Estado del arte del ciclo de potencia tipo Allam

Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Tecnologías Industriales Estado del arte del ciclo de potencia tipo Allam Autor: José Mazuelos Arregui Tutor: Francisco Javier Pino Lucena Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 iii Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Tecnologías Industriales Estado del arte del ciclo de potencia tipo Allam Autor: José Mazuelos Arregui Tutor: Francisco Javier Pino Lucena Profesor titular Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 v Proyecto Fin de Carrera: Estado del arte del ciclo de potencia tipo Allam Autor: José Mazuelos Arregui Tutor: Francisco Javier Pino Lucena El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2020 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros Agradecimientos En primer lugar, agradecer a mi familia todo el apoyo y cariño recibido, han hecho todo lo posible para que nunca me faltara nada, no tengo ninguna duda de que seguirá siendo así. También me gustaría agradecer todo el tiempo compartido con mis amigos, al igual que mi familia, me han aportado valores y experiencias muy importantes para afrontar los peores obstáculos. Por último, me gustaría agradecer los conocimientos que me han proporcionado los profesores de todos los centros educativos en los que estudié, en especial a Francisco Javier Pino, que a pesar de no coincidir mucho con él por culpa del coronavirus, ha estado atento telemáticamente a todas las dudas que me surgían durante el trabajo y siempre respondiendo con buen criterio. De ellos puedo decir la siguiente frase, atribuida a Isaac Newton: “Si he visto más lejos que otros, es porque estaba sobre los hombros de gigantes”. ix xvii Índice de Figuras Figura 1. Gráfico del consumo mundial de energía en las últimas décadas (izquierda) y gráfico del promedio global de concentraciones de gases de efecto invernadero en los últimos siglos (derecha). ............................... 2 Figura 2. Esquema de la captura de pre-combustión. .............................................................................................. 6 Figura 3. Esquema del proceso general de absorción física. .................................................................................... 7 Figura 4. Esquema del funcionamiento de separación por membrana. ................................................................. 8 Figura 5. Esquema de la captura de oxicombustión. ................................................................................................ 9 Figura 6. Esquema de la captura de post-combustión. .......................................................................................... 10 Figura 7. Representación de algunas de las distintas formas de uso y almacenamiento del CO2. ..................... 13 Figura 8. Esquema básico de una planta de ciclo Allam que emplea combustible de gas natural. .................... 18 Figura 9. Diagrama de presión-entalpía del ciclo Allam simplificado para CO2 puro. .......................................... 20 Figura 10. Esquema del proceso del ciclo Allam de combustible sólido. .............................................................. 21 Figura 11. Mercado total aproximado para el ciclo Allam. .................................................................................... 27 Figura 12. Banco de pruebas para una cámara de combustión de 5 MWth que funciona a 300 bar (izquierda) y rotor de la turbina de demostración (derecha). ................................................................................................... 29 Figura 13. Turbina de demostración (izquierda) y carcasa exterior de la turbina de demostración (derecha). 29 Figura 14. Placas individuales (izquierda) y esquema del bloque soldado por difusión (derecha). .................... 30 Figura 15. Red de intercambiadores de calor de la planta de demostración. ...................................................... 30 Figura 16. Esquema de un sistema de receptor central. ........................................................................................ 31 Figura 17. Esquema de un sistema de disco parabólico. ........................................................................................ 32 Figura 18. Esquema de un sistema con colector lineal Fresnel. ............................................................................. 32 Figura 19. Esquema de un sistema con colector cilíndrico-parabólico. ................................................................ 33 Figura 20. Ejemplo de diseño del ciclo Allam integrado a CSP. .............................................................................. 35 Figura 21. Eficiencia eléctrica neta del sistema frente a la porción de calor añadido por la CSP del total (calculado a una temperatura mínima de 40 °C). ................................................................................................... 35 Figura 22. Esquema de un ciclo simple de oxicombustión de CO2 supercrítico integrado a CSP. ....................... 36 Figura 23. Eficiencia ideal de conversión de energía solar a trabajo a través de la temperatura de entrada de la turbina y la relación de concentración de flujo solar (C). ................................................................................... 37 Figura 24. Comparación entre las eficiencias del sistema de ciclo Allam integrado a la CSP y las de la CSP sin integración mediante la temperatura del colector solar. ...................................................................................... 39 Figura 25. Esquema conceptual del sistema separado y el sistema integrado. ................................................... 39 Figura 26. Mapa de IND donde se indican las regiones de la Tabla 5. ................................................................... 40 Figura 27. Información diaria del IDN de cada región. ........................................................................................... 41 Figura 28. Gráfica de rendimiento de carga parcial de los sistemas de conversión de energía de CO2 supercrítico. ................................................................................................................................................... 42 xix Notación 𝜎 Constante de Stefan-Boltzmann 𝑠 Entropía 𝐶 Relación de concentración del flujo solar ε Emitancia térmica α Absortancia ℎ Entalpía 𝜂𝑡ℎ Rendimiento térmico 𝜂𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜 Rendimiento del campo de heliostatos 𝜂𝑇,𝑖𝑠𝑒𝑛 Eficiencia isentrópica de la turbina 𝜂𝐶,𝑖𝑠𝑒𝑛 Eficiencia isentrópica del compresor 𝜀𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝 Eficiencia del recuperador 𝛥𝑇𝑅 Enfoque de temperatura del receptor solar 𝑓𝑐𝑜𝑛𝑣 Factor de pérdida de calor por convección 𝑇𝑎𝑚𝑏 Temperatura del ambiente 𝑇𝑇,𝑠 Temperatura en la salida de la turbina 𝑇𝑇,𝑒 Temperatura en la entrada de la turbina 𝑇𝑅 Temperatura del receptor solar 𝑇𝐶,𝑠 Temperatura en la salida del compresor 𝑇𝐶,𝑒 Temperatura en la entrada del compresor 𝑃𝑇,𝑒 Presión en la entrada de la tubina 𝑃𝑇,𝑠 Presión en la salida de la turbina 𝑃𝑅𝑇 Relación de presión en la turbina 𝑃𝑅𝐶 Relación de presión en el compresor 𝑃𝐶,𝑠 Presión en la salida del compresor 𝑃𝐶,𝑒 Presión en la entrada del compresor 𝐹𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 Factor de forma 𝐸𝐼𝑁𝐷 Irradiancia normal directa ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 Coeficiente de transferencia de calor por convección GHGT The Greenhouse Gas Control Technologies GLP Gas licuado de petróleo GNL Gas natural líquido 2 1 INTRODUCCIÓN En los últimos años, la demanda energética mundial ha tenido un incremento continuo debido, principalmente, al crecimiento demográfico y económico. Este incremento energético junto con otros factores, como la deforestación o la generación excesiva de residuos, han dado lugar a uno de los mayores desafíos de nuestro tiempo: el cambio climático. Desde el inicio de la industrialización, las cantidades de gases de efecto invernadero en la atmósfera han aumentado hasta niveles nunca antes vistos en tres millones de años. Como consecuencia, sus