Makarna Fabrikasındaki Güneş Kulesi Yeni Bir Jeneratör Tasarımını Teşvik Etti

21 Kasım 2020 Dergi:

İtalya'da çığır açan HiFlex fabrikası, aşırı sıcaklıklara ulaşmak için DLR'nin seramik parçacık teknolojisini kullanacak ve buhar üretimi için yeni bir yaklaşım getirecek.
İtalya'da kurulan konsantre bir güneş enerjisi (CSH) sistemi, endüstriyel ısıtmaya yeni bir yüksek sıcaklık teknolojisi getirecek.

Bir grup Avrupalı şirket, Foggia'da Barilla'ya ait bir makarna fabrikasında pilot seramik parçacık teknolojili konsantre güneş kulesi tesisi kuracak. HiFlex tesisi, makarnanın kurutulması için ısı sağlamak üzere Alman Havacılık ve Uzay Merkezi (DLR) tarafından geliştirilen santrifüjlü güneş enerjisi teknolojisini kullanacak.

DLR'nin santrifüj alıcısı, Almanya'daki testler sırasında alıcı çıkışında, geleneksel konsantre güneş sistemlerinde 565 °C'ye kıyasla, alıcı çıkışında 965 °C'lik parçacık sıcaklıklarına ulaştı. Daha yüksek sıcaklıklar, tesis verimliliğini artırıyor ve DLR, 2021-2022'de New Mexico'daki Sandia'nın Ulusal Solar Termal Test Tesisi'nde (NSTTF) 1.000 °C'nin üzerindeki sıcaklıkları görebilmeyi planlıyor.

HiFlex projesi ilk kez seramik partikül alıcısını ve amaca yönelik tasarlanmış buhar jeneratörünü tek bir tesise entegre edecek. Ticarileştirilen ön proje ayrıca entegre tasarımın elektrik üretimi için yüksek verimli rankine çevrimlerinde kullanılabileceğini gösterecek. Proje, Avrupa Birliği'nin Horizon 2020 araştırma programından 13.5 milyon euro (16.0 milyon $) alacak ve proje yedi ülkeden 11 şirketi bir araya getirecek.

HiFlex, fabrikanın yıllık ısı ihtiyacının yaklaşık % 6'sı olan yılda 3.360 MWh termal enerji üretecek ve doğal gaza olan bağımlılığını azaltacak.

Barilla gibi şirketler, karbon azaltma hedeflerini karşılamak için fosil yakıt kullanımlarını hem ısınma hem de elektrik tedarikinde azaltmaya çalışıyor.

Barilla, çok sayıda makarna, fırın ve sos markasına sahip ve dünya çapında dokuz makarna fabrikası bulunuyor. Şirket 2019 yılında yenilenemeyen kaynaklardan 165 GWh (590 GJ) termal enerji tüketti.

Barilla Güvenlik, Çevre ve Enerji Başkan Yardımcısı Luca Ruini, Reuters Events'e verdiği demeçte, "Bu tür bir tesis tüm makarna fabrikalarımıza kurulabilir" dedi. Ruini, teknolojinin sos yapımı gibi aşırı ısıtılmış su gerektiren diğer gıda üretim süreçlerinde de test edilebileceğini söyledi.

DLR Partikül Sistemleri Teknolojisi Grup Lideri Martina Neises-von Puttkamer, DLR'nin madencilik ve metalurji gibi yüksek sıcaklıkta ısının gerekli olduğu diğer endüstrilerde de bunu uygulamaya çalıştığını söyledi. AB tarafından finanse edilen PREMA konsorsiyumu altında DLR, manganez üretiminden kaynaklanan karbon emisyonlarını azaltmak için endüstriyel gaz yan ürünleri ve güneş enerjisi kullanımını test ediyor.

Neises-von Puttkamer, "Güç üretimi başka bir ana uygulama hedefidir" dedi.

Kule odak noktası

HiFlex tesisi, güneş kulesine monte edilmiş bir seramik partikül alıcısına güneş akısını yönlendirmek için 6.000 metrekarelik bir alana kurulu heliostat kullanacak. Alıcı, karanlık boksit parçacıklarını (kum benzeri bir malzeme) oda duvarı boyunca hareket halinde tutmak için merkezkaç kuvveti uygulayarak döner.

