ciclo binario

Un ciclo binario es un método para generar energía eléctrica a partir de recursos geotérmicos y emplea dos ciclos de fluidos separados, de ahí el ciclo binario . El ciclo primario extrae la energía geotérmica del depósito y el ciclo secundario convierte el calor en trabajo para impulsar el generador y generar electricidad . ^[1]

Los ciclos binarios permiten la generación de electricidad incluso a partir de recursos geotérmicos de baja temperatura (<180°C) que de otro modo producirían cantidades insuficientes de vapor para que las plantas de energía flash sean económicamente viables. ^[2] Sin embargo, debido a las temperaturas más bajas, los ciclos binarios tienen eficiencias generales bajas de alrededor del 10-13%. ^[1]

Introducción

A diferencia de los métodos convencionales de generación de energía geotérmica como el vapor seco o el flash , que utilizan un único ciclo abierto, un ciclo binario tiene dos ciclos separados que funcionan en conjunto, por lo tanto, un ciclo binario. El ciclo primario extrae calor del depósito geotérmico y lo proporciona al ciclo secundario, que convierte el calor en trabajo (ver Motor térmico ) para impulsar un generador y producir electricidad . Termodinámicamente, las centrales eléctricas de ciclo binario son similares a las centrales nucleares o de carbón en el sentido de que emplean ciclos de energía Rankine , siendo la principal diferencia la fuente de calor y la elección del fluido de trabajo del ciclo . ^[1]

ciclo primario

El fluido caliente in situ (o geofluido) del yacimiento geotérmico se produce a la superficie a través de un pozo , si es necesario con la ayuda de una bomba. En la superficie, el geofluido caliente transfiere parte de su calor al ciclo secundario, a través de un intercambiador de calor , enfriándose así en el proceso. Luego, el geofluido frío se reinyecta en el yacimiento geotérmico a través de un pozo separado, donde se recalienta. El ciclo primario se considera un ciclo "abierto". ^[1]

ciclo secundario

El geofluido caliente calienta y vaporiza el fluido de trabajo frío a alta presión en un intercambiador de calor. El vapor caliente a alta presión se expande en una turbina antes de enfriarse y condensarse en un condensador . Para cerrar el circuito, el líquido frío a baja presión se represuriza mediante una bomba de alimentación . El ciclo secundario es un ciclo cerrado.

Las dos configuraciones principales del ciclo secundario son los ciclos Rankine Orgánico (ORC) o los ciclos Kalina , siendo la principal diferencia la elección del fluido de trabajo; un fluido orgánico (comúnmente un hidrocarburo o refrigerante ) o una mezcla de agua y amoníaco , respectivamente. ^[1]

Historia

Se cree que el ejemplo más antiguo de una planta de energía geotérmica de ciclo binario estuvo ubicado en Ischia , Italia , entre 1940 y 1943. Se cree que la planta utilizó cloruro de etilo como fluido de trabajo con una capacidad efectiva de 250 kW. Sin embargo, debido a que la Segunda Guerra Mundial se desarrolla al mismo tiempo, no se sabe mucho sobre esta instalación en particular. ^[3]

En 1967 se puso en funcionamiento otra central geotérmica de ciclo binario cerca de Petropavlovsk, en la península de Kamchatka , Rusia . Tenía una potencia nominal de 670 kW y funcionó durante un número indeterminado de años, lo que demuestra el concepto de plantas de energía geotérmica de ciclo binario. ^[4]

En diciembre de 2014, había 203 plantas de energía geotérmica de ciclo binario en 15 países de todo el mundo, lo que representa el 35% de todas las plantas de energía geotérmica, pero solo generaba el 10,4% de la energía geotérmica total (alrededor de 1250 MW). ^[1]

Variaciones

Doble presión

El fluido de trabajo se evapora a dos niveles de presión y, por tanto, a dos temperaturas diferentes. Esto mejora la eficiencia al reducir las pérdidas exergéticas en el intercambiador de calor primario al mantener una mayor coincidencia entre la curva de enfriamiento del geofluido y la curva de calentamiento del fluido de trabajo. ^[5]

fluido dual

Se operan dos ciclos secundarios en tándem, cada uno con un fluido de trabajo y un punto de ebullición separados. Esto mejora la eficiencia al reducir las pérdidas exergéticas del proceso de introducción de calor, al garantizar una mayor coincidencia entre la curva de enfriamiento del geofluido y las curvas de calentamiento de los fluidos de trabajo. ^[6]

Actuación

El rendimiento de un ciclo binario simple y sus componentes individuales se puede calcular de la siguiente manera: ^[1]

Turbina

${\dot {W}}_{\text{turbina}}={\dot {m}}_{\text{wf}}*\eta _{\text{turbina}}*(h_{1) }-h_{\text{2s}})$

