Lehet-e a szénnel hajtott dízelmotor újra a jövő energiája?

A modern gázüzemű dugattyús belső égésű motorok, amelyek akár 50%-os villamos hatásfokot is elérhetnek (alsó fűtőérték alapján), ma a fosszilis tüzelőanyagok elégetésének leghatékonyabb technológiáját képviselik. Ezek a dízelmotorok – amelyek 20 MWe teljesítményig kereskedelmi forgalomban elérhetők – különösen jól alkalmazhatók villamosenergia-termelésre, legyen szó csúcsterhelésről, elosztott energiatermelésről vagy közüzemi léptékű telepítésekről. Moduláris felépítésük lehetővé teszi a rugalmas, ciklikus működést. Olyan földrajzi régiókban, ahol korlátozott az LNG-ellátás és a villamos hálózat kisebb (például szigetországokban), ezek a motorok alapterhelési szerepet is betölthetnek, akár dízelolajjal vagy más középpárlatokkal működtetve.

A motor önmagában (egyszerű körfolyamatban) is kiváló hatásfokkal üzemeltethető, de a turbókompaundálással és alsó ciklus hozzáadásával tovább növelhető az energiahasznosítás. A turbókompaundálás abban különbözik a hagyományos turbófeltöltéstől, hogy az égéstermék-turbina nemcsak a levegőkompresszort hajtja meg, hanem mechanikai munkát is végez a motor főtengelyén. Ezzel szemben a szokásos turbófeltöltés egy önkiegyensúlyozott rendszert alkot, amelynek nincs nettó teljesítmény-kimenete.

Egy adott erőművi elrendezésben – például öt darab 16 MWe-s motorból és egy 1,400°F (760°C) belépő hőmérsékletű gázturbinából álló konfigurációban – a töltőlevegőt körülbelül 75 psia-ra sűrítik, míg a kipufogógáz nyomása a turbina belépési pontján mintegy 60 psia. A turbókompaund DICE ciklus továbbfejleszthető egy közbenső égéssel (reheat) az expander belépése előtt, amely növeli a kibocsátott energia mennyiségét mind az expander, mind az alsó ciklus számára.

A termodinamikai háttér – amelyben az Atkinson (belső égésű motor) és Brayton (gázturbina) ciklusokat egyesítik – grafikus formában is megjelenik. A kombinált (hibrid) ciklus jobban megközelíti az elméleti maximumot, vagyis a Carnot-ciklust, és ezzel jelentősen javul a rendszer hatásfoka.

Egy korszerű DICE–gázturbina kombinált körfolyamat (DICE-GT CRCC) példája öt darab, 15.7 MWe-s DICE egységet tartalmaz, amelyek mindegyike 42.5%-os nettó hatásfokkal működik (alsó fűtőérték alapján). Az alkalmazott tüzelőanyag alacsony kéntartalmú, albitumenes szén, amelyet mikronizálnak, fizikailag finomítanak és vízzel kevernek – 55% szén, 45% víz arányban –, fűtőértéke 14,513 kJ/kg. A reheat égés során földgázt használnak, amely a teljes energiabevitel 18%-át teszi ki. A rendszer összesített nettó kimenete 106 MWe, 45.6%-os hatásfokkal.

A szén égetése szén-dioxid-leválasztás nélkül a közeljövőben aligha elfogadható Európában vagy Észak-Ame

Milyen szerepe van a turbina bemeneti hőmérsékletének a gázturbinák és kombinált ciklusú erőművek hatékonyságában?

A turbina bemeneti hőmérsékletének pontos értelmezése kritikus, mivel különböző definíciók és mérési pontok léteznek: az ISO-2314 szabvány szerinti „fiktív” TIT például eltér a valós, mérési pontokon rögzített értékektől. A különbség több mint 100 °C lehet, ami jelentősen befolyásolja a technológiai fejlesztések értékelését. Fontos továbbá a hűtőlevegő áramlások megkülönböztetése is: a „nem számlálható” (nonchargeable) és a „számlálható” (chargeable) hűtőlevegő áramlások másként hatnak az erőmű munkaképességére és veszteségeire.

Az 1990-es és 2000-es években az F osztályú gázturbinák és a hagyományos gőzciklusok révén az úgynevezett „szabály” volt, hogy a gőzturbina teljesítménye nagyjából a gázturbina teljesítményének fele. Az újabb fejlesztések, melyek magasabb nyomású és hőmérsékletű gőzturbinákat alkalmaznak, ezt az arányt 0,6 körülire emelték. A jelenlegi legkorszerűbb gáz- és gőztechnológiák alkalmazásával a kombinált ciklusú erőművek hatékonysága már meghaladja a 60%-ot, amely forradalmi előrelépést jelent a fosszilis energiahordozók energetikai hasznosításában.

