Esta nueva generación de generadores puede funcionar con casi cualquier combustible

Jul 04, 2023

El generador lineal de Mainspring puede acelerar la transición a una red eléctrica sin carbono

Los técnicos trabajan en el marco de un núcleo de generador lineal.

Es enero de 2030 y su bomba de calor eléctrica está calentando la casa mientras su automóvil eléctrico se carga en el garaje, todo alimentado por paneles solares en su techo y por generadores eólicos y solares en su empresa de servicios públicos local. No importa que haya estado lloviendo durante dos semanas porque su empresa de servicios públicos está aprovechando el amoníaco producido con la luz del sol del verano pasado. Está consumiendo ese amoníaco en un generador lineal.

El generador lineal puede cambiar rápidamente entre diferentes tipos de combustible verde (y no tan verde, si es necesario), incluidos biogás, amoníaco e hidrógeno. Tiene el potencial de hacer que el sistema de energía descarbonizado esté disponible, sea confiable y resistente contra los caprichos del clima y del suministro de combustible. Y no es una fantasía; ha sido desarrollado, probado e implementado comercialmente.

Los cofundadores de Mainspring Energy, de la cual soy uno, pasaron 14 años desarrollando esta tecnología y en 2020 comenzamos a implementarla comercialmente. Actualmente está instalado en decenas de sitios, produciendo de 230 a 460 kilovatios en cada uno. Esperamos que los generadores lineales en muchas más ubicaciones entren en funcionamiento durante el próximo año.

La historia del generador lineal comenzó hace casi dos décadas en el Laboratorio de Sistemas de Energía Avanzados de la Universidad de Stanford, cuando el profesor de ingeniería mecánica Christopher Edwards nos preguntó a algunos de nosotros Ph.D. estudiantes una simple pregunta: "¿Cuál es la forma más eficiente y práctica posible de convertir la energía de enlace químico en trabajo útil?"

Comenzamos considerando las celdas de combustible, ya que pueden ser muy eficientes. Pero las celdas de combustible usan catalizadores para desencadenar las reacciones químicas que liberan energía, y los catalizadores generalmente cuestan mucho, se degradan con el tiempo y responden mal a cambios rápidos en la carga. Así que empezamos a buscar una alternativa.

Sabíamos que podíamos desencadenar la liberación de energía simplemente comprimiendo una mezcla de aire y combustible. Así es como funcionaría.

La reacción eficiente, limpia y sin llamas en el corazón del generador Mainspring funciona con casi cualquier combustible, incluido el amoníaco sin carbono, como se muestra aquí. El amoníaco reacciona con el oxígeno del aire para producir gas nitrógeno y agua, y la fuerza resultante empuja contra las paredes de la caja. Muelle real

Primero, el combustible y el aire ingresan a una cámara cerrada con paredes finales móviles. Luego, esas paredes de los extremos se mueven una hacia la otra, comprimiendo la mezcla de combustible y aire. Mientras esto sucede, las moléculas dentro de la mezcla chocan cada vez más rápido, hasta que finalmente se separan y se vuelven a formar en diferentes moléculas, liberando la energía almacenada en sus enlaces químicos. Esa energía hace que las nuevas moléculas choquen aún más rápido y con mayor frecuencia, no solo consigo mismas sino también con las paredes de la cámara, elevando la presión en la cámara. Todo sucede sin una chispa o cualquier otra fuente de ignición.

La presión empuja las paredes hacia afuera con más fuerza que la necesaria para empujarlas hacia adentro al comienzo del ciclo. Una vez que estas paredes alcanzan su posición inicial, y la presión dentro de la cámara vuelve a su estado inicial, entra un nuevo lote de combustible y aire, empujando las moléculas creadas por el ciclo anterior fuera de la cámara y comenzando todo el proceso. Esa es la teoría. Para probarlo, en 2008 construimos un aparato capaz de comprimir un volumen 100 veces mayor que el valor inicial y luego volver a expandirse. Utilizamos un tubo metálico de dos metros de largo y 50 milímetros de diámetro, con una pared cerrada en un extremo y un taco metálico como pared móvil. Esta disposición funciona como un pistón que comprime un gas dentro de un cilindro en un motor, aunque ahí es donde terminan las similitudes: el "pistón" en nuestro dispositivo no estaba conectado a un cigüeñal ni a nada en absoluto. Discutiré en un momento las limitaciones de este tipo de arquitectura de motor para este tipo de reacción y cómo las solucionamos con un nuevo tipo de máquina. Pero era un buen lugar para empezar.

