Ciclo Brayton utilizando mezclas de CO₂ supercrítico como fluido de trabajo para almacenamiento térmico por bombeo: análisis exergético y económico

Abstract

La gestión de la energía eléctrica representa un desafío significativo que debe superarse, dado que la electricidad debe consumirse inmediatamente después de su producción. En este contexto, se propone una solución innovadora de almacenamiento energético que emplea una bomba de calor con un ciclo Brayton de recompresión supercrítico (RBC), utilizando CO₂ supercrítico puro y mezclas basadas en CO₂ para mejorar el desempeño del sistema. Este análisis abarca un estudio tecnoeconómico, energético, entrópico y exergético, considerando además el costo nivelado de almacenamiento (LCOS, Levelized Cost of Storage). El estudio se centra en el efecto de mezclas binarias basadas en CO₂ supercrítico 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 calcular el desempeño 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 del estudio demuestran que las mezclas generan un LCOS inferior en comparación con el CO₂ supercrítico puro (151.11 $/MWh). El menor LCOS se obtiene con la mezcla CO₂/Xe, con un valor de 138.26 $/MWh. Asimismo, las mezclas CO₂/Kr y CO₂/H₂S presentan valores de LCOS de 142.13 $/MWh y 146.64 $/MWh, respectivamente. Además, la eficiencia de ida y vuelta del CO₂ supercrítico puro se estima en aproximadamente 57.4 %, siendo superada por las mezclas CO₂/Kr y CO₂/H₂S, que alcanzan eficiencias de 59.7 % y 58.3 %, respectivamente. Sin embargo al emplear una mezcla CO₂/Xe dentro del ciclo, se obtiene una eficiencia de ida y vuelta similar a la del s-CO₂ puro.