Kan superkritisk CO2-teknologi ersätta ångturbiner för elproduktion?

Superkritisk CO2 (sCO2) är arbetsvätskan i en sluten cykel för värmemaskiner. Begreppet "superkritisk" syftar på att cykelns tillståndspunkter ligger över den kritiska punkten för koldioxid (73,8 bar, 31°C). Vid dessa förhållanden är substansen i ett "fluid"-tillstånd, vilket innebär att den inte längre kan klassificeras som gas eller vätska. En sCO2-motor, som arbetar enligt Brayton-cykeln, kan således kallas en "sluten cykel tät gas-turbin".

Tidigare forskning, särskilt på 2000-talet, fylldes vetenskapliga tidskrifter och branschpublikationer med artiklar som skryter om fördelarna med sCO2-cykler och deras potentiella tillämpningar. I synnerhet hävdades det att denna teknologi skulle kunna ersätta Rankine-cykler och ångturbiner i konventionella fossila kraftverk, både som fristående system eller som en del av en gasturbin-kombinerad cykel (GTCC). Detta var dock en överdriven bild, och när cykelns termodynamik granskades mer noggrant visade det sig att dessa påståenden inte hade något stöd för storskalig elproduktion.

För att verkligen förstå potentialen hos sCO2-teknologin är det viktigt att förstå de grundläggande termodynamiska processerna bakom den. Superkritisk CO2 används främst för att skapa högre effektivitet i termodynamiska cykler. Dess användning i energiomvandling bygger på möjligheten att utvinna stora mängder energi från förbränning eller kärnreaktioner genom att utnyttja dess unika egenskaper vid superkritiska förhållanden. Trots detta, i praktiken, har sCO2 svårt att utgöra ett fullständigt alternativ till ångcykler vid elproduktion i stor skala, särskilt vid användning av fossila bränslen som kol och naturgas.

Det är också viktigt att notera att sCO2-teknologi inte har några realistiska förutsättningar att ersätta en traditionell ångcykel i ett gasturbinkombinerat cykelsystem (GTCC). I denna konfiguration är ångcykeln ofta den nedre cykeln i ett kombinerat kraftverk, vilket gör att sCO2, på grund av sin termodynamik, inte kan konkurrera som den nedre cykeln. Detta beror på den relativt låga tryckförhållandet (PR) som sCO2 arbetar med, vilket resulterar i ett lägre termodynamiskt tryck och därmed mindre effektivitet jämfört med ångcykeln.

Vidare är det också viktigt att förstå de operativa utmaningar som följer med den unika strukturen hos sCO2 kraftsystem och värmeväxlare. De specifika egenskaperna hos superkritisk CO2, såsom dess höga densitet och låga viskositet, kan leda till designutmaningar när det gäller effektiv värmeöverföring och hantering av temperaturer och tryck. Trots dessa tekniska hinder finns det fortfarande viss forskning och utveckling på området, och många studier undersöker hur man kan optimera sCO2-system för att förbättra deras prestanda och användbarhet i specifika tillämpningar.

Det är dock klart att även om sCO2 har potential i vissa specifika tillämpningar, som i kärnkraftsreaktorer där helium eller blandningar med helium också har övervägts, har denna teknologi inte kapacitet att ersätta traditionella cykler för storskalig elproduktion baserad på fossila bränslen. Den exakta gränsen för denna teknologi ligger i dess förmåga att erbjuda effektiva och stabila driftförhållanden vid olika temperaturer och tryck, särskilt vid högre effektbehov som krävs i stora kraftverk.

Hur kan solenergi effektivt integreras i kraftsystem med gasturbiner och ångturbiner?

För att uppnå en effektiv integration av koncentrerad solenergi i en kombinerad gas- och ångturbinkraftanläggning (ISCC) är det nödvändigt att förstå de termodynamiska principerna bakom systemet. Grundprincipen som styr denna sammansättning är den andra termodynamiska lagen, och i synnerhet principen om maximal exergi. Denna princip definierar den optimala användningen av den solenergi som absorberas av solfälten i en CSP-anläggning (koncentrerad solenergi) och den effekt som kan överföras till en gas- och ångturbinkombination (GTCC).

