para mostrar liderança técnica.

Os chineses estão a avançar muito, muito depressa. Estão muito empenhados em mostrar ao mundo que o seu programa é imparável.

Tim Allison, que dirige o Departamento de Máquinas do Southwest Research Institute e trabalha na instalação-piloto do Texas, descreveu o marco de operar um bloco de potência sCO2 integrado a alta velocidade.

Operar o sistema integrado é uma realização notável. Segue-se às atividades bem-sucedidas de comissionamento baseado em componentes da equipa e demonstra o funcionamento combinado de todos os equipamentos, incluindo controlos da central, compressor, permutadores de calor, aquecedor, turbina e inventário de CO2, além dos sistemas de alimentação elétrica e de gás e de água de arrefecimento da instalação.

Os obstáculos de engenharia que ainda faltam resolver

Construir turbinas compactas e de alta eficiência que resistam a altas temperaturas e velocidades é o desafio central. Estudos académicos e industriais descrevem rotores de turbina a girar perto de 30.000 a 40.000 rotações por minuto, com pás e carcaças sujeitas a temperaturas acima de 600 graus Celsius. Ligas à base de níquel e aços avançados são materiais comuns para cilindros internos e rotores, enquanto as carcaças externas utilizam aços ferríticos para gerir tensões e custos. A combinação certa equilibra resistência, resistência à corrosão e dilatação térmica, para que as folgas permaneçam apertadas sem roçamento.

Vedantes e rolamentos são igualmente importantes. Vedantes a gás seco limitam fugas de CO2 no veio, e alguns designs exploram rolamentos a gás em vez de rolamentos a óleo para simplificar sistemas de lubrificação e evitar problemas térmicos. Investigação sobre uma turbina da classe de 25 megawatts concluiu que dispor o pistão de equilíbrio dentro da secção de gás de arrefecimento reduziu o comprimento do rotor, diminuiu percursos de fuga e reduziu perdas mecânicas. Um rotor mais compacto melhora a estabilidade e simplifica a carcaça. Outro esquema que substituiu rolamentos a óleo por rolamentos a gás reduziu ainda mais o comprimento do veio e eliminou a necessidade de um sistema separado de arrefecimento e lubrificação. Estes refinamentos ajudam a aumentar a eficiência e a fiabilidade.

O controlo do ciclo durante transitórios é outra área de trabalho ativo. Demonstrações em pequena escala mostraram que alterações na velocidade da bomba, na entrada de calor e na carga podem produzir excessos de pressão e caudal antes de o sistema estabilizar. Os engenheiros mapeiam combinações de caudal mássico, relação de pressão e velocidade de rotação para identificar zonas estáveis onde ocorrem potência e eficiência máximas. Um pequeno teste de turbogerador sCO2 alcançou produção elétrica na ordem das dezenas de quilowatts, com eficiência total medida próxima de 59% em condições ótimas, ilustrando tanto a promessa como o controlo preciso necessário.

Os permutadores de calor que transferem energia entre gases industriais sujos e um circuito de CO2 limpo devem resistir à incrustação e à tensão térmica. Os recuperadores dentro do circuito de CO2 precisam de designs compactos e de grande área superficial para reciclar calor sem grandes quedas de pressão. Os compressores devem operar eficientemente perto do ponto crítico do CO2, onde pequenas alterações de temperatura podem fazer variar a densidade e prejudicar o desempenho se os controlos não responderem rapidamente.

Questões ambientais e políticas

A China comprometeu-se a atingir o pico das emissões de carbono antes de 2030 e a alcançar a neutralidade carbónica antes de 2060. Limpar a energia que alimenta a indústria pesada é central para esse plano. A recuperação de calor residual com sCO2 ajuda de duas formas: reduz o consumo líquido de eletricidade da central proveniente de redes alimentadas a combustíveis fósseis e reduz o consumo de água em locais onde ciclos a vapor convencionais necessitariam de grandes caudais de arrefecimento. Para projetos nucleares e solares térmicos, uma maior eficiência reduz diretamente o custo da eletricidade limpa.

