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超臨界二酸化炭素混合物（sCO2混合物）は、 CO2と1つ以上の流体（ドーパント流体）の均質混合物であり、臨界温度と臨界圧力以上に保たれます。[1]
二酸化炭素は、臨界温度（304.13 K、31.0 °C、87.8 °F）および臨界圧力（7.3773 MPa、72.8 atm、1,070 psi、73.8 bar）を超えると超臨界流体として振る舞い、ガスのように容器を満たすまで膨張しますが、密度は液体のようになります。[2]
CO 2 を他の流体と混合することで、混合物の臨界温度と臨界圧力を変えることができます。s-CO 2ブレンドは通常、混合物の超臨界温度を上昇させてs-CO 2 をパワーサイクルに使用し、エネルギー変換効率を高めるように設計されています。[3]
アプリケーション
発電
新しい発電技術の開発にもかかわらず、ほとんどの発電所は火力発電所であり、熱源（太陽熱、原子力、化石燃料、バイオマス、焼却、地熱）を使用して電気を生産しています。このプロセスはゼーベック効果を使用して直接達成できますが、電力変換効率はパワーサイクルを使用することで大幅に向上します。伝統的に、発電所はランキンサイクルに基づいており、発電に蒸気タービンを使用しています。パワーサイクルの効率は、熱源とヒートシンクの温度差によって制限されます。差が大きいほど、より多くの電気を生産できます。蒸気を超臨界二酸化炭素に置き換えると、より高い温度差に到達できるため、発電所の電力効率が向上します。[3]
超臨界状態では、熱源での熱交換が容易になります。さらに、超臨界二酸化炭素は蒸気の2倍の密度があり、高密度と体積熱の組み合わせにより高エネルギー密度の流体となり、熱力学サイクルのほとんどのコンポーネントのサイズを縮小できます。したがって、プラントのエコロジカルフットプリントと設備投資が大幅に削減されます。さらに、sCO 2は不燃性、無毒、非爆発性で安価です。[4]複合サイクルを採用することで、効率をさらに高めることができます。[5]
発電サイクルにおける二酸化炭素の大量使用を遅らせている主な制約の 1 つは、腐食工学です。流体輸送および発電用の材料は、高温、腐食、クリープに対して高い耐性を示さなければなりません。
集光型太陽光発電
集光型太陽光発電（CSP）は、鏡やレンズを使用して太陽光を集光器に集める太陽熱発電技術です。 [6]集光器は、商用太陽光発電タワーの場合、最高1000℃に達する非常に高い温度に達するため、高い電力変換効率が得られます。ただし、電力生産は使用される熱機関によって制限されます。[3]
集光型太陽光発電分野では、超臨界CO2を加熱エンジン流体として使用すると、大幅なコスト削減が期待できます。発電ブロックの効率が高いため、太陽光発電フィールドのサイズが小さくなり、土地の占有面積が減り、したがってプラントのこの部分のコストも減ります。利用可能な分析によると、従来の超臨界CO2 CSPの電力生産コストは、好条件では9.5～10ドル/kWhになると予想されています。[7]さらに、集光型太陽光発電では、中間エネルギーキャリアを使用せずに太陽放射を直接回収できます。ただし、これは、流体の臨界圧力を超える圧力を保持する必要がある高圧ソーラーレシーバーやエネルギー貯蔵システムの設計に課題をもたらします。[8]
効率的な超臨界CO2発電サイクルには、コンプレッサーの入口温度が流体の臨界温度（純粋な二酸化炭素の場合は31℃）に近いか、それよりも低いことが必要です。この目標が達成され、熱源が600～650℃を超えると、sCO2サイクルは同じ境界条件で水/蒸気で稼働するランキンサイクルよりも優れた性能を発揮します。[9]
集光型太陽光発電プラントが通常設置されている乾燥した地域の気象条件では、周囲温度が35 °C を超えるため、 CO2 を冷却して流体を低エネルギーで圧縮することは不可能です。したがって、温度が 40 °C 以上に上昇すると、二酸化炭素はほぼ理想的な挙動に急速に移行し、圧縮作業が増加してパワー ブロックの熱効率が低下します。この熱効率を再び高めるには、タービン入口温度を大幅に上昇させるしかありません。これらの熱力学的問題を克服するには、より高い臨界温度を持つ超臨界CO2ブレンドを使用できます。[10]いくつかのsCO2ブレンドの臨界温度が研究されています。たとえば、臨界温度が 80 °C に達する混合物は、ヒート シンク温度が 50 °C まで高い効率を提供できます。[9]
欧州連合から資金提供を受けているSCARABEUSプロジェクトは、集光型太陽光発電所に超臨界二酸化炭素混合物を導入し、発電サイクルの効率を高めることで運用コストと資本コストを削減するための新しい概念的アプローチを策定しています。SCARABEUSプロジェクトは、集光型太陽光発電の経験を持つヨーロッパの大学（イタリアのミラノ工科大学とブレシア大学、オーストリアのウィーン工科大学、スペインのセビリア大学、イギリスのロンドン大学） と民間企業（ドイツのケルビオン、米国のベーカーヒューズ、スペインのアベンゴア）のコンソーシアムによって開発されています。[11] [12]