Nuestro primer dispositivo era muy simple: solo podía ejecutar un "disparo" a la vez y no producía electricidad; es decir, no cosechamos la energía producida. Pero podríamos usarlo para medir la eficiencia de la reacción, es decir, el empuje adicional que se debe aplicar a la pared móvil durante la expansión en relación con la cantidad de combustible que se utilizó. Y los resultados fueron excelentes, el dispositivo fue eficiente como pila de combustible, tal como esperábamos. Ahora teníamos que construir una versión que pudiera generar electricidad y funcionar durante años a un costo razonable. En 2010, Shannon Miller, Adam Simpson y yo incorporamos Mainspring Energy para construir un sistema del mundo real. Khosla Ventures proporcionó nuestro capital semilla inicial; hasta la fecha, hemos recaudado más de US $ 500 millones de una variedad de inversores, incluidos Khosla, American Electric Power, Bill Gates y NextEra Energy.

Los generadores que utilizan la reacción de compresión sin llama se habían construido antes en laboratorios de investigación, basados ​​en una arquitectura de motor de combustión convencional, pero estaban limitados por la dificultad de controlar la reacción en este tipo de aparatos. Para ser eficiente, la mezcla debe comprimirse lo suficiente para iniciar la reacción. Si la compresión continúa después de que ocurre la reacción, lucha contra la presión generada por la reacción, desperdiciando energía. Si la compresión se detiene demasiado pronto, la reacción nunca ocurre.

Esta compresión óptima varía según las condiciones, comenzando con la elección del combustible: el hidrógeno, por ejemplo, reacciona con menos compresión que el amoníaco. Correr a una potencia de salida parcial en lugar de a plena potencia o correr en un día caluroso en lugar de uno frío, también cambia la compresión óptima.

Un motor convencional recolecta energía cuando la presión adicional generada por la reacción empuja un pistón, que empuja una biela para hacer girar un cigüeñal. La geometría del cigüeñal obliga al pistón a seguir siempre el mismo movimiento y, por lo tanto, la misma cantidad de compresión, pase lo que pase. Tal motor no puede adaptarse a los cambios en la compresión requerida, y eso dificulta el control de la reacción.

Entonces, en lugar de imitar un motor, diseñamos una nueva máquina que vincula el movimiento de compresión y expansión directamente con la generación de electricidad y, al hacerlo, proporciona el control de reacción necesario. Esta máquina terminó luciendo completamente diferente a un motor convencional y casi sin tener partes en común. Entonces sentimos que se necesitaba un nuevo nombre, y lo llamamos generador lineal.

Imagine una serie de cinco conjuntos cilíndricos dispuestos en línea, sostenidos dentro de un marco en forma de caja. El tubo central es la cámara de reacción; es donde van el combustible y el aire. A cada lado se encuentra una máquina electromagnética lineal (LEM) que convierte el empuje de la presión directamente en energía eléctrica. En cada extremo del generador hay una cámara cilíndrica llena de aire que actúa como un resorte para hacer rebotar la parte móvil del LEM hacia el centro. Todo el arreglo (dos cámaras de aire, dos LEMS y una cámara de reacción) forma un núcleo de generador lineal. Es largo y delgado: una máquina con una potencia nominal de 115 kW mide aproximadamente 5,5 metros de largo y aproximadamente 1 metro de alto y ancho.

El LEM, en principio, es un motor eléctrico que se ha desenrollado para formar una línea en lugar de un círculo. Consta de una parte móvil, el traductor, y una parte estacionaria, el estator. El traductor es un tubo largo y recto con una serie de imanes permanentes de neodimio adheridos al perímetro, cerca del centro. Una placa de extremo tapa cada tubo traductor y sella la superficie interior de la cámara de reacción. El extremo tapado del traductor hace la compresión real, como lo haría el pistón en un motor, pero tiene un diseño muy diferente. El estator es una serie de bobinas de cobre. A medida que el traductor se mueve de un lado a otro en línea recta dentro de las bobinas, los imanes generan corriente que alimenta un bus de CC de 800 voltios.

