Hur Turbinens Inloppstemperatur Påverkar Effektiviteten i Kombinerade Cykelanläggningar

För att förstå effektiviteten hos en kombinerad cykelanläggning, måste man först beakta turbinens inloppstemperatur (TIT), en av de mest avgörande faktorerna som påverkar både gas- och ångturbiner. TIT är den temperatur vid vilken de heta förbränningsgaserna, efter att ha blandats med kylflöde från förbrännarkammaren, når ingången till turbinens första rotor. Denna temperatur är en av de mest avgörande för att bestämma både prestanda och långsiktig hållbarhet för en turbin.

Rent tekniskt refererar TIT till den temperatur som gasen har när den kommer in i den första rotorn i en gasturbin. För äldre turbiner, som de från F-klassen, var detta värde ofta mellan 1 450°C och 1 500°C. Men genom teknologiska framsteg har moderna turbiner i H- och J-klassen möjliggjort betydligt högre TIT, ibland upp till 1 600°C eller mer. Ju högre TIT, desto effektivare kan turbinen omvandla bränslets energi till mekaniskt arbete.

Den relation som ofta används för att uppskatta förhållandet mellan gas- och ångturbinens effekt är att ångturbinens effekt i en kombinerad cykel är ungefär hälften av gasturbinens effekt. Detta förhållande, som var särskilt tillämpligt på äldre turbinmodeller från 1990- och 2000-talet, kan fortfarande vara en användbar uppskattning i praktiken, trots att det moderna ångcykelteknologin har medfört en viss ökning av denna faktor till omkring 0,6. I fallet med modernare H- och J-klassturbiner kan detta förhållande vara ännu närmare 0,6, vilket innebär att ångturbinens output är större relativt till gasturbinens effekt.

Det är dock viktigt att förstå att TIT inte är en konstant variabel utan kan definieras på olika sätt beroende på vilken aspekt av turbinens funktion man fokuserar på. När man pratar om TIT, är det viktigt att skilja mellan den så kallade "fiktiva" TIT enligt ISO-2314-standarder och den faktiska temperatur vid rotorn. Fiktiva TIT används i teorin för att jämföra olika turbiners prestanda, men detta är inte alltid en exakt representation av verkligheten, särskilt när det gäller avancerade turbinmodeller där sekundära kylflöden påverkar den faktiska temperaturen i gasflödet.

I moderna gasturbiner med högre cykeltryckförhållanden kan kylflödet som tas från kompressorns utloppsluft (dvs. kylflöden som inte bidrar till det användbara arbetet) också spela en avgörande roll för hur effektivt turbinen arbetar. Dessa flöden påverkar hur mycket av den termiska energin som kan användas för att generera elektricitet och hur mycket som går förlorad som "spillvärme". Avancerade tillverkare som Siemens och Mitsubishi Power har tagit fram system där dessa sekundära flöden kyls ner innan de återförs till gasflödet, vilket förbättrar den totala verkningsgraden för turbinen.

För att korrekt förstå effekten av TIT på en gasturbins prestanda och livslängd, måste man också beakta hur TIT påverkar mekaniska påfrestningar i turbinens material. Högre temperaturer innebär att materialen i turbinbladen och rotorer måste tåla större termiska spänningar, vilket kräver mer avancerade material och kylteknik. I F-klassturbiner används avancerade luftkylsystem för att kyla ned turbinens första rotorblad, men även med dessa system kan materialens hållbarhet påverkas negativt vid mycket höga TIT.

Det är också viktigt att förstå de termiska och mekaniska begränsningarna för olika turbinvarianter. Äldre turbinmodeller, som de i E-klassen, har inte samma förmåga att hantera höga TIT-värden som nyare modeller. De har lägre bränsleeffektivitet och kortare livslängd, vilket gör dem mindre konkurrensdugliga i dagens energimarknad där hög effektivitet och hållbarhet är avgörande. Denna utveckling mot högre TIT är en direkt konsekvens av den ökade efterfrågan på högre verkningsgrad i kraftverk, särskilt i kombinerade cykelsystem där gasturbinen arbetar tillsammans med en ångturbin för att maximera energiutvinningen.

I kombinerade cykelanläggningar spelar TIT också en central roll i den totala systemeffektiviteten. Gasturbinen driver en generator, och den producerade elektriciteten används sedan för att värma upp vatten i ångcykeln. Detta vatten blir till ånga som driver ångturbinen, vilket gör att värmeeffekten från gasturbinen utnyttjas maximalt. Ju högre TIT, desto mer energi kan tas tillvara av ångturbinen, vilket ökar den totala verkningsgraden för hela systemet.

Hur påverkar ammoniakproduktion och användning effektiviteten och miljöpåverkan i energisystem?

Ammoniak är en kritisk komponent inom gödselindustrin och en av de mest producerade syntetiska kemikalierna i världen. Produktionen av ammoniak i USA var 2021 ungefär 17 miljoner ton, och den globala produktionskapaciteten förväntas öka från 235 miljoner ton 2019 till 290 miljoner ton år 2030. Det största produktionsområdet ligger i Asien och Mellanöstern, där naturgas utgör den dominerande råvaran. Naturgasen är fördelaktig på grund av sin låga energiförbrukning, cirka 7,8 MWh per ton ammoniak, jämfört med mer än 10 MWh för kol eller brännolja. Dessutom produceras mindre CO2, 1,6 ton CO2 per ton ammoniak, jämfört med mer än 3 ton från kol och brännolja.