参照
参考文献
- ^ 「太陽光発電所の効率向上のための超臨界二酸化炭素/代替流体ブレンド」ResearchGate。
- ^ Span, Roland; Wagner, Wolfgang (1996 年 11 月 1 日)。「圧力最大 800 MPa で三重点温度から 1100 K までの流体領域をカバーする二酸化炭素の新しい状態方程式」。Journal of Physical and Chemical Reference Data。25 ( 6): 1509–1596。Bibcode :1996JPCRD..25.1509S。doi :10.1063/1.555991。ISSN 0047-2689 。
- ^ abc Binotti, Marco; Di Marcoberardino, Gioele; Iora, Paolo; Invernizzi, Costante Mario; Manzolini, Giampaolo (2019年10月4日). 「太陽光発電所の効率向上のための超臨界二酸化炭素/代替流体ブレンド」。欧州Sco2会議会議議事録第3回欧州超臨界CO2 （Sco2）発電システム会議2019：2019年9月19日～20日。デュースブルク＝エッセン大学DuEPublico：デュースブルク＝エッセン出版物オンライン：222～229。doi ：10.17185/DUEPUBLICO/48892。
- ^ Patel, Sonal (2019年4月1日). 「超臨界CO2発電サイクルとは何か?」POWER Magazine . 2022年12月15日閲覧。
- ^ “Combined cycles – techouse”. 2022年12月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2022年12月15日閲覧。
- ^ Kraemer, Susan (2018年6月11日). 「CSPの仕組み：タワー、トラフ、フレネル、ディッシュ」. SolarPACES . 2022年12月7日閲覧。
- ^ マリア、サンチェス・マルティネス、ダビド・トマス・サンチェス・レンセロ、トマス・マヌエル・ウニベルシダー・デ・セビリア。 Departamento de Ingeniería Energética Crespi、フランチェスコ（2020年2月11日）。集中型太陽光発電所の超臨界 CO2 パワーサイクルの熱経済的評価。OCLC 1240072375。
{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク) - ^ Marchionni, Matteo; Bianchi, Giuseppe; Tassou, Savvas A. (2020年3月11日). 「高品質の廃熱から電力への変換のための超臨界二酸化炭素（sCO2）技術のレビュー」. SN Applied Sciences . 2 (4): 611. doi : 10.1007/s42452-020-2116-6 . hdl : 11584/361939 . ISSN 2523-3971. S2CID 216291655.
- ^ ab Crespi, Francesco; Sánchez, David; Martínez, Gonzalo S.; Sánchez-Lencero, Tomás; Jiménez-Espadafor, Francisco (2020年7月22日). 「現代の集光型太陽光発電所の均等化発電原価を削減する超臨界二酸化炭素発電サイクルの可能性」.応用科学. 10 (15): 5049. doi : 10.3390/app10155049 . ISSN 2076-3417.
- ^ ab F. Crespi、GS Martínez、P. Rodriguez de Arriba、D. Sánchez、F. Jiménez-Espadafor (2021)。「作動流体の組成が混合超臨界二酸化炭素サイクルの最適特性に与える影響」第10巻：超臨界CO2。ASME Turbo Expo 2021：ターボ機械技術会議および展示会。doi ：10.1115 / gt2021-60293。ISBN 978-0-7918-8504-8. S2CID 239400871 . 2022年12月15日閲覧。
{{cite book}}:|website=無視されました (ヘルプ)CS1 maint: 場所 (リンク) CS1 maint: 場所に出版社がありません (リンク) CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク) - ^ EU出版局。「太陽光発電所の効率向上のための超臨界二酸化炭素/代替流体ブレンド」。CORDIS。doi : 10.3030 /814985 。
- ^ “Scarabeusproject” . 2022年12月7日閲覧。