Перспективы использования углекислого газа в различных технологических решениях

Исследователи Фраунгоферовского Института Безопасности Окружающей среды и Энергетических технологий (UMSICHT) в Оберхаузене придумали новое применение углекислому газу – процесс насыщения пластмассы сжатым CO 2 , который позволит расширить сферу применения пластмассы. При температуре 304,13 К и давлении 7,38 МПа CO 2 вступает в сверхкритическое состояние, которое дает газу растворимые свойства. В этом состоянии, он может быть введен в полимеры или предстать в роли вещества, в котором могут быть растворены краски, добавки, медицинские составы и другие субстанции. Новый процесс имеет огромный потенциал, так как углекислый газ не огнеопасен, не токсичен и не дорогой по сравнению с другими растворителями [1].

Фонд X-Prize уже в течение многих лет проводит соревнования, направленные на решение различных мировых проблем. Одним из последних проектов фонда стали соревнования по нахождению прорывной технологии использования углекислого газа. Представители X-Prize предполагают, что CO2 можно использовать для создания прочных строительных материалов, одежды или для совершения различных открытий в медицине. Среди победителей соревнований должны оказаться те команды, которые смогут преобразовать как можно больше углекислого газа в различные продукты. Конкурс будет включать в себя два направления: первое будет сосредоточено на тестировании новой технологии с помощью угольных электростанций, а второе – на тестировании технологии с помощью природного газа [2].

В настоящее время группа исследователей корейского института передовых технологий (KAIST) предложили проект микромодульного реактора с циклом Брайтона на углекислом газе сверхкритических параметров (S-CO2), который представляет собой газоохлаждаемый реактор электрической мощностью 12 МВт и длительным сроком службы (20 лет) без дозаправки. В качестве топлива используется нитрид урана низкого обогащения, а теплоносителем выступает S-CO2. Использование S-CO2 позволяет упростить систему преобразования тепловой энергии активной зоны в электроэнергию, выдаваемую потребителю. Кроме того, в проекте имеется пассивная система отвода тепла за счёт естественной циркуляции на случай аварийных ситуаций. Данный проект предлагается использовать в таких местах, как морские буровые платформы, химическое и сталелитейное производство, или для энергоснабжения в удалённых районах – полярные регионы, пустыни, и так далее [3].

Японские специалисты сосредоточили значительное внимание на тепловых насосах на основе CO₂, а одна японская компания, Mayekawa, занимается в Северной Америке продажей в промышленных масштабах тепловых насосов на основе CO 2 в течение нескольких лет. Mayekawa предлагает три различных CO₂ тепловых насоса, водо-водяной тепловой насос EcoCute, тепловой насос воздух-вода Unimo и водо-воздушный тепловой насос Sirocco. К примеру, тепловые насосы Mayekawa EcoCute характеризуются коэффициентом полезного действия около 4,19 (табл. 1) и оснащаются электроприводными поршневыми компрессорами мощностью в 25 кВт. С точки зрения производительности, большим отличием тепловых насосов на основе CO₂ является то, что они могут производить гораздо более высокую выходную температуру [4].

Таблица 1

Показатели эффективности теплового насоса в зависимости от температуры нагрева воды

Проводятся исследования и разработки по использованию сжиженного СО2 в качестве низкокипящего рабочего тела в тепловом контуре органического цикла Ренкина. Особенно это актуально для различных вариантов утилизации сбросной низкопотенциальной теплоты (отработавшего в турбине пара или оборотной воды) на тепловых электростанциях для дополнительной выработки электроэнергии на собственные нужды станции [5].

Поэтому наиболее экономически эффективным решением должно стать непосредственное использование углекислого газа в качестве рабочего тела. Во-первых, хладагент CO2  (R744) все шире используется в холодильных установках, не имеет цвета, запаха и тяжелее воздуха. Во-вторых, применение СО2 чрезвычайно перспективно не только из-за простоты его получения, но и потому, что использование этого газа в различных агрегатных состояниях (газ, жидкость, твердое вещество) позволяет решать различные технологические задачи. При этом обезвоженный диоксид углерода (как газообразный, так и жидкий) не подвергает коррозии металлы [6].