Vad är den optimala fördelningen av flödet i ett sCO2 Rankine-cykelsystem med delat flöde och rekonditionering?

I sCO2 Rankine-cykeln, som visas i Figur 10.1, används en variant som kallas "split-flow recompression cycle", eller en cykel med delat flöde och rekonditionering. För att förstå hur denna cykel fungerar, måste vi börja med att beskriva processerna i cykeldiagrammet i Figur 10.1, som är ett temperatur-entropi (T-s) diagram. Värmen tillförs cykeln genom en värmeväxlare mellan tillståndspunkterna 6 och 3. Den medeltemperatur vid vilken värme tillförs, definieras genom den logaritmiska medeltemperaturen (METH), som beskrivs av formeln (10.1):

Cykeln använder två typer av värmeväxlare: antingen en eldad växlare (som motsvarar en traditionell panna i ett ångkraftverk) eller en oeldad växlare (som fungerar som en värmeåtervinningsånga från en gasturbin). Den heta superkritiska CO2-strömmen (vid 250–300 bar och 500–760°C beroende på värmekällan) expanderas i en turbine till tillståndspunkt 4 (vid ca 65–85 bar beroende på typen av värmeavledning och kylvätska). Den expanderade CO2-strömmen passerar en högtemperaturrecuperator (HTR) där den förvärmer den komprimerade "kalla" CO2-strömmen som kommer från cykelkompressorns utlopp (tillståndspunkt 6) och kyls ned till tillståndspunkt 5. Därefter passerar CO2-strömmen genom en lågtemperaturrecuperator (LTR) och förvärmer ytterligare den komprimerade CO2-strömmen från cykelpumpens utlopp (tillståndspunkt 2).

Efter LTR delar CO2-strömmen upp sig i två grenar: en mindre andel, y, leds genom kondensorn och huvudpumpen, medan den resterande andelen, 1 - y, styrs till rekonditioneringskompressorn. Om y = 1 återgår cykeln till den grundläggande återvinningscykeln utan flödesdelning. När flödet delas (y < 1), minskar cykelns värmeavledning, vilket förbättrar effektiviteten och återvinningsförmågan. Studier visar att det optimala värdet för y ligger runt 0.7, vilket ger den bästa termiska effektiviteten.

När vi pratar om cykeleffektiviteten är det viktigt att förstå att den inte kan beräknas på samma sätt som för en ideal cykel utan flödesdelning. För en ideal cykel (där flödeshastigheten är konstant genom hela processen) kan effektiviteten uttryckas genom formeln:

där $Q_H$ är den tillförda värmen, $Q_L$ är den avledda värmen, och effektiviteten beräknas som förhållandet mellan nettoarbetet (W) och den tillförda värmen. Men i fallet med en split-flow cykel, där flödet delas, måste vi beakta att flödeshastigheten inte är densamma under tillförsel och avledning av värme. För att hantera detta och för att anpassa tilldelningen av flödet korrekt, modifieras den ursprungliga formeln till:

där $M_L$ och $M_H$ representerar flödeshastigheterna vid värmeavledning respektive värmetillförsel, och METL och METH är de medeltemperaturer som definieras i tidigare formler. När $y = 1$, återgår cykeln till en ideal cykel där $M_L = M_H$, och formeln för effektiviteten blir densamma som för en cykel utan flödesdelning.

Det är också viktigt att förstå att för att nå maximal effektivitet måste flödesdelningen justeras noggrant. När värdet på y ökar från 0.25 till 0.95, förbättras effektiviteten initialt, men efter ett visst värde (runt 0.5) börjar den faktiska cykeleffektiviteten att minska. Detta resultat är anmärkningsvärt, eftersom man skulle kunna förvänta sig att den ideala effektiviteten för en cykel utan förluster skulle följa det teoretiska resultatet. Trots detta visar beräkningarna att den ideala cykelns effektivitet inte exakt motsvarar den faktiska cykeln när vi arbetar med komponenter med icke-ideala egenskaper.

När flödet delas, påverkas också entropiförändringarna under både värmeaddition och värmeavledning, vilket ytterligare komplicerar beräkningarna och gör att den faktiska cykeleffektiviteten blir lägre än den ideala förväntade.

