Hogyan működik a gázturbina kombinált ciklusú erőmű indítása és leállítása a CO2-leválasztás tükrében?

A gázturbina kombinált ciklusú (GTCC) erőművek működésének indítása és leállítása komplex, szigorúan szabályozott folyamat, amely több szakaszra tagolható, és amelyben a CO2-leválasztás integrálása jelentős hatással bír az üzemeltetésre. Az indítási folyamat négy fő szakaszban zajlik: az első szakasz a gázturbina begyújtásától a 15%-os terhelés eléréséig tart, mely alatt a turbina felgyújtása, a gyorsgázüzemű sebesség elérése és a szinkronizáció történik. A következő szakaszban a terhelés 50%-ra emelkedik, majd ezután vagy a terhelés további növelése 75%-ra, vagy hidegindítás esetén a 50%-os terhelés fenntartása történik, végül az indítás teljes befejezésekor a gőzkerülő szelepek bezárulnak, és a turbina teljes terheléssel működik. A leállítás szintén négy lépcsőben zajlik: először a gáz- és gőzturbinák terhelése 30%-ra csökken és ott tartják, majd a gőzturbina leáll teljesen, miközben a gázturbina terhelése 5%-ra esik vissza. Végül a kapcsolók kikapcsolódnak, és a gázturbina kuplungja leválik.

A CO2-leválasztás szempontjából kulcsfontosságú az aminnal történő abszorpciós rendszer működése az indítás során. A teljes körforgási sebesség mellett 30 percnyi aminkészletet számolnak, ami körülbelül 15 492 kmol monoetanol-amin (MEA) mennyiségét jelenti. A kezdeti lean aminnak 0,25 mol/mol CO2-tartalma van, amely az abszorpció során folyamatosan növekszik, hiszen a gázturbina növekvő terhelése miatt az elnyelt CO2 mennyisége is emelkedik. Az abszorpció az első 30 percben friss lean aminnal történik, amelyet a tárolótartályból juttatnak az abszorbens oszlopba, majd a telített, rich amint visszavezetik a tartályba. Ez a dinamikus töltődés folyamatosan újraszámolható az indítási szakaszok végén, és a gyakorlatban azt mutatja, hogy a standard rendszer aminnal való telítettsége eléri a 0,45 mol/mol szintet az indítás végére, amely azt jelzi, hogy az abszorpciós kapacitás telített, és a további CO2-kibocsátás a gázturbinából gyakorlatilag kezeletlen marad.

A sztripper indítási fázisa a legnagyobb hőigényű rész, mivel a teljes aminkészletet fel kell melegíteni az üzemi hőmérsékletre (125 °C), amely a környezeti 9 °C-ról indul. Ez a felmelegítés magában foglalja az aminkészlet és a sztripper fémes szerkezetének, csöveknek és egyéb mechanikai alkatrészeknek a hőkapacitását is. Az összesített hőigény meghaladja az 1 100 GJ-t, amelyet a GTCC alsó ciklusából nyert alacsony nyomású gőz biztosít, amelyet a reboiler fűtésére használnak. Az első gőzkinyerés időpontja az indítási ütemterv szerint 25 perc (forró indítás esetén) vagy 60 perc (hideg indítás esetén), és a gőzigény arányos a gázturbina terhelésével.

A folyamat pontos tervezése és menedzselése kritikus a hatékony CO2-leválasztás és az erőmű gazdaságos működése érdekében. Az abszorpciós aminkapacitás és a sztripper felfűtési idő meghatározza, mikor és hogyan képes az erőmű elérni a kívánt CO2-leválasztási hatékonyságot. A túlterhelt aminrendszer esetén a további kibocsátás már nem csökkenthető, ami komoly problémát jelenthet a környezetvédelmi előírások teljesítésében.

Fontos megérteni, hogy a GTCC indítási és leállási szakaszainak pontos időzítése, a terhelés változása, valamint az aminrendszer működése szorosan összefügg. Az aminkészlet dinamikus változása nem csupán a CO2-elnyelés kapacitását befolyásolja, hanem az erőmű általános üzemeltetési stabilitását is. Ezért a CO2-leválasztó rendszerek fejlesztésekor és alkalmazásakor kulcsfontosságú az integrált üzemviteli stratégiák kialakítása, amelyek figyelembe veszik a gázturbinák és a sztripper termodinamikai és kinetikai jellemzőit.

A gázturbina kombinált ciklusú erőművek CO2-leválasztásának megértése érdekében nélkülözhetetlen a termodinamikai modellezés, a hő- és anyagátadás pontos számszerűsítése, valamint a valós idejű folyamatmonitorozás. Csak ezek együttes alkalmazásával lehet optimalizálni a működési feltételeket, minimalizálni az energiaveszteségeket, és maximalizálni a CO2-leválasztás hatékonyságát.

Hogyan érhető el maximális hatékonyság a klímaváltozás elleni küzdelemben a bizonyított technológiák összehangolt alkalmazásával?

