Braytoncykeln är en välkänd termodynamisk process som används för att beskriva hur energin omvandlas i gasturbiner och jetmotorer. Idag uppnår de bästa kombinerade cyklerna, som till exempel GE:s 7HA.02, en effektivitet på cirka 63-64 % vid ISO-netto baslastbetyg. I detta sammanhang, om en gasturbin med tryckökande förbränningssystem skulle utvecklas till samma teknologiska nivå, skulle effektiviteten kunna nå upp till 65,7 %, vilket representerar en förbättring på nästan 2,5 procentenheter jämfört med en turbin med en traditionell Braytoncykel.

Effektiviteten i sådana system är starkt beroende av det tekniska förhållandet, även kallat "technology factor" (TF), som kan beräknas genom att jämföra den faktiska effektiviteten med den maximala teorin. I det här fallet ger ett tryckökande förbränningssystem ett högre värde för TF, vilket leder till en markant ökning av den totala effektiviteten.

Vid en temperatur på 1,735 K (eller cirka 1 462 °C) vid turbinens ingång, uppnår den nya cykeln betydligt högre prestanda än en traditionell F-klass gasturbin med en turbininloppstemperatur på 1 600 °C. Det är dock viktigt att notera att den teoretiska kombinerade cykeln med den största möjliga effektiviteten, som uppnår en effektivitet på 68,3 % genom användning av en roterande detonationsmotor, fortfarande är långt ifrån praktiskt genomförbar.

Detonationförbränning (DC) representerar en radikal förändring av den traditionella förbränningsteknologin. I motsats till förbränning via flamma, där värmeöverföring sker genom konduktion, sker energiöverföring i detonationssystem genom en stark kompressionsvåg. Denna våg höjer både temperatur och tryck i ett reaktionsblandning. Fördelarna med denna process är många, men det finns också betydande praktiska utmaningar för att implementera en sådan cykel.

Detonationförbränning kan tillämpas i en modifierad Braytoncykel, där förbränningsprocessen mellan tillstånd 20 och 30 (se figur i texten) sker genom en detonation. Denna cykel kallas DCHA (Detonation Combustion High Efficiency Cycle). En detonation är en snabb och intensiv form av förbränning, som skiljer sig från vanliga flammor genom att den huvudsakliga energiöverföringen sker i en stark chockvåg med en försumbar bidragande värmeöverföring genom konduktion. Reaktionen som följer vågen är intensiv och går till största delen till fullständig förbränning.

Det är viktigt att förstå att DCHA-cykeln, i strikt termer, inte är ett idealiskt luftstandardcykel, eftersom den irreversibla värmeadditionsprocessen inte kan avbildas på ett T-s diagram. Trots detta fungerar den som ett mycket användbart kvalitativt surrogat för den konstanta volymförbränningsprocessen som krävs i R-G-cykeln. Denna förbränningsprocess, där både tryck- och temperaturhöjningar sker samtidigt med reaktion, skulle i teorin ge en högre verkningsgrad än de nuvarande cyklerna som utnyttjar traditionell förbränning.

Trots de teoretiska fördelarna med detonationförbränning måste det påpekas att en sådan process innebär högre entropiökning än de ideala processerna som används i Braytoncykeln och andra traditionella termodynamiska cykler. Detta innebär att även om den teoretiska verkningsgraden för en DCHA-cykel kan vara hög, kommer de faktiska prestandaresultaten för denna cykel alltid att vara något lägre på grund av den extra entropiökningen. Således kommer den faktiska effektiviteten av DCHA att vara lägre än för dess ideala motsvarighet i R-G-cykeln.

För att realisera denna teknik krävs en rad betydande innovationer inom både konstruktion och drift. Exempelvis innebär en supersonisk flöde med stående detonationvåg ett stort tekniskt hinder, då det kräver extremt exakta och stabila förhållanden för att säkerställa att den snabbt reagerande förbränningen inte orsakar systemstörningar. För att utveckla en fungerande DCHA-cykel krävs därför nya typer av kompressor- och turbinteknik som kan hantera de extrema tryck- och temperaturförhållandena som genereras av detonationförbränning.

En annan aspekt som bör beaktas är hur denna teknologi kan integreras i större energisystem, som i kombinerade cykelsystem. Det är möjligt att dessa nyutvecklade cykler, om de blir kommersiellt tillgängliga, kan erbjuda en mer hållbar lösning för att producera högre verkningsgrad inom energigenerering, särskilt i stor skala, som för elproduktion i kraftverk.

