Johdanto
Ilmastonmuutoksen torjunta vaatii suuria muutoksia energiatuotantoon, ja esimerkiksi EU on asettanut kunnianhimoisia tavoitteita energiatehokkuudelle. Pelkkä uusiutuvan energian rakentaminen ei riitä tähän tavoitteeseen pääsemiseksi, vaan myös nykyisten tuotantomuotojen tehokkuutta on parannettava esimerkiksi nostamalla prosessien hyötysuhdetta ja hyödyntämällä entistä tehokkaammin niistä syntyvää hukkalämpöä.
Vaikka aurinko- ja tuulivoimalat eivät tarvitse termodynaamisia tehosyklejä, tarvitaan jatkossakin lämmöllä tuotettua sähköä (esim. ydinvoimaa). Yksi potentiaalinen työkalu lämmön muuntamiseksi sähköksi on suljettu Brayton sykli, jossa käytetään väliaineena ylikriittistä hiilidioksidia. Tällä voidaan joko korvata nykyisiä höyryyn perustuvia prosesseja tai sitä voidaan hyödyntää hukkalämpöjen talteenottoon kohteissa missä tätä ei vielä tehdä. Nykyisin suurin osa lämmöstä sähköksi prosesseja perustuu Rankine sykliin, missä vettä kiehutetaan esimerkiksi ydinenergialla tai polttamalla fossiilisia polttoaineita, ja syntyvällä vesihöyryllä pyöritetään turbiinia. Tämän jälkeen vesi tiivistyy takaisin nesteeksi ja kierto alkaa alusta. Olomuodon vaihtelu nesteen ja kaasun välillä tuhlaa energiaa. Yksi suurimmista ylikriittisen hiilidioksidin eduista on, että energiaa ei kulu olomuodon muutokseen. Kriittinen piste, kuten kuvassa 1 esitetty (Critical point), on tietty lämpötilan ja paineen yhdistelmä, jonka jälkeen aineella on sekä kaasun että nesteen ominaisuuksia. Hiilidioksidi on erityisen houkutteleva vaihtoehto, sillä sen kriittinen piste (73,8 Bar ja 31,1°C) on helposti saavutettavissa. (Gulen, 2023)
Ylikriittisen hiilidioksidin ominaisuudet ja hyödyt
Aineen ylikriittinen olomuoto saavutetaan, kun ainetta lämmitetään tiettyyn pisteeseen tietyssä paineessa. Tässä muodossa aineella on sekä nesteen, että kaasun ominaisuuksia. Suljetussa Brayton syklissä ylikriittinen hiilidioksidi ei muuta muotoaan toisin kuin höyryturbiineissa käytettävä vesi, joka höyrystyy ja tiivistyy vuorotellen. Ylikriittisen nesteen puristamiseen tarvitaan vähemmän työtä ja sen sisäinen lämmön talteenotto on tehokkaampaa kuin vedellä ja vesihöyryllä. Hiilidioksidin etuja verrattuna muihin ylikriittisiin nesteisiin ovat sen myrkyttömyys, helppo saatavuus, ja ylikriittisen pisteen matala lämpötila. (White, Bianchi, Chai, Tassou, & Sayma, 2021)
Brayton Sykli
SCO2 (Supercritical Carbon Dioxide) Brayton syklit eivät ole uusi keksintö, vaan ne on ensimmäisen kerran patentoitu jo vuonna 1950. Aihetta tutkittiin paljon 1960-luvulla mutta sitten kiinnostus hiipui koska saatavilla olevien materiaalisen paineenkesto ei ollut riittävällä tasolla käytännön testilaitteistojen rakentamiseen, ja lämmönvaihtimien saatavuus oli rajallista. Vuonna 2004 Václav Dostál ehdotti prosessin hyödyntämistä ydinvoimaloissa ja tutkimusmäärät lähtivät kasvuun. (Dostal, Driscoll, & Hejzlar, 2004)
