„Wir haben die Macht“ – Sandia-Technologietest liefert Strom ins Netz

Dieses Kohlendioxid, das im System verbleibt und nicht als Treibhausgas freigesetzt wird, kann viel heißer werden als Dampf – 1.290 Grad Fahrenheit oder 700 Grad Celsius.

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Erster Test der hochmodernen Brayton-Cycle-Technologie zur Einspeisung von Strom in das lokale Stromnetz

ALBUQUERQUE, New Mexico – Zum ersten Mal lieferten Forscher der Sandia National Laboratories Strom, der von einem neuen Stromerzeugungssystem erzeugt wurde, an das Stromnetz der Sandia-Kirtland Air Force Base.

Logan Rapp (links) und Darryn Fleming, Maschinenbauingenieure der Sandia National Laboratories, stehen am Steuerungssystem für die Testschleife des Brayton-Zyklus für überkritisches Kohlendioxid. Anfang des Jahres haben die Ingenieure erstmals den mit dieser Anlage erzeugten Strom ins Netz eingespeist. (Foto von Bret Latter)

Das System nutzt erhitztes überkritisches Kohlendioxid anstelle von Dampf zur Stromerzeugung und basiert auf einem geschlossenen Brayton-Kreislauf. Der Brayton-Zyklus ist nach dem Ingenieur George Brayton aus dem 19. Jahrhundert benannt, der diese Methode entwickelte, bei der heiße, unter Druck stehende Flüssigkeit zum Drehen einer Turbine verwendet wird, ähnlich wie bei einem Düsentriebwerk.

Überkritisches Kohlendioxid ist ein ungiftiges, stabiles Material, das unter so hohem Druck steht, dass es sowohl wie eine Flüssigkeit als auch wie ein Gas wirkt. Dieses Kohlendioxid, das im System verbleibt und nicht als Treibhausgas freigesetzt wird, kann viel heißer werden als Dampf – 1.290 Grad Fahrenheit oder 700 Grad Celsius. Teilweise aufgrund dieser Wärme hat der Brayton-Zyklus das Potenzial, Wärme aus Kraftwerken – Kernkraft, Erdgas oder sogar konzentrierte Solarenergie – viel effizienter in Energie umzuwandeln als der traditionelle Rankine-Zyklus auf Dampfbasis. Da im Rankine-Zyklus bei der Rückverwandlung von Dampf in Wasser so viel Energie verloren geht, kann höchstens ein Drittel der im Dampf enthaltenen Energie in Elektrizität umgewandelt werden. Im Vergleich dazu hat der Brayton-Zyklus einen theoretischen Umwandlungswirkungsgrad von über 50 Prozent.

„Wir streben schon seit einigen Jahren danach, dieses Ziel zu erreichen, 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. „Vielleicht ist es nur eine Pontonbrücke, aber es ist definitiv eine Brücke. Es klingt vielleicht nicht besonders bedeutsam, aber es war ein ziemlich langer Weg, um hierher zu gelangen. Jetzt, wo wir den Fluss überqueren können, können wir viel mehr in Gang bringen.“

Ein Diagramm der einfachen Brayton-Zyklus-Testschleife mit geschlossenem Regelkreis der Sandia National Laboratories. Das Arbeitsmedium, das zur Stromerzeugung komprimiert, erhitzt und expandiert wird, ist überkritisches Kohlendioxid. Überkritisches Kohlendioxid ist ein ungiftiges, stabiles Material, das unter so hohem Druck steht, dass es sowohl wie eine Flüssigkeit als auch wie ein Gas wirkt. (Grafik mit freundlicher Genehmigung von Sandia National Laboratories)

Am 12. April heizte das Sandia-Ingenieurteam sein überkritisches CO2-System auf 600 Grad Fahrenheit auf und versorgte das Netz fast eine Stunde lang mit Strom, wobei zeitweise bis zu 10 Kilowatt erzeugt wurden. Zehn Kilowatt sind nicht viel Strom, ein durchschnittlicher Haushalt verbraucht 30 Kilowattstunden pro Tag, aber es ist ein bedeutender Schritt. Jahrelang habe das Team den durch seine Tests erzeugten Strom in eine toasterähnliche Widerstandslastbank geleitet, sagte Darryn Fleming, der leitende Forscher des Projekts.

„Wir haben unseren Turbine-Generator-Kompressor dreimal erfolgreich in einem einfachen Brayton-Zyklus mit überkritischem CO2 gestartet und drei kontrollierte Abschaltungen durchgeführt, und wir haben 50 Minuten lang kontinuierlich Strom in das Sandia-Kirtland-Netz eingespeist“, sagte Fleming. „Das Wichtigste an diesem Test ist, dass wir Sandia dazu gebracht haben, der Machtübernahme zuzustimmen. Es hat lange gedauert, bis wir die Daten hatten, die wir für den Anschluss an das Stromnetz benötigten. Jede Person, die ein Stromnetz steuert, ist sehr vorsichtig, was die Synchronisierung mit ihrem Stromnetz angeht, da dies zu Störungen im Stromnetz führen könnte. Man kann diese Systeme den ganzen Tag lang betreiben und den Strom in Lastbänke einspeisen, aber auch nur ein wenig Strom ins Netz zu bringen, ist ein wichtiger Schritt.“

In einem einfachen geschlossenen Brayton-Kreislauf wird das überkritische CO2 durch einen Wärmetauscher erhitzt. Anschließend wird dem CO2 in einer Turbine die Energie entzogen. Nachdem das CO2 die Turbine verlassen hat, wird es in einem Rekuperator gekühlt, bevor es in einen Kompressor gelangt. Der Kompressor bringt das überkritische CO2 auf den erforderlichen Druck, bevor es im Rekuperator auf die Abwärme trifft und zum Erhitzer zurückkehrt, um den Zyklus fortzusetzen. Der Rekuperator verbessert die Gesamteffizienz des Systems.

