Turbomachinery configurations for biomass-based energy systems towards a renewable and secure energy future
Authors: Μπόλλας Κωνσταντίνος 
Published: December 2024

Η βιομάζα είναι μια αξιόπιστη και σταθερή πηγή ενέργειας που μπορεί να διευκολύνει τη μετάβαση προς ένα ανανεώσιμο μέλλον με μηδενικές εκπομπές αερίων θερμοκηπίου, ιδίως μέσω της αεριοποίησης. Η αποτελεσματική αξιοποίηση της απαιτεί, ωστόσο, τη μετάβαση σε αποκεντρωμένα ενεργειακά συστήματα μικρής κλίμακας. Στο πλαίσιο αυτό, οι μικρο-αεριοστρόβιλοι μπορούν να διαδραματίσουν βασικό ρόλο. Για εφαρμογές αεριοποίησης βιομάζας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μικρο-αεριοστρόβιλοι εξωτερικής καύσης, λόγω της επίλυσης διαφόρων ζητημάτων λειτουργικότητας που σχετίζονται με τη αξιοποίηση της βιομάζας. Ωστόσο, οι βασικές προκλήσεις που σχετίζονται με τη χαμηλότερη απόδοση και το υψηλότερο κόστος εγκατάστασης εξακολουθούν να περιορίζουν την ευρύτερη εφαρμογή τους. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι να απαντήσει πώς τα μελλοντικά ενεργειακά συστήματα μπορούν να επωφεληθούν από αυτά τα πλεονεκτήματα, αντιμετωπίζοντας τους υπάρχοντες περιορισμούς και εντοπίζοντας πιθανά νέα πλεονεκτήματα που δεν έχουν ακόμη αναγνωριστεί στην υπάρχουσα βιβλιογραφία. Στην παρούσα διατριβή, αναλύεται η απόδοση του μικρο-αεριοστροβίλου εξωτερικής καύσης, μέσω μιας διαδικασίας βελτιστοποίησης που χρησιμοποιεί τη Μέθοδο Κανονικών Περιορισμών (Normal Constraint Method). Αναπτύσσεται ένα αναλυτικό θερμοδυναμικό μοντέλο, το οποίο επικυρώνεται με πραγματικά λειτουργικά δεδομένα που παρέχονται από έναν μικρο-αεριοστροβίλου φυσικού αερίου αναφοράς, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων τεχνοοικονομικών πληροφοριών. Η θερμοδυναμική ανάλυση περιλαμβάνει επίσης μια εξεργετική ανάλυση για την εξήγηση των αποκλίσεων της απόδοσης μεταξύ των υπό εξέταση περιπτώσεων. Για να εξασφαλιστεί η ασφαλής λειτουργία πέραν του σημείου σχεδιασμού, εισάγεται μια νέα στρατηγική λειτουργίας εκτός σχεδιασμού, βάσει της οποίας προσδιορίζεται η αντίστοιχη απόδοση για διάφορα φορτία και συνθήκες περιβάλλοντος. Τέλος, διερευνάται η απόκριση του μικρο-αεριοστροβίλου εξωτερικής καύσης χρήσει διαφόρων καυσίμων βιομάζας πέραν της ονομαστικής πρώτης ύλης. Η βελτιστοποιημένη απόδοση στην ονομαστική περίπτωση αποδίδει 77,9 kW ηλεκτρικής ισχύος και 20,3% ηλεκτρική απόδοση, θέτοντας ένα βήμα προς τα εμπρός σε σύγκριση με την τρέχουσα κατάσταση, σε τέτοια μικρή κλίμακα ισχύος. Όταν λαμβάνεται υπόψη η συμπαραγωγή, η συνολική απόδοση αυξάνεται στο 78,7%, προσθέτοντας 224 kW θερμικής ισχύος. Ωστόσο, σε σύγκριση με τους συμβατικούς μικρο-αεριοστροβίλους φυσικού αερίου, ο ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης εξακολουθεί να μειώνεται κατά 8,8 ποσοστιαίες μονάδες. Η μείωση του βαθμού απόδοσης κατά 4,0 ποσοστιαίες μονάδες είναι αναπόφευκτη λόγω της αλλαγής του καυσίμου από φυσικό αέριο σε αέριο σύνθεσης βιομάζας. Παρά τη χαμηλότερη ονομαστική απόδοση, μπορεί να επιτευχθεί υψηλή απόδοση σε μερικό φορτίο, συμπεριλαμβανομένης της λειτουργίας με μεταβλητό καύσιμο, όπου ο βαθμός απόδοσης μπορεί να αυξηθεί έως και 23%. Λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση των χαμηλότερων θερμοκρασιών περιβάλλοντος, ο ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης μπορεί να φθάσει το 24,5% στο καλύτερο σενάριο. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν ορισμένες νέες κρίσιμες πτυχές των υπό εξέταση μικρο-αεριοστροβίλων εξωτερικής καύσης, οι οποίες επιτρέπουν την αξιολόγηση της προτεινόμενης τεχνολογίας από μια εντελώς νέα οπτική γωνία. Αυτές περιλαμβάνουν την υψηλή απόδοση σε μερικό φορτίο, την μεγάλη ευελιξία συμπαραγωγής και την μεγάλη ευελιξία καυσίμου. Αυτά τα πρόσθετα πλεονεκτήματα μπορούν να διευκολύνουν την ενσωμάτωση των μικρο-αεριοστροβίλων εξωτερικής καύσης με άλλες ανανεώσιμες πηγές, επιτρέποντας τη χρήση του ίδιου συστήματος, για διάφορες άλλες εφαρμογές βιομάζας, συμπεριλαμβανομένων διαφορετικών πρώτων υλών και τεχνολογιών αεριοποίησης, χωρίς επιδείνωση της απόδοσης τους. Αυτό μπορεί να αυξήσει την πρακτικότητα και την ευελιξία της προτεινόμενης διαμόρφωσης, καθιστώντας την μια πολλά υποσχόμενη επιλογή για τις βασικές τεχνολογίες που θα αποτελέσουν το μελλοντικό ενεργειακό μείγμα.