Putaran pada Efisiensi: Menghasilkan Listrik Besok dari Turbin Lebih Baik


Di jantung yang berputar dari kisi-kisi listrik modern terletak apa yang dulu disebut dinamo — generator yang terdiri dari tumpukan tembaga yang berputar dalam medan elektromagnetik. Tetapi itu adalah turbin yang memutar dinamo — dan upaya untuk memeras lebih banyak efisiensi dan mengurangi emisi gas rumah kaca dan polusi lain dari jaringan pintar mungkin bergantung pada peningkatan teknologi inti ini. &q

Di jantung yang berputar dari kisi-kisi listrik modern terletak apa yang dulu disebut dinamo — generator yang terdiri dari tumpukan tembaga yang berputar dalam medan elektromagnetik. Tetapi itu adalah turbin yang memutar dinamo — dan upaya untuk memeras lebih banyak efisiensi dan mengurangi emisi gas rumah kaca dan polusi lain dari jaringan pintar mungkin bergantung pada peningkatan teknologi inti ini.
"Emisi terbaik adalah emisi yang tidak Anda hasilkan sejak awal, " kata Charles Soothill, wakil presiden senior untuk teknologi di Alstom Power, pembuat turbin.
Pemanasan air menjadi uap untuk memutar turbin adalah prinsip dasar di balik sebagian besar pembangkit listrik. Hari ini, misalnya, tungku pembakaran pembangkit listrik Mountaineer di New Haven, W.Va., mengkonsumsi hampir 14.000 kilogram batubara per menit, memungkinkan pabrik untuk memompa 1.300 megawatt daya. Mencapai suhu lebih dari 500 derajat Celcius, uap mengalir melalui pipa dan di sekitar turbin — poros baja sepanjang 30 meter metrik-ton yang dilengkapi dengan bilah dan baling-baling sepanjang 30 meter untuk membantunya berputar ketika uap mengembang dan mendingin.
Pemutaran mekanis itu pada gilirannya memutar tabung berisi tembaga dalam medan magnet. Ini menyebabkan arus dalam tembaga, yang kemudian mengalir melalui jaringan listrik modern — sirkuit raksasa — ke rumah Anda.
"Turbin uap dan turbin gas adalah sarana untuk mengubah daya dalam bentuk uap atau gas menjadi tenaga mekanis dan listrik, " jelas Soothill. "Mesin ini sudah ada sejak lama — lebih dari 120 tahun."
Pada waktu itu, prinsip-prinsip dasar turbin pemintalan tidak banyak berubah. Mayoritas pembangkit listrik — baik batu bara, gas alam, nuklir, atau bahkan angin — mengandalkan turbin untuk memutar generator dan menghasilkan listrik dalam jumlah besar. Memperbaiki turbin ini menghemat bahan bakar dan polusi. "Anda dapat menghemat 9 miliar pound CO2 per tahun dari peningkatan efisiensi satu titik, " kata insinyur Eric Gebhardt, seorang manajer umum di General Electric (GE) Energy, pembuat turbin lainnya.
Putar putaran
Membuat turbin uap baru dari bongkahan baja berbentuk khusus membutuhkan waktu sekitar 18 bulan, dan itu termasuk membuat bilah titanium selama lengan seseorang. Pada akhirnya, turbin akan berputar dengan kecepatan hingga 3.600 putaran per menit (1.800 rpm untuk turbin uap yang lebih besar yang diperlukan di pembangkit listrik tenaga nuklir). Turbin, yang dirancang untuk bertahan setidaknya 20 tahun, harus tahan terhadap dampak nontrivial dari tetesan air yang melaju dengan kecepatan tinggi serta suhu setinggi 620 derajat C, di antara tantangan lainnya. "Semakin panas peralatan beroperasi, semakin efisien jadinya, " catat Soothill.
Tentu saja, logam seperti baja cenderung melunak ketika terkena suhu tinggi — dan itu dapat menyebabkan bagian aus sebelum waktunya. Paduan nikel yang dicampur dengan baja meningkatkan daya tahan panas turbin dan memungkinkan pengoperasian pada 700 derajat C pada tahun 2020, kata Soothill. Suhu seperti itu akan memungkinkan pembangkit batu bara menangkap 50 persen energi yang dilepaskan oleh pembakaran batu bara, naik dari rata-rata sekitar 40 persen saat ini.
