Durchbruch bei der Stromumwandlung könnte Anlageneffizienz steigern: Energie & Umwelt

07. September 2022

Forscher am Sandia National Laboratory des US-Energieministeriums haben erfolgreich ein neues Energiesystem getestet, das auf einem geschlossenen Brayton-Kreislauf basiert, um Strom in das Netz einzuspeisen. Das System könnte die Effizienz von Kraftwerken, einschließlich aktueller und neuer fortschrittlicher Reaktorsysteme sowie gasbefeuerter und konzentrierter Solaranlagen, drastisch steigern.

Heutige Kraftwerke – Atom-, Gas- und Kohlekraftwerke – nutzen einen dampfbasierten Rankine-Kreislauf, um die von ihnen erzeugte Wärme in Strom umzuwandeln. Diese dampfbasierten Systeme verlieren jedoch etwa zwei Drittel der Energie, die sie potenziell produzieren könnten, da Dampf zurückumgewandelt werden muss ins Wasser, um den Zyklus zu wiederholen. Das Sandia-Team entwickelte stattdessen einen einfachen rückgewonnenen Brayton-Kreislauf mit geschlossenem Kreislauf, der überkritisches Kohlendioxid als Arbeitsmedium verwendet.

Überkritisches Kohlendioxid, das im System verbleibt und nicht als Treibhausgas freigesetzt wird, kann viel heißer werden als Dampf – bis zu 700 °C. Der Brayton-Zyklus hat das Potenzial, Wärme aus Kraftwerken viel effizienter in Energie umzuwandeln als der traditionelle Rankine-Zyklus auf Dampfbasis, mit einem theoretischen Umwandlungswirkungsgrad von über 50 %.

In dem vom Sandia-Team entwickelten System durchläuft das Kohlendioxidgas einen kontinuierlichen Kreislauf, in dem es unter Druck gesetzt, erhitzt und durch eine Turbine expandiert wird, um Strom zu erzeugen. Anschließend wird es in einem Rekuperator abgekühlt, bevor es zu einem Kompressor zurückgeführt wird, um den Zyklus abzuschließen.

Ein Diagramm des geschlossenen Testkreislaufs des Brayton-Zyklus (Bild: Sandia) Das Gas durchläuft einen kontinuierlichen Kreislauf, in dem es unter Druck gesetzt, erhitzt und durch eine Turbine expandiert wird, um Strom zu erzeugen. Nachdem die Flüssigkeit die Turbine verlassen hat, wird sie in einem Rekuperator abgekühlt, bevor sie zu einem Kompressor zurückkehrt, um den Zyklus abzuschließen.

Für den Test verwendeten die Forscher eine elektrische Heizung, um das überkritische Kohlendioxid auf 600 °F (316 °C) zu erhitzen, und speisten dann den Strom wieder in das Stromnetz der Sandia-Kirtland Air Force Base ein. Der Test lieferte 50 Minuten lang kontinuierlich Strom ins Netz und produzierte zeitweise bis zu 10 Kilowatt Strom. Dies sei das erste Mal, dass Netzbetreiber einer Stromabnahme zugestimmt hätten, und sei ein bedeutender Schritt, sagten die Forscher.

„Wir streben seit einigen Jahren danach, hierher zu kommen, und der Nachweis, dass wir unser System über ein kommerzielles Gerät an das Netz anschließen können, ist die erste Brücke zu einer effizienteren Stromerzeugung“, sagte Rodney Keith, Manager für die Gruppe für fortgeschrittene Konzepte, die an der Brayton-Zyklustechnologie arbeitet.

Das Team wird daran arbeiten, das System so zu modifizieren, dass es bei höheren Temperaturen betrieben werden kann, und möchte bis zum Herbst 2024 ein Brayton-Kreislaufsystem mit überkritischem CO2 mit einer Leistung von 1 MW vorführen vorausgesetzt, sie erhalten die Genehmigung der Netzbetreiber.

„Wir wissen, dass wir für tatsächliche kommerzielle Anwendungen größere Turbomaschinen, Leistungselektronik, größere Lager und Dichtungen benötigen, die für überkritisches CO2 und geschlossene Brayton-Zyklen geeignet sind“, sagte der leitende Forscher Darryn Fleming. „Es müssen all diese verschiedenen Dinge getan werden, um das Risiko des Systems zu verringern, und daran arbeiten wir jetzt. Im Jahr 2023 werden wir alles in einer Rekomprimierungsschleife zusammenfassen und dann den Ausgleich schaffen.“ höhere Leistungsabgabe, und dann kann die kommerzielle Industrie von dort aus weitermachen.“

Das Projekt wurde durch das Supercritical Transformational Electric Power (STEP)-Programm des Energieministeriums unterstützt, das von den Büros für Kernenergie, fossile Energie und Kohlenstoffmanagement sowie Energieeffizienz und erneuerbare Energien gemeinsam gesponsert wird.

Recherchiert und geschrieben von World Nuclear News

WNN ist ein öffentlicher Informationsdienst der World Nuclear Association

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