CO2 supercrítico: El fluido del futuro para la generación de electricidad en las plantas termosolares actuales

 [Autor: Miguel A. Reyes-Instituto IMDEA Energía]

El actual uso de la Energía Solar de Concentración (CSP) está representando un hito en los sistemas de producción de electricidad para el nuevo milenio. Su potencial como una fuente de energía limpia y renovable, unido a la posibilidad del almacenamiento de grandes cantidades de energía ha sido ya probado comercialmente. A día de hoy, el coste de producción de la electricidad mediante esta tecnología  todavía no es competitivo comparado con la producción mediante combustibles fósiles. Por esta razón, muchos estudios están siendo llevados a cabo en el campo de la energía termosolar para alcanzar el abaratamiento en los costos de producción de la electricidad. Estos estudios están centrados en la mejora del rendimiento de los diversos componentes de la planta termosolar (campo de heliostatos, receptor central, sistemas de almacenamiento térmico, intercambiadores de calor, bloque de potencia y sistemas de control).

En el marco del proyecto regional ALCCONES, la investigación está centrada en el desarrollo de nuevos receptores, el diseño de sistemas de almacenamiento térmico avanzados y una mejor comprensión en la integración del bloque de potencia en plantas solares. Por lo que respecta al bloque de potencia, se están investigando nuevos fluidos de trabajo que permitan obtener mayores rendimientos en la conversión termoeléctrica. En este contexto, se ha encontrado que el dióxido de carbono (CO2) cuando se mantiene en unas condiciones de temperatura y presión por encima de su punto crítico (73bar y 32ºC) se comporta de una forma peculiar. Este nuevo estado, es conocido como fluido supercrítico (sCO2) y puede utilizarse para mover un ciclo Brayton modificado tal como han propuesto diversos estudios [1,2].

Esta nueva sustancia ha mostrado el potencial de conseguir rendimientos en la conversión termoeléctrica muy altos para niveles de temperatura intermedios (cerca del 50%, lejos del rango habitual del 40%-45% observado con los ciclos de potencia convencionales). Tales niveles de rendimiento son explicados por las grandes variaciones en densidad y calor específico del sCO2 lo que conlleva que mucha más energía pueda ser extraída en la turbina en comparación con la consumida por el proceso de compresión. Además, las altas densidades del sCO2 conllevan a un diseño de la turbomaquinaria muy compacto en comparación con las utilizadas actualmente en ciclos de vapor, aire o helio como fluidos de trabajo, tal como se muestra en la figura siguiente [3].

Figura: Representación a escala de turbinas para diferentes fluidos de trabajo (vapor, Helio y sCO2).

Los estudios de investigación también han mostrado que pequeños cambios en las condiciones de operación del fluido pueden tener un efecto importante en el rendimiento del ciclo. En este contexto, la investigación se está centrando en el diseño detallado de los componentes de una planta termosolar trabajando con CO2 supercrítico, como por ejemplo el programa SunShot del Departamento de Energía de Estados Unidos [4].