China conecta à rede o primeiro gerador comercial de energia com CO₂ supercrítico

Um marco para um novo tipo de ciclo de geração de energia

A China conectou à rede elétrica o primeiro gerador comercial de energia do mundo que funciona com dióxido de carbono supercrítico, marcando uma nova etapa na geração térmica de alta eficiência. A instalação fica dentro da usina siderúrgica Shougang Shuicheng, em Liupanshui, Guizhou, e converte em eletricidade o calor residual de alta temperatura da produção de aço. Construído pelo Instituto de Energia Nuclear da China, ligado à Corporação Nuclear Nacional da China, com apoio de engenharia da Jigang International Engineering and Technology, o projeto conta com duas unidades de 15 megawatts cada. O fluido de trabalho é dióxido de carbono, não vapor, e o fabricante afirma que as unidades conseguem captar e aproveitar o calor residual com eficiência pelo menos 50% superior à dos sistemas convencionais a vapor usados em siderúrgicas.

Isso é importante porque o dióxido de carbono supercrítico, frequentemente abreviado como sCO2, pode viabilizar turbinas menores, partidas mais rápidas e maior eficiência térmica em altas temperaturas. Essas características atendem às necessidades da indústria pesada, onde o calor que hoje escapa por chaminés e sistemas de resfriamento pode se transformar em uma fonte estável de energia. Elas também se alinham às necessidades de reatores nucleares de próxima geração e usinas de energia solar concentrada, nas quais cada ponto percentual de eficiência pode reduzir custos e o tamanho dos componentes principais.

O projeto de Guizhou também é um teste de desempenho dessa tecnologia fora do laboratório. A siderurgia é um dos setores que mais consomem energia, e as linhas de sinterização e os fornos liberam grandes fluxos de calor a temperaturas bem acima de 700 graus Celsius (1.292 graus Fahrenheit). Aproveitar esse calor melhora o balanço energético da usina e pode reduzir a demanda sobre a rede local. Também pode diminuir o consumo de água em comparação com ciclos a vapor, uma vantagem em regiões com abastecimento hídrico limitado.

O que é a geração de energia com CO2 supercrítico e por que ela importa

O dióxido de carbono supercrítico é o dióxido de carbono mantido acima de sua temperatura e pressão críticas, cerca de 31 graus Celsius e 74 bar. Nesse estado, é um fluido denso com propriedades tanto de gás quanto de líquido. Essa densidade permite que os engenheiros construam turbinas e trocadores de calor compactos. Em um bloco de potência sCO2, o fluido circula em um circuito fechado, absorve calor de uma fonte, se expande ao passar por uma turbina para acionar um gerador e, em seguida, rejeita calor em um resfriador antes de ser comprimido e retornar à fonte de calor. Esse circuito é conhecido como ciclo Brayton, semelhante aos ciclos de turbinas a gás usados em motores a jato, mas com CO2 como fluido de trabalho e recuperadores que reaproveitam o calor dentro do circuito.

Como funciona o ciclo

Na siderúrgica, gases quentes da sinterização e de processos relacionados passam por um trocador de calor que transfere energia para o circuito sCO2. O dióxido de carbono aquecido se expande ao atravessar uma turbina, acionando um gerador para produzir eletricidade. Após a expansão, o CO2 ainda conserva uma quantidade significativa de calor, por isso passa por um recuperador que pré-aquece o fluxo de entrada e melhora a eficiência. Em seguida, o fluido libera o calor restante em um resfriador, é comprimido e retorna ao trocador de calor para reiniciar o processo. Como o CO2 próximo ao ponto crítico é fácil de comprimir em comparação com um gás comum, o ciclo consome menos energia na compressão, o que ajuda a elevar a eficiência líquida.

Vantagens de eficiência e tamanho

Os ciclos Rankine a vapor tradicionais são maduros e confiáveis, mas sua eficiência chega a um limite sem temperaturas e pressões muito elevadas, e seus componentes são grandes. Relatórios sobre o projeto chinês e projetos-piloto internacionais indicam que ciclos sCO2 operando em altas temperaturas podem superar 50% de eficiência térmica, enquanto os ciclos a vapor modernos ficam perto de 40% em condições semelhantes. Em aplicações de aproveitamento de calor residual, a eficiência exata depende da temperatura da fonte e do projeto dos equipamentos, mas a abordagem sCO2 oferece um avanço expressivo na quantidade de calor que pode ser convertida em energia. Os equipamentos também são compactos porque o CO2 é muito mais denso que o vapor, permitindo turbinas e tubulações bem menores para a mesma potência.

