Archivo de abril, 2021

Avances en el estudio de ciclos de potencia en plantas termosolares

Autor: Javier Muñoz-Antón. Grupo de Investigaciones Termoenergéticas, Universidad Politécnica de Madrid

Resumen

La evolución de la energía termosolar está llevando a que no sólo se focalice la atención y los esfuerzos de la comunidad científica e industrial en las formas de captar energía solar, también en la forma de convertir esa energía térmica en energía eléctrica de forma más eficiente. Una de las formas de conseguir una generación más eficiente es sustituyendo el tradicional ciclo Rankine, o ciclo de vapor, por otro que se acopla mejor a los tiempos característicos de la energía solar y de la demanda de la red eléctrica, como son los ciclos Brayton, o Joule-Brayton o ciclos de gas. Entre los ciclos de gas que a día de hoy están en boga, destacan los que utilizan como fluido de trabajo dióxido de carbono, los cuales están demostrando interesantes características y atraen cada vez más interés en el sector. Dentro de ellos, surge la posibilidad de tratar de potenciar aún más sus posibilidades utilizando como fluido de trabajo mezclas de dióxido de carbono con otros fluidos.

Abstract

Solar thermal energy current evolution is leading not only to focus the attention and efforts of the scientific and industrial community on the ways of capturing solar energy, but also on the way of converting that thermal energy into electrical energy more efficiently. One of the ways to achieve a more efficient generation is by substituting the traditional Rankine cycle, or steam cycle, for another that better matches the characteristic times of solar energy and the demand of the electricity grid, such as Brayton cycles, or Joule-Brayton or gas cycles. Among the gas cycles that are in vogue today, those that use carbon dioxide as a working fluid stand out, which are showing interesting characteristics and attracting more and more interest in the sector. Within them, the possibility arises of trying to further enhance its possibilities by using mixtures of carbon dioxide with other fluids as a working fluid.

Artículo

Las plantas comerciales de energía solar de concentración actuales basan su producción de energía eléctrica en el uso de un ciclo Rankine o de vapor de agua para la conversión del calor recolectado del sol en electricidad. Estos ciclos se caracterizan por tener una gran inercia térmica, lo que hace que sean adecuados para un funcionamiento en condiciones constantes en el tiempo, pero ante cambios de la carga son lentos, así como el proceso de arranque o parada lleva más tiempo del deseado, por ejemplo, en el arranque de una planta termosolar.

Una solución para paliar este efecto fue atender a otros ciclos termodinámicos que dieran lugar a una mayor velocidad de la respuesta ante variaciones de carga térmica, y es ahí donde aparecen los ciclos Brayton.

Una forma alternativa a como es el comportamiento de este tipo de ciclos es pensar cómo reacciona un ciclo y otro, los ciclos Brayton son los relacionados con los motores a reacción de la industria aeronáutica, permiten acelerar de forma muy rápida… sin embargo, un ciclo Rankine en un avión haría que sólo variar de carga hasta condiciones nominales podría llevar al tiempo que actualmente requiere un trayecto Madrid-Barcelona por puente aéreo.

Así, aprovechando esa gran capacidad de adaptación a cargas variables de los ciclos Brayton, se puede conseguir una mejor adaptación a la naturaleza cambiante del recurso solar. Estos ciclos presentan múltiples variantes que a día de hoy están siendo estudiadas por numerosos grupos de investigación en el mundo, entre ellas las mostradas en la figura 1 [1].

Figura 1. a) Simple Brayton cycle layout. b) Recompression Brayton cycle layout. c) Partial Cooling prior to Recompression Brayton cycle layout. d) Intercooling with Recompression Brayton cycle layout.

La eficiencia de estos ciclos, funcionando con dióxido de carbono puro, fluido que por sus características está reportado como el más adecuado para este fin [2], da lugar a interesantes prestaciones, como puede verse en la figura 2 [3].

Figura 2. Cycle efficiency vs UA. SB, RC, PCRC, and RCMCI Brayton cycles using pure s‑CO2 [3]

Estas prestaciones han motivado trabajos posteriores, en los que se planteaban escenarios de trabajo del dióxido de carbono, compresión y expansión del ciclo en otras zonas del diagrama termodinámico de dicho fluido, pudiendo mejorar aún más las prestaciones [4], abordando la denominada zona ‘pericrítica’, en las cercanías del punto crítico, para abordar la compresión del fluido, donde las características intrínsecas a esa zona, permiten un comportamiento similar al de un líquido, y con ello, una disminución importante de los consumos energéticos en este proceso, lo que afecta directamente al rendimiento global.

