07/03/2011 - Neue Turbinen optimieren die Umwandlung von thermischer Energie in Elektrizität

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Überkritische CO2-Systeme ermöglichen eine Steigerung der Wärmeumwandlungseffizienz um bis zu 50%. Eine Forschung in den Sandia National Laboratories hat zur Entwicklung eines neuen Gasturbinensystems für die Energieerzeugung geführt, das die Effizienz der thermoelektrischen Umwandlung um bis zu 50% steigern soll. Innovation hat den Fortschritt bei den superkritischen CO2-Systemen und bei den Brayton-Zyklusturbinen als Säulen. Auf Pablo Javier Piacente.

Die Brayton-Zyklusturbinen auf der Grundlage von superkritischen CO2-Systemen könnten die Wirksamkeit der thermoelektrischen Umwandlung erheblich erhöhen. Bild: gaianews.it Ingenieure und Wissenschaftler von Sandia National Laboratories haben es geschafft, ein neues Gasturbinensystem zu entwickeln, das darauf abzielt, die Effizienz des Umwandlungsprozesses von Wärmeenergie in Strom in Anlagen und Kraftwerke mit unterschiedlichen Merkmalen um 50% zu steigern. Es handelt sich um Brayton-Zyklusturbinen, die sich auf superkritische CO2-Technologien und -Systeme stützen.

Diese neuen Turbinen sind die Hoffnung auf einen großen Sprung in die Effizienz der thermoelektrischen Umwandlung, ein Fortschritt, der für die Energieerzeugung von entscheidender Bedeutung wäre, indem neben fossilen Brennstoffen auch eine große Menge an Energiequellen eingesetzt wird, wie z. B. Solar-, Geothermie-, Biokraftstoff- und Kernenergie.

Die Umwandlungseffizienz könnte in Kernkraftwerken mit Dampfturbinen um bis zu 50% oder in Anlagen und Kraftwerken, die einfache Gasturbinen einsetzen, um bis zu 40% gesteigert werden. Neben diesem Vorteil würde das System auch eine erhebliche Senkung der Produktionskosten zur Folge haben.

Die Forschung konzentriert sich auf superkritisches Kohlendioxid (S-CO 2) und die Brayton-Zyklusturbinen, die die Rankine-Zyklusdampfturbinen ersetzen wollen, die weniger Effizienz erzielen, höhere Korrosionsraten bei hohen Temperaturen aufweisen und 30-mal mehr Platz haben.

Dies liegt daran, dass große Turbinen und Kondensatoren benötigt werden, um überschüssigen Dampf zu entfernen. Außerdem könnte der Brayton-Zyklus 20 Megawatt Strom in einem Raum von nur vier Kubikmeter erzeugen. Diese wichtige Entwicklung wurde durch verschiedene Artikel in Fachmedien, wie z.B. Physorg.com und Solar Thermal Magazine, zusätzlich zu einer Erklärung des Sandia Nacional Laboratory.

Nach Angaben von Experten besteht ein großes industrielles und wissenschaftliches Interesse an überkritischen CO2-Systemen für die Energieerzeugung, da sie eine breite Palette von Anwendungen in allen Arten von erneuerbaren und alternativen Energiequellen und konventionellen Energiequellen anbieten. Die neuen Turbinen funktionieren im Wesentlichen aus einem Reaktionsmotor, der bei hohen Temperaturen in einer Flüssigkeit läuft.

Das neue System befindet sich in der Phase der Tests und Tests, einschließlich eines bereits laufenden Energieerzeugungszyklus in Arvada, Colorado, mit einer Stromerzeugung von etwa 240 Kilowatt während der Entwicklungsphase, die im März 2010 begonnen hat. Dieses System befindet sich derzeit in der Phase der technologischen Optimierung.

Ein zweites Testzentrum befindet sich in den Locations von Sandia National Laboratories in Albuquerque, wo die verschiedenen Bedingungen von überkritischem Kohlendioxid untersucht werden. Die vorläufigen Ergebnisse der oben genannten Tests zeigen die Fähigkeit des neuen Konzepts, insbesondere seine Effizienz und Möglichkeiten zur Anpassung an größere Systeme.

Zu den künftigen Plänen gehören die Vermarktung der Technologie und die Entwicklung einer industriellen Demonstrationsanlage mit einer Stromerzeugung von 10 MW. Es gibt eine Variante dieser Entwicklung: die Verwendung von Brayton-Zyklen mit Helium als Arbeitsflüssigkeit, die die Effizienz der thermoelektrischen Umwandlung um 43-46% erhöhen können.

Der superkritische Brayton-CO2-Zyklus bietet jedoch die gleiche Wirksamkeit wie Heliumsysteme, aber bei einer wesentlich niedrigeren Temperatur (250-300 C). Das S-CO 2-Team ist auch kompakter, so dass die Produktionskosten gesenkt und die Effizienzindizes an einigen Punkten erhöht werden können.

Darüber hinaus ermöglichen die Eigenschaften von überkritischem Kohlendioxid bei Temperaturen über 500 C und Druck über 7,6 Megapascal, dass das System mit sehr hoher thermischer Effizienz betrieben werden kann und sogar die Indikatoren einer hochleistungsfähigen Kohleanlage übersteigt.

Mit anderen Worten: Im Vergleich zu anderen Gasturbinen könnte das neue System, das auf dem superkritischen Brayton-C02-Zyklus basiert, die je Brennstoffeinheit erzeugte elektrische Leistung um 40% oder mehr erhöhen. Die Kombination aus niedrigen Temperaturen, hoher Effizienz und hoher Leistungsdichte ermöglicht die Entwicklung von kompakteren und kostengünstigeren Systemen, da weniger Materialien benötigt werden und weniger Flächen besetzt werden.

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