22/08/2022 - Una nueva turbina que utiliza CO2 permite incrementar la energía eléctrica producida

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Dos ingenieros mecánicos de Sandia National Laboratories desarrollan una nueva turbina, que utiliza como fluido CO2 en vez de vapor, lo que incrementa la eficiencia del proceso y la energía eléctrica producida. Este nuevo sistema desarrollado inyecta la energía eléctrica generada en la red eléctrica de la Base de la Fuerza Aérea Sandia-Kirtland.

Ciclo Brayton

El sistema utiliza dióxido de carbono supercrítico calentado en lugar de vapor para generar electricidad y se basa en un ciclo Brayton de circuito cerrado. El ciclo de Brayton lleva el nombre del ingeniero del siglo 19 George Brayton, quien desarrolló este método de usar fluido caliente y presurizado para hacer girar una turbina, al igual que un motor a reacción.

El dióxido de carbono supercrítico es un material estable y no tóxico que está bajo tanta presión que actúa como un líquido y un gas. Este dióxido de carbono, que permanece dentro del sistema y no se libera como gas de efecto invernadero, puede calentarse mucho más que el vapor: 1,290 grados Fahrenheit o 700 grados Celsius. En parte debido a este calor, el ciclo de Brayton tiene el potencial de ser mucho más eficiente para convertir el calor de las centrales eléctricas (nuclear, gas natural o incluso solar concentrada) en energía que el ciclo tradicional de Rankine a base de vapor. Debido a que se pierde tanta energía convirtiendo el vapor de nuevo en agua en el ciclo de Rankine, a lo sumo un tercio de la potencia en el vapor se puede convertir en electricidad. En comparación, el ciclo de Brayton tiene una eficiencia de conversión teórica de más del 50 por ciento.

"Nos hemos esforzado por llegar aquí durante varios años, y poder demostrar que podemos conectar nuestro sistema a través de un dispositivo comercial a la red es el primer puente hacia una generación de electricidad más eficiente", dijo Rodney Keith, gerente del grupo de conceptos avanzados que trabaja en la tecnología del ciclo Brayton. "Tal vez sea solo un puente de pontones, pero definitivamente es un puente. Puede que no suene súper significativo, pero fue todo un camino para llegar aquí. Ahora que podemos cruzar el río, podemos poner en marcha mucho más".

Logan Rapp (izquierda) y Darryn Fleming, ingenieros mecánicos de Sandia National Laboratories. (Foto de Bret Latter – Fuente: Sandia National Laboratories)

Llevar energía a la red

El 12 de abril, el equipo de ingeniería de Sandia calentó su CO supercrítico2 sistema a 600 grados Fahrenheit y proporcionó energía a la red durante casi una hora, a veces produciendo hasta 10 kilovatios. Diez kilovatios no es mucha electricidad, un hogar promedio usa 30 kilovatios hora por día, pero es un paso significativo. Durante años, el equipo vertió la electricidad producida por sus pruebas en un banco de carga resistiva similar a una tostadora, dijo Darryn Fleming, el investigador principal del proyecto.

"Iniciamos con éxito nuestra turbina-alternador-compresor en un simple CO supercrítico2 Brayton cicló tres veces y tuvo tres apagados controlados, e inyectamos energía en la red Sandia-Kirtland de manera constante durante 50 minutos", dijo Fleming. "Lo más importante de esta prueba es que conseguimos que Sandia aceptara tomar el poder. Nos llevó mucho tiempo obtener los datos necesarios para permitirnos conectarnos a la red. Cualquier persona que controle una red eléctrica es muy cautelosa sobre lo que sincroniza con su red, porque podría interrumpir la red. Puede operar estos sistemas durante todo el día y volcar la energía en bancos de carga, pero poner incluso un poco de energía en la red es un paso importante".

En un ciclo de Brayton de circuito cerrado simple, el CO supercrítico2 se calienta mediante un intercambiador de calor. Luego la energía se extrae del CO2 en una turbina. Después del CO2 sale de la turbina, se enfría en un recuperador antes de entrar en un compresor. El compresor obtiene el CO supercrítico2 hasta la presión necesaria antes de que se encuentre con el calor residual en el recuperador y regrese al calentador para continuar el ciclo. El recuperador mejora la eficiencia general del sistema.

