吸湿サイクル

吸湿サイクルは、蒸気タービンを用いて熱エネルギーを機械力に変換する熱力学サイクルです。水を駆動流体とするランキンサイクルに似ていますが、凝縮に塩類とその吸湿性を利用するという点で斬新です。塩類はボイラーまたは蒸気発生器で脱着され、そこで清浄な蒸気が放出されて過熱され、膨張することで蒸気タービンを駆動して動力を生成します。濃縮された吸湿性化合物を含むボイラーブローダウンは、蒸気タービンの凝縮水の予熱に熱利用され、また蒸気吸収器の還流としても利用されます。

凝縮はランキンサイクルに見られる従来の凝縮器ではなく、蒸気吸収器で行われます。ここでは、吸収式冷凍機と同じ原理を使用して、出口蒸気が冷却された吸湿性化合物に吸収されます。これらの吸湿性化合物は空気冷却器によって冷却され、凝縮熱は空気冷却器によって放散されます。ボイラーブローダウンの熱回収、蒸気凝縮器での吸湿反応、および空気冷却器を使用した凝縮熱の放散により、サイクルの効率が高くなり、電気出力が高くなり、冷却水の必要性が低減または不要になり、 [ 1 ]運用コストが削減され、 [ 2 ]発電所の資本コストも 削減されます。 [ 3 ]

原則

塩の吸湿効果はよく知られており、熱を冷却に利用する吸収式冷凍機で利用されています。これらの機械では、冷媒が別の流体（吸湿性流体）に吸収・溶解され、蒸発器内の分圧が低下して、より多くの液体が蒸発できるようになります。吸湿サイクルでは、他の流体に吸収・溶解されるガスは、蒸気タービンの出口から出る蒸気です。蒸気が吸湿性流体に吸収・溶解されるにつれて、より多くの蒸気が凝縮し、蒸気圧の低下は蒸気タービン出口での凝縮圧力の低下と同等になります。この効果として、出口圧力が低い蒸気タービンを使用でき、タービン出口のエンタルピーレベルが低くなります。これによりタービンの効率が向上し、より高い電気出力が生成されます。

蒸気吸収器では、高濃度の吸湿性流体に蒸気が吸収されます。蒸気が吸収されるにつれて、吸湿性流体の濃度は低下し、つまり塩分が希釈されます。LiBrなどの水への希釈能が高い吸湿性/潮解性流体は、通常、高い飽和温度/低い飽和圧力を示します。言い換えれば、潮解性流体はより高い温度で蒸気を凝縮できます。これは、吸収器に入る高濃度の吸湿性流体の温度が、非吸湿性流体よりも高くなる可能性があることを意味します。その結果、前述の還流する高濃度の吸湿性流体の凝縮熱を空気冷却器で放散させることで、凝縮セクションでの冷却が従来のランキンサイクルよりも容易になります。

適切な塩を使用すれば、発電所の冷却水の消費量を削減、あるいはゼロにすることができます。[ 4 ]発電所の冷却水回路は大量の淡水[ 5 ] [ 6 ]と化学物質を消費し、その代替手段である電気空冷式蒸気凝縮器[ 7 ]は従来の発電所で生産される電力の一部を消費し、ランキンサイクルの効率を低下させます。

吸湿サイクルで使用される空気冷却器は、高濃度の吸湿性化合物を含む液体の流れを冷却します。全体的な体積熱容量は、前述の空冷式凝縮器で従来凝縮される蒸気よりもはるかに高いため、換気に必要な電力が削減され、[ 8 ]熱交換に必要な表面積が少なくなり、プラント全体のコストが削減されます。[ 9 ]

冷却水回路も高価であり、ポンプや冷却塔などの多くの機器と高価な水処理を必要とする。[ 10 ]したがって、必要な冷却水を減らすことで、プラントの運用コストが削減される。

選択した塩、特に希釈能力の高い塩（LiBr など）に応じて、吸湿性流体の飽和温度はタービンから出る蒸気よりも最大 40 °C 高くなることがあります。

ボイラー内では、蒸気が液体の水から分離される際に塩分が濃縮されます。塩分濃度が上昇すると、混合塩の沸点温度が影響を受けます。ほとんどの塩の場合、沸点温度が上昇し、分離される蒸気の温度も上昇します。 [ 11 ]

吸湿性流体

吸湿性化合物とは、周囲の蒸気または液体の水分を引き寄せる物質全般を指し、乾燥剤として使用されます。水和物やアルカリ金属のように、多くの化合物は水と化学反応を起こします。また、硫酸ナトリウムのように、結晶構造中に水和水として水分を閉じ込める化合物もあります。後者の2つの化合物は、水分を容易に回収できない（焼成が必要となる場合がある） 最初の化合物とは対照的に、可逆的に水分を脱着させることができます。

吸湿性塩の選択は、吸湿サイクルでの使用に興味深いものとなるために、以下の厳格な基準を満たす必要があります。

  • 吸湿性の高い化合物、潮解性物質
  • 水よりも揮発性が低く（蒸気圧が水より低い）、ボイラー内で水と蒸気に容易に脱着できる
  • 低温から中温で水によく溶ける
  • サイクル中の他の塩との反応性がなく、吸湿サイクル中の温度と圧力の範囲にわたって化学的に安定している
  • 無毒で不燃性です
  • 熱的および物理的特性はサイクルを通じて劣化しない

