Mezclas de CO₂ supercrítico para ciclos de potencia Brayton en configuraciones complejas con energía solar de concentración

Abstract

Se presenta una evaluación del impacto del uso de mezclas de dióxido de carbono supercrítico (s-CO₂/C₂H₆, s-CO₂/CH₄, s-CO₂/Kr y s-CO₂/SF₆) como fluido de trabajo en ciclos de potencia Brayton con s-CO₂. Las configuraciones complejas consideradas incluyen: recompresión con dos recalentamientos (RCC–2RH), recompresión con tres recalentamientos (RCC–3RH), recompresión con intercooling en el compresor principal y dos recalentamientos (RCMCI–2RH), y recompresión con intercooling en el compresor principal y tres recalentamientos (RCMCI–3RH). Estas configuraciones se acoplaron a un sistema solar de enfoque lineal que utiliza Solar Salt (60% NaNO₃ / 40% KNO₃) como fluido de transferencia de calor (HTF). Los parámetros de diseño evaluaron el desempeño de la planta solar en el punto de diseño, el área de apertura del campo solar y las variaciones de costos en función de la conductancia total de la planta (UA_total). La metodología empleada para calcular el desempeño estableció valores de conductancia total del recuperador de calor (UA_total) entre 5 y 25 MW/K. La principal conclusión indica que la eficiencia del ciclo mejora considerablemente en comparación con la obtenida utilizando s-CO₂ puro. La mezcla s-CO₂/Kr con una fracción molar de 30/70 incrementa la eficiencia del ciclo entre 7–11% respecto al s-CO₂ puro, dependiendo del UA_total. La mezcla s-CO₂/CH₄ con una fracción molar de 45/55 incrementa la eficiencia entre 3–7%, mientras que las mezclas s-CO₂/C₂H₆ y s-CO₂/SF₆ solo presentan aumentos del 1–2%. En cuanto a los costos unitarios del campo solar, la mezcla s-CO₂/Kr presenta el menor costo, entre 29 y 34 millones de USD, dependiendo del área de apertura del campo solar y del UA_total para las configuraciones RCC-2RH y RCMCI-2RH. Finalmente, los resultados demuestran que las variaciones en las propiedades del fluido de trabajo desempeñan un papel significativo debido al impacto positivo en el aumento de la eficiencia térmica del ciclo Brayton con s-CO₂ cuando se utilizan las configuraciones RCC y RCMCI.