For å få solenergi til å fungere, skru opp varmen

Randy Montoya

Et 200 fots tårn står sentrert foran et felt med roterende speil på den sørlige kanten av Albuquerque, New Mexico.

Det er National Solar Thermal Test Facility, drevet av Sandia National Laboratories, hvor forskere jobber med å utvikle varmere, billigere og mer effektive teknologier for å konsentrere solenergi.

De hundrevis av speil fokuserer sollys på en mottaker på toppen av soltårnet. I konvensjonelle systemer vil dette varme opp vann eller andre væsker for å generere damp som driver en elektrisk turbin. Men her faller i stedet et forheng av fine keramiske partikler kontinuerlig gjennom den konsentrerte solstrålen. Partiklene, som ligner svart sand, kan lett nå temperaturer som er 100 ˚C varmere enn de standardvæskene. Det lover å øke den tilgjengelige energien, redusere kostnadene ved produksjon og lagring.

Denne tilnærmingen er en av tre som føderale forskere mener kan bidra til at konsentrering av solenergi endelig blir rimelig og bærekraftig. I januar i fjor, National Renewable Energy Laboratory publisert et neste generasjons demonstrasjonsveikart som fremhevet fallende partikler, systemer med smeltet salt med høyere temperatur og en gassbasert varmeoverføringsvæske som lovende veier for å produsere solvarmeenergi med seks cent per kilowattime innen 2020, et mål satt av Department of Energys SunShot Initiative i 2011.

Energidepartementet kunngjorde i september at det ville investere 62 millioner dollar i omtrent et dusin lovende prosjekter langs disse banene, noe som utløste fornyet spenning i et felt som stort sett hadde forsvunnet fra offentligheten (se Making Sense of Trumps Surprising Investment in Solar ).

Forskere ved Sandia, National Renewable Energy Laboratory, Savannah River National Laboratory og Brayton Energy har bekreftet å MIT Technology Review at de har søkt om midlene, individuelt eller som lag. Konseptpapirer var forfall tidligere denne måneden, og fristen for fullstendige søknader er medio januar 2018.

Alle i CSP ser på dette som en stor forskningsmulighet, sier Cliff Ho, en Sandia-ingeniør og hovedetterforsker av prosjektet med fallende partikler.

Den store fordelen med å konsentrere solenergi fremfor solceller er at varmeenergi kan lagres enklere og rimeligere enn elektrisitet. Det betyr at anleggene kan trappe opp eller ned produksjonen for å møte sanntidskravene til nettet, selv om natten, en fleksibilitet som solcellepaneler ikke kan matche uten store, dyre batterier eller andre begrensede former for lagring.

Relatert historie

Beslektet historie DOEs 62 millioner dollar til konsentrerte solenergiprosjekter kan presse frem en teknologi som adresserer en kritisk mangel ved solcelleanlegg.

Problemet er at det er dyrt å bygge og drifte et konsentrert solkraftverk. Ivanpah-anlegget på 2,2 milliarder dollar, 170 000 speil i Californias Mojave-ørken, eid av BrightSource, NRG og Google, er bare det siste svarte øyet for sektoren. Siden kommer på nett i 2014 har prosjektet vært plaget av høye kostnader, lav produksjon , en brann , og verktøyprovisjon trusler å stenge den. På 1980-tallet reiste Luz International ni tidligere generasjons konsentrerte solcelleanlegg i den samme ørkenen, bare for å se disse høykostnadsoperasjonene kollapse da støttende regjeringspolitikk utløp. Luz og BrightSource ble begge grunnlagt av Arnold Goldman, som døde i juni (se Chasing the Sun ).

Lazards utjevnede energikostnader Analyse fant i desember i fjor at energiproduksjonen fra et solvarmetårn med lagring løp mellom $119 og $182 per megawatt-time, sammenlignet med $48 til $78 for kombinert naturgass. Sistnevnte kostet også rundt en åttendedel så mye å bygge på kilowatt-basis, ifølge 2015 tall fra NREL.

DOE-forskere har tidligere fastslått at det første skrittet mot å forbedre effektiviteten og økonomien ved å konsentrere solenergi er å gå fra tradisjonelle dampkraftsykluser til det som er kjent som en superkritisk karbondioksid Brayton-syklus. Ved å plassere karbondioksid under høy varme og trykk, tar det på seg egenskapene til både en væske og en gass, og øker energikonverteringseffektiviteten betydelig.

TIL Vitenskap papir i mai konkluderte at en superkritisk karbondioksid Brayton-syklus kan være opptil 30 prosent mer effektiv enn konvensjonelle dampturbiner. Problemet er imidlertid at å kjøre denne strømsyklusen krever en varmekilde på minst 700 ˚C for å realisere sitt fulle potensial, samt et varmeoverføringssystem som kan fungere under så høye temperaturer.

Alle tre av NRELs fremhevede veier er forsøk på å øke temperaturen, selv om hver har sitt eget sett med løfter og utfordringer. Smeltet salt har for eksempel allerede blitt gjort, men å flytte til alternative salter som kan fungere ved høyere temperaturer vil kreve mer holdbare inneslutningsmaterialer, rør og pumper. Gass-tilnærmingen kan forfølges med relativt enkle å håndtere gasser som karbondioksid eller helium, men ytterligere forskning vil være nødvendig for å minimere strømforbruket fra sirkulering av gassene.

Relatert historie

Relatert historie Den føderale regjeringen er i ferd med å bruke milliarder av dollar på fornybar energi. I del II av serien vår om den føderale stimulansregningen ser vi på virkningen utgiftene vil ha på fremtiden til solenergi.

Mottakeren for fallende partikler på Sandia er det som er nærmest en fungerende prototype langs noen av disse banene. Ingeniører plasserte den først på tårnet ved National Solar Thermal Testing Facility i juli 2015.

Partiklene er hovedsakelig laget av alumina og jernoksid. Etter å ha falt gjennom solstrålen, sykler de tilbake til toppen på en heis, i en løkke. Teamet har oppnådd temperaturer så høye som 900 ˚C, sier Sandia-ingeniør Ho.

På dette stadiet er ikke mottakeren koblet til noen ekstra komponenter. Men teamet har jobbet i samarbeid med private entreprenører for å utvikle en varmeveksler som til slutt vil overføre varmen fra partiklene til trykksatt karbondioksid som strømmer gjennom en tilkoblet sløyfe.

En egen gruppe på Sandia har allerede vært utvikle seg og evaluere superkritiske karbondioksidsykluser. Ho sitt team har begynt å jobbe med sitt eget system spesielt for det konsentrerende solenergianlegget. De har til hensikt å koble til varmeveksleren når den kommer i mars og den superkritiske karbondioksidsløyfen kort tid etter. Ho sier han håper å slå på det integrerte systemet neste sommer.

gjemme seg