Ciclo Brayton con mezclas de s-CO₂ como fluido de trabajo para almacenamiento térmico bombeado (PTES): análisis exegético y económico

Abstract

La gestión de la energía eléctrica representa un desafío significativo, dado que la electricidad debe consumirse inmediatamente después de su producción. En este contexto, se propone una solución innovadora de almacenamiento energético basada en una bomba de calor con un ciclo Brayton de recompresión supercrítico (RBC) que utiliza CO₂ supercrítico puro (s-CO₂) y mezclas basadas en CO₂ para mejorar el desempeño del sistema. El análisis realizado comprende un estudio tecnoeconómico, energético, entrópico y exergético, considerando además el costo nivelado de almacenamiento (LCOS, Levelized Cost of Storage). Este estudio se centra en el efecto de mezclas binarias basadas en s-CO₂ puro sobre la eficiencia de ida y vuelta (round-trip efficiency) y el LCOS, teniendo en cuenta las irreversibilidades asociadas a cada componente del ciclo. La metodología empleada para el cálculo del rendimiento de la planta consiste en la optimización de los parámetros operativos de los componentes del ciclo estudiado. Las simulaciones realizadas se basaron en códigos desarrollados en los lenguajes de programación MatLab y Python. Los resultados obtenidos muestran que las mezclas permiten alcanzar un LCOS inferior en comparación con el s-CO₂ puro, cuyo valor es de 151.11 $/MWh. El menor LCOS se obtuvo con la mezcla CO₂/Xe, alcanzando 138.26 $/MWh. Asimismo, las mezclas CO₂/Kr y CO₂/H₂S presentaron valores de LCOS de 142.13 $/MWh y 146.64 $/MWh, respectivamente. Por otra parte, la eficiencia de ida y vuelta del s-CO₂ puro se estimó en aproximadamente 57.4%, siendo superada por las mezclas CO₂/Kr y CO₂/H₂S, que alcanzaron eficiencias de 59.7% y 58.3%, respectivamente. Sin embargo, al emplear la mezcla CO₂/Xe dentro del ciclo, se obtuvo una eficiencia de ida y vuelta similar a la del s-CO₂ puro.