Un generador magnetohidrodinámico ( generador MHD ) es un convertidor magnetohidrodinámico que transforma la energía térmica y la energía cinética directamente en electricidad . Un generador MHD, al igual que un generador convencional, se basa en mover un conductor a través de un campo magnético para generar corriente eléctrica. El generador MHD utiliza gas ionizado conductor caliente ( plasma ) como conductor en movimiento. La dinamo mecánica, por el contrario, utiliza el movimiento de dispositivos mecánicos para lograrlo.
Los generadores MHD se diferencian de los generadores eléctricos tradicionales en que funcionan sin piezas móviles (por ejemplo, sin turbina) para limitar la temperatura superior. Por lo tanto, tienen la eficiencia termodinámica teórica más alta conocida de cualquier método de generación eléctrica. MHD se ha desarrollado ampliamente como un ciclo de cobertura para aumentar la eficiencia de la generación eléctrica , especialmente cuando se quema carbón o gas natural . Los gases de escape calientes de un generador MHD pueden calentar las calderas de una central eléctrica de vapor , aumentando la eficiencia general.
Se han desarrollado generadores MHD prácticos para combustibles fósiles , pero fueron superados por ciclos combinados menos costosos en los que el escape de una turbina de gas o una celda de combustible de carbonato fundido calienta vapor para alimentar una turbina de vapor .
Las dinamos MHD son el complemento de los aceleradores MHD , que se han aplicado para bombear metales líquidos , agua de mar y plasmas.
Las dinamos MHD naturales son un área activa de investigación en física del plasma y son de gran interés para las comunidades de geofísica y astrofísica, ya que los campos magnéticos de la Tierra y el Sol son producidos por estas dinamos naturales.
La Ley de Fuerza de Lorentz describe los efectos de una partícula cargada que se mueve en un campo magnético constante. La forma más simple de esta ley viene dada por la ecuación vectorial.
dónde
El vector F es perpendicular tanto a v como a B según la regla de la mano derecha .
Normalmente, para que una gran central eléctrica se acerque a la eficiencia operativa de los modelos informáticos , se deben tomar medidas para aumentar la conductividad eléctrica de la sustancia conductora. Este aumento se puede lograr calentando un gas a su estado de plasma o añadiendo otras sustancias fácilmente ionizables, como las sales de metales alcalinos. En la práctica, se deben considerar una serie de cuestiones en la implementación de un generador MHD : eficiencia del generador, economía y subproductos tóxicos. Estos problemas se ven afectados por la elección de uno de los tres diseños de generador MHD: el generador de Faraday, el generador de Hall y el generador de disco.
El generador de Faraday lleva el nombre de los experimentos de Michael Faraday sobre el movimiento de partículas cargadas en el río Támesis.
Un generador de Faraday simple consistiría en una tubería o tubo en forma de cuña de algún material no conductor . Cuando un fluido eléctricamente conductor fluye a través del tubo, en presencia de un campo magnético perpendicular significativo, se induce un voltaje en el fluido, que puede extraerse como energía eléctrica colocando los electrodos a los lados en ángulos de 90 grados con respecto al tubo. campo magnético.
Existen limitaciones en cuanto a la densidad y el tipo de campo utilizado. La cantidad de energía que se puede extraer es proporcional al área de la sección transversal del tubo y a la velocidad del flujo conductor. La sustancia conductora también se enfría y se ralentiza mediante este proceso. Los generadores MHD suelen reducir la temperatura de la sustancia conductora desde la temperatura del plasma hasta poco más de 1000 °C.
El principal problema práctico de un generador de Faraday es que los voltajes y corrientes diferenciales en el fluido atraviesan los electrodos a los lados del conducto. El desperdicio más poderoso es el de la corriente de efecto Hall . Esto hace que el conducto de Faraday sea muy ineficiente. [ cita necesaria ] La mayoría de las mejoras adicionales de los generadores MHD han intentado resolver este problema. El campo magnético óptimo en los generadores MHD con forma de conducto es una especie de forma de silla de montar. Para conseguir este campo, un generador grande requiere un imán extremadamente potente. Muchos grupos de investigación han intentado adaptar imanes superconductores a este fin, con éxito variable. (Para obtener referencias, consulte la discusión sobre la eficiencia del generador a continuación).
