Die überkritische CO2-Technologie wird sich in den nächsten 10 Jahren bewährt und dann skaliert werden

Überkritisches CO2 kann die Effizienz der Wärme-Energie-Umwandlung um bis zu 39 % auf bis zu 50–60 % steigern.

Es werden Materialien mit Korrosionsbeständigkeit benötigt. Die Legierung 740 (Titan, Nickel, Chrom, Aluminium) verliert bei 750 °C etwa 1 bis 2 Mikrometer pro Jahr.

Das Energieministerium gab im Oktober 2016 bekannt, dass es einen Kraftwerksprototyp mit überkritischen CO2-Turbinen baut. Wenn das 80-Millionen-Dollar-Projekt in etwa sechs Jahren ans Netz geht, wird es 10 Megawatt Energie erzeugen – etwa genug, um ein paar tausend Haushalte zu betreiben. Überkritische CO2-Turbinen könnten nach etwa einem Jahrzehnt damit beginnen, herkömmliche Dampfturbinen massenhaft zu ersetzen.

Zwei Drittel des Stroms in den Vereinigten Staaten werden aus fossilen Brennstoffen über verbrennungsbetriebene Dampfturbinen erzeugt. Um die für einen hohen Wirkungsgrad erforderlichen hohen Temperaturen zu erreichen, muss zunächst Dampf aus flüssigem Wasser verdampft werden. Der Dampf wird weiter erhitzt, durch die Turbine entspannt und auf der anderen Seite zu Wasser kondensiert. In diesem Prozess, der Rankine-Zyklus genannt wird, ist der Verdampfungsschritt ein Phasenwechsel, der eine große Wärmezufuhr erfordert, aber keine Erhöhung der Temperatur (oder Effizienz) mit sich bringt. Fortgeschrittene Dampfturbinen versuchen, den Phasenwechsel zu vermeiden, indem sie auf überkritische Bedingungen umstellen. Versuche, Wärme bei niedrigen Temperaturen abzuführen, führen jedoch dazu, dass Teile dieses Zyklus knapp über dem kritischen Punkt des Wassers (374 °C und 218 atm) arbeiten. In der Nähe dieses Punktes steigt die Wärmekapazität des Dampfes stark an, sodass immer noch bis zu 36 % der gesamten Wärmezufuhr in einen verdampferähnlichen Niedertemperaturprozess fließen (siehe Abbildung). Durch die Umstellung von Dampf auf überkritisches CO2 (scCO2) und den Betrieb eines Brayton-Zyklus (derselbe Zyklus, der auch von Erdgasturbinen betrieben wird) kann der „Verdampfer“-Schritt vermieden werden, was die Möglichkeit bietet, unterkritische Dampfanlagen durch einen Zyklus zu ersetzen, der höher sein könnte bis zu 30 % effizienter. Es wird erwartet, dass diese Gewinne bei den kleineren Turbinengrößen, die für die Gewinnung solarthermischer Energie geeignet sind, anhalten werden.

NET Power hat ein neuartiges Energiesystem erfunden und vermarktet es, das Strom aus Erdgas erzeugt, dessen Kosten im Vergleich zu aktuellen Technologien wettbewerbsfähig sind und keine atmosphärischen Emissionen erzeugt – wodurch der Schornstein vollständig entfällt. Dieses System basiert auf einem neuen thermodynamischen Zyklus, dem Allam-Zyklus, benannt nach seinem Haupterfinder Rodney Allam.

Der Allam-Zyklus gilt als Durchbruch in der Energieerzeugungstechnologie und nutzt einen hochrekuperativen, hochrekuperativen Oxyfuel-CO2-Zyklus mit hohem Druck, der die Kohlenstoffabscheidung zu einem Teil des Kernprozesses der Energieerzeugung macht und nicht zu einem nachträglichen Gedanken. Das Ergebnis ist eine hocheffiziente Stromerzeugung, die von Natur aus ein CO2-Nebenprodukt in Pipeline-Qualität erzeugt, ohne dass die Systemleistung beeinträchtigt wird.

