Hur fungerar sCO2-turbinen och vilka utmaningar finns?

För att förstå hur en superkritisk koldioxid-turbin (sCO2) fungerar och de tekniska utmaningarna i en sådan applikation, är det nödvändigt att analysera de senaste försöken att tillämpa denna teknik i storskaliga kraftsystem. Ett exempel på detta är projektet Apollo under USAs Department of Energy’s SunShot-initiativ, som syftar till att utveckla högeffektiva sCO2-kompressorer för att stödja koncentrerad solenergi (CSP). Detta projekt markerade ett viktigt steg mot att förstå de praktiska och ekonomiska aspekterna av sCO2-kraftcykeln, som, trots sin potential för att öka effektiviteten, också medför stora utmaningar.

Den stora utmaningen för dessa system ligger i effektiviteten hos återvinningsvärmeväxlarna och tätningarna för turbomaskineriet. Traditionella rör- och skalvärmeväxlare har inte förmåga att upprätthålla de nödvändiga prestanda för sCO2-applikationer. Istället förespråkas användningen av tryckta kretsvärmeväxlare i rostfria legeringar för att hantera de extremt höga temperatur- och tryckförhållandena. Men dessa komponenter utsätts för höga belastningar vid blockanslutningar och vid flänsar och munstycken, vilket kan leda till problem med lågcykelsutmattning (LCF).

Trots dessa tekniska framsteg har erfarenheten från fältanvändning av sCO2-turbiner ännu inte samlats in på en tillräckligt stor skala. Ett exempel på detta är projektet Apollo, där målet var att utveckla en kompressor med 80 % verkningsgrad och variable inlopp- och utloppsvingar (IGVs och OGVs). Här designades ett system med två kompressorer, en huvudkompressor och en rekombinator, som skulle hantera ett delat återkomprimerat sCO2-flöde. Turbinen som användes var en fyrstegs sCO2-expander som gav ett nominellt effektuttag på 10 MW. Försök med detta system under åren 2012 till 2018 gav blandad framgång, men också en mängd viktiga insikter för framtida utveckling. Den största misslyckanden inträffade i både turboexpander och kompressor, där det framför allt var problem med torra gaskompressorseglarsystem (DGS) som ledde till systemets svikt.

Specifikt uppstod problem när DGS-systemet inte kunde separera de oljelagerade lagren från arbetsvätskan, vilket ledde till att turbinens rotorförmåga misslyckades. Det visade sig att en designfel orsakade en termisk löpning som försvårade driften av turbinen. Även om vissa förbättringar kunde göras för kompressorerna, såsom att driva dessa vid lägre tryck för att minska belastningen, var driftsättningen fortfarande otillräcklig för att uppnå den långsiktiga driftsäkerheten som var nödvändig för storskaliga tillämpningar.

Därmed är det tydligt att för att sCO2-turbiner ska kunna spela en viktig roll i framtida energiproduktion måste flera tekniska hinder övervinnas. Det handlar inte bara om att uppnå högre effektivitet utan också om att säkerställa systemens tillförlitlighet och långsiktiga driftbarhet under de extrema förhållanden som dessa system utsätts för. Det återstår att se om de nya generationerna av sCO2-kompressorer och expandrar kommer att kunna leverera den stabilitet och prestanda som krävs för storskalig användning, men de lärdomar som dragits hittills kommer utan tvekan att vara avgörande för den fortsatta utvecklingen av denna lovande teknologi.

Vad betyder "Full Load" för en gasturbin och hur påverkar det prestanda?

Låt oss överväga prestanda vid ISO-baslast. Detta innebär gasturbinens prestanda när den körs vid 100% last vid omgivande förhållanden på 1 atm, 59°F (15°C) och 60% relativ luftfuktighet. Antag att denna drift motsvarar att IGV:erna är öppna vid X grader och att den bränsleflödesinställning som kontrolleras är sådan att cykel-PR och turbinens inloppstemperatur (TIT), som orsakas av den flödesmängd luft som anges av IGV och den bränsleflödesinställning som styrs av kontrollen, resulterar i den avgastemperatur (TEXH) som anges i prestandadata. Med andra ord är baslast motsvarande full last vid ISO-förhållanden.

