Melyik integrációs stratégia a legéletképesebb a CSP–GTCC rendszerekben?

A magasnyomású (HP) gőzfejlesztésen alapuló integráció az egyértelmű nyertes a teljesítmény és a költséghatékonyság szempontjából az ipari nyomású (IP) gőzintegrációval szemben. Azonban a HP eset komoly műszaki kihívásokat vet fel, mivel a 150–160 bar körüli (kb. 2300 psia) gőznyomás megkövetelése a kollektorok és a rendszer napi hidegindítási képessége szempontjából komoly akadályt jelenthet. Ezt az akadályt ugyan technikailag meg lehet kerülni a bottoming ciklus jelentős túlméretezésével, de ez aránytalanul magas beruházási költséggel jár. A CSP technológiák közül a parabolikus vályús kollektor (PTR) technológia a legérettebb és legszélesebb körben használt (a globális beépített CSP kapacitás több mint 90%-át adja, több mint 1800 MW-tal az 1980-as évek óta), ami erőteljes érvet szolgáltat az IP gőzfejlesztésen alapuló CSP-GTCC integráció mellett.

Érdekes módon az IP integrációt a CRS technológiával (centrális vevős rendszer) is alkalmazzák, amelyet egy gyártó a legújabb ISCC (integrált naphő-gázturbina kombinált ciklusú) konfigurációjában valósított meg: ebben a rendszerben a CRS által előállított szuperhevített IP gőzt a hideg reheat vonalon vezetik be.

A reheat rendszerre alapozott integráció szintén figyelemre méltó lehetőség, különösen alacsony kihasználtságú (CF < 1.0) rendszerek esetén, mivel egyszerűbb hőcserélős kialakítást tesz lehetővé. Ez a stratégia kombinálható HP gőzfejlesztéssel is, amely a CRS technológia fő- és reheat gőz szuperhevítésének képességét kihasználva enyhíti a gőzturbina nyomáskorlátait. Az optimális konfigurációt azonban minden esetben helyspecifikusan kell meghatározni.

A GTCC méretezése a magasabb napenergia-befogadás érdekében első látásra kedvezőnek tűnik, hiszen ez magasabb ESOL-t (Effective Solar Output Level) eredményez és csökkenti az egységnyi napenergia $/kW költségét. Azonban a GTCC túlméretezésével járó többletköltségek gyakran felülmúlják az elérhető előnyöket. Például a Q_IN növelése 200 MWsol értékre (dupla a referenciához képest) és 54 MWe többlet kimenet 30 millió dolláros többletköltséget jelenthet, ami az egységnyi többlettermelés költségét 2650 $/kW-ra emeli – kb. 15%-kal magasabb szintet képviselve. Az ilyen esetek pontos értékelése éves szimulációt igényel az adott terhelési profil szerint.

A rendszer működtethető „üzemanyagmegtakarítási” módban is, ahol a gázturbina csökkentett teljesítményszinten üzemel, így csökken az üzemanyag-felhasználás és a károsanyag-kibocsátás is. A kieső teljesítményt a napenergia pótolja a bottoming ciklusban. Azonban ez a működési mód csak kb. 90%-os GT terhelésig életképes, mert efölött a napenergia nem tudja pótolni a GTCC teljesítménycsökkenést a hardver korlátainak átlépése nélkül (pl. gőzturbina bemeneti nyomás, kondenzátor nyomás). A tényleges megtakarítási potenciál nagymértékben függ az üzemanyagáraktól és az adott helyszín éves napenergia potenciáljától.

Egy elméletileg optimista szcenárió szerint, ha a rendszer évente 3000 órát működik ebben az üzemmódban 85%-os GT terhelés mellett, akkor a becsült éves megtakarítás kb. 15,8 millió dollár lehet, figyelembe véve a hőértékeket és a szintezési tényezőket. Azonban az így elérhető 10 éves megtérülési idő sok esetben nem elég vonzó, különösen, ha figyelmen kívül hagyjuk a kieső GT teljesítmény miatti bevételcsökkenést. A rendszer hatékonyságának kulcsa ebben az esetben a gázturbina részterheléses hatásfoka, különösen a modern, reheat gázturbinák esetében, amelyek kedvezőbb karakterisztikával rendelkeznek, mint a vizsgált referenciaegység.

A CSP technológiák értékelésénél nem elegendő a $/kW alapú összehasonlítás, mivel az nem tükrözi a tényleges éves energiatermelést, amelyet befolyásol a helyi fogyasz

Milyen hőelvezető rendszerek használatosak gázturbina kombinált ciklusú erőművekben, és milyen hatásuk van a teljesítményre?

A gázturbina kombinált ciklusú erőművekben a Rankine-körfolyamatban keletkező gőz hőjének elvezetése alapvető fontosságú, ezt a hőelvezetést pedig elsősorban kétféle hőelvezető rendszer végzi: vízhűtéses és levegőhűtéses kondenzátorok. Ezek a kondenzátorok biztosítják a gőz kondenzációját és a hő elvonását a hőforrásból, így lényeges komponensei a ciklus hatékonyságának és működési stabilitásának.

