Milyen tényezők határozzák meg a gázturbina és az alacsony hőmérsékletű ciklusok hatásfokát?

A referenciaállapot vagy „halott állapot” az ISO szabvány szerint a környezeti feltételekkel van definiálva, amely általában 1 atm nyomást és 15 °C (59 °F) hőmérsékletet jelent. Ez az alap, amelyhez viszonyítva a gázturbina kipufogógázának exergiáját lehet meghatározni, és az egyszerűsített képlet szerint az exergia értéke jól közelíthető a kipufogógáz hőmérsékletének lineáris függvényével. Fontos, hogy az entalpia nullapontja 59 °F és a nedvesség gőz formájában van jelen a keverékben, az entrópia pedig ugyanezen hőmérséklet és 14,7 psia nyomás alapján van definiálva, mivel az ideális gáz entrópiája a hőmérséklettől és nyomástól függ.

Az exergia és az energia (entalpia) aránya egy hasznos paraméter, amely megmutatja az elméleti alsó ciklus maximális hatásfokát, ami tulajdonképpen egy Carnot-ciklus hatékonyságával egyenértékű. Az adatokat egy gázturbina kipufogógáz hőmérsékletének függvényében könnyű táblázatos formában megadni, amely jól szemlélteti, hogy a magasabb kipufogógáz-hőmérséklet jobb „energia minőséget” jelent, így a maximálisan elérhető hatásfok is növekszik.

A példában, a 9F.03 turbinánál az alsó ciklus nettó teljesítménye így körülbelül 146,3 MW, amely a kazánszivattyúk teljesítményfogyasztását is figyelembe veszi. Az első főtétel szerinti hatásfok (azaz a hasznosított energia aránya a rendelkezésre álló hőenergiához) ennél a ciklusnál 34,4%. Ez elsőre alacsonynak tűnhet, de figyelembe véve a termodinamikai korlátokat, nagyon közel van az elméleti maximumhoz, amelyet az adott hőmérsékleti viszonyok és nyomásviszonyok szabnak meg.

Az ideális alsó ciklus hatásfoka az ún. „technológiai tényező” (TF) segítségével fejezhető ki, amely a tényleges és az ideális Carnot-ciklus hatásfokának hányadosa. A Rankine-ciklus, amelyben a víz a munkaközeg, a leggyakrabban alkalmazott alsó ciklus, mivel jelentős előnyökkel bír, ugyanakkor a termodinamika nem korlátozza a ciklus típusát vagy a munkaközeg választását. Az organikus Rankine ciklus (ORC) jó példa egy másik lehetőségre, amely alacsonyabb hőmérsékleteken is hatékony.

A kombinált ciklus, amelyben a gázturbina által szolgáltatott magas hőmérsékletű égéstermékekből a Brayton-ciklus „felső” ciklusa után egy Rankine-ciklus „alsó” ciklusa használja fel a maradék hőt, egy újabb, szintén Carnot-hoz közelítő hatásfokkal írható le. Ebben a rendszerben a magas hőmérsékleti tartomány a Brayton-ciklus középértékű hőmérséklete, míg az alacsony a környezeti hőmérséklet. Az ideális kombinált ciklus hatásfoka ezen hőmérsékleti viszonyok logaritmikus függvénye. A gyakorlatban azonban a hatásfok alacsonyabb, a technológiai tényező itt is 0,81 körül alakul, ami megmutatja, hogy a modern gázturbinák és kombinált ciklusok közel vannak az elméleti lehetőségekhez.

Fontos, hogy a termodinamikai elemzés szempontjából nem szükséges ismerni a pontos alsó ciklus tulajdonságait, például a munkaközeg típusát vagy részletes működését. Az ideális alsó ciklus egy Carnot-motor, amely két hőhordozó között működik, a technológiai tényező pedig a gyakorlati megvalósíthatóságot és veszteségeket foglalja össze. A modern technológia eléri a 0,85 körüli tényezőt, ami igen magas, tekintve, hogy az ideális ciklus sosem valósítható meg teljes mértékben.

Az energiaátalakítás hatásfokának ilyen mély termodinamikai megértése elengedhetetlen a gázturbinás erőművek és a hozzájuk kapcsolódó alsó ciklusok tervezéséhez, optimalizálásához és fejlesztéséhez. Ez az ismeret lehetőséget ad arra, hogy megértsük a teljes rendszerek határértékeit, és így fejlesztési irányokat fogalmazzunk meg, amelyek közelebb visznek mink

Hogyan befolyásolja a CAES rendszerek szén-dioxid-kibocsátását és gazdaságosságát az energiaforrás és a piac dinamikája?

