Pela primeira vez, pesquisadores do Sandia National Laboratories forneceram eletricidade produzida por um novo sistema de geração de energia para a rede elétrica da Base Aérea de Sandia-Kirtland.
O sistema usa dióxido de carbono supercrítico aquecido em vez de vapor para gerar eletricidade e é baseado em um ciclo de Brayton de circuito fechado. O ciclo Brayton é nomeado após o engenheiro do século 19 George Brayton, que desenvolveu este método de usar fluido quente e pressurizado para girar uma turbina, bem como um motor a jato.

O dióxido de carbono supercrítico é um material não tóxico e estável que está sob tanta pressão que age como um líquido e um gás. Esse dióxido de carbono, que permanece dentro do sistema e não é liberado como gás de efeito estufa, pode ficar muito mais quente que o vapor – 1.290 graus Fahrenheit ou 700 graus Celsius. Parcialmente por causa desse calor, o ciclo Brayton tem o potencial de ser muito mais eficiente em transformar o calor de usinas de energia – nuclear, gás natural ou mesmo solar concentrado – em energia do que o tradicional ciclo Rankine baseado em vapor. Como muita energia é perdida transformando vapor de volta em água no ciclo Rankine, no máximo um terço da energia do vapor pode ser convertida em eletricidade. Em comparação, o ciclo Brayton tem uma eficiência de conversão teórica superior a 50%.

"Estamos nos esforçando para chegar aqui há vários anos, e poder demonstrar que podemos conectar nosso sistema por meio de um dispositivo comercial à rede é a primeira ponte para a geração de eletricidade mais eficiente", disse Rodney Keith, gerente para o grupo de conceitos avançados que trabalha na tecnologia do ciclo Brayton. "Talvez seja apenas uma ponte flutuante, mas é definitivamente uma ponte. Pode não parecer super significativo, mas foi um caminho e tanto para chegar aqui. Agora que podemos atravessar o rio, podemos avançar muito mais."

Obter energia para a rede

Em 12 de abril, a equipe de engenharia da Sandia esquentou seu CO₂ supercrítico sistema a 600 graus Fahrenheit e forneceu energia à rede por quase uma hora, às vezes produzindo até 10 quilowatts. Dez quilowatts não é muita eletricidade, uma casa média usa 30 quilowatts-hora por dia, mas é um passo significativo. Durante anos, a equipe despejou a eletricidade produzida por seus testes em um banco de carga resistivo semelhante a uma torradeira, disse Darryn Fleming, pesquisador principal do projeto.

"Iniciamos com sucesso nossa turbina-alternador-compressor em um simples CO₂ supercrítico Brayton deu três ciclos e teve três desligamentos controlados, e injetamos energia na rede Sandia-Kirtland de forma constante por 50 minutos", disse Fleming. "A coisa mais importante sobre este teste é que conseguimos que Sandia concordasse em assumir a energia. Levamos muito tempo para obter os dados necessários para nos conectarmos à rede. Qualquer pessoa que controla uma rede elétrica é muito cautelosa com o que você sincroniza com sua rede, porque você pode interromper a rede. Você pode operar esses sistemas o dia todo e despejar a energia em bancos de carga, mas colocar um pouco de energia na rede é um passo importante."

Em um ciclo simples de Brayton de malha fechada, o CO₂ supercrítico é aquecido por um trocador de calor. Em seguida, a energia é extraída do CO₂ em uma turbina. Após o CO₂ sai da turbina, é resfriado em um recuperador antes de entrar em um compressor. O compressor obtém o CO₂ supercrítico até a pressão necessária antes de encontrar o calor residual no recuperador e retornar ao aquecedor para continuar o ciclo. O recuperador melhora a eficiência geral do sistema.

Para este teste, os engenheiros aqueceram o CO₂ usando um aquecedor elétrico, bastante semelhante a um aquecedor de água doméstico. No futuro, esse calor pode vir de combustível nuclear, queima de combustíveis fósseis ou até mesmo luz solar altamente concentrada.

Importância da eletrônica de potência avançada

No outono de 2019, Fleming começou a explorar como o CO₂ supercrítico de circuito fechado de Sandia O loop de teste de ciclo Brayton pode ser conectado à rede. Especificamente, ele estava procurando por sistemas avançados de controle eletrônico de potência que pudessem regular o fornecimento de eletricidade para a rede. A equipe então encontrou a KEB America, que produz eletrônica de potência avançada para elevadores que podem ser adaptados para esta aplicação.

Os elevadores usam eletricidade para elevar o carro do elevador até o último andar do edifício, e alguns elevadores convertem a energia potencial armazenada no carro levantado de volta em eletricidade para a rede à medida que o carro é abaixado para outro andar. Esses elevadores usam equipamentos muito semelhantes aos usados ​​no circuito de teste do ciclo Brayton, chamado rotor de ímã permanente, para converter essa energia, disse Fleming. Essa semelhança permitiu que a equipe da Sandia adaptasse a eletrônica de potência comercial de prateleira de uma empresa de peças de elevador para controlar a alimentação de energia de seu circuito de teste na rede.

"A conquista aqui foi acoplar o sistema com a eletrônica de potência avançada e sincronizá-lo com a rede", disse Logan Rapp, engenheiro mecânico da Sandia que esteve envolvido no teste. "Nós nunca fizemos isso antes; sempre fomos para os bancos de carga. Você pode traçar uma linha bastante clara do trabalho que estamos fazendo em 10 quilowatts a cerca de um megawatt. Um megawatt é bastante útil; pode alimentar 500 -1.000 residências ou substituir geradores a diesel para aplicações remotas. Nossos parceiros do setor estão visando sistemas de 1 a 5 megawatts."

O Rapp trabalha principalmente no refinamento de outros CO₂ supercríticos Equipamento do ciclo Brayton, mas durante o teste ele estava no controle do aquecimento do CO₂ supercrítico antes de atingir a turbina e operar o recuperador. Fleming concentrou-se no controle e monitoramento da turbina e do gerador.

Tendo concluído com sucesso este teste, a equipe trabalhará na modificação do sistema para que ele possa operar em temperaturas mais altas, 1.000 graus Fahrenheit e acima, e assim produzir energia com maior eficiência, disseram Fleming e Rapp. Em 2023, eles planejam trabalhar para colocar dois geradores de turbina-alternador operando em uma configuração de recompressão no mesmo sistema, o que é ainda mais eficiente. O objetivo da equipe é demonstrar um CO₂ supercrítico de 1 megawatt Sistema de ciclo Brayton até o outono de 2024. Ao longo deste processo, eles esperam testar ocasionalmente o sistema fornecendo eletricidade à rede, desde que obtenham aprovação dos operadores da rede para fazê-lo.

"Para aplicações comerciais reais, sabemos que precisamos de máquinas turbo maiores, eletrônica de potência, rolamentos e vedações maiores que funcionem para CO₂ supercrítico , ciclos de Brayton fechados", disse Fleming. "Há todas essas coisas diferentes que precisam ser feitas para reduzir o risco do sistema, e estamos trabalhando nisso agora. Em 2023, estaremos reunindo tudo em um loop de recompressão e, em seguida, levaremos a uma potência ainda maior, e é aí que a indústria comercial pode começar a partir daí." + Explore mais

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