Des chercheurs de Sandia Lab testent avec succès une nouvelle technologie de production d’énergie
Des chercheurs des Sandia National Laboratories au Nouveau-Mexique ont annoncé avoir terminé un test réussi d’une nouvelle technologie de production d’électricité, fournissant de l’électricité au réseau local à l’aide d’un système de conversion d’énergie qui, selon eux, pourrait entraîner une augmentation importante de l’efficacité des centrales électriques aux États-Unis et peut-être le monde.
Les chercheurs, dans un communiqué de presse du Bureau de l’énergie nucléaire du Département américain de l’énergie (DOE), ont déclaré avoir développé un simple cycle de récupération en boucle fermée de Brayton qui utilise du dioxyde de carbone supercritique (CO2) comme fluide de travail. Le laboratoire a déclaré que le gaz traverse une boucle continue de pressurisation, de chauffage et de détente à travers une turbine pour générer de l’électricité. Une fois le fluide sorti de la turbine, il est refroidi dans un récupérateur avant de retourner dans un compresseur pour terminer le cycle.
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Le groupe a testé le système pendant plusieurs mois. Lors du test réussi plus tôt cette année, ils ont utilisé un radiateur électrique pour augmenter la température du CO supercritique2 à 600F. Ils ont ensuite utilisé une électronique de puissance avancée, adaptée d’une société de commandes d’ascenseurs, pour alimenter le réseau électrique de la base aérienne de Sandia-Kirtland à proximité.
Les chercheurs ont déclaré que pendant le test, le réseau a reçu une alimentation continue pendant 50 minutes, avec jusqu’à 10 kW d’électricité produite au maximum. Le laboratoire a déclaré que ce montant représente environ un tiers de l’électricité utilisée par un foyer américain moyen chaque jour.
Le test récent a marqué la première fois que les opérateurs du réseau de la base militaire ont accepté de retirer l’alimentation du système. Auparavant, toute puissance produite pendant les tests était « déversée » dans des bancs de charge pour éviter d’éventuelles perturbations du réseau.
« Nous nous efforçons d’arriver ici depuis un certain nombre d’années, et être en mesure de démontrer que nous pouvons connecter notre système via un appareil commercial au réseau est le premier pont vers une production d’électricité plus efficace », a déclaré Rodney Keith, directeur pour le groupe de concepts avancés travaillant sur la technologie du cycle de Brayton au laboratoire basé à Albuquerque.
De nombreuses centrales électriques en activité aujourd’hui, y compris les générateurs thermiques tels que les centrales au charbon, au nucléaire et au gaz naturel, utilisent un cycle de Rankine à vapeur pour convertir la chaleur qu’elles produisent en électricité. Les chercheurs ont noté que ces systèmes pourraient perdre jusqu’à deux tiers de l’énergie qui pourrait potentiellement être produite lors de la conversion de la vapeur en eau pour répéter le cycle.
Les chercheurs Logan Rapp et Darryn Fleming ont déclaré le 12 septembre PUISSANCE que le projet Sandia « est différent de ce qui se passe à l’usine pilote STEP de SWRI principalement en raison du niveau de puissance. L’usine pilote STEP est une installation à l’échelle commerciale de 10 MWe, de sorte que le générateur/électronique de puissance est une technologie plus traditionnelle adaptée de l’industrie de la vapeur Rankine. Nous travaillons sur des machines beaucoup plus petites, avec <1MWe.
Les chercheurs ont déclaré : « Nous utilisons également des turbomachines qui combinent une turbine, un alternateur/moteur et un compresseur sur un seul arbre. A ce niveau de puissance et dans cette configuration de turbomachines, on utilise un rotor à aimants permanents qui peut fonctionner soit en mode moteur, soit en mode générateur ; c’est-à-dire qu’au démarrage, nous pouvons alimenter le rotor en mode moteur, et une fois que le cycle fonctionne à température, nous pouvons extraire de l’énergie en mode générateur.
Rapp et Fleming ont déclaré : « Cela nécessite une électronique de puissance pour contrôler la direction du flux d’énergie et pour garantir que l’énergie générée est de qualité suffisante pour passer sur un réseau électrique CA commercial. » Les chercheurs ont déclaré que le projet de Sandia est « le premier test réussi d’une nouvelle électronique de puissance qui a démontré la capacité à la fois de consommer de l’énergie du réseau en mode moteur et de rejeter l’énergie vers le réseau en mode génération ».
Les chercheurs de Sandia ont déclaré que les systèmes à cycle Brayton supercritique pourraient éventuellement améliorer cette efficacité jusqu’à 50 %, en grande partie en raison des températures plus élevées que le matériau peut atteindre, jusqu’à 1 290 °F. Ils ont déclaré que cela pourrait entraîner des améliorations spectaculaires de l’efficacité des installations de production thermique et pourrait également améliorer les performances des systèmes d’énergie solaire concentrée, ou CSP.
Selon les chercheurs, le CO supercritique2 « est un matériau non toxique et stable qui est soumis à une telle pression qu’il agit à la fois comme un liquide et un gaz. Ce dioxyde de carbone, qui reste dans le système et n’est pas libéré sous forme de gaz à effet de serre, peut devenir beaucoup plus chaud que la vapeur – 1 290 degrés Fahrenheit ou 700 Celsius. En partie à cause de cette chaleur, le cycle Brayton a le potentiel d’être beaucoup plus efficace pour transformer la chaleur des centrales électriques – nucléaire, gaz naturel ou même solaire concentré – en énergie que le cycle Rankine traditionnel à base de vapeur. Parce que tant d’énergie est perdue en transformant la vapeur en eau dans le cycle de Rankine, au plus un tiers de la puissance de la vapeur peut être convertie en électricité. En comparaison, le cycle de Brayton a une efficacité de conversion théorique supérieure à 50 %. »
Le 1er septembre, le laboratoire a déclaré qu’il travaillait déjà à la mise à l’échelle de la technologie du cycle supercritique de Brayton. Les chercheurs ont déclaré que les futurs tests « démontreront un cycle Brayton fermé de recompression, puis passeront à un générateur à l’échelle de 1 MW qui n’aura pas besoin d’énergie électrique du réseau pour chauffer le dioxyde de carbone supercritique ».
Le projet Sandia est soutenu par le programme Supercritical Transformational Electric Power (STEP) du DOE, qui est coparrainé par les bureaux de l’énergie nucléaire, de l’énergie fossile et de la gestion du carbone, et de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables. Le DOE a déclaré que le programme STEP « travaille avec l’industrie pour développer et faire mûrir la technologie pour aider à commercialiser les systèmes de cycle d’alimentation au dioxyde de carbone supercritique ».
—Darrell Surveillant est rédacteur en chef adjoint de POWER (@POWERmagazine).