Yksinkertaista epäsuoraa Braytonin kiertoa kuvaava lohkokaavio on esitetty kuvassa 2A (Simple Brayton Cycle). Kompressorin ja laajennusturbiinin välillä kiertää neste. Tämä neste voi olla joko puhdas aine tai seos. Jäähdytin tarvitaan alentamaan nesteen lämpötila haluttuun virtauslämpötilaan kompressorille sen jälkeen, kun siihen on juuri ennen laajennusturbiinia annettu lämpöenergiaa. Lämpöpalautus on suhteellisen uusi lisäys epäsuoraan Braytonin kiertoon. Kuvassa 2B (Recuperated Bryton cycle) esitetään lohkokaavio tällaiselle kierrolle. Ainoa muutos kiertoon on lämmönvaihtimen lisääminen laajentimen poistoilman ja kompressorin poistoilman välille. Vähentämällä lämmön menetystä CO2-jäähdyttimessä ja lisäämällä työaineen tilavuutta, joka voi liikkua kierrossa tietyn lämmöntulon määrän osalta, tämä lämmönvaihto lisää kierron tehokkuutta. (DOE, 2015)
SCO2-teknologian tutkimus ja kehitys vuosina 1990-2020
Tutkimuksen ja myönnettyjen patenttien määrä on kasvanut rajusti 2006 jälkeen. Tutkimuksen kärjessä ovat Kiina, Yhdysvallat ja Etelä-Korea, 56% patenteista on Kiinalla, kuten Kuvassa 3 esitetään. SCO2 Brayton syklille on tutkittu useita erilaisia käyttökohteita, mukaan lukien ydinvoima, fossiilisen polttoaineen laitokset ja niiden hukkalämpö, keskittävä aurinkovoima, geoterminen energia ja teollisuusprosessien korkean lämpötilan hukkalämmön hyödyntäminen. Laitoksissa, joissa tuotetaan ensisijaisesti korkeaa lämpöä teollisuuden prosesseihin (esim. sementti, teräs ja keramiikkateollisuus) ja tehdään toissijaisesti sähköä hukkalämmöllä (bottoming cycle -laitokset), voidaan SCO2 Brayton prosessilla korvata nykyiset Rankine sykliin perustuvat höyryturbiinit ja saavuttaa suuria hyötyjä paremman hyötysuhteen ansiosta. Ylikriittistä hiilidioksidia kiertonesteenä käyttävät laitokset voivat toimia hyvällä hyötysuhteella sekä täydellä että vajaalla kuormalla. Tämä joustavuus on tärkeää, kun sähkönjakelujärjestelmään tulee uusiutuvan energian lisääntymisen myötä yhä enemmän ajoittaista sähköntuotantoa. Teknologian yleistymisen tiellä on vielä monia haasteita. Merkittävin ovat komponentit, sillä tiivisteiden, laakereiden ja muiden osien täytyy kestää korkeaa painetta ja suuria paine-eroja. Myös demoprojektien skaalautuvuus teolliseen tuotantoon epäilyttää, sillä alle 1 MW testilaitteistoilla on omat erityishaasteensa johtuen suuremmasta pyörimisnopeudesta mikä aiheuttaa esimerkiksi laakereihin ja ilmanvastukseen liittyviä häviöitä, jotka esiintyvät eri tavalla suuremmilla koneilla. Lisäksi operoitaessa lähellä kriittistä pistettä, haasteena ovat kondensoituminen ja reaalikaasuilmiöt, sillä SCO2 käyttäytyy epälineaarisesti lähellä kriittistä pistettä. (White, Bianchi, Chai, Tassou, & Sayma, 2021).
SCO2-teknologian testaus ja kehitys
Tapaus 1: Sandia National Laboratoriesissa, Yhdysvalloissa
Sandia National Laboratories kehittää Albuequerquessa, New Mexicossa, SCO2 Brayton sykliin perustuvaa sähköntuotantojärjestelmää. Ensimmäisen vaiheen testilaitteiston teho on 10 kW ja kiertävä ylikriittinen hiilidioksidi lämmitettiin 316° asteeseen. Huhtikuussa 2022 tutkijat onnistuivat syöttämään sähköä verkkoon 50 min ajan 10 kW teholla. Testissä myös toteutettiin kolme onnistunutta käynnistys-alasajo sykliä järjestelmällä.
Testilaitteisto (kuvassa 5) on yksinkertainen suljetun kierron Brayton sykli, jossa SCO2 kuumennetaan lämmönvaihtimella, jonka jälkeen energia otetaan talteen turbiinilla. Turbiinista poistuva hiilidioksidi jäähdytetään rekuperaattorissa, jonka jälkeen paine nostetaan kompressorilla riittävän korkeaksi seuraavaa kierrosta varten.
