Vid simulering av värme- och massbalans används ofta programvaran THERMOFLEX®, utvecklad av Thermoflow, Inc. Denna mjukvara gör det möjligt att skapa flödesscheman för att representera specifika processer genom att välja komponenter från ett inbyggt bibliotek och koppla ihop dem i ett grafiskt användargränssnitt. För att simulera fluidegenskaper för verkliga vätskor som superkritisk CO2 används även REFPROP, ett program som tillhandahåller termofysiska egenskaper för rena vätskor och blandningar i olika faser. Detta gör det möjligt att modellera och förstå komplexa system för energiproduktion, där olika fluiders beteenden kan påverka effekten av processen.

En viktig aspekt av energisystem är hanteringen av olika typer av systemreserver. Vind- och solkraft är exempel på så kallade "variabla" resurser, vilket betyder att de inte kan styras på samma sätt som fossila bränslen eller andra mer förutsägbara källor. Detta medför vissa utmaningar, men också möjligheter att integrera dessa förnybara källor i kraftnätet genom noggrant väderprognostisering och användning av lagringslösningar som batterier för energilagring (BESS). Genom att använda förbättrade prognoser och en noggrant balanserad mix av reserver kan nätoperatörer nu i stor utsträckning hantera variationerna i dessa kraftkällor.

Gridoperatörer klassificerar driften av kraftsystem enligt olika tidsramar: reglering, lastföljning och enhetskommittment. Reglering hanterar snabb och oförutsedd förändring av belastningen och är typiskt baserat på genereringsenheter som är synkroniserade med nätet, som gasturbiner eller ångturbiner. Lastföljning täcker längre tidsperioder och används för att hantera förutsägbara förändringar i efterfrågan som inte kan mötas av primära reserver. Här kan snabba och flexibla lösningar som aeroderivativa gasturbiner spela en viktig roll. Enhetskommittment handlar om att i förväg schemalägga och åta sig att producera el under längre perioder, vanligtvis baserat på förväntad efterfrågan. För konventionella kraftverk innebär detta att planera produktion dagar i förväg, medan för vattenkraft kan planeringen sträcka sig över veckor beroende på tillgången på vatten.

En annan viktig aspekt som påverkar systemets drift och förmågan att hantera förnybar energi är teknologimognadsnivån (TRL). TRL-systemet används för att bedöma hur väl utvecklad en viss teknologi är, från de tidigaste forskningsstadierna (TRL 1) till kommersiell användning (TRL 9). För nya energiteknologier som vindturbiner, solpaneler eller energilagringslösningar är det avgörande att förstå på vilken mognadsnivå teknologin befinner sig och när den förväntas bli tillgänglig för storskalig drift. TRL-nivåerna ger en grund för att förutse hur snabbt ny teknologi kan skalas upp och integreras i befintliga energinät.

Vid implementeringen av förnybar energi måste det också tas hänsyn till eventuella överdrivna förutsägelser om tillgången på vind eller solenergi, vilket kan leda till att konventionella kraftverk snabbt måste startas, vilket kan vara kostsamt och tekniskt utmanande. Detta kräver en noggrann balans mellan planerade och reella produktionstider, där de snabbaste reaktionerna ofta kommer från gasdrivna kraftverk.

Det är även viktigt att betona att "variabilitet" inte innebär att förnybar energi inte kan planeras eller integreras effektivt i ett nät. Genom förbättrad förmåga att förutse väderförhållanden och använda tillgängliga reserver kan denna energi hanteras på ett stabilt och kontrollerat sätt. Det är snarare en fråga om "kontrollbarhet" snarare än ren "utskrivbarhet" av energi, vilket innebär att flexibilitet och lagring är nyckelfaktorer för att hantera dessa källor.

Hur man optimerar effektiviteten i ett kombinerat cykel- och bottoming-cykelsystem

Det är uppenbart att maximera den totala verkningsgraden för en kombinerad cykel är likvärdigt med att maximera verkningsgraden för bottoming-cykeln. För att uppnå detta, som vi ser i ekvation (3.17), krävs en balans mellan HRSG:ns effektivitet och ångturbinen effektivitet. Genom både grafiska och numeriska metoder kan det enkelt visas att den maximala termiska effektiviteten för en kombinerad cykel uppnås vid maximal värmeåtervinning, vid vilken punkt även bottoming-cykelns exergieeffektivitet är som högst – vilket är som det bör vara (även om den termiska effektiviteten för bottoming-cykeln inte är det). Detta kan tyckas vara motstridigt, men det speglar den dikotomi som finns i en bottoming-cykel, nämligen att den fungerar som både:

  • En “assistent” till topping-cykeln (återvinning av avgaser)

  • En “soloaktör” i sin egen rätt (bottoming-cykelns totala effektivitet)

Som en "assistent" mäts bottoming-cykelns värde genom den låga temperaturen på avgaspipan (vilket motsvarar maximal värmeåtervinnings­effektivitet). För cykeln själv, som en "soloaktör", innebär en låg avgaspipstemperatur dock en låg genomsnittlig effektiv temperatur för värmeaddition, vilket självklart påverkar cykelns effektivitet negativt. Eftersom målet är att uppnå den bästa möjliga totala cykeleffektiviteten, är återvinning av avgaser mer viktig än bottoming-cykelns egen effektivitet. Detta har kvantitativt bevisats i tidigare forskning.

