Enligt beräkningar baserade på data från US EIA (Energy Information Administration) och annan litteratur, är mängden CO2 i atmosfären ett allvarligt problem för både klimatet och framtida energiutmaningar. Den globala mängden CO2 i atmosfären uppgår till ungefär 636 ppmw (parts per million by weight), vilket motsvarar 3 274 Gt CO2 i den totala massan av atmosfärisk luft på 5,15 miljoner Gt. Om vi fokuserar på utsläppen från elektricitet som produceras med fossila bränslen, var CO2-utsläppen från naturgasdrivna kraftverk 0,56 Gt 2019, medan kolkraftverk bidrog med 0,95 Gt samma år.

Det är dock värt att notera att utsläppen från kraftsektorn i USA minskade med hela 3,3 % (450 miljoner ton) under 2020, vilket till stor del berodde på effekterna av Covid-19-pandemin. År 2021 var uppskattningen för dessa utsläpp 1,51 Gt, eller 0,294 ppmw. För att illustrera hur mycket CO2 som kan fångas och lagras om hela flotta av gas- och kolkraftverk utrustades med koldioxidavskiljningstekniker, krävs det att man hanterar en massiv mängd: 1,51 Gt, eller 1 510 miljoner ton CO2.

Enligt en rapport från US DOE NETL från 2010 är EOR (Enhanced Oil Recovery) den största industriella användningen av CO2, med ungefär 9 miljoner ton CO2 årligen. Stora delar av detta CO2 kommer från geologiska källor, som lagras under jorden, och inte från antropogena (mänskliga) källor. När CO2 injiceras för EOR förblir 90–95 % av gasen inlåst i de geologiska formationerna där oljan en gång fanns. Detta gör EOR till en potentiell lösning för hantering av fångad CO2, även om det inte är den mest optimala lösningen.

Men även om EOR används för att hantera delar av den CO2 som fångas, räcker det inte för att lösa det globala problemet. Om vi skulle öka EOR-användningen tio gånger för att hantera 100 miljoner ton CO2, skulle det fortfarande endast vara en bråkdel av den mängd CO2 som behöver hanteras. För att hantera 1 500 miljoner ton CO2, motsvarande 0,2 ppmv, behövs det mycket mer kapacitet för att lagra och utnyttja den fångade gasen.

För att förstå den verkliga omfattningen av problemet är det viktigt att tänka på vilka alternativ som finns för att lagra och använda koldioxid på ett effektivt sätt. Direkt lagring av CO2 under marken kan vara en lösning, men den kräver specifika geologiska förutsättningar och stora investeringar i infrastruktur. På samma sätt är användning av fångad CO2 för andra ändamål som dryckeskolsyra och livsmedelsindustrin endast en mycket liten del av den totala CO2-mängden.

Det är också avgörande att förstå att även om teknologier för koldioxidavskiljning och lagring (CCS) förbättras, kommer dessa åtgärder att kräva enorma resurser för att implementeras i global skala. Effektiviteten av dessa system beror inte bara på tekniken i sig utan också på den infrastruktur som behövs för att transportera och lagra den fångade CO2. Detta gör det till en utmaning att utveckla en global lösning på problemet med koldioxidutsläpp.

Avslutningsvis är det avgörande att förstå att koldioxidavskiljningstekniker (CCS) är nödvändiga för att minska växthusgasutsläpp från kraftverk, men de är bara en del av en mycket större lösning. Att skapa en mer hållbar energiframtid kräver en helhetslösning som inte bara fokuserar på att fånga och lagra CO2, utan även på att minska koldioxidutsläppen genom övergången till förnybar energi och mer energieffektiva system. Teknologiska framsteg, politisk vilja och samhälleligt stöd kommer att vara avgörande för att uppnå en verklig förändring i kampen mot klimatförändringar.

Hur effektiviteten i koldioxidavskiljning påverkar prestanda och kostnader för kraftverk

I dagens energi- och miljödebatt är koldioxidavskiljning (CCS) en kritisk teknologi för att minska utsläppen av växthusgaser från kraftverksindustrier. Ett exempel på den tekniska lösningen som används för att fånga koldioxid från kraftverk är användningen av monoetanolamin (MEA) som lösning för kemisk absorption. Men hur påverkar den här tekniken den totala effektiviteten och kostnaden för kraftverket?