A vízhűtéses kondenzátorok két típusa létezik: nyílt és zárt hurkú rendszer. A nyílt hurok esetén a hűtővizet természetes víztestből (folyó, tó, vagy tenger) veszik, majd a felmelegedett vizet ugyanoda visszavezetik. Ez a megoldás egyszerű, de környezeti és szabályozási szempontból korlátokba ütközhet. A zárt hurkú rendszerek ezzel szemben a hűtővizet zárt körben keringetik a kondenzátor és a hűtőtornyok között, ahol a hőt az atmoszférának adják át, így nem szennyezik a természetes víztesteket, azonban a hűtőtornyok építése és fenntartása jelentős költségekkel jár.

A levegőhűtéses kondenzátorok (ACC) más elven működnek: itt a gőzből az energia közvetlenül a levegőbe adódik át konvekció útján. Mivel a levegő fajhő kapacitása körülbelül negyede a vízének, a kondenzátor hatékony működéséhez nagy felületre és jelentős légáramra van szükség, ami nagy ventilátor teljesítményt igényel. Az ACC rendszerek hőelvezető közegének hőmérséklete az aktuális szárazgömb-hőmérséklet, amely általában magasabb a nedvesgömb-hőmérsékletnél, amely a nedves hűtőtornyokban jellemző. Ez a tényező hátrányosan befolyásolja a gőzturbina teljesítményét.

Az ACC rendszerek előnye, hogy vízhiányos vagy szigorúan szabályozott környezetekben – például az USA szárazabb régióiban – alkalmazhatók, ahol a vízzel való hűtés nem megengedett vagy gazdaságtalan. Nem szükséges utánpótló víz vagy vízkezelési műveletek, és nincs vízpára kibocsátás sem, ami környezetvédelmi szempontból kedvező. Ezek az előnyök azonban alacsonyabb hatékonysággal és nagyobb energiafogyasztással járnak.

A hőelvezető rendszer kiválasztása szoros összefüggésben áll az adott telephely környezeti adottságaival és az előírásokkal. Gyakran a döntés nem csupán a nyílt vagy zárt vízhűtés között, hanem a zárt hurokú vízhűtés ZLD (zero liquid discharge) komponenssel ellátott változata, vagy az ACC között zajlik. Ez a választás lényeges hatással van az erőmű működési paramétereire és gazdaságosságára.

A hűtőrendszerek teljesítménye erősen függ a környezeti hőmérséklettől. Magasabb külső hőmérséklet esetén a kondenzátor nyomása emelkedik, ami csökkenti a gőzturbina teljesítményét és hatékonyságát, valamint növeli a hőfogyasztást. Ez a hatás jól megfigyelhető az F-osztályú kombinált ciklusú erőművek működése során, ahol a környezeti hőmérséklet növekedése egyértelműen rontja az erőmű teljesítményét.

A vízhűtéses rendszerek működtetése során a vezérlés viszonylag egyszerű, például a nyílt hurkú rendszerek esetén alacsony terhelésnél elég egyes keringető szivattyúkat leállítani. Zárt hurkú rendszereknél a hűtőtornyok celláinak és a keringető szivattyúk működését terhelés és környezeti feltételek szerint szabályozzák. Fontos műszaki paraméter a szivattyúk szívási sebessége, amelynek meg kell felelnie az előírt határértékeknek a megbízható és hosszú távú működés érdekében.

A hűtőrendszerek teljesítményét jelentősen befolyásolhatja a csővezetékek szennyeződése és lerakódása (fouling). Ez a jelenség növeli a gőzturbina hátsó nyomását, ami csökkenti a villamos teljesítményt, miközben növeli a hőfogyasztást. Minden 10%-os nyomásnövekedés mintegy 0,5%-kal csökkenti a turbinateljesítményt, ami egy modern GTCC esetén akár jelentős hatékonyságvesztést is eredményezhet. A szennyeződés oka lehet szervetlen anyagok – például kalcium-karbonát vagy szulfát –, iszap, valamint szerves anyagok és mikroorganizmusok, amelyek különösen nyílt hurkú rendszerekben jelentkeznek.

A biológiai szennyeződés elleni védekezés főként klór alapú biocidokkal történik, amelyeket folyamatosan vagy „sokk” kezeléssel adagolnak a keringető vízbe. Zárt hurkú rendszerekben ezen túlmenően pH szabályozást és vízkő inhibitorok használatát alkalmazzák a csővezetékek épségének megőrzésére. A kezelési stratégiák jelentősen függnek a helyszíni vízminőségtől és a környezeti körülményektől.

Az erőmű hatékonysága és megbízhatósága érdekében elengedhetetlen a hűtőrendszerek folyamatos karbantartása és monitorozása, valamint a környezetvédelmi előírások szigorú betartása. Az üzemeltetőknek tisztában kell lenniük a rendszer hatásfokcsökkenésének következményeivel, és időben kell beavatkozniuk a szennyeződések eltávolítása és a technológiai paraméterek optimalizálása érdekében.

A hőelvezető rendszerek és kondenzátorok kiválasztásánál és tervezésénél figyelembe kell venni a hosszú távú működés, a környezetvédelem, a hatékonyság, valamint az üzemeltetési költségek közötti összetett egyensúlyt. A környezeti feltételek, vízellátás és a működési igények változásai jelentős hatással lehetnek a hűtőrendszer teljesítményére, ezért ezek folyamatos nyomon követése és elemzése elengedhetetlen.