efectos medioambientales han sido estudiados por la comunidad científica durante los últimos siglos, pero no hubo un gran consenso científico y político para reducirlos hasta finales del siglo XX. Para ello, en 1988 se fundó el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático, conocido por el acrónimo en inglés IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), que en su 5º Informe de Evaluación, finalizado en 2014, ha expresado la urgente necesidad de implementar medidas que limiten el calentamiento generado por la emisión de gases de efecto invernadero (GEI) por debajo de 2ºC en relación con los niveles preindustriales. El compromiso con este objetivo se materializó gracias al acuerdo histórico en la 21ª Conferencia en París de 2015, que actualmente cuenta con el apoyo de 195 países. Para lograrlo, se estima que la concentración atmosférica de CO2eq tiene que ser menor de 450 ppm en 2100, alcanzándose unos niveles de emisión en 2050 de entre el 40% y el 70% menores que en 2010 a nivel mundial. Figura 1. Gráfico del consumo mundial de energía en las últimas décadas (izquierda) y gráfico del promedio global de concentraciones de gases de efecto invernadero en los últimos siglos (derecha). El sector de la producción eléctrica es el que más repercute en las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero, encima, se prevé que la demanda de electricidad aumente aún más debido, sobre todo, a la creciente electrificación del transporte, a la industrialización de los países con economías emergentes y a la mayor accesibilidad de los dispositivos digitales, la calefacción o el aire acondicionado. Actualmente, el suministro eléctrico global se lleva a cabo mediante los siguientes sistemas: Los principios éticos elevados producen métodos comerciales eficaces. - James Watt - 3 3 Estado del arte del ciclo de potencia tipo Allam  Centrales termoeléctricas de ciclo convencional: se quema carbón, gas natural o gasóleo para elevar la temperatura de un depósito de agua, que se transforma en vapor. Este fluido se utiliza para mover una turbina que genera electricidad por medio de un alternador, que transforma energía mecánica en eléctrica. Finalmente, el vapor va a un condensador para volver a convertirse en agua y empezar de nuevo el ciclo. Son una alternativa económica, pero generan emisiones de gases de efecto invernadero y lluvia ácida, además, los combustibles fósiles son una fuente de energía limitada.  Centrales termoeléctricas de ciclo combinado: funcionan de manera parecida a las de ciclo convencional, pero incluye otra turbina que se mueve con aire atmosférico, que se calienta mediante combustibles fósiles. Presentan los mismos inconvenientes que una central convencional, pero son más eficientes, más flexibles y emiten menos emisiones a la atmósfera.  Centrales nucleares: el calor liberado por la fisión nuclear en un reactor calienta grandes cantidades de agua a alta presión, convirtiéndose en vapor para mover una turbina conectada a un generador. El combustible que utilizan es habitualmente uranio, que es limitado. Son una buena opción para producir grandes cantidades de electricidad sin emisiones de gases de efecto invernadero, aunque varios países están apostando por su reducción debido, principalmente, a los riesgos de un accidente nuclear y a la formación de desechos radiactivos.  Centrales geotérmicas: el sistema es similar a los anteriores (se calienta agua hasta generar vapor para mover una turbina), pero, en este caso, se aprovecha el calor natural del interior de la tierra a través de canalizaciones en el subsuelo. Es un sistema de gran ahorro, tanto económico como energético, pero produce emisiones de gases de efecto invernadero, además de que pueden contaminar aguas que estén próximas con sustancias como el arsénico o el amoniaco.  Centrales de biomasa: en este caso, el calor se genera tras quemar materia orgánica, ya sean vegetales o todo tipo de residuos (animales, industriales, agrícolas y urbanos). Son una fuente de energía renovable y prácticamente nula de emisiones de carbono, que disminuye la dependencia de los combustibles fósiles, a pesar del bajo poder calorífico de la biomasa en la actualidad.  Centrales hidroeléctricas: utilizan un salto de agua importante para mover una turbina hidráulica. Se suelen construir en presas y embalses. Generan electricidad de manera flexible, segura y sin emisiones de carbono, pero dependen de las condiciones ambientales y geográficas.  Parques eólicos: aquí es el viento el que mueve una turbina de la que se obtendrá la energía eléctrica. Utilizan una fuente de energía renovable con nulas emisiones de gases de efecto invernadero, aunque dependen del viento, que, además, es impredecible y difícil de controlar. También producen contaminación acústica.  Centrales solares: existen dos tipos. Las termosolares usan el calor del sol para calentar agua y utilizar el vapor generado para mover una turbina. Las fotovoltaicas transforman INTRODUCCIÓN 4 directamente la energía solar en electricidad, gracias a las células fotovoltaicas. Sin embargo, dependen de la radiación solar y es difícil almacenar la energía que generan, pero son una fuente de energía renovable sin emisiones de carbono.  Centrales mareomotrices y undimotrices: los movimientos de agua producidos por el oleaje (en el caso de las undimotrices) o las subidas y bajadas de las mareas accionan una turbina que mediante un generador producirá electricidad. Aunque generan energía libre de carbono con recursos renovables, dependen de las condiciones geográficas y ambientales, igualmente, generan un impacto visual y paisajístico sobre las costas, modificando el estado natural del lugar y su ecosistema. Se puede comprobar que existe una gran variedad de tecnologías energéticas que nutren al mercado eléctrico, pero es necesario que se sigan desarrollando nuevas medidas para mitigar los efectos adversos del cambio climático y garantizar el acceso universal a una energía asequible, segura y sostenible, como mejorar la eficiencia energética de los distintos sistemas, reducir la utilización de combustibles con alto contenido en carbono, aumentar la presencia de energías renovables a gran escala o implementar la tecnología de captura y almacenamiento de carbono (CAC). Dicha tecnología se verá más adelante con mayor profundidad, ya que es un sistema novedoso de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero capaz de adaptarse tanto a plantas contaminantes ya existentes como a aquellas de nueva construcción en el sector energético e industrial. En este trabajo, tendrá una especial importancia, dentro de la tecnología de captura y almacenamiento de carbono, el estudio del innovador ciclo Allam, presentado como una novedosa tecnología que emplea la oxicombustión y un fluido de trabajo de CO2 supercrítico de alta presión en un ciclo altamente recuperado para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. En los últimos años, ha alcanzado un gran desarrollo y la puesta en funcionamiento de la planta de demostración en 2018 ha evidenciado su eficiencia y viabilidad tanto energética como económica. 5 5 Estado del arte del ciclo de potencia tipo Allam 2 CAPTURA Y ALMACENAMIENTO DE CARBONO La tecnología es esencial para frenar el cambio climático e impulsar la transición energética, cuyo principal objetivo es satisfacer la demanda de energía disminuyendo las emisiones de CO2. Para cumplir los objetivos de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, no basta con dejar de emitir CO2, sino que se necesita el uso de una tecnología capaz de capturarlo y reutilizarlo, que ayude, de manera más eficiente, a generar y consumir energía, además de crear nuevos productos a partir de residuos. De ahí, la importancia de la tecnología de captura y almacenamiento de carbono (CAC), que se explicará en este capítulo mediante las distintas etapas y técnicas de captura de CO2, el transporte y los tipos de amacenamiento. 