Para esta prueba, los ingenieros calentaron el CO2 usando un calentador eléctrico, bastante similar a un calentador de agua doméstico. En el futuro, este calor podría provenir de combustibles nucleares, quema de combustibles fósiles o incluso luz solar altamente concentrada.

Importancia de la electrónica de potencia avanzada

En el otoño de 2019, Fleming comenzó a explorar cómo el CO supercrítico de circuito cerrado de Sandia2 El bucle de prueba del ciclo de Brayton podría conectarse a la red. Específicamente, estaba buscando sistemas avanzados de control electrónico de potencia que pudieran regular el suministro de electricidad a la red. Luego, el equipo encontró a KEB America, que produce electrónica de potencia avanzada para ascensores que podría adaptarse para esta aplicación.

Los ascensores utilizan la electricidad para elevar el vagón del ascensor hasta el último piso del edificio, y algunos ascensores convierten la energía potencial almacenada en el automóvil elevado en electricidad para la red a medida que el automóvil se baja a otro piso. Estos ascensores utilizan equipos muy similares a los utilizados en el bucle de prueba del ciclo brayton, llamado rotor de imán permanente, para convertir esta energía, dijo Fleming. Esta similitud permitió al equipo de Sandia adaptar la electrónica de potencia comercial de una empresa de piezas de ascensores para controlar la alimentación de su bucle de prueba a la red.

"El logro aquí fue acoplar el sistema con la electrónica de potencia avanzada y sincronizarlo con la red", dijo Logan Rapp, un ingeniero mecánico de Sandia que participó en la prueba. "Nunca antes habíamos hecho eso; siempre habíamos ido a los bancos de carga. Puedes trazar una línea bastante clara desde el trabajo que estamos haciendo a 10 kilovatios hasta aproximadamente un megavatio. Un megavatio es bastante útil; puede alimentar de 500 a 1,000 hogares o reemplazar generadores diesel para aplicaciones remotas. Nuestros socios de la industria están apuntando a sistemas de 1 a 5 megavatios".

Rapp trabaja principalmente en refinar otros CO supercríticos2 Equipo de ciclo Brayton, pero durante la prueba tenía el control del calentamiento del CO supercrítico2 antes de que llegara a la turbina y operara el recuperador. Fleming se centró en controlar y monitorear la turbina y el generador.

Habiendo completado con éxito esta prueba, el equipo trabajará en la modificación del sistema para que pueda operar a temperaturas más altas, 1,000 grados Fahrenheit y más, y así producir energía con mayores eficiencias, dijeron Fleming y Rapp. En 2023, planean trabajar para que dos generadores de turbina-alternador funcionen en una configuración de recompresión en el mismo sistema, lo que es aún más eficiente. El objetivo del equipo es demostrar un CO supercrítico de 1 megavatio2 Sistema de ciclo Brayton para el otoño de 2024. A lo largo de este proceso, esperan probar ocasionalmente el sistema suministrando electricidad a la red, siempre que obtengan la aprobación de los operadores de la red para hacerlo.

"Para aplicaciones comerciales reales, sabemos que necesitamos maquinaria turbo más grande, electrónica de potencia, rodamientos más grandes y sellos que funcionen para CO supercrítico.2, ciclos cerrados de Brayton", dijo Fleming. "Hay todas estas cosas diferentes que deben hacerse para reducir el riesgo del sistema, y estamos trabajando en ellas ahora. En 2023 lo pondremos todo junto en un bucle de recompresión y luego lo llevaremos a una potencia de salida aún mayor, y ahí es cuando la industria comercial puede tomarlo desde allí".

Este trabajo es apoyado por el programa de Energía Eléctrica Transformacional Supercrítica del Departamento de Energía. Los colaboradores de Barber-Nichols ayudaron a obtener las especificaciones para la electrónica de potencia avanzada.

Sandia National Laboratories

Sandia National Laboratories es un laboratorio multimisión operado por National Technology and Engineering Solutions of Sandia LLC, una subsidiaria de propiedad total de Honeywell International Inc., para la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del Departamento de Energía de los Estados Unidos.

Sandia Labs tiene importantes responsabilidades de investigación y desarrollo en disuasión nuclear, seguridad global, defensa, tecnologías energéticas y competitividad económica, con instalaciones principales en Albuquerque, Nuevo México, y Livermore, California.

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