Door het gebruik van superkritisch koolstofdioxide kan het rendement van elektriciteitscentrales flink omhoog, zo blijkt uit een proefproject van het Amerikaanse onderzoeksinstituut Sandia National Laboratories.

Het Amerikaanse onderzoeksinstituut Sandia National Laboratories begint een demonstratiefase van een project voor de opwekking van elektriciteit op basis van een Brayton-cyclus met superkritisch CO2. De voordelen zijn groot: bij een gasturbine neemt de efficiency met veertig procent toe en ook bij zonthermische krachtcentrales stijgt het rendement sterk, zegt Sandia. Ten opzichte van de gangbare, door stoom aangedreven Rankine-cyclus is deze nieuwe aanpak ook gunstig, omdat er minder corrosie optreedt en er veel minder ruimte nodig is.

De superkritische eigenschappen van koolstofdioxide bij temperaturen boven vijfhonderd graden Celsius en een druk boven 76 bar maken het mogelijk dat een centrale met een erg hoge thermische efficiency werkt. Een superkritisch gas heeft de dichtheid van een vloeistof en de eigenschappen van een gas.

Het onderzoek van Sandia richt zich vooral op de ontwikkeling van de benodigde onderdelen. Het gaat hierbij om compressortechnologie die in staat is om te werken bij zeer hoge vermogensdichtheden, hoge snelheden, hoge drukken en hoge vloeistofdichtheden. Sandia gaat bij een testopstelling onder meer de compressor testen, die in de laatste configuratie is uitgerust met luchtlagers, een hogesnelheid-generator met permanente magneten, en labyrint-luchtafdichtingen om de druk bij de rotorruimtes te verminderen.

Dr.ir. Piero Colonna van de Mechanical, Maritime and Materials Engineering Faculty van de TU Delft is erg gecharmeerd van het idee om superkritisch koolstofdioxide te gebruiken. ‘Een paar jaar geleden is MIT begonnen met het bestuderen van deze techniek, daarna volgde Sandia National Laboratories’, aldus Colonna. ‘Ook zijn we bij de TU Delft al enkele jaren geleden gestart met fundamenteel onderzoek op dit gebied, waarbij we ons vooral richten op de vloeistofdynamica van superkritische gassen. Deze kennis is van groot belang voor het ontwerp van de compressor, een van de kritische componenten van een installatie.’

Volgens Colonna is een lastige eigenschap van een superkritisch gas dat dicht bij het kritische punt kleine variaties in bijvoorbeeld de temperatuur of de druk kunnen leiden tot grote variaties in de eigenschappen van het gas, zoals de dichtheid en de specifieke warmte. ‘De onderzoekers van Sandia zijn erg geïnteresseerd in de uitkomsten van ons onderzoek’, aldus Colonna. ‘Ze hebben ons informatie over hun compressor gestuurd, we gaan aan de hand van vloeistofdynamische simulaties het ontwerp beoordelen.’ Colonna schat dat het nog minstens vijf jaar zal duren voordat de superkritische centrale van Sandia marktrijp is.