Alguns analistas apontam também para uma potencial sinergia com a captura de carbono. Em princípio, o CO2 capturado poderia alimentar o circuito fechado como fluido de trabalho, oferecendo uma utilização produtiva para uma parte do gás. Dito isto, um ciclo de potência necessita de CO2 limpo e seco para proteger a turbomáquina e minimizar a corrosão, e o circuito é fechado, pelo que não consome continuamente CO2 novo. Qualquer integração com captura centrar-se-ia em etapas partilhadas de manuseamento, armazenamento e purificação, em vez de usar CO2 como matéria-prima que é queimada ou convertida.

O novo gerador também diz respeito a restrições de recursos. As poupanças de água podem ser grandes em regiões áridas onde a água de arrefecimento é escassa. Um bloco de potência compacto poderia caber em navios ou em locais industriais remotos, reforçando a segurança energética ao transformar calor no local em energia no local.

A corrida global e o que vem a seguir

Equipas nos Estados Unidos, na Europa e na Ásia estão todas a avançar na fiabilidade dos componentes sCO2 e na integração em centrais. O projeto STEP do Texas passou do comissionamento de componentes para uma operação integrada e produziu energia durante a sua primeira fase, aumentando a confiança de que a tecnologia pode ser ampliada e repetida. A unidade ligada à rede da China em Guizhou é a primeira instalação comercial num processo industrial e fornecerá dados sobre operação contínua, ciclos de manutenção e a viabilidade económica da energia a partir de calor residual na siderurgia.

A partir daqui, é provável que surjam mais unidades em aciarias e cimenteiras se as alegações de desempenho se mantiverem em operação mensal e anual. Projetos solares de concentração estão a avaliar blocos de potência sCO2 para reduzir as naves das turbinas e aumentar a produção. Projetistas de reactores avançados planeiam o sCO2 como sistema de conversão de energia predefinido, trocando a maioria das centrais a vapor por turbinas compactas e recuperadores. Fontes nucleares móveis para locais remotos também beneficiam de equipamento compacto, e a densidade do CO2 ajuda a manter pequena a dimensão da turbina para um determinado nível de potência.

A cadeia de fornecimento de equipamento será importante. Permutadores de calor de alto desempenho, vedantes a gás seco e geradores de alta velocidade têm de estar disponíveis junto de vários fornecedores. Códigos e normas para vasos de pressão, tubagens e vedantes em serviço com CO2 terão de amadurecer. Formar operadores para operar e resolver problemas do ciclo em segurança será parte da implementação comercial. Uma cadência constante de demonstração e replicação pode reduzir custos e convencer proprietários de centrais a adotar a tecnologia em escala.

O Essencial

• A China ligou duas unidades de CO2 supercrítico de 15 megawatts à rede numa fábrica de aço em Liupanshui, Guizhou.
• O sistema utiliza calor residual da sinterização de aço para gerar eletricidade e é descrito como pelo menos 50% melhor na conversão de calor residual do que configurações a vapor.
• Os ciclos sCO2 operam num circuito fechado com CO2 acima do seu ponto crítico, permitindo turbinas compactas e maior eficiência a altas temperaturas.
• O bloco de potência utiliza pouca água e pode caber em espaços reduzidos, o que se adequa à indústria pesada, a navios e a sistemas energéticos remotos.
• Reactores avançados e centrais solares de concentração são candidatos privilegiados para blocos de potência sCO2, porque fornecem as altas temperaturas de que o ciclo necessita.
• As principais tarefas de engenharia incluem permutadores de calor duráveis, compressores eficientes perto do ponto crítico e turbinas de alta velocidade com vedantes e rolamentos robustos.
• Uma instalação-piloto dos EUA no Texas operou uma central sCO2 elétrica integrada de 10 megawatts e produziu energia durante a sua primeira fase, mostrando progressos fora da China.
• O projeto da China fornece os primeiros dados à escala comercial sobre calor residual industrial convertido em energia com sCO2.
• As poupanças de água e os ganhos de eficiência apoiam os objetivos da China de pico das emissões de carbono e neutralidade carbónica, ao mesmo tempo que melhoram o uso de energia na indústria pesada.
• A ampliação dependerá da prontidão dos fornecedores, da fiabilidade operacional e da viabilidade económica da replicação em várias centrais.