Badania procesów produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem obiegów na nadkrytyczny CO2

Zespół badawczy:

1. Dr inż. Marcin Wołowicz – kierownik
2. Dr inż. Łukasz Szabłowski
3. Dr inż. Kamil Futyma
4. Dr inż. Arkadiusz Szczęśniak

Cel badań

Celem projektu jest określenie struktur i parametrów pracy układów energetycznych opartych na nadkrytycznym obiegu CO₂. Główna idea projektu jest zastosowanie czynnika niskowrzącego do generacji energii elektrycznej i porównanie go z klasyczna siłownia cieplna na parę wodna. Dodatkowo cały układ może być wyposażony w magazyn dwutlenku węgla, pozwalający na regulację obciążenia poprzez zmianę ilości czynnika roboczego w układzie—pozwalając na produkcje energii elektrycznej z maksymalna sprawnością także przy zmniejszeniu obciążenia, co może mieć istotne znacznie przy pracy regulacyjnej układu. Celem projektu jest także zweryfikowanie powszechnej  opinii, iż układy oparte o obieg nadkrytyczny CO₂ charakteryzują się wyższą sprawnością od obiegu Rankine’a (dla tych samych temperatur górnego i dolnego źródła ciepła).

Osiągnięcia

Do najważniejszych osiągnięć zrealizowanego projektu badawczego należy zaliczyć:

1.            Wariantowe określenie struktur i parametrów pracy układów z nadkrytycznym CO₂

2.            Opracowanie modelu czynnika roboczego do badań obiegów

3.            Opracowanie modeli urządzeń tworzących strukturę układu

4.            Budowa modeli wybranych obiegów

5.            Badania nadkrytycznych obiegów CO₂

6.            Ocena perspektyw zastosowania obiegów z nadkrytycznym CO₂

Wpływ na dyscyplinę

Rosnące wciąż zapotrzebowanie energii elektrycznej wymaga prowadzenia poszukiwań nowych, tańszych metod jej wytwarzania. Dąży się do zmniejszenia zarówno kosztów eksploatacyjnych, jak i inwestycyjnych elektrowni. Powszechnie panuje przekonanie, ze w elektrowniach parowych praktycznie wyczerpano możliwości ulepszeń. Wśród innych koncepcji, duże nadzieje rokuje zastosowanie w obiegach cieplnych czynnika roboczego innego niż para wodna (np. CO₂) oraz dobranie dla tego czynnika najkorzystniejszego obiegu termodynamicznego. Obiegi oparte o nadkrytyczny CO₂ przeżywają swój renesans. Od pierwszych prac z lat 70-tych zeszłego wieku minęło prawie 40 lat, po czym w ostatnich trzech latach nastąpił gwałtowny wzrost ilości artykułów o tej tematyce. Układy te posiadają możliwość współpracy z reaktorami jądrowymi oraz z koncentrycznymi układami solarnymi. Szczególnie perspektywiczne wydaje się zastosowanie tej technologii łącznie z koncentrycznymi układami solarnymi współpracującymi z obiegiem Rankine’a. Inne możliwości zastosowania nadkrytycznych obiegów CO₂ to współpraca z ogniwami paliwowymi, w szczególności wysokotemperaturowymi (SOFC oraz MCFC), z obiegami na paliwa konwencjonalne oraz z wykorzystaniem ciepła odpadowego. Szacuje się, że wpływ na dyscyplinę jest znaczący. Kierownik i wykonawcy projektu biorą udział w pracach przygotowawczych celem złożenia wniosku o dofinansowanie projektu w tej tematyce z NCBiR.

Wybrane rezultaty

Jednym z celów projektu było opracowanie modeli matematycznych urządzeń tworzących strukturę układu. Opracowano modele matematyczne wymienników ciepła, ekspanderów oraz sprężarek.

Mając zbudowane modele poszczególnych urządzeń zbudowano i przebadano układy na nadkrytyczny dwutlenek węgla. Symulacje przeprowadzono w oprogramowaniu EBSILON® Professional w celu porównania osiągów poszczególnych układów. Założenia przyjęte do obliczeń przedstawiono w tabeli poniżej:

Tabela 1. Parametry użyte do przeprowadzenia symulacji

Pierwszym analizowanym układem był układ „pre-ecompression”. Jego implementacja w środowisku EBSILON oraz schemat uproszczony przedstawione są na rys. 1.

Rys. 1. Układ na nadkrytyczny dwutlenek węgla typu „pre-ecompression”. Implementacja w środowisku numerycznym oraz schemat uproszczony.

Drugim analizowanym układem był układ „partial cooling”. Jego implementacja w środowisku numerycznym EBSILON oraz schemat uproszczony przedstawione są na rys. 2.

Rys. 2. Układ na nadkrytyczny dwutlenek węgla typu „partial cooling”. Implementacja w środowisku numerycznym oraz schemat uproszczony.

Trzecim analizowanym układem był układ „recompression”. Jego implementacja w środowisku numerycznym EBSILON oraz schemat uproszczony przedstawione są na rys. 3.

Rys. 3. Układ na nadkrytyczny dwutlenek węgla typu „recompression”. Implementacja w środowisku numerycznym oraz schemat uproszczony.

Wyniki symulacji przedstawiono w tabeli 2. Dla wszystkich powyższych analizowanych układów wygenerowano charakterystyki obiegów na wykresach T-S.

Tabela 2. Wyniki symulacji przeprowadzonej w środowisku numerycznym EBSILON

Ponadto przeprowadzono analizy w innym środowisku numerycznym – GateCycle produkcji General Electric. Jako układ do głębszych analiz wybrano typ „recompression”, który cechuje się najwyższą sprawnością. W związku z optymalizacją modelu osiągnięto sprawność około 43%.