2.1 Captura de CO2 Durante décadas, el CO2 se ha capturado en ciertos procesos industriales y de transformación de combustibles, como la producción de amoníaco y el procesamiento de gas natural, pero la necesidad de enfocar la tecnología a la reducción de emisiones de carbono ha hecho que la captura de CO2 emerja comercialmente, aunque aún se está demostrando a gran escala en muchas de las otras aplicaciones posibles, que van desde la generación de energía hasta la producción de cemento, hierro o acero. En cada una de estas aplicaciones es imprescindible adaptar una amplia gama de técnicas de separación de CO2 a las condiciones particulares de cada proceso, teniendo en cuenta los siguientes procedimientos: 2.1.1 Captura de pre-combustión Es un sistema de captura de CO2, anterior a la combustión, que utiliza un combustible (gas natural, fuel o carbón, siendo posible también la biomasa o residuos) al que se le aplica un tratamiento previo de gasificación para obtener un gas de síntesis compuesto por CO y H2; este gas sufre una posterior reacción, dando como resultado una corriente formada principalmente por CO2 y H2, que se pueden separar de forma relativamente sencilla por sus concentraciones y presiones disponibles. Dicha corriente puede utilizarse como combustible descarbonatado directamente en calderas o turbinas de gas, como base para la obtención de hidrógeno puro o para producir productos químicos líquidos con mayores ratios H/C a partir del gas de síntesis. Este sistema es aplicable a centrales térmicas de tipo GICC (Gasificación Integrada en Ciclo Combinado). La humanidad está ante el problema de encontrar nuevas materias primas y nuevas fuentes de energía que nunca se agotarán. Mientras tanto, no debemos desperdiciar lo que tenemos, sino dejar lo más posible para las generaciones venideras. - Svante Arrhenius - CAPTURA Y ALMACENAMIENTO DE CARBONO 12 12  Transporte por tubería: es la solución óptima para el transporte de CO2 a larga distancia, ya sea terrestre o marítimo. En las últimas décadas, el transporte de CO2 por tubería se ha utilizado predominantemente en la recuperación mejorada de petróleo (EOR), siendo un claro ejemplo la red de tuberías de EE.UU. con una longitud de 5600 km y una cantidad transportada cercana a los 50 millones de toneladas de CO2 anuales. Sin embargo, en comparación con la red de gasoductos, la extensión sigue siendo reducida ya que la red de gasoductos estadounidense, por ejemplo, tiene una longitud total de 480000 km. Cabe destacar que la construcción de un sistema que converja varios puntos de captura de CO2 para transportarlo conjuntamente hasta los diferentes destinos de almacenamiento supondría un ahorro considerable en términos de kilómetros de tubería requeridos, aunque sería necesario homogeneizar las características (presión, temperatura, composición, etc.) de las diversas corrientes procedentes de los distintos puntos de captura. Para reducir el riesgo de corrosión y, a su vez, garantizar la durabilidad de las tuberías, es necesario evitar la contaminación del CO2 con sulfuro de hidrógeno.  Transporte en vehículos: el transporte puede ser tanto terrestre (a través de camiones cisterna o ferrocarriles) como marítimo (mediante barcos con contenedores estancos). Se recurre al transporte en vehículos cuando no existe una infraestructura de tuberías suficiente para acometer el trayecto o cuando es inviable económicamente. Las distancias recorridas con este tipo de transporte suelen ser pequeñas. El informe especial de la IPCC estima que el transporte de un millón de toneladas al año mediante transporte marítimo en tanques de 22000 m3 a una distancia de 1100 km puede ser económicamente viable. 2.3 Almacenamiento de CO2 Una vez que el CO2 ha sido capturado debe almacenarse o utilizarse como materia prima. La mayor parte del CO2 utilizado proviene de reservorios naturales, siendo minoritario el uso de CO2 capturado en fuentes industriales, que todavía es muy inferior al nivel de emisiones, por lo tanto, es necesario que se aumente tanto el almacenamiento de CO2 como la utilización directa del mismo proveniente de la captura de focos antropogénicos. Este apartado se centrará en el almacenamiento de CO2, explicando los distintos tipos que existen y los mecanismos utilizados para confinar dicho gas. 2.3.1 Almacenamiento geológico Es la mejor elección para almacenar CO2, no sólo por los amplios conocimientos teóricos y prácticos que existen, sino porque estas formaciones también presentan un conjunto de mecanismos de confinamiento que permiten retener de forma efectiva el CO2, incrementando la seguridad del emplazamiento en el tiempo. Independientemente del tipo de almacén, que puede aparecer tanto en cuencas sedimentarias terrestres como marítimas (depresiones naturales a gran escala situadas en la corteza terrestre que se llenan de sedimentos), el gas se inyecta condensado. 13 13 Estado del arte del ciclo de potencia tipo Allam Figura 7. Representación de algunas de las distintas formas de uso y almacenamiento del CO2. El almacenamiento geológico de CO2 se plantea principalmente en aquellas formaciones geológicas que retienen o retenían fluidos, tales y como las siguientes: 2.3.1.1 Yacimientos de gas y petróleo La primera opción como posible almacenamiento de CO2 fue la utilización de yacimientos de gas y petróleo agotados o en fase de agotamiento, ya que existen procedimientos de inyección de este gas para la recuperación de petróleo en dichos yacimientos, donde una parte de la corriente de CO2 que se inyecta queda almacenada mediante diversos mecanismos. Esta técnica ha sido utilizada por empresas petroleras norteamericanas durante décadas. Las ventajas de estos almacenamientos geológicos son:  El mayor conocimiento de las propiedades y características geológicas y físicas del yacimiento, además, los modelos específicos desarrollados para predecir el comportamiento dinámico de los fluidos naturales presentes en el yacimiento pueden ser empleados para analizar el comportamiento del CO2 en este.  Menores inversiones en exploración, perforación e instalaciones de superficie, ya que podrían reciclarse para almacenar CO2.  Mejora de la relación coste/beneficio en la recuperación de petróleo debido al incremento de producción del crudo gracias al CO2 inyectado. Sin embargo, también existen una serie de inconvenientes:  En yacimientos antiguos de hidrocarburos, existe la posibilidad de que los pozos abandonados presenten fugas, necesitando una inversión de restauración.  La elevada presurización provocada por la inyección de CO2, podría llegar a comprometer la estanqueidad del yacimiento. CAPTURA Y ALMACENAMIENTO DE CARBONO 14 14  No todos los yacimientos de hidrocarburos tienen las características adecuadas de presión, temperatura y profundidad para el almacenamiento de CO2. 2.3.1.2 Acuíferos salinos Aunque las estructuras más estudiadas en la actualidad sean los yacimientos de gas y petróleo, se estima que las formaciones profundas con agua salada presentan una mayor distribución geográfica y poseen una mayor capacidad de almacenamiento. Estos acuíferos contienen rocas sedimentarias porosas y permeables que captan agua salada a través de sus granos (en el caso de las areniscas) o mediante fracturas y cavidades de disolución (en el caso de los carbonatos). Normalmente se encuentran estructuralmente aisladas y a profundidades mayores que las formaciones que contienen agua dulce (por debajo de los 800 m sobre el nivel del mar), por lo tanto, su aprovechamiento como recurso hídrico no es factible. Para que se pueda almacenar CO2, el acuífero tiene que estar ubicado en un área geológicamente estable con un tamaño lo suficientemente grande como para almacenar la cantidad de CO2 que permita la viabilidad del almacén, igualmente, tiene que poseer una porosidad, profundidad, permeabilidad y salinidad adecuadas, además de una capa suprayacente que sea impermeable al flujo vertical del CO2. En cuanto a sus ventajas, se determina que:  Son las formaciones con mayor capacidad de almacenamiento.  Este tipo de formaciones también almacena hidrocarburos, lo que aporta un conocimiento previo valioso para el almacenamiento de CO2. Las desventajas que presentan este tipo de almacenes son:  Un conocimiento menos profundo de la formación que en el caso de yacimientos de petróleo, gas y carbón.  