Por que uma siderúrgica oferece a fonte de calor ideal

Usinas siderúrgicas consomem enormes quantidades de energia em processos de sinterização, coqueificação e laminação a quente. A sinterização aglomera minérios finos a temperaturas que muitas vezes ultrapassam 700 graus Celsius. Em seguida, os fornos e canais de gases residuais retiram esse calor do processo. Um circuito de CO2 supercrítico pode captar esse fluxo por meio de um trocador de calor robusto, recuperando uma grande parcela da energia que, de outro modo, seria desperdiçada.

Há benefícios adicionais em um ambiente industrial. Um bloco de potência sCO2 usa muito pouca água em comparação com sistemas a vapor, pois não precisa de grandes volumes de água de alimentação para caldeiras nem de torres de resfriamento úmidas. Como fluido de trabalho, o CO2 é relativamente inerte e menos corrosivo para muitas ligas do que o vapor em alta temperatura, o que pode facilitar alguns desafios relacionados aos materiais. Como o circuito é fechado, o CO2 não é liberado durante a operação normal. Podem ocorrer pequenas perdas de CO2, que precisam ser controladas, mas o sistema não depende de um fornecimento contínuo de CO2 novo.

Para quem opera a usina, essas características significam um bloco de potência que ocupa menos espaço, menos equipamentos auxiliares e operação mais flexível. A partida e o desligamento podem ser mais rápidos que nos sistemas a vapor, o que é útil para processos cuja temperatura varia ao longo do dia.

Essa tecnologia pode ser aplicada à energia nuclear e solar?

Muitos projetos de reatores avançados produzem temperaturas de saída adequadas para turbinas sCO2. Reatores refrigerados a gás de alta temperatura, reatores de sal fundido e reatores rápidos refrigerados a sódio operam com temperaturas de núcleo mais altas do que os reatores de água pressurizada, e o sCO2 pode aproveitar esse calor com eficiência. Uma turbina compacta também combina bem com pequenos reatores modulares, nos quais espaço e simplicidade são prioridades.

O mesmo vale para a energia solar concentrada, que armazena calor em sais fundidos e depois o conduz a um bloco de potência. Um plano de demonstração na China pretende adaptar uma usina-torre solar de escala demonstrativa em Dunhuang, substituindo o vapor por um bloco de potência sCO2 para avaliar a prontidão dos fornecedores e o comportamento operacional. Essa iniciativa destaca dois componentes essenciais: um trocador de calor confiável entre o sal fundido e o CO2 e um conjunto de compressores capaz de operar com CO2 próximo ao ponto crítico. Ambos são desafios consideráveis, mas os avanços em materiais, vedações e sistemas de controle estão tornando-os viáveis.

Se os trocadores de calor e as turbomáquinas demonstrarem durabilidade em usinas reais, ficará mais claro o caminho para blocos de potência sCO2 maiores. Os ganhos são atraentes: uma eficiência de ciclo maior significa campos solares menores ou núcleos de reator menores para a mesma geração destinada à rede, e o menor consumo de água reduz as restrições para escolher os locais das usinas.

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

A instalação de Guizhou é resultado de um programa de longa duração do Instituto de Energia Nuclear da China, parte da CNNC. Há mais de uma década, o instituto trabalha com circuitos sCO2, turbinas, mancais, vedações e sistemas de controle, publica testes de componentes e constrói unidades-piloto. A Jigang International Engineering and Technology foi parceira na parte de engenharia para a integração à indústria pesada. A anfitriã do projeto, a siderúrgica Shougang Shuicheng, forneceu o local e acesso a fluxos de calor residual de alta qualidade.

Cada unidade tem potência nominal de 15 megawatts. O uso de duas unidades cria redundância e dá aos operadores a oportunidade de testar estratégias de controle em condições reais de produção. A CNNC descreve o projeto como uma base para futuras unidades na indústria pesada e na geração de energia, com o objetivo de padronizar módulos que possam ser replicados em diferentes locais. A replicação é importante, pois a viabilidade econômica da geração a partir de calor residual melhora quando os equipamentos podem ser produzidos em escala e instalados com o mínimo de adaptações.

