Исследователи Национальной лаборатории Сандия Министерства энергетики США успешно протестировали новую энергетическую систему на основе замкнутого цикла Брайтона для подачи электроэнергии в сеть, которая может значительно повысить эффективность электростанций, включая существующие и новые усовершенствованные реакторные системы, а также газовые и концентрированные солнечные электростанции.
Инженеры-механики Национальной лаборатории Сандия Логан Рапп (слева) и Дэррин Флеминг на фото с системой управления сверхкритическим циклом Брайтона на основе диоксида углерода.
Современные электростанции - атомные, газовые и угольные - для преобразования производимого тепла в электричество используют паровой цикл Ренкина, при этом паровые системы теряют около двух третей энергии, которую они потенциально могли бы производить, поскольку для повторения цикла пар преобразовывается обратно в воду. Вместо этого команда Сандии предлагает использовать простой рекуперированный замкнутый цикл Брайтона, в котором в качестве рабочей жидкости используется сверхкритический диоксид углерода.
Сверхкритический диоксид углерода остается в системе и не выделяется в качестве парникового газа, при этом он может нагреваться гораздо сильнее, чем пар - до 700°C. Цикл Брайтона потенциально гораздо более эффективен при преобразовании тепла электростанций в энергию, чем традиционный паровой цикл Ренкина, с теоретической эффективностью преобразования до 50%.
В системе, разработанной командой Сандия, углекислый газ проходит непрерывный цикл, при котором он под давлением нагревается и расширяется, проходит через турбину для выработки электроэнергии, затем охлаждается в рекуператоре и возвращается в компрессор для завершения цикла.
Схема испытательного цикла Брайтона с замкнутым циклом. (Изображение: Сандия).
Газ непрерывно проходит цикл сжатия, нагрева и расширения через турбину для выработки электроэнергии, после выхода из турбины охлаждается в рекуператоре, а затем возвращается в компрессор для завершения цикла.
В ходе тестирования ученые использовали электрический нагреватель для нагрева сверхкритического диоксида углерода до 316°C, а затем подали электроэнергию в электрическую сеть базы ВВС Сандия-Киртланд. Испытание обеспечило непрерывную подачу энергии в сеть в течение 50 минут и при этом в отдельные моменты вырабатывалось до 10 киловатт электроэнергии. По словам исследователей, это первый случай, когда операторы электросетей согласились получить энергию, и это важный шаг.
«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 Брайтона.
Команда работает над модификацией системы, чтобы она могла работать при более высоких температурах, и планирует продемонстрировать систему сверхкритического CO2-цикла Брайтона мощностью 1 МВт к осени 2024 года. На протяжении всего этого процесса периодически будет проводиться тестирование системы и подача электроэнергии в сеть после разрешения сетевых операторов.
«Для реального коммерческого применения нам нужны более крупные турбомашины, силовая электроника, более крупные подшипники и уплотнения, работающие на сверхкритическом CO2 закрытого цикла Брайтона», - сказал ведущий исследователь Даррин Флеминг. «Есть много разных деталей, которые снизят риск для системы, и мы работаем над этим. В 2023 году мы объединим все это в цикл повторного сжатия с более высокой выходной мощностью, и именно тогда он может быть внедрен в коммерческую промышленность».
Проект был поддержан в рамках программы Министерства энергетики по сверхкритической трансформационной электроэнергетике (STEP), которая финансируется совместно с ядерной энергетикой, ископаемой энергией, управлением по выбросам углерода, а также энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии.