Voor het eerst hebben onderzoekers van Sandia National Laboratories elektriciteit geleverd door een nieuw energieopwekkingssysteem geleverd aan het elektriciteitsnet van Sandia-Kirtland Air Force Base.

Het systeem maakt gebruik van verwarmd superkritisch kooldioxide in plaats van stoom om elektriciteit op te wekken en is gebaseerd op een gesloten Brayton-cyclus. De Brayton-cyclus is genoemd naar de 19e-eeuwse ingenieur George Brayton, die deze methode ontwikkelde om hete vloeistof onder druk te gebruiken om een ​​turbine te laten draaien, net als een straalmotor.

Superkritisch koolstofdioxide is een niet-toxisch, stabiel materiaal dat onder zoveel druk staat dat het zowel als een vloeistof als als een gas werkt. Deze koolstofdioxide, die in het systeem blijft en niet als broeikasgas vrijkomt, kan veel heter worden dan stoom - 1290 graden Fahrenheit of 700 Celsius. Gedeeltelijk vanwege deze hitte heeft de Brayton-cyclus het potentieel om veel efficiënter te zijn in het omzetten van warmte van energiecentrales - kernenergie, aardgas of zelfs geconcentreerde zonne-energie - in energie dan de traditionele op stoom gebaseerde Rankine-cyclus. Omdat er in de Rankine-cyclus zoveel energie verloren gaat om stoom weer in water te veranderen, kan maximaal een derde van het vermogen in de stoom worden omgezet in elektriciteit. Ter vergelijking:de Brayton-cyclus heeft een theoretische conversie-efficiëntie van meer dan 50 procent.

"We streven er al een aantal jaren naar om hier te komen en om te kunnen aantonen dat we ons systeem via een commercieel apparaat op het net kunnen aansluiten, is de eerste brug naar een efficiëntere elektriciteitsopwekking", zegt Rodney Keith, manager voor de groep geavanceerde concepten die werkt aan de Brayton-fietstechnologie. "Misschien is het maar een pontonbrug, maar het is zeker een brug. Het klinkt misschien niet superbelangrijk, maar het was een behoorlijk pad om hier te komen. Nu we de rivier kunnen oversteken, kunnen we veel meer op gang brengen."

Elektriciteit aan het net leveren

Op 12 april heeft het technische team van Sandia hun superkritische CO₂ . opgewarmd systeem tot 600 graden Fahrenheit en leverde bijna een uur stroom aan het net, waarbij soms tot 10 kilowatt werd geproduceerd. Tien kilowatt is niet veel elektriciteit, een gemiddeld huis verbruikt 30 kilowattuur per dag, maar het is wel een flinke stap. Jarenlang zou het team de door hun tests geproduceerde elektriciteit dumpen in een broodroosterachtige resistieve belastingbank, zei Darryn Fleming, de hoofdonderzoeker van het project.

"We hebben onze turbine-dynamo-compressor met succes gestart in een eenvoudige superkritische CO₂ Brayton fietste drie keer en had drie gecontroleerde shutdowns, en we hebben gedurende 50 minuten gestaag stroom in het Sandia-Kirtland-net geïnjecteerd, "zei Fleming. "Het belangrijkste van deze test is dat we Sandia hebben laten instemmen om de stroom over te nemen. Het kostte ons veel tijd om de gegevens te krijgen die we nodig hadden om verbinding te maken met het elektriciteitsnet. Iedereen die een elektriciteitsnet beheert, is erg voorzichtig met wat u met hun elektriciteitsnet synchroniseert, omdat u het elektriciteitsnet zou kunnen verstoren. Je kunt deze systemen de hele dag gebruiken en de stroom in loadbanks dumpen, maar zelfs een klein beetje stroom op het elektriciteitsnet zetten is een belangrijke stap."

In een eenvoudige Brayton-cyclus met gesloten lus, de superkritische CO₂ wordt verwarmd door een warmtewisselaar. Vervolgens wordt de energie gewonnen uit de CO₂ in een turbine. Na de CO₂ de turbine verlaat, wordt het gekoeld in een recuperator voordat het een compressor binnengaat. De compressor krijgt de superkritische CO₂ tot de nodige druk voordat het in contact komt met afvalwarmte in de recuperator en terugkeert naar de verwarming om de cyclus voort te zetten. De recuperator verbetert de algehele efficiëntie van het systeem.

