Un diagramma del semplice ciclo di prova del ciclo Brayton a circuito chiuso dei Sandia National Laboratories. Il fluido di lavoro che viene compresso, riscaldato ed espanso per produrre energia è anidride carbonica supercritica. L'anidride carbonica supercritica è un materiale non tossico e stabile che è sottoposto a una pressione tale da agire sia come un liquido che come un gas. Credito:Laboratori Nazionali Sandia
Per la prima volta, i ricercatori dei Sandia National Laboratories hanno fornito elettricità prodotta da un nuovo sistema di generazione di energia alla rete elettrica della Sandia-Kirtland Air Force Base.
Il sistema utilizza anidride carbonica supercritica riscaldata invece del vapore per generare elettricità e si basa su un ciclo Brayton a circuito chiuso. Il ciclo Brayton prende il nome dall'ingegnere del 19° secolo George Brayton, che sviluppò questo metodo per utilizzare un fluido caldo e pressurizzato per far girare una turbina, proprio come un motore a reazione.
L'anidride carbonica supercritica è un materiale non tossico e stabile che è sottoposto a una pressione tale da agire sia come un liquido che come un gas. Questa anidride carbonica, che rimane all'interno del sistema e non viene rilasciata come gas serra, può diventare molto più calda del vapore:1.290 gradi Fahrenheit o 700 Celsius. In parte a causa di questo calore, il ciclo Brayton ha il potenziale per essere molto più efficiente nel trasformare il calore delle centrali elettriche - nucleare, gas naturale o anche solare concentrato - in energia rispetto al tradizionale ciclo Rankine a base di vapore. Poiché viene persa così tanta energia trasformando il vapore in acqua nel ciclo Rankine, al massimo un terzo della potenza del vapore può essere convertito in elettricità. In confronto, il ciclo di Brayton ha un'efficienza di conversione teorica superiore al 50 percento.
"Ci sforziamo di arrivare qui da diversi anni e poter dimostrare che possiamo collegare il nostro sistema alla rete tramite un dispositivo commerciale è il primo ponte verso una generazione di elettricità più efficiente", ha affermato Rodney Keith, manager per il gruppo concetti avanzati che lavora sulla tecnologia del ciclo Brayton. "Forse è solo un ponte di barche, ma è sicuramente un ponte. Potrebbe non sembrare molto significativo, ma è stato un bel percorso per arrivare qui. Ora che possiamo attraversare il fiume, possiamo andare molto di più."
Portare energia alla rete
Il 12 aprile, il team di ingegneri di Sandia ha riscaldato la CO2 supercritica sistema a 600 gradi Fahrenheit e ha fornito energia alla rete per quasi un'ora, producendo a volte fino a 10 kilowatt. Dieci kilowatt non sono molta elettricità, una casa media consuma 30 kilowattora al giorno, ma è un passo significativo. Per anni, il team avrebbe scaricato l'elettricità prodotta dai loro test in un banco di carico resistivo simile a un tostapane, ha affermato Darryn Fleming, il ricercatore capo del progetto.
"Abbiamo avviato con successo il nostro compressore-turbina-alternatore-compressore in una semplice CO2 supercritica Brayton ha fatto il ciclo tre volte e ha avuto tre arresti controllati, e abbiamo iniettato energia nella rete Sandia-Kirtland costantemente per 50 minuti", ha detto Fleming. "La cosa più importante di questo test è che abbiamo convinto Sandia ad accettare l'alimentazione. Ci è voluto molto tempo per ottenere i dati necessari per connetterci alla rete. Qualsiasi persona che controlli una rete elettrica è molto cauta su ciò che sincronizzi con la sua rete, perché potresti interrompere la rete. Puoi far funzionare questi sistemi tutto il giorno e scaricare l'energia nei banchi di carico, ma inserire anche un po' di energia nella rete è un passo importante."
In un semplice ciclo di Brayton ad anello chiuso, il supercritico CO2 è riscaldata da uno scambiatore di calore. Quindi l'energia viene estratta dal CO2 in una turbina. Dopo il CO2 esce dalla turbina, viene raffreddato in un recuperatore prima di entrare in un compressore. Il compressore ottiene la CO 2 supercritica fino alla pressione necessaria prima che raggiunga il calore di scarto nel recuperatore e ritorni al riscaldatore per continuare il ciclo. Il recuperatore migliora l'efficienza complessiva del sistema.
