{"id":134769,"date":"2021-04-26T16:45:18","date_gmt":"2021-04-26T15:45:18","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=134769"},"modified":"2021-04-26T16:45:18","modified_gmt":"2021-04-26T15:45:18","slug":"avances-en-el-estudio-de-ciclos-de-potencia-en-plantas-termosolares","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2021\/04\/26\/134769","title":{"rendered":"Avances en el estudio de ciclos de potencia en plantas termosolares"},"content":{"rendered":"

Autor: Javier Mu\u00f1oz-Ant\u00f3n.\u00a0Grupo de Investigaciones Termoenerg\u00e9ticas, Universidad Polit\u00e9cnica de Madrid<\/em><\/strong><\/p>\n

Resumen<\/strong><\/span><\/p>\n

La evoluci\u00f3n de la energ\u00eda termosolar est\u00e1 llevando a que no s\u00f3lo se focalice la atenci\u00f3n y los esfuerzos de la comunidad cient\u00edfica e industrial en las formas de captar energ\u00eda solar, tambi\u00e9n en la forma de convertir esa energ\u00eda t\u00e9rmica en energ\u00eda el\u00e9ctrica de forma m\u00e1s eficiente. Una de las formas de conseguir una generaci\u00f3n m\u00e1s eficiente es sustituyendo el tradicional ciclo Rankine, o ciclo de vapor, por otro que se acopla mejor a los tiempos caracter\u00edsticos de la energ\u00eda solar y de la demanda de la red el\u00e9ctrica, como son los ciclos Brayton, o Joule-Brayton o ciclos de gas. Entre los ciclos de gas que a d\u00eda de hoy est\u00e1n en boga, destacan los que utilizan como fluido de trabajo di\u00f3xido de carbono, los cuales est\u00e1n demostrando interesantes caracter\u00edsticas y atraen cada vez m\u00e1s inter\u00e9s en el sector. Dentro de ellos, surge la posibilidad de tratar de potenciar a\u00fan m\u00e1s sus posibilidades utilizando como fluido de trabajo mezclas de di\u00f3xido de carbono con otros fluidos.<\/span><\/p>\n

Abstract<\/strong><\/span><\/p>\n

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.<\/span><\/p>\n

Art\u00edculo<\/strong><\/span><\/p>\n

Las plantas comerciales de energ\u00eda solar de concentraci\u00f3n actuales basan su producci\u00f3n de energ\u00eda el\u00e9ctrica en el uso de un ciclo Rankine o de vapor de agua para la conversi\u00f3n del calor recolectado del sol en electricidad. Estos ciclos se caracterizan por tener una gran inercia t\u00e9rmica, lo que hace que sean adecuados para un funcionamiento en condiciones constantes en el tiempo, pero ante cambios de la carga son lentos, as\u00ed como el proceso de arranque o parada lleva m\u00e1s tiempo del deseado, por ejemplo, en el arranque de una planta termosolar.<\/span><\/p>\n

Una soluci\u00f3n para paliar este efecto fue atender a otros ciclos termodin\u00e1micos que dieran lugar a una mayor velocidad de la respuesta ante variaciones de carga t\u00e9rmica, y es ah\u00ed donde aparecen los ciclos Brayton.<\/span><\/p>\n

Una forma alternativa a como es el comportamiento de este tipo de ciclos es pensar c\u00f3mo reacciona un ciclo y otro, los ciclos Brayton son los relacionados con los motores a reacci\u00f3n de la industria aeron\u00e1utica, permiten acelerar de forma muy r\u00e1pida\u2026 sin embargo, un ciclo Rankine en un avi\u00f3n har\u00eda que s\u00f3lo variar de carga hasta condiciones nominales podr\u00eda llevar al tiempo que actualmente requiere un trayecto Madrid-Barcelona por puente a\u00e9reo.<\/span><\/p>\n

