Hur kan en modifierad RICE-enhet förbättra prestanda för CAES med vätgas?

En komprimerad luftenergilagringssystem (CAES) som använder en modifierad RICE-enhet (reciprocating internal combustion engine) med en turbo-laddare och generatormodul har potentialen att dramatiskt förbättra både effektiviteten och flexibiliteten för lagringssystemet. I detta system, som illustreras i de tekniska detaljerna, kombineras en kompressor och en expander i en så kallad "compander", vilket gör det möjligt att återcirkulera en del av avgaserna från RICE-enheten för att optimera den totala systemprestandan. Avgaser från RICE-enheten, som har en temperatur på 327°C och ett tryck på 1 bar, separeras i två strömmar. Den ena strömmen skickas till stacken medan den andra återcirkuleras genom en värmeväxlare för att återanvändas i systemet.

För att ytterligare optimera systemet, ökas trycket på den återcirkulerade avgasen genom en expander, vilket resulterar i en blandad luft-gasström som matas tillbaka till RICE-enheten vid en temperatur av 50°C och ett tryck på 5 bar. Denna ström utgör bränsleblandningen som är designad för att bränna 100% vätgas (H2), vilket är en nyckelkomponent för att uppnå ett koldioxidfritt och mer hållbart energisystem. Vidare kan turbo-laddaren kopplas till både kompressorn och generatorn genom en koppling, vilket gör det möjligt att underlätta energiöverföring till nätet när systemet är i energilagringsläge.

I praktiken innebär detta att för samma bränsleförbrukning kan RICE-enheten leverera mer elektrisk kraft, vilket ökar den totala effektproduktionen till 26,4 MW, vilket ger en betydande förbättring av systemets effektivitet. Vid drift i energilagringsläge uppnås en "roundtrip efficiency" (PEE) på över 80%, vilket är högre än de traditionella nivåerna för konventionella energilagringssystem. Detta möjliggör effektivare energiutnyttjande och bättre prestanda vid överföring av elektricitet från lagrad energi tillbaka till nätet.

Vid implementationen av CAES med vätgas är också systemets flexibilitet en viktig aspekt. Möjligheten att använda blandningar av naturgas och vätgas eller till och med en syngasblandning (t.ex. H2 och CO) ger större anpassningsbarhet och säkerställer att systemet kan fungera även om vätgasproduktionen inte är konstant. Dessutom kan EGR-teknik (Exhaust Gas Recirculation) användas för att minska NOx-utsläpp vid användning av olika bränslen, särskilt vid förbränning av blandningar som inkluderar vätgas.

En annan relevant aspekt för att förbättra hållbarheten för CAES-systemet är att integrera vätgasproduktion via elektrolys, vilket drivs av koldioxidfria energikällor som sol- eller vindkraft. På så sätt kan hela energikedjan från produktion till lagring och användning vara helt fri från fossila bränslen och koldioxidutsläpp, vilket gör systemet mer miljövänligt och ekonomiskt gångbart i en framtid med strikta klimatmål.

Det är också av vikt att förstå att de citerade prestandasiffrorna är representativa för ett specifikt RICE-system och kan variera beroende på systemets faktiska implementering och optimering av motortillverkaren. Därför är det viktigt att den slutliga designen och konfigurationen av CAES-systemet anpassas för att maximera både kostnadseffektivitet och driftsprestanda.

Hur teknologin för högtemperatur-gaskylda kärnreaktorer utvecklades: Från AVR till THTR och vidare

De designförändringar som gjordes på AVR (Atom Versuchs Reaktor) baserat på operativ erfarenhet införlivades i konstruktionen av den 300 MWe (750 MWth) thoriumdrivna högtemperaturreaktorn (THTR), som var i drift mellan 1985 och 1988. AVR blev också basen för den teknologi som licensierades till Kina för att bygga HTR-10 och HTR-PM. Detta var en direkt fortsättning på de idéer som hade utvecklats tidigare under mitten av 1900-talet.

Under 1970-talet började dock avancerad gaskyld kärnreaktorteknologi och direkt-sluten cykel gaskompressorstation som energikonverteringsteknik bli ett naturligt val. Detta berodde på flera historiska utvecklingar: erfarenheter från HTGR-teknologin (High-Temperature Gas-cooled Reactor) med heliumkyla i exempelvis Peach Bottom Unit 1 och Fort Saint Vrain kärnkraftverk i USA, erfarenheter från fossildrivna gaskompressorstationer med helium som arbetsmedium, samt synergier mellan dessa teknologier för att eliminera värmeadderingskomponenterna i cykeln – ett problem som ofta hade förhindrat effektiv drift på grund av begränsningar i värmeväxlarmaterial.

McDonald konstaterade redan 1978 att utan att öka bränslets maximala temperatur i HTGR, skulle kylvätskans utlopps-temperatur kunna höjas till upp till 982°C, vilket skulle ytterligare förbättra effektiviteten. Den teknologiska utvecklingen har på många sätt varit en process där man gradvis har övervunnit tekniska hinder, vilket nu gör det möjligt att arbeta med höga turbininloppstemperaturer som tidigare var otänkbara.

Det är också viktigt att förstå de termodynamiska cyklerna bakom de olika typerna av värmemotorer och energikonvertering. För att optimera cyklens verkningsgrad är det nödvändigt att noggrant beakta olika parametrar som reaktorns design, storlek och kylvätskans temperatur. Helium, på grund av dess höga specifika värme, är ett idealiskt val för att minska den parasitiska effekten från cirkulationsfläktarna och energiförluster vid kylning. Därmed blir det möjligt att uppnå högre effektivitet i det termodynamiska systemet, vilket leder till bättre prestanda och lägre driftkostnader i långsiktig drift.

När man studerar utvecklingen av dessa teknologier blir det tydligt att en teknologisk "synergi" har spelat en stor roll för att lösa de komplexa utmaningarna inom kärnkraft och energiomvandling. Det handlar om att integrera olika lösningar, från gaskylda kärnreaktorer till avancerade gaskompressorer och högtemperaturmaterial, för att skapa ett system som både är effektivt och hållbart. Men det är också viktigt att förstå att dessa framsteg är resultatet av långsiktig forskning och utveckling, där det aldrig har funnits någon garanti för att alla tekniska hinder skulle kunna övervinnas.

För den som fördjupar sig i dessa teknologier och deras historia, är det avgörande att inte bara förstå hur dessa system har utvecklats, utan också att känna till de bredare samhälleliga och tekniska faktorer som påverkat deras framgångar eller misslyckanden. Till exempel är det väsentligt att vara medveten om hur utvecklingen av material och industriell teknologi påverkat och accelererat framstegen i kärnenergiområdet. Det är också viktigt att förstå att trots teknologiska framsteg kvarstår frågor om säkerhet och hållbarhet som måste beaktas vid utveckling och implementering av dessa system.