Hur man beräknar det minsta separationsarbetet för CO2-avskiljning och dess teknologiska konsekvenser

För att förstå och effektivt beräkna det minsta separationsarbetet (MSW) vid CO2-avskiljning från en gasblandning är det avgörande att först förstå de teoretiska grunderna för denna process. I en isoterma och isobara process, där gasens temperatur och tryck hålls konstant, motsvarar det minsta arbetet som krävs för att separera CO2 från en blandning det negativa värdet av skillnaden i Gibbs fria energi mellan de initiala och slutliga tillstånden i en förenklad fångstprocess. Wilcox [21] ger en detaljerad genomgång av denna princip, som är grundläggande för att förstå den termodynamiska aspekten av CO2-avskiljning.

För att illustrera detta matematiskt, används följande uttryck för MSW:

där $\Delta G$ representerar förändringen i Gibbs fria energi för varje ström. Denna formel används för att uppskatta det arbete som teoretiskt skulle krävas för att separera CO2 från en gasblandning vid olika temperaturer och koncentrationer. För att göra beräkningarna mer praktiska i verkligheten används ofta ett Excel VBA-program, vilket gör det möjligt att effektivt hantera den komplexa formeln och beräkna det minsta separationsarbetet (MSW) baserat på specifika gasflödesdata.

Beräkningen av MSW påverkas av flera faktorer, däribland koncentrationen av CO2 i den ursprungliga gasströmmen och den temperatur vid vilken processen sker. När CO2-koncentrationen minskar eller processen sker vid högre temperaturer, ökar MSW. Detta skapar praktiska problem för exempelvis kraftverk där CO2-koncentrationen i rökgaser från gas- och ångkraftverk (GTCC) ofta ligger vid mycket låga nivåer, som 0,04 (4% CO2), vilket kräver betydligt mer arbete för att uppnå en högre renhet vid fångsten.

Det är också viktigt att förstå att MSW är en teoretisk minimiuppskattning som liknar Carnot-effektiviteten hos en värmemaskin. Detta arbete är praktiskt sett ouppnåeligt, vilket innebär att för att få en realistisk uppskattning måste en "teknologifaktor" införas. Denna faktor, som beskrivs i detalj av Wilcox, representerar den andra lagens (exergetiska) effektivitet och beräknas för ett specifikt kraftverk baserat på dess tekniska specifikationer.

Det är också nödvändigt att ta hänsyn till förlusten i verkningsgrad som sker i processen, där CO2-komprimering och andra anläggningsfunktioner kräver stora mängder energi. Till exempel, komprimering av CO2 till höga tryck kräver mellan 15 och 18 MJ per kmol, vilket ger ytterligare effektförluster. Andra komponenter, som pumpning och amine-cirkulation, lägger till ytterligare energibehov som måste beaktas i den övergripande kalkylen för anläggningens effektförlust.

I en verklig implementation är det också viktigt att överväga de praktiska aspekterna av att integrera CO2-fångstsystemet i ett befintligt kraftverk. Flödeskanaler, boosterfläktar och annan infrastrukturell utrustning för att transportera och bearbeta de gaser som tas bort är avgörande för systemets totala effektivitet och kostnader. Dessutom måste den förlorade ångkraften från turbinens neddragning beaktas, vilket kan påverka kraftverkets övergripande prestanda avsevärt.

Slutligen är det värt att notera att även om den teoretiska modellen ger en grundläggande uppskattning, är det i praktiken omöjligt att uppnå den minsta separationseffekten på grund av ineffektivitet i verkliga system. Detta gör att ingen ren process kan uppnås utan att ta hänsyn till alla de tekniska och praktiska förluster som inträffar i varje steg av fångst- och komprimeringssystemet.

Hur fungerar ett gasturbinssystem i en kombinerad cykel?

De största 50 Hz-gasturbinerna idag är rated på över 500 MWe. För att förstå hur imponerande detta är kan vi jämföra med situationen för mindre än två decennier sedan, när den största 50 Hz-gasturbinen i en kombinerad cykel hade en effekt på mindre än 450 MWe. Utvecklingen är anmärkningsvärd och belyser de stora tekniska framstegen inom gasturbiner och den ökade effekten per enhet.

I en gasturbin finner vi tre huvudsakliga komponenter: axialkompressorn, den torra låg-NOx (DLN) förbränningskammaren och axialturbinen. Dessa är sammankopplade genom en enkel axel som stöds av två lager (ett i varje ände av axeln) och är kopplad till en synkron växelströmsgenerator. Generatorn drivs från kompressoränden av axeln, vilket gör det möjligt att koppla samman turbinens avgaser till inloppet på ångåtervinningssystemet (HRSG) med minimal förlust och underlättar avlägsnandet av generatorrotorn för underhåll.