As\u00ed, aprovechando esa gran capacidad de adaptaci\u00f3n a cargas variables de los ciclos Brayton, se puede conseguir una mejor adaptaci\u00f3n a la naturaleza cambiante del recurso solar. Estos ciclos presentan m\u00faltiples variantes que a d\u00eda de hoy est\u00e1n siendo estudiadas por numerosos grupos de investigaci\u00f3n en el mundo, entre ellas las mostradas en la figura 1 [1].<\/span><\/p>\n

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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.<\/em><\/p>\n

La eficiencia de estos ciclos, funcionando con di\u00f3xido de carbono puro, fluido que por sus caracter\u00edsticas est\u00e1 reportado como el m\u00e1s adecuado para este fin [2], da lugar a interesantes prestaciones, como puede verse en la figura 2 [3].<\/span><\/p>\n

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Figura 2. Cycle efficiency vs UA. SB, RC, PCRC, and RCMCI Brayton cycles using pure s\u2011CO2 <\/sub>[3]<\/em><\/p>\n

Estas prestaciones han motivado trabajos posteriores, en los que se planteaban escenarios de trabajo del di\u00f3xido de carbono, compresi\u00f3n y expansi\u00f3n del ciclo en otras zonas del diagrama termodin\u00e1mico de dicho fluido, pudiendo mejorar a\u00fan m\u00e1s las prestaciones [4], abordando la denominada zona \u2018pericr\u00edtica\u2019, en las cercan\u00edas del punto cr\u00edtico, para abordar la compresi\u00f3n del fluido, donde las caracter\u00edsticas intr\u00ednsecas a esa zona, permiten un comportamiento similar al de un l\u00edquido, y con ello, una disminuci\u00f3n importante de los consumos energ\u00e9ticos en este proceso, lo que afecta directamente al rendimiento global.<\/span><\/p>\n

En coherencia con este aspecto, y con las irreversibilidades que aparecen en las etapas de recuperaci\u00f3n de calor, surgen nuevas ideas, como la a\u00f1adir 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 adem\u00e1s mayor rendimiento, lo que repercute a su vez en el aprovechamiento global de la instalaci\u00f3n [5,6], figura 3.<\/span><\/p>\n

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Figura 3. Diagram of a regenerative multi-heating cycle [6] (inspired by Dyreby\u00a0[7]).<\/em><\/p>\n

Estos avances, conocimiento de la zona peri-cr\u00edtica de los fluidos y el concepto de multi-heating, permiten mejorar a\u00fan m\u00e1s las prestaciones de los ciclos Joule-Brayton de di\u00f3xido de carbono, principalmente desde el punto de vista de morfolog\u00eda del ciclo y el an\u00e1lisis que se puede hacer de la evoluci\u00f3n de dicho ciclo en un diagrama termodin\u00e1mico, por lo que la siguiente forma que surge de mejorar las prestaciones de estos ciclos es la posibilidad de a\u00f1adir una cierta cantidad de otros fluidos al di\u00f3xido de carbono.<\/span><\/p>\n

Entre esas mezclas aparecen ciertas cantidades de He, Kr, H2<\/sub>S, CH4<\/sub>, C2<\/sub>H6<\/sub>, C3<\/sub>H8<\/sub>, C4<\/sub>H8<\/sub>, C4<\/sub>H10<\/sub>, C5<\/sub>H10<\/sub>, C5<\/sub>H12<\/sub>, C6<\/sub>H6<\/sub>, C4<\/sub>H5<\/sub>F5<\/sub>, 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 variaci\u00f3n que inducen en la temperatura cr\u00edtica 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 termof\u00edsicas de las mezclas en las cercan\u00edas del punto cr\u00edtico.<\/span><\/p>\n

Hasta ahora, con la informaci\u00f3n disponible al respecto de las mezclas, los resultados que se obtienen son muy prometedores.<\/span><\/p>\n

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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].<\/em><\/p>\n

