I den kommersiella erfarenheten av post-förbrännings CO2-fångst (PCC) har det visat sig att inte alla teknologier för fångst är lika effektiva eller kostnadseffektiva, trots att de bygger på samma grundprinciper. En särskilt viktig aspekt är användningen av aminer, som ofta förekommer i dessa system. Även om själva aminerna inte utgör någon direkt toxikologisk risk, kan deras nedbrytningsprodukter, som nitrosaminer och nitraminer, vara cancerframkallande och utgöra ett allvarligt hälsorisk. Dessa risker har visat sig vid användning i koldioxidfångst och kräver installation av effektiva dimsläckare för att säkerställa en nästan total fångst av partiklar, upp till 99,99%. För att minska dessa risker är det därför avgörande att implementera teknologier som minimerar föroreningar i absorberkolonnen.

En nyligen genomförd förstudie, finansierad av Världsbanken, undersökte och jämförde sex avancerade lösningsmedelsbaserade PCC-teknologier för en 250 MW gas- och ångkraftstation i Poza Rica, Mexiko. De deltagande teknologileverantörerna visade att det är svårt att identifiera en klar vinnare bland de propritära teknologierna, eftersom alla de utvärderade teknologierna opererade enligt samma grundläggande principer som en generisk MEA-anläggning (monoetanolamin). Trots detta rekommenderades det att kraftverket skulle retrofittas med en generisk MEA-teknologi, men med flexibilitet för att kunna testa och validera andra aminer, vilket öppnar för framtida innovation och anpassning.

Detta tillvägagångssätt är inte ovanligt inom teknikbranschen, där testanläggningar som Technology Centre Mongstad ger möjlighet att pröva olika lösningar och samla värdefull erfarenhet. Testerna från sådana anläggningar kan ge detaljerad information om långsiktig nedbrytning av lösningsmedel och andra utsläpp, vilket i sin tur leder till bättre riskhantering och lägre kostnader vid upphandling och konstruktion av nya anläggningar. Denna öppna testmetod gör det också möjligt för teknikutvecklare att konkurrera om bästa möjliga lösning, vilket kan minska både tekniska och finansiella risker.

För att förstå de långsiktiga kostnaderna för koldioxidfångst och -lagring (CCS) måste man också ta hänsyn till den ökande efterfrågan på lagringsalternativ och användning av fångad CO2. CO2 kan lagras på olika sätt, bland annat i uttömda olja- och gasfält, djupt salta formationer, eller i mineraldjunglar. Alternativt kan CO2 användas som råmaterial för produktion av olika kemikalier, som metanol eller urea, vilket utgör en växande industri. På senare tid har det även forskats om att använda CO2 som en råvara för att skapa förnybara bränslen eller energi, vilket kan öppna upp nya marknader och användningsområden för fångad koldioxid.

För att verkligen förstå omfattningen av de koldioxidmängder som måste fångas för att bromsa den globala uppvärmningen, är det viktigt att sätta de aktuella nivåerna av atmosfäriskt CO2 i perspektiv. 2021 nådde CO2-koncentrationen i atmosfären den högsta nivån som registrerats på 63 år, vilket indikerar det akuta behovet av både effektiva fångstmetoder och långsiktiga lösningar för användning eller lagring av CO2.

Vidare är det centralt att beakta den ekonomiska och tekniska aspekten av PCC-teknologier. Även om vissa avancerade lösningsmedel påstår sig vara mer effektiva än andra, visar ekonomiska analyser att de totala driftskostnaderna för de olika teknologierna är ganska lika. För att verkligen kunna ta steget till en bredare användning av koldioxidfångst behövs mer detaljerad och långsiktig forskning för att effektivisera och minska kostnaderna. Samtidigt kan öppna, transparenta testmiljöer som Mongstad-ge möjligheten att validera och konkurrensutsätta olika teknologier, vilket på sikt kan sänka både bygg- och driftkostnader för CCS-anläggningar.

Endtext

Hur fungerar en nedstängning av en CO2-absorptionsanläggning?

Vid en nedstängning av en CO2-absorptionsanläggning, baseras processen på en noggrant planerad sekvens av åtgärder för att säkerställa att alla system kopplade till fångsten av koldioxid stängs av på ett kontrollerat och säkert sätt. Nedstängningsproceduren måste följas strikt för att förhindra oönskade konsekvenser som kan uppstå vid ett hastigt avbrott i anläggningens drift.

För att genomföra en säker nedstängning måste först huvudstyrsystemet för CO2 avaktiveras, vilket gör att gasflödet minskar successivt tills det når noll. Därefter stängs ångflödet (både lågtrycksånga och eventuell mellantrycksånga) till viktiga delar av systemet som stripper och reclaimer. Detta minskar värmeöverföringen och påbörjar en gradvis kylning av systemet. När temperaturen i stripperbottnarna sjunker under 65°C kan trycket i stripperkärlet och returvattentanken sänkas långsamt för att undvika tryckspikar.

