Avancerade dieselmotorer, särskilt de med gasdrivna reciprokala förbränningsmotorer, uppvisar en otrolig effektivitet för att utvinna elektricitet från fossila bränslen. Dessa motorer, som kan uppnå en elektrisk verkningsgrad nära 50 % på LHV-basis (lägre värmevärde), representerar den mest effektiva teknologin för att generera energi från fossila bränslen. Dieselmotorer med effektklass upp till 20 MWe är allmänt tillgängliga för elektrisk kraftproduktion, ofta i samband med kraftvärmeproduktion, och används i ett brett effektområde - från spetsbelastning och distribuerad energi till stora anläggningar med flera motorer.

Den modulära konstruktionen hos sådana kraftverk gör dem särskilt lämpliga för cyklisk drift, vilket innebär att de kan användas för både korta och långa driftperioder, beroende på behov. I vissa geografiska områden där tillgången på LNG (flytande naturgas) är begränsad och där elnätet är mindre utvecklat, som på små öar eller avlägsna platser, kan dessa motorer även användas för grundlastdrift, där diesel eller nummer två olja används som bränsle. En intressant historisk notis är att Rudolf Diesel, skaparen av dieselmotorn, ursprungligen övervägde kolstoft som bränsle för sin förbränningsmotor redan på 1890-talet. Men av säkerhetsskäl och på grund av lättillgängligheten bytte han snabbt till petroleumbaserade bränslen.

Forskning och utveckling kring kolbränslade dieselmotorer fortsatte sporadiskt i industrialiserade länder som Tyskland, Japan, USA och Australien. Kolblandade bränslen, som kol-slurry, har framgångsrikt injicerats, antändts och bränts i både testmotorer och kommersiella motorer, vilket visats genom utmärkta utsläpp från rökgaser i studier redan från 1960-talet. En teknologi som kallas direktinjektionskolmotor (DICE) kan behålla den höga effektiviteten hos sina gasbränsle-drivna motsvarigheter, vilket har bekräftats genom rigorösa beräkningar, testbänksförsök och fälterfarenheter. En enkel motorcykel (dvs. utan turbokomposition eller värmeåtervinningscykel) kan ytterligare förbättras genom tillägg av turbokomponenter och en bottencykel, vilket bidrar till ytterligare förbättrad verkningsgrad.

Turbokomponentering skiljer sig från traditionell turbo-laddning genom att turbinexpansionen inte bara driver laddluftskompressorn utan också genererar effekt till motoraxeln. Denna särskilda form av energihantering innebär att motorernas verkningsgrad kan optimeras ytterligare. I kombination med en re-heating (värmeåtervinning) process mellan motorns avgaser och turbinens inlopp, kan den övergripande systemeffektiviteten ytterligare ökas. Detta leder till en ännu bättre närme till Carnot-cykeln, den ideala termodynamiska cykeln för värmeomvandling, och ökar den totala potentiella verkningsgraden.

En vidare förbättring kan uppnås genom att kombinera dieselmotorn med en gasturbin i ett sammansatt cykelsystem, vilket kan drivas med kol-slurry som bränsle och därigenom nyttja de fördelar som turbokompositionen erbjuder. Det är också viktigt att förstå att kolbränslade system med CO2-fångst är en framtida lösning för att minska utsläppen i samband med användningen av fossila bränslen. Men att bränna kol utan koldioxidinfångning kommer troligtvis inte att vara ett realistiskt alternativ i Europa och Nordamerika i den närmaste framtiden.

Vid användning av en sådan DICE-motor i ett sammansatt cykelssystem för CO2-fångst måste särskild uppmärksamhet ges åt förhållandet mellan syrehalten i avgaserna och behovet av att upprätthålla bränningseffektiviteten. För att driva en efterbränningsanordning (reheat combustion) behövs extra luft, vilket komplicerar och ökar systemkostnaden. Det är därför väsentligt att, för att hålla kostnaderna nere och förenkla utvecklingsarbetet, minimera systemkomplexiteten genom att undvika reheat-komponenter i de första systemen.

Att använda en dieselmotor som drivkälla för ett kol-slurry-baserat system med turbokomposition kan innebära flera utmaningar, som att hantera slitaget på komponenter som sprutmunstycken och kolringssystem, samt att hantera bränslets stabilitet och korrosionsproblem. Denna utveckling kommer att kräva kontinuerlig forskning och anpassning för att säkerställa långsiktig hållbarhet och ekonomisk effektivitet.

För att förstå den långsiktiga potentialen för sådana avancerade motorer och system är det avgörande att inte bara fokusera på deras tekniska kapabiliteter utan också på de miljömässiga och ekonomiska aspekterna av deras implementering. Effektiviteten av dessa system kan vara betydande, men det krävs att hela livscykeln – från bränsleproduktion och transport till drift och avfallshantering – beaktas för att säkerställa att de verkligen bidrar till en hållbar energiutveckling.

Vilka faktorer påverkar effektiviteten hos kylsystem och Zero Liquid Discharge-teknologier?

