Miért előnyösebb a folyamatos szelepnélküli reakciótér az ipari gázturbinákban alkalmazott detonációs égőkben?

A forgó detonációs égő (Rotating Detonation Engine, RDE) alapvetően egy olyan égési rendszer, amely egy annulus alakú égőkamrában működik, ahol a reakciótérben folyamatos, szelep nélküli üzemmódban történik az üzemanyag és az oxidálóanyag befecskendezése. Ez a megközelítés mechanikailag és aerodinamikailag kedvezőbbnek bizonyul a pulzáló detonációs égőkkel (PDE) szemben, amelyek összetett szeleprendszereket alkalmaznak, és emiatt nagyobb súlyt, bonyolultságot és instabilitást okoznak az égéstér utáni komponensekben. Az RDE lényege, hogy az égéstér két koncentrikus hengerből áll, amelyek között helyezkedik el az égési zóna, ahová az üzemanyagot és az oxidálószert vagy külön-külön, vagy előkevert formában juttatják be. A detonációs hullám, amelyet tangenciálisan indítanak el, körbefut az égőkamra annulusán, elégetve az üzemanyag-levegő keveréket, és magas nyomású égéstermék zónát hoz létre maga mögött.

A detonációs égés mechanikája azonban rendkívül komplex, a hullámok mozgásának és kölcsönhatásainak szemléltetése színes számítógépes folyadékdinamikai (CFD) szimulációkon és kísérleti videókon keresztül érthető meg leginkább. Ezek az anyagok ugyanakkor az érdeklődők számára könnyen hozzáférhetőek a nyilvános internetes forrásokon. Jelenleg a világ különböző országaiban, kormányzati, ipari és akadémiai kutatóintézetekben folyamatosan zajlik az RDE fejlesztése, különösen a repülőgép- és rakétahajtóművek alkalmazásának céljából. Ezek a kutatások kísérleti, numerikus és analitikai módszerekkel igyekeznek elérni azt a technológiai érettséget, amely lehetővé teszi a gyakorlati alkalmazást.

A működés során az égési termékek nyomása az égés során jelentősen megemelkedik, ami a turbinán átmenve mechanikai munkát képes szolgáltatni. Az üzemanyag és levegő tömegárama, valamint azok hőmérséklete, összetétele szigorúan szabályozott, miközben a szelep nélküli működés miatt az égéstérben a nyomásveszteségek elhanyagolhatók. A ciklikus működésben a töltés és tisztítás a levegővel a kompresszor kimenetéről történik, így a rendszer hatékonyabb és egyszerűbb a hagyom

Hogyan lehet megbízhatóan indítani és fenntartani a robbanóturbina működését változó működési körülmények között?

A gázturbinák ciklusa alapvetően azonos, így a gőzturbinák feszültségkezelési szempontjai itt is teljes mértékben alkalmazhatók. Azonban a robbanóturbina egyedi égési folyamata új, különleges stabilitási kihívásokat vet fel az indítás, leállítás és terhelésváltás során. A legfontosabb kérdés, hogy miként lehet megbízhatóan elindítani és fenntartani a detonációkat különféle működési körülmények között, figyelembe véve, hogy a felhasznált földgáz tüzelőanyag összetétele változhat. A detonációs folyamat érzékeny a sztöchiometriára, a részecskeméretre (folyékony tüzelőanyagok esetén) és a helyi keveredési fokra, ezért a detonációs kamra tisztítása és újratöltése nagyon rövid idő alatt ismételhető folyamat kell, hogy legyen, hogy elkerüljék a friss tüzelőanyag idő előtti gyulladását.

A tüzelő- és oxidálószer-választás alapvetően befolyásolja a PDE ciklus teljesítményét, mivel a detonációs sebességek, kompressziós arányok és hőmérsékletek jelentősen eltérnek az egyes tüzelőanyag-típusoknál. A gáznemű reagensek előnyösebbek az alacsonyabb detonációs energiaigényük miatt, míg a folyékony tüzelőanyagokat porlasztással kell előkészíteni az injektálás előtt, ami nagyobb energiaigényt támaszt az indítórendszerrel vagy hosszabb deflagrációból detonációba átmeneti szakaszt igényel.

Számos fejlesztési kihívás áll még a szelepes vagy szelepnélküli (például forgó detonációs) égőkamrák alkalmazásának útjában. Különösen nehéz a PDC-GT (pulzáló detonációs kamrás gázturbinák) elindítása a lassú forgásról (fordulatszám) a teljes fordulatszámra, majd a teljes terhelésre. A hűtőlevegő bevezetése a turbinarészbe tovább növeli a rendszer komplexitását, ami a jelenlegi, több évtizedes fejlesztési múlttal rendelkező alacsony nitrogén-oxid (NOx) kibocsátású, előkevert égők technológiájától jelentősen eltér.

