Hur påverkar drift och integration av solenergi CSP-anläggningar och gasåtervinningssystem?

Drift och integration av koncentrerad solenergi (CSP) i kraftverk har visat sig vara ett komplext och ofta utmanande område, särskilt när det gäller att upprätthålla stabiliteten och effektiviteten i systemen. Ett av de centrala elementen i drift av ett CSP-system är den dynamiska kontrollen av ångtemperaturen. I ett typiskt system med en linjär Fresnel-reflektorfält (LFR) och en central mottagare för ångsupervärme (SSG), kan ångtemperaturen vid SSG-utgången endast justeras genom att ändra flödeshastigheten genom supervärmaren. En ökning i matvattenflödet sänker ångtemperaturen, medan en minskning av flödet leder till en temperaturökning. Denna form av temperaturkontroll är ganska primitiv och inte särskilt responsiv, vilket begränsas av både materialet i SSG och de maximala och minimala flödeshastigheter som praktiskt kan uppnås.

I vissa designlösningar fungerar solens mottagare som en supervärmare. Här matas matvatten från pumpen till LFR-fältet, och ångan som genereras går vidare till en separatorbehållare, där vätskan återcirkuleras tillbaka till LFR-fältet. Ånga som separeras skickas till SSG för ytterligare uppvärmning. Om flödeshastigheten från separatorn reduceras till ett definierat minimum, öppnar bypassventilen för att leda en del av mättad ånga från separatorn till SSG, vilket säkerställer att flödet hålls på en nivå som förhindrar att turbinens säkerhetssystem utlöser ett stopp.

Driftssäkerheten och effektiviteten hos CSP-system är beroende av att alla komponenter är utformade för att hantera systemets dynamiska beteende. Det är en viktig aspekt vid designen av ett CSP-verk att beakta de temperaturgradienter som kan uppstå under drift och att säkerställa att dessa gradienter inte överskrids, eftersom detta kan orsaka mekaniska problem som leder till skador på utrustningen.

En grundläggande aspekt för att säkerställa effektiv drift och undvika överraskningar är användningen av precisa prestandamodeller. Dessa modeller måste kunna beakta det transienta beteendet hos anläggningen, inklusive uppstarter, avstängningar, intermittenta moln och operationella övergångar. Sådana modeller är ett måste och bör vara levererade av oberoende tredjepartsaktörer som kan verifiera och validera deras tillförlitlighet.

Förutom de tekniska utmaningarna finns det även andra integreringsmöjligheter som kan förbättra effektiviteten i dessa anläggningar. Ett exempel på en sådan integration är att kombinera solenergi med gasturbiner i ett kombinerat cykelsystem (GTCC). Den enklaste metoden för att göra detta är att använda solenergi för att förvärma gasen som används i gasturbinen, vilket minskar behovet av fossila bränslen och därmed minskar driftskostnaderna. Denna metod innebär dock en liten förlust i ångturbinens effekt, eftersom den IP-ångström som används för att värma upp naturgasen tas från HRSG-systemet.

En mer avancerad, men också mer komplicerad, lösning är att ersätta gasturbinen förbränningssystem med en solmottagare. Detta kan göras genom att leda luft från kompressordisken genom solmottagaren, en process som potentiellt kan eftermonteras på befintliga gasturbiner. Det finns dock stora tekniska svårigheter förknippade med denna metod, särskilt relaterade till stabiliteten i förbränningssystemet och kontrollproblem som uppstår på grund av fluktuationer i solstrålningen, vilket påverkar temperaturerna i turbinens inlopp.

Vidare har det genomförts flera projekt som försökt att utveckla trycksatta solmottagare för användning i solenergi-hybridgasturbiner, exempelvis REFOS, en trycksatt volymetrisk solmottagare utvecklad inom ramen för EU:s SOLGATE-projekt. Trots initiala tester vid höga temperaturer, har de tekniska problemen med denna lösning, såsom tryckfall och hållbarhet hos de keramiska komponenterna, ännu inte lösts på ett kostnadseffektivt sätt.