Vad betyder tillförlitlighet, tillgänglighet och underhållbarhet för kraftverk?

Biomassgasifiering är, trots att kolgasifiering ofta anses vara en föråldrad teknik, fortfarande ett gångbart alternativ för kraftproduktion. Gasifierare för biomassa kan delas in i två typer: fastbädd och fluidiserad bädd. Fastbäddsgasifierare är enklare, billigare och producerar syngas med lägre värmeinnehåll, medan fluidiserade bäddgasifierare är mer komplexa och dyrare, men genererar syngas med högre värmevärde. För en detaljerad diskussion om drift och problem relaterade till biomassgasifierare hänvisas läsaren till andra referenser. Det finns även historiska exempel på hur biomassgasifiering, specifikt från trä, har använts som drivkälla för motorer, vilket kan vara intressant för den som vill förstå teknologins utveckling.

Vid utveckling och drift av kraftverk är tre faktorer av avgörande betydelse: tillförlitlighet, tillgänglighet och underhållbarhet (RAM). Tillförlitlighet beskriver sannolikheten att ett system eller en komponent fungerar som avsett under en viss tidsperiod utan att falla ut. Tillgänglighet innebär att systemet kan vara operativt vid vilken tidpunkt som helst när det behövs, medan underhållbarhet handlar om hur snabbt ett system kan återställas till sitt fulla funktionstillstånd efter att en störning inträffat.

För att ett kraftverk ska uppnå hög tillgänglighet måste man både maximera driftstiden och minimera stilleståndstiden. Detta innebär att för att uppnå hög tillgänglighet krävs hög tillförlitlighet och underhållbarhet. Ett system med hög tillförlitlighet och god underhållsförmåga minimerar antalet driftstopp och reducerar den tid som krävs för att återställa anläggningen efter ett fel.

Exempelvis, om en gas- eller ångturbin i ett kraftverk inte kan starta när det behövs, spelar det ingen roll hur effektivt och miljövänligt det är; det är inte användbart. Detta innebär att utvecklingen av nya teknologier inte bara måste fokusera på deras effektivitet, utan även på deras pålitlighet och förmåga att återställas snabbt vid behov. Tyvärr försummas ofta dessa RAM-aspekter i marknadsföring av nya energiteknologier, vilket leder till en felaktig bild av hur dessa system faktiskt kommer att prestera i praktiken.

För att beräkna tillförlitligheten hos ett system används ofta en exponensialfördelning, som modellerar tiden mellan fel i systemet. Tillförlitligheten kan beräknas genom att mäta medeltiden mellan fel (MTBF), där MTBF är den genomsnittliga tiden mellan misslyckanden och X är felhastigheten. För komponenter som repareras när de går sönder används termen MTBF, medan för komponenter som byts ut när de går sönder används termen MTTF (Mean Time to Failure). Genom att analysera systemets tillförlitlighet kan man även beräkna systemets felhastighet och förväntade driftstopp.

Vid design av kraftverk, där flera subsystems samverkar, beräknas systemets tillförlitlighet genom att multiplicera tillförlitligheterna för de olika delsystemen. Ett exempel på detta är ett system med flera pumpar som arbetar parallellt; för att maximera tillförlitligheten krävs en noggrant balanserad design där redundanta system används för att säkerställa att minst en pump alltid är operativ.

Systemtillgängligheten är avgörande för kraftverkets ekonomi eftersom en hög tillgänglighet innebär att anläggningen kan vara i drift under längre perioder, vilket ökar möjligheterna att generera intäkter. För att uppnå hög tillgänglighet måste man minska både frekvensen och varaktigheten av driftstopp. Detta kan uppnås genom att optimera både MTBF (medeltid mellan fel) och MTTR (medeltid för reparation).

För att säkerställa en långsiktig och stabil drift av kraftverk krävs noggranna överväganden av dessa tre faktorer. Dessutom är det viktigt att överväga hela livscykeln för utrustningen, från installation till avveckling, och att ta hänsyn till kostnader för driftstopp, reparationer och byte av utrustning. Att investera i pålitlig och underhållbar utrustning kan på sikt minska driftskostnaderna och förbättra lönsamheten för kraftverk.

Hur effektivt kan CO2-lagring och energilagringstekniker konkurrera med andra energilösningar?

Energilagring är en avgörande komponent för att möjliggöra en stabil och hållbar energiförsörjning, särskilt när det gäller integrationen av förnybara energikällor (RES) och att möta efterfrågan vid olika tidpunkter på dygnet. CO2-baserad energilagring, såsom den som beskrivs i flera innovativa system, har potentialen att bidra väsentligt till denna utveckling, men utmaningarna kring effektivitet och teknologiska lösningar kvarstår.

Vid beräkningar av systemets verkningsgrad (RTE, Round Trip Efficiency) för CO2-energibaserad lagring i olika varianter, till exempel SC (Super Critical) och TC (Trans Critical), får man värden som överstiger 60 % i vissa fall. Dessa beräkningar, som sammanfattas i Tabell 5.9 i referens [18], visar på lovande resultat, men verkligheten är ofta mer komplex än vad de första siffrorna antyder. Det största felet i de tidigare uppskattningarna är den metod som användes för att beräkna värmen som tillförs CO2 i värmeväxlaren för HFC (Heater Fuel Consumption). Det är uppenbart att det inte är möjligt att direkt överföra värme till CO2 genom en vanlig eldvärmd värmare, vilket ger upphov till betydande fel i de ursprungliga resultaten.

För att säkerställa mer precisa värden har författarna till denna analys genomfört en upprepning av beräkningarna med hjälp av Thermoflow, Inc:s programvara THERMOFLEX, och använt sig av REFPROP-paketet för att beräkna CO2:s egenskaper. De beräknade värdena, där samma kompressor- och turbinersisotropiska effektivitet användes (85 % för kompressorn och 87 % för turbinen), visade att den verkliga RTE låg på omkring 47 %, betydligt lägre än de initialt rapporterade 62,3 %.

Ett annat exempel på CO2-baserad energilagring är den "CO2-batteri"-teknologi som utvecklats av det italienska företaget EnergyDome. Detta system använder en liknande princip som LAES (Liquid Air Energy Storage), där CO2 komprimeras och lagras i kolfibertankar vid 65 bar och 25°C. Under urladdningsfasen frigörs vätskeformigt CO2 från tankarna och värms upp med hjälp av lagrad värme från vattentemperaturlager och TES-system (Thermal Energy Storage) för att expandera genom en turbin och generera elektricitet. Enligt tillverkarens uppgifter ska systemet ha en RTE på över 75 %, men en snabb kontroll genomförd i THERMOFLEX visade ett något lägre resultat på cirka 73,8 %. Detta resultat ligger nära det påstådda värdet, vilket innebär att systemet har viss merit, men utvecklingen av TES-teknologin samt systemets kapex (kapitalutgifter) och opex (driftkostnader) är avgörande för att kunna konkurrera med etablerade lagringstekniker som CAES (Compressed Air Energy Storage) eller LAES.

Vid sidan av dessa tekniska detaljer kring CO2-lagringsteknik är det viktigt att också beakta energilagringens roll i att tillhandahålla sekundära tjänster för elnätet. Bland dessa tjänster återfinns bland annat frekvensreglering, där energilagring snabbt kan släppa ut lagrad energi för att balansera generation och efterfrågan på elnätet. Andra viktiga funktioner inkluderar spinning reserve, där ett lagrat energisystem kan agera som en omedelbar reservkraft vid oväntade driftstopp eller störningar i nätet.

Enligt en sammanfattning i Tabell 5.10 i referens [2] är energilagringssystem som batterier och olika former av termisk lagring inte bara användbara för att lagra energi utan också för att tillhandahålla nätstabiliserande funktioner. Exempel på dessa tjänster är energiarbitrage, där lagrad energi släpps ut under högre efterfrågan för att säljas till ett högre pris, eller den viktiga uppgiften att integrera förnybara energikällor i elnätet genom att hantera variationer som plötsliga molntäcken eller vindstilla. Dessa funktioner är en viktig aspekt att beakta vid utvärdering av energilagringssystem.

Det är också relevant att förstå de ekonomiska och miljömässiga konsekvenserna av de olika energilagringsteknikerna. System som använder CO2-lagring, exempelvis EnergyDome, är fortfarande i ett tidigt utvecklingsskede, och deras långsiktiga lönsamhet beror på både teknologiska framsteg och den ekonomiska konkurrensen från mer etablerade lagringstekniker. Även om CO2-lagring erbjuder några fördelar i form av lagring av energi under längre tidsperioder, är det fortfarande oklart om dessa system kan bli kommersiellt skalbara utan att möta betydande ekonomiska hinder.

Hur skapar man effektfull produktbelysning för glas och metall?
Hur digital kapitalism omformar vårt samhälle och våra politiska landskap
Hur kan du förbättra din kroppsliga medvetenhet genom somatiska övningar?