O que dizem os especialistas

Fora da China, grupos de pesquisa e equipes do setor vêm comprovando gradualmente a confiabilidade de componentes e subsistemas sCO2. No Texas, a usina-piloto Supercritical Transformational Electric Power, instalação de 10 megawatts elétricos apoiada pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos e liderada por um consórcio, concluiu sua primeira fase em 2024 e demonstrou operação em velocidade máxima com turbomáquinas e sistemas de controle integrados. Pesquisadores do Southwest Research Institute, que apoia o programa, ressaltam a importância de testes integrados, nos quais compressores, turbinas, aquecedores, resfriadores e softwares de controle funcionem juntos como uma única usina.

Mark Hibbs, pesquisador sênior do Carnegie Endowment for International Peace que estuda o setor nuclear chinês, disse que a China está avançando rapidamente para demonstrar liderança tecnológica.

Os chineses estão avançando muito, muito rápido. Eles estão bastante empenhados em mostrar ao mundo que seu programa é imparável.

Tim Allison, que dirige o Departamento de Máquinas do Southwest Research Institute e trabalha no projeto-piloto do Texas, descreveu o marco de operar um bloco de potência sCO2 integrado em velocidade máxima.

Operar o sistema integrado é uma conquista notável. Isso vem na sequência das atividades bem-sucedidas de comissionamento dos componentes pela equipe e demonstra a operação conjunta de todos os equipamentos, incluindo os controles da usina, o compressor, os trocadores de calor, o aquecedor, a turbina e o inventário de CO2, além dos sistemas de fornecimento de eletricidade e gás e de água de resfriamento da instalação.

Os desafios de engenharia que ainda precisam ser resolvidos

Construir turbinas compactas e de alta eficiência que suportem temperaturas e velocidades elevadas é o principal desafio. Estudos acadêmicos e industriais descrevem rotores de turbina girando perto de 30 mil a 40 mil rotações por minuto, com pás e carcaças expostas 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 usam aços ferríticos para controlar as tensões e os custos. A combinação adequada equilibra resistência, resistência à corrosão e expansão térmica, mantendo as folgas reduzidas sem que as peças se toquem.

Vedações e mancais são igualmente importantes. As vedações a gás seco limitam o vazamento de CO2 pelo eixo, e alguns projetos estudam mancais a gás em vez de mancais a óleo para simplificar os sistemas de lubrificação e evitar problemas térmicos. Uma pesquisa sobre uma turbina da classe de 25 megawatts concluiu que posicionar o pistão de equilíbrio dentro da seção de gás de resfriamento reduziu o comprimento do rotor, diminuiu os caminhos de vazamento e reduziu as perdas mecânicas. Um rotor mais compacto melhora a estabilidade e simplifica a carcaça. Outra configuração, que substituiu mancais a óleo por mancais a gás, reduziu ainda mais o comprimento do eixo e eliminou a necessidade de um sistema separado de resfriamento e lubrificação. Esses aprimoramentos ajudam a elevar a eficiência e a confiabilidade.

O controle do ciclo durante mudanças transitórias é outra área de pesquisa ativa. Demonstrações em pequena escala mostraram que alterações na velocidade da bomba, no aporte de calor e na carga podem causar picos de pressão e vazão antes de o sistema se estabilizar. Os engenheiros mapeiam combinações de vazão mássica, razão de pressão e velocidade de rotação para identificar faixas estáveis em que a potência e a eficiência são máximas. Um teste de um turbogerador sCO2 de pequeno porte atingiu potência elétrica na casa das dezenas de quilowatts, com eficiência total medida próxima de 59% em condições ideais, ilustrando tanto o potencial quanto o nível de controle preciso necessário.

Os trocadores de calor que transferem energia dos gases industriais sujos para um circuito limpo de CO2 precisam resistir à incrustação e ao estresse térmico. Os recuperadores dentro do circuito de CO2 precisam de projetos compactos e com grande área de superfície para reaproveitar o calor sem grandes quedas de pressão. Os compressores precisam operar com eficiência perto do ponto crítico do CO2, onde pequenas mudanças de temperatura podem alterar significativamente a densidade e prejudicar o desempenho caso os controles não respondam rapidamente.

Impactos ambientais e políticos

A China se comprometeu a atingir o pico de emissões de carbono antes de 2030 e a alcançar a neutralidade de carbono antes de 2060. Reduzir as emissões da energia que abastece a indústria pesada é fundamental para esse plano. A recuperação de calor residual com sCO2 ajuda de duas formas: reduz o consumo líquido de eletricidade da usina proveniente de redes movidas a combustíveis fósseis e diminui o uso de água em locais onde os ciclos convencionais a vapor exigiriam grandes volumes de água de resfriamento. Em projetos nucleares e de energia solar térmica, uma eficiência maior reduz diretamente o custo da eletricidade limpa.