Under nedstängningen stängs även flera pumpar av, bland annat för de lätta och tunga aminerna samt för tvättvattensystemet. Om dessa system inte stängs av ordentligt kan de skapa oönskade flöden eller tryckproblem som leder till risker för anläggningen. För att förhindra dessa problem, finns det specifika nivågränser som måste uppfyllas innan gasflödet till absorberkolonnerna tillåts, exempelvis måste en viss nivå av aminer (både rik och mager) upprätthållas och en stabil temperatur i stripperboilern måste nås.

För att säkerställa en fullständig säkerhet under hela processen är anläggningen utrustad med flera larm och säkerhetsstoppssystem. Ett nödstopp (ESD) kan aktiveras manuellt av operatören, vid strömavbrott eller om lufttryck för instrumenten försvinner. Vid sådana nödsituationer stängs alla flöden av och pumpar stängs av för att förhindra att anläggningen drabbas av allvarliga skador. De tekniska system som styr ventiler och flöden aktiveras automatiskt vid kritiska nivåer för att skydda både anläggningen och omgivningen.

För absorberkolonnens bottennivåer finns specifika åtgärder för både höga och låga nivåer: vid hög nivå öppnas lösningsventiler för att tömma överflödigt lösningsmedel, medan vid låg nivå tillsätts lösningsmedel för att stabilisera processen. Även vid nivåavvikelser i stripperkolonnens bottnar vidtas åtgärder för att minska ångflödet och justera pumphastigheter, vilket hjälper till att förhindra allvarliga störningar i anläggningen.

Vid en nödstoppaktivering isoleras alla flöden av gas och aminer, och alla pumpar stängs, förutom den för cirkulationsvattnet. För att säkerställa att absorberkolonnen och de anslutna rörsystemen trycksätts korrekt, sker en kontrollerad tryckavlastning genom de specifika ventilerna för CO2-produkt och återvinningsventiler.

Det är också viktigt att beakta att om ångflödet till reboilern inte kan återställas snabbt under en nedstängning, kan detta öka CO2-nivåerna i den magra aminen, vilket i sin tur gör den mer korrosiv. Även om detta inte är ett omedelbart säkerhetshot, kan det vara nödvändigt att stänga anläggningen för att undvika långsiktiga skador.

Vid genomförande av nedstängning är det också viktigt att förstå de termodynamiska aspekterna av processen. En nedstängning innebär ofta att anläggningen genomgår tillstånd som inte är i termodynamisk jämvikt, och för att analysera dessa processer används ofta quasi-statiska modeller. Dessa modeller tar snapshots vid specifika tidpunkter för att ge en realistisk bild av hur anläggningen förlorar sin stabilitet i övergångsfasen.

Slutligen är det nödvändigt att förstå de ekonomiska aspekterna av nedstängning och uppstart. Vid en nedstängning finns alltid en energiförlust, och den elektricitet som går åt för att driva pumpar och fläktar under en nedstängning påverkar anläggningens totala effektivitet. Det är därför av yttersta vikt att dessa faser planeras noggrant för att minimera eventuella driftstopp och de ekonomiska påföljderna för kraftverket.

Hur Prestanda för Turbiner och Kraftverk Mäter Upp: En Nyanserad Tolkning

Prestanda för gas- och ångturbiner inom kraftverksindustrin är ofta publicerad med förutsättningen att inga förluster uppstår vid in- och utloppstryck, och att bränslet är 100% metan (CH4), även om detta inte alltid är fallet. Det är viktigt för läsaren att noggrant läsa de finstilta detaljerna i sådana prestandaspecifikationer. Denna information finns ofta i tillverkares broschyrer eller i tekniska tidskrifter som Gas Turbine World och Turbomachinery International. När det gäller ångturbiner finns det ingen standardiserad "prestandasticker" på samma sätt som för gasturbiner. Deras effektivitet beror på en mängd faktorer, där den primära är energin som utvinns från gasturbinens avgaser.

En ångturbin presterar också beroende på ångförhållanden som tryck och temperatur, samt ångcykelns konfiguration, till exempel om den har två eller tre trycknivåer, och om den använder eftervärme eller ej. Även vakuumnivåerna i kondensorn spelar en stor roll. Ångturbiner kännetecknas främst av deras kapslingskonfiguration, storlek på de sista turbinbladens sektioner och maximala tryck- och temperaturgränser för ångan. För mer detaljerad information kan man läsa vidare i standardreferenser som GTCCPP, där dessa aspekter behandlas utförligt.