För att förstå dessa effekter är det viktigt att analysera både den teoretiska och praktiska aspekten av koldioxidavskiljningens inverkan på ett avancerat gaskombinerat cykelkraftverk (GTCC), vilket demonstreras genom användningen av Thermoflow, Inc.’s GT PRO-programvara. Här används en GE 7HA.02 gasturbin som exempel. Gasturbinen är en del av den HA-klassiga produktlinjen och har en nominell uteffekt på 385,5 MWe vid ISO-baserad belastning och en termisk effektivitet på 42,7%. När koldioxidavskiljning införs påverkas både den elektriska effekten och effektiviteten på olika sätt.

Den termiska effekten beräknas till 546,9 MWe med en netto LHV-effektivitet (lägre värmevärde) på 61,26%. I denna modell är det antaget att koldioxidavskiljningen når en effektivitet på 95%, och att energiåtgången för strippning är 3 721 kJ per kg CO2. För att ge en konkret uppfattning om energiåtgången, krävs en specifik ångströmflöde på 53,8 kg/s för att uppnå en värmeavgivning på 115,7 MWth vid 3,5 bar ångtryck.

Den största effekten av att implementera PCC (post-combustion capture) är den så kallade "capture penalty", det vill säga den förlorade nettoeffekten. Detta resulterar i en 14% minskning i nettoeffekten för kraftverket, vilket motsvarar en ökning av värmeförbrukningen per producerad kWh med 16,3%. I absolut tal innebär det att effekten minskar med 76,6 MWe, varav mer än hälften (42,4 MWe) beror på den minskade produktionen från ångturbinen.

Förutom den elektriska effekten påverkas också kostnaden för att bygga ett sådant anläggningssystem. Enligt GT PRO:s EPC-estimat (Engineering, Procurement and Construction) för en basanläggning är byggkostnaden $330 miljoner eller cirka $600/kW. Med den integrerade koldioxidavskiljningsanläggningen stiger kostnaden till $831 miljoner, eller $1 765/kW. Denna kostnadsökning speglar de extra komponenterna som krävs för att hantera CO2-fångstprocessen, såsom kompressorer, absorberkolonner, och strippningsenheter.

För att optimera driften av koldioxidavskiljningen krävs en välplanerad kontrollstrategi. I ett typiskt system som använder MEA-baserad kemisk absorption är det viktigt att övervaka och justera flödet av den magra aminen i absorberkolonnen baserat på mätningar av CO2-koncentrationer i inloppet. Kontrollsystemet använder en förhandsstyrd beräkning för att justera aminförloppet och säkerställa att önskad CO2-avskiljning uppnås. I praktiken innebär detta att under uppstartsfasen krävs noggrant samordnade åtgärder för att säkerställa att alla system är stabila innan den fullständiga produktionen av CO2 kan börja.

Det är också viktigt att förstå att koldioxidavskiljning innebär ytterligare energiförbrukning utöver de direkta energibehoven för att fånga CO2. Till exempel kräver drift av kompressorer, pumpar och fläktar en stor mängd elektrisk kraft. Effekten av dessa tilläggslaster måste beaktas när man utvärderar den totala effektiviteten för ett kraftverk med koldioxidavskiljning. De ekonomiska effekterna av detta måste vägas mot fördelarna i form av reducerade CO2-utsläpp.

Vidare innebär den termiska påverkan på turbinens ångflöde att turbinens totala prestanda också påverkas. För att kompensera för förlorad ångproduktion måste vissa system, som luftkylda kondensatorer (ACC) och kondensatpumpar, anpassas för att hantera förändrade driftförhållanden. Detta kan skapa ytterligare kostnader och operativa utmaningar för kraftverken.

Sammanfattningsvis påverkar koldioxidavskiljning i en gaskombinerad cykelkraftverksanläggning både ekonomiskt och operativt. För att optimera driften och minimera de ekonomiska påföljderna är det viktigt att noggrant balansera de tekniska och ekonomiska aspekterna av systemet, samt att kontinuerligt övervaka och justera driftparametrarna för att säkerställa att CCS-teknologin är både effektiv och ekonomiskt hållbar på lång sikt.

Hur aeroderivativa gasturbiner skiljer sig från andra typer och deras tillämpningar

Gasturbiner som används i industriella sammanhang kommer i olika storlekar och konfigurationer, beroende på den specifika applikationen de är avsedda för. De små, fleraxlade gasturbiner som diskuteras här, också kända som aeroderivativa turbiner, har sin ursprungliga konstruktion baserad på modifierade jetmotorer för flygplan. Dessa turbiner är inte bara mindre och mer kompakta, utan de erbjuder även hög effektivitet för sina storlekar, vilket gör dem mycket populära i både landbaserade och marina tillämpningar.