A gázturbinák osztályozása is változatos, az egyszerűbb „keret” (frame) gépektől, mint az E és F osztály, egészen a magasabb nyomású és hőmérsékletű, korszerű H és J osztályú turbínákig terjed. Az utóbbiak akár 1600 °C feletti turbina bemeneti hőmérsékletet érnek el, ami a korábbiakhoz képest jelentős fejlesztést mutat. A Siemens HL osztályú gépek például ezen technológiai csúcskategóriát képviselik.

Az erőművek hatékonysága tehát szoros összefüggésben áll a turbina bemeneti hőmérsékletével, a hűtési technológiák fejlettségével, valamint az alkalmazott gőztechnológia paramétereivel. Az újabb, magasabb hőmérsékletű és nyomású rendszerek alkalmazása lehetővé teszi a jobb hatásfokot, de egyben komplexebb mérnöki feladatokat is jelent a hűtés és anyagtechnológia területén.

Fontos megérteni, hogy a gázturbinák hatékonysága nem csupán egyetlen paraméteren, a TIT-en múlik, hanem az összes rendszerkomponens, a hűtőlevegő menedzsmentje és a gőzciklus paramétereinek együttes optimalizációján. A hűtési levegők elhelyezkedése a turbinában, azok munkaelvont képessége és az ebből eredő veszteségek értékelése nélkülözhetetlen a fejlesztések értékeléséhez és az új technológiák bevezetésének sikeréhez.

Milyen tényezők befolyásolják a technológiai érettség elérését és a hidrogéngazdaság megvalósíthatóságát?

Az új technológiák fejlettségi szintjének (TRL – Technology Readiness Level) pontos meghatározása sokszor csak megalapozott feltételezéseken alapul, hiszen a nyilvánosan elérhető információk gyakran nem elegendőek a valós helyzet alapos feltérképezéséhez. Egyes technológiákat már rövid távon a kereskedelmi érettség küszöbéhez közelinek tartanak, de a valóságban ezek a fejlettségi szintek még messze elmaradnak a TRL 8 vagy 9 szinttől. A hidrogéngazdaság eszméje, amely a fosszilis alapú gazdaságot hivatott felváltani és megóvni a Földet az emberi eredetű üvegházhatású gázok (ÜHG) káros következményeitől, már az 1970-es évekre nyúlik vissza. Az akkor ismert lehetőségek és problémák mára sem szűntek meg; a központosított, nagyüzemi hidrogéntermelés, -szállítás és -felhasználás fizikai és gazdasági korlátai továbbra is megoldatlanok.

Az Advancement Degree of Difficulty (AD2) módszer a TRL-n túli tényezőkkel foglalkozik, és rendszerszinten elemzi azokat a kockázatokat, amelyek egy technológia fejlesztésének sikerét befolyásolják. Az AD2 öt fő területre fókuszál: tervezés és elemzés, gyártás, szoftverfejlesztés, tesztelés és üzemeltetés. A kockázatok értékelése a fejlesztők tapasztalati bázisán alapul, amely meghatározza, milyen mértékben van szükség új fejlesztésekre vagy a meglévő technológiák módosítására. Fontos, hogy a fejlesztő szervezet képes legyen nemcsak reprodukálni, hanem továbblépni a meglévő technológiákon. Gyakran hallani azt a kijelentést, hogy az alkalmazott eszközök „boltban kaphatók”, vagy csak kisebb módosításokat igényelnek – ez azonban ritkán igaz, hiszen az elsőként piacra lépő, úgynevezett FOAK (first of a kind) technológiák fejlesztése mindig számos váratlan nehézséggel jár.

Egy konkrét példa erre a szén-dioxid leválasztásának (CCS) technológiája, ahol a vegyi abszorpciós és deszorpciós folyamatok már közel százéves múltra tekintenek vissza, mégis a meglévő ipari alkalmazásokból történő átvétel új környezetbe nem egyszerű feladat. Az új, fejlettebb oldószerek alkalmazása még további bizonytalanságokat és nehézségeket hoz, miközben a működési és beruházási költségek, valamint a megbízhatóság is kérdéses marad. Érdemes megjegyezni, hogy egy egyszerűbb, 85%-os leválasztó rendszer olcsóbb, megbízhatóbb és üzembiztosabb lehet, mint egy összetett, 95%-os, speciális oldószerekkel működő rendszer.

