Termisk energiutvinning genom fasförändring (PCM) erbjuder en intressant lösning för att lagra energi, särskilt i jämförelse med enskilda fas-system som använder enbart känslig värme. Eftersom värmen som lagras i material genom fasförändring är avsevärt högre än den känsliga värmen, kan lagringssystem med PCM minskas i storlek jämfört med de som enbart använder känslig värme. Trots detta medför användningen av PCM material vissa designutmaningar. En av de största svårigheterna ligger i överföring av värme och valet av medium, då detta är mer komplicerat och materialets prestanda ofta kan försämras efter ett visst antal frysnings- och smältcykler. Ett annat hinder är att PCM-material kräver en kaskadkonfiguration för att hantera temperaturskillnader mellan de varma och kalla temperaturreservoarerna, eftersom smältpunkten är konstant.

Värmeöverföring degraderas också under urladdning på grund av att fasta ämnen bildas, vilket leder till strukturella problem i materialet som inte har undersökts tillräckligt. För att undvika dessa problem och minska förluster vid värmeöverföring kan nya material och teknologier som så kallade Miscibility Gap Alloys (MGAs) erbjuda en lösning. Dessa legeringar innehåller diskreta, inneslutna mikrostrukturer av en metall, som koppar (Cu), inuti en tät matris av en annan metall, till exempel järn (Fe).

Fördelarna med MGA-material är deras exceptionellt höga värmeledningsförmåga, relativt höga energitäthet och ett stort temperaturområde. Dessutom kräver dessa material ingen rörlig del, vilket gör dem attraktiva i termiska lagringssystem. MGA-block kan enkelt integreras med rör för att överföra värme genom systemet. Under laddning smälts material som aluminium i blocken genom elektriska strålningsvärmare, och under urladdning överförs värme till vatten som ångas och används i en turbin för att generera elektricitet.

En annan teknologisk möjlighet är termokemisk lagring, som involverar fullt reversibla kemiska reaktioner. Här används värme för att inducera en endotermisk reaktion i lagringsmediet. Genom att återvända reaktionen kan den lagrade energin återvinnas. Fördelen med denna metod är den mycket höga energidensiteten och det faktum att energin kan lagras på obestämd tid vid nära ambienttemperatur. Nackdelarna omfattar komplexiteten i reaktionskinetik och materialens egenskaper, samt potentiella risker som giftighet och brandfara.

När vi ser på utvecklingen av lagringssystem är också den så kallade LSCC-teknologin (Liquid Salt Combined Cycle) en viktig innovation. Här används flytande salt som överföringsvätska (HTF) för att lagra överskottsenergi. Under laddningsfasen används billig eller överskottsenergi för att värma HTF och lagra denna energi i en het tank. Under urladdning överförs den lagrade energin till matande vatten genom en ånggenerator. Denna teknologi tillåter förbättrad effektivitet i ångturbiner genom att öka ångflödet och ge ett mycket större effektuttag från samma system.

Det är viktigt att förstå att även om de olika lagringssystemen erbjuder fördelar såsom hög energidensitet och lång lagringstid, så medför dessa teknologier också vissa tekniska och ekonomiska utmaningar. De kräver noggrann design och val av rätt material, samt att man beaktar effekterna av långsiktig användning, som cykliska temperaturförändringar och strukturell försvagning. Lagring av termisk energi genom kemiska reaktioner och flödande smältvätskor är lovande, men systemens komplexitet och kostnader måste beaktas innan de kan implementeras i stor skala.

Det är avgörande för läsaren att förstå att även om teknologierna för termisk energilagring är mycket lovande, handlar det om att balansera mellan hög energiutnyttjande och tekniska begränsningar. Lagring av energi, vare sig det handlar om värme eller elektricitet, ställer krav på både materialforskning och systemdesign för att säkerställa långsiktig hållbarhet och effektivitet.

Vilka faktorer påverkar valet av arbetsvätska för en sluten cykelgasturbin?

Vid val av arbetsvätska för en sluten cykelgasturbin finns två parametrar som är avgörande: specifik värme och värmeöverföringskoefficient (HTC). Enligt Lee et al. [8] kan dessa två parametrar korreleras med varandra genom HTC / c0p:453 för ett konstant rördiameter och tryckfall per enhet rörlängd. För att uppnå bästa möjliga prestanda hos en sluten cykelgasturbin, mätt i termer av termisk verkningsgrad, är det nödvändigt att beakta två kritiska faktorer: recuperatorns effektivitet och tryckförlust i rör, kanaler och värmeväxlare. Anledningen till detta är den låga cykeltrycksratio som är optimal för en återvunnen cykel men mycket känslig för tryckförluster. Därför är uppnåendet av hög värmeöverföringseffektivitet på ett kostnadseffektivt sätt, utan att orsaka höga tryckförluster, starkt beroende av en hög HTC.