En el generador lineal de Mainspring, dos traductores se mueven dentro de una zona de reacción central ubicada entre dos cámaras de aire exteriores. Un conjunto de bobinas de cobre estacionarias rodea cada traductor, formando una máquina electromagnética lineal (LEM). Un ciclo comienza con la introducción de aire y combustible en la zona de reacción central. La energía almacenada en los resortes de aire de un ciclo anterior comprime la mezcla hasta que se produce una reacción sin llama. La reacción hace retroceder a los traductores, a los que se unen los imanes, a través de las bobinas de cobre, produciendo electricidad. La fuerza de este movimiento también comprime las cámaras de aire, preparando el sistema para el próximo ciclo.RESORTE PRINCIPAL

Funciona más bien como el frenado regenerativo. El motor de un automóvil eléctrico actúa a la inversa, como un generador, para convertir el movimiento del automóvil en electricidad, para alimentar las baterías. Aquí, el LEM convierte la energía cinética del traductor en electricidad.

Nuestra computadora de control ajusta inmediatamente el flujo de corriente a través de las bobinas a través de una serie de transistores de conmutación de potencia para hacer que el LEM aplique más o menos fuerza. El LEM puede alcanzar una posición de giro deseada dentro de aproximadamente 1/10 de milímetro, luego apuntar y alcanzar una posición de giro diferente en el próximo ciclo. El sistema determina una posición de giro en la que el nivel de compresión desencadena la reacción justo antes del final de la carrera, el punto más eficiente.

Esta capacidad de ajustar la compresión de forma automática y rápida es notable de dos maneras.

Primero, el generador mantiene el proceso de reacción óptimo a lo largo de todo el rango de carga, desde inactivo hasta plena potencia, para seguir la demanda. Por ejemplo, si la demanda de energía cae, el combustible fluirá más lentamente y, por lo tanto, las moléculas de combustible estarán un poco más diluidas; necesitarán un poco más de compresión y nuestro sistema proporcionará la cantidad justa.

Un ejemplo del mundo real del sistema que funciona de esta manera combina nuestros generadores con un panel solar de techo de 3,3 megavatios. Cuando brilla el sol, nuestros generadores se apagan, y cuando el sol se pone o se esconde detrás de una nube, nuestros generadores se encienden automáticamente en segundos, proporcionando inmediatamente tanta energía como requiere el edificio.

Proporcionar la compresión que se necesita, justo cuando se necesita, también desbloquea la capacidad de operar de manera eficiente utilizando combustibles que tienen propiedades muy diferentes. Por ejemplo, el hidrógeno reacciona con poca compresión, pero el amoníaco requiere mucha. El generador lineal es independiente del combustible: puede funcionar con una amplia gama de combustibles, incluidos gas natural, biogás, hidrógeno, amoníaco, gas de síntesis e incluso alcoholes sin comprometer el rendimiento.

Ese es el LEM. Las piezas restantes de la arquitectura surgieron mientras trabajábamos para mantener la eficiencia inherente de la reacción en una máquina real que tiene pérdidas mínimas como la fricción y la transferencia de calor mientras funciona de manera confiable durante miles de millones de ciclos.

Una de las elecciones más importantes que tuvimos que hacer fue el diseño general de la máquina. Sabíamos que el gas presurizado tenía que empujar una pared móvil conectada directamente a una fuerza electromagnética, pero había varias formas de lograrlo. Durante el primer año, los fundadores, junto con otros siete ingenieros, pasamos muchas horas en una pizarra considerando nuestras opciones. En última instancia, elegimos un diseño simétrico con dos traductores reunidos en un solo cilindro central. Nuestra mezcla aire-combustible, ligeramente presurizada, entra por los agujeros de uno de los extremos. Cuando los traductores se alejan de ese extremo, estos orificios quedan descubiertos y, debido a que la mezcla fresca está a una presión ligeramente más alta, fluye hacia el cilindro, empujando los materiales usados ​​hacia afuera por los orificios del otro extremo.

Esta opción reemplaza el tren de válvulas del motor convencional (válvulas, asientos, guías, sellos, resortes, balancines, árbol de levas, cojinetes, cadena de distribución y lubricación con aceite) con un simple conjunto de orificios en la pared del cilindro. Otra ventaja de combinar dos traductores en un solo cilindro es la reducción de las pérdidas por transferencia de calor a casi la mitad.