”Recuperator” on erityinen tyyppi lämmönvaihdinta, joka käyttää lämpöenergian talteenottoa. Tällaisessa lämmönvaihtimessa, kaksi virtaavaa ainetta, yleensä lämmin ja kylmä kaasu tai neste, virtaavat vastakkaisiin suuntiin erillisten kanavien läpi, kuten kuvassa 4 esitetään. Recuperatorin tehtävä on ottaa talteen lämpöenergiaa lämpimästä virrasta ja siirtää se kylmään virtaan. Tämä tapahtuu yleensä lämmön siirron avulla lämmönjohtavien pinnoitteiden, levyn tai putken välityksellä. Recuperatoria käytetään usein energiatehokkaissa järjestelmissä, kuten lämmön talteenotossa voimalaitoksissa tai lämpöpumppujärjestelmissä (ChatGPT, 2023).
Sandian National laboratorion testissä lämpö tuotettiin sähkövastuksella, mutta tulevaisuudessa se voisi tulla esimerkiksi ydinreaktiosta tai fossiilisten polttoaineiden polttamisesta. Yksi suurimpia haasteita kokeessa oli järjestelmän liittäminen sähköverkkoon. Lopulta tutkijat päätyivät käyttämään hisseissäkin käytettyä edistynyttä tehoelektroniikkaa säätelemään verkkoon syötettävää sähköä.
Tavoitteena on demonstroida 1 MW voimalan toimintaa syksyllä 2024. Tämä versio laitteistosta käyttää korkeampia lämpötiloja (yli 538°C), mikä mahdollistaa paremman hyötysuhteen. Laitoksen periaatteellinen lohkokaavio on esitetty kuvassa 5 alla. Tavoitteena on myös siirtyä yksinkertaisesta Brayton syklistä kahta turbiinigeneraattoria käyttävään uudelleenpuristusjärjestelmään. Jatkokehityksen ja kaupallistamisen haasteena on löytää tai kehittää riittävän suuria turbokoneita ja ylikriittiselle hiilidioksidille soveltuvia tiivisteitä ja laakereita järjestelmään.
Tapaus 2: STEP Demo GTI Projekti
Rakenteilla oleva STEP Demo (Supercritical Transformational Electric Power) testauslaitos Southwest Research Instituutissa (SwRI) on yksi maailman suurimmista ylikriittisen hiilidioksidin (SCO2) teknologian demonstraatiolaitoksista. GTI (Gas Technology Institute) johtaa useita SCO2-voimakiertojen teknologian kehitysprojekteja. Keskeiset ponnistelut sisältävät 10 MWe:n STEPDemo-pilottilaitoksen, joka edistää SCO2-voimakiertojen kehitystä ja jätelämmön talteenottoa. GTI:n johtama tiimi toteuttaa integroidun ja muunneltavan 10 MWe:n SCO2 Pilot Plant Test Facilityn SwRI:n San Antonion kampuksella Texasissa. Projekti saa rahoitusta Yhdysvaltain energiaosastolta sekä tiimin jäseniltä ja globaalilta teollisuuskonsortiolta. Tämä projekti edistää SCO2-pohjaisten voimatuotantokiertojen kaupallistamista ja tarjoaa arvokasta tietoa suorituskyvystä, käytettävyydestä ja skaalautuvuudesta. Pilottilaitos on loppuvaiheessa rakentamisessa ja käyttöönotto suunnitellaan vuodelle 2022. STEP demo projektia johtaa GTI energy ja Yhdysvaltojen energiaministeriön National Energy Technologies Laboratory, joista GTI Energyllä on vastuullaan koko projektin hallinta. GE-Global Research puolestaan toimittaa testilaitokseen teknisiä komponentteja, esimerkiksi turbiinin ja kompressorin sekä tarvittavat SCO2 teknologiaan liittyvät osat. (ChatGPT, 2023; GTI Energy, 2023; Lariviere, ym., 2021)
Perinteisen vesihöyrypohjaisen Rankine syklin sijaan STEP demolaitos toimii suljetulla sCO2 Brayton syklillä. STEP GTI projektin yksinkertaistettu prosessikaavio esitetään kuvassa 6A ja 6B.