Per questo test, gli ingegneri hanno riscaldato il CO2 utilizzando uno scaldabagno elettrico, abbastanza simile a uno scaldabagno domestico. In futuro, questo calore potrebbe provenire dal combustibile nucleare, dalla combustione di combustibili fossili o persino dalla luce solare altamente concentrata.
Importanza dell'elettronica di potenza avanzata
Nell'autunno del 2019, Fleming ha iniziato a esplorare come la CO2 supercritica a circuito chiuso di Sandia Il circuito di prova del ciclo Brayton potrebbe essere collegato alla rete. In particolare, era alla ricerca di sistemi avanzati di controllo elettronico della potenza in grado di regolare l'immissione di elettricità nella rete. Il team ha quindi trovato KEB America che produce elettronica di potenza avanzata per ascensori che potrebbe essere adattata per questa applicazione.
Gli ascensori utilizzano l'elettricità per sollevare la cabina dell'ascensore fino all'ultimo piano dell'edificio e alcuni ascensori convertono l'energia potenziale immagazzinata nella cabina sollevata in elettricità per la rete mentre la cabina viene abbassata su un altro piano. Questi ascensori utilizzano apparecchiature molto simili a quelle utilizzate nel ciclo di prova del ciclo Brayton, chiamato rotore a magneti permanenti, per convertire questa energia, ha affermato Fleming. Questa somiglianza ha consentito al team di Sandia di adattare l'elettronica di potenza commerciale di un'azienda di componenti per ascensori per controllare la potenza di alimentazione dal circuito di prova alla rete.
"Il risultato qui è stato accoppiare il sistema con l'elettronica di potenza avanzata e sincronizzarlo con la rete", ha affermato Logan Rapp, un ingegnere meccanico Sandia che è stato coinvolto nel test. "Non l'abbiamo mai fatto prima; siamo sempre andati ai banchi di carico. Puoi tracciare una linea abbastanza chiara dal lavoro che stiamo facendo da 10 kilowatt a circa un megawatt. Un megawatt è piuttosto utile; può alimentare 500 -1.000 case o sostituire i generatori diesel per applicazioni remote. I nostri partner del settore puntano a sistemi da 1 a 5 megawatt."
Rapp lavora principalmente sulla raffinazione di altri CO 2 supercritici Brayton Cycle Equipment, ma durante il test aveva il controllo del riscaldamento del supercritico CO2 prima che raggiungesse la turbina e facesse funzionare il recuperatore. Fleming si è concentrato sul controllo e sul monitoraggio della turbina e del generatore.
Dopo aver completato con successo questo test, il team lavorerà alla modifica del sistema in modo che possa funzionare a temperature più elevate, 1.000 gradi Fahrenheit e oltre, e quindi produrre energia con maggiore efficienza, hanno affermato Fleming e Rapp. Nel 2023, hanno in programma di lavorare per ottenere due generatori di alternatori turbina funzionanti in una configurazione di ricompressione sullo stesso sistema, che è ancora più efficiente. L'obiettivo del team è dimostrare una CO2 supercritica da 1 megawatt Sistema del ciclo di Brayton entro l'autunno 2024. Durante questo processo, sperano di testare occasionalmente il sistema fornendo elettricità alla rete, a condizione che ottengano l'approvazione degli operatori di rete per farlo.
"Per applicazioni commerciali reali sappiamo che abbiamo bisogno di macchinari turbo più grandi, elettronica di potenza, cuscinetti e tenute più grandi che funzionino per CO 2 supercritica , cicli di Brayton chiusi", ha detto Fleming. "Ci sono tutte queste diverse cose che devono essere fatte per ridurre il rischio del sistema e ora ci stiamo lavorando. Nel 2023 metteremo tutto insieme in un ciclo di ricompressione e poi lo porteremo a una potenza ancora più elevata, ed è allora che l'industria commerciale può farcela da lì." + Esplora ulteriormente>
