A koncentrált napenergia (CSP) technológiák, akárcsak a többi megújuló energiaforrás, alapvetően intermittens és kiszámíthatatlan, ami megnehezíti az állandó és megbízható energiatermelést. Ez a kihívás részben enyhíthető hőenergia-tárolással (TES), amely azonban jelentősen megnöveli a létesítmény méretét és a beruházási költségeket, anélkül hogy feltétlenül csökkentené az energiatermelés fajlagos költségeit. Az egyik legáltalánosabb megoldás a napenergia-termelés kiegészítése fosszilis tüzelőanyagokkal, amely ugyan csökkenti a megújuló energia alkalmazásának tiszta jellegét, de a folyamatos ellátást biztosítja.

Jelenleg az ipari gyakorlat a megújuló energiaforrások igény szerinti használatára alapoz, míg a fosszilis tüzelésű erőművek, jellemzően gázturbinás egyszerű vagy kombinált ciklusú egységek, tartalék üzemmódban működnek, hogy a megújuló energia kiesése esetén pótolják a hiányzó kapacitást. A hagyományos nap-fosszilis hibrid rendszerek általában napenergia-termikus bemenetet alkalmaznak kiegészítésként, amely a napenergiából származó hőt hasznosítja.

Az integrált nap-hibrid kombinált ciklus (ISCC) jól ismert példa erre a megoldásra. Ebben az elrendezésben a gőz-visszanyerő hőcserélőből (HRSG) érkező magas vagy középnyomású táplálóvíz a koncentrált napenergia rendszer kazánjába kerül, ahol a napenergia által előállított gőz visszakerül a HRSG-be. Ez az integráció javítja az erőmű összhatékonyságát és lehetővé teszi a napenergia fokozott kihasználását.

Másik megközelítésként a napenergia a táplálóvíz vagy a szénalapú kazán gőzének előmelegítésére is szolgálhat, amit például naptorony vagy parabola-tükör rendszerek alkalmazásával valósítanak meg. Létezik továbbá a nap-hibrid kombinált ciklus (SHCC), amelyben a gázturbina Brayton ciklusának hőellátása fosszilis tüzeléssel történik, amelyet napenergia-termikus energiával egészítenek ki. Ez a rendszer tulajdonképpen az ISCC speciális változata, ahol a napenergia integrációja a felső körfolyamatban valósul meg, bár a két technológiát különálló rendszerekként kezelik.

További innovatív megoldások között említhető a napenergia hőbevitele a Brayton és Rankine ciklusok közötti térben, amely újabb technikai lehetőségeket nyit meg a hatékonyság javítására. Az ISCC rendszer és a hozzá kapcsolódó napenergia-technológiák részletes ismertetését Kalogirou munkái alapján lehet megérteni, amely átfogó képet ad a jelenleg elérhető megoldásokról és fejlesztési irányokról.

Az ISCC rendszerek azonnal alkalmazható, bár még nem teljesen kiforrott technológiának tekinthetők, míg a SHCC és a gáz-turbina kipufogógáz újramelegítő változatok jelentős műszaki kihívásokkal küzdenek, például a magas nyomású és hőmérsékletű volumetrikus fogadó kialakításával, amely a sűrített levegő fűtését szolgálná. Ezek a fejlesztések még hosszú utat járnak be, mielőtt a gyártók, fejlesztők és mérnöki szervezetek számára vonzóvá válnának.

Az ISCC rendszerekben a hatékonysági és napenergia-specifikus fogalmak használata elengedhetetlen a megértéshez, ezért külön nomenklatúra segíti a szakembereket az átváltások és értelmezések során. Fontos megjegyezni, hogy az eredeti elemzések brit mértékegységekben készültek, és az átváltások során óvatosság szükséges a hibák elkerülése érdekében.

