22/08/2022 - Eine neue Turbine, die CO2 nutzt, ermöglicht die Steigerung der erzeugten elektrischen Energie

Menéame

Zwei mechanische Ingenieure Sandia National Laboratories sie entwickeln eine neue Turbine, die als CO2-Fliese anstelle von Dampf verwendet wird, was die Prozesseffizienz und die erzeugte elektrische Energie erhöht. Dieses neue System spritzt elektrische Energie in das Stromnetz der Sandia-Kirtland Air Force Base.

Brayton-Zyklus

Das System verwendet überkritisches Kohlendioxid, das anstelle von Dampf erhitzt wird, um Strom zu erzeugen, und basiert auf einem Brayton-Zyklus mit geschlossener Schaltung. Der Brayton-Zyklus trägt den Namen des Ingenieurs aus dem 19. Jahrhundert, George Brayton, der diese Methode der Verwendung von heißem und Druckflüssigkeit entwickelt hat, um eine Turbine wie einen Reaktionsmotor zu drehen.

Überkritisches Kohlendioxid ist ein stabiles und ungiftiges Material, das unter einem so hohen Druck steht, dass es wie eine Flüssigkeit und ein Gas wirkt. Dieses Kohlendioxid, das im System bleibt und nicht als Treibhausgase freigesetzt wird, kann viel mehr als Dampf erhitzt werden: 1,290 Grad Fahrenheit oder 700 Grad Celsius. Teilweise aufgrund dieser Hitze hat der Brayton-Zyklus das Potenzial, wesentlich effizienter zu sein, um die Wärme von Kraftwerken (Nuklear, Erdgas oder sogar Solarenergie konzentriert) in Energie umzuwandeln als der traditionelle Dampfkreislauf von Rankine. Da so viel Energie verloren geht, indem man den Dampf wieder in Wasser im Rankine-Zyklus umwandelt, kann höchstens ein Drittel der Dampfleistung in Elektrizität umgewandelt werden. Im Vergleich dazu hat der Brayton-Zyklus eine theoretische Umwandlungseffizienz von mehr als 50 Prozent.

"Wir haben uns seit Jahren bemüht, hierher zu kommen und zu zeigen, dass wir unser System über ein kommerzielles Gerät an das Netz anschließen können, ist die erste Brücke zu einer effizienteren Stromerzeugung," sagte Rodney Keith, Leiter der Gruppe fortgeschrittener Konzepte, die in der Brayton-Zyklus-Technologie arbeitet. "Vielleicht ist es nur eine Pontonbrücke, aber es ist definitiv eine Brücke. Das klingt vielleicht nicht so bedeutungsvoll, aber es war ein langer Weg hierher. Jetzt, wo wir den Fluss überqueren können, können wir viel mehr starten."

Logan Rapp (links) und Darryn Fleming, Maschinenbauingenieure von Sandia National Laboratories. (Foto von Bret Latter în Quelle: Sandia National Laboratories)

Energie ins Netz bringen

Am 12. April erhitzte das Ingenieurteam von Sandia sein superkritisches CO2 System auf 600 Grad Fahrenheit und versorgte das Netz fast eine Stunde lang mit Energie, manchmal bis zu 10 Kilowatt. Zehn Kilowatt sind nicht viel Strom, ein durchschnittliches Haus verwendet 30 Kilowatt Stunden pro Tag, aber es ist ein wichtiger Schritt. Jahrelang schüttete das Team den Strom aus, der durch seine Tests in eine widerstandsfähige Ladebank wie einen Toaster produziert wurde, sagte Darryn Fleming, der Hauptforscher des Projekts.

"Wir begannen erfolgreich unsere Turbine-Alternator-Kompressor in einem einfachen superkritischen CO2 Brayton war dreimal zyklisch und hatte drei kontrollierte Ausschaltungen, und wir spritzten konstant 50 Minuten lang Energie in das Sandia-Kirtland-Netzwerk," sagte Fleming. "Das Wichtigste an diesem Test ist, dass wir Sandia dazu gebracht haben, die Macht zu übernehmen. Es dauerte sehr lange, bis wir die notwendigen Daten erhielten, um uns mit dem Netzwerk verbinden zu können. Jeder, der ein Stromnetz kontrolliert, ist sehr vorsichtig darüber, was mit Ihrem Netz synchronisiert, weil es das Netzwerk unterbrechen könnte. Sie können diese Systeme den ganzen Tag über betreiben und Energie in Ladestationen umkippen, aber es ist ein wichtiger Schritt, sogar etwas Energie in das Netz zu stecken."

In einem einfachen geschlossenen Brayton-Zyklus wird das superkritische CO2 durch einen Wärmetauscher erhitzt. Dann wird die Energie aus dem CO2 in einer Turbine gewonnen. Nach dem CO2 verlässt er die Turbine und kühlt sich in einem Rekuperator ab, bevor er einen Kompressor betritt. Der Kompressor erhält das überkritische CO2 bis zum erforderlichen Druck, bevor er die Restwärme im Rekuperator erreicht und zum Heizkörper zurückkehrt, um den Zyklus fortzusetzen. Der Rekuperator verbessert die Gesamteffizienz des Systems.

