Hur kan metanpyrolys och små modulära reaktorer (SMR) användas för effektiv och hållbar produktion av vätgas?

Metanpyrolys är en endoterm reaktion som sker vid höga temperaturer: CH₄(g) → C(s) + 2H₂(g), där reaktionen vid 25°C har ett entalpiändringsvärde på 74,85 kJ/mol CH₄. För att uppnå en praktiskt hög reaktionstemperatur utan användning av katalysatorer krävs temperaturer på 1200°C eller högre, vilket beror på den höga aktiveringsenergin som krävs för att bryta de stabila C-H-bindningarna i metanmolekylerna. Däremot sker den katalytiska nedbrytningen av metan vid lägre temperaturer, i intervallet 600-900°C, vilket också överensstämmer med de temperaturer som krävs för små modulära reaktorer (SMR).

Med en nickelbaserad katalysator kan energiåtgången minskas ytterligare, och nedbrytning kan ske vid temperaturer mellan 500°C och 700°C. En annan potentiell katalysator är järn, vilket skulle kunna fungera effektivt vid temperaturer mellan 700°C och 900°C. Den stora fördelen med metanpyrolys jämfört med den traditionella ångreformeringen (SMR) är avsaknaden av behovet av dyr koldioxidavskiljning. I pyrolysreaktionen bildas solid kol, vilket är en mycket användbar biprodukt och enklare att "fånga" än koldioxid (CO₂). Detta kol, som ofta kallas svart kol, har många värdefulla användningsområden, särskilt inom framställning av kolfiber.

Kolfiber har exceptionella egenskaper som hög styvhet, hög draghållfasthet, låg vikt i förhållande till styrka, hög kemisk resistens och tolerans för höga temperaturer. Dessa egenskaper gör att kolfiber är populärt inom flyg- och rymdindustrin, civilingenjörsarbete, militära tillämpningar samt motorsport och andra tävlingsidrotter. Eftersom pyrolyskol är en biprodukt från metan, erbjuder denna metod både en renare och mer ekonomisk lösning jämfört med traditionella processer.

Dessutom har en annan metod för metanpyrolys nyligen föreslagits: stötkvågsvärme. Principen bakom denna metod är att en stötkvåg som färdas genom naturgas (i huvudsak metan) skapar en högtrycks- och högtemperaturzon nedströms från vågen. Denna temperaturökning kan beräknas med hjälp av gasdynamiska ekvationer. För metan vid 25°C krävs en Mach 5-stötkvåg för att höja gasens temperatur över 1 100°C, och för att minimera reaktionstiden krävs ännu högre temperaturer på cirka 1 500°C, vilket innebär att en Mach 6-stötkvåg är nödvändig. Detta gör det i praktiken mycket svårt att utveckla en kontinuerlig process som kan översätta denna teoretiska krav till verkligheten med en enda normal stötkvåg. För att hantera detta behövs mer komplexa enheter som genererar flera reflekterade sneda stötkvågor i ett slutet utrymme. En sådan enhet, kallad vågrotor, utvecklades ursprungligen som en turboladdare för interna förbränningsmotorer och har nu blivit ett intressant alternativ för metanpyrolys.

Endtext

Hur gasmaskiner kan använda utblåsningsgas för att förbättra effektiviteten i kraftcykler

I termodynamikens värld är det centralt att förstå förhållandet mellan exergi och energi, särskilt när man talar om gasturbiner och deras effektivitet i kraftcykler. Gasturbiner används ofta i kombinerade cykler där både en Brayton- och en Rankine-cykel arbetar tillsammans för att generera elektricitet. För att förstå hur denna process fungerar, är det viktigt att analysera olika termodynamiska begrepp och deras inverkan på effektiviteten i dessa system.

Exergi, som definieras som den maximala möjliga arbetsenergin från ett system, är ett nyckelbegrepp när man diskuterar gasturbiner. För att räkna ut exergin från en gasturbinens utblåsningsgas kan en enkel formel användas. Exergin beräknas med hjälp av den aktuella utblåsningsgasens temperatur och entalpi enligt formeln:

Där TEXH är utblåsningsgasens temperatur i grader Fahrenheit. Enligt denna formel kan vi approximera exergin för olika utblåsningsgastemperaturer och skapa en användbar referens för den maximala möjliga effektiviteten i en cykel som fungerar som en Carnot-cykel. Denna beräknade exergi ger oss en uppfattning om hur mycket av den totala energi som finns i gasen kan omvandlas till användbar elektrisk energi.

Gasturbiner, som den äldre GE 9F.03-modellen, används ofta för att illustrera hur exergin omvandlas i praktiken. För en sådan turbin, där utblåsningsgasens temperatur är 1,104°F (~596°C), kan exergin beräknas till 128,2 Btu/lb eller 298,1 kJ/kg. Med denna information kan vi uppskatta den maximala teoretiska effekten som skulle kunna genereras från denna turbin genom en Carnot-liknande cykel, vilket i detta fall ger en effekt på 197,7 MW.

