La mezcla de sCO2 reduce los costes CSP, según apuntan los datos
Para el año 2023, los investigadores europeos pretenden producir un fluido mezclado para los ciclos de potencia del dióxido de carbono supercrítico que puede reducir los gastos de capital de la central y adaptarse a los puntos críticos secos.
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Un año después del inicio de su investigación, los científicos europeos pretenden desarrollar un nuevo sistema de fluidos mezclados que podría aumentar la eficiencia de los ciclos de las centrales de CSP de dióxido de carbono supercrítico (sCO2).
El proyecto SCARABEUS, con un presupuesto de 5 millones de euros (5,5 millones de dólares), permitirá a los investigadores añadir pequeñas cantidades de determinados elementos seleccionados al CO2 puro con objeto de incrementar la eficiencia de las centrales CSP por encima de los niveles alcanzados por los sistemas de vapor o de CO2 convencional.
El proyecto "SCARABEUS" se centra en las fases frías del ciclo de energía: enfriamiento y compresión. Esta es la principal característica diferencial del proyecto", según explicó David Sánchez, profesor de sistemas de energía de la Universidad de Sevilla y portavoz de SCARABEUS, a New Energy Update.
La mezcla eleva la temperatura crítica del fluido de trabajo en el sistema CSP a entre 50 y 60 °C, por lo que permite el uso de ciclos Rankine y beneficios en el diseño que podrían facilitar su despliegue en emplazamientos áridos y de alta temperatura ambiental, según dijo Sánchez.
Temperaturas medias anuales globales
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Fuente: University of Wisconsin
Con financiación de la Unión Europea (UE), el proyecto SCARABEUS integra miembros de cinco universidades y cuatro empresas. Antes de 2023, los equipos pretenden demostrar que las mezclas de CO2 pueden reducir los gastos de capital (capex) en un 32 % y los gastos de explotación (opex) en un 40 % con respecto a los ciclos de vapor convencionales.
La reducción de costes será crítica para la industria de la CSP en el futuro, habida cuenta de que la rápida implantación de las energías fotovoltaica y eólica ha reducido los costes y mermado la demanda de proyectos de CSP. A medida que la penetración de las energías renovables aumenta, los promotores de CSP prevén que las capacidades de almacenamiento térmico presentarán nuevas oportunidades.
Los equipos del proyecto SCARABEUS están llevando a cabo simulaciones para determinadas mezclas de CO2 y los resultados obtenidos hasta el momento indican que se pueden alcanzar los objetivos económicos y técnicos, según aseguró Sánchez.
Los próximos desafíos son ampliar la cartera de mezclas disponibles y demostrar la estabilidad térmica de estas mezclas, dijo.
Límites superiores
Varios equipos de investigación a escala mundial están desarrollando nuevos diseños de CSP de alta temperatura para aumentar la eficiencia de la conversión de energía de los sistemas térmicos en electricidad y reducir así los costes.
Las centrales de torre CSP utilizan sales fundidas como medio de transferencia de calor (HTM, por sus siglas en inglés), con lo cual las temperaturas de funcionamiento se limitan a 565 °C.
En Estados Unidos, Brayton Energy, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL, por sus siglas en inglés) y los Laboratorios Sandia están compitiendo por una subvención de 25 millones de dólares del Departamento de Energía destinada a la construcción de un sistema de CSP con capacidad para temperaturas superiores a 700 °C.
El año pasado, los ingenieros de General Electric (GE) y del Instituto de Investigación del Suroeste (SWRI) completaron la fase de pruebas de la turbina de CO2 supercrítico de mayor temperatura del mundo.
La turbina de 10 MW, que funciona a unos 700 °C, produjo una eficiencia térmica de casi el 50 %, muy superior al valor de entre el 35 y el 40 % logrado por los sistemas convencionales de CSP.
Por otra parte, el grupo estadounidense Heliogen ha logrado recientemente alcanzar temperaturas del receptor CSP de más de 1000 °C mediante una tecnología avanzada que permite alinear los helióstatos con mayor precisión. Mientras tanto, el DLR de Alemania está desarrollando un receptor centrífugo de CSP que ya ha alcanzado temperaturas de partículas de 965 °C en la salida del receptor y el CNRS de Francia ha desarrollado un receptor de lecho fluidizado que ha alcanzado temperaturas de partículas superiores a los 900 °C. En España, los equipos de investigación Sun-to-liquid del proyecto H2020 de la UE han utilizado un reactor-receptor químico para alcanzar temperaturas superiores a los 1400 °C.
Impulso de la condensación
La alta temperatura crítica alcanzada mediante las mezclas de CO2 permite el uso de ciclos de condensación de tipo Rankin a las altas temperaturas ambiente inherentes a los emplazamientos habituales de la CSP. En tales condiciones, por lo general los sistemas estándar de CO2 supercrítico deben adoptar configuraciones menos eficientes de tipo Brayton. El equipo de SCARABEUS pretende lograr eficiencias de conversión del ciclo de energía superiores al 50 %.
El sistema de condensación Rankine en el ciclo SCAREBEUS ofrece un diseño más sencillo que los diseños convencionales de Rankine y CO2 supercrítico del ciclo Brayton.
El sistema utiliza un bloque de potencia simplificado y un solo recuperador e intercambiador de calor primario, frente a los más de diez intercambiadores de calor necesarios en el ciclo de vapor convencional de Rankine, según muestra la documentación del proyecto.
El planteamiento del fluido de trabajo mezclado permite también el uso de una bomba en lugar de un compresor en la turbomaquinaria. Este enfoque permitirá reducir el consumo de energía y el volumen físico del equipo. La City University of London está en la dirección del proyecto en lo concerniente a la turbomaquinaria.
Una mayor eficiencia del ciclo precisaría también de campos solares de menor tamaño y unos requerimientos de capacidad para el almacenamiento de energía más laxos, con lo que se reduciría de forma notable los gastos de capital, dijo Sánchez.
Aire acondicionado
El punto crítico más alto del planteamiento del fluido de trabajo mezclado permite también el uso de sistemas de condensación refrigerados por aire (ACC, por sus siglas en inglés) en lugar de ciclos de enfriamiento húmedo (WCC, por sus siglas en inglés), dijo Sánchez.
El uso de los sistemas ACC en lugar de los WCC reduce la complejidad del diseño y los costes, por lo que evita la necesidad de un circuito de agua, con el equipo de bombeo y la torre de refrigeración asociados. El consumo nulo de agua reduce también los gastos de explotación y el impacto ambiental.
Cambiar a un sistema ACC reducirá los gastos de capital y los gastos de explotación en alrededor de un 3 %, según los investigadores.
Esto podría presentar un desafío particular para los proyectos de Oriente Próximo y África Septentrional (MENA, por sus siglas en inglés), una región clave de crecimiento para la industria de la CSP. En esta región, las temperaturas exceden por lo general la temperatura crítica natural del CO2 y la falta de suministro local eleva el coste de los sistemas del WCC.
El tamaño de los sistemas ACC también puede reducirse al optimizar el coeficiente de transferencia de calor de CO2 mediante tubos con ranuras internas.
El ahorro total del sistema de mezcla de CO2 podría también ofrecer un soporte para proyectos en regiones con niveles más bajos de radiación directa normal (DNI, por sus siglas en inglés), según señaló Sánchez.
"El diseño de SCARABEUS abordará los costes de la CSP en su misma esencia, con lo que permitirá reducir el tamaño de forma notable en todos los componentes de la central... y, por tanto, producir un [coste medio teórico] considerablemente menor", concluyó.
Por Kerry Chamberlain
Traducido por Vicente Abella