För att sammanfatta, en split-flow recompression-cykel erbjuder förbättrad termisk effektivitet genom att minska värmeavledningen och förbättra återvinningseffektiviteten. Dock måste cykelns flödesförhållanden hanteras med stor omsorg, eftersom den optimala flödesfördelningen (y) kan variera beroende på systemets specifika krav och de termodynamiska egenskaperna hos arbetsvätskan.

Hur teknologier utvecklas mot kommersiell beredskap: En studie av TRL och CRI

När vi talar om teknologisk utveckling är det avgörande att förstå de processer och stadier som en teknik genomgår innan den når kommersiell tillämpning och storskalig produktion. Två centrala modeller för att mäta och bedöma detta är Teknologins Redohetsnivåer (TRL) och Kommersiell Beredskapsindex (CRI). Dessa ramverk används för att bedöma hur långt en teknik har kommit på vägen mot att bli ett kommersiellt gångbart alternativ. Denna text fördjupar sig i dessa index och hur de relaterar till utveckling och implementering av nya teknologier.

TRL (Technology Readiness Level) är en skala som sträcker sig från nivå 1, där grundläggande principer har observerats, till nivå 9, där systemet är fullt beprövat i en operativ miljö. TRL används ofta inom exempelvis energi- och rymdteknik för att ge en objektiv bedömning av hur mogen en viss teknologi är för kommersiell användning. De olika TRL-nivåerna beskriver i detalj de specifika stadierna i en teknologis utveckling:

• TRL 1 representerar den tidiga forskningen, där grundläggande principer har observerats men inga konkreta tillämpningar har testats.

• TRL 9 innebär att teknologin är fullt implementerad och testad under faktiska driftförhållanden, ofta i kommersiella miljöer som exempelvis produktionsanläggningar eller till och med rymden.

Men teknologisk mognad handlar inte bara om tekniska specifikationer; den måste också bedömas utifrån kommersiell potential. Här kommer CRI (Commercial Readiness Index) in i bilden, ett ramverk utvecklat för att komplettera TRL och bedöma de ekonomiska och marknadsmässiga förutsättningarna för en teknologi. CRI fokuserar på sex indikatorer som sträcker sig från det att teknologin är ett hypotetiskt kommersiellt förslag till när den är en helt integrerad och bankbar tillgång på marknaden.

För att ge ett konkret exempel kan vi titta på utvecklingen av solceller i Tyskland. Solceller nådde CRI 3 i slutet av 1990-talet, vilket innebar att teknologin var mogen för kommersiell uppskalning, även om den fortfarande var beroende av statliga subventioner. Trots att solcellsteknologin i princip hade funnits sedan 1950-talet, tog det nästan två decennier innan den nådde CRI 6 och blev en bankbar tillgång. Detta visar på hur långsamt och mödosamt det kan vara för en teknologi att gå från experimentell nivå till global marknadsdominans.

Ett exempel på detta är utvecklingen av stängda CO2-turbiner som beskrivs i kapitel 10 i denna bok. När teknologin utvecklades på pilotnivå var den begränsad till mycket små enheter. När man sedan försökte skala upp den till större, kommersiella enheter, uppstod nya tekniska utmaningar, särskilt inom områdena värmeöverföring och systemets dynamik. Detta kan leda till att material eller designval måste revideras för att passa den större skalan. Därmed blir övergången från liten till stor skala mer komplex än vad som kan förutses i de tidiga stadierna.

Vid utveckling av teknologier, särskilt för energiomvandling, är det också viktigt att förstå riskerna med den första kommersiella implementeringen. Ett intressant fall är oxyförbränning av sCO2-teknologi, som trots att den testats i liten skala, fortfarande är långt från beprövad i större kommersiell skala. Övergången från pilot till fullskala innebär alltid en osäkerhet, och det är inte ovanligt att dessa tidiga teknologier måste genomgå ytterligare tester och justeringar innan de kan betraktas som säkra och lönsamma.