Alguns analistas também apontam uma possível sinergia com a captura de carbono. Em princípio, o CO2 capturado poderia abastecer o circuito fechado como fluido de trabalho, dando uso produtivo a uma parte do gás. Ainda assim, um ciclo de geração de energia precisa de CO2 limpo e seco para proteger as turbomáquinas e minimizar a corrosão, e o circuito é fechado, portanto não consome CO2 novo continuamente. Qualquer integração com a captura se concentraria no compartilhamento de etapas de manuseio, armazenamento e purificação, e não no uso do CO2 como matéria-prima a ser queimada ou convertida.

O novo gerador também aborda limitações de recursos. A economia de água pode ser expressiva em regiões áridas onde a água para resfriamento é escassa. Um bloco de potência compacto poderia ser instalado em navios ou em locais industriais remotos, reforçando a segurança energética ao converter calor disponível no local em energia produzida no próprio local.

A corrida global e os próximos passos

Equipes dos Estados Unidos, da Europa e da Ásia estão avançando na confiabilidade dos componentes sCO2 e na integração das usinas. O projeto STEP do Texas passou do comissionamento dos componentes para um teste integrado e produziu energia durante sua primeira fase, aumentando a confiança de que a tecnologia pode ser ampliada e replicada. A unidade conectada à rede em Guizhou é a primeira instalação comercial em um processo industrial na China e fornecerá dados sobre operação contínua, ciclos de manutenção e viabilidade econômica da geração a partir de calor residual na siderurgia.

A partir de agora, é provável que mais unidades sejam instaladas em siderúrgicas e cimenteiras se os resultados alegados se confirmarem ao longo de meses e anos de operação. Projetos de energia solar concentrada estão avaliando blocos de potência sCO2 para reduzir o tamanho dos edifícios das turbinas e aumentar a produção. Projetistas de reatores avançados planejam adotar o sCO2 como sistema padrão de conversão de energia, substituindo o volume dos sistemas a vapor por turbinas e recuperadores compactos. Fontes móveis de energia nuclear para locais remotos também se beneficiam de equipamentos compactos, e a densidade do CO2 ajuda a manter pequenas as turbinas para uma dada potência.

A cadeia de fornecimento dos equipamentos será importante. Trocadores de calor de alto desempenho, vedações a gás seco e geradores de alta rotação precisam estar disponíveis em vários fornecedores. Normas e padrões para vasos de pressão, tubulações e vedações que operam com CO2 terão de amadurecer. Treinar operadores para operar e resolver problemas do ciclo com segurança será parte da implantação comercial. Uma sequência constante de demonstrações e replicações pode reduzir os custos e convencer os proprietários de usinas a adotar a tecnologia em escala.

Em resumo

• A China conectou à rede duas unidades de CO2 supercrítico de 15 megawatts em uma siderúrgica de Liupanshui, Guizhou.
• O sistema usa o calor residual da sinterização do aço para gerar eletricidade e, segundo as descrições, converte calor residual com eficiência pelo menos 50% superior à dos sistemas a vapor.
• Os ciclos sCO2 operam em circuito fechado com CO2 acima de seu ponto crítico, permitindo turbinas compactas e maior eficiência em altas temperaturas.
• O bloco de potência usa pouca água e ocupa pouco espaço, características adequadas para a indústria pesada, navios e sistemas de energia remotos.
• Reatores avançados e usinas de energia solar concentrada são fortes candidatos a blocos de potência sCO2 porque fornecem as altas temperaturas necessárias ao ciclo.
• Entre os principais desafios de engenharia estão os trocadores de calor duráveis, os compressores eficientes perto do ponto crítico e as turbinas de alta rotação com vedações e mancais robustos.
• Um projeto-piloto dos Estados Unidos, no Texas, operou uma usina sCO2 integrada de 10 megawatts elétricos e produziu energia durante sua primeira fase, demonstrando avanços fora da China.
• O projeto chinês fornecerá os primeiros dados em escala comercial sobre a conversão de calor residual industrial em energia com sCO2.
• A economia de água e os ganhos de eficiência contribuem para as metas da China de atingir o pico de emissões de carbono e a neutralidade de carbono, além de melhorar o uso de energia na indústria pesada.
• A expansão dependerá da prontidão dos fornecedores, da confiabilidade operacional e da viabilidade econômica da replicação em várias usinas.