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Ciclo de potencia de Allam

El ciclo Allam o ciclo Allam-Fetvedt es un proceso para convertir combustibles carbonosos [1] en energía térmica, mientras se captura el dióxido de carbono y el agua generados.

Los inventores son el ingeniero inglés Rodney John Allam , el ingeniero estadounidense Jeremy Eron Fetvedt, el científico estadounidense Dr. Miles R Palmer y el empresario e innovador estadounidense G. William Brown, Jr. [2] [3] [4] [ 5 ] [6] [7] [8] [9] El ciclo Allam-Fetvedt fue reconocido por MIT Technology Review en la lista de 2018 de las 10 tecnologías innovadoras. [10]

Este ciclo fue validado en una instalación de prueba alimentada con gas natural de 50 MWth en La Porte , Texas, en mayo de 2018.

Descripción

El ciclo Allam-Fetvedt es un ciclo Brayton recuperado de alta presión que emplea un fluido de trabajo de CO2 transcrítico con un régimen de combustión de oxicombustible . Este ciclo comienza quemando un combustible gaseoso con oxígeno y un fluido de trabajo de CO2 supercrítico reciclado, caliente y de alta presión en una cámara de combustión. La corriente de CO2 reciclado tiene el doble propósito de reducir la temperatura de la llama de combustión a un nivel manejable y diluir los productos de la combustión de modo que el fluido de trabajo del ciclo sea predominantemente CO2 . La presión en la cámara de combustión puede ser tan alta como aproximadamente 30 MPa. La materia prima de combustión consiste aproximadamente en un 95 % de CO2 reciclado en masa.

La cámara de combustión proporciona un escape de alta presión que se puede suministrar a un expansor de turbina que funciona a una relación de presión entre 6 y 12. La descarga del expansor sale como una mezcla subcrítica de CO2 mezclada predominantemente con agua derivada de la combustión. Este fluido entra en un intercambiador de calor economizador, que enfría la descarga del expansor por debajo de los 65 °C contra la corriente de CO2 que se recicla a la cámara de combustión. Al salir del intercambiador de calor economizador, el escape del expansor se enfría aún más hasta una temperatura cercana a la ambiente mediante un sistema de enfriamiento central, lo que permite eliminar el agua líquida del fluido de trabajo y reciclarla para un uso beneficioso.

El fluido de trabajo restante de CO2 casi puro entra luego en una etapa de compresión y bombeo. El sistema de compresión consta de un compresor centrífugo convencional con intercooler con una presión de entrada por debajo de la presión crítica de CO2 . El fluido de trabajo de CO2 se comprime y luego se enfría a una temperatura cercana a la ambiente en el postenfriador del compresor. En este punto, la combinación de compresión y enfriamiento del fluido de trabajo le permite alcanzar una densidad superior a 500 kg/m3. En esta condición, la corriente de CO2 se puede bombear a la alta presión de combustión requerida utilizando una bomba centrífuga de múltiples etapas. Finalmente, el fluido de trabajo de alta presión se envía de regreso a través del intercambiador de calor del economizador para ser recalentado y devuelto a la cámara de combustión.

El producto neto de CO2 derivado de la adición de combustible y oxígeno en la cámara de combustión se elimina de la corriente de alta presión; en este punto, el producto de CO2 es de alta presión y alta pureza, listo para su secuestro o utilización sin necesidad de una mayor compresión. [11] [12] [13] [14]

Para que el sistema alcance una alta eficiencia térmica , se necesita un enfoque de temperatura cercano en el lado de alta temperatura del intercambiador de calor primario. Debido al proceso de enfriamiento empleado en la etapa de compresión y bombeo, normalmente existiría un gran desequilibrio energético en el ciclo entre el flujo de escape del expansor de enfriamiento y el flujo de reciclado de CO2 de recalentamiento .

El ciclo Allam-Fetvedt corrige este desequilibrio mediante la incorporación de calor de baja calidad en el extremo de baja temperatura del intercambiador de calor recuperativo. Debido a las bajas temperaturas en el extremo frío del ciclo, este calor de baja calidad solo necesita estar en el rango de 100 °C a 400 °C. Una fuente conveniente de este calor es la Unidad de Separación de Aire (ASU) requerida para el régimen de combustión de oxicombustible.