Gas turbines fungerar optimalt när fyra parametrar är välkända:

1. Effektuttag (i kW eller MW)

2. Verkningsgrad (eller värmeförlust i kJ/kWh eller Btu/kWh)

3. Luftflöde (eller avgasflöde) i lb/s eller kg/s

4. Avgastemperatur (i °F eller °C)

För att göra en snabb uppskattning av entalpin hos avgaserna används en linjär funktion som kan skrivas som:
$HEXH = 0.3003 \times TEXH - 55.576$

En annan viktig termodynamisk egenskap som bör beaktas är exergi, som beskriver den teoretiskt möjliga maximal arbetskapaciteten för en ström av material i en process, vilket innebär att den tas till jämvikt med omgivningen. Exergin för en icke-reaktiv fluidströmm beräknas genom:

Genom att förstå dessa grundläggande termodynamiska begrepp kan man bättre förstå vad som är möjligt i praktiken när det gäller gasturbiner och deras effektivitet. Många kommersiella marknadsföringspåståenden om mycket höga termiska verkningsgrader på 65 % för kombinerade cykelsystem kan vara missvisande, särskilt när de inte tar hänsyn till realistiska driftförhållanden och den ökande miljöregleringen som påverkar systemens faktiska prestanda.

Det är också viktigt att inse att trots framsteg i teknologin, finns det fortfarande begränsningar när det gäller verkningsgrad och effektproduktion under realistiska driftförhållanden. Gasturbinerna har blivit mer effektiva och kraftfulla, men deras kapacitet att uppfylla de ständigt mer strikta miljökraven, tillsammans med den praktiska belastningen från parasitära förluster, gör att vi måste vara försiktiga när vi bedömer deras faktiska prestanda jämfört med de optimistiska modeller som ofta presenteras i marknadsföringen.

Hur fungerar CO2-energilagring och dess potentiella fördelar?

CO2-batterilagring är en intressant och innovativ metod för energilagring som kan förändra hur vi ser på lagring och omvandling av energi i framtiden. Teknologin är nära besläktad med komprimerad luftenergilagring (CAES) och flytande luftenergilagring (LAES), men den använder koldioxid (CO2) som arbetsmedium istället för luft eller andra vätskor. Syftet med denna nya metod är att lösa problem som uppstår vid användning av gasformiga arbetsvätskor som luft, vilket kräver stora lagringsutrymmen och därmed gör systemet mindre praktiskt i stor skala.

För att förstå potentialen för CO2 som ett lagringsmedium är det viktigt att jämföra de olika egenskaperna hos CO2 med andra arbetsvätskor som används inom energilagring. Till skillnad från luft, som är ett lågdensitetsmedium, har CO2 högre densitet, vilket innebär att mindre volym behövs för att lagra samma mängd energi. Detta gör CO2 till en lovande kandidat för att lösa problemet med lagringens omfattning, där stora, ofta dyra, volymer behövs för att hålla en tillräcklig mängd energi i system som använder luft.

I den föreslagna CO2-lagringstekniken används två typer av reservoarer. Den ena är ett lågtrycksreservoir som lagrar den CO2 som pumpas ut från turbinen under urladdningsfasen. Den andra är ett djupare högtrycksreservoir som lagrar CO2 från kompressorn under laddningsfasen. Detta system är en vidareutveckling av den ursprungliga CAES-tekniken, som använder en enda reservoar. En sådan systemdesign ger ett mycket effektivare sätt att hantera koldioxidens lagringsegenskaper och skapar en möjlighet för högre lagringstäthet.

En viktig aspekt av CO2-lagringstekniken är att man kan välja mellan två huvudvarianter: transkritisk (TC) och superkritisk (SC). Dessa varianter skiljer sig åt genom trycket på turbinens in- och utgång, vilket påverkar hur energi omvandlas och lagras. För den transkritiska varianten är CO2-turbinens inloppstryck överkritiskt, medan utloppstrycket är subkritiskt. För den superkritiska varianten är inloppstrycket också överkritiskt, men utloppstrycket är kritiskt.

När det gäller energieffektivitet och den totala lagringskapaciteten, visar experiment och simuleringar att CO2-lagring kan konkurrera med andra energilagringstekniker när det gäller både energitäthet och systemeffektivitet. Enligt den föreslagna designen kan systemet uppnå en rundtripeffektivitetsnivå (RTE) på över 70%, vilket är relativt högt för denna typ av teknologi. Detta gör CO2-lagring till en lovande kandidat för framtidens energilagring, särskilt när man tar hänsyn till behovet av att hantera intermittenta förnybara energikällor som sol och vind.

Ett av de största hindren för CO2-lagring är dock bristen på tillgängliga och lämpliga lågtrycksreservoarer, vilket gör att det inte finns en oändlig källa av lågtrycks-CO2 som det finns med luft. För att övervinna detta hinder har forskare föreslagit att man använder två olika typer av geologiska formationer som reservoarer. Den första lagrar CO2 vid ett lågt tryck och den andra vid ett högre tryck, vilket gör att man kan utnyttja CO2:s specifika egenskaper för effektiv energilagring.

Trots de tekniska framstegen är det dock fortfarande oklart hur kostnadseffektivt och praktiskt genomförbart CO2-batterilagring kommer att vara i stor skala. För att verifiera de påstådda kostnaderna och effektiviteten krävs mer forskning och riktiga studier, som kan ge ett tydligare resultat om den långsiktiga hållbarheten och lönsamheten i denna teknik. Vidare behövs ytterligare data om termodynamiska och massbalanserade analyser för att säkerställa att det är möjligt att uppnå de önskade effektivitetsnivåerna under verkliga driftförhållanden.