“Tenemos el poder”: la prueba de tecnología de Sandia suministra electricidad a la red

Este dióxido de carbono, que permanece dentro del sistema y no se libera como gas de efecto invernadero, puede calentarse mucho más que el vapor: 1290 grados Fahrenheit o 700 Celsius.

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La primera prueba de la tecnología de vanguardia del ciclo Brayton puso energía en la red local

ALBUQUERQUE, Nuevo México — Por primera vez, los investigadores de Sandia National Laboratories suministraron electricidad producida por un nuevo sistema de generación de energía a la red eléctrica de la Base de la Fuerza Aérea Sandia-Kirtland.

Logan Rapp (izquierda) y Darryn Fleming, ingenieros mecánicos de Sandia National Laboratories, junto al sistema de control del circuito de prueba del ciclo Brayton de dióxido de carbono supercrítico. A principios de este año, los ingenieros suministraron por primera vez a la red la electricidad producida por este sistema. (Foto de Bret Latter)

El sistema utiliza dióxido de carbono supercrítico calentado en lugar de vapor para generar electricidad y se basa en un ciclo Brayton de circuito cerrado. El ciclo Brayton lleva el nombre del ingeniero del siglo XIX George Brayton, quien desarrolló este método de utilizar fluido presurizado caliente para hacer girar una turbina, muy parecida a un motor a reacción.

El dióxido de carbono supercrítico es un material estable y no tóxico que está bajo tanta presión que actúa como líquido y como gas. Este dióxido de carbono, que permanece dentro del sistema y no se libera como gas de efecto invernadero, puede calentarse mucho más que el vapor: 1290 grados Fahrenheit o 700 Celsius. En parte debido a este calor, el ciclo de Brayton tiene el potencial de ser mucho más eficiente a la hora de convertir el calor de las centrales eléctricas (nucleares, de gas natural o incluso de energía solar concentrada) en energía que el tradicional ciclo de Rankine basado en vapor. Debido a que se pierde tanta energía al convertir el vapor en agua en el ciclo de Rankine, como máximo un tercio de la energía del vapor se puede convertir en electricidad. En comparación, el ciclo Brayton tiene una eficiencia de conversión teórica superior al 50 por ciento.

"Hemos estado esforzándonos por llegar hasta aquí durante varios años, y poder demostrar que podemos conectar nuestro sistema a la red a través de un dispositivo comercial es el primer puente hacia una generación de electricidad más eficiente", dijo Rodney Keith, gerente. para el grupo de conceptos avanzados que trabaja en la tecnología del ciclo Brayton. “Tal vez sea sólo un puente de pontones, pero definitivamente es un puente. Puede que no suene muy significativo, pero fue todo un camino para llegar hasta aquí. Ahora que podemos cruzar el río, podemos hacer mucho más”.

Un diagrama del circuito de prueba de ciclo Brayton de circuito cerrado simple de Sandia National Laboratories. El fluido de trabajo que se comprime, calienta y expande para producir energía es dióxido de carbono supercrítico. El dióxido de carbono supercrítico es un material estable y no tóxico que está bajo tanta presión que actúa como líquido y como gas. (Gráfico cortesía de Sandia National Laboratories)

El 12 de abril, el equipo de ingeniería de Sandia calentó su sistema de CO2 supercrítico a 600 grados Fahrenheit y proporcionó energía a la red durante casi una hora, produciendo en ocasiones hasta 10 kilovatios. Diez kilovatios no es mucha electricidad, un hogar medio utiliza 30 kilovatios hora al día, pero es un paso importante. Durante años, el equipo vertió la electricidad producida por sus pruebas en un banco de carga resistivo similar a una tostadora, dijo Darryn Fleming, investigador principal del proyecto.

"Pusimos en marcha con éxito nuestra turbina-alternador-compresor en un ciclo Brayton de CO2 supercrítico simple tres veces y tuvimos tres paradas controladas, e inyectamos energía en la red Sandia-Kirtland de manera constante durante 50 minutos", dijo Fleming. “Lo más importante de esta prueba es que logramos que Sandia aceptara tomar el poder. Nos llevó mucho tiempo obtener los datos necesarios para poder conectarnos a la red. Cualquier persona que controle una red eléctrica es muy cautelosa con lo que sincroniza con su red, porque podría interrumpir la red. Puedes operar estos sistemas todo el día y descargar la energía en bancos de carga, pero poner incluso un poco de energía en la red es un paso importante”.

En un ciclo Brayton simple de circuito cerrado, el CO2 supercrítico se calienta mediante un intercambiador de calor. Luego la energía se extrae del CO2 en una turbina. Después de que el CO2 sale de la turbina, se enfría en un recuperador antes de ingresar al compresor. El compresor eleva el CO2 supercrítico a la presión necesaria antes de que se encuentre con el calor residual en el recuperador y regrese al calentador para continuar el ciclo. El recuperador mejora la eficiencia general del sistema.

Para esta prueba, los ingenieros calentaron el CO2 usando un calentador eléctrico, bastante similar a un calentador de agua doméstico. En el futuro, este calor podría provenir del combustible nuclear, de la quema de combustibles fósiles o incluso de la luz solar altamente concentrada.

En el otoño de 2019, Fleming comenzó a explorar cómo el circuito de prueba del ciclo Brayton de CO2 supercrítico de circuito cerrado de Sandia podría conectarse a la red. Específicamente, buscaba sistemas avanzados de control electrónico de potencia que pudieran regular el suministro de electricidad a la red. Luego, el equipo encontró a KEB America, que produce electrónica de potencia avanzada para ascensores que podría adaptarse para esta aplicación.

Los ascensores utilizan electricidad para elevar la cabina del ascensor hasta el último piso del edificio, y algunos ascensores convierten la energía potencial almacenada en la cabina elevada nuevamente en electricidad para la red a medida que la cabina desciende a otro piso. Estos ascensores utilizan un equipo muy similar al utilizado en el circuito de prueba del ciclo Brayton, llamado rotor de imán permanente, para convertir esta energía, dijo Fleming. Esta similitud permitió al equipo de Sandia adaptar dispositivos electrónicos de potencia disponibles comercialmente de una empresa de repuestos para ascensores para controlar la alimentación de energía desde su circuito de prueba a la red.

"El logro aquí fue acoplar el sistema con la electrónica de potencia avanzada y sincronizarlo con la red", dijo Logan Rapp, un ingeniero mecánico de Sandia que participó en la prueba. “Nunca habíamos hecho eso antes; Siempre habíamos ido a los bancos de carga. Se puede trazar una línea bastante clara entre el trabajo que estamos haciendo con 10 kilovatios y aproximadamente un megavatio. Un megavatio es bastante útil; Puede alimentar entre 500 y 1.000 hogares o reemplazar generadores diésel para aplicaciones remotas. Nuestros socios de la industria apuntan a sistemas de 1 a 5 megavatios”.

Rapp trabaja principalmente en refinar otros equipos de ciclo Brayton de CO2 supercrítico, pero durante la prueba tuvo el control de calentar el CO2 supercrítico antes de que llegara a la turbina y operar el recuperador. Fleming se centró en controlar y monitorear la turbina y el generador.

Habiendo completado con éxito esta prueba, el equipo trabajará en la modificación del sistema para que pueda operar a temperaturas más altas, 1000 grados Fahrenheit y más, y así producir energía con mayor eficiencia, dijeron Fleming y Rapp. En 2023, planean trabajar para conseguir que dos generadores de turbina-alternador funcionen en una configuración de recompresión en el mismo sistema, lo que es aún más eficiente. El objetivo del equipo es demostrar un sistema de ciclo Brayton de CO2 supercrítico de 1 megavatio para el otoño de 2024. A lo largo de este proceso, esperan probar ocasionalmente el sistema suministrando electricidad a la red, siempre que obtengan la aprobación de los operadores de la red para hacerlo.

"Para aplicaciones comerciales reales, sabemos que necesitamos maquinaria turbo más grande, electrónica de potencia, cojinetes y sellos más grandes que funcionen para CO2 supercrítico, ciclos Brayton cerrados", dijo Fleming. “Hay muchas cosas diferentes que deben hacerse para eliminar riesgos del sistema, y ​​estamos trabajando en ellas ahora. En 2023, lo juntaremos todo en un circuito de recompresión y luego lo llevaremos a una producción de energía aún mayor, y ahí es cuando la industria comercial podrá continuar desde allí”.

Este trabajo cuenta con el apoyo del programa de Energía Eléctrica Transformacional Supercrítica del Departamento de Energía. Los colaboradores de Barber-Nichols ayudaron a obtener las especificaciones para la electrónica de potencia avanzada.

Noticias cortesía de Laboratorios Nacionales Sandia

Gráfico destacado cortesía de Sandia National Laboratories

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