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Históricamente, la solución típica ha sido utilizar el efecto Hall para crear una corriente que fluya con el fluido. (Vea la ilustración). Este diseño tiene conjuntos de electrodos cortos y segmentados a los lados del conducto. El primer y último electrodo del conducto alimentan la carga. Cada uno de los demás electrodos está en cortocircuito con un electrodo en el lado opuesto del conducto. Estos cortes de la corriente de Faraday inducen un poderoso campo magnético dentro del fluido, pero en una cuerda de círculo en ángulo recto con la corriente de Faraday. Este campo secundario inducido hace que la corriente fluya en forma de arco iris entre el primer y el último electrodo.
Las pérdidas son menores que las de un generador de Faraday y los voltajes son más altos porque hay menos cortocircuito en la corriente inducida final.
Sin embargo, este diseño tiene problemas porque la velocidad del flujo de material requiere que los electrodos intermedios estén desplazados para "atrapar" las corrientes de Faraday. A medida que varía la carga, la velocidad del flujo del fluido varía, desalineando la corriente de Faraday con los electrodos previstos y haciendo que la eficiencia del generador sea muy sensible a su carga.
El tercer diseño, y actualmente el más eficiente, es el generador de disco de efecto Hall. Este diseño actualmente ostenta los récords de eficiencia y densidad de energía para la generación MHD. Un generador de disco tiene un fluido que fluye entre el centro de un disco y un conducto enrollado alrededor del borde. (Los conductos no se muestran). El campo de excitación magnética está formado por un par de bobinas circulares de Helmholtz encima y debajo del disco. (Las bobinas no se muestran).
Las corrientes de Faraday fluyen en un perfecto cortocircuito alrededor de la periferia del disco.
Las corrientes de efecto Hall fluyen entre electrodos anulares cerca del conducto central y electrodos anulares cerca del conducto periférico.
El amplio flujo de gas plano redujo la distancia, de ahí la resistencia del fluido en movimiento. Esto aumenta la eficiencia.
Otra ventaja importante de este diseño es que los imanes son más eficientes. En primer lugar, provocan líneas de campo paralelas simples. En segundo lugar, debido a que el fluido se procesa en un disco, el imán puede estar más cerca del fluido y, en esta geometría magnética, la intensidad del campo magnético aumenta como la séptima potencia de la distancia. Finalmente, el generador es compacto para su potencia, por lo que el imán también es más pequeño. El imán resultante utiliza un porcentaje mucho menor de la energía generada.
La eficiencia de la conversión directa de energía en la generación de energía MHD aumenta con la intensidad del campo magnético y la conductividad del plasma , que depende directamente de la temperatura del plasma y, más precisamente, de la temperatura de los electrones. Como los plasmas muy calientes solo pueden usarse en generadores MHD pulsados (por ejemplo, usando tubos de choque ) debido a la rápida erosión térmica del material, se previó utilizar plasmas no térmicos como fluidos de trabajo en generadores MHD estacionarios, donde solo se calientan mucho los electrones libres. (10.000-20.000 kelvins ), mientras que el gas principal (átomos e iones neutros) permanece a una temperatura mucho más baja, normalmente 2500 kelvins. El objetivo era preservar los materiales del generador (paredes y electrodos) y al mismo tiempo mejorar la conductividad limitada de estos malos conductores al mismo nivel que un plasma en equilibrio termodinámico ; es decir, completamente calentado a más de 10.000 kelvin, una temperatura que ningún material podría soportar. [1] [2] [3] [4]
Pero Evgeny Velikhov descubrió por primera vez teóricamente en 1962 y experimentalmente en 1963 que una inestabilidad de ionización, más tarde llamada inestabilidad de Velikhov o inestabilidad electrotérmica , surge rápidamente en cualquier convertidor MHD que utiliza plasmas no térmicos magnetizados con electrones calientes, cuando se alcanza un parámetro Hall crítico , por lo que depende de sobre el grado de ionización y el campo magnético. [5] [6] [7] Tal inestabilidad degrada en gran medida el rendimiento de los generadores MHD de desequilibrio. Las perspectivas sobre esta tecnología, que inicialmente predijeron eficiencias asombrosas, paralizaron los programas MHD en todo el mundo, ya que en ese momento no se encontró ninguna solución para mitigar la inestabilidad. [8] [9] [10] [11]
En consecuencia, sin implementar soluciones para controlar la inestabilidad electrotérmica, los generadores MHD prácticos tuvieron que limitar el parámetro Hall o utilizar plasmas térmicos moderadamente calentados en lugar de plasmas fríos con electrones calientes, lo que reduce gravemente la eficiencia.
