Una minuscola turbina ad anidride carbonica supercritica per 10.000 case

Il gas naturale continua a influenzare il profilo della produzione di energia degli Stati Uniti, ma le crepe cominciano a mostrare. Le risorse solari ed eoliche sono più competitive di quanto lo fossero solo pochi anni fa, il costo dello stoccaggio dell’energia sta diminuendo e anche l’idrogeno verde sta facendo la sua comparsa nel mix. Ora ecco un’altra carta inaspettata sotto forma di tecnologia ad anidride carbonica supercritica, compatibile con l’energia solare, volta a ridurre l’ingombro massiccio delle turbine convenzionali fino alle dimensioni di un elettrodomestico.

La differenza dell’anidride carbonica supercritica

Le turbine basate sull’anidride carbonica supercritica si sono imbattute nel CleanTechnica radar nel 2020, quando abbiamo notato che il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti stava prendendo in considerazione la tecnologia come sostituto efficiente dal punto di vista energetico delle turbine a vapore.

Le familiari turbine a vapore ampiamente utilizzate oggi nelle centrali elettriche si basano sulla tecnologia del 19° secolo. In genere le dimensioni variano da meno di 100 kilowatt a più di 250 megawatt, a seconda del caso d’uso. Quando vengono utilizzati per generare elettricità in una centrale elettrica, sono bestie enormi delle dimensioni di un autobus o più grandi.

Le turbine ad anidride carbonica supercritica sono diverse. Non utilizzano il vapore come fluido di lavoro. Invece, usano una forma concentrata di anidride carbonica – sCO2 in breve – che si trova a metà strada tra un gas e un liquido.

Il Dipartimento dell’Energia prevede che le nuove turbine ad anidride carbonica supercritica possano ridurre del 10% il consumo di energia nelle centrali elettriche, ma questo è solo l’inizio. Hanno un ingombro molto più ridotto rispetto ai loro cugini a vapore, con conseguente efficienza produttiva lungo tutta la catena di fornitura.

A titolo di confronto, il Dipartimento dell’Energia calcola che una turbina a vapore di 20 metri si ridurrebbe a un metro se sostituita con una turbina a sCO2.

“Al di sopra del punto critico, la CO2 non cambia fase (cioè passa da gas a liquido). Invece, subisce un cambiamento di densità anche in piccoli cambiamenti di temperatura e pressione”, spiega il Dipartimento dell’Energia. “Questa proprietà consente di estrarre una grande quantità di energia ad alta temperatura, utilizzando apparecchiature relativamente compatte”.

“Le turbine sCO2 potrebbero essere un ordine di grandezza più piccole delle attuali turbine a combustione o a vapore su scala industriale”, sottolineano.

La connessione dell’energia solare a concentrazione

Come le turbine a vapore, le turbine ad anidride carbonica supercritica sono indipendenti dal carburante. Il Dipartimento dell’Energia prevede di implementarli nelle centrali elettriche a carbone e gas come miglioramenti dell’efficienza energetica.

Il potenziale per una cattura più efficiente del carbonio nelle centrali elettriche a combustibili fossili è un altro aspetto della tecnologia che ha attirato l’attenzione del Dipartimento dell’Energia.

Molto più interessante dal punto di vista della salvaguardia del pianeta è il collegamento tra le turbine ad anidride carbonica supercritica e l’energia solare a concentrazione. I sistemi di concentrazione utilizzano specchi per raccogliere e focalizzare il calore del sole (vedi ulteriori informazioni sulla copertura solare concentrata qui).

Il fattore calore ha attratto il Dipartimento dell’Energia, che sta cercando modi per ridurre i costi dei sistemi di energia solare a concentrazione. Nonostante il notevole sostegno da parte del Dipartimento dell’Energia, hanno tardato a prendere piede negli Stati Uniti. Un aiuto da parte della tecnologia del biossido di carbonio supercritico potrebbe ribaltare la sceneggiatura.

“L’anidride carbonica supercritica (sCO₂) i cicli energetici hanno il potenziale per ridurre il costo dell’energia solare a concentrazione (CSP) convertendo in modo molto più efficiente il calore solare ad alta temperatura in elettricità”, afferma entusiasta il Dipartimento dell’Energia.

Mettere in funzione minuscole turbine ad anidride carbonica supercritica

La vetrina del Dipartimento dell’Energia per la tecnologia sCO2 sta prendendo forma sotto forma di una nuova centrale elettrica dimostrativa da 155 milioni di dollari, equivalente a 10 megawatt. La centrale è il culmine del programma pubblico-privato STEP (Supercritical Transformational Electric Power) del Dipartimento dell’Energia, lanciato nel 2016 sotto l’ala protettrice del Laboratorio nazionale di tecnologia energetica del Dipartimento dell’Energia.

“Cicli di alimentazione basati su un sCO₂ i fluidi di lavoro hanno il potenziale per una maggiore efficienza termica e un costo di capitale inferiore rispetto ai cicli energetici all’avanguardia basati sul vapore”, spiega NETL.

“Questi potenziali benefici, combinati con i vantaggi prestazionali derivanti da un ciclo più efficiente in termini di equilibrio tra requisiti dell’impianto, consumo di carburante, emissioni, consumo di acqua e costo dell’elettricità (COE), hanno creato un ampio interesse per le sCO₂ cicli di alimentazione”, aggiungono.

L’organizzazione indipendente di ricerca e sviluppo Southwest Research Institute è uno dei partner principali del progetto insieme alle aziende GTI Energy e GE Vernova. La costruzione dell’involucro dell’edificio è avvenuta tra il 2018 e il 2020, seguita all’inizio di quest’anno dall’avvio di un compressore supercritico di CO2.

Nell’ultimo aggiornamento del SwRI, il team ha appena segnato il completamento del lavoro meccanico sul sistema, comprese le nuove turbine che sono circa 1/10 delle dimensioni di una turbina a vapore convenzionale.

Sebbene abbiano le dimensioni di una scrivania da ufficio, di un frigorifero domestico, di un pony, di una credenza o di un carrello da golf, le nuove turbine sono abbastanza potenti da generare l’equivalente di elettricità di 10.000 case tipiche.

Ecco il Texas, ancora una volta

Se tutto andrà secondo i piani, l’impianto STEP sarà pienamente operativo all’inizio del 2024. Quando lo farà, metterà il Texas sulla mappa – ancora una volta – per mostrare la nuova e potente tecnologia energetica. La struttura STEP si trova nel vasto campus SwRI a San Antonio, in Texas.

Questo fa parte di altri sviluppi in Texas. Nonostante la sua forte posizione nel settore dell’energia fossile, il Texas è emerso come leader dell’energia eolica e solare negli Stati Uniti. Anche le attività relative all’idrogeno verde e agli elettrocarburanti si stanno muovendo nello stato.

I funzionari pubblici del Texas si sono scagliati a lungo e a gran voce contro gli investimenti nelle energie rinnovabili, ma la SwRI non è timida nel suonare il corno del biossido di carbonio supercritico per sé e per i suoi partner.

“L’impianto pilota STEP Demo è uno dei più grandi impianti dimostrativi al mondo per la tecnologia sCO2, in grado di migliorare notevolmente l’efficienza, l’economia, la flessibilità operativa, i requisiti di spazio e le prestazioni ambientali di questa nuova tecnologia”, ha spiegato SwRI in un comunicato stampa lo scorso marzo.

Non si sa ancora quando o come il Dipartimento dell’Energia intende valutare la compatibilità del sistema con l’energia solare a concentrazione. Tuttavia, il collegamento è sul radar della SwRI almeno dal 2012, quando l’organizzazione ha ricevuto una sovvenzione di 8,5 milioni di dollari dal Dipartimento dell’Energia per sviluppare una turbina a CO2 supercritica da utilizzare nei sistemi solari a concentrazione.

A quella sovvenzione ne sono seguite molte altre, tra cui una da 3,5 milioni di dollari nel 2019, volta a sviluppare la connessione dell’sCO2 ai sistemi di energia solare a concentrazione.

Per collocare ancora di più il Texas sulla mappa delle energie rinnovabili, l’anno scorso SwRI ha ottenuto un premio R&D 100 dalla rivista R&D World Magazine per il suo lavoro con Hanwha Power Systems su un sistema per convertire l’energia termica in elettricità. Chiamato compander sCO2, il sistema è stato progettato specificamente per convertire il calore proveniente da un impianto di energia solare a concentrazione da 10 megawatt. Il lavoro è stato sostenuto in parte dall’Ufficio per l’efficienza energetica e l’efficienza rinnovabile del Dipartimento dell’Energia.

Dov’è il Congresso?

Naturalmente, nessuna storia sull’anidride carbonica supercritica sarebbe completa senza una menzione di quanto accaduto alla Camera dei Rappresentanti degli Stati Uniti, dove la maggioranza repubblicana ha finalmente scelto il rappresentante Mike Johnson della Louisiana per ricoprire l’importantissima posizione di Presidente la scorsa settimana. .

Si tratta di una scelta piuttosto interessante, considerando che al rappresentante Johnson è ampiamente riconosciuto il merito di aver svolto un ruolo importante nel tentativo dell’ex presidente Trump di ribaltare le elezioni del 2020, uno sforzo sostenuto da 147 membri repubblicani della Camera e del Senato in seguito alla violenta insurrezione del 6 gennaio 2021. .

Quel particolare tentativo di stravolgere gli ingranaggi della democrazia è fallito, ma la lotta per il potere è continuata in altre forme. Come dice il proverbio, non è finita finché non è finita…

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Foto (ritagliata): questo edificio a San Antonio, in Texas, ospita una centrale elettrica da 10 MWe che dimostrerà la nuova tecnologia supercritica del biossido di carbonio (fotografia del drone di Bryan Inverno, per gentile concessione di SwRI).