A koncentrált napenergia és a gázturbinás kombinált ciklus integrációjának kulcsa az ISCC keretében a másodlagos (alap) ciklusba történő napenergia betáplálása, amely optimalizálja az erőmű teljesítményét és növeli az üzemidőt. Ez a megközelítés segít csökkenteni a fosszilis tüzelőanyag-fogyasztást, miközben fenntartja az ellátás megbízhatóságát.

A nap-hibrid erőművek fejlesztése során elengedhetetlen a napenergia időjárásfüggő jellege, a rendszer összetettsége és a költséghatékonyság együttes figyelembe vétele. Az energetikai rendszerek optimalizálása nemcsak műszaki, hanem gazdasági és környezeti szempontok alapján is történik, így a tervezés során a teljes életciklus és az emissziócsökkentési célok integrálása is kulcsfontosságú.

Az ISCC alkalmazása hozzájárulhat a globális szén-dioxid-kibocsátás csökkentéséhez, ugyanakkor a megvalósítás során figyelembe kell venni a helyi környezeti feltételeket, az energiahálózatok rugalmasságát, valamint a megújuló energiaforrások változó rendelkezésre állását. A hibrid rendszerek hosszú távú sikere az integrált mérnöki megoldásokon, a megbízható üzemeltetésen és a folyamatos innováción múlik.

Fontos megérteni, hogy az ISCC rendszerek fejlesztése nem önállóan történik; a gazdaságos működés érdekében szoros kapcsolatban állnak más megújuló energia technológiákkal és energiahatékonysági intézkedésekkel. Az ilyen rendszerek adaptálása igényli a technológiai rugalmasságot és a széleskörű együttműködést a kutatók, mérnökök és döntéshozók között.

Miért a szén az elsődleges felelős, és hogyan formálja az energiapolitikát a globális felmelegedés elleni harc?

A globális felmelegedés jelensége mögött álló fő okok közül a szén az elsődleges bűnös, ezért az energiarendszer átalakításának egyik legfontosabb célja a szén alapú energiatermelés visszaszorítása, vagy akár teljes eltüntetése. Ennek első lépése a szénalapú erőművek helyettesítése földgáztüzelésű erőművekkel, elsősorban egyszerű és kombinált ciklusú gázturbinás rendszerekkel. Az energiatermelés átalakulásának folyamata, amelyet gyakran energiatranzíciónak neveznek, jóval túlmutat ezen az egyszerű üzemanyagcserén. Egyre nagyobb hangsúlyt kapnak a megújuló energiaforrások – főként a nap- és szélenergia, de ide sorolhatók a geotermikus és vízierőművek is –, amelyek azonban nem állandó, hanem időszakosan elérhető források, így működésük stabilizálásához energiatárolási megoldásokra van szükség. Ezek közé tartoznak az akkumulátorok, a szivattyús tározók, a sűrített levegős rendszerek és számos más, még fejlődő technológia.

Mivel a fosszilis tüzelőanyagokat használó erőművek még hosszú ideig jelentős részét képezik a globális villamosenergia-termelésnek, elengedhetetlen azok károsanyag-kibocsátásának, különösen a szén-dioxidnak a hatékony leválasztása és megkötése. Ezen a téren a hidrogén is egyre inkább előtérbe kerül, mint energiahordozó, amely segíthet eljuttatni a világot a karbonsemleges elektromosság állapotába.

Az energiatranzíció azonban jelenleg kaotikus és rendszertelen folyamat, amely hiányos, egységes stratégiák nélkül zajlik, és ezt jól mutatja az 2021-es energiaár-válság is. Ebben az időszakban a fosszilis energiahordozók ára szinte robbanásszerűen megemelkedett, annak ellenére, hogy a COVID-19 világjárvány okozta gazdasági visszaesés 5%-os keresletcsökkenést eredményezett. Ez a drámai áremelkedés többek között a fosszilis és nukleáris erőművi kapacitások túl gyors kivezetésének kényszerítő politikájával magyarázható.