En 1994, el Instituto Técnico de Tokio ostentaba el récord de eficiencia del 22% para los generadores MHD de discos de ciclo cerrado. La extracción de entalpía máxima en estos experimentos alcanzó el 30,2%. Los generadores MHD de carbón de ductos y Hall de ciclo abierto típicos son más bajos, cerca del 17%. Estas eficiencias hacen que MHD sea poco atractivo, por sí solo, para la generación de energía de servicios públicos, ya que las centrales eléctricas convencionales de ciclo Rankine alcanzan fácilmente el 40%.
Sin embargo, el escape de un generador MHD que quema combustible fósil es casi tan caliente como una llama. Al dirigir sus gases de escape a un intercambiador de calor para una turbina de ciclo Brayton o un generador de vapor de ciclo Rankine , MHD puede convertir combustibles fósiles en electricidad con una eficiencia estimada de hasta el 60 por ciento, en comparación con el 40 por ciento de una planta de carbón típica.
Un generador magnetohidrodinámico también podría ser la primera etapa de un reactor con núcleo de gas . [12]
Los generadores MHD tienen problemas difíciles en cuanto a los materiales, tanto de las paredes como de los electrodos. Los materiales no deben derretirse ni corroerse a temperaturas muy altas. Para este propósito se desarrollaron cerámicas exóticas que deben seleccionarse para que sean compatibles con el combustible y la semilla de ionización. Los materiales exóticos y los difíciles métodos de fabricación contribuyen al alto coste de los generadores MHD.
Además, los MHD funcionan mejor con campos magnéticos más fuertes. Los imanes de mayor éxito han sido los superconductores , y muy próximos al canal. Una dificultad importante fue refrigerar estos imanes mientras se aislaban del canal. El problema es peor porque los imanes funcionan mejor cuando están más cerca del canal. También existen graves riesgos de daños a las cerámicas calientes y quebradizas debido al agrietamiento térmico diferencial. Los imanes suelen estar cerca del cero absoluto, mientras que el canal está a varios miles de grados.
Para los MHD, se informó que tanto la alúmina (Al 2 O 3 ) como el peróxido de magnesio (MgO 2 ) funcionan para las paredes aislantes. El peróxido de magnesio se degrada cerca de la humedad. La alúmina es resistente al agua y se puede fabricar para que sea bastante fuerte, por lo que en la práctica, la mayoría de los MHD han utilizado alúmina para las paredes aislantes.
Para los electrodos de MHD limpios (es decir, que queman gas natural), un buen material era una mezcla de 80 % de CeO 2 , 18 % de ZrO 2 y 2 % de Ta 2 O 5 . [13]
Los MHD que queman carbón tienen ambientes intensamente corrosivos con escoria. La escoria protege y corroe los materiales MHD. En particular, la migración de oxígeno a través de la escoria acelera la corrosión de los ánodos metálicos. No obstante, se han obtenido muy buenos resultados con electrodos de acero inoxidable a 900 K. [14] Otra opción, quizás superior, es una cerámica de espinela, FeAl 2 O 4 - Fe 3 O 4 . Se informó que la espinela tenía conductividad electrónica, ausencia de una capa de reacción resistiva pero con cierta difusión de hierro en la alúmina. La difusión del hierro podría controlarse con una fina capa de alúmina muy densa y refrigeración por agua tanto en los electrodos como en los aisladores de alúmina. [15]
Unir los electrodos de alta temperatura a barras colectoras de cobre convencionales también es un desafío. Los métodos habituales establecen una capa de pasivación química y enfrían la barra colectora con agua. [13]
Los generadores MHD no se han empleado para la conversión masiva de energía a gran escala porque otras técnicas con eficiencia comparable tienen un costo de inversión en el ciclo de vida más bajo. Los avances en las turbinas de gas natural lograron eficiencias térmicas similares a costos más bajos, al hacer que el escape de la turbina impulsara una planta de vapor de ciclo Rankine . Para obtener más electricidad a partir del carbón, es más barato simplemente añadir más capacidad de generación de vapor a baja temperatura.