En typisk aeroderivativ gas-turbine, som exempelvis GE:s LM-klass eller Pratt & Whitney:s FT-klass (numera ägd av Mitsubishi Power), har ett unikt flerdimensionellt system där turbinen drivs av ett axkompressorpar kopplat till en högtrycksturbin. Denna konstruktion kallas ofta för en gasgenerator, som i sin ursprungliga flygplansform också utgör jetmotorns kärna. I flygplansapplikationer produceras den användbara effekten i form av dragkraft, men i markbaserade och marina system används denna gasström istället för att generera mekanisk energi som driver en generator eller propeller.

För aeroderivativa gasturbiner är den termodynamiska effektiviteten oftast hög, med cykelförhållanden (PR) som kan ligga över 30:1 och ibland upp till 40:1, vilket innebär att de arbetar vid relativt höga temperaturer och med låg specifik effekt. Detta innebär att även om de är mycket effektiva vid drift, har de en liten luftflöde och hög rotationshastighet för att hålla turbinen kompakt och effektiv i sin användning.

Aeroderivativa turbiner är dock inte de bästa kandidaterna för tillämpningar där en kombinerad cykel används för att maximera den termiska effektiviteten, som i större, stationära kraftverk. Det beror på att deras låga flöden av exhaustgas och de relativt låga avgas-temperaturerna gör att det blir svårt att skapa en effektiv bottoming-cykel, det vill säga en ångcykel som kan utnyttja spillvärme för att producera ytterligare energi. Till exempel kan en GE LM6000 med en effektivitet på 42,1 % och en avgasflödeshastighet på 132,6 kg/s endast teoretiskt producera omkring 25 MW vid en sådan cykel, vilket är långt under de mer optimala systemen för kombinerade cykler som når över 60 % effektivitet.

Denna typ av turbin är däremot väl anpassad för små kogenereringssystem, där både el och värme genereras samtidigt för industriella processer eller för kraftförsörjning i avlägsna områden. Det gör dem mycket användbara för mindre tillämpningar där hög effektivitet och snabb start är avgörande.

En av de största faktorerna bakom framstegen inom gasturbinteknologi under de senaste decennierna är den ständiga ökningen av den så kallade Turbine Inlet Temperature (TIT), som i modern teknik kan ligga mellan 1 300 °C och 1 650 °C, beroende på turbinens klass och design. Detta har gjort det möjligt att förbättra både enkel och sammansatt cykeleffektivitet avsevärt. För att upprätthålla de extremt höga temperaturerna som dessa turbiner utsätts för, används avancerade material som nikal-baserade superlegeringar samt sofistikerade kyltekniker. Det är denna höga temperaturtålighet som gör det möjligt att producera så hög effekt från små och medelstora turbiner utan att kompromissa med livslängden på de rörliga delarna.

För att förstå varför just aeroderivativa turbiner är så användbara, måste man beakta de termodynamiska och mekaniska aspekterna. Det handlar om att balansera tryck, temperatur och flöde så effektivt som möjligt för att producera så mycket energi som möjligt från en given mängd bränsle. Medan de är mindre lämpade för användning i storskaliga kraftverk med kombinerade cykler, gör deras höga termiska effektivitet och kompakta design dem till ett optimalt val för många industriella och maritima applikationer.

Den ökande utvecklingen av nya material och tillverkningsprocesser har gjort det möjligt att designa gasturbiner som tål ännu högre temperaturer och som därmed kan drivas med ännu högre effektivitet. Till exempel, användningen av termiska barriärbeläggningar (TBC) på de mest utsatta delarna, såsom turbinskivorna, har ökat förmågan hos dessa turbiner att klara extrem värme. Dessa beläggningar fungerar som en keramisk rustning som skyddar de rörliga delarna från att smälta eller deformeras under driften.

Det är också viktigt att förstå att effektiviteten hos dessa system inte bara beror på själva turbinens design utan även på hur dessa turbiners komponenter är sammanlänkade och hur energin från en komponent kan överföras till en annan, exempelvis genom värmeåtervinningstekniker eller kopplade kylsystem. Denna typ av integration gör aeroderivativa gasturbiner både mångsidiga och användbara i ett brett spektrum av applikationer, från elektrisk kraftproduktion till maritim propulsion och industriell värmeproduktion.

Hur Framväxande Innovationer Förändrar Vår Framtid
Hur man säkert kör genom Blue Ridge Mountains: Sky-Line Drive och Blue Ridge Parkway
Hur skapar och hanterar man volymer i Cinder för GitforGits och hanterar komplexa lagringsbehov?