Men denna teoretiska potential kan endast delvis realiseras i praktiken, beroende på cykelns "exergetiska effektivitet" (EEBC), som är en funktion av utblåsningsgasens temperatur. För äldre gasmaskiner som 9F.03 ligger denna effektivitet ofta kring 74%, medan modernare maskiner som HA- eller J-klasser kan nå 78%. Detta innebär att det faktiska nettoresultatet av ett bottoming-cykel som använder utblåsningsgas från 9F.03 blir 146,3 MW.

Det är också viktigt att förstå den roll som Rankine-cykeln spelar här. Trots att denna cykel är en av de mest använda och välkända, är det i en termodynamisk mening bara en av många möjliga alternativ för bottoming-cykler. Denna cykel använder H2O som arbetsmedium, vilket har fördelen att vara väl utvecklat och optimerat för industriella tillämpningar. Andra cykler, som den organiska Rankine-cykeln (ORC), kan också användas för liknande ändamål, men med olika effektivitet och fördelar beroende på systemets behov.

För att få en bättre uppfattning om effektiviteten i ett kombinerat cykelsystem där både gas- och ångturbiner används, kan man betrakta den ideala Carnot-effektiviteten för en sådan cykel. Denna beräknas utifrån den medeltemperatur som genereras genom den kombinerade värmeadditionen och det lägre temperaturgränsvärdet för ångturbincykeln. Den ideala kombinerade cykeleffektiviteten för en gasmaskin som 9F.03 med ett Brayton- och Rankine-system är 73,3%, medan den faktiska effektiviteten i en praktisk installation kan vara omkring 59,1%, vilket innebär att teknologifaktorn (TF) för denna cykel är 0,81.

Det är här den verkliga utmaningen för ingenjörer och tekniker ligger. Även om teoretiska beräkningar kan ge oss en uppfattning om systemets potentiella effektivitet, är det viktigt att förstå de praktiska begränsningarna och optimeringarna som påverkar hur mycket av denna potential som kan realiseras. Ett system som använder en Rankine-bottoming-cykel kommer till exempel alltid att ha en viss förlust på grund av ineffektivitet i värmeöverföringen och andra praktiska faktorer, som förbrukningen av energi för att driva pumpen för ångturbinens matning.

Hur kan CAES-teknologi användas för att effektivisera energilagring och gas- och ångturbiner?

En viktig aspekt vid utvecklingen av komprimerad luftenergilagring (CAES) är att hantera de tekniska barriärerna som uppstår i lagringsmedier och under drift. Förutom de uppenbara riskerna med brandfarlighet måste man även beakta att kvarvarande kolväten i de porösa formationerna kan bilda föreningar som reducerar permeabiliteten eller orsakar korrosiva material. Det är därför viktigt att hålla koncentrationen av gaser under en säker nivå för att förhindra oönskade reaktioner som kan påverka lagringens effektivitet.

Ett vanligt alternativ för luftlagring är att använda tankar, men på grund av luftens låga densitet blir detta ofta opraktiskt som ett lagringssystem. För att lösa detta problem har nya teknologier utvecklats, som t.ex. lagring av flytande luft (LAES) och komprimerad luftenergilagring (CES). Powerphase har presenterat en lösning kallad FastLight Storage Engine, som bygger på modulär luftinjektionsteknik för att förstärka gasdrivna turbiner, kallad Turbophase. Denna teknologi använder en reciprok motor som eldas med naturgas eller diesel för att komprimera och injicera varm luft direkt i en gasturbins kompressor.

Turbophase-systemet fungerar genom att utnyttja värmen från avgasflödet från den reciprok motorn. Denna värme används för att höja luftens temperatur till rätt nivå för gasbruk. Under laddningsfasen används en lågtrycks- och högtryckskompressor med eldrivna motorer (idealiskt drivna av förnybara källor) för att komprimera luften till ett tryck på cirka 100 bar, vilket sedan lagras i stora tankar av kolstål. Vid urladdning frigörs den komprimerade luften från lagringstankarna, värms upp i en värmeväxlare och används för att producera el i gasturbinen.

En annan intressant funktion i Turbophase är dess förmåga att leverera toppkraft även när lagringstankarna är nästan tomma. Detta sker genom att komprimerad luft som genereras av lågtryckskompressorer kombineras med luften som redan är lagrad, vilket förlänger urladdningsperioden. Detta möjliggör en effektiv användning av gasturbiner i ett peaking-läge, även under perioder då lagringskapaciteten är låg.

För att förstå denna process i siffror kan man titta på en gasdriven turbin med en kapacitet på 166 MWe. Under den traditionella driftsfasen skulle denna turbin generera cirka 320 MWe, vilket nästan dubblerar den ursprungliga effekten. Detta sker utan att själva kompressorn behövs, eftersom luften tillförs från externa lagringssystem. Under laddningsfasen krävs en effekt på cirka 245 MW för att komprimera luften till det nödvändiga trycket.