Az NOx-kibocsátás kérdése kiemelten fontos a PDC-k esetében. Bár a rövid tartózkodási idő a magas hőmérsékletű lángok mellett potenciálisan kedvező lehet az alacsony NOx-kibocsátás szempontjából, az irodalom ezen a téren még meglehetősen szegényes. Az emisszió csökkentése érdekében lehetőség nyílik az égéstermék visszavezetésére (EGR), azonban ez tovább növeli a rendszer bonyolultságát, amely már önmagában is komplexebb, mint a hagyományos gázturbinák esetében. Az emissziószabályozás nehézségei így a PDC-GT rendszerek nagyüzemi alkalmazásának egyik legnagyobb akadályává válhatnak.

Az is fontos megérteni, hogy a robbanóturbinák stabil és hatékony működéséhez nélkülözhetetlen az égési folyamatok mélyreható ismerete és a ciklikus terhelések kezelése. A rövid idejű, magas intenzitású detonációk szabályozása, az égéstér megfelelő tervezése, a pulzáló áramlások kezelése és a komponensek mechanikai terhelésének csökkentése olyan összetett mérnöki feladatok, amelyek megoldása nélkülözhetetlen az ipari alkalmazások sikeréhez. Az üzemeltetés során folyamatosan figyelembe kell venni az anyagok fáradási állapotát és a vibrációs hatásokat, valamint a rendszer egészének harmonikus működését.

Az alkalmazott tüzelőanyagok összetételének változása, a keveredési arányok, és az égési térben lejátszódó fizikai-kémiai folyamatok mind egyedi, időben változó paraméterek, melyek befolyásolják a detonációs folyamatot, ezáltal az egész turbina hatékonyságát és megbízhatóságát. Ezért a robbanóturbinák fejlesztése során elengedhetetlen a valós üzemi körülmények részletes elemzése és modellezése, hogy az irányítási és szabályozási rendszerek képesek legyenek alkalmazkodni a változó körülményekhez.

Hogyan működik a zárt ciklusú gázturbina-pumped thermal energiatárolás, és milyen tényezők befolyásolják hatékonyságát?

A zárt ciklusú gázturbina alapú pumped thermal energiatárolási rendszer elve egy innovatív megközelítés az energiamegőrzés terén, amely a hőenergia tárolásán és későbbi visszanyerésén alapul. A rendszer lényege, hogy egy szinkron váltakozó áramú gép motorüzemmódban hajtja a gázturbinához tartozó kompresszort, miközben a kompresszió során keletkező hőenergiát egy tároló közegnek, például olvadt sót tartalmazó hőtárolónak adja át. Ez a fázis a töltési ciklus, amikor az energia befektetésre kerül a rendszerbe. Amikor energia visszanyerésére van szükség, a tárolt hő ismét átadódik a sűrített munkaközegnek, ami a turbinát hajtja, így a szinkron gép generátorként működik, és elektromos energiát termel.

A hatékony működés kulcsa két, egymástól jól elkülönített hőközpont fenntartása: a „forró tartályok” és a „hideg tartályok”. A töltési fázis alatt az olvadt só a B tartályból az A tartályba áramlik, míg az ürítési fázisban fordított az irány. Ugyanígy a hőátadó folyadék (HTF) a hideg tartályok között áramlik, hogy a munkaközeg hőmérsékletét a töltési ciklus alatt melegítse, az ürítési ciklus alatt pedig hűtse. Ez a két hőközpont közötti hőmérsékletkülönbség alapvető a rendszer energiahatékonyságának biztosításához.

A rendszer elméleti körforgásának hatékonyságát az úgynevezett round trip efficiency (RTE) jellemzi, amely az energia visszanyerésének arányát mutatja. A számítások alapján egy ideális rendszer akár 70%-os RTE értéket is elérhetne, de a valóságban ez a szám 55% körül alakul, amely egy további komponens, a kriogén hűtő beiktatásával válik lehetővé. Ez a berendezés biztosítja a sűrítő kilépő hőmérsékletének kellően alacsony szintjét, amely az egyik kritikus feltétel a hatékony működéshez.

A pumped thermal energiatárolás egyik legelterjedtebb típusa az olvadt só két tartályos rendszere, amely már több napenergia-erőműben is alkalmazásra került, mint például a spanyolországi Andasol-1. E rendszerek nagy előnye, hogy képesek a hőt hosszabb időn keresztül tárolni, ezáltal növelve az erőművek rugalmasságát és a megújuló energiaforrások integrációját.