Für diesen Test erhitzten die Ingenieure das CO2 mithilfe einer elektrischen Heizung, die einem Warmwasserbereiter in Privathaushalten ziemlich ähnlich ist. In Zukunft könnte diese Wärme aus Kernbrennstoffen, der Verbrennung fossiler Brennstoffe oder sogar hochkonzentriertem Sonnenlicht stammen.

Im Herbst 2019 begann Fleming mit der Erforschung, wie Sandias Testschleife für den Brayton-Zyklus mit geschlossenem überkritischem CO2 an das Netz angeschlossen werden könnte. Konkret suchte er nach fortschrittlichen leistungselektronischen Steuerungssystemen, die die Einspeisung von Strom in das Netz regulieren könnten. Anschließend fand das Team KEB America, das fortschrittliche Leistungselektronik für Aufzüge herstellt, die für diese Anwendung angepasst werden könnte.

Aufzüge nutzen Elektrizität, um die Aufzugskabine in die oberste Etage des Gebäudes zu heben, und einige Aufzüge wandeln die in der angehobenen Kabine gespeicherte potenzielle Energie wieder in Strom für das Netz um, wenn die Kabine in eine andere Etage abgesenkt wird. Diese Aufzüge verwenden zur Umwandlung dieser Energie eine Ausrüstung, die der in der Testschleife des Brayton-Zyklus verwendeten sehr ähnlich ist, einen sogenannten Permanentmagnetrotor, sagte Fleming. Diese Ähnlichkeit ermöglichte es dem Sandia-Team, handelsübliche Leistungselektronik eines Aufzugsteileherstellers anzupassen, um die Einspeisung von Strom aus seiner Testschleife in das Netz zu steuern.

„Die Errungenschaft bestand darin, das System mit der fortschrittlichen Leistungselektronik zu koppeln und es mit dem Netz zu synchronisieren“, sagte Logan Rapp, ein Maschinenbauingenieur aus Sandia, der an dem Test beteiligt war. „Das haben wir noch nie gemacht; Wir waren immer zu den Ladebänken gegangen. Man kann eine ziemlich klare Linie von der Arbeit, die wir leisten, bei 10 Kilowatt bis etwa einem Megawatt ziehen. Ein Megawatt ist ziemlich nützlich; Es kann 500–1.000 Haushalte mit Strom versorgen oder Dieselgeneratoren für abgelegene Anwendungen ersetzen. Unsere Industriepartner streben Anlagen mit einer Leistung von 1 bis 5 Megawatt an.“

Rapp arbeitet hauptsächlich an der Verfeinerung anderer Brayton-Zyklusanlagen für überkritisches CO2, aber während des Tests hatte er die Kontrolle über die Erwärmung des überkritischen CO2, bevor es die Turbine erreichte, und den Betrieb des Rekuperators. Fleming konzentrierte sich auf die Steuerung und Überwachung der Turbine und des Generators.

Nach erfolgreichem Abschluss dieses Tests wird das Team daran arbeiten, das System so zu modifizieren, dass es bei höheren Temperaturen, 1.000 Grad Fahrenheit und mehr, betrieben werden kann und somit Strom mit größerer Effizienz erzeugt, sagten Fleming und Rapp. Im Jahr 2023 wollen sie daran arbeiten, zwei Turbinen-Generator-Generatoren in einer Rekompressionskonfiguration auf demselben System zu betreiben, was noch effizienter ist. Ziel des Teams ist es, bis Herbst 2024 ein überkritisches CO2-Brayton-Zyklussystem mit einer Leistung von 1 Megawatt zu demonstrieren. Während dieses Prozesses hoffen sie, das System gelegentlich durch die Einspeisung von Strom ins Netz zu testen, sofern sie dafür die Genehmigung der Netzbetreiber erhalten.

„Wir wissen, dass wir für tatsächliche kommerzielle Anwendungen größere Turbomaschinen, Leistungselektronik, größere Lager und Dichtungen benötigen, die für geschlossene Brayton-Zyklen mit überkritischem CO2 geeignet sind“, sagte 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 es dann auf eine noch höhere Leistungsabgabe bringen, und dann kann die kommerzielle Industrie es von dort aus weiterführen.“

Diese Arbeit wird vom Supercritical Transformational Electric Power-Programm des Energieministeriums unterstützt. Mitarbeiter von Barber-Nichols halfen bei der Erstellung der Spezifikationen für die fortschrittliche Leistungselektronik.

Nachrichten mit freundlicher Genehmigung der Sandia National Laboratories

Empfohlene Grafik mit freundlicher Genehmigung von Sandia National Laboratories

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