No ha habido hasta el momento campañas específicas de búsqueda de acuíferos salinos profundos, por lo que la búsqueda e identificación de éstos se presenta más costosa, encima, sería necesario realizar todas las instalaciones de superficie y subsuelo desde cero. 2.3.1.3 Yacimientos de carbón En diferentes yacimientos de carbón, se han realizado estudios del comportamiento de los carbones con el CO2 y el CH4, demostrándose que la capacidad de absorción de CO2 por el carbón siempre es superior a la del metano; como consecuencia, se ha planteado la idea de inyectar CO2 en las capas de carbón para la recuperación del metano. La idea es similar a los procedimientos de recuperación de petróleo, de manera que se explota el metano como fuente de energía y el CO2 permanece capturado en el yacimiento. Las ventajas que tienen este tipo de almacenes son las siguientes:  Amplios conocimientos e identificación de los yacimientos de carbón en el mundo.  Mejora de la relación coste/beneficio en la recuperación de metano.  Menores inversiones en exploración, perforación e instalaciones de superficie, ya que 15 15 Estado del arte del ciclo de potencia tipo Allam podrían reciclarse para almacenar CO2. Aunque, las desventajas que tiene este tipo de formaciones son las siguientes:  La disminución de la permeabilidad con el paso del tiempo, característica propia de los carbones.  La menor capacidad de almacenamiento que tiene este tipo de formaciones respecto a las otras dos opciones geológicas. 2.3.2 Almacenamiento oceánico Otra posible opción de almacenamiento de CO2 consiste en inyectarlo directamente en los fondos oceánicos (a más de mil metros de profundidad) a través de tuberias o barcos, quedando aislado de la atmósfera durante siglos. Con el paso del tiempo, el CO2 disuelto y disperso se convertiría en parte del ciclo global del carbono. El almacenamiento oceánico aún no se ha demostrado a escala experimental y sigue en la fase de investigación. Además, algunos estudios indican que podría modificar gravemente las propiedades de las aguas oceánicas, por lo tanto, no tendrá mayor repercusión en este trabajo, salvo lo explicado anteriormente. 2.3.3 Carbonatación mineral Gracias a este proceso, el CO2 puede adoptar casi permanentemente una forma sólida ya que se produciría la fijación de dicho contaminante en rocas de silicatos mediante reacciones químicas con con los óxidos alcalinos y alcalinotérreos, formándose compuestos como el carbonato de calcio (CaCO3) o el carbonato de magnesio (MgCO3). Como resultado de esta reacción, no hay emisión de CO2 a la atmósfera, además, los riesgos asociados son muy bajos, por lo que los lugares de eliminación no necesitan mucha vigilancia. Sin embargo, se requieren grandes cantidades de energía y de minerales para aplicar esta tecnología, provocando un impacto medioambiental negativo debido a la explotación minera, la eliminación de desechos y el almacenamiento de productos. Aún se necesitan grandes mejoras para que se convierta en una opción viable. 2.3.4 Mecanismos de entrampamiento En las formaciones geológicas mencionadas anteriormente pueden aparecer varios mecanismos de entrampamiento de CO2, que pueden ser tanto químicos como físicos. Algunos de ellos podrán actuar de forma inmediata y otros necesitarán un mayor tiempo para que actúen. A continuación, se explicarán los distintos mecanismos de entrampamiento: 2.3.4.1 Entrampamiento hidrodinámico Este mecanismo consiste fundamentalmente en la fijación del CO2 a través de la presión hidrostática ejercida por la columna de agua situada sobre el almacén. Los flujos del agua de la formación geológica pueden contribuir o no al mejor confinamiento. CAPTURA Y ALMACENAMIENTO DE CARBONO 16 16 2.3.4.2 Entrampamiento residual Este mecanismo se basa en la capacidad que tiene un sólido para retener un fluido mediante las fuerzas capilares, provocando que parte del CO2 inyectado quede atrapado en el espacio intergranular de los granos que conforman el almacén. La propiedad de humectabilidad de los granos también definirá la efectividad de esta trampa. 2.3.4.3 Entrampamiento estructural o estratigráfica Las trampas estructurales constan de estructuras geológicas en estratos deformados, tales como fallas y pliegues, cuyas geometrías permiten la retención del CO2. Las trampas estratigráficas son una variedad de contenedor geológico sellado (formado por los cambios producidos en el tipo de roca o por acuñamientos, discordancias o rasgos sedimentarios) con capacidad para retener el CO2. 2.3.4.4 Entrampamiento por disolución Este fenómeno se produce por la fácil disolución del CO2 en agua, formando un ácido débil. Depende principalmente de la presión, la temperatura y el contenido total de sales disueltas, de manera que cuando la presión aumenta y los otros dos parámetros disminuyen, la solubilidad del CO2 aumenta. 2.3.4.5 Entrampamiento mineral Consiste en el confinamiento de CO2 disuelto en agua mediante reacción química con las rocas de la formación. La cantidad de CO2 fijado y los tiempos de reacción dependen de la química del agua de los poros, de la mineralogía de la roca, de las impurezas que acompañen al CO2 y de la longitud de los caminos de migración. Este conjunto de interacciones geoquímicas puede incrementar la capacidad de almacenamiento y, sobre todo, su efectividad. 17 3 CICLO ALLAM El ciclo Allam, presentado originalmente en las conferencias de la Greenhouse Gas Control Technologies de Kyoto en 2012, ofrece un camino hacia un futuro energético sostenible mediante el uso limpio y económico de los hidrocarburos en un proceso que captura CO2 (derivado de la combustión) para su posterior almacenamiento o reutilización. Este capítulo se centrará en la descripción del ciclo y su desarrollo, tanto técnico como comercial, así como en la tecnología utilizada. 3.1 Descripción del ciclo Allam El ciclo Allam adopta un enfoque novedoso para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero mediante el empleo de la oxicombustión y de un fluido de trabajo de CO2 supercrítico de alta presión en un ciclo altamente recuperado. El CO2, que debe purgarse durante el proceso, sale a presión de la tubería con una alta pureza debido a las condiciones de operación del ciclo, mitigando así la necesidad de una captura adicional, además de una posterior limpieza y compresión del sistema. El ciclo puede utilizar una gran variedad de combustibles de hidrocarburos (incluido el gas natural o corrientes de gas natural que contengan H2S y CO2) y combustibles sólidos gasificados como carbón, residuos de refinación de petróleo y biomasa. A continuación, se verán las distintas configuraciones: 3.1.1 Ciclo Allam para combustible de gas natural El ciclo Allam se basa en un ciclo Brayton altamente recuperado que utiliza como fluido de trabajo CO2 supercrítico, además de recirculante, a alta presión y con una baja relación de presión, funcionando con una sola turbina que tiene una entrada de presión de 300 bar aproximadamente y una relación de presión de 10. A continuación, el esquema básico del ciclo que emplea combustible de gas natural se representa en la Figura 8, junto a un resumen de los valores del flujo de una planta a escala comercial (sin representar detalles adicionales para intercambiadores de calor, compresores y turbinas) mostrado en la Tabla 1. Si le hubiera preguntado a la gente qué querían, habrían dicho caballos más rápidos. - Henry Ford - CICLO ALLAM 18 18 Figura 8. Esquema básico de una planta de ciclo Allam que emplea combustible de gas natural. Un combustible gaseoso a presión (14) se quema en presencia de un flujo de oxidante caliente (13), compuesto por una mezcla de CO2 y oxígeno nominalmente puro, y un diluyente reciclado de CO2 caliente (9) a 300 bar aproximadamente en condiciones de combustión pobre. El flujo de escape que sale del combustor de la turbina se expande a 30 bar aproximadamente, reduciendo la temperatura a más de 700 °C (1). Una vez que dicho flujo sale de la turbina, este ingresa en un intercambiador de calor de recuperación para transferir