A globális felmelegedés elleni küzdelemben gyakran bukkanak fel „ezüstgolyó” vagy „varázspálca” megoldások, melyek gyakorlatilag csodaszerekként ígérnek gyors és egyszerű megoldást. Ezek a technológiák általában alacsony technológiai fejlettségi szinten állnak, megvalósításuk hosszú évtizedeket vehet igénybe, miközben költség- és teljesítményígéreteik gyakran irreálisak és nem állják ki a szigorú műszaki vizsgálatokat.

Az energetikai átmenet elemzésekor nélkülözhetetlen a termodinamikai alaptételek alkalmazása, különösen a második főtétel, amely segít megérteni a teljesítménykorlátokat és az energiahatékonyság lehetőségeit. Az új és meglévő technológiák, mint a gázturbinák, a kombinált ciklusú erőművek, a szén-dioxid leválasztási eljárások és az energiatárolás, műszaki és üzemeltetési szempontból egyaránt alapos vizsgálatot igényelnek. A költségkérdés is központi jelentőségű, ugyanakkor a fejletlen technológiák valós költségeinek pontos előrejelzése szinte lehetetlen, hiszen a fejlesztések során gyakran váratlan nehézségek és kiadások merülnek fel.

Az energiapolitika alakításában fontos a gyakorlati tapasztalatok figyelembevétele. Az iparági és mérnöki háttér, a valós körülmények között szerzett tapasztalatok elengedhetetlenek ahhoz, hogy a technológiai lehetőségek reális értékelése megtörténhessen, és elkerülhetők legyenek az irreális várakozások és a technológiai csalódások.

Az energiaátmenet sikeressége nem csupán a technológiák fejlesztésén és alkalmazásán múlik, hanem azon is, hogy a világ nemzetei képesek legyenek konszenzusra jutni és hosszú távú, átgondolt stratégiákat kialakítani. Ez a komplex folyamat megköveteli a társadalmi, gazdasági és környezeti szempontok összehangolását, a technikai realitások és a fenntarthatósági célok kiegyensúlyozását.

Fontos megérteni, hogy a globális felmelegedés elleni harc nem csupán technológiai kérdés, hanem mélyreható gazdasági, politikai és társadalmi kihívás is, amely komplex, több szintű megközelítést igényel. Az energiarendszerek átformálása során a rövid távú piaci hatások kezelése mellett hosszú távú fenntarthatósági szempontokat kell előtérbe helyezni, hogy valóban tartós és pozitív változásokat érhessünk el.

Hogyan alkalmazkodnak a gázturbinás kombinált ciklusú erőművek a megújuló energiaforrások változó termeléséhez?

A gázturbinás kombinált ciklusú (GTCC) erőművek hagyományosan a villamosenergia-rendszer bázisterhelésének szilárd pillérei voltak, melyeket ritkán állítottak le, és magas kapacitáskihasználtsággal működtek. Ez igaz volt a korai kombinált ciklusú erőművekre is, különösen az 1990-es évek F-osztályú gázturbináira, amelyeket kifejezetten bázisterhelésre terveztek és így üzemeltettek. Az ezredfordulót követően azonban a megújuló energiaforrások, elsősorban a szél- és napenergia egyre nagyobb arányú beépítése a termelési portfólióba alapvetően megváltoztatta az erőművek működési követelményeit. A megújulók időjárásfüggősége miatt ugyanis nem képesek folyamatos, kiszámítható teljesítményt nyújtani, ami szükségessé tette a fosszilis alapú erőművek gyakori ciklikus működését, gyors indulását és leállását.