Al quemar gas natural como combustible, esta configuración básica se ha modelado para lograr una eficiencia de hasta el 60% (LHV) como un ciclo de potencia neto de todas las cargas parásitas, incluida la ASU de alto consumo energético. A pesar de su novedad, los componentes requeridos por este ciclo están disponibles comercialmente, con la excepción del paquete de turbina de combustión. La turbina se basa en tecnologías y enfoques probados utilizados por las herramientas de diseño de turbinas de gas y vapor existentes. [15] [16]

Aplicaciones

La construcción comenzó en marzo de 2016 en La Porte, Texas, en una instalación de prueba industrial de 50 MWth para mostrar el ciclo Allam-Fetvedt, y finalizó en 2017. En 2018, se validaron el ciclo Allam-Fetvedt y las tecnologías de apoyo, [17] lo que permitió a los fabricantes de equipos originales certificar componentes para su uso en futuras plantas de producción.

El 15 de noviembre de 2021, aproximadamente a las 7:40 p. m. EST, la instalación de prueba se sincronizó con éxito con la red ERCOT [18], lo que demuestra que el ciclo Allam Fetvedt era capaz de generar energía a 60 Hz.

Esta instalación de pruebas es propiedad y está operada por NET Power, que a su vez es propiedad de Constellation Energy Corporation, Occidental Petroleum (Oxy) Low Carbon Ventures, Baker Hughes y 8 Rivers Capital (el inventor de la tecnología).

NET Power recibió el premio al Proyecto Tecnológico Innovador en Energía a la Excelencia Internacional del Año 2018 en la Exposición y Conferencia Internacional del Petróleo de Abu Dabi (ADIPEC). [19]