Für diesen Test erhitzten Ingenieure das CO2 mit einem elektrischen Heizgerät, ziemlich ähnlich wie ein Haushaltswasserheizer. In Zukunft könnte diese Wärme aus Kernbrennstoffen, Verbrennung fossiler Brennstoffe oder sogar hochkonzentriertem Sonnenlicht kommen.

Bedeutung der Elektronik mit fortgeschrittener Leistung

Im Herbst 2019 begann Fleming zu erkunden, wie Sandias superkritischer Kreislauf-CO2 Die Testschleife des Brayton-Zyklus mit dem Netzwerk verbunden werden könnte. Insbesondere suchte ich nach fortgeschrittenen elektronischen Leistungssteuerungssystemen, die die Stromversorgung des Netzes regulieren könnten. Dann fand das Team KEB America, die fortschrittliche Power-Elektronik für Aufzüge produziert, die für diese Anwendung angepasst werden könnte.

Die Aufzüge nutzen den Strom, um den Aufzugwagen bis zum obersten Stockwerk des Gebäudes zu bringen, und einige Aufzüge machen die Energie, die in einem hochgeladenen Auto gespeichert wird, in Netzstrom um, während das Auto in einen anderen Stockwerk steigt. Diese Aufzüge verwenden Geräte sehr ähnlich denen, die in der Testschleife des Brayton Zyklus verwendet werden, genannt Dauermagnet Rotor, um diese Energie zu konvertieren, sagte Fleming. Diese Ähnlichkeit ermöglichte es Sandias Team, die Elektronik der kommerziellen Leistung eines Unternehmens von Aufzugsteilen anzupassen, um die Versorgung seiner Prüfschleife mit dem Netz zu überwachen.

"Die Errungenschaft hier war es, das System mit der fortgeschrittenen Power-Elektronik zu verbinden und es mit dem Netzwerk zu synchronisieren," sagte Logan Rapp, ein mechanischer Ingenieur aus Sandia, der an dem Test beteiligt war. "Das haben wir noch nie zuvor getan; wir waren immer zu den Frachtbanken gegangen. Du kannst eine ziemlich klare Linie ziehen von der Arbeit, die wir mit 10 Kilowatt bis zu etwa einem Megawatt machen. Ein Megawatt ist sehr nützlich; es kann 500 bis 1.000 Haushalte versorgen oder Dieselgeneratoren für entfernte Anwendungen ersetzen. Unsere Partner in der Industrie zielen auf Systeme von 1 bis 5 Megawatt."

Rapp arbeitet hauptsächlich daran, andere überkritische CO2 Brayton Zyklusausrüstung zu verfeinern, aber während der Prüfung hatte er die Kontrolle über die Erwärmung des überkritischen CO2 vor dem Erreichen der Turbine und dem Betrieb des Rekuperators. Fleming konzentrierte sich auf die Steuerung und Überwachung der Turbine und des Generators.

Nachdem dieser Test erfolgreich abgeschlossen ist, wird das Team an der Systemänderung arbeiten, damit es bei höheren Temperaturen, 1.000 Grad Fahrenheit und mehr betrieben werden kann, um Energie effizienter zu produzieren, sagten Fleming und Rapp. Im Jahre 2023 planen sie, zwei Turbine-Alternatorgeneratoren in einer Rekompressions-Konfiguration im selben System zu betreiben, was noch effizienter ist. Ziel des Teams ist es, im Herbst 2024 ein überkritisches CO von 1 Megawatt2 Brayton Zyklussystem zu demonstrieren. Während dieses Prozesses hoffen sie, das System gelegentlich durch die Bereitstellung von Strom an das Netz zu testen, sofern sie die Zustimmung der Netzbetreiber erhalten.

"Für echte kommerzielle Anwendungen wissen wir, dass wir größere Turbo-Maschinen, Power-Elektronik, größere Lager und Stempel benötigen, die für superkritische CO arbeiten.2, geschlossene Brayton-Zyklen," sagte Fleming. "Es gibt all diese unterschiedlichen Dinge, die getan werden müssen, um das Risiko des Systems zu verringern, und wir arbeiten jetzt daran. Im Jahr 2023 werden wir alles zusammen in eine Rekompressionsschleife stellen und dann zu einer noch größeren Ausgangsleistung führen, und das ist, wenn die Handelsindustrie es von dort aus aufnehmen kann."

Diese Arbeit wird durch das superkritische Programm der Energieabteilung für Transformative elektrische Energie unterstützt. Die Mitarbeiter von Barber-Nichols haben dabei geholfen, die Spezifikationen für fortgeschrittene Leistungselektronik zu erhalten.

Sandia National Laboratories

Sandia National Laboratories ist ein Multimissionslabor, das von National Technology and Engineering Solutions of Sandia LLC, eine Tochtergesellschaft mit Gesamteigentum von Honeywell International Inc... für die nationale nukleare Sicherheitsbehörde des US-Energieministeriums.

Sandia Labs hat große Verantwortung für Forschung und Entwicklung in den Bereichen nukleare Abschreckung, globale Sicherheit, Verteidigung, Energietechnologien und wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit, mit Haupteinrichtungen in Albuquerque, New Mexico, und Livermore, Kalifornien.

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