${\dot {W}}_{\text{turbina}}$ es la tasa de trabajo realizado por la turbina, en kW
${\dot {m}}_{\text{wf}}$ es el caudal másico del fluido de trabajo, en kg/s
$\eta _{\text{turbina}}$ es la eficiencia de la turbina, adimensional
${\ Displaystyle h_ {1}}$ es la entalpía específica del fluido de trabajo en la entrada de la turbina, en kJ/kg
$h_{\text{2s}}$ es la entalpía específica del fluido de trabajo en la salida de la turbina, suponiendo una expansión isentrópica en la turbina, en kJ/kg

Condensador

La siguiente ecuación se puede utilizar para determinar el funcionamiento del condensador y el caudal másico de refrigerante requerido.

{\dot {Q}}_{\text{condensador}}={\dot {m}}_{\text{wf}}*(h_{2}-h_{3})={\dot {m}}_{\text{refrigerante}}*(h_{y}-h_{x})

${\dot {Q}}_{\text{condensador}}$ es la tasa de calor extraído del fluido de trabajo en el condensador, en kW
${\ Displaystyle h_ {2}}$ & son la entalpía específica del fluido de trabajo en la entrada y salida del condensador respectivamente, en kJ/kg ${\ Displaystyle h_ {3}}$
${\dot {m}}_{\text{refrigerante}}$ es el caudal másico de refrigerante, en kg/s
${\ Displaystyle h_ {x}}$ & son la entalpía específica del refrigerante en la entrada y salida del condensador respectivamente, en kJ/kg $h_{y}$

Bomba de alimentación

{\dot {W}}_{\text{bomba}}={\dot {m}}_{\text{wf}}*(h_{\text{4s}}-h_{3}) /\eta _{\text{bomba}}

${\dot {W}}_{\text{bomba}}$ es la tasa de trabajo realizada por la bomba para represurizar el fluido de trabajo, en kW
$h_{\text{4s}}$ es la entalpía específica del fluido de trabajo en la salida de la bomba de alimentación, suponiendo una compresión isentrópica, en kJ/kg
${\ Displaystyle h_ {3}}$ es la entalpía específica del fluido de trabajo en la entrada de la bomba de alimentación, en kJ/kg
$\eta _{\text{bomba}}$ es la eficiencia de la bomba, adimensional

Intercambiador de calor primario

La siguiente ecuación se puede utilizar para determinar el funcionamiento del intercambiador de calor primario y el caudal másico de geofluido requerido.

{\dot {Q}}_{\text{PHX}}={\dot {m}}_{\text{wf}}*(h_{1}-h_{4})={\dot {m}}_{\text{geofluido}}*(h_{a}-h_{c})

${\dot {Q}}_{\text{PHX}}$ es la tasa de calor agregado al fluido de trabajo dentro del intercambiador de calor primario, kW
${\ Displaystyle h_ {4}}$ es la entalpía específica del fluido de trabajo en la entrada del intercambiador de calor primario, en kJ/kg
${\dot {m}}_{\text{geofluido}}$ es el caudal másico de geofluido, en kg/s
${\ Displaystyle h_ {a}}$ & son la entalpía específica del geofluido en la entrada y salida del intercambiador de calor primario respectivamente, en kJ/kg ${\ Displaystyle h_ {c}}$

Eficiencia

Hay varias definiciones diferentes de eficiencia que pueden considerarse; estos se analizan a continuación. ^[1]

Eficiencia de la primera ley

La primera ley de eficiencia (de la Primera ley de la termodinámica ) es una medida de la conversión del calor aportado al ciclo en trabajo útil. Al contabilizar las pérdidas e ineficiencias de la vida real, las plantas geotérmicas de ciclo binario real tienen una eficiencia de primera ley de entre el 10 y el 13%. ^[1]

\eta _{\text{I}}^{\text{th}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{net}}}{{\dot {Q}} _{\text{PHE}}}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{turbina}}-{\dot {W}}_{\text{bomba}}}{{\ punto {Q}}_{\text{PHE}}}}

eficiencia de carnot

La eficiencia de Carnot proporciona la eficiencia de un ciclo termodinámico ideal, operando entre dos depósitos de diferentes temperaturas, como tal proporciona un máximo teórico a la eficiencia de cualquier motor térmico. Por esta razón, una planta de energía geotérmica que produce geofluido caliente a 180°C (≈450 K) y rechaza calor a 25°C (≈298 K) tiene una eficiencia máxima de solo el 34%.

