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May 19, 2023

「私たちには力がある」 - サンディアの技術テストが送電網に電力を供給

Questa anidride carbonica rimane nel sistema e non viene rilasciata come sostanza.

この二酸化炭素はシステム内に留まり、温室効果ガスとして放出されず、蒸気よりもはるかに高温になる可能性があり、華氏 1,290 度または摂氏 700 度になります。

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最先端のブレイトンサイクル技術の最初のテストにより、地域の送電網に電力が投入されました

ニューメキシコ州アルバカーキ — サンディア国立研究所の研究者らは、新しい発電システムで生成された電力をサンディア・カートランド空軍基地の送電網に初めて供給した。

サンディア国立研究所の機械エンジニアであるローガン・ラップ氏（左）とダリン・フレミング氏は、超臨界二酸化炭素ブレイトンサイクルテストループの制御システムの側に立っている。 今年の初めに、エンジニアたちはこのシステムによって生成された電力を初めて送電網に供給しました。 (写真提供: ブレット・ラッター)

このシステムは、蒸気の代わりに加熱された超臨界二酸化炭素を使用して発電し、閉ループのブレイトン サイクルに基づいています。 ブレイトン サイクルは、高温の加圧流体を使用してジェット エンジンのようにタービンを回転させるこの方法を開発した 19 世紀の技術者ジョージ ブレイトンにちなんで名付けられました。

超臨界二酸化炭素は無毒で安定した物質であり、非常に高い圧力下で液体と気体の両方のように作用します。 この二酸化炭素はシステム内に留まり、温室効果ガスとして放出されず、蒸気よりもはるかに高温になる可能性があり、華氏 1,290 度または摂氏 700 度になります。 この熱のおかげもあって、ブレイトン サイクルは、原子力発電所、天然ガス、さらには集中太陽などの発電所からの熱を、従来の蒸気ベースのランキン サイクルよりもはるかに効率的にエネルギーに変換できる可能性があります。 ランキンサイクルでは蒸気を水に戻す際に多くのエネルギーが失われるため、電気に変換できるのは蒸気の電力の最大 3 分の 1 です。 比較すると、ブレイトン サイクルの理論上の変換効率は 50% 以上です。

「私たちは何年にもわたってここに到達するために努力してきました。商用機器を介してシステムを送電網に接続できることを実証できたことは、より効率的な発電への最初の架け橋となります。」とマネージャーのロドニー・キース氏は述べています。ブレイトン サイクル テクノロジーに取り組んでいる高度なコンセプト グループ向け。 「単なる舟橋かもしれませんが、橋であることは間違いありません。大したことではないように聞こえるかもしれませんが、ここに来るまではかなりの道のりでした。川を渡れるようになったので、もっと先に進むことができます。」

サンディア国立研究所の単純な閉ループ ブレイトン サイクル テスト ループの図。 動力を生成するために圧縮、加熱、膨張される作動流体は超臨界二酸化炭素です。 超臨界二酸化炭素は無毒で安定した物質であり、非常に高い圧力下で液体と気体の両方のように作用します。 (画像提供：サンディア国立研究所)

4 月 12 日、サンディアのエンジニアリング チームは、超臨界 CO2 システムを華氏 600 度まで加熱し、ほぼ 1 時間にわたって送電網に電力を供給し、時には最大 10 キロワットを生成しました。 10 キロワットというのは大した電力ではなく、平均的な家庭では 1 日あたり 30 キロワット時を使用しますが、これは重要な進歩です。 このプロジェクトの主任研究者であるダリン・フレミング氏によると、研究チームは何年にもわたって、テストで生成された電気をトースターのような抵抗負荷バンクに放出していたという。

「我々は、単純な超臨界CO2ブレイトンサイクルでタービン・オルタネータ・コンプレッサーを3回正常に起動し、3回の制御された停止を行い、50分間安定してサンディア・カートランド送電網に電力を注入した」とフレミング氏は述べた。 「このテストで最も重要なことは、サンディアに電力を供給することに同意してもらったことです。送電網に接続するために必要なデータを取得するのに長い時間がかかりました。送電網を制御する人は誰でも、次のことについて非常に慎重です。」 」