Un generador MHD alimentado con carbón es un tipo de ciclo de energía Brayton , similar al ciclo de energía de una turbina de combustión. Sin embargo, a diferencia de la turbina de combustión, no existen piezas mecánicas móviles; el plasma eléctricamente conductor proporciona el conductor eléctrico en movimiento. Las paredes laterales y los electrodos simplemente resisten la presión interior, mientras que los conductores anódicos y catódicos recogen la electricidad generada. Todos los ciclos Brayton son motores térmicos. Los ciclos ideales de Brayton también tienen una eficiencia ideal igual a la eficiencia ideal del ciclo de Carnot . De ahí el potencial de alta eficiencia energética de un generador MHD. Todos los ciclos Brayton tienen mayor potencial de eficiencia cuanto mayor sea la temperatura de cocción. Mientras que una turbina de combustión tiene una temperatura máxima limitada por la fuerza de sus superficies aerodinámicas giratorias enfriadas por aire/agua o vapor; no hay piezas giratorias en un generador MHD de ciclo abierto. Este límite superior de temperatura limita la eficiencia energética en las turbinas de combustión. El límite superior de la temperatura del ciclo Brayton para un generador MHD no está limitado, por lo que inherentemente un generador MHD tiene una mayor capacidad potencial de eficiencia energética.
Las temperaturas a las que pueden operar los generadores MHD lineales alimentados con carbón están limitadas por factores que incluyen: (a) el combustible de combustión, el oxidante y la temperatura de precalentamiento del oxidante que limitan la temperatura máxima del ciclo; (b) la capacidad de proteger las paredes laterales y los electrodos contra la fusión; (c) la capacidad de proteger los electrodos del ataque electroquímico de la escoria caliente que recubre las paredes combinado con la alta corriente o arcos que inciden en los electrodos cuando transportan la corriente directa del plasma; y (d) por la capacidad de los aisladores eléctricos entre cada electrodo. Las plantas MHD alimentadas con carbón con oxígeno/aire y precalentamientos elevados de oxidantes probablemente proporcionarían plasmas sembrados con potasio de aproximadamente 4200 °F, 10 atmósferas de presión y comenzarían la expansión a Mach 1,2. Estas plantas recuperarían el calor de escape del MHD para el precalentamiento del oxidante y para la generación de vapor de ciclo combinado. Con suposiciones agresivas, un estudio de viabilidad financiado por el DOE sobre dónde podría ir la tecnología, Diseño conceptual de planta de energía de ciclo binario MHD/vapor de carbón avanzado de 1000 MWe, publicado en junio de 1989, demostró que una gran planta de ciclo combinado MHD alimentada con carbón podría lograr una eficiencia energética de HHV cercana al 60 por ciento, muy por encima de otras tecnologías alimentadas con carbón, por lo que existe el potencial de bajos costos operativos.
Sin embargo, aún no se han realizado pruebas en esas condiciones o tamaños agresivos, y actualmente no hay generadores MHD grandes bajo prueba. Simplemente existe un historial de confiabilidad inadecuado para brindar confianza en un diseño de MHD comercial alimentado con carbón.
Las pruebas del U25B MHD en Rusia utilizando gas natural como combustible utilizaron un imán superconductor y tuvieron una potencia de 1,4 megavatios. Una serie de pruebas de un generador MHD alimentado con carbón financiadas por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en 1992 produjo energía MHD a partir de un imán superconductor más grande en el Centro de Integración y Desarrollo de Componentes (CDIF) en Butte , Montana . Ninguna de estas pruebas se realizó durante períodos suficientemente prolongados para verificar la durabilidad comercial de la tecnología. Ninguna de las instalaciones de prueba tenía la escala suficiente para una unidad comercial.
Los imanes superconductores se utilizan en los generadores MHD más grandes para eliminar una de las grandes pérdidas parásitas: la energía necesaria para energizar el electroimán. Los imanes superconductores, una vez cargados, no consumen energía y pueden desarrollar intensos campos magnéticos de 4 teslas o más. La única carga parásita de los imanes es mantener la refrigeración y compensar las pequeñas pérdidas de las conexiones no supercríticas.