\eta _{\text{Carnot}}=1-{\frac {T_{C}}{T_{H}}}

$T_{C}$ & son la temperatura absoluta fría y caliente respectivamente, en K $T_{H}$

Eficiencia de la segunda ley

La eficiencia de la segunda ley (de la Segunda ley de la termodinámica ) es una medida de la utilización del trabajo ideal máximo disponible y su conversión en trabajo útil. ^[1]

\eta _{\text{II}}^{\text{util}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{net}}}{{\dot {E}} _{\text{geofluido}}}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{turbina}}-{\dot {W}}_{\text{bomba}}}{{\ punto {m}}_{\text{geofluido}}*[(h_{a}-h_{0})-T_{0}*(s_{a}-s_{0})]}}

${\dot {E}}_{\text{geofluido}}$ es la tasa de exergía del geofluido, en kW.
$h_{0}$ , & son la entalpía específica, en kJ/kg, la entropía específica , en kJ/kg/K y la temperatura absoluta, en K, del geofluido en la condición de referencia local. Estas podrían ser condiciones ambientales locales, de bulbo húmedo o de reinyección. ${\ Displaystyle s_ {0}}$ $T_{0}$

Selección de fluido de trabajo

El fluido de trabajo juega un papel fundamental en cualquier ciclo binario y debe seleccionarse con cuidado. A continuación se dan algunos criterios para seleccionar un fluido adecuado. ^[1]^[7]

Una temperatura y presión críticas por encima de la temperatura y presión máximas del ciclo: la mayor parte del calor se transfiere a la temperatura máxima, lo que aumenta la eficiencia.
Una cúpula de saturación que se asemeja a una U invertida: esto evita que el líquido caiga en la turbina, lo que reduce la eficiencia, daña las palas de la turbina y, por lo tanto, reduce la vida útil de la turbina.
Alta conductividad térmica: mejora la transferencia de calor en el intercambiador de calor primario y el condensador, reduciendo el área total de transferencia de calor requerida y, por lo tanto, el costo de la planta.
Compatibilidad medioambiental: no tóxico , no cancerígeno , bajo potencial de calentamiento global , bajo potencial de agotamiento de la capa de ozono , no inflamable , químicamente inerte.
Bajo costo y fácilmente disponible.

Plantas de energía

Existen numerosas centrales eléctricas de ciclo binario en producción comercial.

Ciclo de Rankine orgánico

Olkaria III , Kenia ^[8]
Lagos Mammoth , California, Estados Unidos ^[9]
Steamboat Springs (Nevada) , Estados Unidos ^[10]
Central eléctrica de Te Huka , Nueva Zelanda ^[11]
Kirchstockach (Múnich), Alemania ^[12]
Traunreut, Alemania ^[12]

ciclo de kalina

Ver también

Referencias

^ abcdefghijk Ronald DiPippo (2016). Plantas de energía geotérmica: principios, aplicaciones, estudios de casos e impacto ambiental (4ª ed.). Butterworth-Heinemann . págs. 193-240. ISBN 978-0-08-100879-9. Wikidata Q112793147.
^ "Programa de Tecnologías Geotérmicas: Sistemas de Energía Hidrotermal". Programa de Tecnologías Geotérmicas: Tecnologías . Eficiencia Energética y Energías Renovables (EERE) del DOE de EE. UU. 2010-07-06 . Consultado el 2 de noviembre de 2010 .
^ Ronald DiPippo (enero de 2015). "Plantas de energía geotérmica: Evolución y evaluaciones de desempeño". Geotermia . 53 : 291–307. doi :10.1016/J.GEOTÉRMICA.2014.07.005. ISSN 0375-6505. Wikidata Q112813717.
^ Ronald DiPippo (1980), La energía geotérmica como fuente de electricidad. Un estudio mundial sobre el diseño y operación de plantas de energía geotérmica , doi :10.2172/5165898, Wikidata Q112817289
^ Ronald DiPippo (2008). Centrales de energía geotérmica: principios, aplicaciones, estudios de casos e impacto ambiental . Ámsterdam: Butterworth-Heinemann.
^ "CICLO DE FLUIDO DOBLE". Estados Unidos, Patente No.3795103 . 1974.
^ Çengel, Yunus A. y Michael A. Boles (2002). Termodinámica: un enfoque de ingeniería, séptima edición . Boston: McGraw-Hill. págs. Capítulo 10.
^ Ormat Technologies, Inc. "Tecnología binaria" . Consultado el 30 de junio de 2022 .
^ "Planta de energía geotérmica Mammoth Pacific honrada con el premio ambiental del estado de California". Ormat. 20 de agosto de 2009.
^ "Steamboat Springs".
^ "Planta de energía geotérmica Te Huka". Observatorio Global de la Energía.
^ ab Turboden Spa. "Geotérmica" . Consultado el 30 de junio de 2022 .