calor a una corriente de CO2 reciclado a alta presión mencionada anteriormente (9), que actúa como diluyente para los productos de combustión y reduce la temperatura de entrada de la turbina a un nivel aceptable de 1150 °C, así como al flujo de oxidante (13), que proporciona oxígeno a la zona de llama del combustor. Al salir del intercambiador de calor primario (2), el flujo de escape de la turbina (1) se enfría hasta un valor cercano al de la temperatura ambiente y el agua derivada de la combustión se separa (3). Después, la corriente de fluido que contiene principalmente CO2 se vuelve a comprimir (4), dando lugar a dos corrientes, una para ser enfriada (7) y, posteriormente, bombeada a aproximadamente 300 bar de presión, donde luego vuelve a entrar en el extremo frío del intercambiador de recuperación de calor, y la otra para exportar una pequeña cantidad de CO2 de alta pureza desde un punto de recompresión hasta una tubería de CO2 de alta presión (6), manteniendo el equilibrio de masa dentro del ciclo semicerrado. Esta exportación neta es aproximadamente el 5% del flujo total de reciclaje, lo que significa que la mayoría del mismo se recircula. En un punto antes de la entrada al intercambiador de calor, una parte del CO2 reciclado (10) se mezcla con oxígeno (11) para formar una corriente de mezcla oxidante (12) que se alimenta por separado al intercambiador de calor y a la turbina. Dentro del intercambiador de calor principal, los flujos de reciclaje (8 y 12) se vuelven a calentar gracias al flujo de escape de la turbina caliente (1) antes de regresar al combustor de la turbina a temperaturas superiores a 700 °C. 19 19 Estado del arte del ciclo de potencia tipo Allam Tabla 1. Valores de las corrientes de flujo de un ciclo Allam de gas natural. Los puntos de operación de un ciclo Allam simplificado se muestran en un diagrama de presiónentalpía para CO2 puro en la Figura 9. Este diagrama muestra una condición de entrada de la turbina, representada en el punto A, de 300 bar y 1150 °C. La condición de salida de la turbina (teniendo en cuenta que la presencia de combustible, impurezas derivadas de la combustión, H2O, N2 inerte, Ar y O2 modificarán ligeramente las propiedades físicas del CO2 puro) presenta una presión de 30 bar, definida en el punto B, que también se refiere a la entrada del extremo caliente del intercambiador de calor de recuperación. La transferencia de calor del combustible al combustor es equivalente al tramo K-A. El calor transferido desde el escape de la turbina a la corriente de reciclaje de alta presión es el tramo B-C y el calor recibido por la corriente de reciclaje de esta transferencia de calor es el K-J. Después del enfriamiento ambiental desde el punto C hasta D y de la separación del agua, el escape enfriado de la turbina entra en un compresor de CO2 de dos etapas con una entrada de intercooler en el punto E, donde se enfría hasta el punto F, mientras que en la segunda etapa, se comprime desde el punto F hasta G a una presión superior a la crítica de la corriente de CO2. El intercooler, que se encuentra después del compresor, enfría la corriente supercrítica de CO2 hasta un valor cercano al de la temperatura ambiente en el punto H, dando como resultado un aumento en la densidad de 0.15 kg/m3 a 0.85 kg/m3. Luego, una bomba centrífuga de etapas múltiples eleva a 300 bar la presión del fluido de trabajo desde el punto H hasta el punto I. En este tramo, se elimina el producto neto del CO2 y, a continuación, el flujo restante ingresa al intercambiador de calor de recuperación. Una porción de calor de la unidad de separación de aire transfiere energía desde el punto J hasta el I (se abordará a continuación). El escape caliente proporciona energía recuperada en el tramo K-J, para luego generar energía de recalentamiento total en el tramo K-I. El flujo calentado de CO2 reciclado sale del economizador y entra en el combustor en el punto K, donde se mezcla con los productos de la combustión de una corriente de metano quemada con oxígeno. Composición CO2, H2O CO2, H2O CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 O2 CO2, O2 CO2, O2 Gas natural CICLO ALLAM 20 20 Figura 9. Diagrama de presión-entalpía del ciclo Allam simplificado para CO2 puro. Al haber una gran diferencia de calor específico del CO2 entre la corriente de reciclaje de 300 bar y el flujo de escape de la turbina de 30 bar en el extremo de baja temperatura del intercambiador de calor de recuperación, existe un desequilibrio muy significativo entre el calor liberado por la baja presión en el escape de la turbina (B-C) y el calor requerido para elevar la temperatura de la corriente de reciclaje de alta presión (K-I). Este desequilibrio (equivalente al tramo I-J) puede ser corregido agregando una cantidad significativa de calor generado externamente en el rango de 100 °C a 400 °C en los 300 bar de la corriente de CO2 reciclado. Una posible fuente de calor puede provenir de la operación adiabática de los compresores de aire de la unidad de separación del aire y del compresor de reciclaje del CO2. Aunque esto aumenta la potencia del compresor, el balance es positivo. La transferencia de potencia adiabática total a la corriente de CO2 reciclado produce una caída equivalente en la entrada de energía de combustible requerida debido a la reducción de la diferencia de temperatura en el extremo caliente del intercambiador de calor de recuperación. Un factor importante para lograr una alta eficiencia del ciclo neto es utilizar una alta temperatura de entrada de la turbina. Sin embargo, esta temperatura está limitada por la temperatura máxima permitida en el escape de la turbina, que depende de la presión de operación seleccionada y del nivel de tensión permisible para una aleación con alto contenido de níquel, teniendo un valor de entre 700 °C y 750 °C. Esto lleva a una restricción de temperatura de entrada de la turbina en el rango de 1100 °C a 1200 °C. 3.1.2 Ciclo Allam para combustibles sólidos Un combustible sólido como el carbón o la biomasa debe convertirse en un gas antes de que pueda utilizarse como combustible en el sistema de alimentación del ciclo Allam. Un esquema básico del proceso del ciclo Allam funcionando con carbón está representado en la Figura 10, que incorpora un gasificador de carbón enfriado por agua, donde el combustible gaseoso sale entre 250 °C y 300 °C. El enfriamiento con agua, más un lavado adicional de este, seguido de una filtración final de 21 21 Estado del arte del ciclo de potencia tipo Allam partículas finas eliminarán toda la escoria y la materia inorgánica producida por la mezcla del vapor con el combustible gaseoso. Luego, en un intercambiador de calor, se condensa el vapor para su posterior eliminación y se transfiere una pequeña cantidad de calor al agua de enfriamiento y a la corriente de reciclaje de CO2 a alta presión mediante el enfriamiento de la corriente filtrada de gas a una temperatura cercana a la del ambiente. Después de la limpieza previa a la combustión, el combustible gaseoso se quema con exceso de aire, convirtiendo a cualquier impureza (como H2S, CS2, NH3 y HCN) en su forma oxidada (SO2, NO, H2O y N2). Los gases de escape se expanden a través de una turbina y luego, transfieren calor a la corriente fría de entrada del gas reciclado en el intercambiador de calor primario. Después, los gases de escape se enfrían por contacto directo para condensar el agua derivada de la combustión, produciendo la oxidación y eliminación de cualquier impureza restante como H2SO4 y HNO3. La concentración de H2SO4 dependerá de la temperatura ambiente de enfriamiento y del contenido de azufre en el carbón utilizado. El H2SO4 puede ser convertido directamente a CaSO4 por reacción con un lodo de piedra caliza en un reactor de tanque agitado, además, Ca(NO3)2 es altamente soluble en agua y se puede recuperar por separado si se desea. También, el ácido nítrico presente puede eliminar en gran medida cualquier contaminante de mercurio. Después de la eliminación de las impurezas posterior a la combustión, se devuelve el CO2 reciclado de vuelta al combustor a través del intercambiador