Fontos megemlíteni, hogy a hőenergia tárolásának más módjai is léteznek, melyek között szerepelnek a szilárd halmazállapotú anyagok használata, amelyek olcsóbb, természetes anyagokból, mint például kő vagy homok, képesek hőt tárolni, ugyanakkor a rendszertervezésben figyelembe kell venni az ebből eredő nyomáseséseket és energiaveszteségeket. Ugyancsak megoldást jelentenek a folyékony halmazállapotú anyagok, mint az olajok vagy a különféle sók, amelyek eltérő olvadáspontjuk és környezeti tulajdonságaik alapján választhatók.

A fázisváltásos tárolók, amelyek a halmazállapot-változások latent hőjét használják ki, képesek közel izotermikus tárolásra, ami energetikai szempontból rendkívül előnyös lehet bizonyos alkalmazásokban, mivel minimalizálja a hőmérsékletváltozáshoz kapcsolódó veszteségeket.

A hatékony energiatárolás megértéséhez kulcsfontosságú a termodinamikai folyamatok mélyreható ismerete, különösen a hő- és munkaenergia közötti átvitel, valamint a rendszerkomponensek hatékonyságának optimalizálása. A gyakorlatban az energia veszteségek minimalizálása érdekében a hőcserélők, a kompresszorok és a turbinák kialakítása, valamint az anyagok választása kritikus tényezők. Továbbá az energiatároló rendszerek integrálása a meglévő energiahálózatokkal és a megújuló energiaforrásokkal komplex kihívás, amely a rendszer stabilitását és gazdaságosságát is jelentősen befolyásolja.

Mennyibe kerül a folyékonylevegős energiatárolás, és miért lehet versenyképes a CO₂-alapú megoldás?

A Highview Power nevű brit vállalat technológiai demonstrációi világítanak rá a folyékonylevegős energiatárolás (LAES) potenciáljára és gazdasági kérdéseire. Egy 50 MW-os, 5 órás kisütési idejű (250 MWh) rendszer bekerülési költsége 85 millió font, azaz mintegy 1 989 euró/kW. Egy nagyobb, 200 MW teljesítményű és 10 órás tárolási idejű rendszer (2 000 MWh) szintén elérhető, ennek szintetizált tárolási költsége (LCOS) 110 font/MWh. A fejlesztők állítása szerint a rendszer kapacitása skálázható további folyékonylevegő-tartályok és nagyobb turbógépek hozzáadásával, miközben a kapacitás duplázása csak 40%-os költségnövekedéssel jár – ez egy 0,49-es skálázási kitevőt sugall.

A szintetizált költség képletéből (LCOS) – amely figyelembe veszi a beruházási költségeket (CAPEX), az éves működési költségeket (OPEX), a töltési energia költségét (CCHG), az inflációt, a villamosenergia-árak éves növekedését és a diszkontrátát – az alábbi értékeket kaphatjuk: 20 éves élettartam, 8%-os diszkontráta, 2%-os infláció, 3%-os energiaár-növekedés, évi 350 ciklus és 20 font/MWh töltési ár mellett a rendszer teljes éves kisütött energiája 87 500 MWh. Így a 50 MW/250 MWh rendszer LCOS értéke 114 font/MWh, azaz körülbelül 153 dollár/MWh.

A rendszer kapacitásának növelése – például ha a kisütési időt 9 órára növeljük (azaz a teljes kapacitás 450 MWh-ra emelkedik) – az eredeti 85 millió fontos CAPEX 113 millió fontra emelkedik. Ez esetben az LCOS csökken: 92 font/MWh (~123 dollár/MWh). A költségcsökkenés mögött a méretgazdaságosság áll, amelyet a technológia kialakítása lehetővé tesz.

A hagyományos tárolási megoldások, mint a szivattyús vízerőművek (PHS), a sűrítettlevegős energiatárolás (CAES), és a folyékony levegő (LAES) mind ugyanarra az alapelvre épülnek: feltöltés, nyomás alá helyezés, majd expanzióval történő energia-visszanyerés. A különbség a munkaközeg fizikai jellemzőiben rejlik – különösen a sűrűségben. A LAES a CAES egyik fő hátrányát – a levegő alacsony sűrűségét és ezzel a nagy tárolóigényt – krionikával orvosolja: a levegőt folyékony halmazállapotba hűtik, ezzel nagyságrendekkel csökkentve a szükséges tároló méretét.