Gasturbinen som är synkroniserad med nätet vid 50 Hz (3 000 rpm) eller 60 Hz (3 600 rpm) är en maskin med fast volymflöde. Följaktligen, när densiteten på inloppeluften förändras med ändrade omgivande förhållanden (främst omgivningstemperaturen), kommer dess massflödeshastighet att förändras, det vill säga den ökar när luften utanför blir kallare och minskar när luften blir varmare. Normalt motverkar kontrollen denna effekt genom att öppna eller stänga IGV:erna (effektivt ändras IGV-vinkeln från ISO-baslastvärdet). Därmed, vid varje given omgivningstemperatur, finns ett specificerat luftflöde. Beroende på designen av den aktuella gasturbinen – det vill säga kompressorkartan, turbinens ”sväljkapacitet” och de förväntade livslängderna för delarna – kommer kontrollen att ställa in bränsleflödet för att uppnå en specificerad TIT. I fältet kommer denna TIT att bestämmas från det uppmätta cykel-PR (genom mätningar av inloppstryck och kompressorns utlopps-temperatur, CDT) och avgastemperaturen.

För att ge ett bra tillvägagångssätt:

• Vid omgivningstemperaturer (TAMB) som är kallare än 59°F (15°C) hålls TIT vid sitt ISO-baslastvärde,

• Vid omgivningstemperaturer som är varmare än 59°F (15°C) sätts TIT till TIT vid ISO minus temperaturavvikelsen från TAMB.

Följaktligen, vid varje given omgivningstemperatur TAMB, refererar full last till den effekt som genereras med IGV:erna i en vinkel enligt det inbyggda IGV-öppningsschemat och med bränsleflödet inställt för att uppnå TIT enligt det inbyggda PR-TEXH-schemat. Generellt sett kommer full last vid kallare än ISO-omgivningstemperaturer att vara högre än ISO-baslasten (begränsad av axelns vridmomentkapacitet och generatorns kapacitet), medan vid varmare än ISO-omgivningstemperaturer kommer den att vara lägre än ISO-baslast.

Enligt denna filosofi är det avgörande att förstå hur olika faktorer påverkar prestanda vid förändrade omgivningstemperaturer och hur kontrollsystemet anpassar både luftflöde och bränslemängd för att maximera turbinens effektivitet och livslängd. Vad som är viktigt för läsaren är att denna dynamik påverkar både gasturbinens energiutbyte och hållbarhet, särskilt under drift vid varierande temperaturförhållanden. Även om gas- och ångturbiner i kombicykelsystem kräver noggrant samordnade driftsåtgärder, är förståelsen av termisk stresshantering och hanteringen av termiska cykler avgörande för att undvika potentiella strukturella skador.

Endtext

Hur fungerar hybridkraftverk med gasturbin och batteri?

Ett hybridkraftverk med en gasturbin och ett batterilager (BESS) har blivit ett effektivt sätt att förbättra både flexibilitet och effektivitet i elproduktion. Detta system introducerades 2016 och har visat sig vara en nyckelteknologi för att tillhandahålla 50 MW roterande reservkapacitet utan att förbränna bränsle, flexibel kapacitet, toppeffektenergi, 25 MW högkvalitativ reglering samt 10 MVAR reaktivt spänningsstöd och primär frekvensrespons även när kraftverket inte är online, det vill säga när det fungerar som en synkron kondensator. Genom att kombinera gasturbinen och batteriet kan systemet svara snabbt på förändringar i elnätets efterfrågan och samtidigt minska utsläppen och bränsleförbrukningen.

Sedan mars 2017 har de första två LM6000 Hybrid EGT-enheterna kommersiellt driftsatts i Kalifornien. Varje enhet integrerar ett 10 MW/4,3 MWh BESS med en 50 MW aerodynamisk gasturbin. Dessa enheter ägs och drivs av Southern California Edison. Siemens erbjuder liknande hybridlösningar under varumärkena SIESTART och SIESTORAGE. Skillnaden mellan Siemens och GE ligger i att Siemens inte begränsar konceptet till enbart gasturbiner av enkelcykel, vilket öppnar upp för användning av äldre maskiner och olika konfigurationer.

