Vi har magten:Brayton-cyklusteknologitest leverer elektricitet til nettet

For første gang leverede Sandia National Laboratories-forskere elektricitet produceret af et nyt strømgenereringssystem til Sandia-Kirtland Air Force Base's elnet.

Systemet bruger opvarmet superkritisk kuldioxid i stedet for damp til at generere elektricitet og er baseret på en lukket Brayton-cyklus. Brayton-cyklussen er opkaldt efter det 19. århundredes ingeniør George Brayton, der udviklede denne metode til at bruge varm, tryksat væske til at rotere en turbine, meget som en jetmotor.

Superkritisk kuldioxid er et ikke-giftigt, stabilt materiale, der er under så meget tryk, at det virker som både en væske og en gas. Denne kuldioxid, som forbliver i systemet og ikke frigives som en drivhusgas, kan blive meget varmere end damp - 1.290 grader Fahrenheit eller 700 Celsius. Til dels på grund af denne varme har Brayton-cyklussen potentialet til at være meget mere effektiv til at omdanne varme fra kraftværker - nuklear, naturgas eller endda koncentreret solenergi - til energi end den traditionelle dampbaserede Rankine-cyklus. Fordi der går så meget energi tabt ved at omdanne damp tilbage til vand i Rankine-cyklussen, kan højst en tredjedel af strømmen i dampen omdannes til elektricitet. Til sammenligning har Brayton-cyklussen en teoretisk konverteringseffektivitet på op mod 50 procent.

"Vi har stræbt efter at komme hertil i en årrække, og at være i stand til at demonstrere, at vi kan forbinde vores system gennem en kommerciel enhed til nettet er den første bro til mere effektiv elproduktion," sagde Rodney Keith, manager. for gruppen med avancerede koncepter, der arbejder med Brayton-cyklusteknologien. "Måske er det bare en pontonbro, men det er bestemt en bro. Det lyder måske ikke superbetydende, men det var noget af en vej at komme hertil. Nu hvor vi kan komme over floden, kan vi komme meget mere i gang."

Få strøm til nettet

Den 12. april opvarmede Sandias ingeniørteam deres superkritiske CO₂ system til 600 grader Fahrenheit og leverede strøm til nettet i næsten en time, til tider produceret op til 10 kilowatt. Ti kilowatt er ikke meget strøm, et gennemsnitligt hjem bruger 30 kilowatttimer om dagen, men det er et væsentligt skridt. I årevis ville holdet dumpe elektricitet produceret ved deres test i en brødristerlignende resistiv belastningsbank, sagde Darryn Fleming, den ledende forsker på projektet.

"Vi startede med succes vores turbine-generator-kompressor i en simpel superkritisk CO₂ Brayton cyklede tre gange og havde tre kontrollerede nedlukninger, og vi indsprøjtede strøm i Sandia-Kirtland-nettet jævnt i 50 minutter," sagde Fleming. "Det vigtigste ved denne test er, at vi fik Sandia til at acceptere at tage strømmen. Det tog os lang tid at få de nødvendige data til at lade os forbinde til nettet. Enhver person, der kontrollerer et elektrisk net, er meget forsigtig med, hvad du synkroniserer til deres net, fordi du kan forstyrre nettet. Du kan betjene disse systemer hele dagen lang og dumpe strømmen i belastningsbanker, men at sætte selv lidt strøm på nettet er et vigtigt skridt."

I en simpel Brayton-cyklus med lukket sløjfe, den superkritiske CO₂ opvarmes af en varmeveksler. Derefter udvindes energien fra CO₂ i en turbine. Efter CO₂ forlader turbinen, køles den i en rekuperator, inden den kommer ind i en kompressor. Kompressoren får den superkritiske CO₂ op til det nødvendige tryk, før det møder spildvarme i rekuperatoren og vender tilbage til varmeren for at fortsætte cyklussen. Recuperatoren forbedrer den overordnede effektivitet af systemet.

Til denne test opvarmede ingeniørerne CO₂ ved hjælp af en elektrisk varmelegeme, ret lig en vandvarmer til hjemmet. I fremtiden kan denne varme komme fra nukleart brændsel, afbrænding af fossile brændstoffer eller endda stærkt koncentreret sollys.

Vigtigheden af ​​avanceret kraftelektronik

I efteråret 2019 begyndte Fleming at udforske, hvordan Sandias superkritiske CO₂ i lukket kredsløb Brayton cyklus testsløjfe kunne forbindes til nettet. Specifikt ledte han efter avancerede effektelektroniske styresystemer, der kunne regulere leveringen af ​​elektricitet til nettet. Holdet fandt derefter KEB America, som producerer avanceret kraftelektronik til elevatorer, der kunne tilpasses til denne applikation.

Elevatorer bruger elektricitet til at løfte elevatorstolen op til bygningens øverste etage, og nogle elevatorer omdanner den potentielle energi, der er lagret i den løftede bil, tilbage til elektricitet til nettet, når bilen sænkes til en anden etage. Disse elevatorer bruger udstyr, der ligner meget det, der bruges i Brayton-cyklustestsløjfen, kaldet en permanent magnetrotor, til at konvertere denne energi, sagde Fleming. Denne lighed gjorde det muligt for Sandia-teamet at tilpasse kommerciel kraftelektronik fra et elevatordelefirma for at styre strømforsyningen fra deres testsløjfe til nettet.

"Prestationen her var at koble systemet med den avancerede kraftelektronik og synkronisere det til nettet," sagde Logan Rapp, en maskiningeniør fra Sandia, som var involveret i testen. "Vi har aldrig gjort det før; vi var altid gået til belastningsbankerne. Du kan trække en ret klar linje fra det arbejde, vi udfører ved 10 kilowatt til omkring en megawatt. En megawatt er ret nyttigt; det kan drive 500 -1.000 hjem eller udskift dieselgeneratorer til fjerntliggende applikationer. Vores industripartnere er målrettet mod 1- til 5-megawatt-systemer."

Rapp arbejder primært med at raffinere anden superkritisk CO₂ Brayton-cyklusudstyr, men under testen havde han kontrol over opvarmningen af ​​den superkritiske CO₂ før den nåede turbinen og betjener rekuperatoren. Fleming fokuserede på at kontrollere og overvåge turbinen og generatoren.

Efter at have gennemført denne test, vil holdet arbejde på at modificere systemet, så det kan fungere ved højere temperaturer, 1.000 grader Fahrenheit og derover, og dermed producere strøm med større effektivitet, sagde Fleming og Rapp. I 2023 planlægger de at arbejde på at få to turbine-generatorgeneratorer til at fungere i en rekompressionskonfiguration på det samme system, hvilket er endnu mere effektivt. Holdets mål er at demonstrere en 1 megawatt superkritisk CO₂ Brayton-cyklussystemet inden efteråret 2024. Under hele denne proces håber de lejlighedsvis at teste systemet ved at levere elektricitet til nettet, forudsat at de får godkendelse fra netoperatørerne til at gøre det.

"Til egentlige kommercielle applikationer ved vi, at vi har brug for større turbomaskineri, kraftelektronik, større lejer og tætninger, der fungerer til superkritisk CO₂ , lukkede Brayton-cyklusser," sagde Fleming. "Der er alle disse forskellige ting, der skal gøres for at fjerne risikoen for systemet, og vi arbejder på dem nu. I 2023 vil vi sætte det hele sammen til en rekomprimeringsløkke, og så vil vi tage det til endnu højere effekt, og det er, når den kommercielle industri kan tage det derfra." + Udforsk yderligere

Ny arena for energiproduktion sat i gang med MOU