Det är också viktigt att förstå att CRI inte bara handlar om teknisk utveckling, utan också om marknadsacceptans och ekonomisk bärkraft. Reglering, finansiering och konkurrens på marknaden spelar alla en avgörande roll. Exempelvis, för solenergi i Tyskland, användes politiska åtgärder som subventioner och garantiavtal för att skapa marknadstillväxt under de första åren, något som var avgörande för att få teknologin att växa från en nischprodukt till en massmarknad. En sådan policy kan bidra till att påskynda kommersialiseringen av en teknologi, men det är långt ifrån en garanti för långsiktig framgång utan fortsatt teknisk och ekonomisk anpassning.

Den kommersiella framgången för ny teknik är beroende av mer än bara den initiala utvecklingen och skalningen. Marknadsacceptans, regleringspolicy, och finansiering är lika viktiga för att skapa ett hållbart ekosystem runt teknologin. Förtroende från både investerare och slutanvändare, samt kontinuerliga förbättringar av teknologin och produktionseffektiviteten, är alla faktorer som kan avgöra om en teknologi kommer att lyckas på lång sikt.

Vilka utmaningar och möjligheter finns inom design och prestanda för värmeväxlare i avancerade energisystem?

En annan intressant och framtidsinriktad teknologi är den som utvecklats genom additiv tillverkning (vanligtvis kallad 3D-utskrift), där mikrotrifurkerande kärnstrukturer och manifolddesigns möjliggör nya typer av värmeväxlare. Ett exempel på detta är Ultra Performance Heat Exchanger Enabled by Additive Technology (UPHEAT), som har utvecklats av GE:s forsknings- och utvecklingsavdelning med stöd från den amerikanska DOE:s Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E). UPHEAT-värmeväxlaren är tillverkad av en ny, högtemperaturbeständig nickel-superlegering, AM303, som är särskilt designad för additiv tillverkning. Denna lösning klarar driftstemperaturer upp till 900°C och ett tryck på 250 bar, med en tryckförlust på endast 0,5% och en effekt densitet på 4 kWth/kg.

En annan viktig aspekt att beakta vid utvecklingen av denna typ av utrustning är livslängden och prestandan under hög RAM (reliability, availability, and maintainability). Trots att teknologier som sCO2-cykler, som är tänkta att ersätta Rankine-dampcykeln för storskalig elproduktion, erbjuder lovande fördelar, kommer det sannolikt att dröja decennier innan de når en tillräcklig CRI (Commercial Readiness Index) på 6, om de någonsin gör det. Detta faktum kräver en realistisk syn på de potentiella hindren för att skala upp och implementera dessa teknologier i större industriella tillämpningar.

Förutom de tekniska och designrelaterade utmaningarna finns det flera operativa faktorer som kan påverka prestanda och livslängd för avancerade värmeväxlare. En avgörande faktor är materialvalet, som måste klara extremt höga temperaturer och tryck, utan att förlora sin strukturella integritet under långvarig drift. Ett annat centralt moment är förmågan att hantera de termiska påfrestningar som uppstår vid förändringar i driftförhållanden, vilket kräver att alla delar av systemet designas för att tåla dessa belastningar utan att orsaka materialutmattning eller felaktig funktion.

När det gäller turbinmaskiner såsom pumpar, kompressorer och expanders, som också spelar en avgörande roll i nya energiteknologier, är det viktigt att förstå deras design och operativa krav. Dessa komponenter används inte bara inom traditionell industri, utan också i nya system som bygger på superkritisk koldioxid (sCO2) och termiska/cryogena energilagringssystem. Trots att termodynamiska designberäkningar för dessa komponenter är relativt raka, är aeromekaniska designutmaningar mer komplexa och kräver avancerad analys för att säkerställa att de fungerar effektivt och hållbart under drift.

Att förstå dessa teknologier och de inbyggda riskerna, såsom läckageproblem och vibrationer vid högre än synkront varvtal, är avgörande för att kunna implementera dem framgångsrikt. Lösningar på dessa problem kräver omfattande simuleringar, fältförsök och ibland designjusteringar baserat på de verkliga driftförhållandena.

Endtext