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.

Contacto

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

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

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