Referencias<\/strong><\/p>\n

[1] Robert Valencia-Chapi, Luis Coco-Enr\u00edquez, Javier Mu\u00f1oz-Ant\u00f3n, Comparing Line-Focusing and Central Tower Solar Power Plants with s-CO2 Binary Mixture Brayton Power Cycles, 27th<\/sup> SolarPACES Conference, 1-4 October, Daegu, South Korea.<\/p>\n

[2] Javier Mu\u00f1oz-Ant\u00f3n, Carlo Rubbia, Antonio Rovira, Jos\u00e9 M. Mart\u00ednez-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<\/p>\n

[3] T. Neises and C. Turchi, \u201cSupercritical carbon dioxide power cycle design and configuration optimization to minimize levelized cost of energy of molten salt power towers operating at 650 \u00b0C,\u201d Sol. Energy, 2019.<\/p>\n

[4] Luis F. Gonz\u00e1lez-Portillo, A new concept in thermal engineering optimization: the pericritical cycle with multi-heating and its application to concentrating solar power, Phd. Thesis, Universidad Polit\u00e9cnica de Madrid, 2019<\/p>\n

[5] Luis F. Gonz\u00e1lez-Portillo, Javier Mu\u00f1oz-Ant\u00f3n, Jos\u00e9 M. Mart\u00ednez-Val, Supercritical carbon dioxide cycles with multi-heating in Concentrating Solar Power plants, Solar Energy, Volume 207, 2020, Pages 144-156<\/p>\n

[6] Luis F. Gonz\u00e1lez-Portillo, Javier Mu\u00f1oz-Ant\u00f3n, Jos\u00e9 M. Mart\u00ednez-Val, Thermodynamic analysis of multi-heating cycles working around the critical point, Applied Thermal Engineering, Volume 174, 2020,115292<\/p>\n

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

[8] Valencia-Chapi, R.; Coco-Enr\u00edquez, L.; Mu\u00f1oz-Ant\u00f3n, J. Supercritical CO2 Mixtures for Advanced Brayton Power Cycles in Line-Focusing Solar Power Plants. Appl. Sci. 2020, 10, 55.<\/p>\n

[9] J.-Q. Guo, M.-J. Li, J.-L. Xu, J.-J. Yan, and K. Wang, \u201cThermodynamic Performance Analysis of Different Supercritical Brayton Cycles using CO2-based binary Mixtures in the Molten Salt Solar Power Tower Systems,\u201d Energy, 2019.<\/p>\n

Contacto<\/strong><\/p>\n

Javier Mu\u00f1oz-Ant\u00f3n, Investigador del grupo UPM-GIT\u00a0del Programa ACES2030-CM.<\/p>\n

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero \u00c1lvarez. IMDEA Energ\u00eda.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Autor: Javier Mu\u00f1oz-Ant\u00f3n.\u00a0Grupo de Investigaciones Termoenerg\u00e9ticas, Universidad Polit\u00e9cnica de Madrid Resumen La evoluci\u00f3n de la energ\u00eda termosolar est\u00e1 llevando a que no s\u00f3lo se focalice la atenci\u00f3n y los esfuerzos de la comunidad cient\u00edfica e industrial en las formas de captar energ\u00eda solar, tambi\u00e9n en la forma de convertir esa energ\u00eda t\u00e9rmica en energ\u00eda el\u00e9ctrica de forma m\u00e1s eficiente. Una de las formas de conseguir una generaci\u00f3n m\u00e1s eficiente es sustituyendo el tradicional ciclo Rankine, o ciclo de vapor, por otro que se acopla mejor a los tiempos caracter\u00edsticos de la energ\u00eda solar y de la demanda de la red\u2026<\/p>\n","protected":false},"author":29,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"ngg_post_thumbnail":0},"categories":[1],"tags":[],"blocksy_meta":{"styles_descriptor":{"styles":{"desktop":"","tablet":"","mobile":""},"google_fonts":[],"version":4}},"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/134769"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/users\/29"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=134769"}],"version-history":[{"count":5,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/134769\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":134782,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/134769\/revisions\/134782"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=134769"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=134769"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=134769"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}