Спрос на электроэнергию со стороны искусственного интеллекта (ИИ), центров обработки данных, промышленных предприятий, использующих электрификацию, и других отраслей стимулирует инновации в сфере производства электроэнергии. Скорость получения энергии стала еще более важным фактором, поскольку компании ищут способы быстрее удовлетворять свои потребности в электроэнергии, не жертвуя при этом эффективностью, а в некоторых случаях и стремлением к использованию экологически чистых источников энергии.
Обеспечение надежного энергоснабжения в условиях все более сжатых сроков выявило проблемы с цепочками поставок оборудования, особенно газовых турбин. Объем невыполненных заказов велик, сроки поставки измеряются уже не месяцами, а годами. На рынок выходят новые производители турбин, предлагающие технологии, которые позволяют ускорить поставки и использовать масштабируемые конфигурации для обеспечения гибкости.
Одна из таких компаний – Arbor Energy со штаб-квартирой в Эль-Сегундо, штат Калифорния. Компания, основанная в 2022 году, разработала модульную масштабируемую электростанцию, которая вырабатывает электроэнергию для базовой нагрузки с нулевым уровнем выбросов при эксплуатации. По словам представителей компании, в основе их продукта «лежит сверхкритическая система с турбиной на CO2, работающая на основе усовершенствованного метода кислородного сжигания».
По словам представителей компании, технология HALCYON изначально является гибкой в плане выбора топлива и может работать на природном газе и синтез-газе. Турбины Arbor мощностью 25 МВт рассчитаны на бесперебойную подачу электроэнергии в более короткие сроки, чем традиционные крупноблочные установки. Модульная конструкция позволяет размещать установки мощностью в гигаватт на одной площадке для обеспечения больших нагрузок, например в центрах обработки данных, или на небольших площадках для обеспечения промышленной и сетевой электроэнергии.
Система Arbor, в которой используются передовые производственные технологии и компактная силовая установка, позаимствованная у ракетных двигателей, позволяет избежать проблем с цепочкой поставок, связанных с лопастями и лопатками, которые используются традиционными производителями оригинального оборудования. По словам представителей компании, из-за этого традиционные турбины задерживаются на пять с лишним лет.
Брэд Хартвиг, генеральный директор и соучредитель Arbor, – бывший инженер SpaceX. Он руководил процессом перехода компании от пилотного проекта к коммерческому развитию. Недавно Arbor привлекла 55 миллионов долларов в рамках серии А для поддержки внедрения технологии и заявила, что направит финансирование на «завершение демонстрации нашего пилотного проекта ATLAS мощностью 1 мегаватт [МВт], а также на разработку HALCYON, нашей коммерческой системы сверхкритического CO₂ [sCO2] мощностью 25 МВт». Компания заявила, что ее первая турбина HALCYON «будет готова к запуску в 2028 году. А к 2030 году мы планируем произвести турбины общей мощностью в гигаватты для поддержки проектов по всему миру».
Хартвиг недавно поделился с POWER подробностями о работе Arbor и о том, как турбинная система компании может обеспечить энергией будущие энергетические проекты, в том числе те, что связаны с искусственным интеллектом и центрами обработки данных.
Что побудило вас заняться разработкой небольших турбин для производства электроэнергии?
Дешевая, надежная и доступная электроэнергия открывает возможности для инноваций, которые служат на благо человечества и планеты. Для инженера это один из самых мощных рычагов для улучшения качества жизни растущего населения планеты.
Турбины меньшего размера – это то, что нужно нашим клиентам в эпоху искусственного интеллекта. Сверхкритические турбины на CO2 (sCO2) работают при очень высоком давлении, что позволяет им вырабатывать гораздо больше энергии, чем газотурбинным установкам того же размера, работающим на воздухе. Мы намеренно выбрали меньшую номинальную мощность, чтобы обеспечить поэтапное развертывание, резервирование на системном уровне и гибкую эксплуатацию как в режиме слежения за нагрузкой, так и в базовом режиме. Даже до кризиса, вызванного нехваткой турбин, установки меньшего размера лучше подходили для стартапов с ограниченными ресурсами.
Мы также увидели возможность перенять опыт SpaceX и создать турбины меньшего размера и с большей скоростью вращения, чтобы восполнить растущий дефицит оборудования среднего размера.
Это стало особенно актуально, когда рост нагрузки начал опережать темпы производства традиционных турбин, что выявило структурную неэластичность цепочки поставок. Спрос на центры обработки данных, в частности, растет впечатляющими темпами, и крупногабаритные турбины будут распроданы до начала 2030‑х годов.
Большая часть производственных мощностей отрасли сосредоточена на машинах мощностью от 300 до 500 МВт, предназначенных для централизованных электростанций. Однако в настоящее время рост энергопотребления происходит в основном за счет поэтапных проектов мощностью около 100 МВт. Кампус дата-центра мощностью 1 ГВт может начинаться с нескольких сотен мегаватт и со временем расширяться, а многим промышленным предприятиям просто не требуется мощность в 500 МВт.
Как ваш опыт работы в SpaceX может быть полезен на рынке газовых турбин?
В SpaceX наша команда работала над турбомашинами высокого давления и с высокими температурами. Турбины sCO2, которые мы разрабатываем в Арборе, имеют больше общего с турбонасосами ракетных двигателей, чем с традиционными турбинами, из-за высокого давления. Мы используем кислородное сгорание для обеспечения работы с нулевым уровнем выбросов, подобно тому, как в ракетном двигателе сгорает топливо. Компоненты двигателя должны работать слаженно, что требует тесной интеграции контрольно-измерительных приборов и систем управления. Ступени насоса и турбины, камеры сгорания, корпуса и системы управления во многом схожи с конструкциями энергетических турбин. Условия эксплуатации экстремальные, требования к проектированию и материалам высоки, а выход из строя обычно приводит к катастрофическим последствиям. Газовые турбины не являются исключением.
