Hogyan érhető el a nettó zéró szén-dioxid-kibocsátású, fenntartható villamosenergia-termelés?

A klímaváltozás ember okozta aspektusával szembeni valódi stratégia elengedhetetlen: kifogásokat nem fogadhatunk el, globális, összehangolt támadás szükséges a növekvő CO₂-kibocsátás ellen, és azonnali, minden szereplő által támogatott cselekvésre van szükség. Az elektromos energiatermelés négy fő lehetősége — fosszilis tüzelőanyagok, megújulók, nukleáris energia, valamint hidrogén előállítása elektrolízissel — adja a makro­szerkezetet, de a részletek döntik el a fenntarthatóság gyakorlati megvalósíthatóságát. A hidrogén különleges szereplő: nem kitermelhető energiaforrás, hanem energiahordozó, előállítása jelentős primer energia ráfordítást igényel; ha az előállítást zöld források biztosítják, akkor H₂ elégetése szén‑mentes, ha fosszilis útról származik, akkor kék vagy szürke hidrogénről beszélünk aszerint, hogy kíséri‑e CCUS (carbon capture, utilization and storage). A hidrogén kettős értéke abban áll, hogy egyrészt gázturbinákban szén‑mentes tüzelőanyagként alkalmazható, másrészt energiatárolóként funkcionál — tehát segít az intermittáló rendszerek dispatchabilitásában.

A fenntarthatóságot két merev feltétel határozza meg: egyrészt nettó zéró szénkibocsátás, toxikus egyéb kibocsátások minimalizálása és a természeti erőforrások ésszerű használata; másrészt az, hogy mindez ne járjon a megélhetési színvonal elfogadhatatlan romlásával a Föld lakói számára — tehát igazságos és méltányos átmenet szükséges. A másik kényszer a sebesség: a célt a lehető legrövidebb idő alatt kell elérni. Tapasztalati bizonyítékok — például az Egyesült Államok 2005–2019 közötti adatai — azt mutatják, hogy az elektromos termelés növekedése mellett a kapcsolódó CO₂‑kibocsátás nagymértékben csökkent (össz‑elektromos termelés ~+2%, CO₂ ~‑33%), részben a földgáz olcsósága, részben elavult széntüzelésű kapacitások kivonása és részben megújulók gyors növekedése miatt. Ez azonban többnyire véletlenszerű egybeesés eredménye volt, nem koherens, háborús szintű mobilizáció.

Hogyan maximalizálható a kombinált ciklus hatásfoka?

A kombinált ciklus hatásfokának maximalizálása gyakorlatilag egyenértékű az alsó ciklus hatásfokának optimalizálásával. Ez azonban nem triviális, mivel az alsó ciklus – azaz a hőhasznosító gőzkazán (HRSG) és a gőzturbina – egyszerre két, részben ellentmondó célt szolgál: egyrészt asszisztensként működik a felső ciklus mellett, mivel a gázturbina füstgázából visszanyeri a hőt, másrészt önálló energetikai rendszerként is értelmezhető, amelynek saját termodinamikai hatásfoka van.

A legnagyobb kombinált ciklus hatásfok eléréséhez a lehető legnagyobb hővisszanyerést kell biztosítani. Ez akkor valósul meg, ha a kilépő füstgáz hőmérséklete (TSTCK) a lehető legalacsonyabb. Ilyen esetben az alsó ciklus exergikus hatásfoka is maximális – noha hőtechnikai hatásfoka nem feltétlenül az. Ez a kettősség – hogy a ciklus egyszerre „segéd” és „önálló játékos” – meghatározza az optimalizálás természetét. Az „asszisztensként” betöltött szerepe akkor hatékony, ha a TSTCK alacsony, mivel ez nagyfokú hővisszanyerésre utal. Azonban mint önálló ciklus, az alacsony TSTCK alacsony középhőmérsékletű hőbevitelhez vezet, ami csökkenti a hőtechnikai hatásfokot. A kombinált ciklus szempontjából viszont a hővisszanyerés előbbre való, mint az alsó ciklus hőtechnikai hatásfoka.

Hagyományos széntüzelésű erőművekben a gőz előállítása jellemzően egy nyomásszinten történik, a gőzt pedig magas hőmérsékletre szupertúlhevítik. Ilyen rendszerek esetén a maximális hatásfokot az előmelegített tápszivattyú víz hőmérsékletének maximalizálásával lehet elérni. Ez viszont a kombinált ciklus esetén hátrányos, mivel a magas belépő vízhőmérséklet magas TSTCK-hoz vezet, ezáltal csökken a hővisszanyerés.