Das bei der Verbrennung im Allam-Zyklus erzeugte CO2 wird mehrmals zur Brennkammer zurückgeführt, wodurch ein Arbeitsmedium entsteht, bei dem es sich größtenteils um reines Hochdruck-CO2 handelt. Durch die Verwendung eines CO2-Arbeitsmediums bei sehr hohen Drücken im Gegensatz zu Dampf kann NET Power die „Phasenwechsel“ vermeiden, die dazu führen, dass Dampfkreisläufe so ineffizient sind. Anstatt einen Dampfkreislauf anzutreiben und Wärmeenergie über einen Stapel zu verlieren, hält NET Power die Wärme im System, was bedeutet, dass weniger Brennstoff benötigt wird, damit die Turbine die erforderliche Betriebstemperatur erreicht.

NET-Kraftwerke verwenden einen Prozess namens Oxy-Verbrennung, bei dem Brennstoff mit reinem Sauerstoff anstelle von Umgebungsluft verbrannt wird. Sauerstoff ist Luft vorzuziehen, da Luft zu fast 80 % aus Stickstoff besteht. Bei der Verbrennung erzeugt Stickstoff NOx, einen schädlichen Schadstoff. Durch die Oxy-Verbrennung können NET-Kraftwerke praktisch die gesamte NOx-Produktion eliminieren.

NET-Kraftwerke benötigen eine Luftzerlegungsanlage (ASU), um Sauerstoff aus der Umgebungsluft für die Sauerstoffverbrennung abzutrennen. ASUs sind bekannte Technologien, ihre Anwendung in der Energiewirtschaft wird jedoch durch hohe Kapitalkosten und Energieanforderungen behindert. NET Power meistert diese Herausforderungen auf verschiedene Weise. NET-Kraftwerke benötigen nicht die gesamte Ausrüstung, die mit einem Dampfkreislauf verbunden ist, und können daher diese „eingesparten“ Kapitalkosten nutzen, um eine Luftzerlegungsanlage hinzuzufügen, ohne die Bank zu sprengen. Darüber hinaus verfügt NET Power über einen höheren Startwirkungsgrad bzw. „Bruttowirkungsgrad“ als herkömmliche Systeme, da dampfbasierte Energieverluste eliminiert wurden. Dies bedeutet, dass NET Power-Anlagen den Energieverbrauch einer ASU absorbieren können und gleichzeitig hocheffizient bleiben.

NET Power gab im März 2016 bekannt, dass sie den Grundstein für ein einzigartiges Kraftwerk gelegt haben, das ein neues Erdgasstromsystem validieren wird, das kostengünstigen Strom ohne atmosphärische Emissionen, einschließlich Kohlendioxid, erzeugt. NET Power ist eine Zusammenarbeit zwischen Exelon Generation, CB&I und 8 Rivers Capital. Die 50-Megawatt-Demonstrationsanlage wird in La Porte, Texas, gebaut.

Brian Wang ist ein futuristischer Vordenker und ein beliebter Wissenschaftsblogger mit 1 Million Lesern pro Monat. Sein Blog Nextbigfuture.com ist der Wissenschafts-News-Blog Nr. 1. Es deckt viele bahnbrechende Technologien und Trends ab, darunter Raumfahrt, Robotik, künstliche Intelligenz, Medizin, Anti-Aging-Biotechnologie und Nanotechnologie.

Er ist dafür bekannt, Spitzentechnologien zu identifizieren und ist derzeit Mitbegründer eines Startups und einer Spendenaktion für vielversprechende Unternehmen im Frühstadium. Er ist Forschungsleiter für Allokationen für tiefgreifende Technologieinvestitionen und Angel Investor bei Space Angels.

Als häufiger Redner bei Unternehmen war er TEDx-Redner, Redner der Singularity University und Gast bei zahlreichen Interviews für Radio und Podcasts. Er ist offen für öffentliche Vorträge und Beratungsaufträge.