Vad påverkar den ekonomiska och tekniska effektiviteten vid optimering av ISCC-system?

En stor faktor vid optimering av ISCC-system (Integrated Solar Combined Cycle) är att förstå de tekniska och ekonomiska kompromisser som uppstår vid designval, särskilt när det gäller placeringen av vattenintagspunkt i värmeåtervinningsdampgeneratorn (HRSG) samt hur detta påverkar den totala effektiviteten och kostnaden. I grund och botten handlar det om att hitta en balans mellan att maximera solenergiutbytet och samtidigt hålla nere kostnaderna för systemet.

En särskilt viktig aspekt vid optimering är placeringen av vattenintagspunkten. Exergioptimeringsprincipen, som ofta rekommenderar att placeringen av intagspunkten ska vara vid punkt A i diagrammet, visar på fördelarna med att maximera termodynamisk effektivitet. Men genom att flytta vattenintaget till en lägre temperaturkälla (punkt C i diagrammet) kan en betydande mängd ångproduktion minskas, vilket i sin tur leder till att mer värme från gasturbinerna kan användas för att producera ånga i de lägre trycksektionerna, vilket ger en ökning av den totala ångproduktionen vid IP (Intermediate Pressure) och LP (Low Pressure) nivåer.

En intressant observation här är att den största ökningen i effekt och effektivitet inte nödvändigtvis sker vid den punkt där exergin är maximalt utnyttjad, utan snarare vid den punkt där det totala solvärmeutbytet maximeras. Detta kan tyckas kontraintuitivt, eftersom man ofta skulle anta att högre exergi alltid skulle leda till högre termisk effektivitet, men i detta fall är syftet att öka den totala solenergiinsatsen och därmed solkraftproduktionen. Denna balans kan vara svår att hitta och kräver noggranna avvägningar.

Vid samma tidpunkt innebär en större solvärmeinsats att mer energi behöver tillföras för att förvärma det kallare vattnet. Detta leder till en ökning av värmeinmatningen (Q_IN), vilket innebär en ökad ångproduktion och i sin tur en högre output från turbinanläggningen, även om det innebär en minskad effektivitet i solfälten. I praktiken innebär detta en högre kostnad per installerad effekt för den extra solenergin, men den ökade ångproduktionen kan vara ekonomiskt försvarbar beroende på bränslepriser och andra ekonomiska faktorer.

För att verkligen förstå effekterna av dessa designval är det också viktigt att överväga vad varje ytterligare megawatt solenergi innebär i termer av kapitalkostnad. I ISCC-system med ett solfält på 100 MWsol, om vi använder solfält med en solar multiple (SM) på 1.2 och en kostnad per installerad solkraft på 600 000 USD per MWsol, leder en ökning på cirka 26 MW solenergi till en total kostnad på cirka 2 800 USD per installerad MW. Detta är förhållandevis lågt jämfört med vanliga CSP-system, som ofta ligger på över 6 000 USD per MW. Det innebär att denna lösning, även om den innebär en initial högre investering, potentiellt kan ge bättre långsiktiga ekonomiska resultat på grund av den ökade effektiviteten och lägre värmeförluster.

Det är också viktigt att förstå att detta inte är en enkel jämförelse mellan kostnader och effekt. För att verkligen bedöma fördelarna med ett sådant system måste man också beakta andra ekonomiska faktorer som bränslepriser och potentiella besparingar i drift och underhåll. Till exempel, om det finns ett ekonomiskt incitament för att minska gasförbrukningen i en turbin (genom en effektivare kombination av solenergi och ångturbiner), kan denna optimering vara ekonomiskt lönsam trots de ökade initiala kostnaderna.

