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May 19, 2023

"Nous avons le pouvoir" - Sandia Technology Test fournit de l'électricité au réseau

Ce dioxyde de carbone, qui reste dans le système et n'est pas libéré sous forme de

Ce dioxyde de carbone, qui reste dans le système et n'est pas libéré sous forme de gaz à effet de serre, peut devenir beaucoup plus chaud que la vapeur - 1 290 degrés Fahrenheit ou 700 Celsius.

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Le premier test de la technologie de pointe du cycle de Brayton alimente le réseau local

ALBUQUERQUE, Nouveau-Mexique - Pour la première fois, les chercheurs des laboratoires nationaux de Sandia ont fourni de l'électricité produite par un nouveau système de production d'électricité au réseau électrique de la base aérienne de Sandia-Kirtland.

Logan Rapp (à gauche) et Darryn Fleming, ingénieurs en mécanique des Sandia National Laboratories, se tiennent debout avec le système de contrôle de la boucle de test du cycle de Brayton sur le dioxyde de carbone supercritique. Plus tôt cette année, les ingénieurs ont livré pour la première fois l'électricité produite par ce système au réseau. (Photo de Bret Latter)

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

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

« Nous nous efforçons d'arriver ici depuis plusieurs années, et être en mesure de démontrer que nous pouvons connecter notre système au réseau via un appareil commercial est le premier pont vers une production d'électricité plus efficace », a déclaré Rodney Keith, directeur pour le groupe de concepts avancés travaillant sur la technologie du cycle Brayton. "Peut-être que ce n'est qu'un pont flottant, mais c'est définitivement un pont. Cela peut ne pas sembler très important, mais c'était tout un chemin pour arriver ici. Maintenant que nous pouvons traverser la rivière, nous pouvons en faire beaucoup plus."

Un schéma de la boucle de test du cycle Brayton en boucle fermée simple de Sandia National Laboratories. Le fluide de travail comprimé, chauffé et détendu pour produire de l'énergie est le dioxyde de carbone supercritique. Le dioxyde de carbone supercritique est un matériau non toxique et stable qui est soumis à une telle pression qu'il agit à la fois comme un liquide et un gaz. (Graphique courtoisie Sandia National Laboratories)

Le 12 avril, l'équipe d'ingénierie de Sandia a chauffé son système de CO2 supercritique à 600 degrés Fahrenheit et a alimenté le réseau pendant près d'une heure, produisant parfois jusqu'à 10 kilowatts. Dix kilowatts, ce n'est pas beaucoup d'électricité, une maison moyenne consomme 30 kilowattheures par jour, mais c'est une étape importante. Pendant des années, l'équipe a déversé l'électricité produite par leurs tests dans une banque de charge résistive semblable à un grille-pain, a déclaré Darryn Fleming, le chercheur principal du projet.

"Nous avons démarré avec succès notre turbine-alternateur-compresseur dans un simple cycle de Brayton au CO2 supercritique à trois reprises et avons eu trois arrêts contrôlés, et nous avons injecté de l'énergie dans le réseau Sandia-Kirtland régulièrement pendant 50 minutes", a déclaré Fleming. "La chose la plus importante à propos de ce test est que nous avons obtenu que Sandia accepte de prendre le pouvoir. Il nous a fallu beaucoup de temps pour obtenir les données nécessaires pour nous permettre de nous connecter au réseau. Toute personne qui contrôle un réseau électrique est très prudente sur ce que vous synchronisez avec leur réseau, car vous pourriez perturber le réseau. Vous pouvez faire fonctionner ces systèmes toute la journée et déverser l'énergie dans des bancs de charge, mais mettre ne serait-ce qu'un peu d'énergie sur le réseau est une étape importante.

Dans un simple cycle de Brayton en boucle fermée, le CO2 supercritique est chauffé par un échangeur de chaleur. Ensuite, l'énergie est extraite du CO2 dans une turbine. Une fois le CO2 sorti de la turbine, il est refroidi dans un récupérateur avant d'entrer dans un compresseur. Le compresseur amène le CO2 supercritique à la pression nécessaire avant qu'il ne rencontre la chaleur perdue dans le récupérateur et retourne au réchauffeur pour continuer le cycle. Le récupérateur améliore l'efficacité globale du système.