Az ilyen ciklikus működésnek két alapvető esete van. Egyrészt tervezhető időszakok, mint az éjszaka, amikor a naperőművek nem termelnek, és az erőművek indítását előre meg lehet szervezni a berendezések hőterhelésének csökkentése érdekében. Másrészt viszont váratlan események is előfordulhatnak, például egy szélsebesség hirtelen csökkenése vagy a felhők megjelenése, ami azonnali többletenergia bevonását igényli. Ez az erőműveket arra kényszeríti, hogy rövid idő alatt hidegállapotból indulva vagy alacsony terhelésről gyorsan teljes terhelésre kapcsoljanak, miközben a károsanyag-kibocsátási előírásoknak is meg kell felelniük.

A kombinált ciklusú erőművek legfontosabb dinamikai eleme a gáz- és a gőzturbina, valamint a hővisszanyerő gőzkazán (HRSG). A gázturbinák a leggyorsabb válaszadásra képesek, 8%-os perces terhelésváltozással, ami modern berendezéseknél akár 50-60 MW/perc terhelésváltást is jelenthet. A gőzturbinák és a HRSG azonban jóval lassabbak, nagy hőtehetetlenségük miatt csak időben eltolva követik a terhelésváltozást. A gőzturbinák a leállásból való indulás során különösen érzékenyek a hőmérsékleti feszültségekre: a vastag fém alkatrészek lassú és egyenletes felmelegítése nélkülözhetetlen a sérülések elkerülése érdekében. A leállás időtartama és az abból következő fémhőmérséklet jelentősen befolyásolja az indítási időt, ezért az indításokat három kategóriába sorolják: „meleg”, „közepes” és „hideg” indítás, az alkatrészek aktuális hőmérséklete alapján.

A működési alsó terhelési határt az határozza meg, hogy a gázturbina képes legyen betartani a NOx és CO kibocsátási korlátokat, ez az úgynevezett minimális kibocsátás-kompatibilis terhelés (MECL). Régebbi F-osztályú erőművek esetében ez 50-60% körüli volt, ami korlátozta az erőművek rugalmasságát, míg a korszerűbb berendezések akár 20%-os gázturbinás terhelés mellett is képesek hatékonyan működni, jelentősen bővítve ezzel az üzemelési tartományt és csökkentve az üzemanyag-fogyasztást.

A gőzturbinák működését a legalacsonyabb megengedett gőzáram is korlátozza, mivel a túl alacsony gőzáram az utolsó lapátkerekeknél áramlási visszafordulást, túlmelegedést és rezgéseket okozhat, ami a turbinakomponensek károsodásához vezethet. A kombinált ciklusú rendszerek indításának lassúságát tovább növeli a hővisszanyerő gőzkazán és a kapcsolódó nagyméretű, vastag falú csővezetékek hőtehetetlensége, ami megköveteli az alkatrész

Milyen hatékonysággal működnek a CO₂ alapú energiatároló rendszerek és milyen kihívásokkal kell szembenézniük?

A CO₂ alapú energiatároló rendszerek hatékonyságának meghatározása során a turbinák által leadott teljesítményt (WT), a kompresszorok által felvett teljesítményt (WC) és a fűtőanyag-fogyasztást (HFC) veszik figyelembe. A termikus hatásfok összehasonlításának egyik módja, hogy az HFC értékét egy 45,6%-os hatékonyságú, önálló erőműből származó villamosenergia-kibocsátásként értelmezzük, ami a gyakorlatban megmutatja, mennyi villamos energiát lehetne előállítani ugyanezzel az üzemanyag-mennyiséggel. A szakirodalomban található számítások szerint a SC és TC rendszerverziók hatásfoka elméletileg meghaladja a 60%-ot, ám ezek a számok túlzóan optimisták, mivel a hőmérséklet és nyomás viszonyokat, valamint a hőátadási folyamatokat nem vették teljes körűen figyelembe.

Egy jelentős hibaforrás, hogy a hőátadást a CO₂-nek a fűtőberendezésben történő melegítésére helyezték, ami tűztermosztátok esetében nem lehetséges, hiszen a tüzelőanyag közvetlenül ég, és a hőátvitel korlátozott. Emiatt az újraszámítások során fejlett szimulációs szoftvereket, például a Thermoflow THERMOFLEX programját alkalmazták, amely a REFPROP csomaggal együtt képes a CO₂ termodinamikai tulajdonságait pontosan kezelni, így realisztikusabb képet ad a rendszer teljesítményéről.