Ha a HRSG is csak egy nyomásszinten képes gőzt fejleszteni, akkor vagy alacsony nyomást kell alkalmazni (jobb hővisszanyerés, de rosszabb gőzciklus hatásfok), vagy magas nyomást (jobb gőzciklus hatásfok, de rosszabb hővisszanyerés). A megoldás egyértelmű: többnyomású gőzfejlesztés szükséges – legalább egy magas és egy alacsony nyomásszinttel. A magas nyomás biztosítja a jó gőzciklus hatásfokot, míg az alacsony nyomás alacsony TSTCK-t eredményez és ezáltal javítja a hővisszanyerést.

Ezért van az, hogy az ipari gázturbinákhoz kapcsolt alsó ciklusok legalább két nyomásszintet alkalmaznak: nagy- (HP) és kisnyomásút (LP). Emellett a reheat technológia is alkalmazható a közepes középhőmérséklet növelése érdekében: a HP turbina kilépő gőzét újra szupertúlhevítik, mielőtt belépne az LP turbinába. Azonban ennek megvalósításához kellően nagy gázturbina szükséges – magas füstgáz tömegáram (MEXH) és magas kilépő hőmérséklet (TEXH) mellett.

A HRSG három különböző nyomásszinten fejleszt gőzt: nagy-, közép- és kisnyomáson. Ezekhez háromféle hőcserélő tartozik: előmelegítő (economizer), párologtató (evaporator), és szupertúlhevítő (superheater). A párologtatók hőátadását a „pinch” pontok jellemzik – azaz a legkisebb hőmérsékletkülönbség a forró füstgáz és a forrásban lévő víz között. A pinch delta két fő komponensből áll: egyrészt a füstgáz kilépő hőmérséklete és a forrási hőmérséklet közötti különbségből, másrészt a telített gőz és az előmelegített víz közötti hőmérsékletkülönbségből.

A kombinált ciklus teljesítményének optimalizálása tehát nem pusztán a hatásfokok maximalizálásáról szól, hanem egy finom egyensúlyról a hővisszanyerés, a gőznyomás, a gőzhőmérséklet, és a ciklusarchitektúra összefüggéseiben. A TSTCK értékének csökkentése kulcsfontosságú, de ezt úgy kell megvalósítani, hogy a gőzciklus működőképessége és gazdaságossága ne sérüljön. A többlépcsős nyomásrendszer és a reheat alkalmazása ebben a komplex rendszerben olyan megoldást nyújt, amely az elméleti maximumhoz közeli exergikus hatásfokot tesz lehetővé.

Miért váltják fel a vízhűtéses rendszereket a száraz, levegőhűtéses kondenzátorok?

A vízhűtéses kondenzátorok egykor a hőerőművek hőelvezető rendszereinek alappillérei voltak. Mára azonban ezek szinte teljesen kiszorultak az ipari gyakorlatból. A globális vízhiány és a szigorodó környezetvédelmi előírások – elsősorban a vízhasználat és a szennyezés korlátozása – kizárják a nyitott vagy zárt körfolyamatú vízhűtéses rendszerek alkalmazását. Az erőművi tervezők két megoldás közül választhatnak: a zéró kibocsátású (ZLD) rendszerek vagy a levegőhűtéses kondenzátorok (ACC). A ZLD rendszerek azonban jelentősen növelik a beruházási és üzemeltetési költségeket, valamint a működtetés összetettségét. Ezért az iparág túlnyomó része az ACC rendszereket preferálja.

A rendszer jellemzően A-alakú szerkezetre épül, amely alatt elhelyezett erőteljes ventilátorok keresztirányban áramoltatják a környezeti levegőt a lejtős bordázott csőkötegek között. A turbinából kilépő gőz a rendszer csúcsára érkezik, majd a ferde csövek mentén lefelé haladva lecsapódik, miközben hőt ad át a levegőnek. A kondenzátum egy gyűjtőtartályba folyik, ahonnan visszakerül a kazánba.

Egy tipikus, két F-osztályú gázturbinából álló 750 MW-os GTCC erőmű 25–30 ilyen hűtőcellát alkalmaz egy 5×5 vagy 6×5-ös konfigurációban. Az ACC méretezése költség-teljesítmény kompromisszum alapján történik, figyelembe véve a hőcserélő felület és a ventilátor energiafogyasztása közötti egyensúlyt. Az ACC rendszerek méret- és költségkorlátai, valamint a magas járulékos energiaigényük miatt nem alkalmasak nagyon alacsony kondenzátor nyomások (pl. 68 mbar alatt) elérésére. A rendszer energiaigénye a kondenzátor nyomás csökkenésével exponenciálisan nő, így az ilyen rendszerek már nem versenyképesek a nedves hűtéses alternatívákkal szemben.

