Οι θερμοηλεκτρικοί σταθμοί, οι σταθμοί φυσικού αερίου, οι ηλιοθερμικοί σταθμοί και οι πυρηνικοί σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μοιράζονται την ίδια αρχή: μετατρέπουν τη θερμότητα σε ηλεκτρική ενέργεια.
Αυτό γίνεται με τη χρήση νερού και ατμού, ακολουθώντας τον κύκλο Rankine. Και γιατί να μην χρησιμοποιηθεί διοξείδιο του άνθρακα; Αξίζει να το σκεφτείτε, καθώς η πιθανή απόδοση είναι έως και 50% υψηλότερη. Αλλά γι’ αυτό πρέπει να χρησιμοποιήσετε έναν άλλο κύκλο, τον κύκλο Brayton.
Οι ερευνητές των Εθνικών Εργαστηρίων Sandia των ΗΠΑ, κατάφεραν να επιδείξουν την ιδέα με πρακτικό τρόπο, παράγοντας έως και 10 kW ηλεκτρικής ενέργειας για τρεις κύκλους και σχεδόν μία ώρα, αλλά με το πρόσθετο επίτευγμα της τροφοδότησής της στο δίκτυο και όχι σε μια τράπεζα αντιστάσεων, που είναι ο κανόνας. Αυτό το πείραμα που υποστηρίζεται από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DoE) ανοίγει την πόρτα σε μια πολύ πιο αποδοτική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Στον παραδοσιακό κύκλο Rankine, όταν ο ατμός συμπυκνώνεται σε νερό, η ενέργεια “χάνεται”, οπότε το χαρακτηριστικό ανάκτησης ενέργειας του κύκλου Brayton λύνει το πρόβλημα. Το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) σε υπερκρίσιμη, πολύ θερμή κατάσταση συμπεριφέρεται τόσο ως αέριο όσο και ως υγρό. Στην πραγματικότητα, επιτυγχάνονται θερμοκρασίες υψηλότερες από αυτές του ατμού, 700 βαθμών Κελσίου.
Όσο λιγότερη θερμότητα χάνεται κατά τη διαδικασία, τόσο περισσότερο αξιοποιείται η θερμότητα από την πηγή. Στο διάγραμμα, ο “Θερμαντήρας” είναι ένας εναλλάκτης θερμότητας, ο οποίος λαμβάνει θερμότητα από το εξωτερικό. Στο πείραμα, αυτό έγινε με ηλεκτρικό θερμαντήρα, αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλες πηγές, όπως η καύση καυσίμων ή η συγκεντρωμένη ηλιακή ενέργεια.
Το διοξείδιο του άνθρακα διοχετεύεται σε έναν στρόβιλο, ο οποίος παράγει ηλεκτρική ενέργεια, και η ενέργεια αυτή χρησιμοποιείται επίσης για την επανασυμπίεση του CO2 που έχει χάσει την πίεση και τη θερμοκρασία του. Ναι, είναι κατά μία έννοια ένας υπερσυμπιεστής.
Οι μηχανικοί Logan Rapp και Darryn Fleming ερευνούν το θέμα αυτό για περισσότερα από τρία χρόνια. Τα 10 kW που παραδόθηκαν στο δίκτυο της στρατιωτικής βάσης Kirtland ήταν μια καλή αρχή. Σε μεταγενέστερο στάδιο, θέλουν να επεκτείνουν το πείραμα με υψηλότερες θερμοκρασίες για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας 1 μεγαβάτ (1.000 kW). Θα αυξήσουν την αποδοτικότητα με ένα σύστημα δύο εναλλακτών-στροβίλων για την επίδειξη που ελπίζουν να πραγματοποιήσουν το 2024.
Αναλογιστείτε τις συνέπειες αυτής της ανακάλυψης. Ακόμη και αν η θερμική ενέργεια πρόκειται να μειωθεί σε σημασία τις επόμενες δεκαετίες, συστήματα όπως αυτό μπορούν να αυξήσουν την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς να καταναλώνουν περισσότερα καύσιμα. Μέχρι τότε, όμως, πρέπει να επιλυθούν ορισμένα προβλήματα, όπως η στεγανότητα του κυκλώματος – το οποίο είναι εντελώς κλειστό – και η ασφάλεια του συστήματος.