'Chúng tôi đã có điện': Thử nghiệm công nghệ chu trình Brayton cung cấp điện lên lưới
Sơ đồ vòng lặp thử nghiệm chu trình Brayton đơn giản khép kín của Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia. Chất lỏng hoạt động được nén, làm nóng và giãn nở để tạo ra năng lượng là carbon dioxide siêu tới hạn. Carbon dioxide siêu tới hạn là một vật liệu ổn định, không độc hại, dưới áp suất quá lớn, nó hoạt động giống như chất lỏng và chất khí. Tín dụng: Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia
Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia đã cung cấp điện năng được sản xuất bởi một hệ thống phát điện mới tới lưới điện của Căn cứ Không quân Sandia-Kirtland.
Hệ thống sử dụng carbon dioxide siêu tới hạn được đốt nóng thay vì hơi nước để tạo ra điện và dựa trên chu trình Brayton vòng kín. Chu trình Brayton được đặt theo tên của kỹ sư thế kỷ 19 George Brayton, người đã phát triển phương pháp sử dụng chất lỏng nóng, có áp suất này để quay một tuabin, giống như một động cơ phản lực.
Carbon dioxide siêu tới hạn là một vật liệu ổn định, không độc hại, dưới áp suất quá lớn, nó hoạt động giống như chất lỏng và chất khí. Carbon dioxide này, nằm trong hệ thống và không được thải ra dưới dạng khí nhà kính, có thể nóng hơn nhiều so với hơi nước — 1.290 độ F hoặc 700 độ C. Một phần là do sức nóng này, chu trình Brayton có tiềm năng biến nhiệt hiệu quả hơn nhiều từ các nhà máy điện - hạt nhân, khí tự nhiên hoặc thậm chí là mặt trời cô đặc - thành năng lượng so với chu trình Rankine dựa trên hơi nước truyền thống. Bởi vì quá nhiều năng lượng bị mất biến hơi nước trở lại thành nước trong chu trình Rankine, nên nhiều nhất một phần ba công suất trong hơi nước có thể được chuyển đổi thành điện năng. Trong khi đó, chu trình Brayton có hiệu suất chuyển đổi theo lý thuyết lên tới 50%.
Rodney Keith, người quản lý cho biết: “Chúng tôi đã phấn đấu đến được đây trong nhiều năm và để có thể chứng minh rằng chúng tôi có thể kết nối hệ thống của mình thông qua một thiết bị thương mại với lưới điện là cầu nối đầu tiên để phát điện hiệu quả hơn”. cho nhóm khái niệm tiên tiến làm việc trên công nghệ chu trình Brayton. "Có thể đó chỉ là một cây cầu phao, nhưng nó chắc chắn là một cây cầu. Nghe có vẻ không quá quan trọng, nhưng đó là một con đường khá lớn để đến đây. Bây giờ chúng ta có thể qua sông, chúng ta có thể đi được nhiều thứ hơn."
Lấy điện vào lưới
Vào ngày 12 tháng 4, nhóm kỹ sư Sandia đã làm nóng hệ thống CO2 siêu tới hạn của họ lên 600 độ F và cung cấp điện cho lưới điện trong gần một giờ, đôi khi sản sinh tới 10 kilowatt. Mười kilowatt không phải là nhiều điện, một ngôi nhà trung bình sử dụng 30 kilowatt giờ mỗi ngày, nhưng đó là một bước tiến quan trọng. Darryn Fleming, trưởng nhóm nghiên cứu của dự án, cho biết trong nhiều năm, nhóm nghiên cứu sẽ đổ điện được tạo ra từ các thử nghiệm của họ vào một ngân hàng tải điện trở giống như máy nướng bánh mì.
Fleming cho biết: “Chúng tôi đã khởi động thành công tuabin-máy phát điện-máy nén khí theo chu trình CO2 Brayton siêu tới hạn đơn giản ba lần và có ba lần tắt máy có kiểm soát, và chúng tôi cung cấp điện vào lưới điện Sandia-Kirtland đều đặn trong 50 phút,” Fleming nói. "Điều quan trọng nhất của thử nghiệm này là chúng tôi đã nhận được sự đồng ý của Sandia. Chúng tôi đã mất nhiều thời gian để có được dữ liệu cần thiết để cho phép chúng tôi kết nối với lưới điện. Bất kỳ người nào điều khiển lưới điện đều rất thận trọng. những gì bạn đồng bộ với lưới điện của họ, bởi vì bạn có thể làm gián đoạn lưới điện. Bạn có thể vận hành các hệ thống này cả ngày và đổ điện vào các ngân hàng phụ tải, nhưng đặt một ít điện năng vào lưới điện là một bước quan trọng. "
Trong một chu trình Brayton vòng kín đơn giản, CO2 siêu tới hạn được đốt nóng bởi một thiết bị trao đổi nhiệt. Sau đó, năng lượng được chiết xuất từ CO2 trong một tuabin. Sau khi CO2 ra khỏi tuabin, nó được làm mát trong bộ thu hồi khí trước khi đi vào máy nén. Máy nén sẽ nhận CO2 siêu tới hạn đến áp suất cần thiết trước khi gặp nhiệt thải trong bộ thu hồi nhiệt và quay trở lại bộ gia nhiệt để tiếp tục chu trình. Bộ thu hồi sức khỏe cải thiện hiệu quả tổng thể của hệ thống.
