Comparación de plantas de energía solar de concentración de enfoque lineal y de torre central con ciclos de potencia Brayton de mezcla binaria de CO₂ supercrítico (s-CO₂)

Abstract

Los ciclos de potencia con dióxido de carbono supercrítico (s-CO₂) representan una solución técnica importante en el estado del arte para optimizar la eficiencia térmica en plantas de energía solar de concentración (CSP), y al mismo tiempo permiten campos solares y huellas de sistemas de potencia más compactos. El principal inconveniente de las plantas CSP acopladas a ciclos Brayton con s-CO₂ (CSP-sCO₂) es la temperatura limitada de entrada al compresor (CIT, por sus siglas en inglés). Las plantas CSP suelen ubicarse en desiertos, donde la temperatura ambiente es superior al punto crítico del s-CO₂ (31 ºC), lo que tiene un impacto negativo en el rendimiento de la planta. Para superar este problema, se pueden añadir sustancias de alto peso molecular al s-CO₂ puro, aumentando la temperatura crítica del fluido de trabajo del ciclo de potencia y manteniendo un rango de presión de operación moderado. En este trabajo se comparan dos configuraciones de campo solar: colectores solares de enfoque lineal y torres centrales con helióstatos. Se consideran cuatro configuraciones del ciclo de potencia Brayton: simple, recompresión, recompresión con enfriamiento parcial y recompresión con interenfriamiento del compresor principal (RCMCI). La potencia de referencia de la planta solar es de 115 MW y la CIT se fija en 45 ºC. La conductancia global de los recuperadores de baja y alta temperatura varía entre 2,5 y 35 MW/K, y los parámetros de desempeño del ciclo Brayton supercrítico son optimizados. La eficiencia térmica mejora, y el área efectiva de apertura del campo solar puede optimizarse al añadir sustancias de alto peso molecular al s-CO₂ puro. La configuración RCMCI alcanza el mejor desempeño, con una eficiencia térmica del 49,5%. Este estudio demuestra que la composición del fluido de trabajo del ciclo de potencia es un factor clave en el diseño de nueva generación de plantas CSP-sCO₂. La selección del fluido de trabajo está estrechamente relacionada con la ubicación de la planta y depende del perfil local de temperatura ambiente anual.