En coherencia con este aspecto, y con las irreversibilidades que aparecen en las etapas de recuperación de calor, surgen nuevas ideas, como la añadir nuevos elementos sobre el ciclo Brayton simple, figura 1(a) o el nuevo concepto de multi-heating, en el que se producen adiciones de calor donde los recuperadores pueden incurrir en ineficiencias. Estas adiciones de calor se realizan en una planta termosolar con receptores de menor temperatura, por lo que conllevan además mayor rendimiento, lo que repercute a su vez en el aprovechamiento global de la instalación [5,6], figura 3.

Figura 3. Diagram of a regenerative multi-heating cycle [6] (inspired by Dyreby [7]).

Estos avances, conocimiento de la zona peri-crítica de los fluidos y el concepto de multi-heating, permiten mejorar aún más las prestaciones de los ciclos Joule-Brayton de dióxido de carbono, principalmente desde el punto de vista de morfología del ciclo y el análisis que se puede hacer de la evolución de dicho ciclo en un diagrama termodinámico, por lo que la siguiente forma que surge de mejorar las prestaciones de estos ciclos es la posibilidad de añadir una cierta cantidad de otros fluidos al dióxido de carbono.

Entre esas mezclas aparecen ciertas cantidades de He, Kr, H2S, CH4, C2H6, C3H8, C4H8, C4H10, C5H10, C5H12, C6H6, C4H5F5, tal y como muestran los trabajos de algunos autores [8,9], ya sea por facilidad para conseguir esas mezclas o por las prestaciones que pueden llegar a dar. Entre estas prestaciones destacan la variación que inducen en la temperatura crítica de la mezcla, la cual, a su vez, constituye uno de los retos del estudio de estos ciclos: la fiabilidad de las bases de datos para los valores de propiedades termofísicas de las mezclas en las cercanías del punto crítico.

Hasta ahora, con la información disponible al respecto de las mezclas, los resultados que se obtienen son muy prometedores.

Figura 4. Real-gas cycles with mixtures as working fluid in the thermodynamic plane T-S. CIT just above the critical point and UA=15000kW/K [8].

Referencias

[1] Robert Valencia-Chapi, Luis Coco-Enríquez, Javier Muñoz-Antón, Comparing Line-Focusing and Central Tower Solar Power Plants with s-CO2 Binary Mixture Brayton Power Cycles, 27th SolarPACES Conference, 1-4 October, Daegu, South Korea.

[2] Javier Muñoz-Antón, Carlo Rubbia, Antonio Rovira, José M. Martínez-Val, Performance study of solar power plants with CO2 as working fluid. A promising design window, Energy Conversion and Management, Volume 92, 2015, Pages 36-46

[3] T. Neises and C. Turchi, “Supercritical carbon dioxide power cycle design and configuration optimization to minimize levelized cost of energy of molten salt power towers operating at 650 °C,” Sol. Energy, 2019.

[4] Luis F. González-Portillo, A new concept in thermal engineering optimization: the pericritical cycle with multi-heating and its application to concentrating solar power, Phd. Thesis, Universidad Politécnica de Madrid, 2019

[5] Luis F. González-Portillo, Javier Muñoz-Antón, José M. Martínez-Val, Supercritical carbon dioxide cycles with multi-heating in Concentrating Solar Power plants, Solar Energy, Volume 207, 2020, Pages 144-156

[6] Luis F. González-Portillo, Javier Muñoz-Antón, José M. Martínez-Val, Thermodynamic analysis of multi-heating cycles working around the critical point, Applied Thermal Engineering, Volume 174, 2020,115292

[7] J. Dyreby Modeling the Supercritical Carbon Dioxide Brayton Cycle with Recompression PhD Thesis The University of Wisconsin, Madison (2014)

[8] Valencia-Chapi, R.; Coco-Enríquez, L.; Muñoz-Antón, J. Supercritical CO2 Mixtures for Advanced Brayton Power Cycles in Line-Focusing Solar Power Plants. Appl. Sci. 2020, 10, 55.

[9] J.-Q. Guo, M.-J. Li, J.-L. Xu, J.-J. Yan, and K. Wang, “Thermodynamic Performance Analysis of Different Supercritical Brayton Cycles using CO2-based binary Mixtures in the Molten Salt Solar Power Tower Systems,” Energy, 2019.