Fontos megérteni, hogy a technológiai fejlesztés során a kockázatok nem csak műszaki jellegűek, hanem a fejlesztők tapasztalatára, a szervezet képességeire és a felhasznált eszközök minőségére is kiterjednek. Egy adott innováció elfogadása és sikeressége szorosan kapcsolódik a mögötte álló csapat és infrastruktúra komplexitásához, amely nem egyszerűen technikai, hanem emberi és szervezeti kihívásokat is jelent. Csak ezek figyelembe vételével lehet reálisan megítélni a technológia fejlődésének menetét és a várható időtávot a teljes üzemi alkalmazásig.

Hogyan optimalizáljuk a gőzturbinák konfigurációját és hatékonyságát a kombinált ciklusú erőművekben?

A kombinált ciklusú erőművek gőzturbináinak konfigurációja alapvetően a gázmotor teljesítményétől és számától függ, hiszen ezek határozzák meg a gőz mennyiségét és paramétereit, amelyek a HRSG-ből (hővisszanyerő gőzfejlesztőből) érkeznek. A gőzturbinák alapvetően három részből állnak: a magasnyomású (HP), a középnyomású (IP) és az alacsonynyomású (LP) szakaszokból. Ezeknek az egységeknek a kialakítása, valamint a köztük lévő csővezetékek és csatlakozások fontos szerepet játszanak a hatékonyság maximalizálásában.

A HP és IP szakaszok gyakran egyesített burkolatban helyezkednek el, míg az LP szakasz általában dupla átömlésű kialakítású, ami növeli a kipufogó gyűrű keresztmetszeti területét, így csökkentve az áramlási veszteségeket. A gőz az IP turbina kijáratánál lép be az LP szakaszba, miközben az IP gőz újramelegített, forró gőzzel keveredik, ami javítja a teljesítményt.

Az erőmű teljesítményének növekedésével a gőzturbinák is bonyolultabbá válnak: kisebb teljesítményű egységekben egyetlen átömlésű LP turbina elegendő lehet, míg a legnagyobb kapacitásokhoz már két dupla átömlésű LP turbina (négy átömlésű összesen) szükséges, hogy a gőzáramláshoz megfelelő kipufogó keresztmetszetet biztosítsanak. Ez a kialakítás lehetővé teszi a nagy térfogatáram alacsony veszteségű kezelését, ugyanakkor a gép mérete és mechanikai terhelése is jelentősen nő.

A gőztermosztatikai jellemzők és a kondenzációs nyomás erősen befolyásolják az LP szakasz kialakítását. A kondenzátorban a gőzt vízzel vagy levegővel hűtik le, így csökkentve a kipufogó nyomást és növelve a termikus hatásfokot. Az alacsonyabb nyomás ugyanakkor nagyobb térfogatáramú gőzt jelent, ami a turbinában nagy sebességű áramlást eredményez. Ennek fékezésére, az anyagi korlátok miatt, a turbinák LP szakaszában több átömlési út szükséges, így a lapátok hosszát kordában lehet tartani.

Az LP szakasz hatásfoka függ a kipufogási veszteségektől, amelyek az áramlási sebességgel és a keresztmetszeti területtel állnak összefüggésben. Az optimális üzemi pont nem a legkisebb veszteségű állapot, hanem kissé ettől jobbra, ahol a kipufogó gőz sebessége 183-213 m/s körül van, ez a gazdasági optimumot jelenti.

Fontos megérteni, hogy a gőzturbinák tervezése és működése nem csak a gépészeti megoldásokról szól, hanem szorosan kötődik a termodinamikai folyamatokhoz és a termikus hatékonyság optimalizálásához. A kondenzátor nyomásának csökkentése és a megfelelő áramlási keresztmetszetek kialakítása kritikus tényezők a veszteségek minimalizálásában és az erőmű gazdaságosságának javításában.

A gőzturbinák méretezésének és konfigurációjának megértése nélkülözhetetlen a hatékony energiatermeléshez, hiszen a gőzturbinák a kombinált ciklusú erőművek teljesítményének és megbízhatóságának kulcselemei. A megfelelő kialakítás és az optimális üzemi paraméterek kiválasztása jelentősen befolyásolja az erőmű működési költségeit és környezeti hatását.