A ventilátor teljesítményigényét a gőz tömegáramából, a hőmérséklet-különbségből, a kondenzáció látens hőjéből és a levegő nyomáseséséből számítják. A ventilátor és motor hatásfoka jellemzően 80% és 90%. A rendszer tervezése során általában 40–50°F (kb. 22–28°C) hőmérséklet-különbséget vesznek figyelembe a gőz és a környezeti levegő között. Az ISO környezeti feltételek mellett 1,7% körüli ventilátor energiaigény számítható a teljes gőzturbina generátor kimenet arányában.

A valóságos üzemi körülmények és a tervezési modellek közötti különbségek komoly kihívást jelentenek. A hő- és áramlástani viszonyok terepi körülmények között messze eltérnek az ideálistól. A tervezés során feltételezett egyenletes légáramlás, hőmérséklet és nyomáseloszlás ritkán valósul meg. A különböző cellákban fellépő eltérő áramlási minták, nyomáskülönbségek és a szélhatások bonyolult, nehezen szimulálható viselkedést eredményeznek. A ventilátorok működésének optimalizálása, a torlóhatások kezelése és a hatékony karbantartási stratégia nélkül a rendszer működtetése gazdaságtalanná válhat.

Mindezek mellett fontos megérteni, hogy az ACC nem csupán egy technológiai elem, hanem egy integrált rendszert alkot az erőmű többi részével. A kondenzációs nyomás, a gőzturbina karakterisztikája, a hőcserélők felülete, valamint az irányítástechnika és az időjárási körülmények egyaránt szerepet játszanak az ACC hatásfokának alakulásában. A tervezési hibák vagy az üzemeltetési hiányosságok nem csak lokálisan, de az egész erőmű energiamérlegére hatással lehetnek.

Fontos tehát a rendszer integrált megközelítése, amely a tervezéstől kezdve az üzemeltetésen át a karbantartásig minden szempontot összehangoltan kezel. Az ACC alkalmazása csak akkor vezet versenyképes és fenntartható működéshez, ha az adott helyszínre, klímára és üzemeltetési célokra optimalizáltan történik a rendszer beillesztése az erőmű egészébe.

Milyen előnyökkel és korlátokkal járnak a fázisátmenetes hőtárolók és az ötvözetek a hőtároló rendszerekben?

Az eddigi megoldások közül a különböző halmazállapotú tárolóanyagok – szilárd, folyékony, vagy fázisátmenetes – mind tartalmaznak kompromisszumokat, mint például alacsony hővezetőképesség, korlátozott energiasűrűség vagy hőmérsékleti határok. A grafit például kiváló hővezető és magas hőmérsékletet képes elviselni, viszont energiasűrűsége alacsony, míg a PCM-ek nagy energiasűrűséget biztosítanak, de gyenge a hővezetőképességük. Ezek a tulajdonságok bonyolult, energiaigényes és költséges hőátadó rendszerek kialakítását teszik szükségessé, amely jelentős működési és beruházási költségekkel jár.

Egy innovatív megoldást jelentenek az ún. elegyedési rést mutató ötvözetek (MGA-k), amelyek egy fém mátrixba zárt, különálló, mikrostruktúrájú másik fém részecskéket tartalmaznak, például réz mikrostruktúrákat vas mátrixban. Az MGA-k olyan előnyöket kínálnak, mint a magas hővezetőképesség, közepes és magas energiasűrűség, valamint széles hőmérsékleti alkalmazhatóság. Az analógia szerint egy ilyen ötvözet olyan, mint a muffin csokidarabokkal: a csokoládé megolvad ugyan, de a muffin szerkezetében marad, így a fémrészecskék megolvadása ellenére sem szivárog el a tárolt hő. Az MGA anyagok szilárd tömbök formájában alkalmazhatók, nincs mozgó alkatrész vagy szerkezeti átalakulás, és a hőátadó csövek könnyen integrálhatók a blokkba. Egy újabb fejlesztés egy olyan rendszer, amely MGA blokkokból, elektromos fűtőtestekből és gőzgenerátor csövekből áll, melyek révén a túltermelt villamos energiával felmelegítik az MGA blokkot (az alumínium megolvad), majd a leadott hő segítségével vizet forralnak és gőzt termelnek, ami turbinát hajt meg.