Un técnico en una de las instalaciones de Mainspring Energy en Menlo Park, California, dirige el aire comprimido desde una cámara de aire hasta los cojinetes de un generador.

TOMA CREATIVA

Un estator se coloca en preparación para el montaje.

MUELLE REAL

Un técnico prepara alambres de cobre para enrollarlos en bobinas

MUELLE REAL

Un pórtico mueve un núcleo completo por la planta de fabricación para el ensamblaje final

MUELLE REAL

Nuestra última gran elección de diseño fue agregar una cámara de aire a cada extremo del generador. A medida que los traductores se mueven hacia afuera durante la parte de expansión del ciclo, los extremos exteriores de los traductores comprimen el aire en las cámaras exteriores, almacenando así una fracción de la energía de reacción. Esta energía almacenada se recupera después, cuando el aire comprimido empuja los traductores hacia el centro para iniciar el siguiente ciclo de compresión. Es la misma idea que almacenar energía comprimiendo y soltando un resorte mecánico. De esta forma, los LEM pueden aplicar sus fuerzas de frenado y generar energía en ambas direcciones, lo que nos permite reducir su tamaño a la mitad.

También dejamos que una pequeña cantidad de este aire presurizado salga de nuestro sistema para alimentar los cojinetes de aire. En comparación con los cojinetes lubricados con aceite, los cojinetes de aire tienen menor fricción y sellos más simples. Funcionan como un juego de air hockey, donde una serie de pequeños agujeros crea una película de aire presurizado sobre la que flota el disco.

En 2012, aproximadamente un año y medio después de nuestra ronda inicial de $10 millones, completamos el primer prototipo que generó energía. Apagó sólo 1 kW.

Un par de días después de haberlo hecho funcionar por primera vez, uno de nuestros inversionistas nos informó que planeaba visitar nuestra sede de Menlo Park, California, para verlo funcionar. El ingeniero que había realizado la mayor parte del diseño eléctrico se dio cuenta de que, para una demostración, necesitábamos una forma de verlo producir energía, así que corrió a una ferretería cercana, compró un par de luces de trabajo halógenas y las conectó directamente a el autobús eléctrico. Aunque apenas más impresionante que el proyecto de ciencias de la escuela en el que una papa enciende una bombilla, demostró que nuestro diseño funcionó.

Pero la producción estaba muy lejos de nuestro objetivo comercial, 200 kW, un número que habíamos elegido porque proporcionaría suficiente energía para una tienda minorista típica.

Nuestro próximo hito llegó a fines de 2013, cuando construimos una máquina de 50 kW. Y... no funcionó en absoluto.

Tenía un problema inicial no poco común con equipos de gran potencia. Un conjunto de bobinas que conmutan alto voltaje a una frecuencia relativamente alta genera mucho ruido eléctrico. En nuestro dispositivo, se retroalimentó a nuestro sensor de posición y provocó que el LEM vibrara, creando un sonido que llamamos "los crujientes". Nuestros ingenieros eléctricos y de control pudieron resolver el problema y eliminarlo.

Pero luego chocamos con una pared, literalmente: el costado del traductor rasparía la pared del cilindro cada vez que tratáramos de producir más de unos pocos kilovatios.

Los segmentos superpuestos en el diseño de sellado patentado de Mainspring permiten que el anillo mantenga su eficiencia incluso cuando se desgasta. El dispositivo no requiere lubricante añadido. MUELLE REAL

Para explicar lo que sucedió, necesito describir un componente más de nuestro generador lineal: el sello entre el traductor y la pared del cilindro. Este sello existe para evitar que el gas presurizado se escape mientras permite que el traductor se deslice.

Por lo general, usaría una capa de aceite líquido entre las dos partes para evitar la fricción. Pero recuerde, estamos agregando aire fresco y combustible al cilindro a través de orificios en la pared del cilindro, y si usáramos un lubricante líquido en esta disposición, sería casi imposible evitar que entre en la mezcla de combustible y se queme durante el proceso. proceso de reacción, creando emisiones nocivas.

Así que decidimos desarrollar un sistema de sellado sin aceite. Funcionó bien en nuestro dispositivo de 1 kW, por lo que escalamos el mismo diseño para el modelo de 50 kW. Pero aunque la máquina se hizo más grande, los requisitos de espacio libre se mantuvieron iguales en un sentido absoluto y, por lo tanto, fueron más estrictos en un sentido relativo. Eso permitió que pequeñas distorsiones en los componentes crearan puntos de fricción, lo que provocó más distorsiones y terminó con un problema de raspado descontrolado.

