Дослідники Національної лабораторії Сандія Міністерства енергетики США успішно протестували нову енергетичну систему на основі замкнутого циклу Брайтона для подачі електроенергії до мережі, яка може значно підвищити ефективність електростанцій, включаючи існуючі та нові вдосконалені реакторні системи, а також газові та концентровані сонячні електростанції.
Інженери-механіки Національної лабораторії Сандія Логан Рапп (ліворуч) та Деррін Флемінг на фото із системою управління надкритичним циклом Брайтона на основі діоксиду вуглецю.
Сучасні електростанції - атомні, газові та вугільні - для перетворення виробленого тепла в електрику використовують паровий цикл Ренкіна, при цьому парові системи втрачають близько двох третин енергії, яку вони потенційно могли б виробляти, оскільки для повторення циклу пар перетворюється назад у воду. Натомість команда Сандії пропонує використовувати простий рекуперований замкнутий цикл Брайтона, в якому як робочу рідину використовується надкритичний діоксид вуглецю.
Надкритичний діоксид вуглецю залишається в системі і не виділяється як парниковий газ, при цьому він може нагріватися набагато сильніше, ніж пар - до 700°C. Цикл Брайтона потенційно набагато ефективніший при перетворенні тепла електростанцій в енергію, ніж традиційний паровий цикл Ренкіна, з теоретичною ефективністю перетворення до 50%.
У системі, розробленої командою Сандія, вуглекислий газ проходить безперервний цикл, при якому він під тиском нагрівається і розширюється, проходить через турбіну для вироблення електроенергії, потім охолоджується в рекуператорі і повертається компресор для завершення циклу.
Діаграма випробувального циклу Брайтона із замкнутим циклом. (Зображення: Сандія).
Газ безперервно проходить цикл стиснення, нагрівання та розширення через турбіну для вироблення електроенергії, після виходу з турбіни охолоджується в рекуператорі, а потім повертається в компресор для завершення циклу.
У ході тестування вчені використовували електричний нагрівач для нагрівання надкритичного діоксиду вуглецю до 316°C, а потім подали електроенергію в мережу бази ВПС Сандія-Кіртланд. Випробування забезпечило безперервну подачу енергії до мережі протягом 50 хвилин і при цьому в окремі моменти вироблялося до 10 кіловат електроенергії. За словами дослідників, це перший випадок, коли оператори електромереж погодилися здобути енергію, і це важливий крок.
"Ми прагнули цього протягом декількох років, і можливість продемонструвати, що ми можемо підключити нашу систему через комерційний пристрій до мережі - це перший крок до більш ефективного виробництва електроенергії", - сказав Родні Кіт, менеджер групи передових концепцій, що працює над технологією циклу Брайтон.
Команда працює над модифікацією системи, щоб вона могла працювати за більш високих температур, і планує продемонструвати систему надкритичного CO2-циклу Брайтона потужністю 1 МВт до осені 2024 року. Протягом усього цього процесу періодично проводитиметься тестування системи та подача електроенергії до мережі після дозволу мережевих операторів.
«Для реального комерційного застосування нам потрібні більші турбомашини, силова електроніка, більші підшипники та ущільнення, що працюють на надкритичному CO2 закритого циклу Брайтона», - сказав провідний дослідник Даррін Флемінг. «Є багато різних деталей, які зменшать ризик для системи, і ми працюємо над цим. У 2023 році ми об'єднаємо все це в цикл повторного стиснення з вищою вихідною потужністю, і саме тоді його можна впровадити в комерційну промисловість».
Проект був підтриманий у рамках програми Міністерства енергетики з надкритичної трансформаційної електроенергетики (STEP), яка фінансується спільно з ядерною енергетикою, викопною енергією, управлінням викидів вуглецю, а також енергоефективністю та відновлюваними джерелами енергії.