Исследователи Сандийской национальной лаборатории Министерства энергетики США успешно испытали новую энергетическую систему на основе замкнутого цикла Брейтона для подачи электроэнергии в сеть. Эта система может значительно повысить эффективность электростанций, включая существующие и новые передовые реакторные системы, а также газовые и концентрированные солнечные электростанции.
Современные электростанции - атомные, газовые и угольные - используют паровой цикл Ренкина для преобразования производимого тепла в электричество, но эти паровые системы теряют около двух третей энергии, которую они потенциально могли бы производить, поскольку пар должен быть преобразован обратно в воду для повторения цикла. Вместо этого команда Сандийской национальной лаборатории разработала простой рекуперированный замкнутый цикл Брейтона, в котором в качестве рабочей жидкости используется сверхкритический диоксид углерода.
Сверхкритический диоксид углерода, который остается внутри системы и не выделяется в качестве парникового газа, может нагреваться гораздо сильнее, чем пар - до 700°C. Цикл Брейтона потенциально может быть гораздо более эффективным при превращении тепла электростанций в энергию, чем традиционный паровой цикл Ренкина, с теоретической эффективностью преобразования до 50%.
В системе, разработанной командой Сандийской национальной лаборатории, углекислый газ проходит через непрерывный цикл, где он находится под давлением, нагревается и расширяется через турбину для выработки электроэнергии. Затем он охлаждается в рекуператоре, после чего возвращается в компрессор для завершения цикла.
Газ проходит через непрерывный цикл сжатия, нагрева и расширения через турбину для выработки электроэнергии. После выхода из турбины жидкость охлаждается в рекуператоре, а затем возвращается в компрессор для завершения цикла.
В ходе испытаний исследователи использовали электрический нагреватель для нагрева сверхкритического диоксида углерода до 600°F (316°C), а затем подавали электроэнергию в электрическую сеть базы ВВС Сандия-Киртланд. Испытание обеспечило непрерывную подачу энергии в сеть в течение 50 минут и в отдельные моменты вырабатывало до 10 киловатт электроэнергии. По словам исследователей, это первый случай, когда операторы электросетей согласились принять энергию, и это значительный шаг.
Инженеры-механики Сандийской национальной лаборатории Логан Рапп (слева) и Дэррин Флеминг с системой управления сверхкритическим циклом Брейтона на углекислом газе"Мы стремились к этому в течение нескольких лет, и возможность продемонстрировать, что мы можем подключить нашу систему через коммерческое устройство к сети - это первый шаг к более эффективному производству электроэнергии", - сказал Родни Кит, менеджер группы передовых концепций, работающей над технологией цикла Брейтона.
Далее команда будет работать над модификацией системы, чтобы она могла работать при более высоких температурах, и стремится продемонстрировать систему сверхкритического CO2-цикла Брейтона мощностью 1 МВт к осени 2024 года. На протяжении всего этого процесса они надеются время от времени тестировать систему, подавая электроэнергию в сеть, при условии, что они получат на это разрешение от операторов сети.
"Для реального коммерческого применения мы знаем, что нам нужны большие турбоагрегаты, электротехника, большие подшипники и уплотнения, которые работают для сверхкритического CO2, закрытых циклов Брейтона", - сказал ведущий исследователь Даррин Флеминг, - "Есть много разных вещей, которые необходимо сделать, чтобы снизить риски системы, и мы работаем над ними сейчас. В 2023 году мы соберем все это вместе в рекомпрессионный цикл, а затем доведем его до еще более высокой мощности, и тогда его сможет использовать широкая промышленность".
Проект был поддержан в рамках программы Министерства энергетики по сверхкритической трансформационной электроэнергетике (STEP), которая финансируется совместно со сферами ядерной энергетики, ископаемых видов энергии и управления выбросами углерода, а также энергоэффективности и возобновляемых источников энергии.