Kylsystemets effektivitet och val av teknologi för att hantera och återanvända vattenresurser spelar en avgörande roll för prestanda och kostnader inom många industrier, särskilt inom kraftproduktion. Kylsystem kan delas upp i två huvudtyper: vatten- och luftkylda system. Vatten har en högre specifik värme än luft, vilket gör att det är ett mycket effektivare kylmedium. Därför är det ideala värmeavledningssystemet ett vattenkylt kondensatorsystem som använder kallt vatten, till exempel från en sjö, flod eller hav, för att kondensera ångan från ångturbinen och sedan återföra det varma vattnet tillbaka till sin ursprungliga källa. Detta är anledningen till att en öppenvattenslinga (one-pass) i vattenkylda kondensatorer är det mest vanliga värmeavledningssystemet som används vid prestandatestning. Denna lösning har använts i världens rekordhållande kraftverk med gas-turbinkombinationer (GTCC).

Fördelarna med öppna vattenslingor är tvåfaldiga: För det första gör det det möjligt att uppnå låg kondenseringstryck (dvs. låg ångturbinens mottryck) för att maximera generatorns effekt. För det andra sker denna process utan att orsaka stora parasitära effekter i form av extra strömförbrukning via kylturbinfläktar. Problemet är att tillgången på naturliga vattenkällor i närheten inte alltid är en självklarhet och att miljömässiga tillstånd kan vara svåra att få för att använda dessa källor.

Det finns fem grundläggande konfigurationer för att hantera kylning och värmeavledning. Valet av den mest optimala lösningen, det vill säga den som ger bäst prestanda i relation till livscykelkostnaden, kräver en noggrann bedömning av flera faktorer som råvattenkvalitet, tillgång till land för bortforsling av fasta ämnen, behov av vattenåtervinning och produktvattnets önskade kvalitet. En av de största utmaningarna med dessa öppna kylsystem är den ekologiska påverkan de kan ha på lokala ekosystem på grund av den stora mängden vatten som tas ut – upp till 20 000 gallon per MWh, vilket gör att tillstånd att använda dessa system blir allt svårare att få.

För att kompensera för den begränsade tillgången på färskt vatten och minska vattenanvändningen introduceras alternativa lösningar som slutna system. Dessa kan inkludera mekaniskt dragna kyltorn som förbrukar mycket mindre vatten (cirka 200 gallon per MWh) eller torra system (luftkylda), där vattenförbrukningen kan vara ännu lägre, men där det tillkommer extra energiförbrukning genom fläktar som cirkulerar luft och högre ångtryck. Även om de slutna systemen minskar vattenanvändningen, blir den extra vattenåtgången för kylturbinens spillvatten (blowdown) en ytterligare belastning på redan knapphändiga vattenresurser.

Det är här Zero Liquid Discharge (ZLD) system spelar en viktig roll. ZLD-system är designade för att hantera avloppsvatten från kraftverk och återvinna det för återanvändning efter att fasta ämnen har avlägsnats. I ett GTCC-kraftverk med ett mekaniskt draget kyltorn är den största källan till avloppsvatten kyltornsblowdown. Här kommer ZLD-teknologierna till sin rätt och gör det möjligt att effektivt återvinna och återanvända nästan allt vatten som används i processen.

ZLD-teknologier kan delas in i två huvudkategorier: termisk avdunstning och membranteknologier. Termisk avdunstning innefattar processer som brine concentrator (saltlösningskoncentrator) och kristallisering. Membranteknologier omfattar omvänd osmos (RO), där konventionell RO, högre återvinning (high-recovery RO) och högeffektiv RO eller HERO™ (RO/EDI) används för att uppnå önskad vattenåtervinning.

Dessa teknologier kan implementeras var för sig eller kombineras, vilket ger upphov till fem huvudsakliga systemkonfigurationer. För exempelvis konfiguration 2A används en kombination av limebehandling och omvänd osmos för att lindra de återvinningsbegränsningar som orsakas av olösliga salter och silikat. Vidare kan de kombinerade systemen innefatta både koncentratorer och kristallisatorer, vilket ger möjlighet att hantera den största delen av avloppsvattnet på ett effektivt sätt.

Vid val av ZLD-system är en kostnads- och prestandaanalys avgörande för att välja den bästa lösningen. Här vägs faktorer som mängden råvatten och vattnets kvalitet in, inklusive den totala mängden lösta ämnen (TDS), sammansättningen av katjoner och anjoner, hårdhet, samt silikatnivåer. En sådan analys ger en förståelse för de ekonomiska och miljömässiga fördelarna och utmaningarna med de olika teknologierna.

För att optimera användningen av ZLD-teknologier är det avgörande att förstå deras förmåga att maximera vattenåtervinning samtidigt som de minimera den totala energiförbrukningen, eftersom dessa teknologier ofta har en högre driftkostnad på grund av energibehovet för pumpar och kompressorer. Termiska teknologier kräver mer energi än membranteknologier, men kan vara nödvändiga för att hantera högre salinitetsnivåer i avloppsvattnet.

Förutom de tekniska övervägandena måste varje beslut om ZLD-system även ta hänsyn till långsiktiga drift- och underhållskostnader, som kan påverka det totala livscykelvärdet för anläggningen. Det är också viktigt att överväga de miljömässiga och regulatoriska kraven för varje specifik installation. ZLD-teknologier hjälper inte bara till att bevara värdefulla vattenresurser, utan bidrar även till att minimera den ekologiska påverkan på lokala vattenekosystem.

Hur nya halvledar-enheter förändrar elektronikindustrin och tillämpningar i dagens värld
Hur kombinatoriska flaskhalsar påverkar East-modellens tomgångstid
Hur påverkar solenergi och byggintegrerade fotovoltaiska system energiförbrukningen och hållbarhet i byggnader?