同様の特性を持つ最もよく知られている塩としては、 塩化カルシウム、水酸化ナトリウム、硫酸、硫酸銅（II）などがある。

吸湿サイクルの改良

その他の利点としては、再加熱や再生など、実際のランキン サイクルで使用される最適化のほとんどをこのサイクルで実現できることが挙げられます。

吸湿サイクルパイロットプラント

吸湿性サイクル実証プラントが建設され、サイクルの概念が実証されました。このサイクルには、吸湿性化合物が再循環される吸収器での蒸気の吸収が含まれており、飽和温度よりも高い温度で凝縮します。[ 12 ]吸湿性化合物の物理的および化学的特性、およびボイラーや、熱電発電所に見られるものと同様のサイクルの他の主要機器への影響も、サイクル全体の熱力学的効率とともに証明されました 。

吸湿サイクル産業参考資料

スペインのコルドバ州にあるバイオマス発電所に吸湿サイクルが導入されました。これはこの技術の最初の産業事例です。この発電所は12.5MWの容量があり、オレイコラ・エル・テハルの一部です。[ 13 ]供給されるバイオマスはコルドバ南部の発電所周辺のオリーブ油産業から来る乾燥したオリーブの骨です。[ 14 ]この発電所は地域の高温時の水制限のために生産量を減らさざるを得ませんでした（発電所は周囲温度25℃以上で断熱空気冷却器を使用して1日あたり1200m3を消費しました[ 15 ]）。吸湿サイクルによって、この空気冷却器の冷却消費量を削減し、発電量を1％増加させ、年間を通じて利用可能性を向上させることができました。現在、この発電所は周囲温度38℃、さらには45℃でも稼働できます。この増加は、同州がCOP21の合意に達するのにも役立つ。[ 16 ]

最先端の

吸湿サイクルは近年発展を遂げた概念であり、吸湿性流体に関する集中的な研究の中心となっています。近年の開発としてはカリーナサイクル[ 17 ]がありますが、実際の構成では、水へのアクセスが困難な地域や、複合サイクル発電所、そしてあらゆる熱電発電プラント（ CSP 、バイオマス、石炭）との良好な統合において効果を発揮することが期待されています。このサイクルでは、ボイラーの残熱とボイラーから排出される吸湿性流体を暖房に利用することができます。

現在の開発は Francisco Javier Rubio Serrano が主導しており、彼の研究チームと IMASA INGENIERÍA Y PROYECTOS, SA が他の構成を開発し、それぞれの特定の用途に最適な構成材料とともに吸湿性流体を研究しています。

参考文献

  1. ^ 「太陽熱発電所の水効率の良い冷却」（PDF） 。2013年10月21日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。
  2. ^ 「CSPプラントの設計では水を考慮する」 Powermag.com 、 2012年5月。
  3. ^ Rubio, Francisco Javier (2013). 「CSPのための吸湿サイクル」 .再生可能エネルギーフォーカス. 14 (3): 18. doi : 10.1016/S1755-0084(13)70048-6 .
  4. ^ 「発電所冷却用水 | Union of Concerned Scientists」 . Ucsusa.org . 2022年3月11日閲覧。
  5. ^ 「ホーム」（PDF） . Netl.doe.gov .
  6. ^ 「発電施設における節水オプション」 Powermag.com 2012年9月。
  7. ^ 「空冷式熱交換器 | Chart Industries」（PDF）Hudsonproducts.com。
  8. ^ 「強制空冷とファン技術」 。 2013年6月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年6月7日閲覧。
  9. ^ Rubio, Francisco Javier (2013). 「CSPのための吸湿サイクル」.再生可能エネルギーフォーカス. 14 (3): 18. doi : 10.1016/S1755-0084(13)70048-6 .
  10. ^ Dr. K. Nachstedt. 「冷却水：開放型および閉鎖型冷却システムの水処理と化学的調整」（PDF） . Mkk.desy.de. 2022年3月11日閲覧。
  11. ^ 「吸湿性化合物を用いた吸収ステップを備えたランキンサイクル」。Patentscope.wipo.int 。
  12. ^ 「テストプラント - 吸湿サイクル」Hygroscopiccycle.com . 2022年3月11日閲覧。
  13. ^ “Oleicola el Tejar SCL - Enipedia” . 2017年10月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年10月15日閲覧。
  14. ^ミランダ, テレサ; エステバン, アルベルト; ロハス, セバスティアン; モンテロ, アイリーン; ルイス, アントニオ (2008年4月4日). 「様々なオリーブ残渣の燃焼分析」 .国際分子科学ジャーナル. 9 (4): 512– 525. doi : 10.3390/ijms9040512 . PMC 2635694. PMID 19325766 .  
  15. ^ 「断熱冷却器は冷却のための賢明な選択」 Icscoolenergy . 2022年3月11日閲覧。
  16. ^ “ANESE | IMASA は、Oleícola el Tejar que es una herramienta de eficiencia energética muypotente” . 2017-09-18 のオリジナルからアーカイブ。2017 年 10 月 15 日に取得。
  17. ^ 「Kalina Cycle」 . Google.com . 2022年3月11日閲覧。
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