単純な閉ループのブレイトン サイクルでは、超臨界 CO2 が熱交換器によって加熱されます。 次に、タービンで CO2 からエネルギーが抽出されます。 CO2 はタービンを出た後、圧縮機に入る前に回収熱交換器で冷却されます。 コンプレッサーは、超臨界 CO2 を必要な圧力まで高めてから、回収熱交換器で廃熱と合流し、ヒーターに戻ってサイクルを継続します。 回収熱交換器により、システム全体の効率が向上します。

このテストでは、エンジニアは家庭用の給湯器によく似た電気ヒーターを使用して CO2 を加熱しました。 将来的には、この熱は核燃料、燃焼中の化石燃料、さらには高濃度の太陽光から発生する可能性があります。

2019 年秋、フレミング氏は、サンディアの閉ループ超臨界 CO2 ブレイトン サイクル テスト ループを送電網にどのように接続できるかを検討し始めました。 具体的には、送電網への電力供給を調整できる高度なパワーエレクトロニクス制御システムを探していました。 そこでチームは、この用途に適応できるエレベーター用の高度なパワーエレクトロニクスを製造する KEB America を見つけました。

エレベータは電気を使用してエレベータかごを建物の最上階まで持ち上げます。一部のエレベータは、かごが別の階に降下されるときに、持ち上げられたかごに蓄えられた位置エネルギーを電力網に変換します。 これらのエレベーターは、このエネルギーを変換するために永久磁石ローターと呼ばれる、ブレイトンサイクルテストループで使用されているものと非常によく似た装置を使用しているとフレミング氏は述べた。 この類似性により、サンディアのチームは、エレベーター部品会社の市販のパワー エレクトロニクスを採用して、テスト ループからグリッドへの給電を制御することができました。

「ここでの成果は、システムを高度なパワーエレクトロニクスと結合させ、系統に同期させたことです」と、テストに携わったサンディアの機械エンジニア、ローガン・ラップ氏は語った。 「私たちはこれまでそのようなことをしたことがありませんでした。私たちはいつも負荷バンクに行っていました。私たちが10キロワットで行っている作業から約1メガワットまでは、かなり明確な線を引くことができます。1メガワットはかなり役に立ちます。500の電力を供給できます。」 -1,000 世帯、またはリモート アプリケーション用にディーゼル発電機を置き換えます。当社の業界パートナーは 1 ～ 5 メガワットのシステムをターゲットにしています。」

ラップ氏は主に他の超臨界 CO2 ブレイトン サイクル装置の精製に取り組んでいますが、テスト中は超臨界 CO2 がタービンに到達する前に加熱し、回収熱交換器を操作する制御を担当していました。 フレミングはタービンと発電機の制御と監視に重点を置きました。

このテストが無事完了したので、チームは華氏1,000度以上の高温でも動作できるようにシステムの修正に取り組み、より高い効率で電力を生成できるとフレミング氏とラップ氏は述べた。 2023 年には、同じシステム上で 2 台のタービンオルタネータ発電機を再圧縮構成で動作させ、さらに効率を高めることに取り組む予定です。 チームの目標は、2024 年秋までに 1 メガワットの超臨界 CO2 ブレイトン サイクル システムを実証することです。このプロセスを通じて、送電網事業者からの承認が得られれば、送電網に電力を供給してシステムを時々テストしたいと考えています。

「実際の商業用途には、超臨界CO2、クローズドブレイトンサイクルで機能する、より大型のターボ機械、パワーエレクトロニクス、より大型のベアリングとシールが必要であることがわかっています」とフレミング氏は述べた。 「システムのリスクを取り除くためにはさまざまなことが必要であり、私たちは現在それらに取り組んでいます。2023年にはそれをすべて再圧縮ループにまとめ、その後均等化する予定です」より高い出力が得られ、商業産業がそこから利用できるようになります。」

この研究は、エネルギー省の超臨界変圧電力プログラムによって支援されています。 Barber-Nichols の共同研究者は、高度なパワー エレクトロニクスの仕様の取得に協力しました。

ニュース提供：サンディア国立研究所

注目のグラフィック提供：サンディア国立研究所

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