Pour ce test, les ingénieurs ont chauffé le CO2 à l'aide d'un radiateur électrique, assez similaire à un chauffe-eau domestique. À l'avenir, cette chaleur pourrait provenir du combustible nucléaire, de la combustion de combustibles fossiles ou même de la lumière solaire très concentrée.

À l'automne 2019, Fleming a commencé à explorer comment la boucle de test du cycle CO2 Brayton supercritique en boucle fermée de Sandia pourrait être connectée au réseau. Plus précisément, il recherchait des systèmes de contrôle électronique de puissance avancés capables de réguler l'alimentation en électricité du réseau. L'équipe a ensuite trouvé KEB America qui produit de l'électronique de puissance avancée pour les ascenseurs qui pourrait être adaptée à cette application.

Les ascenseurs utilisent l'électricité pour soulever la cabine d'ascenseur jusqu'au dernier étage du bâtiment, et certains ascenseurs convertissent l'énergie potentielle stockée dans la cabine soulevée en électricité pour le réseau lorsque la cabine est abaissée à un autre étage. Ces ascenseurs utilisent un équipement très similaire à celui utilisé dans la boucle de test du cycle de Brayton, appelé rotor à aimant permanent, pour convertir cette énergie, a déclaré Fleming. Cette similitude a permis à l'équipe de Sandia d'adapter l'électronique de puissance standard d'une société de pièces d'ascenseurs pour contrôler l'alimentation électrique de leur boucle de test dans le réseau.

"La réussite ici consistait à coupler le système avec l'électronique de puissance avancée et à le synchroniser avec le réseau", a déclaré Logan Rapp, un ingénieur en mécanique de Sandia qui a participé au test. "Nous n'avons jamais fait cela auparavant ; nous étions toujours allés aux bancs de charge. Vous pouvez tracer une ligne assez claire du travail que nous faisons à 10 kilowatts à environ un mégawatt. Un mégawatt est assez utile ; il peut alimenter 500 -1 000 foyers ou remplacer les générateurs diesel pour les applications à distance. Nos partenaires industriels ciblent les systèmes de 1 à 5 mégawatts.

Rapp travaille principalement sur le raffinage d'autres équipements du cycle de Brayton au CO2 supercritique, mais pendant le test, il contrôlait le chauffage du CO2 supercritique avant qu'il n'atteigne la turbine et le fonctionnement du récupérateur. Fleming s'est concentré sur le contrôle et la surveillance de la turbine et du générateur.

Après avoir réussi ce test, l'équipe travaillera à la modification du système afin qu'il puisse fonctionner à des températures plus élevées, 1 000 degrés Fahrenheit et plus, et ainsi produire de l'énergie avec une plus grande efficacité, ont déclaré Fleming et Rapp. En 2023, ils prévoient de travailler à faire fonctionner deux turbo-alterno-alternateurs en configuration de recompression sur le même système, ce qui est encore plus efficace. L'objectif de l'équipe est de faire la démonstration d'un système de cycle Brayton au CO2 supercritique de 1 mégawatt d'ici l'automne 2024. Tout au long de ce processus, ils espèrent tester occasionnellement le système en fournissant de l'électricité au réseau, à condition d'obtenir l'approbation des opérateurs de réseau pour le faire.

"Pour les applications commerciales réelles, nous savons que nous avons besoin de machines turbo plus grandes, d'électronique de puissance, de roulements et de joints plus grands qui fonctionnent pour le CO2 supercritique, les cycles de Brayton fermés", a déclaré Fleming. "Il y a toutes ces choses différentes qui doivent être faites pour réduire les risques du système, et nous y travaillons maintenant. En 2023, nous mettrons tout cela ensemble dans une boucle de recompression, puis nous l'amènerons même une puissance de sortie plus élevée, et c'est à ce moment-là que l'industrie commerciale peut s'en emparer."

Ce travail est soutenu par le programme Supercritical Transformational Electric Power du Department of Energy. Les collaborateurs de Barber-Nichols ont aidé à obtenir les spécifications de l'électronique de puissance avancée.

Nouvelles publiées avec l'aimable autorisation de Sandia National Laboratories

Graphique présenté avec l'aimable autorisation de Sandia National Laboratories

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