Isı transfer ortamı (HTM) olarak, boksit 400 °C ile 1000 °C arasında çalışabilir. Bu, geleneksel erimiş tuz konsantre güneş sistemleri tarafından elde edilebilen sıcaklık aralığının (290 ila 565 °C) iki katıdır ve termal verimliliği artırır.

HiFlex, 2,5 MWth alıcı, 20 MWh termal enerji depolama sistemi ve 620 °C'de buhar sağlayacak 0,8 MWth buhar jeneratörü içerecek. Tesis, öğlen saatlerinde 2,5 MW'lık bir pik termal güç üretecek ve depolamayı kullanarak 24 saat kesintisiz 800kW ısı kaynağı sağlayacak.

Basınç ve sıcaklıkta bir düşüşün ardından, proses ısısı 135 °C'de Barilla tesisine verilir.

Neises-von Puttkamer, analiz edilecek anahtar performans ölçütlerinin; gelen güneş akısı, alıcı giriş ve çıkış sıcaklığı ve parçacıkların kütle akışını içerdiğini söyledi. "Kombine edildiklerinde, size alıcının ısıl verimlilik açısından performansını veriyor" dedi.

Dakikada 15 °C'ye kadar sıcaklık değişimlerine ve üst ve alt kısım arasında 600 °C'nin üzerindeki sıcaklık farklılıklarına dayanması gereken buhar üreticisinin performansına da önemli ölçüde odaklanılacak.

Tasarım basıncı

HiFlex'in yüksek sıcaklık partikül sistemi, özel bir buhar jeneratörü tasarımı gerektirir. Mühendislik grubu John Cockerill, tasarımı detaylarıyla gerçekleştirirken, sistemin üretiminden Sugimat sorumlu olacak.

Buhar jeneratörü, pilot proje gerekliliklerine uygun olarak, 1.5 metre uzunluğunda ve 1.8 metre yüksekliğinde nispeten küçük bir kutu boyutunda olacak. Ayrıca geleneksel buhar jeneratörlerinden farklı tipte bir çelikten yapılacaktır.

Sugimat Teknik Servis ve Ar-Ge Direktörü Xavier Mas, "Eşanjör içinde ulaşılan sıcaklık, ısıl iletkenlik katsayısı ve yoğunluk gibi farklı faktörler hesaba katılmıştır" dedi.

John Cockerill'de tasarım mühendisi ve proje koordinatörü olan Antoine Guillick, buhar jeneratörünün üst ve alt kısmı arasındaki büyük sıcaklık farklarının boru levhası üzerinde önemli termal stres yarattığını söyledi.

John Cockerill, sıcaklık gradyanını daha küçük adımlara bölen küçük U şeklindeki parçalarla tüp tabakasını dikey olarak bölme üzerine çalışıyor. Guillick, "Bu tasarım henüz doğrulanmadı" dedi.

Borular, daha yüksek sıcaklıklara dayanmak için geleneksel alaşımlı çelik veya paslanmaz çelikten ziyade nikel süper alaşımlı malzemeden yapılacak.

Guillick, "Yüksek sıcaklıklara ve seramik partiküllere direnmek için örneğin boru demetleri için refrakter alaşımları da kullanıyoruz" dedi.
Parçacıklar ayrıca yüzey aşınması zorlukları yaratıyor. Guillick, bunu hafifletmek için buhar jeneratörünün iç kasasına bir yalıtım maddesi uygulanacağını söyledi.

"Bu işlevi sağlamak için potansiyel adaylar olarak aşınmaya dayanıklı refrakter tuğlaları araştırıyoruz" dedi.

Pandemik Zorluk

Buhar jeneratörü, Sugimat'ın İspanya, Valencia'daki fabrikasında üretilecek. Bu kadar çok proje ortağı varken, verimli bilgi alışverişi çok önemlidir ve COVID-19 kısıtlamaları kaçınılmaz olarak bazı faaliyetleri geciktirmiştir. Bazı çelik üreticileri salgın sırasında üretimi durdurduğundan, jeneratör için çelik tedarik etmek zor olmuştur. Mas, "Çok yaygın bir çelik değil ve belirli boyutlar gerektiriyor, ancak neyse ki tesislerimizde üretim için gereken malzemeyi elde edebildik," dedi.

Sugimat, mevcut plana göre buhar jeneratörünü Ocak ve Haziran 2021 arasında üretecek. Guillick, "Doğru yolda olduğumuzu ve Ocak ayında ana tasarım yönlerinin düzeltileceğini düşünüyorum" dedi.