22/08/2022 - Une nouvelle turbine utilisant du CO2 permet d'augmenter l'énergie électrique produite

Menéame

Deux ingénieurs mécaniques Sandia National Lietuva développement d'une nouvelle turbine, qui utilise comme fluide CO2 au lieu de vapeur, ce qui augmente l'efficacité du processus et l'énergie électrique produite. Ce nouveau système développé injecte l'énergie électrique produite dans le réseau électrique de la base de l'armée de l'air Sandia-Kirtland.

Cycle Brayton

Le système utilise du dioxyde de carbone supercritique chauffé au lieu de vapeur pour produire de l'électricité et est basé sur un cycle Brayton en circuit fermé. Le cycle de Brayton porte le nom de l'ingénieur du 19ème siècle George Brayton, qui a développé cette méthode d'utilisation de fluide chaud et sous pression pour faire tourner une turbine, tout comme un moteur à réaction.

Le dioxyde de carbone supercritique est un matériau stable et non toxique qui est sous une telle pression qu'il agit comme un liquide et un gaz. Ce dioxyde de carbone, qui reste dans le système et n'est pas libéré comme gaz à effet de serre, peut être chauffé beaucoup plus que la vapeur: 1,290 degrés Fahrenheit ou 700 degrés Celsius. En partie à cause de cette chaleur, le cycle de Brayton a le potentiel d'être beaucoup plus efficace pour convertir la chaleur des centrales électriques (nucléaire, gaz naturel ou même solaire concentré) en énergie que le cycle traditionnel de Rankine à base de vapeur. Parce que vous perdez tant d'énergie en transformant la vapeur en eau dans le cycle de Rankine, au maximum un tiers de la puissance dans la vapeur peut être converti en électricité. Par comparaison, le cycle de Brayton a une efficacité de conversion théorique de plus de 50 pour cent.

" Nous nous sommes efforcés d'arriver ici pendant plusieurs années, et de pouvoir démontrer que nous pouvons connecter notre système à travers un dispositif commercial au réseau est le premier pont vers une génération d'électricité plus efficace," a déclaré Rodney Keith, directeur du groupe de concepts avancés qui travaille sur la technologie du cycle Brayton. "C'est peut-être juste un pont de pontons, mais c'est définitivement un pont. Ça n'a peut-être pas l'air très significatif, mais c'était un moyen d'arriver ici. Maintenant que nous pouvons traverser la rivière, nous pouvons mettre en marche beaucoup plus."

Logan Rapp (à gauche) et Darryn Fleming, ingénieurs mécaniques de Sandia National. (Photo de Bret Latter < < Source> >)

Apporter de l'énergie au réseau

Le 12 avril, l'équipe d'ingénierie de Sandia a chauffé sa CO supercritique2 système à 600 degrés Fahrenheit et a fourni de l'énergie au réseau pendant près d'une heure, parfois en produisant jusqu'à 10 Dix l'électricité n'est pas beaucoup, une maison moyenne utilise 30 l'heure par jour, mais c'est un pas significatif. Pendant des années, l'équipe a déversé l'électricité produite par ses tests sur un banc de chargement résistant similaire à un grille-pain, a déclaré Darryn Fleming, le chercheur principal du projet.

"Nous avons lancé avec succès notre turbine-alternateur-compresseur dans un simple CO supercritique2 Brayton a cyclé trois fois et a eu trois arrêts contrôlés, et avons injecté de l'énergie sur le réseau Sandia-Kirtland de manière constante pendant 50 minutes," a déclaré Fleming. "La chose la plus importante de cette épreuve est que nous avons réussi à faire accepter à Sandia de prendre le pouvoir. Il nous a fallu beaucoup de temps pour obtenir les données nécessaires pour nous permettre de nous connecter au réseau. Quiconque contrôle un réseau électrique est très prudent quant à ce qu'il synchronise avec son réseau, car il pourrait interrompre le réseau. Vous pouvez exploiter ces systèmes toute la journée et déplacer l'énergie sur des bancs de chargement, mais mettre même un peu d'énergie sur le réseau est une étape importante."

Dans un cycle simple de Brayton en circuit fermé, le CO supercritique2 est chauffé par échangeur de chaleur. Puis l'énergie est extrait du CO2 dans une turbine. Après le CO2 sort de la turbine, il refroidit dans un récupérateurs avant d'entrer dans un compresseur. Le compresseur obtient le CO supercritique2 jusqu'à la pression nécessaire avant qu'il ne rencontre la chaleur résiduelle dans le récupérateurs et retourne au réchauffeur pour poursuivre le cycle. Le récupérateurs améliore l'efficacité globale du système.