Debido a las altas temperaturas, las paredes no conductoras del canal deben construirse con una sustancia extremadamente resistente al calor, como óxido de itrio o dióxido de circonio, para retardar la oxidación. Asimismo, los electrodos deben ser conductores y resistentes al calor a altas temperaturas. El generador MHD de carbón AVCO en el CDIF se probó con electrodos de cobre enfriados por agua cubiertos con platino, tungsteno, acero inoxidable y cerámica eléctricamente conductora.
MHD reduce la producción general de desechos peligrosos de combustibles fósiles porque aumenta la eficiencia de la planta. En las plantas de carbón MHD, el proceso comercial patentado "Econoseed" desarrollado por los EE. UU. (ver más abajo) recicla la semilla de ionización de potasio de las cenizas volantes capturadas por el depurador de gases de la chimenea. Sin embargo, este equipo supone un gasto adicional. Si el metal fundido es el fluido de armadura de un generador MHD, se debe tener cuidado con el refrigerante del electromagnético y del canal. Los metales alcalinos comúnmente utilizados como fluidos MHD reaccionan violentamente con el agua. Además, los subproductos químicos de los metales alcalinos electrificados y calentados y las cerámicas de canales pueden ser venenosos y persistentes en el medio ambiente.
La primera investigación práctica sobre energía MHD fue financiada en 1938 en los EE. UU. por Westinghouse en sus laboratorios de Pittsburgh, Pensilvania , dirigidos por el húngaro Bela Karlovitz . La patente inicial de MHD es de B. Karlovitz, patente estadounidense nº 2.210.918, "Process for the Conversion of Energy", 13 de agosto de 1940.
La Segunda Guerra Mundial interrumpió el desarrollo. En 1962, el Dr. Brian C. Lindley, de International Research and Development Company Ltd, celebró en Newcastle upon Tyne, Reino Unido, la Primera Conferencia Internacional sobre MHD Power. El grupo creó un comité directivo para organizar más conferencias y difundir ideas. En 1964, el grupo organizó una segunda conferencia en París, Francia, en consulta con la Agencia Europea de Energía Nuclear .
Dado que la membresía en la ENEA era limitada, el grupo persuadió a la Agencia Internacional de Energía Atómica para que patrocinara una tercera conferencia, en Salzburgo, Austria, en julio de 1966. Las negociaciones en esta reunión convirtieron al comité directivo en un grupo de informes periódicos, el ILG-MHD (internacional grupo de enlace, MHD), bajo la ENEA, y más tarde, en 1967, también bajo la Agencia Internacional de Energía Atómica. Investigaciones adicionales realizadas en la década de 1960 por R. Rosa establecieron la viabilidad de MHD para sistemas de combustibles fósiles.
En la década de 1960, AVCO Everett Aeronautical Research inició una serie de experimentos que terminaron con el Mk. Generador V de 1965. Generaba 35 MW, pero utilizaba unos 8 MW para impulsar su imán. En 1966, el ILG-MHD celebró su primera reunión formal en París, Francia. Comenzó a publicar un informe periódico sobre la situación en 1967. Este patrón persistió, en esta forma institucional, hasta 1976. Hacia finales de la década de 1960, el interés en MHD declinó porque la energía nuclear estaba cada vez más disponible.
A finales de la década de 1970, a medida que disminuía el interés por la energía nuclear, aumentaba el interés por MHD. En 1975, la UNESCO se convenció de que el MHD podría ser la forma más eficiente de utilizar las reservas mundiales de carbón y, en 1976, patrocinó el ILG-MHD. En 1976, quedó claro que ningún reactor nuclear en los próximos 25 años utilizaría MHD, por lo que la Agencia Internacional de Energía Atómica y ENEA (ambas agencias nucleares) retiraron el apoyo al ILG-MHD, dejando a la UNESCO como el principal patrocinador del ILG-MHD. MHD.
Durante más de diez años, los ingenieros del antiguo Instituto Yugoslavo de Tecnología Térmica y Nuclear (RIED), Energoinvest Co., Sarajevo, construyeron el primer generador de energía experimental para una instalación magneto-hidrodinámica en 1989. Fue aquí donde se patentó por primera vez. . [16] [17]
En la década de 1980, el Departamento de Energía de Estados Unidos inició un vigoroso programa plurianual que culminó en 1992 con una cámara de combustión de carbón de demostración de 50 MW en el Centro de Integración y Desarrollo de Componentes (CDIF) en Butte, Montana . Este programa también contó con un trabajo importante en la instalación de flujo de carbón (CFIFF) del Instituto Espacial de la Universidad de Tennessee .
