Hur effektivitet i CSP-GTCC integration påverkas av olika designalternativ och solenergiuppdelning

När vi betraktar de termodynamiska aspekterna av koncentrerad solenergi och gas-turbinkombinationer (CSP-GTCC), är det tydligt att integrationen är beroende av flera faktorer, inklusive hur effektivt värmeåtervinning och energiöverföring kan optimeras i de olika systemen. Ett av de centrala fenomenen som påverkar denna effektivitet är den exergiförlust som sker i både HRSG (Heat Recovery Steam Generator), ångturbiner (ST) och kondensatorer, vilka alla spelar en avgörande roll för systemets totala prestanda. Denna förlust, som förändras med ökande solenergiprocent, leder till ett gradvis försämrat resultat i systemets verkningsgrad, vilket kan förklara den nedgång i den totala effektiviteten som ses i vissa integrerade system.

I fallet med HRSG, ST och kondensatorn beror exergiförlusten huvudsakligen på kondensatorns tryck. För att förklara detta, om man antar en fast kondensatordesign (med ett givet ytområde för värmeöverföring), ökar mängden ånga som måste kondenseras när mer ånga produceras. Vid en konstant kondensatorstorlek innebär detta att trycket ökar, vilket leder till minskad effekt från ångturbinen. En annan viktig aspekt är hur den exergiförlust som sker i HRSG-systemet beror på den specifika utformningen och storleken på de olika cyklerna, som i sin tur påverkas av solenergiinsatsen.

Vidare påverkas HRSG:s förmåga att återvinna värme av hur väl ångproduktionen från den solenergiuppvärmda delen av systemet samverkar med ånggenereringen från de vanliga gasturbinerna. Ju mer solenergi som tillförs systemet, desto större är risken att den totala vatten-/ångflödet i HRSG överskrider systemets kapacitet att hålla ångtemperaturen på en hög nivå, vilket leder till högre exergiförlust. Detta kan tydligt ses i diagram som visar hur ångtemperaturen förändras beroende på mängden solenergi som integreras i systemet.

När vi går vidare i diskussionen om de olika typerna av CSP-GTCC integration, visar det sig att det finns flera designalternativ för att maximera systemets prestanda. Generellt sett, när vi analyserar de olika alternativen för extern värmeöverföring (som att använda solenergi för att generera ånga vid olika trycknivåer), är det klart att vissa alternativ är mer fördelaktiga än andra. För de som önskar maximal effekt från det solenergiuppvärmda systemet, är det bäst att fokusera på att generera ånga vid högre tryck, exempelvis HP (högtryck) ånga, vilket ger en högre kapacitet för att driva ångturbinerna effektivt. På detta sätt maximeras den förnybara solenergin, och systemets ekonomiska och tekniska effektivitet optimeras.

Om man istället väljer att generera ånga vid lägre tryck (t.ex. IP eller LP, intermediärt eller lågtryck), blir resultatet förvisso kostnadseffektivt men leder till en lägre termisk effektivitet. Detta förklaras av det faktum att lägre tryck innebär lägre temperaturer och mindre kapacitet att omvandla solenergi till användbar elektricitet. Även om den här lösningen är billigare kan dess begränsade prestanda vara en nackdel för projekt där maximalt utnyttjande av solenergi är prioriterat.

Slutligen, när vi talar om den långsiktiga ekonomiska genomförbarheten av CSP-GTCC, är det viktigt att förstå att kostnaden för solenergisystemet, trots de tekniska fördelarna, kan vara mycket varierande beroende på projektets specifika förutsättningar. Här spelar faktorer som val av solenergi-teknologi (t.ex. LFR eller PTR), systemstorlek, samt ekonomiska faktorer som kapitalinvesteringar och driftkostnader en stor roll. För att göra ett realistiskt val mellan olika alternativ, krävs noggranna studier och en detaljerad ekonomisk analys för att förstå den fulla kostnaden i relation till de förväntade vinsterna.

Hur påverkar salinitet och hårdhet kostnaden och effektiviteten i ZLD-anläggningar?

Vid utvärdering av ZLD (Zero Liquid Discharge) -anläggningar är en av de mest framträdande faktorerna som påverkar både kostnaden och prestandan i systemet salinitet (TDS) och vattenhårdhet. Dessa faktorer spelar en betydande roll i att bestämma vilken typ av anläggning som ska användas samt den långsiktiga ekonomiska hållbarheten för processen.

Enligt en omfattande studie av ZLD-anläggningar, där olika konfigurationer av avsaltningssystem utvärderades, visade det sig att de ekonomiska fördelarna i stor utsträckning beror på vattenkvaliteten, särskilt koncentrationen av totala lösta fasta ämnen (TDS) och den totala hårdheten (TH) i vattnet. För ZLD-anläggningar som använder membranteknologier, som omvänd osmos (RO), var det tydligt att högre salinitet ökade de årliga driftskostnaderna. Vid lägre salinitet och hårdhet visade det sig att membransystem (typ 3) var mer kostnadseffektiva, särskilt när dessa system kombinerades med lagringsalternativ som avdunstningstankar.

För anläggningar med högre hårdhet, som de där kalkmjölk används för förbehandling, visade det sig att dessa anläggningar också var mer kostnadskrävande. På så sätt spelar vattenhårdhet en nyckelroll i valet av teknologi. Anläggningstyp 2A visade sig vara ett kostnadseffektivt alternativ när man jämförde med andra anläggningar med liknande återvinningsnivåer, och kostnaderna för anläggningarna blev mer hanterbara om dedikerad deponi uteslöts från den kapitalinvesteringen. Det bör dock noteras att anläggningar med kristallisatorer (Typ 1B och 2B) visade sig ha högre driftskostnader, trots deras bättre återvinningsförmåga.

För att optimera både kostnader och effektivitet rekommenderas det att noggrant överväga den förväntade vattenkvaliteten vid projektering av ZLD-system. Vid låga TDS-nivåer kan ett enklare membransystem (typ 3) vara det mest ekonomiska alternativet, särskilt om det kombineras med avdunstningstankar. Vid högre TDS och hårdhet, eller om det finns behov av högre återvinningsgrader, kan en kombination av membranteknologi och termisk avdunstning (typ 2B) vara det mest lämpliga valet.

En annan faktor som måste beaktas är tillförlitligheten hos systemet. Komplexa ZLD-system med flera komponenter, särskilt de som innehåller både membransystem och termisk avdunstning, har en lägre systemtillförlitlighet. Detta innebär att om en komponent går sönder kan hela systemet påverkas. För att hantera detta riskmoment rekommenderas det att investera i tillräcklig lagringskapacitet, såsom brine- och koncentratlagringstankar, för att möjliggöra fortsatt drift av anläggningen under perioder av driftstopp eller planerat underhåll.

Det är också viktigt att inte underskatta arbetskraftens roll vid drift och underhåll av ZLD-anläggningar. I en detaljerad analys av arbetskraftens tidsåtgång visades det att drift och felsökning av de mest avancerade systemen (som HERO™ och RO/EDI) kräver betydligt mer tid jämfört med enklare anläggningar. Detta måste beaktas vid planering av både den initiala kapitalinvesteringen och de löpande driftkostnaderna för ZLD-systemet.

Det finns därför ett antal faktorer att noggrant beakta för att välja den mest kostnadseffektiva och hållbara lösningen för ZLD-behandling, och dessa faktorer är beroende av både den specifika vattenkvaliteten samt den tekniska komplexiteten och tillförlitligheten hos de valda systemen.