Historial de patentes

Véase también

Referencias

  1. ^ Los combustibles carbonosos incluyen el gas natural , la biomasa , el carbón , los residuos sólidos urbanos y el gas agrio (gas natural con un alto contenido de dióxido de azufre ).
  2. ^ Patente estadounidense 8959887, Allam; Rodney John (Wiltshire, GB), Brown, Jr.; Glenn William (Durham, NC), Palmer; Miles R. (Chapel Hill, NC),; Brown, Jr., Glenn William y Palmer, Miles R., "Sistema y método para la generación de energía de alta eficiencia utilizando un fluido de trabajo circulante de dióxido de carbono", publicada el 24 de febrero de 2015, emitida el 4 de noviembre de 2013, asignada a Palmer Labs, LLC y 8 ​​Rivers Capital, LLC 
  3. ^ Patente estadounidense 8986002, Palmer; Miles R. (Chapel Hill, NC), Allam; Rodney John (Chippenham, GB), Brown, Jr.; Glenn William (Durham, NC), Fetvedt; Jeremy Eron (Raleigh, NC); Allam, Rodney John y Brown, Jr., Glenn William et al., "Aparato para quemar un combustible a alta presión y alta temperatura, y sistema asociado", publicado el 24 de marzo de 2015, asignado a 8 Rivers Capital, LLC y Palmer Labs, LLC 
  4. ^ Patente estadounidense 9062608, Allam; Rodney John (Wiltshire, GB), Palmer; Miles R. (Chapel Hill, NC), Brown, Jr.; Glenn William (Durham, NC); Palmer, Miles R. y Brown, Jr., Glenn William, "Sistema y método para la generación de energía de alta eficiencia utilizando un fluido de trabajo circulante de dióxido de carbono", publicada el 23 de junio de 2015, emitida el 13 de marzo de 2013, asignada a Palmer Labs, LLC y 8 ​​Rivers Capital, LLC 
  5. ^ Patente estadounidense 9068743, Palmer; Miles R. (Great Falls, VA), Allam; Rodney John (Chippenham, GB), Brown, Jr.; Glenn William (Durham, NC); Allam, Rodney John y Brown, Jr., Glenn William, "Aparato para quemar un combustible a alta presión y alta temperatura, y sistema asociado", expedida el 24 de marzo de 2015, asignada a 8 Rivers Capital, LLC y Palmer Labs, LLC 
  6. ^ Patente estadounidense 9416728, Palmer; Miles R. (Great Falls, VA), Allam; Rodney John (Chippenham, GB), Brown, Jr.; Glenn William (Durham, NC); Allam, Rodney John y Brown, Jr., Glenn William, "Aparato y método para quemar un combustible a alta presión y alta temperatura, y sistema y dispositivo asociados", expedida el 16 de agosto de 2016, asignada a 8 Rivers Capital, LLC y Palmer Labs, LLC 
  7. ^ Patente estadounidense 9869245, Allam; Rodney John (Wiltshire, GB), Palmer; Miles R. (Chapel Hill, NC), Brown, Jr.; Glenn William (Durham, NC); Palmer, Miles R. y Brown, Jr., Glenn William, "Sistema y método para la generación de energía de alta eficiencia utilizando un fluido de trabajo circulante de dióxido de carbono", publicada el 10 de septiembre de 2015, emitida el 16 de enero de 2018, asignada a 8 Rivers Capital, LLC 
  8. ^ Patente estadounidense 10018115, Palmer; Miles R. (Chapel Hill, NC), Allam; Rodney John (Chippenham, GB), Brown, Jr.; Glenn William (Durham, NC), Fetvedt; Jeremy Eron (Raleigh, NC); Allam, Rodney John y Brown, Jr., Glenn William et al., "Sistema y método para la generación de energía de alta eficiencia utilizando un fluido de trabajo circulante de dióxido de carbono", publicado el 24 de marzo de 2015, asignado a 8 Rivers Capital, LLC 
  9. ^ Patente estadounidense 10047671, Allam; Rodney John (Wiltshire, GB), Brown, Jr.; Glenn William (Durham, NC), Palmer; Miles R. (Chapel Hill, NC),; Brown, Jr., Glenn William y Palmer, Miles R., "Sistema y método para la generación de energía de alta eficiencia utilizando un fluido de trabajo circulante de dióxido de carbono", publicada el 14 de agosto de 2018, emitida el 23 de enero de 2015, asignada a Palmer Labs, LLC y 8 ​​Rivers Capital, LLC 
  10. ^ "2018". MIT Technology Review . Consultado el 1 de octubre de 2020 .
  11. ^ "Introducción de un innovador: la primera planta de energía de Allam Cycle". Modern Power Systems . 15 de mayo de 2016 . Consultado el 29 de noviembre de 2016 .
  12. ^ Isles, Junior (2014). "Preparándose para un nuevo sistema de ciclo de energía de CO2 supercrítico" (PDF) . Gas Turbine World . Vol. 44, núm. 6. Pequot Publishing. Archivado desde el original (PDF) el 11 de agosto de 2016. Consultado el 29 de noviembre de 2016 .
  13. ^ Grant, Annalee (6 de marzo de 2015). "Exelon y NET Power confían en el proyecto piloto de captura de carbono planificado en Texas". SNL . S&P Global . Consultado el 29 de noviembre de 2016 .
  14. ^ Dodge, Edward (14 de noviembre de 2014). "CCS Breakthrough: sCO2 Power Cycles Offer Improved Efficiency and Integrated Carbon Capture" (Avance en la captura y almacenamiento de carbono: los ciclos de energía de CO2 ofrecen una eficiencia mejorada y una captura de carbono integrada). Breaking Energy . Breaking Media . Consultado el 29 de noviembre de 2016 .
  15. ^ Allam, Rodney; Martin, Scott; Forrest, Brock; Fetvedt, Jeremy; Lu, Xijia; Freed, David; Brown, G. William; Sasaki, Takashi; Itoh, Masao; Manning, James (1 de julio de 2017). "Demostración del ciclo Allam: una actualización sobre el estado de desarrollo de un proceso de energía de dióxido de carbono supercrítico de alta eficiencia que emplea captura total de carbono". Energy Procedia . 114 : 5948–5966. doi : 10.1016/j.egypro.2017.03.1731 . ISSN  1876-6102.
  16. ^ Lu, Xijia; Forrest, Brock; Martin, Scott; Fetvedt, Jeremy; McGroddy, Michael; Freed, David (20 de septiembre de 2016). "Integración y optimización de sistemas de gasificación de carbón con un ciclo de potencia de dióxido de carbono supercrítico de emisiones casi nulas". Actas de la ASME Turbo Expo 2016: Conferencia y exposición técnica de turbomáquinas. Volumen 9: Aplicaciones de petróleo y gas; Ciclos de potencia de CO2 supercrítico; Energía eólica . Colección digital de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos. doi :10.1115/GT2016-58066. ISBN 978-0-7918-4987-3.
  17. ^ Rathi, Akshat (31 de mayo de 2018). "Una startup estadounidense ha encendido el primer fuego en su planta de energía de combustibles fósiles de cero emisiones". Quartz . Consultado el 1 de octubre de 2020 .
  18. ^ "Power Engineering International". Power Engineering International . 18 de noviembre de 2021 . Consultado el 18 de noviembre de 2021 .
  19. ^ LLC, NET Power. "La planta de demostración de NET Power gana el premio ADIPEC 2018 Breakthrough Technological Project of the Year" (Proyecto tecnológico innovador del año 2018 de ADIPEC). www.prnewswire.com (Comunicado de prensa) . Consultado el 1 de octubre de 2020 .

Enlaces externos