Después de meses de probar varios ajustes, aún no podíamos correr más allá del 20 por ciento de la potencia máxima sin raspar. Así que desechamos el antiguo diseño de sellado y comenzamos de nuevo. Terminamos inventando un conjunto único de anillo de sellado de carbono que flota independientemente del traductor, uno que puede expandirse a medida que se desgasta, manteniendo así su sello.

Esto solucionó el problema y, en unos meses más, estuvimos funcionando a plena potencia durante cientos de horas. El siguiente gran paso de escalamiento, de 50 kW a 100 kW, fue menos difícil y culminó en nuestro primer prototipo oficial, que instalamos en el estacionamiento detrás de nuestro edificio.

Todavía necesitábamos hacer que el generador lineal fuera asequible. La tecnología tenía la ventaja de utilizar menos piezas que motores o turbinas y carecía del costoso catalizador de las pilas de combustible. Pero teníamos que resolver el diseño del paquete, la ingeniería para la fabricación de alto volumen y la cadena de suministro de un producto que decidimos que consistiría en dos generadores lineales uno al lado del otro para una potencia total de 230 kW. Cometimos algunos errores en el camino.

Uno importante involucró nuestros esfuerzos para reducir el costo de conectar físicamente la matriz de imanes al exterior del tubo traductor. En los prototipos, aseguramos los imanes contra el tubo enrollando fibra de Kevlar impregnada con resina alrededor del exterior de los imanes pegados. En nuestro primer intento de reducción de costos, cambiamos a una envoltura de tela impregnada que se colocaba con mayor rapidez y facilidad, pero después de construir un par de unidades con este enfoque, descubrimos que los imanes se aflojaban debajo de la envoltura. Así que volvimos al enfoque de Kevlar enrollado y finalmente redujimos su costo al desarrollar un proceso de bobinado automatizado.

El primer producto comercial de Mainspring Energy contiene dos núcleos de generadores lineales. Esta unidad, instalada afuera de una tienda en el norte de California, puede producir hasta 230 kilovatios de energía.

Finalmente, en junio de 2020, en medio de la pandemia de COVID, un equipo llevó un camión de plataforma a nuestra sede de Silicon Valley, cargó el primer generador lineal de producción en el mundo y lo condujo 30 kilómetros hasta la casa de un cliente que paga. sitio: parte de una cadena minorista nacional. Un par de días después activamos el interruptor, ¡y estábamos en el negocio! Unos meses más tarde, entregamos nuestra segunda unidad a una tienda Kroger en el sur de California y, poco después, un par de unidades fueron a una instalación de almacenamiento en frío de Lineage Logistics.

Cuando comenzamos la empresa, optimizamos el primer generador para gas natural porque entonces estaba más disponible, era menos costoso y relativamente limpio. Aunque produce emisiones de carbono, la eficiencia de nuestro sistema lo hace más ecológico que los generadores tradicionales a los que reemplaza.

Vemos nuestro generador lineal como la piedra angular de una red sin emisiones de carbono debido a su flexibilidad única: puede manejar casi cualquier escala de energía, desde unidades individuales hasta arreglos conectados a la red; se permite e instala fácilmente donde se necesita energía; y funciona con casi cualquier combustible. Hemos hecho funcionar una de nuestras unidades de stock con hidrógeno y con amoníaco anhidro. Tenemos un proyecto de cliente que funciona con biogás renovable en un vertedero. Planeamos comenzar a operar otros proyectos de biogás en plantas de tratamiento de aguas residuales y digestores de desechos lácteos este año. Nos estamos preparando para implementar conjuntos de hasta docenas de generadores para operaciones a gran escala, como la carga de camiones eléctricos. Y ahora estamos diseñando versiones más grandes a escala de servicios públicos en el rango de salida de megavatios. Todos estos utilizarán la misma tecnología central sin ningún cambio radical en el diseño.

Y sí, profesor Edwards, creemos que hemos respondido esa pregunta que publicó hace unos 20 años: "¿Cuál es la forma más eficiente y práctica posible de convertir la energía de un enlace químico en trabajo útil?" Es el generador lineal.