Este programa combinó cuatro partes:
Los prototipos iniciales en el CDIF se operaron por períodos cortos, con varios carbones: Montana Rosebud y un carbón corrosivo con alto contenido de azufre, Illinois No. 6. Se completó una gran cantidad de ingeniería, química y ciencia de materiales. Después de que se desarrollaron los componentes finales, las pruebas operativas se completaron con 4000 horas de operación continua, 2000 en Montana Rosebud, 2000 en Illinois No. 6. Las pruebas finalizaron en 1993. [ cita necesaria ]
El programa japonés de finales de los años 1980 se concentró en MHD de ciclo cerrado. La creencia era que tendría mayor eficiencia y equipos más pequeños, especialmente en plantas limpias, pequeñas y económicas con capacidades cercanas a los 100 megavatios (eléctricos) que se adaptan a las condiciones japonesas. Generalmente se piensa que las plantas alimentadas con carbón de ciclo abierto resultan económicas por encima de los 200 megavatios.
La primera gran serie de experimentos fue FUJI-1, un sistema de purga impulsado por un tubo de choque en el Instituto de Tecnología de Tokio . Estos experimentos extrajeron hasta el 30,2% de entalpía y lograron densidades de energía cercanas a los 100 megavatios por metro cúbico. Esta instalación fue financiada por Tokyo Electric Power, otras empresas de servicios públicos japonesas y el Departamento de Educación. Algunas autoridades creen que este sistema era un generador de discos con un gas portador de helio y argón y una semilla de ionización de potasio.
En 1994, había planes detallados para FUJI-2, una instalación de ciclo cerrado continuo de 5 MWe , alimentada por gas natural, que se construiría utilizando la experiencia de FUJI-1. El diseño básico del MHD iba a ser un sistema con gases inertes utilizando un generador de disco. El objetivo era una extracción entálpica del 30% y una eficiencia térmica MHD del 60%. A FUJI-2 le seguiría una modernización de una planta de gas natural de 300 MWe.
En 1986, el profesor Hugo Karl Messerle de la Universidad de Sydney investigó el MHD alimentado con carbón. Esto dio como resultado una instalación superior de 28 MWe que se operó fuera de Sydney. Messerle también escribió una de las obras de referencia más recientes (ver más abajo), como parte de un programa educativo de la UNESCO.
Un obituario detallado de Hugo se encuentra en el sitio web de la Academia Australiana de Ciencias Tecnológicas e Ingeniería (ATSE). [18]
El programa italiano comenzó en 1989 con un presupuesto de unos 20 millones de dólares y tenía tres áreas principales de desarrollo:
Un programa nacional conjunto entre Estados Unidos y China finalizó en 1992 con la modernización de la planta número 3 alimentada con carbón en Asbach. [ cita necesaria ] En marzo de 1994 se aprobó otro programa de once años. Este estableció centros de investigación en:
El estudio de 1994 propuso un generador de 10 W (eléctrico, 108 MW térmico) con el MHD y las plantas de ciclo inferior conectadas por tuberías de vapor, de modo que cualquiera de ellas pudiera funcionar de forma independiente.
En 1971, se completó la planta U-25 alimentada con gas natural cerca de Moscú, con una capacidad diseñada de 25 megavatios. En 1974 entregaba 6 megavatios de potencia. [19] En 1994, Rusia había desarrollado y operado la instalación operada con carbón U-25, en el Instituto de Alta Temperatura de la Academia Rusa de Ciencias en Moscú. La planta de fondo del U-25 en realidad funcionaba bajo contrato con la empresa de servicios públicos de Moscú y suministraba energía a la red de Moscú. En Rusia había un gran interés en desarrollar un generador de discos accionado por carbón. En 1986 se construyó la primera central eléctrica industrial con generador MHD, pero en 1989 el proyecto se canceló antes del lanzamiento de MHD y esta central eléctrica se unió más tarde a la central eléctrica de Ryazan como una séptima unidad con construcción ordinaria.