Помимо самой технологии, мы внедряем в энергетическую отрасль методы аэрокосмического производства, чтобы повысить производительность и технологичность. За последнее десятилетие аддитивное производство значительно продвинулось вперед, и мы активно используем его для расширения границ проектирования и повышения производительности, надежности и технологичности. Опираясь на опыт программы разработки двигателя Raptor, мы снижаем сложность конструкции, упрощаем интерфейсы и с самого начала проектируем изделия так, чтобы их было легко производить. Мы не просто создаем более производительную машину, мы проектируем ее для массового производства.
Проблемы с цепочками поставок газовых турбин хорошо известны, у крупных производителей есть очередь из заказов. Ваша компания заявила, что закупка энергетического оборудования – это гонка со временем. Как Arbor может решить эту проблему?
Есть несколько специализированных компонентов, из-за которых возникают задержки, в частности массивные промышленные отливки, лопасти и лопатки. Например, лопасти турбин должны быть невероятно прочными, а также обладать исключительной устойчивостью к высоким температурам, коррозии и ползучести. Единственный способ добиться этого при производстве традиционной турбины – это длительный и сложный процесс изготовления, в результате которого получается монокристаллическая металлическая структура с сердцевиной. Это очень сложный, практически кустарный процесс, требующий больших трудозатрат и низкой гибкости производства. В мире есть всего несколько предприятий, которые могут производить такие лопасти. Крупным производителям турбин требуются годы, чтобы нарастить производственные мощности, и еще больше времени, чтобы обучить узкоспециализированных сотрудников.
Энергетическая система Arbor позволяет полностью избежать этого узкого места. Наши турбины sCO2 более компактны и работают при более высоком давлении, но при более низкой температуре горения. Это принципиально иная архитектура, которая позволяет нам печатать турбины на 3D-принтере со встроенным охлаждением. Это значительно повышает гибкость и демократизирует цепочку поставок. На практике это означает, что Arbor может выйти на рынок на несколько лет раньше, чем если бы мы ждали, пока освободится очередь на традиционные турбины.
Расскажите, пожалуйста, о процессе производства ваших турбин.
Мы с самого начала проектировали турбину с учетом технологичности производства. Основные секции собираются и проходят проверку по отдельности перед окончательной сборкой. Такой модульный подход обеспечивает контроль качества и снижает риски, связанные с интеграцией.
Для некоторых высокотемпературных компонентов мы используем аддитивные технологии в Лос-Анджелесе. Это позволяет объединить несколько литых и обработанных деталей в один компонент со встроенным охлаждением. Чем меньше деталей, тем меньше этапов сборки и тем меньше допусков, что повышает единообразие устройств.
По мере масштабирования мы делаем упор на повторяемость. Мы ограничиваем возможности индивидуальной настройки и стандартизируем интерфейсы, чтобы каждая единица продукции проходила через определенную производственную последовательность с предсказуемым результатом.
Каковы ключевые элементы системы HALCYON? Насколько важно, чтобы оборудование обеспечивало высокоэффективное сгорание в сверхкритическом энергетическом цикле на CO₂?
HALCYON – это среднемасштабная сверхкритическая CO₂ турбина. Каждый модульный блок выдает мощность 25 МВт; они могут быть соединены вместе для получения надежной и непрерывной мощности от 100 МВт до 1 ГВт плюс. Разработанный нами цикл sCO2 позволяет значительно сократить размеры и затраты при сохранении конкурентоспособной производительности.
Гибкость в выборе топлива также была одним из основных требований к проекту. Гиперскейлерам нужна надежная энергосистема, которая будет соответствовать меняющимся целям по сокращению выбросов. Коммунальным службам нужны активы, которые можно адаптировать к региональным ограничениям по топливу. Мы не хотим, чтобы инвестиции в энергетику привязывали операторов к одному виду топлива на протяжении всего срока службы актива, поэтому проектируем систему с возможностью использования различных видов топлива.
Разработав единую архитектуру, объединяющую замкнутую систему sCO2 с нашими уникальными турбомашинами, теплообменниками и устройствами для сжигания, мы создадим турбину, которая будет работать как на природном газе из трубопровода, так и на топливе с более низкой теплотворной способностью, например на синтез-газе из биомассы или отходов.
Цель проста: предоставить клиентам надежные и недорогие мощности уже сегодня, а также обеспечить гибкость, необходимую для адаптации к меняющимся экономическим условиям и политике в области топлива.
Обсуждали ли вы с какими-либо технологическими компаниями/гиперскейлерами возможность установки установок Arbor для обеспечения электроэнергией их объектов?
Мы активно общаемся с гиперскейлерами, разработчиками центров обработки данных и энергетическими компаниями, которые обслуживают эти объекты. Одна из постоянных тем – сроки. Проекты реализуются быстро, но длительные циклы закупки турбин сдерживают их внедрение.
Также большой интерес вызывает поэтапное наращивание мощностей. Модуль мощностью 25 МВт может обеспечить уникальную избыточность для энергоснабжения и позволяет постепенно наращивать мощность до нескольких гигаватт, что лучше соответствует принципам финансирования и строительства кампусов.
Наш план состоит в том, чтобы к 2030 году быстро нарастить производство до более чем 1 ГВт в год. И это только начало. Устойчивый – и даже растущий – спрос, который мы наблюдаем в этом сегменте, означает, что в ближайшее время потребность в электроэнергии не снизится. Мы продолжим наращивать производство, чтобы удовлетворить мировые потребности и обеспечить изобилие энергии.