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Javier Muñoz-Antón, Investigador del grupo UPM-GIT del Programa ACES2030-CM.

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía.

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Llevando la Síntesis en Superficie hacia las aplicaciones

Autores: Carlos Sánchez Sánchez y José María Gómez Fernández. Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC)

La Física de Superficies en general, y la Síntesis en Superficies en particular, son ramas de la ciencia con un marcado carácter fundamental. Es por ello que muchas veces reciben críticas sobre su posible utilidad a la hora de ayudar a solucionar problemas “reales” de la sociedad. Dichas afirmaciones ponen de manifiesto el esfuerzo que tenemos que hacer en el campo para demostrar que nuestras investigaciones, bajo condiciones de ultra-alto vacío, pueden ser muy útiles para entender procesos complejos y que, además, nuestros protocolos pueden ser extendidos a condiciones más compatibles con procesos industriales.

Es por ello que el grupo ESISNA se unió al proyecto FotoArt-CM. Dentro de este marco, el grupo ESISNA, en colaboración con el grupo IMDEA-E (IMDEA Energía), está tratando de utilizar las magníficas posibilidades que ofrece la Síntesis en Superficie a la hora de crear nanoestructuras de precisión atómica para sintetizar redes bidimensionales basadas en colorantes de la familia de las BODIPYs, que posteriormente será testadas en sistemas de electrofotocatálisis. Para ello, el grupo IMDEA-E ha sintetizado unos precursores de BOPHY funcionalizados con halógenos para que el grupo ESISNA los pueda depositar y activar térmicamente en superficie, formando así nanoestructuras de gran calidad. Los primeros resultados obtenidos son esperanzadores, ya que demuestran que somos capaces de depositar, activar y acoplar las moléculas de BOPHY dando lugar a oligómeros en superficie (ver Figura 1). Esta investigación sigue en curso y esperamos que dé lugar a interesantes resultados en los próximos meses, suponiendo un claro avance en la estrategia de ESISNA de llevar los nanomateriales “perfectos” crecidos bajo condiciones altamente controladas hacia aplicaciones enfocadas a retos sociales.


Figura 1. Arriba: esquema del precursor funcionalizado utilizado. Abajo: imagen STM de las cadenas moleculares formadas después de la activación térmica de los precursores en superficie

Contacto

Carlos Sánchez Sánchez, Investigador del grupo ESISNA del programa FotoArt-CM.

Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.

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Arranca el proyecto HySolChem: Reactor híbrido para la conversión solar de CO2 y N2 acoplado al tratamiento de aguas residuales

HySolChem es un proyecto europeo (H2020) de 36 meses de duración, que arrancó en enero de 2021. La reunión de lanzamiento entre las diferentes entidades que componen el consorcio tuvo lugar el pasado 9 de febrero de 2021. Este proyecto fue seleccionado entre una gran cantidad de propuestas enviadas para la convocatoria FET Proactive Emerging Paradigms and Communities (FETPROACT-EIC-07-2020), en el subtema B: Tecnologías innovadoras de conversión y almacenamiento de energía sin emisiones para la neutralidad de carbono.

HySolChem (https://www.hysolchem.eu) consiste en el diseño de un nuevo reactor de flujo compuesto por un fotocátodo donde se dé la reducción de CO2 o la fijación de N2 y un ánodo oscuro donde se oxiden contaminantes del agua que incluyan microplásticos. Para ello, el proyecto propone avances en el desarrollo de materiales y dispositivos sostenibles y de bajo coste para la conversión y el almacenamiento de energía solar mediante la producción de combustibles y productos químicos.

El Consorcio de HySolChem está coordinado por IMDEA Energía y lo forman varios equipos académicos y de investigación (Diamond Light Source Limited; Universidad Rey Juan Carlos; Katholieke Universiteit Leuven) así como pymes (Amer-Sil SA; Apria Systems SL; Innova SRL) especializados en métodos de catálisis, ciencia de materiales, almacenamiento energético y tratamiento de aguas. Esta característica permite a HySolChem sacar lo mejor de la amplia experiencia de los participantes del proyecto procedentes de 5 países europeos diferentes: Bélgica, España Italia, Luxemburgo y Reino Unido.

Más información:

Víctor de la Peña O´Shea (coordinador del proyecto HYSOLCHEM) jefe de la Unidad de Procesos Fotoactivados en IMDEA Energía y coordinador del proyecto regional FotoArt-CM victor.delapenya@imdea.org

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