Az olasz EnergyDome által fejlesztett „CO₂ akkumulátor” egy másik innovatív megoldás, amely a szén-dioxidot folyékony állapotban, 65 bar nyomáson, 25°C-on tárolja acéltartályokban. A tömörítés és folyósítás során keletkező hőt egy csomagolt ágyas hőtároló (TES) és melegvíz formájában raktározzák, majd a kisütési fázisban a folyékony CO₂-t felmelegítve egy turbinán keresztül villamos energiát állítanak elő. A turbinából kilépő CO₂ gáz halmazállapotban egy rugalmas membránban, úgynevezett „dómában” kerül tárolásra. A tömörítés és a kisütés folyamatát egy áramlási sémában ábrázolják, ahol a csomagolt ágyak szolgálnak az intercooler és aftercooler szerepében. Az EnergyDome által publikált adatok szerint a rendszer körfolyamati hatásfoka (RTE) meghaladja a 75%-ot, bár független ellenőrzések során körülbelül 74% értéket kapnak, ami szintén jelentős eredménynek számít.

A rendszer életképessége nagymértékben függ a TES technológia továbbfejlesztésétől, valamint a beruházási és üzemeltetési költségek (CAPEX, OPEX) alakulásától, amelyek meghatározzák, hogy versenyképes lehet-e a hagyományos energiatároló rendszerekkel, például a sűrített levegős vagy levegős energiatárolással (CAES, LAES).

Az energiatárolás további jelentősége a hálózati kiegészítő szolgáltatások biztosításában rejlik. Ezek közé tartozik a frekvenciaszabályozás, amely néhány másodpercen belül képes stabilizálni a hálózati frekvenciát, vagy a forgó tartalék, amely váratlan hálózati kiesések esetén azonnali teljesítmény biztosítására alkalmas. Az energiatárolók képesek csúcsidőszaki terheléskiegyenlítésre, időbeli átcsoportosításra, valamint megkönnyítik a megújuló energiaforrások hálózatba integrálását az ingadozások kompenzálásával. Ezek a képességek hozzájárulnak a hálózat stabilitásához és gazdaságosabb működéséhez, miközben csökkentik a szükséges hálózati kapacitásbővítés költségeit.

Fontos tudatosítani, hogy az energiatároló rendszerek hatásfokát és gazdaságosságát jelentősen befolyásolják a termodinamikai veszteségek, a komponensek hatékonysága, valamint az alkalmazott technológiák fejlettségi szintje. A CO₂ alapú rendszerekben kiemelt szerepe van a pontos termodinamikai jellemzők ismeretének és a hőátadási folyamatok optimalizálásának. A rendszer teljesítményének javítása érdekében a hőtárolási technológiák fejlesztése és integrálása alapvető, különös tekintettel a csomagolt ágyas hőtárolók hatékonyságára és élettartamára. Az energetikai tárolásban elért előrelépések közvetlen hatással vannak az energiahálózatok rugalmasságára és fenntarthatóságára, ezért a kutatás-fejlesztés ezen irányába irányuló figyelem és befektetés stratégiai jelentőségű.

Mi teszi az embert emberré? Az antropológia alapvető kérdései és megközelítései
A Neurális Hálózatok Matematikája: Hogyan Történik a Gépi Tanulás?
Mi a cirrózis utáni ascites kezelésének klinikai jelentősége?
Mi az entrópia szerepe a gépi tanulásban és a modellkiválasztásban?
Hogyan támogathatjuk a tehetséges munkavállalókat, amikor nem tudjuk őket előléptetni?
Hogyan befolyásolta a hírek és a közösségi média Trump 2016-os elnöki győzelmét?