Även med en hög konversion (termisk) effektivitet, kan en bottoming-cykel med låg värmeåtervinning och hög TSTCK endast uppnå en liten del av den teoretiskt möjliga maximala effektiviteten, som visas i det nedre högra triangulära området {1-4-4C-1} på T-s-diagrammet i Figur 2.3 (det vill säga låg exergieeffektivitet för bottoming-cykeln). Enbart en bottoming-cykel med hög värmeåtervinning och den lägsta möjliga TSTCK kan närma sig den teoretiska max­imala effektiviteten (dvs. högsta exergieeffektivitet för bottoming-cykeln) även om den termiska effektiviteten är mer modest.

I ett kolkraftverk med en stor industripanna genereras ånga vid endast ett tryck och överhettas till en hög temperatur (vanligtvis i dubbla cykler med återhettning). Den högsta möjliga effektiviteten uppnås genom att föda vattnet för att maximera den genomsnittliga effektiva temperaturökningen, d.v.s. utan att ta hänsyn till återhettning – TSTM - TFWIN T = ln (TSTM / TFWIN) (3.21). Detta mål kräver det högsta möjliga TFWIN, vilket dock är mycket skadligt för den kombinerade cykeleffektiviteten eftersom ett högt TFWIN innebär ett högt TSTCK och låg värmeåtervinning. Om HRSG:ns ångproduktion också är begränsad till endast ett tryck, krävs det att ångtrycket hålls så lågt som möjligt för att säkerställa att TSTCK hålls så lågt som möjligt, vilket tyvärr är skadligt för ångcykelns effektivitet, SCEFF. Om ångtrycket däremot hålls så högt som möjligt för att maximera SCEFF, blir TSTCK mycket högt och påverkar värmeåtervinningseffektiviteten samt den totala bottoming-cykelns effektivitet negativt. Lösningen på denna dilemma är uppenbar: ångproduktion vid flera tryck, dvs. minst två, ett högt för hög SCEFF och ett lågt för hög HREFF. Detta är anledningen till att bottoming-cykler med kraftfulla industrigas-turbiner har minst två ångtrycksnivåer: högtryck (HP) och lågtryck (LP).

Den andra faktorn som förbättrar ångcykeln genom att öka den genomsnittliga effektiva värmeadditionen är återhettning, där ångan från HP-turbinen överhettas till samma nivå som HP-ångtemperaturen innan den släpps in i LP-turbinen. För att ha tillräcklig “kraft” att generera ånga i meningsfulla mängder tillsammans med återhettningsöverhettning måste gasturbinen vara tillräckligt stor (dvs. hög exhaustgasflödeshastighet, MEXH) med tillräckligt hög TIT (dvs. hög exhaustgastemperatur, TEXH). Detta faktum avgör HRSG:ns och ångcykelns designhierarki från E-Class till de mest avancerade H-Class gasturbinerna:

  • Entryck med återhettning (1PRH) eller utan återhettning (1PNRH) för små industriella eller aeroderivativa gasturbiner med låg MEXH och TEXH

  • Tvåtryck med återhettning (2PRH) eller utan återhettning (2PNRH) för E-Class gasturbiner

  • Tvåtryck med återhettning (2PRH) eller tretryck utan återhettning (3PNRH) för äldre F-Class gasturbiner

  • Tretryck med återhettning (3PRH) för avancerade gasturbiner

De viktigaste komponenterna i en 3PRH HRSG är identifierade i Figur 3.11. HRSG:n som visas i figuren är den vanligaste designen med en horisontell arrangemang av värmeväxlingssektioner i riktning mot avgaspipans flöde från vänster till höger. Ångkokningssektioner (avdunstare) är av trumtyp. Det finns även andra varianter, exempelvis en vertikal design med vertikal arrangemang av värmeväxlingssektioner i riktning mot avgaspipans flöde från botten till toppen. Det finns också Benson-typ HRSG där HP-avdunstaren är en engångs­typ med ångtrumman ersatt av en mycket mindre separationsflaska. I den horisontella trumtypen uppnås naturlig cirkulation av kokande vatten genom gravitation (nedåt) och uppdrift (uppåt). I äldre varianter av vertikala designer var tvingad cirkulation via en cirkulationspump nödvändig. Separation av mättad ånga och vatten sker i ångtrumman. I den engångscirkulerande avdunstardesignen som Benson kan detta inte ske, och cirkulationen är inte beroende av gravitation i de vertikala varianterna.