Az újabb fejlesztési irány a szén-dioxid (CO₂) alkalmazása energiatárolási köz

Hogyan növelhető egy RICE rendszer hatékonysága és teljesítménye CAES és hidrogén alkalmazásával?

A sűrített levegős energiatárolás (CAES) és a hidrogénalapú tüzelőanyag együttes alkalmazása lehetőséget teremt arra, hogy a belső égésű motorokat (RICE – Reciprocating Internal Combustion Engine) egy új, hatékonyabb és környezetbarátabb működési módra optimalizáljuk. A rendszer lényege, hogy a motor kipufogógázait részben visszavezetik és hőcserélőn keresztül újrahasznosítják, miközben a sűrített levegőt megfelelően előmelegítik és expanzión keresztül munkára fogják, növelve ezzel a kompressziós és égési ciklus hatásfokát.

A visszavezetett kipufogógáz hőmérséklete 327°C-ról 62°C-ra csökken, majd ezen gáz egy részét – a példában 40%-át – visszakeringtetik, míg a fennmaradó hányad a kéményen keresztül távozik. Az előmelegített sűrített levegő (50 bar, 240°C) egy ún. „kompander” egységen halad át, amely az expander által hajtott kompresszorból áll, és amely növeli a visszavezetett kipufogógáz nyomását 1 barról 6,5 barra. Ez a keverék aztán 50°C-ra hűl, és végül a RICE motor beszívott levegőjét képezi, amely már optimálisan alkalmas akár 100%-os H₂-üzemanyag elégetésére is.

A példában vizsgált motor (alapja a MAN 18V51/60) 18,9 MW teljesítményt ad le 48%-os hatásfok mellett, 1180 kg/óra hidrogén-felhasználással. A rendszer szerves része a turbófeltöltő is, melynek turbinája által meghajtott kompresszor 7,5 MW teljesítményigényt támaszt, de ez a turbófeltöltő egy kuplungmechanizmussal szétkapcsolható: ekkor a kompresszor leállítható, míg a turbina generátort hajthat, így a hálózatba táplálható elektromos energia mennyisége nő.

A nettó teljesítmény ebben az üzemmódban 26,4 MW-ra nő, miközben az üzemanyag-felhasználás változatlan marad. Ezáltal a motor hatásfoka 67%-ra emelkedik. Egy alternatív kialakítás szerint a turbina tengelyteljesítménye fogaskerékhajtással közvetlenül a főtengelyre és generátorra továbbítható. Amennyiben a rendszer kizárólag energiatárolás céljából működik, a kompresszort akár teljesen el lehet távolítani, és helyette fixen beépített generátort lehet alkalmazni.

A töltési fázisban a hűtött levegő kompresszora (intercooleres rendszerrel) 12,1 MW villamos energiát igényel. Az üzemanyag-energia (termikus teljesítmény) a kisütési fázisban 39,4 MWth, amely alapján az úgynevezett PEE (power-to-electricity efficiency), vagyis az áram-visszatáplálási hatásfok 83%-os értéket mutat.

A rendszer energiatárolási kapacitása 4 óra üzem mellett 105,6 MWh, amelyhez például egy 8,1 méter átmérőjű gömbtartály szükséges, vagy húsz darab, egyenként 3,65 m átmérőjű és 10,5 m hosszú hengeres tartály. A tárolónyomás 150 bar-ról 50 bar-ra csökken a 4 órás időtartam alatt. Ha a cél az, hogy a rendszer költséghatékony legyen a lítiumion-akkumulátorokkal szemben, a beruházási költségeknek 250 USD/kWh alatt kell maradniuk, ami a példában szereplő esetben 26,4 millió USD-t jelent. Nyolcórás rendszer esetén ez az összeg 52,8 millió USD-re emelkedik, de a tényleges többletköltség jórészt a tárolótartály méretének függvénye.

Minden elem kereskedelemben elérhető ipari termék, a fő költségtényező a tárolási megoldás: a tartályok méretezése, gyártása, telepítése, vagy megfelelő természetes tároló (pl. sókavernák) kiépítése. Az ilyen CAES rendszer egy módosított RICE motorral akár 40%-kal is növelheti a nettó teljesítményt ugyanazon üzemanyag-fogyasztás mellett, és 80%-ot meghaladó ciklushatékonyságot biztosíthat. Lehetővé teszi a 100%-os H₂ tüzelést, így a teljesen karbonmentes áramtermelést, de ugyanúgy alkalmazható földgázzal, H₂/CH₄ keverékkel vagy szintézisgázzal is.

A kipufogógáz-visszavezetés (EGR) különösen hasznos NOx-emisszió csökken