För första gången levererade forskare från Sandia National Laboratories el producerad av ett nytt kraftgenereringssystem till Sandia-Kirtland Air Force Bases elnät.

Systemet använder uppvärmd superkritisk koldioxid istället för ånga för att generera elektricitet och är baserat på en sluten Brayton-cykel. Brayton-cykeln är uppkallad efter 1800-talets ingenjör George Brayton, som utvecklade denna metod för att använda het, trycksatt vätska för att snurra en turbin, ungefär som en jetmotor.

Superkritisk koldioxid är ett ogiftigt, stabilt material som är under så högt tryck att det fungerar som både en vätska och en gas. Denna koldioxid, som stannar i systemet och inte frigörs som en växthusgas, kan bli mycket varmare än ånga - 1 290 grader Fahrenheit eller 700 Celsius. Delvis på grund av denna värme har Brayton-cykeln potentialen att vara mycket effektivare för att omvandla värme från kraftverk – kärnkraft, naturgas eller till och med koncentrerad solenergi – till energi än den traditionella ångbaserade Rankine-cykeln. Eftersom så mycket energi går förlorad och omvandlar ånga tillbaka till vatten i Rankine-cykeln, kan högst en tredjedel av kraften i ångan omvandlas till elektricitet. Som jämförelse har Brayton-cykeln en teoretisk omvandlingseffektivitet på uppemot 50 procent.

"Vi har strävat efter att komma hit i ett antal år, och att kunna visa att vi kan ansluta vårt system via en kommersiell enhet till nätet är den första bron till effektivare elproduktion", säger Rodney Keith, chef. för gruppen för avancerade koncept som arbetar med Brayton-cykeltekniken. "Kanske är det bara en pontonbro, men det är definitivt en bro. Det kanske inte låter superbetydligt, men det var en ganska lång väg att ta sig hit. Nu när vi kan ta oss över floden kan vi komma igång mycket mer."

Få ström till nätet

Den 12 april värmde Sandias ingenjörsteam upp sin superkritiska CO₂ systemet till 600 grader Fahrenheit och gav ström till nätet i nästan en timme, ibland producerade upp till 10 kilowatt. Tio kilowatt är inte mycket el, ett genomsnittligt hem använder 30 kilowattimmar per dag, men det är ett betydande steg. I flera år skulle teamet dumpa elektricitet som producerats av deras tester i en brödrostliknande resistiv lastbank, sa Darryn Fleming, ledande forskare i projektet.

"Vi startade framgångsrikt vår turbin-generator-kompressor i en enkel superkritisk CO₂ Brayton cyklade tre gånger och hade tre kontrollerade avstängningar, och vi injicerade ström i Sandia-Kirtland-nätet stadigt i 50 minuter," sa Fleming. "Det viktigaste med det här testet är att vi fick Sandia att gå med på att ta strömmen. Det tog oss lång tid att få den data som behövdes för att vi skulle kunna ansluta till nätet. Varje person som kontrollerar ett elnät är mycket försiktig med vad du synkroniserar med deras nät, eftersom du kan störa nätet. Du kan använda dessa system hela dagen lång och dumpa strömmen i lastbanker, men att lägga till och med lite ström på nätet är ett viktigt steg."

I en enkel Brayton-cykel med sluten slinga, den superkritiska CO₂ värms upp av en värmeväxlare. Sedan utvinns energin från CO₂ i en turbin. Efter CO₂ lämnar turbinen, kyls den i en rekuperator innan den går in i en kompressor. Kompressorn får den superkritiska CO₂ upp till det nödvändiga trycket innan det möter spillvärme i rekuperatorn och återgår till värmaren för att fortsätta cykeln. Recuperatorn förbättrar systemets totala effektivitet.

För detta test värmde ingenjörerna upp CO₂ använder en elektrisk värmare, ganska lik en varmvattenberedare i hemmet. I framtiden kan denna värme komma från kärnbränsle, förbränning av fossila bränslen eller till och med starkt koncentrerat solljus.

Vikten av avancerad kraftelektronik

Hösten 2019 började Fleming utforska hur Sandias slutna superkritiska CO₂ Brayton cykeltestslinga kan anslutas till nätet. Specifikt letade han efter avancerade kraftelektroniska styrsystem som kunde reglera tillförseln av el till nätet. Teamet hittade sedan KEB America som tillverkar avancerad kraftelektronik för hissar som kan anpassas för denna applikation.

Hissar använder elektricitet för att lyfta hisskorgen upp till byggnadens översta våning, och vissa hissar omvandlar den potentiella energin som lagras i den lyfta bilen tillbaka till el för nätet när bilen sänks till en annan våning. Dessa hissar använder utrustning som är mycket lik den som används i Brayton-cykeltestslingan, kallad permanentmagnetrotor, för att omvandla denna energi, sa Fleming. Denna likhet gjorde det möjligt för Sandia-teamet att anpassa kommersiell kraftelektronik från ett hissdelsföretag för att styra matningen från deras testslinga till nätet.

"Prestationen här var att koppla ihop systemet med den avancerade kraftelektroniken och synkronisera det till nätet", säger Logan Rapp, en maskiningenjör från Sandia som var involverad i testet. "Vi har aldrig gjort det förut; vi hade alltid gått till lastbankerna. Du kan dra en ganska tydlig linje från det arbete vi gör vid 10 kilowatt till ungefär en megawatt. En megawatt är ganska användbart; den kan driva 500 -1 000 hem eller byt ut dieselgeneratorer för fjärrtillämpningar. Våra branschpartners är inriktade på 1- till 5-megawattsystem."

Rapp arbetar främst med att förädla annan superkritisk CO₂ Brayton-cykelutrustning, men under testet hade han kontroll över uppvärmningen av den superkritiska CO₂ innan den nådde turbinen och körde rekuperatorn. Fleming fokuserade på att styra och övervaka turbinen och generatorn.

Efter att ha genomfört detta test kommer teamet att arbeta med att modifiera systemet så att det kan fungera vid högre temperaturer, 1 000 grader Fahrenheit och uppåt, och därmed producera kraft med större effektivitet, säger Fleming och Rapp. 2023 planerar de att arbeta med att få två turbingeneratorer att arbeta i en rekompressionskonfiguration på samma system, vilket är ännu mer effektivt. Teamets mål är att demonstrera en 1 megawatt superkritisk CO₂ Braytons cykelsystem till hösten 2024. Under hela denna process hoppas de kunna testa systemet då och då genom att leverera el till nätet, förutsatt att de får godkännande från nätoperatörerna att göra det.

"För faktiska kommersiella tillämpningar vet vi att vi behöver större turbomaskineri, kraftelektronik, större lager och tätningar som fungerar för superkritisk CO₂ , stängda Brayton-cykler," sa Fleming. "Det finns alla dessa olika saker som måste göras för att minska risken för systemet, och vi arbetar med dem nu. År 2023 kommer vi att lägga ihop det hela till en omkomprimeringsslinga och sedan tar vi det till ännu högre effekt, och det är då den kommersiella industrin kan ta det därifrån." + Utforska vidare

Ny arena för kraftgenerering sätts igång med MOU