La mezcla de dióxido de carbono supercrítico (mezcla de sCO 2 ) es una mezcla homogénea de CO 2 con uno o más fluidos (fluido dopante) donde se mantiene a su temperatura crítica y presión crítica o por encima de ella . [1]
El dióxido de carbono se comporta como un fluido supercrítico por encima de su temperatura crítica (304,13 K, 31,0 °C, 87,8 °F) y presión crítica (7,3773 MPa, 72,8 atm, 1070 psi, 73,8 bar), expandiéndose para llenar su recipiente como un gas pero con una densidad como la de un líquido. [2]
Al combinar CO2 con otros fluidos , se puede modificar la temperatura crítica y la presión crítica de la mezcla. La mezcla de s-CO2 suele estar diseñada para aumentar la temperatura supercrítica de la mezcla para emplear el s-CO2 en ciclos de potencia , obteniendo una mayor eficiencia de conversión de energía . [3]
A pesar del desarrollo de nuevas tecnologías de generación de electricidad , la mayoría de las centrales eléctricas son centrales térmicas , lo que significa que utilizan una fuente de calor ( solar térmica , energía nuclear , combustible fósil , biomasa , incineración , geotermia ) para producir electricidad. Aunque este proceso se puede lograr directamente utilizando el efecto Seebeck , la eficiencia de conversión de energía aumenta en gran medida utilizando un ciclo de potencia . Tradicionalmente, las centrales eléctricas se basan en el ciclo Rankine y utilizan turbinas de vapor para la generación de electricidad. La eficiencia del ciclo de potencia está limitada por la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el sumidero de calor. Cuanto mayor sea el diferencial, más electricidad se puede producir. Reemplazar el vapor por dióxido de carbono supercrítico permite alcanzar un diferencial de temperatura más alto, aumentando así la eficiencia energética de la central eléctrica . [3]
El estado supercrítico facilita el intercambio de calor en la fuente de calor. Además, el dióxido de carbono supercrítico es dos veces más denso que el vapor , y la combinación de alta densidad y calor volumétrico lo convierte en un fluido denso de alta energía, lo que significa que se puede reducir el tamaño de la mayoría de los componentes del ciclo termodinámico. Por lo tanto, la huella ecológica de la planta y el gasto de capital se reducen considerablemente. Además, el sCO 2 no es inflamable , no es explosivo , es barato y tiene una toxicidad comparativamente baja . [4] La eficiencia se puede aumentar aún más empleando un ciclo combinado . [5]
Una de las principales limitaciones que ha retrasado el uso masivo del dióxido de carbono en los ciclos de potencia es la ingeniería de corrosión . Los materiales para el transporte de fluidos y la generación de energía deben presentar una alta resistencia a las altas temperaturas , la corrosión y la fluencia .
La energía solar concentrada (CSP) es una tecnología solar térmica que utiliza espejos o lentes para concentrar la luz solar en un receptor. [6] El receptor alcanza temperaturas muy altas, hasta 1000 °C en el caso de las torres de energía solar comerciales , lo que favorece una alta eficiencia de conversión de energía. Sin embargo, la producción de electricidad está limitada por el motor térmico utilizado. [3]
En el sector de la energía solar concentrada, el uso de CO2 supercrítico como fluido de calentamiento del motor puede suponer una reducción significativa de los costes. La mayor eficiencia del bloque de potencia reduce el tamaño del campo solar, disminuyendo la ocupación del suelo y, por tanto, el coste de esta parte de la planta. Según los análisis disponibles, se espera que los costes de producción de electricidad de la CSP convencional con CO2 supercrítico sean de 9,5–10 céntimos de $/KWh en condiciones favorables. [7] Además, la energía solar concentrada ofrece la posibilidad de recuperar directamente la radiación solar sin utilizar ningún portador de energía intermedio . Sin embargo, esto plantea retos en el diseño de receptores solares de alta presión, que deben mantener presiones superiores a la presión crítica del fluido, así como de sistemas de almacenamiento de energía . [8]
Para que los ciclos de potencia supercríticos de CO2 sean eficientes, es necesario que la temperatura de entrada del compresor sea cercana o incluso inferior a la temperatura crítica del fluido (31 °C para el dióxido de carbono puro). Cuando se alcanza este objetivo y la fuente de calor está a una temperatura superior a 600–650 °C, el ciclo de CO2 superó a cualquier ciclo Rankine que funcione con agua/ vapor en las mismas condiciones límite. [9]
Debido a las condiciones climáticas de los sitios áridos donde se ubican habitualmente las plantas de energía solar concentrada, con temperaturas ambiente superiores a los 35 °C, es imposible enfriar el CO2 lo suficiente como para comprimir el fluido con bajos requerimientos de energía. En consecuencia, la rápida transición a un comportamiento casi ideal del dióxido de carbono cuando la temperatura aumenta a 40 °C o más aumenta el trabajo de compresión y reduce la eficiencia térmica del bloque de potencia, que solo se puede aumentar nuevamente mediante un gran aumento de la temperatura de entrada de la turbina. Para superar estos problemas termodinámicos, se podría emplear una mezcla de CO2 supercrítico con una temperatura crítica más alta. [ 10] Se ha estudiado la temperatura crítica de varias mezclas de CO2 supercrítico . Por ejemplo, una mezcla que alcanza una temperatura crítica de 80 °C puede proporcionar una alta eficiencia para temperaturas de disipador de calor de hasta 50 °C. [9]
El proyecto SCARABEUS, que ha recibido financiación de la Unión Europea, formula un nuevo enfoque conceptual para implementar mezclas supercríticas de dióxido de carbono en plantas de energía solar concentrada para reducir los costos operativos y de capital al aumentar la eficiencia del ciclo de energía. El proyecto SCARABEUS es desarrollado por un consorcio de universidades europeas ( Politecnico di Milano y Università degli Studi di Brescia de Italia, Technische Universität Wien de Austria , Universidad de Sevilla de España y University of London de Reino Unido) y empresas privadas (Kelvion de Alemania, Baker Hughes de Estados Unidos y Abengoa de España) con experiencia en energía solar concentrada. [11] [12]
Dióxido de carbono supercrítico
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