Kernenergie-Option: PCHE ermöglicht hocheffiziente Upgrades in überkritischen CO₂-Brayton-Kreisläufen

Angesichts der globalen Ziele zur Reduzierung von CO₂-Spitzenemissionen und zur Erreichung von Klimaneutralität hat sich die Brayton-Kreisprozess-Technologie mit überkritischem Kohlendioxid (S-CO₂) aufgrund ihres hohen thermischen Wirkungsgrades, des kompakten Systemdesigns und des geringen Wasserverbrauchs zu einem zentralen Bestandteil der Energiewende entwickelt. Der gedruckte Leiterplatten-Wärmetauscher (PCHE) ist als Schlüsselkomponente des Wärmeaustauschs in diesem Kreislauf maßgeblich für die Systemleistung und den wirtschaftlichen Wert. Dieser Artikel analysiert den Prozessablauf des Kreislaufs, erläutert die Grenzen herkömmlicher Wärmetauscher in dieser Anwendung und zeigt die zentralen technischen Vorteile des PCHE auf.

1. Kernprozess der Stromerzeugung mittels überkritischem CO₂-Brayton-Kreislauf

Das System nutzt überkritisches CO₂ als Arbeitsmedium und erreicht eine effiziente Umwandlung von Wärme in Elektrizität durch einen geschlossenen Kreislauf ohne Phasenübergang von Gas zu Flüssigkeit im herkömmlichen Sinne. Der Kreislauf umfasst sechs Hauptstufen: Das Arbeitsmedium mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck (33 °C, 8,1 MPa) wird durch einen Kompressor auf 20–23 MPa verdichtet. Anschließend durchläuft es nacheinander einen Niedertemperatur- und einen Hochtemperatur-Rekuperator, um Abwärme zurückzugewinnen und seine Temperatur zu erhöhen. Danach wird es durch einen Erhitzer (unter Verwendung von Wärmequellen wie industrieller Abwärme oder Solarthermie) auf 500–800 °C erhitzt und tritt in einen Turbogenerator ein, um Arbeit zu verrichten und Strom zu erzeugen. Schließlich wird es durch einen Kühler wieder auf seinen Ausgangszustand abgekühlt, wodurch der Kreislauf geschlossen wird. Forschungsergebnisse zeigen, dass bei einer Turbineneintrittstemperatur von über 550 °C der thermische Wirkungsgrad des Kreislaufs 20–50 % höher ist als der eines herkömmlichen Dampf-Rankine-Kreislaufs und der Wasserverbrauch um 50 % reduziert wird. Die Rekuperatoren und der Kühler übernehmen über 90 % der Wärmeaustauschleistung und sind daher für den effizienten Betrieb des Systems unerlässlich.

2. Einschränkungen herkömmlicher Wärmetauscher

Die Bedingungen im überkritischen CO₂-Kreislauf zeichnen sich durch hohen Druck (8–23 MPa, im oberen Bereich über 30 MPa), hohe Temperatur (500–800 °C), schnell wechselnde Fluideigenschaften und geringe Temperaturdifferenzen beim Wärmeaustausch aus. Herkömmliche Wärmetauscher sind diesen Bedingungen nicht gewachsen. Rohrbündelwärmetauscher benötigen unter hohem Druck deutlich dickere Wände, und ein Rekuperator der 50-MW-Klasse kann ein Volumen von mehreren hundert Kubikmetern erreichen – mehr als das Fünffache eines PCHE (Plattenwärmetauschers) – was einen sehr großen Platzbedarf zur Folge hat. Plattenwärmetauscher weisen gelötete Nähte auf, die zu Leckagen neigen, und eine maximale Drucktoleranz von unter 15 MPa, was den Anforderungen von Mittel- und Hochdrucksystemen nicht genügt. Darüber hinaus weisen herkömmliche Wärmetauscher tendenziell niedrige Wärmeübergangskoeffizienten und hohe Druckverluste auf, die über 60 % des gesamten Systemdruckverlusts ausmachen. Schätzungen zufolge kann dies bei einem System der 10-MW-Klasse zu einem Rückgang des Nettowirkungsgrades um 3–5 Prozentpunkte führen. Darüber hinaus erfüllen herkömmliche Wärmetauscher mit einer spezifischen Oberfläche unter 500 m²/m³ nicht die Anforderungen an eine kompakte Systemintegration.