Hogyan szabályozzák a gőz hőmérsékletét és indítását a modern kombinált ciklusú erőművekben?

Az információ upstream irányban terjed akusztikus hullámként a gőzvezetékeken és a HRSG (Heat Recovery Steam Generator) túlhevítőin keresztül a HRSG elpárologtató gőzfejeihez. Különösen kritikus a HP (nagy nyomású) gőzfej, amely vastag falú konstrukcióval rendelkezik. A tényleges nyomásnál fontosabb paraméter a nyomás növekedési sebessége, azaz a $\frac{\partial P}{\partial t}$, amely alapvető a gőzfej falainak hőfeszültségének megfelelő szinten tartásához. Ez a differenciális nyomásváltozás szabályozza a szerkezet hőmérsékleti igénybevételét, elkerülve a feszültség miatti károsodást.

A gőzhőmérséklet-szabályozás hagyományos módja a gázturbina kipufogó energiájának – azaz a térfogatáram és hőmérséklet – használata volt a HRSG-ben. Ez az eljárás azonban elavult, és a modern kombinált ciklusú erőművekben a gőz hőmérsékletének precíz szabályozása a TA (Terminal Attemperator) berendezésekkel történik. Ez azt jelenti, hogy a HRSG túlhevítőjéből kilépő túlhevített gőz hőmérsékletét kondenzátum permetezésével csökkentik, ami lehetővé teszi a pontos hőmérséklet-szabályozást mind a nagy nyomású, mind a forró újrahevítő (hot reheat) gőz esetében.

A korszerű, úgynevezett „nedves” bypass rendszer egy kaszkádolt gőz bypass rendszert jelent, amelyben a nagy nyomású gőz a turbinán való áthaladás helyett először az újrahevítő csöveken halad át, mielőtt a kondenzátorba jutna. Ez a megoldás hűtő hatást fejt ki az újrahevítő csövekben, melyeket a forró kipufogógázok melegítenek. Az ősibb, „száraz” bypass rendszerek esetében a HP gőz közvetlenül a kondenzátorba jutott, így az újrahevítő csövekben nem áramlott gőz, ami drága ötvözetanyagok használatát tette szükségessé, továbbá hosszú és költséges gőzvezetékeket igényelt a túlhevítő és a kondenzátor között.

A gőzturbina indítása a HP vagy IP (középnagy nyomású, forró újrahevített) gőz bevezetésével történik, amelynek során a turbinát a gőz hajtja meg, míg eléri a teljes sebességet (FSNL – Full Speed No Load). Többtengelyes erőművekben az indítás során a gőzturbina kezdetben szabadon forog, csak a generátorhoz kapcsolódik, amikor eléri a szinkron sebességet. A gőzturbina indítási folyamatát hideg, meleg és forró kategóriákba sorolják a rotor hőmérséklete alapján, ahol a hideg indítások akár több órás, lassú felmelegítést igényelnek a hőfeszültségek csökkentése érdekében. A turbina stresszszabályozója gondoskodik arról, hogy az indítás során a hőfeszültségek a megengedett szint alatt maradjanak, így növelve az alkatrészek élettartamát.

Az indítási időkkel kapcsolatban az ipari gyakorlat és a gyártói ajánlások között gyakran jelentős eltérés van. Bár a modern technológiák lehetővé teszik a gyors indítást (például hideg indítás esetén 60 perc), a valóságban a karbantartás utáni hosszabb leállások után a lassú, fokozatos felmelegítést részesítik előnyben az üzemeltetők, mivel a gyors indítás fokozott termikus igénybevételt jelentene, ami csökkenti a berendezések élettartamát. Ez az üzemeltetési filozófia az üzemeltetési engedélyek és a környezetvédelmi előírások szigorú betartása mellett biztosítja az erőmű megbízhatóságát és hosszú távú gazdaságosságát.

Fontos megérteni, hogy a gőz hőmérsékletének és nyomásának szabályozása nem csupán a termikus hatékonyság szempontjából lényeges, hanem alapvető a mechanikai élettartam és a biztonságos működés biztosításához is. A termikus feszültségek helyes kezelése megakadályozza a töréseket és károsodásokat, amelyek hosszú leállásokhoz és magas javítási költségekhez vezethetnek. Ezért a modern kombinált ciklusú erőművekben a vezérlőrendszerek komplex szabályozási stratégiákat alkalmaznak, amelyek a gőz hőmérsékletének, nyomásának és áramlásának egyidejű, precíz egyensúlyát tartják fenn.