Análisis comparativo de energía, exergía y dimensionamiento de un ciclo Brayton con CO₂ supercrítico (S-CO₂) integrado con un sistema de almacenamiento térmico en sales fundidas

Abstract

En el contexto de los sistemas de receptor solar central, la utilización de ciclos Brayton con CO₂ supercrítico (S-CO₂), en lugar de ciclos Rankine, proporciona diversas ventajas, entre ellas una mayor eficiencia, el requerimiento de turbomaquinaria menos compleja y una reducción en el consumo de agua. Un aspecto clave en el diseño de estos sistemas es el sistema de almacenamiento térmico. El presente trabajo realiza un análisis comparativo del desempeño de un ciclo Brayton con S-CO₂ que emplea dos tipos distintos de sales fundidas —sales solares y sales cloruro (MgCl₂–KCl)— como fluido de transferencia de calor en el sistema de almacenamiento de energía térmica. El estudio adopta un enfoque energético y exergetico con el objetivo de identificar las zonas de mayor irreversibilidad y proponer mecanismos para su mitigación. Finalmente, se lleva a cabo un análisis del dimensionamiento de los diferentes componentes. La eficiencia energética global obtenida es de 22,29 % y 23,76 % para las sales solares y las sales cloruro, respectivamente. En el caso de las sales cloruro, dicha eficiencia se ve penalizada por mayores pérdidas en el receptor solar, atribuibles a la temperatura de operación más elevada. El análisis exergetico evidencia que el empleo de sales MgCl₂–KCl incrementa la destrucción de exergía en los recuperadores, reduciendo las irreversibilidades en otros componentes del sistema. Si bien el tamaño de todos los componentes disminuye al utilizar sales cloruro, el volumen del sistema de almacenamiento térmico aumenta. Estos resultados demuestran que la incorporación de sales MgCl₂–KCl mejora el desempeño de los ciclos de recompresión con S-CO₂ que operan en conjunto con un receptor solar central.