El 12 de abril, durante unas horas, los ingenieros de los Laboratorios Nacionales Sandia en Nuevo México pudieron enviar electrones de regreso a la red eléctrica de la Base de la Fuerza Aérea Sandia-Kirtland utilizando un nuevo tipo de sistema de generación de energía. Esta pequeña prueba de concepto, Anunciado a principios de este mes, mostró al equipo que su sistema, con el que han estado jugando desde 2007, era estable, controlable y capaz de sincronizarse bien con la red eléctrica.
El nuevo sistema, que según el equipo podría ser más eficiente que los sistemas de generación de energía existentes, se basa en un proceso termodinámico descrito a través de un ciclo Brayton de circuito cerrado y funciona de manera similar a un motor a reacción. La mayoría motores de jet son alimentados por un ciclo Brayton abierto. El aire ambiente se introduce y se comprime. Luego, se calienta con combustible y se expande a través de una turbina. Esa turbina puede operar mecánicamente un generador para producir electricidad (si está en tierra) o empuje (si está en un avión).
“Años anteriores, solo producíamos electricidad y la poníamos en bancos de carga resistivos. Es como un enorme horno tostador, convierte la electricidad en calor”, dice Darryn Fleming, ingeniero mecánico de Sandia National Laboratories que trabajó en este proyecto. “Poder volver a poner energía en la red fue el resultado principal de este programa”.
Entonces, ¿qué operaciones del motor describen los ciclos Brayton? “Imagina que tomas una tubería y conectas el [gas] descarga de la turbina de regreso con el compresor, y mantiene el fluido de trabajo en un circuito. Ese es un ciclo cerrado de Brayton”, dice Logan Rapp, un ingeniero mecánico de Sandia que formó parte de la prueba. “Tiene el mismo compresor, turbina e intercambio de calor, pero el fluido de trabajo siempre permanece dentro de las tuberías”.
Este sistema puede trabajar con una amplia variedad de gases, como aire, helio, nitrógeno. El equipo de Sandia usó dióxido de carbono en estado supercrítico, que es como un gas, pero también como un líquido. “Tiene una densidad realmente alta, pero también se puede expandir a través de una turbina como un gas”, dice Rapp. “Entonces, redujimos la cantidad de trabajo necesario para la compresión porque es muy denso, y eso nos permite llegar a una relación térmica a eléctrica más alta. [conversion] eficiencias.”
La electricidad que alimenta la mayoría de la tecnología moderna se produce a través de un ciclo Rankin basado en vapor. Combustible como el carbón se usa para calentar agua y producir vapor, que luego se expande a través de una turbina que convierte el trabajo mecánico en electricidad. Pero la eficiencia térmica a eléctrica de este sistema es de alrededor del 33 por ciento, dice Fleming. Mediante el uso de dióxido de carbono supercrítico que está por encima de 1070 psi y por encima de 88 grados Fahrenheit, “ahí es donde se llega al 70 por ciento de densidad del agua, por lo que se obtiene una mayor eficiencia con su sistema”. Eso significa que podría generar más energía con menos combustible en comparación con el sistema de vapor.
Además, Rapp señala que su tecnología es independiente de la fuente de calor, por lo que no tiene que combinarse con combustibles fósiles. “Ha habido propuestas para combinarlo con gas natural o carbón, pero estamos financiados por la división de energía nuclear del Departamento de Energía. Así que estamos trabajando para combinarlo con un reactor nuclear avanzado”, dice. “También hemos trabajado con las torres solares, donde el sol se enfoca usando espejos para calentar una torre central. Funciona muy bien en esa aplicación.”
También están investigando activamente si pueden combinar la tecnología con la recuperación de calor residual, donde están capturando el calor de las chimeneas de escape de las plantas de acero y cemento para alimentar su ciclo Brayton.
En su prueba, usaron un calentador eléctrico como fuente de combustible para impulsar el ciclo, y adaptaron partes de electrónica avanzada de potencia de ascensores en la máquina que usaron para regular y alimentar la electricidad de su circuito de prueba a la red. Aunque esta vez consumieron más energía de la que pusieron en la red, Fleming dice que solo era una forma de modelar el sistema en acción.
Como parte de los próximos pasos, el equipo quiere llevar la máquina a niveles de potencia más altos, temperaturas más altas y velocidades de turbina más altas. De acuerdo con las leyes de la termodinámica, amplificar esos factores, en teoría, les permitirá alcanzar eficiencias térmicas a eléctricas más altas. La última prueba tuvo una eficiencia del 35 al 40 por ciento, pero Rapp cree que pueden llegar al 50 por ciento con la configuración correcta. Además, el equipo también busca desarrollar aún más parte de la nueva infraestructura de soporte, como sellos y cojinetes magnéticos, necesarios para un sistema como este en el próximo año.