Đối với thử nghiệm này, các kỹ sư đã đốt nóng CO2 bằng lò sưởi điện, khá giống với máy nước nóng gia đình. Trong tương lai, lượng nhiệt này có thể đến từ nhiên liệu hạt nhân, đốt nhiên liệu hóa thạch hoặc thậm chí là ánh sáng mặt trời tập trung cao độ.
Tầm quan trọng của thiết bị điện tử công suất tiên tiến
Vào mùa thu năm 2019, Fleming bắt đầu khám phá cách thức vòng thử nghiệm chu trình CO2 Brayton siêu tới hạn khép kín của Sandia có thể được kết nối với lưới điện. Cụ thể, ông đang tìm kiếm các hệ thống điều khiển điện tử công suất tiên tiến có thể điều chỉnh việc cung cấp điện vào lưới điện. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy KEB America, người sản xuất thiết bị điện tử công suất tiên tiến cho thang máy có thể được điều chỉnh cho ứng dụng này.
Thang máy sử dụng điện năng để đưa xe thang lên tầng cao nhất của tòa nhà, và một số thang máy chuyển hóa thế năng tích trữ trong xe nâng trở lại thành điện năng cho lưới điện khi xe được hạ xuống tầng khác. Các thang máy này sử dụng thiết bị rất giống với thiết bị được sử dụng trong vòng thử nghiệm chu trình Brayton, được gọi là rôto nam châm vĩnh cửu, để chuyển đổi năng lượng này, Fleming nói. Đây
sự tương tự đã cho phép nhóm Sandia điều chỉnh thiết bị điện tử công suất thương mại từ một công ty linh kiện thang máy để kiểm soát nguồn cấp từ vòng thử nghiệm của họ vào lưới điện.
Logan Rapp, một kỹ sư cơ khí của Sandia, người tham gia thử nghiệm cho biết: “Thành tựu ở đây là kết hợp hệ thống với thiết bị điện tử công suất tiên tiến và đồng bộ hóa nó với lưới điện. "Chúng tôi chưa bao giờ làm điều đó trước đây; chúng tôi luôn đi đến các ngân hàng tải. Bạn có thể vẽ một đường thẳng khá rõ ràng từ công việc chúng tôi đang làm ở 10 kilowatt đến khoảng một megawatt. Một megawatt khá hữu ích; nó có thể cung cấp năng lượng 500 -1.000 ngôi nhà hoặc thay thế máy phát điện diesel cho các ứng dụng từ xa. Các đối tác trong ngành của chúng tôi đang nhắm mục tiêu các hệ thống từ 1- 5 megawatt. "
Rapp chủ yếu làm việc trên việc tinh chế các thiết bị chu trình CO2 Brayton siêu tới hạn khác, nhưng trong quá trình thử nghiệm, ông đã kiểm soát việc đốt nóng CO2 siêu tới hạn trước khi nó đến tuabin và vận hành bộ thu hồi khí. Fleming tập trung vào việc điều khiển và giám sát tuabin và máy phát điện.
Sau khi hoàn thành thành công thử nghiệm này, nhóm sẽ nghiên cứu sửa đổi hệ thống để nó có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, 1.000 độ F trở lên, và do đó sản xuất điện với hiệu suất cao hơn, Fleming và Rapp cho biết. Vào năm 2023, họ có kế hoạch làm việc để có được hai máy phát tua-bin-máy phát điện hoạt động theo cấu hình nén lại trên cùng một hệ thống, thậm chí còn hiệu quả hơn. Mục tiêu của nhóm là chứng minh một hệ thống chu trình CO2 Brayton siêu tới hạn 1 megawatt vào mùa thu năm 2024. Trong suốt quá trình này, họ hy vọng thỉnh thoảng sẽ thử nghiệm hệ thống bằng cách cung cấp điện cho lưới điện, miễn là họ được các nhà điều hành lưới điện chấp thuận.
Fleming nói: “Đối với các ứng dụng thương mại thực tế, chúng tôi biết rằng chúng tôi cần máy móc turbo lớn hơn, thiết bị điện tử công suất, vòng bi và phớt lớn hơn hoạt động đối với CO2 siêu tới hạn, chu trình Brayton khép kín,” Fleming nói. "Có tất cả những việc khác nhau cần phải được thực hiện để giảm thiểu rủi ro cho hệ thống và chúng tôi đang làm việc trên những điều đó ngay bây giờ. Vào năm 2023, chúng tôi sẽ tổng hợp tất cả lại thành một vòng lặp giải nén và sau đó chúng tôi sẽ đưa nó đến sản lượng điện cao hơn, và đó là khi ngành thương mại có thể lấy nó từ đó. "