de calor principal, mientras se purga una porción del CO2 limpio a una tubería para mantener el balance de masa del sistema. Además, una pequeña parte del flujo de reciclaje puede distribuirse de nuevo a la etapa de preparación y alimentación del carbón. Figura 10. Esquema del proceso del ciclo Allam de combustible sólido. CICLO ALLAM 28 28 La unidad comercial se está diseñando en torno a principios de optimización de costos y rendimiento, con un enfoque especial en incorporar conceptos avanzados de diseño modular. Los objetivos de rendimiento actuales para la primera planta comercial se presentan en la tabla 2 a continuación: Tabla 2. Funcionamiento esperado en la primera planta comercial de 300 MWe. Fuente: NET Power. Cualidad del ciclo Valor esperado Potencia de salida neta 303 MW Entrada térmica del gas natural 511 MW Consumo de oxígeno 3555 MT/día Flujo de salida de la turbina 923 kg/s Condición de entrada de la turbina 300 bar a 1158°C Condición de salida de la turbina 30 bar at 727°C Potencia de la planta de oxígeno 56 MW Potencia de compresión del CO2 77 MW 3.3 Tecnología del ciclo Allam El diseño del ciclo Allam opera en gran medida con el uso de equipos ya probados en el sector energético, petroquímico o la industria del gas. Sin embargo, era necesario desarrollar algunos equipos principales como la novedosa turbina de combustión proporcionada por Toshiba y el intercambiador de calor de circuito impreso de la compañía Heatric, que se explicarán con más detalles a continuación. 3.3.1 Toshiba: turbina y combustor Toshiba ha desarrollado una nueva turbina, además de un combustor, para que coincida con las condiciones únicas del ciclo Allam a través de la integración de la tecnología que se encuentra tanto en turbinas de gas como en las de vapor. Este diseño híbrido permite que el combustor y la turbina puedan operar con una temperatura de entrada relativamente alta junto con una alta presión necesaria para el proceso. Para hacer frente a la alta temperatura de entrada, se han realizado diseños de refrigeración y recubrimientos térmicos basados en la tecnología de las turbinas de gas para el rotor, entre otras partes. Los materiales de la turbina de gas se pueden usar en la mayor parte de la zona del gas caliente ya que la temperatura no es extremadamente alta en comparación con las turbinas de gas existentes. Sin embargo, la forja a base de Ni se utiliza en la parte central del rotor para garantizar que se cumplan varios criterios de diseño: primero, que el diseño del rotor siga siendo simple y libre de geometría compleja, segundo, para minimizar la cantidad requerida de flujo de enfriamiento, y tercero, para hacer frente a un elevado par de transmisión entre etapas. Además, se utiliza una estructura de doble carcasa que consta de una carcasa exterior y varias carcasas internas para operar de manera segura por debajo de la máxima presión de entrada recomendada. Esta disposición es típica en la tecnología de turbinas de vapor a alta presión. 29 29 Estado del arte del ciclo de potencia tipo Allam El combustor es muy novedoso desde el punto de vista tanto del fluido de trabajo presente en la zona de combustión como de la presión elevada. La llama de combustión debe mantener la estabilidad a través de un rango de presión mayor que los combustores convencionales de turbinas de gas, comenzando a bajas presiones de encendido y aumentando gradualmente hasta un funcionamiento de presión de 300 bar. Para acelerar la comercialización de esta tecnología, Toshiba comenzó con un diseño de ingeniería básico para ser utilizado en la planta de demostración, asegurando una gran similitud con la futura turbina comercial. El desarrollo inicial se llevó a cabo mediante las pruebas de un prototipo a pequeña escala (5 MWth). Estas pruebas resultaron fructíferas, alcanzando y validando la operación a la presión de combustión nominal a plena carga requerida de 300 bar con éxito en 2013. En estas pruebas, la llama de oxicombustible exhibió un comportamiento estable de difusión, además de la ausencia de nitrógeno en el combustor, evitando así la formación de NOx y una combustión premezclada. Figura 12. Banco de pruebas para una cámara de combustión de 5 MWth que funciona a 300 bar (izquierda) y rotor de la turbina de demostración (derecha). Fuente: Toshiba Corporation. Figura 13. Turbina de demostración (izquierda) y carcasa exterior de la turbina de demostración (derecha). Fuente: Toshiba Corporation. 3.3.2 Heatric: intercambiador de calor de circuito impreso Heatric es una compañía especializada en tecnología de transferencia de calor que se ha encargado del diseño y fabricación de un conjunto de intercambiadores de calor de alta presión y alto rendimiento para la planta de demostración de NET Power. Cada intercambiador se construye a partir de placas individuales de 1’6 mm de espesor en las que los canales de proceso se graban químicamente en una compleja disposición de patrones, lo que permite geometrías de flujo cruzado CICLO ALLAM 30 30 en contracorriente o en paralelo, entre otros. Las placas se sueldan por difusión para formar un bloque, distribuyéndose el proceso uniformemente por todos los canales. Figura 14. Placas individuales (izquierda) y esquema del bloque soldado por difusión (derecha). El sistema de transferencia de calor se compone de una red de intercambiadores de calor de alta presión y temperatura de cuatro etapas para la corriente principal del proceso y un post-enfriador del compresor de reciclaje principal independiente. Los recipientes están diseñados para temperaturas entre 100 °C y 705 °C, así como presiones de hasta 300 bar aproximadamente. El intercambiador de calor del proceso principal utiliza la corriente de escape caliente, que sale de la turbina de combustión Toshiba a 30 bar, para proporcionar energía a la corriente reciclada de CO2 a alta presión del proceso principal y a la corriente de la mezcla oxidante que regresa al combustor. La mayor parte de la superficie de la red de intercambiadores de calor por etapas está fabricada en acero inoxidable 316, minimizando el gasto de aleaciones con mayor coste económico, que están reservadas sólo para las secciones más calientes como en el intercambiador de calor de alta temperatura, que está construido con aleación 617. Figura 15. Red de intercambiadores de calor de la planta de demostración. Fuente: Heatric. 31 31 Estado del arte del ciclo de potencia tipo Allam 4 INTEGRACIÓN DEL CICLO ALLAM CON UN SISTEMA DE CSP Tras la demostración de la viabilidad del ciclo Allam, los sistemas de energía solar han sido una de las principales opciones para ser implementadas en el funcionamiento del ciclo, dando lugar a nuevas vías de comercialización energética libres de carbono. Uno de los sistemas de energía solar que más se está estudiando en la implementación es la energía termosolar por concentración como se detallará a continuación. 4.1 Características de la energía termosolar por concentración La energía termosolar por concentración, también conocida en inglés como Concentrating Solar Power (CSP), se caracteriza por el uso de sistemas de concentración solar en la producción de electricidad. Dicha energía concentrada es transportada por un fluido calorífico que alimenta un ciclo de vapor, el cual se encarga de generar la energía eléctrica. Esta tecnología puede ser fundamental en las regiones que tienen una fuerte irradiación normal directa (IND). La concentración de la radiación se puede obtener a través de las siguientes tecnologías:  Receptor central: el sistema de receptor central, también conocido como Central Receiver Solar (CRS), utiliza pequeños espejos llamados heliostatos para concentrar la energía en lo alto de una torre fija (ver figura 16). El fluido calorífico circula desde la torre hasta el ciclo de potencia, pasando por el punto de concentración de los rayos solares. Este sistema se emplea para elevadas radiaciones incidentes. Figura 16. Esquema de un sistema de receptor central. La unidad es la variedad, y la variedad en la unidad es la ley suprema del universo. - Isaac Newton - - Henry Ford - INTEGRACIÓN DEL CICLO ALLAM CON UN SISTEMA DE CSP 32 32  Disco parabólico: está compuesto por una superficie concentradora de forma parabólica capaz de concentrar la componente directa de la radiación solar sobre el foco geométrico de dicha superficie. En el foco se sitúa un elemento capaz de aprovechar la energía térmica alcanzada en esa zona. Normalmente este elemento convierte la energía térmica incidente en energía mecánica a través de un motor Stirling, cuya salida es aprovechada por un alternador para generar energía eléctrica. Aunque ésta ha sido la principal aplicación, es posible aprovechar dicha energía térmica para otras aplicaciones como generar vapor directamente o utilizarlo como calor de proceso. Figura 17. Esquema de un sistema de disco parabólico.  