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May 19, 2023

"Tenemos el poder": la prueba de tecnología Sandia entrega electricidad a la red

Este dióxido de carbono, que permanece dentro del sistema y no se libera como

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 ciclo Brayton de vanguardia pone energía en la red local

ALBUQUERQUE, Nuevo México — Por primera vez, los investigadores de los Laboratorios Nacionales Sandia entregaron 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, de pie con el sistema de control para el bucle de prueba del ciclo Brayton de dióxido de carbono supercrítico. A principios de este año, los ingenieros entregaron la electricidad producida por este sistema a la red por primera vez. (Foto por Bret último)

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 usar fluido caliente presurizado para hacer girar una turbina, como un motor a reacción.

El dióxido de carbono supercrítico es un material estable 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 Brayton tiene el potencial de ser mucho más eficiente para convertir el calor de las centrales eléctricas (nuclear, gas natural o incluso solar concentrada) en energía que el ciclo Rankine tradicional 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 potencia del vapor se puede convertir en electricidad. En comparación, el ciclo Brayton tiene una eficiencia de conversión teórica superior al 50 por ciento.

"Nos hemos esforzado para llegar aquí durante varios años, y poder demostrar que podemos conectar nuestro sistema a través de un dispositivo comercial a la red 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 es solo un puente de pontones, pero definitivamente es un puente. Puede que no suene muy significativo, pero fue todo un camino para llegar aquí. Ahora que podemos cruzar el río, podemos hacer mucho más".

Un diagrama del circuito de prueba de ciclo Brayton de ciclo 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 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 suministró energía a la red durante casi una hora, produciendo en ocasiones hasta 10 kilovatios. Diez kilovatios no es mucha electricidad, un hogar promedio usa 30 kilovatios por hora por día, pero es un paso significativo. 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 de 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 controla una red eléctrica es muy cautelosa con lo que sincroniza con su red, porque podría interrumpir la red. Puede operar estos sistemas durante todo el día y descargar la energía en los bancos de carga, pero poner incluso un poco de energía en la red es un paso importante".

En un ciclo Brayton de circuito cerrado simple, 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 a un compresor. El compresor eleva el CO2 supercrítico hasta la presión necesaria antes de que se reúna con el calor residual en el recuperador y regrese al calentador para continuar el ciclo. El recuperador mejora la eficiencia global del sistema.

Para esta prueba, los ingenieros calentaron el CO2 utilizando un calentador eléctrico, bastante similar a un calentador de agua doméstico. En el futuro, este calor podría provenir del combustible nuclear, la quema de combustibles fósiles o incluso 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. En concreto, 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 podrían adaptarse para esta aplicación.

Los ascensores usan electricidad para subir la cabina del ascensor hasta el último piso del edificio, y algunos ascensores convierten la energía potencial almacenada en la cabina levantada nuevamente en electricidad para la red cuando la cabina se baja a otro piso. Estos ascensores utilizan un equipo muy similar al que se utiliza en el bucle de prueba del ciclo Brayton, llamado rotor de imán permanente, para convertir esta energía, dijo Fleming. Esta similitud permitió al equipo de Sandia adaptar la electrónica de potencia comercial lista para usar de una empresa de piezas de 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 a 10 kilovatios y aproximadamente un megavatio. Un megavatio es bastante útil; puede alimentar 500 -1000 hogares o reemplazar los generadores diésel para aplicaciones remotas. Nuestros socios de la industria apuntan a sistemas de 1 a 5 megavatios".

Rapp trabaja principalmente en la refinación de otros equipos de ciclo Brayton de CO2 supercrítico, pero durante la prueba controló el calentamiento del CO2 supercrítico antes de que llegara a la turbina y operara 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, 1,000 grados Fahrenheit y más, y así producir energía con mayor eficiencia, dijeron Fleming y Rapp. En 2023, planean trabajar para que dos generadores de turbina y 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 las aplicaciones comerciales reales, sabemos que necesitamos maquinaria turbo más grande, electrónica de potencia, cojinetes y sellos más grandes que funcionen para CO2 supercrítico, ciclos cerrados de Brayton", dijo Fleming. "Hay todas estas cosas diferentes que deben hacerse para eliminar el riesgo del sistema, y ​​estamos trabajando en eso ahora. En 2023, lo uniremos todo en un ciclo de recompresión y luego lo llevaremos a incluso mayor potencia de salida, y ahí es cuando la industria comercial puede tomarlo a partir de ahí".

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 Sandia National Laboratories

Gráfico destacado cortesía de Sandia National Laboratories

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