A sűrített levegős energiatárolás (CAES) rendszerek szén-dioxid-kibocsátására vonatkozó állítások gyakran optimisták, de valóságtartalmuk nagymértékben függ az alkalmazott energiaforrás típusától, valamint attól, hogy mit vált ki a rendszer működése. Amennyiben a kompressziós ciklus során felhasznált villamos energia megújuló forrásból – például szélenergiából – származik, a CAES működtetése valóban hozzájárulhat a CO₂-kibocsátás csökkentéséhez. Ezzel szemben, ha a kompressziót elsősorban széntüzelésű erőművek energiája hajtja meg, a rendszer összesített emissziós mutatói jelentősen romlanak.

A rendszer emissziós profilját nagyban befolyásolja az ún. töltési/kisütési időarány (t). Ez az arány meghatározza, hogy mennyi időt tölt a rendszer energiával való feltöltéssel, illetve kisütéssel. Magasabb t érték általában rosszabb kibocsátási mutatókat eredményez, mivel hosszabb idő alatt több füstgáz keletkezik. Ez az összefüggés azonban csak akkor áll fenn, ha a kompresszió energiaigényét fosszilis energiaforrások fedezik. Ha ezzel szemben megújuló energiaforrás – például szélenergia – szolgáltatja a töltési ciklushoz szükséges áramot, a magasabb t arány kedvező, hiszen a kibocsátás így is alacsony marad.

További csökkentést eredményezhet a turbina hőhatásfokának növelése, illetve a hidrogén tüzelőanyagként való alkalmazása a CAES égéstereiben. A hidrogén akár helyben is előállítható, például túltermelt megújuló áram felhasználásával, vagy csővezetéken keresztül szállítható az erőműhöz. Az ilyen technológiai lehetőségeket azonban mindig eseti alapon, pontos beruházási és üzemeltetési költségbecslések (CAPEX és OPEX) alapján kell megvizsgálni, megalapozott mérnöki tanulmányok (FEED) segítségével.

A CAES gazdasági értéke két fő összetevőre bontható: belső és külső értékre. A belső érték az energiaárak időbeli különbségein alapuló arbitrage lehetőségekből származik, különösen a téli és nyári csúcsidőszakokban, amikor a napi árszórás nagyobb. Ez a számítás azonban általában az átlagos óránkénti árak alapján történik, nem veszi figyelembe a valós idejű piaci ingadozásokat.

A rendszer gazdaságosságát tovább árnyalja az eszközök méretezésével és költségével kapcsolatos elemzés. A tárolt és visszatáplált energia mennyisége, valamint az ezek közötti időbeli eloszlás (t arány) nem befolyásolja közvetlenül az arbitrage bevételt, viszont a szükséges turbógépek mérete és ezáltal a beruházási költség igen. A gépegységek költsége tipikusan az áramlási tömegáram 0,6-os hatványával arányos, így a gazdaságosság kiszámítása során ezek a paraméterek kiemelt jelentőségűek.

Fontos megérteni, hogy a CAES rendszerek értékelése nem választható el a helyi energiamix, a piaci struktúra, az időszakos kereslet, valamint a jövőbeni technológiai fejlesztések hatásainak elemzésétől. A szén-dioxid-kibocsátás csökkentése csak akkor valósul meg, ha a rendszer üzemeltetése során valóban tisztább technológiákat alkalmaznak. A gazdaságosság pedig csak akkor tartható fenn, ha a rendszer képes alkalmazkodni a valós idejű ármozgásokhoz és a keresleti viszonyok gyors változásaihoz.

Milyen hatékonyságot és technológiai lehetőségeket kínálnak a szilárd oxid üzemanyagcellák az integrált gáztisztítású erőművekben?

A szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC-k) az egyik legígéretesebb technológiai megoldást jelentik az energetikai rendszerek fejlődésében, különösen az integrált gáztisztítású üzemanyagcellás (IGFC) és a földgáz alapú üzemanyagcellás (NGFC) erőművekben. Az SOFC-k elsődleges előnye a magas hatékonyság, amely az élettartam és az emissziós paraméterek szigorú betartásával párosul. A Solid State Energy Conversion Alliance (SECA) program célja, hogy széntüzelésű, 60% feletti HHV hatékonyságú, alacsony légszennyezőanyag-kibocsátású, és 97%-nál is magasabb CO2-leválasztással működő, ipari méretű villamosenergia-termelő rendszereket fejlesszen.

