O laboratório já está com toda a infraestrutura para chegar a 1 MW.
[Imagem: Randy Montoya/Sandia]

Ciclo Brayton

Engenheiros do Laboratório Nacional Sandia, nos EUA, conectaram pela primeira vez à rede de distribuição de energia um novo sistema de geração termoelétrica de eletricidade.

O sistema usa dióxido de carbono (CO2) supercrítico aquecido, em vez de vapor, para gerar eletricidade, sendo baseado em um ciclo de Brayton de circuito fechado.

O ciclo Brayton deve seu nome ao engenheiro George Brayton, que, no século 19, desenvolveu ummétodo para usar fluido quente e pressurizado para girar uma turbina, de modo muito parecido com um motor a jato.

Já o dióxido de carbono supercrítico é um material não tóxico e estável, com o CO2 submetido a uma pressão tão alta que ele passa a se comportar simultaneamente como um líquido e como um gás. Esse dióxido de carbono, que fica dentro do sistema e não é liberado como gás de efeito estufa, pode ficar muito mais quente que o vapor, chegando aos 700 ºC.

Parcialmente por causa desse calor, o ciclo Brayton tem o potencial para ser muito mais eficiente em transformar o calor de usinas de energia - nuclear, gás natural ou mesmo solar concentrado - em eletricidade do que o tradicional ciclo Rankine, baseado em vapor.

Como se perde muita energia transformando vapor de volta em água no ciclo Rankine, no máximo um terço da energia do vapor pode ser convertida em eletricidade. Em comparação, o ciclo Brayton tem uma eficiência de conversão teórica superior a 50%.

Em um ciclo de Brayton de circuito fechado, o CO2 supercrítico é aquecido por um trocador de calor e faz girar uma turbina. Depois que o CO2 sai da turbina, ele é resfriado em um recuperador, antes de entrar em um compressor. O compressor leva o CO2 supercrítico até a pressão necessária, entra em contato com o calor residual no recuperador e então retorna ao aquecedor para continuar o ciclo - o recuperador é um elemento essencial para aumentar a eficiência geral do sistema.

Esquema do sistema de geração termoelétrica baseado em um ciclo Brayton de circuito fechado.
[Imagem: Sandia]

Rumo a 1 MW

Neste primeiro teste pra valer, a equipe aqueceu seu sistema de CO2 supercrítico a pouco mais de 300 ºC e forneceu energia à rede por quase uma hora, produzindo até 10 quilowatts.

Dez quilowatts não é muita eletricidade - uma casa média usa cerca de 30 quilowatts-hora por dia - mas é um passo significativo quando se vê que, durante anos, a equipe despejou a eletricidade produzida em seus testes em um banco de carga resistivo, parecido com uma torradeira.

A equipe agora vai se preparar para trabalhar em temperaturas mais altas - acima dos 500 ºC - e operar com duas turbinas para criar um sistema de recompressão, o que deverá ser mais eficiente. O objetivo da equipe é demonstrar um sistema de ciclo Brayton de CO2 supercrítico de 1 megawatt até meados de 2024.

"Estamos nos esforçando para chegar aqui há vários anos, e poder demonstrar que podemos conectar nosso sistema por meio de um dispositivo comercial à rede é a primeira ponte para uma geração de eletricidade mais eficiente," disse Rodney Keith, chefe do projeto. "Talvez seja apenas uma ponte flutuante, mas é definitivamente uma ponte. Pode não parecer super significativo, mas foi um caminho e tanto para chegar aqui. Agora que podemos atravessar o rio, podemos avançar muito mais."