Innowacyjne mieszanki cieczy zwiększają potencjał elektrowni słonecznych
Systemy skoncentrowanej energii słonecznej (CSP) wykorzystują lustra lub soczewki do skupiania światła słonecznego na niewielkiej powierzchni, przekształcając energię słoneczną w ciepło, które jest następnie wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej. Pomimo oferowanego potencjału technologia CSP posiada pewne ograniczenia natury ekonomicznej, których od dłuższego czasu nie udaje się pokonać – w porównaniu z technologiami fotowoltaicznymi jest ona droższa i wymaga dużych nakładów. Jednak opracowanie innowacyjnych cykli energetycznych zapewniających wyższą sprawność i niższe koszty daje nadzieję na uczynienie z CSP bardziej konkurencyjnego i opłacalnego rozwiązania.
Przełom w konwersji energii zwiększający sprawność CSP
Nad rozwiązaniem pracował zespół finansowanego przez Unię Europejską projektu SCARABEUS, który postawił sobie za cel stworzenie zaawansowanego bloku energetycznego zaprojektowanego z myślą o poprawie konwersji ciepła na energię elektryczną, przy jednoczesnym obniżeniu związanych z tym kosztów. Innowacyjnym aspektem podejścia przyjętego w projekcie SCARABEUS było zastosowanie nowej cieczy roboczej, składającej się z dwutlenku węgla zmieszanego ze specjalnymi dodatkami. Skład ten umożliwia kondensację cieczy w temperaturach sięgających nawet 60 stopni Celsjusza, a jednocześnie zapewnia odporność na wymagane szczytowe temperatury cyklu, co czyni go doskonałą opcją do zastosowań CSP. Prace obejmowały nie tylko zaprojektowanie komponentów cyklu energetycznego kompatybilnych z innowacyjną cieczą, ale również walidację zarówno komponentów, jak i ogólnej koncepcji na stanowisku badawczym. Pierwszym etapem prac była identyfikacja najbardziej obiecujących domieszek, które mogłyby zwiększyć sprawność cyklu energetycznego. Wśród najmocniejszych kandydatów znalazło się kilka rodzajów cieczy, w tym C6F6 (heksafluorobenzen), TiCl4 (czterochlorek tytanu), SiCl4 (czterochlorek krzemu) i dwutlenek siarki (SO2). Następnie zespół wykonał dokładną charakterystykę, aby poznać ich właściwości termodynamiczne i maksymalne temperatury pracy. Te eksperymentalne wyniki miały kluczowe znaczenie w kontekście przewidywania wydajności cieczy i odpowiedniego zaprojektowania komponentów cyklu energetycznego.
Udana walidacja technologii CSP na stanowisku badawczym
Po scharakteryzowaniu i przetestowaniu cieczy naukowcy zaprojektowali i zoptymalizowali metodę integracji komponentów cyklu z komercyjnie dostępnymi elektrowniami CSP. „Elektrownia CSP w Sewilli wykazała wyrównany koszt energii elektrycznej na poziomie niższym niż 90 euro za MWh, co stanowi znaczną poprawę w porównaniu z kwotą 120 euro za MWh w przypadku komercyjnych technologii”, zauważa koordynator projektu Giampaolo Manzolini. Ten postęp zawdzięczamy kilku kluczowym czynnikom, w tym zwiększonej sprawności cyklu, innowacyjnym kondensatorom chłodzonym powietrzem, rekuperacyjnym wymiennikom ciepła o zwiększonej wydajności i kosztach niższych o 25 % oraz sprawności turbiny wynoszącej ponad 92 %. Ten etap projektu obejmował walidację koncepcji na stanowisku badawczym z masowym natężeniem przepływu cieczy wynoszącym 0,6 kg/s i mocą cieplną rzędu 200 kWth. Płyn CO2-C6F6 przeszedł rygorystyczne testy trwające ponad 150 godzin na stanowisku badawczym na Uniwersytecie Technicznym w Wiedniu, osiągając maksymalne temperatury 500 °C. Testy te potwierdziły wyższą sprawność wymienników ciepła i kondensację cieczy powyżej 50 °C, tym samym dowodząc słuszności koncepcji opracowanej w ramach projektu SCARABEUS.
Mieszanki wysokotemperaturowe przełomem w technologii CSP
Realizacja projektu SCARABEUS pozwoliła na rozwój technologii CSP, kładąc podwaliny pod przyszłe innowacje, które mogą jeszcze bardziej obniżyć koszty i poprawić wydajność wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych. Większość badań w zakresie przekształcania energii cieplnej na mechaniczną w technologii CSP koncentrowała się na cyklach wykorzystujących nadkrytyczny dwutlenek węgla. Jednak cykle te często są ograniczone z powodu wysokich temperatur otoczenia, co może zmniejszyć ich ogólną sprawność. Mając to na uwadze, zespół projektu SCARABEUS jako pierwszy przeprowadził udaną walidację innowacyjnych mieszanek dwutlenku węgla z myślą o zastosowaniach wysokotemperaturowych. „Jesteśmy pionierami w stosowaniu mieszanek CO2 na potrzeby kondensacji w wysokich temperaturach (z maksymalną temperaturą rzędu 550 °C i więcej), ustanawiając tym samym nowy standard w tej dziedzinie. Charakterystyka cieczy, która obejmowała ocenę kompatybilności materiałowej, przyniosła znaczącą poprawę, co jest raczej niespotykane w istniejącej literaturze”, podsumowuje Manzolini.
Słowa kluczowe
SCARABEUS, CSP, skoncentrowana energia słoneczna, cykl energetyczny, wysokie temperatury, ciecz robocza, nadkrytyczny dwutlenek węgla