Colector lineal Fresnel: el reflector lineal tipo Fresnel asemeja su forma y posición a la de una parábola, se podría decir que es un colector parabólico partido en diferentes trozos. Para ello, se utilizan largas filas de espejos planos ligeramente curvados que reflejan la radiación en un receptor lineal colocado a una cierta altura sobre los espejos. Por el interior de este receptor circula el fluido destinado al transporte del calor procedente del Sol. Figura 18. Esquema de un sistema con colector lineal Fresnel. 33 33 Estado del arte del ciclo de potencia tipo Allam  Colector cilíndrico-parabólico: es un captador solar de concentración que transforma la radiación solar directa en energía térmica, calentando un fluido de trabajo. Este colector consiste en un concentrador cilindro parabólico que refleja la radiación solar directa sobre la línea focal de la parábola, en la que se sitúa el receptor (tubo absorbedor). Figura 19. Esquema de un sistema con colector cilíndrico-parabólico. Una vez conocidas las principales tecnologías de un sistema termosolar, hay que tener en cuenta que la mayor ventaja de este comparada con otras formas de energía es, sin duda, su limpieza y que puede ser obtenida sin ningún tipo de contaminación medioambiental. Además, una de las particularidades de dicho sistema es la capacidad de almacenar energía para ser usada posteriormente. También, con la integración de un sistema de generación energética de apoyo, se puede obtener una tecnología completamente flexible en cuanto a la demanda, a diferencia de otras técnicas como la eólica o la fotovoltaica Existen diversas aplicaciones además de la generación de electricidad, como la producción de calor para procesos industriales, la cogeneración de calor, frío y electricidad, la desalinización de agua, etc. Una de las prácticas que se están investigando y que también hace atractiva a la energía termosolar es su contribución a los combustibles solares. Por medio de procesos termoquímicos es posible producir hidrógeno utilizando como fuente de calor la radiación solar. Este avance podría suponer una gran serie de ventajas en la producción de combustibles líquidos, limpieza de oleoductos o generación de electricidad, aunque aún se tiene que solventar algunos retos tecnológicos, económicos y sociales. 4.2 Integración de ambos sistemas Actualmente, las energías renovables están teniendo un papel fundamental en el mercado energético y se prevé que seguirán teniendo un gran aumento en los próximos años, pero aún persisten grandes desafíos técnicos para el despliegue a gran escala. Uno de los mayores problemas a este respecto es la intermitencia de los recursos renovables, como por ejemplo el de la irradiancia solar, provocando un cambio repentino en la producción energética de las plantas y, a su vez, un desequilibrio entre la oferta y la demanda energética. En este contexto, la generación de energía a gas natural presenta un mayor control de la producción en comparación INTEGRACIÓN DEL CICLO ALLAM CON UN SISTEMA DE CSP 34 34 con las energías renovables, no obstante, el Acuerdo de París ha recomendado regulaciones más estrictas sobre las emisiones de CO2 para las centrales eléctricas de gas, dando lugar a un camino hacia la integración de captura y almacenamiento de carbono (CAC) en estas. El desarrollo de las tecnologías de CAC (explicadas anteriormente) ha permitido que la energía basada en combustibles fósiles logre la generación de energía libre de CO2 a costa de una menor eficiencia. La opción preferida para las plantas existentes es el sistema de post-combustión, aunque el desafío significativo a superar radica en la gran cantidad de combustible que se necesita para obtener unas concentraciones aceptables de CO2 ya que, según un estudio de la compañía Électricité de France (EDF), podría suponer un aumento del 32% en el coste de la electricidad. Por otro lado, el sistema de pre-combustión necesita un proceso de gasificación del gas natural para convertirlo en gas de síntesis (que consta de H2 y CO), como consecuencia, se produce una penalización energética de aproximadamente el 14%. Un caso similar ocurre en el sistema de oxicombustión porque el consumo de grandes cantidades de oxígeno en el proceso de separación de aire conlleva una importante penalización energética (más del 7%), así como un alto costo de operación. Sin embargo, una de las soluciones que se acercan a la comercialización es el ciclo directo de oxicombustión de CO2 supercrítico, uno de los cuales es el ciclo Allam, que ha sido evaluado como un sistema libre de carbono que tiene alta eficiencia y economía favorable. Por tanto, la combinación del ciclo Allam con la energía termosolar de concentración propone solventar el problema de la intermitencia del uso de la irradiancia solar, el de la aplicación a alta temperatura del sistema de oxicombustión de CO2 supercrítico y el de las emisiones de gases de efecto invernadero. Tabla 3. Comparación de las eficiencias térmicas de los distintos tipos de tecnologías de CAC. Sin Captura Pre-combustión Postcombustión Oxicombustión Oxicombustión con CO2 supercrítico Eficiencia eléctrica neta (%) 55,6-60 41,5-46 47,4–50 44,7–48 59 Penalización energética (%) - 14 8,2-10 10,9-12 ~0 Coste de capital ($/kWh) 500 870 1180 1530 1560 El diseño de una nueva solución de integración térmica del ciclo Allam con la energía solar concentrada (CSP) tiene como objetivo mejorar el ciclo de energía de combustión directa actual de CO2 supercrítico mediante la adopción de recursos solares, aumentando de esta manera el rendimiento del combustible. Además, la ventaja desde la perspectiva de la CSP es que el sistema ya no requiere almacenamiento térmico adicional para proporcionar energía constante, resolviendo su problema inherente de intermitencia. 35 35 Estado del arte del ciclo de potencia tipo Allam Figura 20. Ejemplo de diseño del ciclo Allam integrado a CSP. El sistema sugerido integra el calor solar térmico recolectado a través de los reflectores de CSP en la corriente de fluido del ciclo de oxicombustión de CO2 supercrítico para mejorar el rendimiento general. El sistema CSP contribuye al ciclo elevando la temperatura de entrada del combustor a través del intercambiador de calor solar, provocando que el combustor, en condiciones elevadas, pueda aumentar la temperatura de entrada de la turbina aún más, pero con un consumo de combustible significativamente reducido. De esta manera, el uso efectivo del calor solar reemplaza una parte significativa del calor de combustión para reducir el consumo de combustible, además, este efecto puede compensar la pérdida de eficiencia provocada por el aumento de la temperatura ambiente. Al agregar entre el 25% y el 30% del calor total a través del calor de la CSP, la eficiencia general del sistema puede tener un rendimiento de hasta el 60%, como se muestra en la figura 21. Figura 21. Eficiencia eléctrica neta del sistema frente a la porción de calor añadido por la CSP del total (calculado a una temperatura mínima de 40 °C). INTEGRACIÓN DEL CICLO ALLAM CON UN SISTEMA DE CSP 36 36 Otra ventaja es la posibilidad de resolver la intermitencia del calor solar mediante el control de la cantidad de calor en lugar de la operación de carga parcial del sistema de conversión de energía. Esto significa que el sistema de conversión de energía puede operar en una