Hjärtat i ammoniakproduktionen är Haber-Bosch-processen, som omvandlar atmosfäriskt kväve till ammoniak genom en reaktion med väte, under högt tryck och temperatur. För att kunna producera väte används oftast naturgas genom en process kallad ångreformering, vilket är en nyckelfas i ammoniakproduktionen. Denna typ av ammoniakproduktion kallas "brun ammoniak", medan om den CO2 som genereras i ångreformeringsreaktionen fångas och lagras, kan produktionen kallas "blå ammoniak".

Ammoniak lagras vid -33°C i atmosfäriska lagringstankar och transporteras ofta i rörledningar för användning inom gödselindustrin och till och med för att transportera väte i form av ammoniak. I USA finns det nästan 5000 kilometer rörledningar för ammoniak, som årligen transporterar omkring 2 miljoner ton ammoniak, motsvarande 350 000 ton väte.

En alternativ metod till att bränna ammoniak är att kracka den för att producera väte och kväve. Denna process kräver energi, eftersom den är endotermisk, vilket innebär att värme måste tillföras för att bryta ned ammoniakmolekylerna till väte och kväve. Denna process är den omvända av Haber-Bosch-reaktionen och kräver höga temperaturer, oftast mellan 500 och 1000°C. För att effektivt genomföra denna process behövs också avancerade katalysatorer och energi för att hålla temperaturen på en tillräcklig nivå, vilket gör att den totala energiåtgången är högre än den teoretiskt nödvändiga.

På ett teoretiskt plan är elektrolys av vatten för att producera väte och ammoniak att föredra ur ett effektivitetsperspektiv, då det innebär lägre energiåtgång för ammoniakproduktion än krackning. Men när man tar hänsyn till transport och regasifiering, där ammoniak återgår till sin gasform för att användas i brännare eller andra applikationer, kan ammoniak i vissa fall bli mer effektivt än ren väteproduktion. Energiåtgången för att producera och lagra ammoniak är också lägre än för väte, vilket gör att ammoniak vid rätt förutsättningar kan vara ett bra alternativ för både energiöverföring och lagring.

För att optimera användningen av ammoniak som energibärare eller bränsle, är det avgörande att förstå både de ekonomiska och tekniska utmaningarna, särskilt när det gäller förbränningsprocesser och effektivitet vid användning i olika industriella sammanhang. Det finns stora förhoppningar om att ammoniak kan spela en central roll i den globala energiövergången, särskilt när det gäller att minska koldioxidutsläpp och skapa mer hållbara energisystem, men tekniska hinder måste övervinnas för att detta ska bli verklighet. Det behövs därför ytterligare forskning inom flera områden, från katalysatorer för krackning till förbättringar av förbränningssystem och lagringstekniker för att maximera nyttan av ammoniak som energi- och bränslekälla.

Hur fungerar ett indirekt Brayton-gasturbin cykel med helium som kylmedel i en HTGR?

Materialets hållfasthet är dessutom omvänt proportionellt mot temperaturen på arbetsvätskan, som i sin tur bestäms av temperaturen på kylvätskans utgång från reaktorkärnan. För material av en given typ gäller att den maximala tillåtna temperaturen vid denna punkt är relaterad till materialets fysiska egenskaper och temperaturgränser. För kylvätskor som helium och kväve, oavsett om det är i en direkt eller indirekt Brayton-cykel, är turbinens inloppstryck vanligtvis begränsat till 70 bar. På detta sätt möjliggörs driftsmässiga temperaturer upp till 600°C utan att förlora stabilitet i materialet. För högre temperaturer krävs specialiserade material som Nickel-baserade superlegeringar, som till exempel Incoloy Alloy 800. Temperaturen i turbinens varmaste sektioner kan gå upp till 750°C, vilket i sin tur kräver ännu mer avancerade och kostsamma materiallösningar.

När det gäller gasväxling och kompression, oavsett om det gäller helium eller koldioxid (sCO2), används en process som vanligtvis innebär regenerativt kylning och interkylning för att hålla temperaturen inom rimliga gränser. För sCO2-system är det dock fortfarande viktigt att trycket hålls vid 200 bar för att upprätthålla effektiviteten, även om vissa forskningsarbeten undersöker nya lösningar där trycket hålls vid 130 bar för att förbättra ekonomin och minska kostnaderna för teknologin.

I ett scenarie där man funderar på att använda ett nukleärt system för att ersätta fossila bränslen, till exempel i gamla kolkraftverk, måste en rad tekniska och ekonomiska faktorer beaktas. Ett sådant system skulle kunna innebära att man ersätter det traditionella koleldade pannan med ett kärnreaktorer (eller flera små modulära reaktorer, SMR). Men även om detta på papperet verkar vara en enkel lösning, finns det flera praktiska och ekonomiska hinder att övervinna. Den största utmaningen ligger i att integrera de nya reaktorerna i ett redan befintligt system utan att helt demolera eller ta bort det gamla kolkraftverket. För att detta ska vara möjligt måste anläggningens layout och tekniska specifikationer stämma väl överens med de krav som kärnreaktorer ställer, såsom temperaturnivåer för både ånga och matningsvatten samt kapaciteten för ytterligare anläggningsutrustning som behövs.

Vid repowering av kolkraftverk med kärnreaktorer är det viktigt att välja en ångcykel som är tekniskt aktuell och effektiv. Superkritiska eller ultrahögkritiska ångsystem är ofta det mest lämpliga alternativet i dessa fall. Vidare måste både ång- och matningsvattentemperaturer noggrant anpassas för att matcha kylvätskans parametrar från kärnreaktorn, vilket innebär att mellanliggande värmeväxlare måste vara väl dimensionerade och konstruerade för att klara de höga temperaturerna och trycken.