A termokémiai tárolás egy teljesen más koncepció, ahol a napenergia egy reverzibilis, endoterm kémiai reakciót indít el a tároló közegben. A tárolt energia a reakció visszafordításával nyerhető vissza, amelyhez katalizátorok alkalmazása szükséges, lehetővé téve a reakció sebességének és időzítésének szabályozását. Ez a megközelítés nagy energiasűrűséget, hosszú tárolási időt közel környezeti hőmérsékleten, valamint hőszivattyúzási képességet biztosít. Ugyanakkor a rendszer komplexitása, a reakciók termodinamikai és kinetikai bizonytalanságai, valamint a magas költségek, mérgezőség és tűzveszély problémákat vetnek fel.

Fontos megérteni, hogy a különböző hőtárolási technológiák között az egyensúly megteremtése a teljesítmény, megbízhatóság, költségek és komplexitás tekintetében elengedhetetlen. A fázisátmenetes anyagoknál a ciklusok száma, a hővezetés és a mechanikai stabilitás kérdései, az MGA rendszereknél az anyagok kiválasztása és hőmérsékleti tartományok, míg a termokémiai rendszereknél a reakciók kinetikájának precíz ismerete és a biztonsági szempontok határozzák meg a gyakorlati alkalmazhatóságot. A technológiai fejlődés során kiemelt figyelmet kell fordítani az anyagok élettartamára, a hatékony hőátadásra és a gazdaságos üzemeltetésre, mert ezek hosszú távon meghatározzák a rendszerek fenntarthatóságát és gazdasági versenyképességét.

Hogyan lehet az oxigén tárolásával növelni a gázturbinák teljesítményét és hatásfokát?

A hidrogén alapú energiatárolási rendszerekben külön tárolt oxigén szerepe kulcsfontosságú lehet a gázturbinás erőművek teljesítményének és hatásfokának optimalizálásában. A rendszer működésének egyik fontos szakasza az elektrolizáló egység által előállított oxigén nagy nyomásra történő sűrítése. Az interhűtött kompresszor fokozatosan emeli a nyomást, miközben csökkenti az oxigén hőmérsékletét, hogy az energiasűrítés hatékonyabb legyen. A nagy nyomású oxigén ezután egy föld alatti vagy mesterséges tárolótartályban kerül elhelyezésre, amely akár barlang, akár nagynyomású acéltartály is lehet.

A rendszer egy továbbfejlesztett változata lehetővé teszi, hogy a tágulás után meleg, nyomás alatt lévő oxigént közvetlenül a gázturbina kompresszorának kimenetére vezessék. Ebben a konfigurációban a hőcserélő szabályozza az oxigén hőmérsékletét az expander bemenetén, így optimalizálva az injektált gáz tulajdonságait. Az oxigén tömegáramának növelésével a gázturbina további mechanikai teljesítményhez jut, amely az alaprendszerhez képest kétszeres — 12%-os — többletkimenetet biztosít. Ezzel szemben az előző változat mindössze 6%-os növekedést mutatott be a bemeneti levegő hűtése révén. Fontos megjegyezni, hogy az ilyen rendszerek alkalmazhatósága a gázturbina gyártójának jóváhagyásától is függ.

Számítási modellek igazolják a koncepció energetikai és gazdasági megalapozottságát. 700 bar nyomású oxigéntárolás esetén egy 125 MWe névleges teljesítményű gázturbina körülbelül 20 MWe többletteljesítményt tud generálni a kisütési fázisban, ami egy nyolcórás ciklus alatt 160 MWh energiát jelent. Ez az energiamennyiség a jelenlegi akkumulátoros technológiákkal összehasonlítva akár 40 millió dollár értékű beruházást is kiválthatna, feltéve, hogy az akkumulátorok hosszú távon képesek hasonló szintű megbízhatóságot és teljesítményt nyújtani — ami jelenleg erősen vitatható.

A táblázatos eredményekből látható, hogy az oxigén tárolásával elérhető hatásfokjavulás mérsékelt, de jelentős: a rendszer teljes körű round-trip efficiency (RTE) értéke körülbelül 24,3%-ról 26,4%-ra nő. A csak oxigént érintő tárolás-hatásfok 38,6%. Ezek az értékek kizárólag az elektrolizáló és gázturbina teljesítményadatain alapulnak, a járulékos veszteségeket – mint például a hőcserélő vagy a kompresszor működése – nem tartalmazzák.

Mindazonáltal az ilyen típusú rendszerek gyakorlati megvalósítása nem pusztán műszaki kérdés. Az 500 MWe teljesítményű elektrolizáló egységek, valamint a hozzájuk kapcsolódó hidrogén- és oxigéntároló infrastruktúra léptéke jelenleg csak néhány országban képzelhető el. A megvalósíthatóságot részletes műszaki-gazdasági vizsgálatnak (FEED study) kell megelőznie, figyelembe véve minden vonatkozó szabályozást, pénzügyi feltételt és hosszú távú energiapiaci előrejelzést.