Helium har visat sig vara överlägset andra arbetsvätskor i detta avseende, vilket tydligt illustreras i figur 9.5. Det finns fyra potentiella gaser som kan användas som kylvätskor för kärnreaktorer: luft, kväve, helium och koldioxid. Luft är kostnadsfri men innehåller fukt och föroreningar som kan försämra reaktorns funktion både kemiskt och nukleärt. Kväve är bättre men blir något radioaktivt. Både koldioxid och helium har använts som kylvätskor i gaskylda snabba reaktorer. Vid reaktortemperaturer runt 600°C dissocierar CO2 emellertid till kolmonoxid och syre under inverkan av värme och strålning (radiolytisk dissociation). Det fria syret som bildas vid dissociationen oxiderar grafiten och metallstrukturerna, vilket gör att oxidationstakten blir oacceptabel vid högre temperaturer. Även om N2 eller CO2 kan ersättas av luft vid nödsituationer utan mekaniska problem, skulle resultatet bli begränsat i fallet med CO2.

Vid samma reaktortryck kommer ett CO2-kylsystem att kräva mindre pumpkraft än ett heliumkylt system. Å andra sidan är heliumets värmeöverföringskoefficient ungefär två gånger högre än för CO2, vilket gör helium överlägset ur en termohydraulisk synvinkel. Dock är helium dyrare att pumpa vid ett givet tryck och dyrare att hålla tätt vid högre tryck, då det är lätt att läcka genom även mikroskopiska sprickor. Eftersom helium är inert påverkas det inte av samma dissociationsproblem som CO2, men det finns ändå möjligheter till kemisk påverkan på strukturella material. De flesta vanliga strukturella metaller skyddas av ett tunt, självåterbildande oxidlager som bildas naturligt i en syrehaltig atmosfär. I en inert atmosfär, som den som förekommer i helium, om oxidlageret skadas finns ingen syre tillgängligt för att reparera det. En ytterligare utmaning är att ytmaterialen i kontakt, såsom lager, ventiler och gängor, kan sammanfogas genom diffusion (diffusionsbindning), vilket kan skapa problem i säkerhetssystem, särskilt i ventiler för borttagning av värme vid nedsatt effekt.

Helium är dock dyrt. I 2016 års priser var det ungefär 85-105 dollar per 1000 kubfot, vilket motsvarar cirka 3500 dollar per kubmeter eller 20 000 dollar per ton. Detta kan jämföras med cirka 500 dollar för kväve och mindre än 50 dollar för koldioxid. Med tanke på att ett kärnkraftverk med en effekt på 100 MWth kan kräva upp till ett ton helium, innebär det att det ekonomiska utlägget för en heliumkyld reaktor blir avsevärt högre. För en 1000 MWe heliumkyld kärnreaktor skulle lagret av helium kosta cirka 500 000 dollar. Eftersom helium lätt läcker genom även de minsta öppningarna krävs hermetiska tätningar, vilket gör att läckage kostar mycket att åtgärda.

När man ser tillbaka på historien om arbetsvätskor och cyklar är det lätt att förstå de beslut som fattades på 1940- och 1950-talet. I början av den nukleära eran var det primära målet att producera plutonium för atombomber. Samtidigt började den amerikanska flottan utveckla atomkraft som drivkraft för ubåtar, vilket också satte press på utvecklingen av nya kylvätskor och kraftcykler. De tidigaste alternativen inkluderade flytande metallkylning och trycksatt vattenkylning. På grund av de praktiska utmaningarna och teknologins utvecklingsnivå valde man på 1940-talet att använda ångturbiner som drivmotor, även om gasturbiner för elproduktion var under utveckling. Ångturbiner förblev det bästa alternativet fram till 1950-talet då gasturbiner började användas för viss elproduktion.

Det är också viktigt att komma ihåg att valet av arbetsvätska inte enbart beror på termiska egenskaper och kostnad. Det finns också praktiska och långsiktiga konsekvenser att överväga, såsom materialets hållbarhet, driftssäkerhet och underhållskostnader. På lång sikt kommer val av arbetsvätska att påverka både effektiviteten i energiproduktionen och säkerheten i drift, vilket gör valet av rätt vätska till en mycket komplex men avgörande faktor för framtida kärnkraftsprojekt.

Hur kan cellernas senescens spela en central roll i neurodegenerativa sjukdomar och behandlas genom innovativa terapier?
Hur konspirationsteorier undergräver det politiska systemet och partiväsendet
Hur Ekonomisk Kris och Austeritet Påverkar Fake News och Medielandskapet
Vad gör Kaliforniens Central Coast till ett matparadis?
Hur VR-teknologi förbättrar användarupplevelse och produktdesign genom interaktivt lärande