STEP Demo projektin tavoitteena on demonstroida sähköverkkoon kytketyssä voimalaitoksessa suljetun kierron Brayton tehosykliä, jossa työnesteenä käytetään ylikriittistä hiilidioksidia, ja testata kahta erilaista käyttötarkoitusta prosessille. Päätavoitteena on demonstroida RCBC teknologian (Recompressed Closed Brayton Cycle) toimintaa vähintään 10 MW teholla käyttäen 700°C tulolämpöä turbiinilla ja osoittaa, että yli 50 % termodynaaminen hyötysuhde on mahdollista saavuttaa kaupallisessa mittakaavassa. RCBC on sama uudelleenpuristusta hyödyntävä teknologia, mihin Sandia National Laboratorieskin tähtää, tosin heidän tavoitetehonsa on vain 1 MW. STEP demo projekti aikoo myös demonstroida matalammalla sisääntulolämmöllä (500°C) toimivaa, yksinkertaista suljettua Brayton sykliä, jota voitaisiin käyttää hukkalämmön talteenotossa. STEP Demo GTI -projektin San Antonion voimalaitoksen suunnitelma ja laitoksen rakennusten 3D luonnospiirros esitetään Kuvassa 7 alla. Testilaitoksen suunnittelussa on otettu huomioon myös tulevaisuuden käyttö projektin päätyttyä, ja sitä onkin tarkoitus hyödyntää SCO2 sykleihin perustuvan teknologian optimoinnissa ja siihen liittyvässä koulutuksessa ja testaustoiminnassa. (Lariviere, ym., 2021; GTI Energy, 2023).
Johtopäätökset
Euroopan Unionissakin tätä teknologiaa on tutkittu hieman, mutta lisää tutkimusta ja testausta olisi tärkeää teknologian kehityksen kannalta. SCO2-HeRo (Supercritical CO2 Heat Removal for High-temperature Reactors) on Euroopan Unionin projekti, joka keskittyy ylikriittisen CO2:n lämmönpoistoon korkean lämpötilan reaktoreissa Tavoitteena on kehittää tehokkaita ja luotettavia lämmönpoistojärjestelmiä, jotka hyödyntävät ylikriittistä CO2:ta energian siirtäjänä. Projektin tavoitteena on edistää ympäristöystävällisiä ja tehokkaita energiaratkaisuja ydinvoimalaitosten alalla. Projektiin osallistuu useita tutkimuslaitoksia ja teollisia kumppaneita eri puolilta Eurooppaa (sCO2-HeRo, 2015).
Ylikriittinen hiilidioksidi on ajankohtainen ja kiinnostava tutkimuskohde, koska ainutlaatuisten ominaisuuksien vuoksi se mahdollistaa suuremman tehontuotannon pienemmillä pääomakustannuksilla verrattuna Rankine sykliin perustuviin järjestelmiin. Etuna on myös, että sCO2 Brayton sykliä voidaan hyödyntää useiden erilaisten lämmönlähteiden kanssa, mukaan lukien fossiiliset polttoaineet, keskittävä aurinkovoima ja teollisuuden hukkalämpö. Tämä tekee teknologiasta hyvin monipuolisen työkalun energiatehokkuuden parantamisessa. Teknologian haasteena on vielä prosessiin soveltuvien komponenttien saatavuus ja kehittäminen. Ylikriittinen hiilidioksidi kiertää prosessissa kovassa paineessa ja lämpötilavaihtelut ovat suuria, mikä vaikeuttaa esimerkiksi soveltuvien tiivisteiden ja laakereiden löytämistä. Myös siirtymä tutkimuksesta kaupalliseen tuotantoon saattaa viedä vielä aikaa, sillä investoijat saattavat arkailla suuria investointeja uuteen teknologiaan, etenkin jos sen käyttöönotolle ei ole riittävän suurta markkinataloudellista motivaatiota.
Tämä artikkeli on opiskelijatyönä tehty Fysikaalinen energiavarastointi -kurssin puitteissa ja se liittyy Energiavarastoinnin ylimpään AMK-tutkintoon. Kolmen artikkelin sarjaan kuuluvat myös Matalan inertian tilanteiden välttäminen – Vesivoimakoneet synkronikompensaattoreina, http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023060752728, sekä Pumppuvoimalaitokset – Tehokas ja kestävä energiavarasto uusiutuvalle energialle, http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023062257933.