Az IGFC rendszerek alapja a széntüzelésű gáztisztító egység, amely szintézisgázt állít elő. Ez a gáz főként CO és H2 komponensekből áll, amelyeket tisztítás után vezetnek az SOFC-k anódjába. Az anód oldali füstgáz, amely főként elégett maradék üzemanyagot, CO2-t és H2O-t tartalmaz, egy oxigénes égőben kerül elégetésre, ahol a felszabaduló hőt a gőzturbina alsó körfolyamatához hasznosítják. A légfúvó segítségével az elektro-kémiai reakcióhoz szükséges levegőt és a cellák hűtését biztosítják, miközben a katód oldali füstgázból és a folyamat levegőből gőz keletkezik.

A nyomás alatti IGFC rendszerek még nagyobb hatékonyságot érnek el az emelt cellafeszültségnek köszönhetően, amely akár 40 bar nyomáson 90 mV-val meghaladja az atmoszférikus változat értékét. Ez azonban egyúttal összetettebb rendszerkonfigurációt is jelent, melynek megoldásához kompresszorokra, turbina-generátorokra és nagy integritású tömítésekre van szükség az anód és katód áramlások elkülönítésére. Ezzel a konfigurációval elmarad az alsó körfolyamat, mivel az égéstermékekből már nem nyerhető elegendő hő a gőzképzéshez, ami egyben a vízfogyasztás csökkenését is eredményezi.

Az IGFC-k hatékonysága a jelenlegi technológiákkal 45-50% körül alakul (HHV alapon), míg katalitikus gáztisztító alkalmazásával, mely alacsonyabb hőmérsékleten, kisebb oxigénfelhasználással működik, és a szintézisgázban jelentősen megnöveli a metán koncentrációját (15-30% térfogatszázalékban), akár 5-10 százalékponttal is javulhat a hatékonyság. A hagyományos gáztisztító által előállított szintézisgáz metántartalmát földgáz hozzákeverésével szintén növelhetjük, ami hasonló hatásfoknövekedést eredményez.

A SECA által képzelt végső SOFC-alapú erőmű az NGFC, amely teljes belső átalakítással (internal reforming, IR) működik, azaz a metán átalakulása maga az üzemanyagcellán belül történik meg, ez az IR-NGFC rendszer. A SECA program 2001 óta jelentős eredményeket ért el az SOFC-k költségeinek csökkentésében, a tizenhatszoros hatékonyság megtartása mellett. A kereskedelmi igényeknek megfelelő IGFC rendszerek megjelenése 2035-re várható.

Az üzemanyagcellák nagyipari méretű villamosenergia-termelésben való alkalmazása még mindig nagy kihívásokat rejt, ugyanakkor az elosztott generációban, például családi házakban egyedi üzemanyagcellás rendszerek révén, ahol az elektromos hálózattól függetlenül működnek, ígéretes megoldás lehet. Az üzemanyagcellás elektromos járművek (FCEV-k) terén is látványos fejlődés tapasztalható, ám az infrastruktúra hiánya jelentős akadályt jelent a technológia széleskörű elterjedésében.

Az elektrolízis során keletkező oxigén mennyisége jelentős, körülbelül 8 kg O2 jut 1 kg H2-re. Az oxigén eladásának lehetősége gazdasági és logisztikai kihívásokat vet fel, ezért az integrált technológiákban, például az ATR (autotermikus reformálás) folyamatban való felhasználása gazdaságosabb lehet. Az oxigén alkalmazása további termodinamikai előnyökkel járhat, azonban ezek költséghatékonyságának megítélése részletes előzetes műszaki-gazdasági elemzést igényel.

Fontos megérteni, hogy az SOFC-k és integrált gáztisztítású rendszerek sikere nem csupán a magas hatékonyságban és emissziócsökkentésben rejlik, hanem a rendszerkomplexitás és az üzemeltetési kihívások kezelhetőségében is. A magas nyomású rendszerek indítása, leállítása és átmeneti állapotai különleges figyelmet igényelnek, miközben a hosszú távú működés stabilitása és megbízhatósága a technológia gazdasági versenyképességének kulcsa. Ezen felül az infrastruktúra kiépítése, különösen a hidrogénellátás és az oxigénhasznosítás terén, alapvető feltétele a technológia széles körű elterjedésének.