Hybridkraftverket fungerar genom att batteriet aktiveras nästan omedelbart vid oplanerade förluster i elproduktionen. Det ger först full effekt genom batteriet och hjälper till att starta gasturbinen. När gasturbinen når full last och börjar generera el, minskar batteriets bidrag i takt med att turbinens last ökar. Detta gör det möjligt för kraftverket att effektivt hantera efterfrågan på energi och samtidigt minska slitaget på turbinmaskineriet genom att minska cykellasten.

Det finns också alternativ där batteriet fungerar som huvudkälla för elproduktion, och gasturbinen används endast för att ge ytterligare kraft när batteriets kapacitet överskrids. Denna typ av konfiguration är särskilt fördelaktig när det gäller att utnyttja äldre gasturbiner som kanske inte längre är ekonomiskt lönsamma för att generera el på egen hand. I Tyskland, till exempel, finns det nära 400 sådana turbinanläggningar, varav många har en effekt under 15 MW.

Förutom de grundläggande funktionerna för att leverera primär och sekundär frekvensreglering, har hybridkraftverk med gasturbiner och batterier ytterligare användningsområden. Till exempel kan de användas för att balansera energinätet, undvika spänningsspikar eller till och med för att genomföra en så kallad "black start" – en kapacitet att starta elproduktionen igen efter ett strömavbrott. Dessutom öppnar hybridlösningarna upp för nya affärsmöjligheter, som att delta i blockkedjebaserad energihandel eller användas som lagringslösningar för solenergi på distriktsnivå.

En av de största fördelarna med att använda batterier i denna typ av hybridkraftverk är att de har mycket snabbare responstid än traditionella gasturbiner. Batterierna kan reagera inom millisekunder och kan tillhandahålla primär frekvensreglering för att stabilisera nätets frekvensfluktuationer. Dessutom kan de hjälpa till att minska den cykliska påfrestningen på gasturbinerna, eftersom batteriet kan ta över uppgifter som att reglera frekvensen även när gasturbinen inte är igång.

Batterierna kan också spela en viktig roll när det gäller att stödja lastöknings- och nedtrappningsprocesser. Om plötsliga lastbortfall inträffar kan batteriet hjälpa till att ta bort överskott av energi från gasturbinen och möjliggöra en mjuk nedstängning. Detta minskar belastningen på både turbin och systemet som helhet.

Det är också viktigt att förstå hur den här teknologin kan integreras i bredare system och nät. De system som beskrivs här är inte bara begränsade till att generera el på kommersiell basis utan kan också spela en vital roll för att stabilisera och optimera elnätet i realtid. Batteriernas kapacitet att lagra och snabbt leverera energi är en avgörande faktor för att kunna hantera variationer i efterfrågan och erbjuda tillförlitlig, ren energi även under belastningstider.

Hur kan syre-lagring i gassturbiner effektivisera energiproduktion?

En annan variant av konceptet, som visas i Figur 8.16, innebär att varmt, pressat syre från turboexpanderns utlopp injiceras i kompressorns utlopp på gasturbinen. Temperaturkontrollen av syret vid gasturbinsgränsen sker genom värmeöverföring i värmeväxlaren för att justera syrets temperatur vid turboexpanderns inlopp. I denna variant ökar nettoeffekten genom ett ytterligare gasflöde till turbinen. Den extra effekten från gasturbinen är i denna variant 12 % av den basala effekten, jämfört med 6 % i den ursprungliga varianten. Applicerbarheten av denna version är dock beroende av godkännande från gasturbinens OEM.

För att bedöma genomförbarheten av de presenterade koncepten gjordes exempelberäkningar. Gasturbinens effektivitet vid drift med vätgas är antagen till 40 %. Lagringstrycket för syret är satt till 700 bar. För olika basvärden på gasturbinens effekt sammanfattas resultaten i Tabell 8.11. Det är viktigt att förstå att den marginella verkningsgraden för syrelagring ligger på 38,6 %. Laddning och urladdning pågår under 8 timmar vardera, och verkningsgraden för den basala processen ökar med ungefär två procentenheter, från cirka 24,3 % till 26,4 %. I praktiken betyder detta att en gasturbin på 125 MWe med 700 bar syrelagring ger extra produktion under urladdning på cirka 20 MWe, vilket gör det möjligt att lagra 160 MWh under ett 8-timmars laddningsurladdningscykel. Detta kan jämföras med en investering på 40 miljoner dollar i litiumjonbatterier, baserat på ett pris på 250 dollar per kWh.

Endtext