I en ISCC-anläggning tas den solenergi som fångas upp av solfälten, eller mer specifikt den energi som överförs till en värmeväxlare (solfältskollektor), och används för att generera ånga. Denna ånga går sedan till ångturbinen i den Rankine-baserade ångturbinkretsen och bidrar till den totala elproduktionen. Effektiviteten hos solfältet i detta sammanhang beror på tre huvudparametrar: koncentrationsförhållande (CR), optisk effektivitet (EOPT) och mottagartemperaturen (TREC). Dessa faktorer samverkar för att bestämma hur effektivt solfälten omvandlar solens strålning till användbar värme för ånggenerering.

För att förstå hur denna energi utnyttjas i ångturbinen är det nödvändigt att relatera solens energiinmatning (Q_IN) till de faktiska verkningsgraderna i ångturbinens Rankine-cykel. Den teoretiskt maximala verkningsgraden för denna process definieras av Carnot-effektiviteten, men i praktiken är den uppnåeliga effektiviteten en bråkdel av denna. Den verkliga effektiviteten är mer realistiskt representerad av en formel som involverar värmeflöde, temperatur och tryck i systemet. För att uppnå den största möjliga ökningen i ångturbinens effekt (AWSTM) är det viktigt att maximera den specifika exergi- och temperaturdifferensen i systemet.

För att maximera AWSTM från det solenergisystem som integreras i ISCC-anläggningen, är det avgörande att optimera två faktorer: (1) ångturbintemperaturen (TSTM) och trycket (PSTM) ska vara så höga som möjligt, eftersom högtrycksånga har ett större värde än lågtrycksånga, och (2) vattentemperaturen vid inloppet till ångturbinen (TFW) ska vara så nära TSTM som möjligt. Dessa justeringar maximerar den exergiska effektiviteten, vilket i sin tur leder till högre energiutbyte från solenergisystemet.

En nyckelfaktor i den ekonomiska och tekniska utformningen av en ISCC-anläggning är den solenergi som kan användas för att öka elproduktionen från ångturbinen. För att uppnå detta mål med minimal investering krävs att den solenergi som fångas i fälten används så effektivt som möjligt. För att uppnå detta mål bör solfältets storlek (AAPT) hållas så liten som möjligt, samtidigt som mängden elektrisk energi som produceras per watt solstrålning maximeras.

Den största kostnaden och komplexiteten i ett sådant system är själva solfältskollektorsystemet (SCS). I ekonomiskt avseende handlar det om att få den största möjliga effekten per installerad kapacitet från solfälten. I praktiken innebär detta att en ingenjör måste hitta en balans mellan att maximera den exergiska effektiviteten (ERINC) och att minska kostnaderna genom att begränsa storleken på solfältet. För att maximera solfältets bidrag till det totala elutbytet krävs ett designförhållningssätt där solens effektivitet (EOPT) och mottagartemperaturen (TREC) hålls på en hög nivå.

När man undersöker de olika teknologierna som används för koncentrerad solenergi, har tre huvudteknologier visat sig vara framgångsrika inom ISCC-anläggningar: paraboltråg (PTR), linjär Fresnel (LFR) och centrala mottagare (CRS). Var och en av dessa teknologier har sina fördelar och nackdelar beroende på användning och effektivitet. Av dessa tre är CRS, eller soltorn, en av de mest lovande för att uppnå mycket höga temperaturer på över 550°C, vilket är nödvändigt för att optimera ångturbinen i ett ISCC-system.

För att effektivt använda den solenergi som samlas upp av dessa system måste den extra värme som tillförs ångcykeln noggrant hanteras, och alla förluster i systemet, till exempel rörförluster mellan solfälten och ångsystemet, måste beaktas i designen. Praktiskt sett är det av yttersta vikt att säkerställa att de termodynamiska parametrarna såsom temperaturer och tryck är optimerade för varje specifik anläggning och att teknologier som till exempel lagring av värme (genom smält salt) beaktas för att säkerställa en stabil och jämn elproduktion över dygnet.

För att uppnå högsta möjliga effektivitet i en ISCC-anläggning är det nödvändigt att kombinera olika teknologiska lösningar med ett systematiskt angreppssätt för att maximera den energi som fångas från solen och den som kan omvandlas till elektricitet. Medan teoretiska modeller kan hjälpa till att optimera dessa processer är det också avgörande att varje anläggning och dess design tar hänsyn till specifika lokala förhållanden som solens strålningsintensitet och miljöfaktorer för att uppnå bästa möjliga resultat.