3. Kerntechnische Vorteile von PCHE

PCHEs werden mittels einer Kombination aus chemischem Ätzen und Vakuumdiffusionsbonden hergestellt. Ihre Mikrokanalstruktur (typischerweise 0,1–2 mm) macht sie ideal für die anspruchsvollen Betriebsbedingungen von überkritischen CO₂-Systemen. Zu den wichtigsten technischen Vorteilen zählen:

Außergewöhnliche Druck- und Temperaturbeständigkeit
PCHEs sind druckbeständig bis zu 100 MPa und halten Temperaturen von über 800 °C stand, wodurch ein stabiler und leckagefreier Betrieb auch unter extremen Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen gewährleistet wird.

Extrem hohe Wärmeübertragungseffizienz
PCHEs bieten eine extrem hohe Wärmeübertragungseffizienz mit Wärmeübergangskoeffizienten von 2000–5000 W/(m²·K), was dem 2- bis 4-Fachen herkömmlicher Wärmetauscher entspricht. Die Annäherungstemperaturdifferenzen können bis zu 2–3 K betragen. In Megawatt-Systemen erreichen PCHE-Rekuperatoren einen Wirkungsgrad von bis zu 95 %, was zu einer Steigerung des thermischen Wirkungsgrades um 20–25 % führt.

Geringer Druckverlust und verbesserte Energieeffizienz
Der Druckverlust in PCHEs beträgt nur 1/3 bis 1/2 des Druckverlusts herkömmlicher Wärmetauscher. Bei einem System der 10-MW-Klasse führt dies zu einer Reduzierung der gesamten Systemdruckverluste um 6–8 % und einer Steigerung der Nettoleistung um 2–3 Prozentpunkte.

Hochkompaktes und leichtes Design
PCHEs weisen eine spezifische Oberfläche von über 2500 m²/m³ auf, wodurch ihr Volumen nur 1/4 bis 1/6 des Volumens vergleichbarer Rohrbündelwärmetauscher beträgt. Ihr deutlich geringeres Gewicht erleichtert zudem die Systemintegration.

Hervorragende Materialflexibilität
PCHEs können kundenspezifisch aus Edelstahl, Nickelbasislegierungen und anderen geeigneten Materialien gefertigt werden. Dies gewährleistet eine zuverlässige Leistung auch bei schnell wechselnden Fluideigenschaften und die Kompatibilität mit verschiedenen Arbeitsumgebungen.

4. Schlussfolgerung

Die von Shanghai Plate Heat Exchange Equipment Co., Ltd. (SHPHE) hergestellten PCHE-Produkte erfüllen aktuell die Anforderungen von überkritischen CO₂-Brayton-Kreislaufsystemen hinsichtlich ihrer Kernwärmetauscherkomponenten, darunter Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Rekuperatoren sowie Vorkühler. Diese Einheiten sind für die anspruchsvollen Betriebsbedingungen des überkritischen CO₂-Arbeitsmediums – hoher Druck, hohe Temperatur und stark schwankende Eigenschaften – geeignet und bieten gleichzeitig eine exzellente Wärmeübertragungsleistung, kontrollierbare Druckverluste und eine hohe Anpassungsfähigkeit an wechselnde Bedingungen. Shanghai Plate Heat Exchange Equipment Co., Ltd. (SHPHE) bietet maßgeschneiderte Lösungen, die Ihrem Projekt zu höherer thermischer Effizienz, geringerem Energieverbrauch und optimierten Kosten verhelfen. Mit PCHE entscheiden Sie sich für eine effiziente, zuverlässige und kohlenstoffarme Energiezukunft.