A klímaváltozás elleni harcban a maximális hatékonyság elérésének kulcsa nem a csodafegyverekben, hanem a jól átgondolt, bizonyított technológiák racionalizált és összhangban megvalósított alkalmazásában rejlik. Az „effektivitás” itt nem az „efficienciával” azonos, mivel az effektivitás azt méri, milyen sikeresen éri el a kitűzött célt, míg az efficiencia a cél elérésének módját a lehető legkevesebb idő- és erőforrás-pazarlással jelöli. A klímaváltozás elleni harcban a maximum hatékonyság megvalósítása egyetlen módon lehetséges: céltudatos tervezéssel és elkötelezett vezetés alatt olyan rendszer specifikációk kidolgozásával, melyek az alábbiakat követelik meg:

1. Bizonyított technológiák alkalmazását, nem ígéretes, de tesztelés alatt álló megoldásokat.

2. Nagyszériás, alacsony költségű gyárthatóságot.

3. Gyors és egyszerű szállíthatóságot, valamint felállíthatóságot.

4. Könnyű kezelhetőséget, fenntarthatóságot és karbantarthatóságot, különösen terepi körülmények között.

5. Elég fejlettségi szintet, ami hatékonyan oldja meg a feladatot, de nem túlkomplikált.

A jelenlegi technológiai környezetben rendelkezésre állnak már a jól bevált, teljesen karbonmentes villamosenergia-termelési megoldások, mint például a szén-gázosítás, hidrogén előállítás, gáz tisztítása és energiatárolási módszerek a nap- és szélerőművek kapacitásának és szabályozhatóságának javítására. Ezek az eljárások önmagukban nem jelentenek megoldást, ám egy összehangolt stratégia mentén egyszerre alkalmazva komplementer rendszert alkothatnak, ahol az egyik technológia előnyei ellensúlyozzák a másik gyengeségeit. Ez a megközelítés maximalizálja a rendszerek telepíthetőségét, használhatóságát és fenntarthatóságát.

A bázisenergia ellátásban nukleáris és megújuló energiaforrásokat célszerű együtt alkalmazni, amelyek egymást kiegészítve biztosítják az állandó termelést és a kapacitás-ingadozásokat kezelik. Az energiatárolás kulcsfontosságú, különösen a hidrogén előállításával (amely a megújuló és nukleáris energia feleslegéből készül), a víz tározós erőművekkel, sűrített levegős energiatárolással és akkumulátorokkal. Ezen rendszerek szinergiája és méretezése nagymértékben növeli a rendszer megbízhatóságát és rugalmasságát.

A jelen hiányossága egy koherens globális stratégia és az azt támogató politikai, jogi keretek hiánya. Enélkül a technológiák szétszórtan, nem hatékonyan kerülnek alkalmazásra, és az ún. „csodafegyverek” ígéretei ismétlődnek, ám rendszerint elmaradnak a tényleges áttörések. Ez részben annak köszönhető, hogy a kutatók és ipari szereplők inkább a finanszírozási szempontból vonzóbb, divatos témákra koncentrálnak, amelyeket a média és a marketing is erősen támogat, elterelve a figyelmet a valós, bizonyított megoldásokról.

A globális szén-dioxid kibocsátás elleni háborúhoz hasonló koordinált, minden ország által támogatott törekvés szükséges, amelyben a lakosság is aktívan részt vesz. Ez a szervezett, nagyszabású ipari, tudományos és kormányzati együttműködés képes lenne a szükséges technológiák tömeges telepítésére és működtetésére. Ehhez azonban meg kell teremteni a finanszírozás megfelelő mechanizmusait, amelyek bőségesen rendelkezésre állnak, ám az erőforrások elosztásának és kezelésének problémáit meg kell oldani.

Az ipar korábbi példái – mint a második világháborús hadiipari kapacitás mobilizálása – jól mutatják, hogy az összehangolt erőfeszítés és a közösségi áldozatok eredményre vezetnek. A mai világban az ilyen programok kidolgozásához a kormányoknak, nagy ipari vállalatoknak, energiavállalatoknak és tudományos intézeteknek kell partnerségben dolgozniuk. Az intenzív nukleáris és megújuló energiahasználat, a nagy teljesítményű energiatárolás, a szénhidrogén-alapú technológiák karboncsökkentő átalakítása és a hatékony infrastruktúra kiépítése mind elengedhetetlen elemek egy hatékony rendszer létrehozásához.

Fontos megérteni, hogy a technológiai megoldások nem önmagukban állnak, hanem rendszerszinten kell gondolkodni, ahol a meglévő erőművek, vezetékek, szén- és gázipari létesítmények, valamint azok kivezetési vagy korszerűsítési tervei integrálódnak az új fejlesztésekhez. Ez a komplex, átgondolt rendszertervezés nélkülözhetetlen a sikerhez. Emellett a társadalmi elfogadottság és részvétel, a megfelelő jogi és gazdasági ösztönzők megteremtése, továbbá a tudományos és ipari kutatások fenntartása, de nem csodafegyverek hajszolása, alapvető a klímavédelmi célok eléréséhez.