Avslutningsvis visar det sig att det finns flera faktorer att ta hänsyn till vid val av design för ISCC-system. För att maximera det totala solenergiutbytet måste man hitta en balans mellan att utnyttja den tillgängliga exergin på bästa sätt och att undvika överdrivna ökningar av kostnader som kan äventyra projektets ekonomiska bärkraft. Effektiviteten i ett sådant system kan inte enbart bedömas utifrån en enkel exergimodell, utan måste också vägas mot ekonomiska och praktiska överväganden.

Vilken cykel är mest effektiv för framtida kärnkraftverk med högre temperaturer och nya kylmedier?

I urvalet av cykler måste flera faktorer beaktas. För Gen IV och ANR-teknologier med reaktorkylare vid temperaturer på 500 °C eller högre finns det en högre effektivitet att uppnå om man väljer rätt cykeltyp och arbetsmedium. Små modulära reaktorer (SMR) med PWR-teknologi kan endast stödja indirekta Rankine-cykler med ånga som arbetsmedium, då temperaturerna inte är tillräckligt höga för effektiva sCO2 Rankine-cykler. Som nämnts i tidigare avsnitt är Brayton-cykler med helium och sCO2 arbetsmedier begränsade till en cykel-PR (tryckförhållande) på cirka 3:1. För att vara effektiv vid ett så lågt cykel-PR måste cykeln vara regenerativ.

Temperaturen på kylvätskan vid inloppet och utloppet (T5 och T3 i en tidigare figur) styr i stor utsträckning temperaturfallet tillgängligt för Brayton-expansorn. Om temperaturfallet är för litet, blir cykel-PR för litet och cykeln ineffektiv. På samma sätt kan en mycket låg kylvätsketemperatur vid inloppet och ett mycket stort temperaturskillnad mellan inlopp och utloppspunkter vara problematiskt, eftersom detta eliminerar möjligheten till effektiv återvinning av värme. För att ytterligare belysa detta, tänk på ett exempel: Gen IV ANR-teknologi med helium som kylvätska. För en 250 MWth heliumkyld HTGR (högtemperatur-gasutvecklingsreaktor) från INET (Kina), med inloppstemperatur på 250 °C och utlopps temperatur på 750 °C, är den nätoperativa verkningsgraden för cykeln med ett PR på 4:1 och en 70 bar-750 °C turbininlopp omkring 31 %. Jämfört med att använda värmen från kylvätskan helium i en värmeåtervinningspanna, med en 160 bar / 600 °C ångcykel och 60 mbar kondensatortryck, kan man uppnå en nätoperativ verkningsgrad på cirka 36 %.

En annan viktig aspekt är konfigurationen av ångturbinhöljet. Här måste man avgöra antalet dubbelströms-LP-höljen, beroende på ångflödeshastigheten och den termiska effekten från reaktorn. Det är också viktigt att förstå behovet av att använda tillräckligt många värmeväxlare i ångcykeln. Ju högre temperaturen på kylvätskan in, desto fler värmeväxlare krävs för att effektivt kunna hantera värmeflödet och upprätthålla systemets stabilitet.

För de direkta eller indirekta Brayton-cykler som involverar gasturbiner är den mest effektiva lösningen en cykel med interkylare och regenerering för att uppnå den bästa möjliga effektiviteten. För superkritiska CO2-cykler är en "split recompression"-cykel ett alternativ som kan ge maximal effektivitet, men på bekostnad av ökad komplexitet och kostnad. I både helium- och sCO2-baserade cykler är det avgörande att förstå de unika egenskaperna hos dessa arbetsvätskor för att optimera cykeldesignen.

För att sammanfatta det hela är det viktigt att betona att valet av cykel och arbetsmedium är beroende av flera faktorer: kylvätskans temperatur och flöde, den önskade effektiviteten, systemets ekonomiska aspekter och hur detta kan kombineras med den specifika teknologin i fråga. Valet måste alltid göras med hänsyn till både tekniska och ekonomiska mål, samt med en noggrann bedömning av den totala livscykelkostnaden för anläggningen. Det är en balansgång mellan att optimera prestanda och att hålla kostnaderna under kontroll.