I det långsiktiga perspektivet är det också viktigt att tänka på utvecklingen av nästa generations CAES-teknologier. Under de senaste decennierna har endast två kommersiella CAES-anläggningar kommit till stånd, men det finns ett antal avancerade system i utveckling. Ett exempel på en sådan teknologi är CAES-AI, där den komprimerade och förvärmda luften direkt injiceras i kompressorens utlopp, vilket ger en extra kraftökning. Detta koncept liknar gasifiering av luft och kan potentiellt effektivisera gasturbiner på ett betydande sätt.

När det gäller de ekonomiska aspekterna är det viktigt att komma ihåg att de kostnadsuppskattningar som görs för dessa avancerade system ofta är preliminära och kan komma att öka när mer detaljerade studier genomförs. De ska därför ses som riktlinjer snarare än absoluta siffror.

Det är också av betydelse att beakta de specifika krav på gasturbiner och andra komponenter som behövs för att implementera dessa avancerade teknologier. Dessa inkluderar modifieringar av turbiner och kompressorer för att säkerställa att de klarar av att hantera den extra luften som kommer från lagringssystemet. Genom att använda robusta och välbeprövade maskiner kan dessa utmaningar övervinnas med minimal teknologisk risk.

Vad är de huvudsakliga tekniska alternativen för kärnkraftsproduktion?

Den ryska BN-600 FBR – Beloyarsk enhet 3 på 600 MWe brutto, 560 MWe netto – har levererat elektricitet till elnätet sedan 1980 och betraktas som den bästa av alla ryska kärnreaktorer när det gäller drift och produktionshistorik. Reaktorn använder huvudsakligen uranoxidbränsle, berikat till 17, 21 och 26 %, och har under de senaste åren även använt en viss mängd blandat oxidbränsle. Reaktorns kylsystem har en pooltypkonfiguration med värmeväxlare för tre sekundära kylslingor som är nedsänkta i natrium runt reaktorhärden och tre ånggeneratorer som försörjer tre 200 MWe ångturbingeneratorer. Den natriumbaserade kylvätskans temperatur hålls mellan 525 och 550°C, vilket sker vid ett tryck något högre än atmosfärstrycket. En sådan design möjliggör effektiv överföring av den värmeenergi som produceras av fissionsprocessen, och kan användas för att generera elektricitet i en Rankine-cykel.

En möjlig lösning som har diskuterats är användningen av superkritisk koldioxid (sCO2) som arbetsfluid i en Brayton-cykel för kärnkraftverk. Superkritisk koldioxid har visat sig vara ett gångbart alternativ till helium i reaktorkylningssystem och som arbetsvätska i kraftcykler. Denna teknologi har blivit alltmer relevant, och rapporter, såsom de som publicerats av Sandia-laboratorierna, beskriver i detalj användningen av superkritisk koldioxid i snabba reaktorer och dess potentiella fördelar för effektiva energikonverteringssystem.

Oavsett vilken typ av kärnreaktorteknologi som används, är den grundläggande principen för kärnkraftsproduktionen att utnyttja den värme som genereras av kärnreaktionen och absorberas av kylvätskan för att driva en värmemotor. Denna värmemotor kan fungera i en av två huvudsakliga termodynamiska cykler: Brayton-cykeln eller Rankine-cykeln. Brayton-cykeln är en gasturbincykel där arbetsvätskan inte byter fas, medan Rankine-cykeln är en ångturbin som innebär att arbetsvätskan ändrar fas från vätska till ånga och tillbaka.

Valet mellan direkt och indirekt värmeomvandling är en central fråga. I en direkt cykel är reaktorkylen också arbetsvätskan för kraftcykeln, exempelvis helium i HTGR eller natrium i LMFBR. I en indirekt cykel används istället en mellanvärmeväxlare för att överföra värmen från reaktorkylen till arbetsvätskan som driver turbinerna. Indirekt cykeldesign kan vara att föredra ur ett säkerhetsperspektiv, eftersom det minimerar kontaminering av turbomaskineriet. Men denna fördel åtföljs av ökade kostnader och komplexitet på grund av behovet av en mellanvärmeväxlare.

För att ta informerade beslut om vilken cykel och arbetsvätska som bör användas, måste ingenjörer beakta en rad faktorer, inklusive termodynamik, aerotermodynamik, värmeöverföring och fluidmekanik. Det innebär att ingenjören måste ha tillgång till detaljerade data om arbetsvätskans fysikaliska egenskaper – till exempel specifik värme, termisk konduktivitet och dielektrisk styrka – för att kunna göra korrekta val.

Den nuvarande utmaningen för ingenjörer ligger i att välja den mest lämpliga arbetsvätskan, eftersom det finns många praktiska begränsningar. Till exempel måste arbetsvätskan vara termiskt stabil, kemiskt inert, icke-brandfarlig och icke-giftig. Helium och superkritisk koldioxid har etablerat sig som de mest lovande alternativen för Brayton-cykler i kärnkraftverk. För Rankine-cykeln är ånga (H2O) det enda arbetande fluidet som har testats och använts i decennier av industrin. På senare tid har dock superkritisk koldioxid också fått uppmärksamhet som ett alternativ.