Naukowcy z Uniwersytetu Gandawskiego pracują nad elektrycznym turboreaktorem wykorzystującym fale uderzeniowe, który ma dostarczać ciepło o temperaturze około 850°C. Technologia ta ma potencjalnie zastąpić piece spalające paliwa w przemyśle chemicznym, zwłaszcza w produkcji etylenu i propylenu, kluczowych składników tworzyw sztucznych. Dotychczas powstał demonstrator koncepcji, a dalsze etapy obejmują testy rzeczywistej pracy urządzenia w wysokiej temperaturze.
Zasada działania turboreaktora uderzeniowego
Turboreaktor typu shockwave (z falami uderzeniowymi) opiera się na znanych elementach maszyn przepływowych. Silnik elektryczny napędza wirnik, który rozpędza gaz do prędkości bliskich lub przekraczających prędkość dźwięku. Następnie przepływ gazu jest gwałtownie wyhamowywany w dyfuzorze. Ten proces prowadzi do wzrostu ciśnienia i generowania fal uderzeniowych, co skutkuje znacznym podgrzaniem gazu. Urządzenie to konwertuje energię elektryczną najpierw na energię mechaniczną, a następnie na ciepło procesowe. Należy podkreślić, że fale uderzeniowe nie stanowią dodatkowego źródła energii, lecz są integralnym elementem mechanizmu jej konwersji.
Zastosowanie i postępy w rozwoju technologii
Głównym obszarem zastosowania dla elektrycznego turboreaktora jest kraking parowy, proces, w którym z węglowodorów powstają lekkie olefiny, takie jak etylen i propylen. Wdrożenie tej technologii mogłoby wyeliminować konieczność spalania paliw w celu dostarczania ciepła na etapie produkcyjnym.
Zespół badawczy przeprowadził 727 symulacji CFD (obliczeniowej mechaniki płynów) w celu optymalizacji geometrii urządzenia. Najlepszy z analizowanych wariantów wymagał o 29% mniej stopni niż konstrukcja bazowa, a modelowanie wskazało na niewielką poprawę uzysku lekkich olefin.
W ramach projektu stworzono demonstrator typu proof-of-concept, wykorzystując technologię druku 3D ze stopu Inconel 718. Przeprowadzone badania obejmowały precyzję wykonania, chropowatość powierzchni, charakterystykę przepływu oraz wytrzymałość konstrukcji. Odchyłki w części łopatkowej demonstratora były mniejsze niż 0,1 mm. Ważne jest jednak, że demonstrator ten nie jest jeszcze w pełni działającym przemysłowym krakerem, a dotychczasowe publikacje nie opisują instalacji zdolnej do długotrwałego utrzymywania temperatury 850°C w procesie przemysłowym. Zbudowane i przetestowane elementy stanowią podstawę do dalszych eksperymentalnych badań.
Wpływ na środowisko i dalsze wyzwania
Elektryczny turboreaktor sam w sobie nie generuje spalin, ponieważ nie wykorzystuje spalania paliw. Jego rzeczywisty wpływ na środowisko, a w szczególności na klimat, jest ściśle związany ze źródłem energii elektrycznej, którą jest zasilany. Wcześniejsza analiza cyklu życia (LCA) pokrewnego reaktora RotoDynamic Reactor, choć nie dotyczyła bezpośrednio najnowszego demonstratora, ilustruje znaczenie miksu energetycznego:
- W porównaniu z nowoczesnym krakingiem konwencjonalnym, wpływ na klimat był o 41% większy przy zasilaniu energią elektryczną pochodzącą ze źródeł wysokoemisyjnych.
- Przy zastosowaniu belgijskiego miksu energetycznego (przyjętego w analizie), wpływ na klimat był o 1,5% większy.
- Zasilanie energią odnawialną skutkowało zmniejszeniem wpływu na klimat o 27%.
Elektryfikacja procesu eliminuje spalanie z zakładu produkcyjnego, ale zapotrzebowanie na energię pozostaje. Redukcja emisji jest możliwa, jeśli energia elektryczna pochodzi ze źródeł niskoemisyjnych. W przypadku systemów elektroenergetycznych o wysokiej emisyjności, emisje mogą jedynie przenieść się z komina fabryki do elektrowni.
Kolejnym etapem rozwoju technologii będą rzeczywiste testy pracy reaktora w wysokiej temperaturze. Dopiero one pozwolą ocenić trwałość wirnika, ogólną sprawność systemu oraz zdolność do utrzymania wymaganych parametrów w ciągłym procesie przemysłowym.
Opracowano na podstawie informacji rynkowych: HVAC / branża ogólna. Inspiracja źródłowa: GLOBEnergia.
