ITC / Projekty / UNICORN

Badania procesów produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem obiegów na nadkrytyczny CO2

Badania procesów produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem obiegów na nadkrytyczny CO2

Okres realizacji – 13.07.2019 – 12.07.2019

Jednostka finansująca – Narodowe Centrum Nauki

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

Parametr Wartość
Temperatura na wlocie do turbiny, °C 700
Ciśnienie na wlocie do turbiny, MPa 20,2
Sprawność izentropowa turbiny, % 80
Sprawność sprężarki, % 85
Sprawność wymiennika ciepła, % 65

 

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

Typ układu Pre-compression Partial cooling Recompression
Sprawność układu, % 27,5 32,1 35,4
Liczba wymienników ciepła 2 1 2
Liczba sprężarek 1 3 2
Liczba ekspanderów 1 1 1

 

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%.