Voor deze test hebben de ingenieurs de CO₂ . opgewarmd met behulp van een elektrische verwarming, redelijk vergelijkbaar met een thuisboiler. In de toekomst kan deze warmte afkomstig zijn van nucleaire brandstof, verbranding van fossiele brandstoffen of zelfs sterk geconcentreerd zonlicht.

Belang van geavanceerde vermogenselektronica

In de herfst van 2019 begon Fleming te onderzoeken hoe Sandia's superkritische CO₂ Brayton-cyclustestlus kan worden aangesloten op het net. Hij was met name op zoek naar geavanceerde elektronische vermogensregelingen die de levering van elektriciteit aan het net konden regelen. Het team vond toen KEB America die geavanceerde vermogenselektronica voor liften produceert die voor deze toepassing kunnen worden aangepast.

Liften gebruiken elektriciteit om de liftkooi naar de bovenste verdieping van het gebouw te tillen, en sommige liften zetten de potentiële energie die in de opgeheven kooi is opgeslagen, weer om in elektriciteit voor het elektriciteitsnet wanneer de kooi naar een andere verdieping wordt verlaagd. Deze liften gebruiken apparatuur die sterk lijkt op die welke wordt gebruikt in de Brayton-cyclustestlus, een permanente magneetrotor genaamd, om deze energie om te zetten, zei Fleming. Deze gelijkenis stelde het Sandia-team in staat om commerciële kant-en-klare vermogenselektronica van een bedrijf voor liftonderdelen aan te passen om de voeding van hun testlus naar het net te regelen.

"De prestatie hier was het koppelen van het systeem aan de geavanceerde vermogenselektronica en het synchroniseren met het elektriciteitsnet", zegt Logan Rapp, een mechanische ingenieur van Sandia die bij de test betrokken was. "We hebben dat nog nooit eerder gedaan; we waren altijd naar de loadbanks gegaan. Je kunt een vrij duidelijke lijn trekken van het werk dat we doen bij 10 kilowatt tot ongeveer één megawatt. Een megawatt is best handig; het kan 500 stroom leveren -1.000 huishoudens of vervang dieselgeneratoren voor toepassingen op afstand. Onze industriepartners richten zich op systemen van 1 tot 5 megawatt."

Rapp werkt voornamelijk aan het verfijnen van andere superkritische CO₂ Brayton-cyclusapparatuur, maar tijdens de test had hij de controle over het verwarmen van de superkritische CO₂ voordat het de turbine bereikt en de recuperator bedient. Fleming richtte zich op het besturen en bewaken van de turbine en generator.

Nadat deze test met succes is voltooid, zal het team werken aan het aanpassen van het systeem zodat het kan werken bij hogere temperaturen, 1.000 graden Fahrenheit en hoger, en zo energie met grotere efficiëntie kan produceren, aldus Fleming en Rapp. In 2023 willen ze eraan werken om twee turbine-dynamogeneratoren in een hercompressieconfiguratie op hetzelfde systeem te laten werken, wat nog efficiënter is. Het doel van het team is om een ​​superkritische CO₂ . van 1 megawatt te demonstreren Brayton-cyclussysteem in de herfst van 2024. Tijdens dit proces hopen ze het systeem af en toe te testen door elektriciteit aan het net te leveren, op voorwaarde dat ze hiervoor toestemming krijgen van de netbeheerders.

"Voor echte commerciële toepassingen weten we dat we grotere turbomachines, vermogenselektronica, grotere lagers en afdichtingen nodig hebben die werken voor superkritische CO₂ , Brayton-cycli gesloten," zei Fleming. "Er zijn al deze verschillende dingen die moeten worden gedaan om het systeem risico's te verminderen, en daar werken we nu aan. In 2023 zullen we alles samenvoegen tot een hercompressielus en dan zullen we het naar een nog hoger vermogen brengen, en dan kan de commerciële industrie het vanaf daar overnemen." + Verder verkennen

Nieuwe arena van energieopwekking in gang gezet met MOU