stringtranslate.com

Смесь сверхкритического диоксида углерода

Фазовая диаграмма углекислого газа

Смесь сверхкритического диоксида углерода (смесь sCO 2 ) представляет собой гомогенную смесь CO 2 с одной или несколькими жидкостями (легирующей жидкостью), в которой она поддерживается при критической температуре и критическом давлении или выше них . [1]

Диоксид углерода ведет себя как сверхкритическая жидкость выше своей критической температуры (304,13 К, 31,0 °C, 87,8 °F) и критического давления (7,3773 МПа, 72,8 атм, 1070 фунтов на квадратный дюйм, 73,8 бар), расширяясь, заполняя свой контейнер, как газ, но с плотность как у жидкости. [2]

Комбинируя CO 2 с другими жидкостями , можно изменить критическую температуру и критическое давление смеси. Смесь s-CO 2 обычно разрабатывается для повышения сверхкритической температуры смеси, чтобы использовать s-CO 2 в энергетических циклах , получая повышенную эффективность преобразования энергии . [3]

Приложения

Выработка энергии

Паровая турбина

Несмотря на развитие новых технологий производства электроэнергии , большинство электростанций являются тепловыми электростанциями , а это означает, что они используют источник тепла ( солнечная энергия , атомная энергия , ископаемое топливо , биомасса , сжигание , геотермальная энергия ) для производства электроэнергии. Хотя этот процесс может быть достигнут напрямую с помощью эффекта Зеебека , эффективность преобразования энергии значительно увеличивается за счет использования энергетического цикла . Традиционно электростанции работают по циклу Ренкина и используют паровые турбины для выработки электроэнергии. Эффективность энергетического цикла ограничена разницей температур между источником тепла и радиатором. Чем больше разница, тем больше электроэнергии можно произвести. Замена пара сверхкритическим диоксидом углерода позволяет достичь более высокого перепада температур, тем самым повышая энергетическую эффективность электростанции . [3]

Сверхкритическое состояние облегчает теплообмен у источника тепла. Кроме того, сверхкритический диоксид углерода в два раза плотнее пара , а сочетание высокой плотности и объемного тепла делает его высокоэнергетической плотной жидкостью, а это означает, что размер большинства компонентов термодинамического цикла может быть уменьшен . Таким образом, экологический след завода и капитальные затраты значительно сокращаются. Кроме того, sCO 2 негорюч , нетоксичен , невзрывоопасен и дешев . [4] Эффективность можно дополнительно повысить, используя комбинированный цикл . [5]

Одним из основных ограничений, задерживающих массовое использование углекислого газа в энергетических циклах, является коррозионная технология . Материалы для транспортировки жидкостей и производства электроэнергии должны обладать высокой устойчивостью к высоким температурам , коррозии и ползучести .

Концентрированная солнечная энергия

Solúcar PS 10 , первая коммерческая солнечная электростанция. Он расположен в Санлукар-ла-Майор , Севилья , Испания.

Концентрированная солнечная энергия (CSP) — это солнечная тепловая технология, в которой используются зеркала или линзы для концентрации солнечного света в приемнике. [6] Приемник достигает очень высоких температур, до 1000 °C для коммерческих солнечных электростанций , что способствует высокой эффективности преобразования энергии. Однако производство электроэнергии ограничено используемым тепловым двигателем . [3]

В секторе концентрированной солнечной энергии использование сверхкритического CO 2 в качестве жидкости для нагрева двигателя может обеспечить значительное снижение затрат. Более высокий КПД силового блока уменьшает размер солнечного поля, уменьшая загрузку почвы и, следовательно, стоимость этой части установки. Согласно имеющимся анализам, затраты на производство электроэнергии на обычных сверхкритических CO 2 CSP, как ожидается, составят 9,5–10 $ центов/кВтч при благоприятных условиях. [7] Кроме того, концентрированная солнечная энергия дает возможность напрямую восстанавливать солнечную радиацию без использования какого-либо промежуточного энергоносителя . Однако это создает проблемы при проектировании солнечных приемников высокого давления, которые должны выдерживать давление выше критического давления жидкости, а также систем хранения энергии . [8]

Эффективные циклы сверхкритического CO 2 требуют, чтобы температура на входе в компрессор была близка или даже ниже критической температуры жидкости (31 °C для чистого диоксида углерода). Когда эта цель достигнута и температура источника тепла превышает 600–650 °C, тогда цикл sCO 2 превосходит любой цикл Ренкина , работающий на воде/ паре с теми же граничными условиями. [9]

Из-за погодных условий в засушливых районах, где обычно расположены концентрированные солнечные электростанции, с температурой окружающей среды выше 35 °C, невозможно достаточно охладить CO 2 для сжатия жидкости с низкими энергозатратами. Соответственно, быстрый переход к почти идеальному поведению углекислого газа при повышении температуры до 40 °С и выше увеличивает работу сжатия и снижает тепловой КПД силового блока, который можно повысить вновь только за счет значительного повышения температуры на входе в турбину. Чтобы преодолеть эти термодинамические проблемы, можно использовать сверхкритическую смесь CO 2 с более высокой критической температурой. [10] Была изучена критическая температура нескольких смесей sCO 2 . Например, смесь, достигающая критической температуры 80 °C, может обеспечить высокую эффективность при температуре радиатора до 50 °C. [9]