Den grundläggande teorin som beskrivits ovan kan ses grafiskt i “värmefrigöringsdiagrammet” för en 3PRH HRSG i Figur 3.12. Det finns tre ångproduktionsområden i HRSG:n: vid högt, mellan (eller medium) och lågt tryck, HPEVAP, IPEVAP och LPEVAP. Notera att LP-sektionen är placerad nära avgaspipan för att säkerställa den lägsta möjliga TSTCK. Platsen för HP-sektionen bestäms av det högsta möjliga ångtrycket, dvs. cirka 190 bar och motsvarande mättnadstemperatur på cirka 690°F (365°C) jämfört med 630°C eller högre för moderna gasturbiner med höga avgastemperaturer. Varje ångproduktionsprocess består av tre typer av värmeväxlare: ekonomiserare (födevattenuppvärmning), avdunstare (kokning vid konstant tryck och temperatur) och överhettare.

Vilken metod är mest kostnadseffektiv för växthusgasminskning: H2 från SMR eller GTCC med koldioxidinfångning?

Vid analys av växthusgasemissioner och effektivitet mellan olika metoder för att producera el från fossila bränslen och väte, framkommer en intressant jämförelse mellan metoderna för metan och väteproduktion. Vi tittar på två vanliga processer: gas-turbinkombinerade cykler (GTCC) med metan (CH4) som bränsle, och väteproduktion via ångreformering av metan (SMR) i kombination med koldioxidinfångning (CC) och komprimering av väte.

När vi tittar på energiutvinning per kilogram av bränsle och den resulterande koldioxidutsläppet ser vi en tydlig skillnad. För metan (CH4) med en lägre värmevärde (LHV) på 50 MJ/kg och en effektivitet på 60 % för en GTCC, får vi en elproduktion på 30 MJe/kg, med ett koldioxidutsläpp på 329,9 kg per MWh. Å andra sidan, väteproduktion genom SMR med samma effektivitet men ett högre LHV på 120 MJ/kg ger en elproduktion på 36 MJe/kg, men med ett högre utsläpp på 500 kg CO2 per MWh.

Men när vi adderar koldioxidinfångning till SMR-processen (90 % infångning) minskar koldioxidutsläppen till 50 kg/MWh, vilket förbättrar processens miljöprestanda. Samtidigt, för GTCC, om vi lägger till en post-förbränningsinfångning (PCC) på 85 %, kan utsläppen minskas till 49,5 kg/MWh. Denna jämförelse leder oss till frågan om vilken metod som är mest förnuftig, beroende på energieffektivitet och de associerade koldioxidutsläppen. Det är viktigt att överväga den parasitära effektförbrukningen för att uppnå dessa nivåer av koldioxidinfångning, där 85 % PCC har en fördel i lägre energiförbrukning jämfört med 90 % CC, trots att den senare är effektivare i att fånga koldioxid från SMR.

En ytterligare alternativ metod är förgasning av kol eller andra komplexa kolväten. Här är inte feedstocken optimal för ren elektricitetsproduktion, vilket gör att denna metod inte är lika attraktiv för att ersätta ren elproduktion. Dock, om man kombinerar biomassa (t.ex. majsstänglar) med kol, kan denna metod resultera i ett nettonegativt koldioxidutsläpp. Ett amerikanskt projekt, som genomförs av Electric Power Research Institute, undersöker just denna metod för att producera väte och el, där blandningen av kol och biomassa tillhandahåller ett sätt att skapa rent väte samtidigt som det binder koldioxid från atmosfären.

För den långsiktiga lösningen med väteproduktion, handlar det om att förstå hur den förnybara elproduktionen kan användas effektivt. Ett alternativ är att använda överskottsel från förnybara källor som vindkraft. När elproduktionen från vindkraft överskrider det lokala behovet, kan denna överskottsel användas för elektrolys och produktion av väte. Detta förutsätter att det finns tillräckligt med förnybar energi som annars skulle gå förlorad (curtailment). I exempelvis Tyskland, där vindkraft producerade nästan 80 TWh el 2016, skulle denna överskottsel kunna stödja drift av gaskraftverk på väte under en betydande tidsperiod.

Det är också viktigt att ta hänsyn till den ekonomiska aspekten vid väteproduktion genom elektrolys. Kostnaden för väteproduktion från förnybar energi har visat sig vara mycket högre än traditionell naturgas. Den nuvarande trenden är att väte från elektrolys via förnybar energi är ungefär 3 till 10 gånger dyrare än naturgas, vilket gör det till en utmaning att göra väte till en konkurrenskraftig lösning för storskalig energi- och elproduktion utan subventioner eller stora teknologiska genombrott.

Vidare måste vi förstå att, även om tekniska framsteg inom koldioxidinfångning och väteproduktion är lovande, så är de fortfarande beroende av ekonomiska incitament och marknadsvillkor som kan förändras över tid. Det är troligt att även om väte och koldioxidinfångning är viktiga för att minska utsläppen, så kommer dessa lösningar att behöva stödja en långsiktig plan för att göra dem ekonomiskt hållbara på marknaden, särskilt om de ska konkurrera med billiga fossila bränslen.

Vad innebär det att vara en förespråkare för utbildning och mental hälsa?
Borde Media Studies bli obligatoriskt för alla unga?
Hur man skapar näringsrika och effektiva viktminskningsmåltider i skål
Hur bokar man ett hotellrum i Spanien? Viktiga fraser och tips för resenärer