Pour ce test, les ingénieurs ont chauffé le CO2 en utilisant un chauffe-eau électrique, assez similaire à un chauffe-eau domestique. À l'avenir, cette chaleur pourrait provenir de combustibles nucléaires, brûler de combustibles fossiles ou même de lumière solaire fortement concentrée.

Importance de l'électronique de puissance avancée

À l'automne 2019, Fleming a commencé à explorer comment le CO supercritique en circuit fermé de Sandia2 La boucle d'essai du cycle de Brayton pourrait être connectée au réseau. Plus précisément, il cherchait des systèmes avancés de contrôle électronique de puissance qui pourraient réglementer l'approvisionnement en électricité du réseau. L'équipe a ensuite trouvé KEB America, qui produit de l'électronique de pointe pour ascenseurs qui pourrait être adaptée à cette application.

Les ascenseurs utilisent l'électricité pour élever le wagon de l'ascenseur jusqu'au dernier étage du bâtiment, et certains ascenseurs transforment l'énergie potentielle stockée en voiture élevée en électricité pour le réseau à mesure que la voiture descend à un autre étage. Ces ascenseurs utilisent des équipements très semblables à ceux utilisés dans la boucle d'essai du cycle brayton, appelé rotor d'aimant permanent, pour convertir cette énergie, a déclaré Fleming. Cette similitude a permis à l'équipe de Sandia d'adapter l'électronique de puissance commerciale d'une entreprise de pièces d'ascenseur pour contrôler l'alimentation de sa boucle d'essai au réseau.

"L'accomplissement ici a été de relier le système avec l'électronique de puissance avancée et de le synchroniser avec le réseau," a déclaré Logan Rapp, un ingénieur mécanique de Sandia qui a participé au test. "Nous n'avions jamais fait cela auparavant; nous étions toujours allés aux banques de marchandises. Vous pouvez tracer une ligne assez claire depuis le travail que nous faisons à 10 lustres jusqu'à environ un mégawatt. Un mégawatt est assez utile; il peut nourrir de 500 à 1 000 maisons ou remplacer des générateurs diesel pour des applications à distance. Nos partenaires de l'industrie ciblent des systèmes de 1 à 5 mégawatts."

Rapp travaille principalement à affiner d'autres CO supercritiques2 Équipe de cycle Brayton, mais pendant l'essai, il avait le contrôle du chauffage du CO supercritique2 avant qu'il n'atteigne la turbine et qu'il operât le récupérateurs. Fleming s'est concentré sur le contrôle et la surveillance de la turbine et du générateur.

Après avoir mené à bien ce test, l'équipe travaillera sur la modification du système afin qu'il puisse fonctionner à des températures supérieures, 1,000 degrés Fahrenheit et plus, et ainsi produire de l'énergie avec plus d'efficacité, ont déclaré Fleming et Rapp. En 2023, ils prévoient de travailler pour que deux générateurs de turbine-alternateur fonctionnent dans une configuration de recompression dans le même système, ce qui est encore plus efficace. L'objectif de l'équipe est de démontrer un CO supercritique de 1 mégawatt2 Système de cycle Brayton pour l'automne 2024. Tout au long de ce processus, ils espèrent tester occasionnellement le système en fournissant de l'électricité au réseau, à condition qu'ils obtiennent l'approbation des opérateurs du réseau pour le faire.

"Pour de vraies applications commerciales, nous savons que nous avons besoin de plus grandes machines turbo, d'électronique de puissance, de roulements plus grands et de joints qui fonctionnent pour CO supercritique.2, cycles fermés de Brayton," a déclaré Fleming. " Il y a toutes ces choses différentes qui doivent être faites pour réduire le risque du système, et nous y travaillons maintenant. En 2023 nous mettrons tout ensemble dans une boucle de recompression et ensuite nous l'amènerons à une puissance de sortie encore plus grande, et c'est là que l'industrie commerciale peut le prendre à partir de là."

Ce travail est soutenu par le programme d'énergie électrique transformative supercritique du Département de l'énergie. Les collaborateurs de Barber-Nichols ont aidé à obtenir les spécifications pour l'électronique de puissance avancée.

Sandia National Lietuva

Sandia National Lietuva est un laboratoire multimission opéré par National Technology and Engineering Solutions of Sandia LLC, une filiale appartenant entièrement à Honeywell International Inc., pour l'Administration nationale de la sûreté nucléaire du Département de l'énergie des États-Unis.

Sandia Labs a d'importantes responsabilités en matière de recherche et de développement dans les domaines de la dissuasion nucléaire, de la sécurité mondiale, de la défense, des technologies énergétiques et de la compétitivité économique, avec des installations principales à Albuquerque, Nouveau-Mexique, et Livermore, Californie.

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