GE sedang mengeksplorasi serat karbon dan keramik dari komposit silikon karbida untuk memungkinkan operasi suhu yang lebih tinggi. Greg Corman dari Advanced Ceramics Lab GE mencatat bahwa perusahaan sekarang mengevaluasi keramik pada turbin uji di fasilitasnya Lynn, Mass., Meskipun bahan-bahan baru ini dapat melihat aplikasi dalam turbin mesin jet sebelum pembangkit listrik. "Bagaimanapun juga, 50-50, " katanya.
Masa depan adalah gas (alami)
Meskipun kebangkitan kembali tenaga nuklir mungkin sedang berlangsung - bersamaan dengan turbin baru yang dipasang di pabrik yang sudah ada yang izin operasinya diperpanjang beberapa dekade - permintaan untuk turbin uap tidak kuat di AS, sebagian besar karena perusahaan utilitas sekarang ingin sumber penghasil listrik yang dapat dihentikan dan mulai lebih fleksibel dan bersih. "Sulit memulai pembangkit batubara dengan panggilan telepon, " kata Gebhardt. "Dalam dunia yang dibatasi karbon, gas akan memainkan peran yang lebih besar dan lebih besar."
Bahkan, "gas mengisi celah" mengingat lambatnya kebangkitan nuklir dan reputasi hitam batubara, kata Richard Pangrazzi, direktur pemasaran regional untuk Alstom di Amerika Utara. Gas alam tidak hanya menawarkan penghematan 40 persen dalam hal emisi CO2 dibandingkan dengan pembakaran batu bara, tetapi juga dapat secara andal mencadangkan lebih banyak sumber pembangkit listrik yang semakin populer — seperti turbin angin atau panel surya, berkat kemampuannya untuk mulai dalam beberapa menit.
Turbin gas terdiri dari beberapa jenis, mulai dari mesin jet yang diikat ke tanah hingga unit siklus gabungan yang membakar gas di udara bertekanan untuk memutar satu turbin dan kemudian menangkap panas dari proses tersebut untuk membuat uap untuk memutar turbin kedua . Tetapi mereka bekerja seperti turbin uap: menggunakan gas panas dan bertekanan tinggi — dalam hal ini produk pembakaran gas alam — untuk membuat putaran. "Turbin gas siklus gabungan memiliki efisiensi di bawah 60 persen, " catat Soothill, yang beroperasi pada suhu hingga 1.300 derajat C.
Keramik dan aliran udara di sekitar turbin itu sendiri membantu melindungi komponen logamnya dari suhu yang dapat melelehkannya. "Jika Anda kehilangan aliran udara, itu akan mencair dalam hitungan detik, " catat Gebhardt.
Pendinginan kering semuanya basah?
Pendinginan tetap menjadi tantangan utama untuk semua turbin — dan semua pembangkit listrik. Sebagian besar pembangkit listrik saat ini bergantung pada air pendingin dari sungai atau danau di sekitarnya — sebuah opsi yang mungkin hilang karena air tawar menjadi lebih langka atau terlindungi. Sebagai contoh, Negara Bagian New York baru-baru ini mengharuskan pembangkit listrik tenaga nuklir Indian Point untuk beralih ke pendingin udara jika ingin memperpanjang masa operasinya.
Sayangnya, pendinginan udara berarti kehilangan efisiensi yang besar. Pendinginan air memungkinkan perbedaan yang lebih besar antara suhu operasi dan suhu pendinginan, catatan Soothill, yang sangat penting untuk jumlah daya yang dapat ditangkap. "Turbin menjadi lebih kecil dengan sistem berpendingin udara, " katanya, "dan Anda kehilangan sedikit efisiensi."
"Sampai hari ini, tidak ada yang tahu fluida yang berfungsi lebih baik daripada air, " kata insinyur mekanik Jaydeep Roy dari Structural Mechanics and Dynamics Lab GE. Sederhananya, itu tetap cara paling terjangkau untuk memutar turbin dan memanen panas. Saat kehausan bangsa akan listrik terus tumbuh, air mungkin membuktikan titik tusuknya — memperlambat putaran turbin.

Apakah Gunung Berapi atau Manusia Lebih Keras di Atmosfer?Kepala Greenpeace Baru Bersiap untuk Mengambil BatubaraWorld Shatters Heat Records pada 2016Membuat Sketsa Permulaan Kehidupan, Satu Sel SekaligusMenjelaskan Pengalaman Tip-of-the-LidahBagaimana Kepiting Menemukan Jalan Pulang100 Hari Pertama ObamaKecurangan Kematian DNA: Bagaimana Perbaikan Extremophile Hancur Kromosom