región más eficiente, por lo que la eficiencia general del uso de energía debería aumentar. Además, el sistema CSP ya no necesitaría un tanque de almacenamiento térmico ya que el ciclo Allam puede generar energía libre de carbono sin depender de la intermitencia solar. Como consecuencia, el sistema puede reducir su costo total de material, manteniendo su simplicidad y cumpliendo con los requisitos de emisión con un rendimiento de ciclo mejorado. Para explicar cuantitativamente todos los beneficios anteriores, se han realizado diversos estudios, pero este trabajo se centrará en el de la revista científica Energy Conversion and Management, que evalúa dichos beneficios a través de la optimización termodinámica. Para ello, el sistema utilizado en la estimación es el ciclo que se muestra en la figura 22. Para cálculos conservadores, se supone que la ubicación de almacenamiento de CO2 está aguas abajo del compresor. También se supone que la combustión es completa, además, se desprecia la pérdida de presión en la tubería y los intercambiadores de calor. Las propiedades del material se han calculado mediante la base de datos REFPROP. Figura 22. Esquema de un ciclo simple de oxicombustión de CO2 supercrítico integrado a CSP. Desde un punto de vista termodinámico, uno de los mayores problemas de la CSP es la pérdida de calor por radiación. El receptor central de alta temperatura (colector solar) utilizado en el CSP puede transferir solo una parte de la energía solar al ciclo debido a la pérdida de calor por radiación que se produce por la alta temperatura. Teniendo esto en cuenta, el rendimiento térmico solar (ηth) se da en función de la potencia de radiación solar entrante y las pérdidas de calor por radiación y convección, tal como se muestra en la ecuación (1): 𝜂𝑡ℎ = 1 −𝜀∙𝜎∙𝐹𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 ∙𝑇𝑅 4+𝑓𝑐𝑜𝑛𝑣 ∙ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 ∙(𝑇𝑅−𝑇𝑎𝑚𝑏 ) 𝜂𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜 ∙𝐸𝐷𝑁𝐼 ∙𝐶 (1) El sistema termodinámico requiere una alta temperatura de entrada a la turbina para lograr una alta eficiencia, pero irónicamente, cuanta más alta es la temperatura del receptor solar, mayor 37 37 Estado del arte del ciclo de potencia tipo Allam cantidad de energía se pierde debido a la transferencia de calor por radiación. Por lo tanto, la CSP es incapaz de aumentar la temperatura de entrada de la turbina lo suficiente como para volverse muy eficiente (ver figura 23). Figura 23. Eficiencia ideal de conversión de energía solar a trabajo a través de la temperatura de entrada de la turbina y la relación de concentración de flujo solar (C). Para estimar el rendimiento del sistema de oxicombustión de CO2 supercrítico integrado a la CSP, es necesario construir el modelo termodinámico del sistema. Para lo anterior, se han utilizado los siguientes supuestos y modelos analíticos de diseño (se desprecia la caída de presión en la tubería y en el intercambiador de calor porque este cálculo es una estimación preliminar): 1. Se supone que la temperatura de entrada de la turbina y la temperatura de salida del enfriador son valores dados y se establecen como condiciones límite. 2. La temperatura del receptor solar (TR) se asume como la suma de la temperatura de salida en el intercambiador de calor solar y la diferencia de temperatura mínima entre el fluido caliente y el frío (ΔTR). 3. La turbina debe satisfacer las ecuaciones (2) y (3) para una eficiencia isentrópica (ηT,isen) y una relación de presión (RPT) dadas. 𝑃𝑇,𝑠∙𝑃𝑅𝑇−𝑃𝑇,𝑒= 0 (2) 𝑇𝑇,𝑠=𝑇{ 1−𝜂𝑇,𝑖𝑠𝑒𝑛 ∙ℎ 𝑇𝑇,𝑒,𝑃𝑇,𝑒 +𝜂𝑇,𝑖𝑠𝑒𝑛 ∙ℎ 𝑃𝑇,𝑒,𝑠 𝑇𝑇,𝑒,𝑃𝑇,𝑒 ,𝑃𝑇,𝑠 } (3) 4. El compresor debe satisfacer las ecuaciones (4) y (5) para una eficiencia isentrópica (ηC,isen) y una relación de presión (RPC) dadas. 𝑃𝐶,𝑠∙𝑃𝑅𝐶−𝑃𝐶,𝑒= 0 (4) 44 44 En el ámbito comercial, se espera que la planta comercial de ciclo Allam de gas natural (capaz de generar 300 MWe) empiece a funcionar en 2022, abriendo un nuevo camino en los sistemas de generación de energía eléctrica. Aunque el desarrollo comercial del ciclo puede enriquecer a otros mercados como el de los medios de transporte, donde, a largo plazo, puede tener un papel importante tanto en los vehículos eléctricos como en los de hidrógeno ya que puede ser una fuente de electricidad de bajo costo económico y bajas emisiones de carbono, además de que se están realizando pruebas para utilizar el ciclo en la producción de hidrógeno a bajo costo. A corto plazo, el ciclo Allam puede ser fundamental en el aprovechamiento de las emisiones del sector eléctrico y en la producción de combustibles fósiles, donde las plantas del ciclo pueden exportar el CO2 capturado a la gran red de oleoductos de CO2 que ya existe en los EE.UU, por ejemplo. En cuanto a la integración del ciclo con otros sistemas, se están llevando a cabo distintos estudios, de los cuales destacan una versión del ciclo Allam combinado con una planta de regasificación de GNL y otra de una implementación a un sistema de energía termosolar de concentración (CSP). En el primer caso, la integración de ambos sistemas permite alcanzar, según los desarrolladores, una eficiencia cercana al 67% mediante el uso de GNL frío para enfriar la corriente de reciclaje de CO2 hasta un punto donde puede ser directamente bombeado, eliminando de esta manera el paso de compresión intensivo en energía, aunque el coste de inversión aumentaría. Sin embargo, en este trabajo no se ha podido realizar un mayor análisis del mismo por la falta de publicaciones, salvo las afirmaciones comentadas anteriormente por los propios creadores del ciclo. En la segunda versión destacada, se ha podido realizar un análisis de mayor profundidad, que sugiere un nuevo concepto de sistema de oxicombustión de CO2 supercrítico integrado a un sistema de CSP, capaz de utilizar el calor solar de forma más eficiente que los sistemas CSP convencionales, además de que no requiere almacenamiento de energía eléctrica y consume menos combustible. Según el estudio, se demuestra que este concepto de integración utiliza la energía térmica solar de manera más eficiente en el punto óptimo de diseño del sistema y en la operación fuera del diseño. El sistema propuesto puede realizar una recolección solar más eficiente separando la temperatura de entrada de la turbina y la temperatura del receptor solar. Además, dado que la intermitencia del calor solar se puede solucionar mediante la distribución de calor en lugar de la operación de carga parcial, la reducción de la eficiencia del sistema de conversión de energía debido a la operación de carga parcial se puede minimizar. Teniendo en cuenta todas estas ventajas, la evaluación de este sistema de integración muestra una reducción del consumo de combustible en un 17–38% en comparación con los sistemas convencionales separados. Sobre la base de las áreas reales de operación de CSP, se puede ver que cuanto mayor es la cantidad de luz solar, mayor es el beneficio del sistema intregrado comparado con una configuración separada. Los resultados muestran que cuanto más cerca esté el sistema del ecuador y mayor sea la salida del sol, mayor es la ganancia. Todavía existen obstáculos técnicos que hay que superar para implementar este concepto, pero se da paso hacia nuevos caminos para satisfacer las crecientes necesidades energéticas en regiones con elevada radiación solar, teniendo presente la importancia de la sostenibilidad. 45 45 Estado del arte del ciclo de potencia tipo Allam REFERENCIAS [1] César Bartolomé Muñoz, Pedro Mora Peris y José David Recalde Rodríguez. Estado del arte de las tecnologías de captura y almacenamiento de CO2 en la industria del cemento. Madrid: Agrupación de fabricantes de cemento de España, 2010. [2] Monica Julieth Valencia Botero y Carlos Ariel Cardona Alzate, 2013. Aproximación conceptual a la separación del dióxido de carbono en corrientes de combustión. Revista Facultad de Ingeniería. Manizales: Universidad Nacional de Colombia, Vol. 22, No. 34, pp. 45-53. ISSN 0121-1129. [3] Rodney Allam, Scott Martina, Brock Forrest, Jeremy Fetvedt, Xijia Lu, David Freed, G. 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