Проект SCARABEUS, получивший финансирование от Европейского Союза, формулирует новый концептуальный подход к внедрению сверхкритических смесей углекислого газа в концентрированных солнечных электростанциях для снижения эксплуатационных и капитальных затрат за счет повышения эффективности энергетического цикла. Проект SCARABEUS разработан консорциумом европейских университетов ( Миланский политехнический университет и Università degli Studi di Brescia из Италии, Венский технический университет из Австрии , Севильский университет из Испании и Лондонский университет из Великобритании) и частных компаний (Kelvion из Германии). , Baker Hughes из США и Абенгоа из Испании) с опытом работы в области концентрированной солнечной энергии. [11] [12]

Смотрите также

Сверхкритический диоксид углерода

Концентрированная солнечная энергия

Производство электроэнергии

Термодинамический цикл

Цикл Ренкина

Паровая турбина

Углекислый газ

Рекомендации

  1. ^ «Сверхкритический диоксид углерода/альтернативные смеси жидкостей для повышения эффективности солнечной электростанции» . Исследовательские ворота .
  2. ^ Спан, Роланд; Вагнер, Вольфганг (1 ноября 1996 г.). «Новое уравнение состояния углекислого газа, охватывающее область жидкости от температуры тройной точки до 1100 К при давлениях до 800 МПа». Журнал физических и химических справочных данных . 25 (6): 1509–1596. Бибкод : 1996JPCRD..25.1509S. дои : 10.1063/1.555991. ISSN  0047-2689.
  3. ^ abc Бинотти, Марко; Ди Маркоберардино, Джоэле; Йора, Паоло; Инверницци, Костанте Марио; Манзолини, Джампаоло (4 октября 2019 г.). Университет Дуйсбург-Эссен DuEPublico: Интернет-публикации Дуйсбург-Эссен. «Смеси сверхкритического диоксида углерода и альтернативных жидкостей для повышения эффективности солнечной электростанции». Материалы конференции Европейской конференции SCO2. Третья Европейская конференция по энергосистемам со сверхкритическим CO2 (SCO2), 2019: 19–20 сентября 2019 г .: 222–229. doi : 10.17185/DUEPUBLICO/48892.
  4. ↑ Патель, Сонал (1 апреля 2019 г.). «Что такое сверхкритические энергетические циклы CO2?». Журнал СИЛА . Проверено 15 декабря 2022 г.
  5. ^ «Смешанные циклы – теххаус» . Проверено 15 декабря 2022 г.
  6. ↑ Кремер, Сьюзен (11 июня 2018 г.). «Как работает CSP: башня, желоб, Френеля или тарелка». СоларПАСЕС . Проверено 7 декабря 2022 г.
  7. ^ Мария, Санчес Мартинес, Давид Томас Санчес Ленсеро, Томас Мануэль Университет Севильи. Departamento de Ingeniería Energética Crespi, Франческо (11 февраля 2020 г.). Термоэкономическая оценка сверхкритических энергетических циклов CO2 для концентрированных солнечных электростанций. ОСЛК  1240072375.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ Маркионни, Маттео; Бьянки, Джузеппе; Тассу, Саввас А. (11 марта 2020 г.). «Обзор технологий сверхкритического диоксида углерода (sCO2) для высококачественного преобразования отработанного тепла в энергию». С.Н. Прикладные науки . 2 (4): 611. doi : 10.1007/s42452-020-2116-6 . hdl : 11584/361939 . ISSN  2523-3971. S2CID  216291655.
  9. ^ аб Креспи, Франческо; Санчес, Дэвид; Мартинес, Гонсало С.; Санчес-Ленсеро, Томас; Хименес-Эспадафор, Франциско (22 июля 2020 г.). «Потенциал энергетических циклов сверхкритического диоксида углерода для снижения приведенной стоимости электроэнергии современных концентрированных солнечных электростанций». Прикладные науки . 10 (15): 5049. дои : 10.3390/app10155049 . ISSN  2076-3417.
  10. ^ ab Ф. Креспи, Г. С. Мартинес, П. Родригес де Арриба, Д. Санчес, Ф. Хименес-Эспадафор (2021). «Влияние состава рабочей жидкости на оптимальные характеристики смешанных сверхкритических циклов углекислого газа». Том 10: Сверхкритический CO2 . ASME Turbo Expo 2021: техническая конференция и выставка турбомашин. дои : 10.1115/gt2021-60293. ISBN 978-0-7918-8504-8. S2CID  239400871 . Проверено 15 декабря 2022 г. {{cite book}}: |website=игнорируется ( помощь )CS1 maint: местоположение ( ссылка ) CS1 maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  11. ^ Издательское бюро ЕС. «Сверхкритический диоксид углерода/альтернативные смеси жидкостей для повышения эффективности солнечных электростанций». КОРДИС . дои : 10.3030/814985.
  12. ^ "Проект Скарабей" . Проверено 7 декабря 2022 г.