För att få solenergin att fungera, skruva upp värmen

Randy Montoya

Ett 200 fots torn står centrerat framför ett fält av roterande speglar på den södra kanten av Albuquerque, New Mexico.

Det är National Solar Thermal Test Facility, som drivs av Sandia National Laboratories, där forskare arbetar med att utveckla hetare, billigare och effektivare teknologier för att koncentrera solenergi.

De hundratals speglarna fokuserar solljus på en mottagare på toppen av soltornet. I konventionella system skulle detta värma vatten eller andra vätskor för att generera ånga som driver en elektrisk turbin. Men här faller istället en gardin av fina keramiska partiklar genom den koncentrerade solstrålen. Partiklarna, som liknar svart sand, kan lätt nå temperaturer som är 100 ˚C varmare än de vanliga vätskorna. Det lovar att öka den tillgängliga energin, minska kostnaderna för produktion och lagring.

Detta tillvägagångssätt är ett av tre som federala forskare tror kan hjälpa att koncentrera solenergin äntligen bli prisvärd och hållbar. I januari förra året, National Renewable Energy Laboratory publiceras en nästa generations demonstrationsfärdkarta som lyfte fram fallande partiklar, smältsaltsystem med högre temperatur och en gasbaserad värmeöverföringsvätska som lovande vägar för att producera solvärmeenergi med sex cent per kilowattimme till 2020, ett mål som satts av Department of Energys SunShot Initiative 2011.

Department of Energy tillkännagav i september att de skulle investera 62 miljoner dollar i ett dussin lovande projekt längs dessa vägar, vilket utlöste förnyad spänning på ett område som till stor del hade bleknat från allmänhetens syn (se Making Sense of Trumps Surprising Investment in Solar ).

Forskare vid Sandia, National Renewable Energy Laboratory, Savannah River National Laboratory och Brayton Energy har bekräftat att MIT Technology Review att de har ansökt om fonderna, individuellt eller som team. Konceptpapper var förfallna tidigare denna månad, och sista ansökningsdag för fullständiga ansökningar är mitten av januari 2018.

Alla i CSP ser på detta som en stor forskningsmöjlighet, säger Cliff Ho, Sandia-ingenjör och huvudutredare för projektet med fallande partiklar.

Den stora fördelen med att koncentrera solel framför solceller är att värmeenergi kan lagras lättare och billigare än el. Det betyder att anläggningarna kan öka eller minska produktionen för att möta realtidskraven från nätet, även på natten, en flexibilitet som solpaneler inte kan matcha utan stora, dyra batterier eller andra begränsade former av lagring.

Relaterad berättelse

Relaterad historia DOE:s 62 miljoner dollar till koncentrerade solenergiprojekt kan driva fram en teknik som åtgärdar en kritisk brist hos solceller.

Problemet är att det är dyrt att bygga och driva ett koncentrerat solkraftverk. Den 2,2 miljarder dollar, 170 000 speglar Ivanpah-fabriken i Kaliforniens Mojave Desert, som ägs av BrightSource, NRG och Google, är bara det senaste blåögat för sektorn. Eftersom kommer online under 2014 har projektet plågats av höga kostnader, låg produktion , en eld , och bruksprovision hot att stänga av den. På 1980-talet byggde Luz International nio tidigare generationers koncentrerade solcellsanläggningar i samma öken, bara för att se dessa högkostnadsoperationer kollapsa när stödjande regeringspolitik upphörde. Luz och BrightSource grundades båda av Arnold Goldman, som dog i juni (se Chasing the Sun ).

Lazards utjämnade energikostnad Analys fann i december förra året att energiproduktionen från ett solvärmetorn med lagring uppgick till mellan $119 och $182 per megawattimme, jämfört med $48 till $78 för kombinerad naturgas. Den senare kostade också ungefär en åttondel så mycket att bygga på kilowattbasis, enligt 2015 års siffror från NREL.

DOE-forskare har tidigare fastställt att det första steget mot att förbättra effektiviteten och ekonomin för att koncentrera solenergi är att gå från traditionella ångkraftcykler till vad som kallas en superkritisk koldioxid-Brayton-cykel. Genom att placera koldioxid under hög värme och högt tryck antar den egenskaperna hos både en vätska och en gas, och ökar energiomvandlingen avsevärt.

TILL Vetenskap papper i maj avslutade att en braytoncykel med superkritisk koldioxid skulle kunna vara upp till 30 procent effektivare än konventionella ångturbiner. Problemet är dock att att köra denna kraftcykel kräver en värmekälla på minst 700 ˚C för att realisera sin fulla potential, samt ett värmeöverföringssystem som kan fungera under så höga temperaturer.

Alla tre av NRELs markerade vägar är ansträngningar för att höja temperaturen, även om var och en har sin egen uppsättning löften och utmaningar. Smält salt har till exempel redan gjorts, men att flytta till alternativa salter som kan arbeta vid högre temperaturer kommer att kräva mer hållbara inneslutningsmaterial, rör och pumpar. Gasmetoden skulle kunna eftersträvas med relativt lätthanterliga gaser som koldioxid eller helium, men ytterligare forskning kommer att behövas för att minimera kraftuttaget från att cirkulera gaserna.

Relaterad berättelse

Relaterad berättelse Den federala regeringen är på väg att spendera miljarder dollar på förnybar energi. I del II av vår serie om den federala stimulansräkningen tittar vi på vilken inverkan utgifterna kommer att ha på framtiden för solenergi.

Mottagaren för fallande partiklar på Sandia är det som ligger närmast en fungerande prototyp längs någon av dessa vägar. Ingenjörer placerade den först på tornet vid National Solar Thermal Testing Facility i juli 2015.

Partiklarna är främst gjorda av aluminiumoxid och järnoxid. Efter att ha fallit genom solstrålen åker de tillbaka till toppen med en hiss, i en slinga. Teamet har nått så höga temperaturer som 900 ˚C, säger Sandias ingenjör Ho.

I detta skede är mottagaren inte ansluten till några ytterligare komponenter. Men teamet har arbetat i samarbete med privata entreprenörer för att utveckla en värmeväxlare som så småningom kommer att överföra värmen från partiklarna till trycksatt koldioxid som strömmar genom en ansluten slinga.

En separat grupp på Sandia har redan varit utvecklande och utvärdering av superkritiska koldioxidcykler. Hos teamet har börjat arbeta på sitt eget system specifikt för den koncentrerade solenergianläggningen. De tänker ansluta värmeväxlaren när den kommer i mars och den superkritiska koldioxidslingan strax därefter. Ho säger att han hoppas kunna slå på det integrerade systemet nästa sommar.

Dölj