Den solenergi-baserade teknologin erbjuder dock möjligheter för en mer hållbar energiproduktion, men de tekniska utmaningarna måste beaktas noggrant. Designen av både CSP-anläggningar och hybridgasturbiner måste utformas med tanke på de specifika dynamiska och termiska belastningarna, och alla komponenter måste kunna hantera de plötsliga och ofta oförutsägbara variationerna i solens strålning. Driftsförhållandena och den effektiva integrationen av solenergi kommer att vara avgörande för hur framgångsrika dessa teknologier blir i framtiden.

Hur kan vi effektivt använda väte i gaskompressor för att minska koldioxidutsläpp?

För att minska koldioxidutsläppen är en av de mest diskuterade lösningarna bland forskare och ingenjörer att blanda naturgas med väte. Denna blandning kan bidra till att minska mängden koldioxid (CO2) som produceras vid förbränning i gasturbiner. Förhållandet mellan vätehalten och CO2-reduktion är direkt kopplat: ju högre vätehalt, desto större minskning av CO2-utsläpp. För att uppnå en 50 % reduktion i CO2-utsläpp krävs en blandning som består av cirka 75 % väte och 25 % metan (CH4). Om man istället ser på bränslets värmeinnehåll, innebär en 50:50 blandning av väte och metan samma reduktion i koldioxidutsläpp.

Det är dock viktigt att förstå att även om detta kan vara en effektiv metod för att minska utsläpp, medför det nya utmaningar för energisektorn. En sådan lösning skulle kräva betydande förändringar i infrastrukturen för att hantera och förbränna sådana blandningar i gaskompressorer. Till exempel skulle en gasturbin som är dimensionerad för att arbeta på en 50:50 väte-metankombination behöva fungera vid en kapacitetsfaktor som är dubbelt så hög som för när den använder ren naturgas. Detta innebär att den skulle behöva utnyttja all tillgänglig vindkraft i Tyskland från 2016 för att kunna fungera effektivt.

Det är också viktigt att förstå att väte som biprodukt från industriprocesser eller petrokemiska processer, som inte producerar tillräcklig mängd väte för att fullt ut driva en gasturbin, också kan utgöra en utmaning. I dessa fall blandas väte med naturgas för att kunna användas som bränsle i gasturbiner.

Att bränna väte i gasturbiner har sina egna problem. Vätespecifika egenskaper, såsom hög flammhastighet, låg tändenergi och en mycket hög förbränningstemperatur, kan skapa svårigheter. Detta kan leda till problem som till exempel flashback (när lågan rör sig bakåt genom bränsleflödet) och överdriven produktion av kväveoxider (NOx) som uppstår vid de höga förbränningstemperaturerna. För att hantera dessa problem krävs förbättrade förbränningsteknologier.

För att kunna förbränna väte effektivt och minska NOx-utsläppen krävs det en speciell förbränningsteknik. Det finns två huvudtyper av förbränningssystem som används för att hantera väte: diffusionsflamsystem och förblandade flamsystem som t.ex. Dry-Low-NOx (DLN) och Dry-Low-Emissions (DLE) system. Diffusionsflamsystem har använts i många äldre gasturbiner och har visat sig fungera bra vid förbränning av bränslen med låg värmeinnehåll, inklusive syntesgas och gaser från stålverk eller raffinaderier. Däremot kräver dessa system tillsats av diluenter, som exempelvis vatten eller ånga, för att kontrollera NOx-produktionen.

För att uppnå effektiva och säkra lösningar för att förbränna väte krävs det ett nära samarbete mellan forskare och industrin för att vidareutveckla förbränningsteknologier och skapa en effektiv infrastruktur för väteproduktion och distribution. Det är också viktigt att förstå att vätebränslen inte är den enda lösningen på de globala utsläppsproblemen, utan de bör ses som en del av en större strategi för att dekarbonisera energisektorn.