I ett kombinerat cykelkraftverks sammanhang handlar "prestanda" om nettoelektrisk effekt, vilket definieras som den elektriska effekt som kvarstår efter att den hjälpkraft som krävs för att driva utrustning och anläggningar inom kraftverket dragits ifrån den totala effektproduktionen. Detta kallas ofta för bruttoeffekt. Den nettonettoeffektiviteten är ett mått på hur mycket av den totala bränsleinsatsen som omvandlas till användbar elektrisk energi, och räknas fram som förhållandet mellan nettoeffekten och den totala bränsleförbrukningen.

Det finns två huvudsakliga bränsleförbrukare i ett gas- och ångkraftverk som använder en kombinerad cykel: gasturbinen och värmeåtervinningsånggeneratorn (HRSG) som är utrustad med duct burners. Duct burners används för att höja temperaturen på avgaserna från gasturbinen genom att bränna extra bränsle, vilket i sin tur ökar ångproduktionen i HRSG och därmed generatorns effekt. Denna teknik kallas för kompletterande förbränning och används ofta, särskilt i USA, för att öka effektproduktionen under varma dagar, när gasturbinerna presterar sämre på grund av minskad luftdensitet och luftflöde.

Även om kompletterande förbränning leder till en ineffektivitet genom ökad bränsleförbrukning, kan den ökade effekten under perioder av hög efterfrågan på elektricitet (t.ex. när luftkonditioneringar körs på högsta effekt) mer än kompensera för denna ökade kostnad, särskilt under perioder när naturgaspriserna är historiskt låga, som mellan 2010 och 2020 i USA. Kraftverk som använder duct burners kallas ofta för eldade kraftverk, till skillnad från oeldade kraftverk som inte har denna funktionalitet.

Thermal efficiency eller termisk verkningsgrad i dessa sammanhang uttrycks ofta på en lägre värmevärdegrund (LHV), vilket är det användbara värmeinnehållet i ett bränsle, utan att ta hänsyn till latent värme i förbränningsprodukterna. För exempelvis naturgas (100% metan, CH4) är LHV cirka 21 515 Btu/lb vid 77°F (ungefär 50 MJ/kg vid 25°C). Detta används för att uppskatta hur mycket energi som frigörs per enhet bränsle. För att beräkna detta krävs en noggrann analys av bränslets sammansättning.

En gas- och ångturbins värmeförbrukning kan exempelvis beräknas genom att multiplicera bränsleflödet in i gasturbinens förbränningskammare med dess LHV. Om en gasturbin använder 30 lb/s metan och har ett LHV på 21 515 Btu/lb, blir den totala värmeförbrukningen 645 450 Btu/s, vilket motsvarar cirka 681 MWth. Om turbinen producerar 275 MWe, blir dess verkningsgrad ungefär 40,4%. Denna typ av beräkning är viktig för att förstå hur effektivt ett kraftverk omvandlar bränsle till användbar elektricitet.

När det gäller beräkningen av värmeförbrukning används ibland begreppet "heat rate", vilket är ett mått på hur mycket energi som krävs för att producera en kWh elektricitet. För en gas- och ångturbins värmeförbrukning gäller att den är omvänd proportionell mot dess verkningsgrad. En turbin med 40% effektivitet har till exempel ett heat rate på cirka 8 530 Btu/kWh, vilket innebär att för varje kWh elektricitet som produceras, krävs det cirka 8 530 Btu energi från bränslet.

En annan viktig aspekt är skillnaden mellan netto- och bruttoeffekt, särskilt för kombinerade cykelkraftverk. Denna skillnad kan vara mellan 1,6% och mer än 3%, och orsakas huvudsakligen av ångturbinens värmeavledningssystem. Denna skillnad kan vara avgörande när man jämför olika kraftverks prestanda och effektnivåer. I en era där nya teknologier ständigt marknadsförs med imponerande prestandasiffror är det viktigt att vara medveten om att många av dessa siffror inte alltid reflekterar den verkliga effektiviteten av systemen i praktiken. Detta gäller särskilt för den skillnad som ibland görs mellan cykelns effektivitet och hela kraftverkets nettoeffektivitet.

För att verkligen förstå de tekniska framstegen och den verkliga prestandan i nya och framväxande teknologier måste läsaren vara medveten om de underliggande förutsättningarna och antagandena som ligger bakom dessa siffror. Ofta kastas imponerande siffror omkring utan att nödvändigtvis vara relaterade till verkliga förhållanden eller rigorös ingenjörsanalys. Det är därför av yttersta vikt att inte bara förlita sig på marknadsföringens löften utan att noggrant undersöka detaljerna bakom de påstådda prestandaökningarna. Detta gäller särskilt när nya och ofta överdrivna påståenden om effektivitet och kraftuttag dyker upp i fackpublikationer och vid industrimässor.

Kan autonoma vapen följa lagarna för krigets genomförande?
Vad är framtiden för 2D halvledarmaterial och deras tillämpningar i elektronik och optoelektronik?
Hur Kan Vi Arbeta Tillsammans För Att Lösa De Stora Utmaningarna?