Przetwarzanie energii w procesach termicznych

Co dwie turbiny, to nie jedna 
Wśród urządzeń elektrycznych bez trudu można znaleźć maszyny, napędy i proste urządzenia domowego użytku, których skuteczność przetwarzania energii utrzymuje się na poziomie 95%. Cóż jest zatem tak szczególnego w dążeniu do uzyskania 60% skuteczności w procesach i urządzeniach przetwarzających energię cieplną?  
Otóż procesy termiczne to przede wszystkim zupełnie inny scenariusz wytwarzania energii. Spalanie i przepływ płynów to podstawowe procesy realizowane w trakcie termicznych przemian energetycznych. Procesy te znacznie ograniczają wydajność przemian, pomimo prawidłowego, zgodnego ze sztuką inżynierską, opracowania algorytmów ich funkcjonowania i realizacji. Na przykład klasyczny wodny reaktor jądrowy oferuje wydajność procesu przetwarzania energii na poziomie około 35%. Z kolei nowoczesny kocioł parowy przepływowy opalany węglem ma skuteczność około 44%.  
Ponadstandardowe własności w tym zakresie wykazuje jednak technologia turbin gazowych. Charakteryzują się one zwykle bardzo dużymi mocami wyjściowymi (setki MW). Stosuje się w nich najnowsze rozwiązania techniczne w zakresie projektowania, użytych materiałów i metod chłodzenia. Turbiny takie pozwalają standardowo na uzyskanie skuteczności procesów przetwarzania energii na poziomie 40%, a najnowsze turbiny nawet 46%. Wartości te odpowiadają najprostszym cyklom przetwarzania, w których ponownemu wykorzystaniu nie podlegają na przykład wydostające się z turbin spaliny. W zaawansowanych cyklach przetwarzania można je bowiem wykorzystać jako surowiec wejściowy dla turbin parowych. Taki układ dwóch sprzężonych turbin w różnych technologiach pozwala na uzyskanie skuteczności przetwarzania energii termicznej na poziomie 60% i więcej.  
Europa wyznacza nowy kierunek    
Na rynku dostawców nowoczesnych turbin gazowych praktycznie dominują dwie firmy, których rozwiązania warto wziąć pod uwagę. Jedna z nich – GE Energy – zainstalowała pierwszy agregat H systems (połączone turbiny gazowe i parowe) w elektrociepłowni Baglan Bay w Południowej Walii (Wielka Brytania). System rozpoczął pracę w 2003 roku i do chwili obecnej przepracował już ponad 30 000 godzin. Aktualnie dostarcza on moc na poziomie 480 MW z możliwością jej niewielkiego podniesienia, jak zapewniają eksperci GE Energy.  
Na całym świecie instalowanych jest jeszcze pięć kolejnych turbin H systems, z czego aż trzy w Japonii – w tokijskim Tokyo Electric Power (TEPCO). Wstępnie uruchomiono jedną z turbin w grudniu 2007 roku. Uruchomienie kolejnych dwóch turbin w elektrowni TEPCO planowane jest w połowie 2010 roku. Z kolei pierwsza turbina typu H systems w Stanach Zjednoczonych została zainstalowana w 2006 roku w elektrociepłowni Inland Empire Energy Center – wykorzystującej gazy naturalne, zlokalizowanej w Riverside County w Kalifornii. Docelowo w elektrociepłowni planowane jest uruchomienie dwóch turbin H systems, które powinny zapewnić moc wyjściową na poziomie 775 MW, dostarczaną do użytkowników komercyjnych i prywatnych. Obie turbiny powinny rozpocząć normalną pracę pod koniec bieżącego roku.  
Tymczasem w Europie firma Siemens Power Generation podejmuje działania mające na celu uruchomienie produkcji własnych turbin typu H systems – SGT5-8000H. Pierwszą z turbin zainstalowano w gazowej elektrociepłowni Irsching 4, zlokalizowanej nieopodal Ingolstadt w Niemczech. Początkowe próby jej uruchomienia podjęto w grudniu ubiegłego roku. Jak wyjaśnia Phillip Ratlif z Siemensa, wstępna synchronizacja z siecią zewnętrzną odbyła się w marcu 2008 roku. Miesiąc później przeprowadzono testy przy pełnym obciążeniu, choć w uproszczonym cyklu przetwarzania. Turbina zapewnia moc wyjściową na poziomie 340 MW, jednak zaprojektowano ją z myślą osiągnięcia aż 530 MW mocy przy uruchomieniu zaawansowanego cyklu przetwarzania. Spodziewany poziom skuteczności pracy turbiny w tym cyklu to ponad 60%.  
Program kolejnych, wielokryterialnych testów turbin typu SGT5-8000H będzie kontynuowany do połowy 2009 roku. Wówczas rozpocznie się druga faza budowy i opracowywania zaawansowanych turbin gazowych, której zakończenie przewidziano na połowę 2011 roku. Widać więc wyraźnie, że najbliższe lata będą okresem burzliwego rozwoju tej branży.  
Frank J. Bartos  
Artykuł pod redakcją dra inż. Andrzeja Ożadowicza, adiunkta w Katedrze Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie