October 6, 2022

Selama beberapa jam pada tanggal 12 April, para insinyur di Sandia National Laboratories di New Mexico dapat mengirim elektron kembali ke jaringan listrik Pangkalan Angkatan Udara Sandia-Kirtland menggunakan sistem pembangkit listrik jenis baru. Bukti konsep kecil ini, yang diumumkan awal bulan ini, menunjukkan kepada tim bahwa sistem mereka—yang telah mereka ubah sejak 2007—stabil, dapat dikontrol, dan dapat disinkronkan dengan baik ke jaringan listrik.

Sistem baru, yang menurut tim bisa lebih efisien daripada sistem pembangkit listrik yang ada, didasarkan pada proses termodinamika yang dijelaskan melalui siklus Brayton loop tertutup, dan bekerja mirip dengan mesin jet. Sebagian besar mesin jet ditenagai oleh siklus Brayton terbuka. Udara sekitar dibawa masuk dan dikompresi. Kemudian, dipanaskan dengan bahan bakar dan diekspansi melalui turbin. Turbin itu kemudian dapat mengoperasikan generator secara mekanis untuk menghasilkan listrik (jika Anda berada di darat), atau daya dorong (jika Anda berada di pesawat terbang).

“Tahun-tahun sebelumnya, kami hanya membuat listrik, dan memasukkannya ke bank beban resistif. Itu seperti oven pemanggang roti besar, yang mengubah listrik menjadi panas,” kata Darryn Fleming, seorang insinyur mesin di Sandia National Laboratories yang mengerjakan proyek ini. “Mampu mengembalikan listrik ke jaringan adalah hasil utama dari program ini.”

Jadi, operasi mesin apa yang dijelaskan oleh siklus Brayton? “Bayangkan Anda mengambil pipa dan Anda menghubungkan [gas] pelepasan turbin kembali dengan kompresor, dan Anda menjaga fluida kerja hanya dalam satu lingkaran. Itu adalah siklus Brayton yang tertutup, ”kata Logan Rapp, seorang insinyur mekanik Sandia yang merupakan bagian dari pengujian. “Ini memiliki kompresor, turbin, dan pertukaran panas yang sama, tetapi fluida kerja selalu berada di dalam pipa.”

See also  Meta sedang menguji editor AI Wikipedia

Sistem ini dapat bekerja dengan berbagai macam gas, seperti udara, helium, nitrogen. Tim Sandia menggunakan karbon dioksida dalam keadaan superkritis, yang seperti gas, tetapi juga seperti cairan. “Ini memiliki kepadatan yang sangat tinggi, tetapi juga dapat diperluas melalui turbin seperti gas,” kata Rapp. “Jadi, kami mengurangi jumlah pekerjaan yang diperlukan untuk kompresi karena sangat padat, dan itu memungkinkan kami untuk mencapai suhu termal-ke-listrik yang lebih tinggi. [conversion] efisiensi.”

Listrik yang menggerakkan sebagian besar teknologi modern dihasilkan melalui siklus Rankin berbasis uap. Bahan bakar seperti batu bara digunakan untuk memanaskan air untuk membuat uap, yang kemudian diekspansi melalui turbin yang mengubah kerja mekanis menjadi listrik. Tetapi efisiensi termal-ke-listrik dari sistem ini sekitar 33 persen, kata Fleming. Dengan menggunakan karbon dioksida superkritis yang berada di atas 1.070 psi, dan di atas 88 derajat Fahrenheit, “di situlah Anda mencapai kepadatan 70 persen air, sehingga Anda mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi dengan sistem Anda.” Itu berarti akan mampu menghasilkan lebih banyak tenaga dengan bahan bakar yang lebih sedikit dibandingkan dengan sistem uap.

Plus, Rapp mencatat bahwa teknologi mereka adalah agnostik sumber panas, sehingga tidak harus digabungkan dengan bahan bakar fosil. “Sudah ada proposal untuk menggabungkannya dengan gas alam atau batu bara, tetapi kami didanai oleh divisi energi nuklir Departemen Energi. Jadi kami bekerja untuk memasangkannya dengan reaktor nuklir canggih, ”katanya. “Kami juga telah bekerja dengan menara surya, di mana matahari difokuskan menggunakan cermin untuk memanaskan menara pusat. Ini bekerja dengan sangat baik di aplikasi itu.”

Mereka juga secara aktif menyelidiki apakah mereka dapat memasangkan teknologi dengan pemulihan panas limbah, di mana mereka menangkap panas dari tumpukan knalpot pabrik baja dan semen untuk memberi daya pada siklus Brayton mereka.

See also  Doppelgänger dapat berbagi DNA, kata studi baru

Dalam pengujian mereka, mereka menggunakan pemanas listrik sebagai sumber bahan bakar untuk menyalakan siklus, dan mereka mengadaptasi bagian elektronik daya elevator canggih ke dalam mesin yang mereka gunakan untuk mengatur dan memberi makan listrik dari loop pengujian mereka ke grid. Meskipun kali ini, mereka mengkonsumsi lebih banyak energi daripada yang mereka masukkan kembali ke jaringan, Fleming mengatakan bahwa itu hanya cara bagi mereka untuk memodelkan sistem dalam tindakan.

Sebagai bagian dari langkah selanjutnya, tim ingin mendorong alat berat ke tingkat daya yang lebih tinggi, suhu yang lebih tinggi, dan kecepatan turbin yang lebih tinggi. Menurut hukum termodinamika, meningkatkan faktor-faktor tersebut, secara teori, memungkinkan mereka mencapai efisiensi termal-ke-listrik yang lebih tinggi. Tes terakhir memiliki efisiensi 35 hingga 40 persen, tetapi Rapp berpikir mereka dapat mencapainya hingga 50 persen dengan konfigurasi yang tepat. Selain itu, tim juga ingin mengembangkan lebih lanjut beberapa infrastruktur pendukung baru, seperti seal dan bantalan magnet, yang diperlukan untuk sistem seperti ini di tahun mendatang.