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Puntos Clave

Diseño de expansor

El ciclo Brayton cerrado de CO₂ supercrítico tiene la particularidad de operar cerca del punto crítico, donde el CO₂ es más incompresible y con un comportamiento de líquido (densidad más alta y flujo volumétrico menor). Esta condición lleva a dos ventajas:

Se requiere de menos energía de compresión por la diferencia de presiones y densidades y,
la energía de expansión es mucho mayor debido a que el CO₂ tiene un comportamiento compresible (densidad menor y flujo volumétrico alto) al alejarse del punto crítico

En el Japanese Institute of Applied Energy diseñan turbomaquinaria con las condiciones de operación establecidas en su circuito de prueba y en el Korean Atomic Energy Research Institute (KAERI) diseñan expansores y compresores para relaciones de presión más altas y temperatura de entrada a la turbina de 500ºC.

Otros desarrollos se encuentran en los Austrian Research Centers, GmbH (ARC). En estos centros se diseñan microturbinas para su aplicación en sistemas HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado).

Para la apilicación de recuperación de potencia residual se consideran 2 diámetros de rotor: a) 10 mm y b) 23 mm. El rotor más pequeño (10 mm) se fabricó el porceso LIGA (litografía, galvanoplastía y moldeado) en combinación con proceso EDM (maquinado por descarga eléctrica).

Basado en los estudios, resultados y diseños previamente mostrados, en nuestro proyecto se diseñó un expansor para la planta de generación de 1.5 MW nominales.

El expansor diseñado por Prof Tech Servicios, S. A. de C. V., se dimensionó a 25.81 cm de diámetro de rotor, con álabes tipo pelton modificados.

La carcasa está diseñada para soportar temperaturas de 280ºC a 600ºC y una presión de 11bar a 300 bar.

El ensamble de carcasa-rotor tiene un diámetro exterior de 40 cm.

Diseño de intercambiadores

Vaclav Dostal (2004) en su tesis doctoral analizó varias configuraciones de ciclos de CO₂:
a) recuperación, b) con recalentamiento, c) interenfriamiento y d) recompresión.

Los intercambiadores que operan con fluidos cerca del punto crítico tienen calores específicos no lineales y desiguales que complican el análisis de desempeño.

El diseño de la planta de generación eléctrica mediante CO₂ supercrítico cuenta con 3 intercambiadores de calor de diseño propio para una configuración de ciclo de recuperación:

Recuperador de calor (lado caliente: 290ºC a 140ºC, lado frío: 60ºC a 120ºC).
Intercambiador de enfriamiento (140ºC a 20ºC).
Calentador de alta temperatura (120ºC a 600ºC)

Recuperador de calor E-100

Este intercambiador tiene la función de recuperar el calor de la corriente de escape del expansor y cederlo a la corriente del compresor o booster. Condiciones de las corrientes: lado caliente de 290ºC a 140ºC y lado frío de 60ºC a 120ºC.

Intercambiador de enfriamiento E-101

Este intercambiador tiene la función de enfriar la corriente caliente que sale del recuperador para dirigirla al booster o compresor. Condiciones de la corriente: de 140ºC a 20ºC.

Calentador de alta temperatura Q-100

Este intercambiador tiene la función de calentar la corriente fría que sale del recuperador para dirigirla al expansor. Condiciones de la corriente: de 120ºC a 600ºC.

Disposición en planta

Costo nivelado (USD/kWh)

De acuerdo al análisis realizado por Prof Tech Servicios, S. A. de C. V., el costo nivelado estimado para nuestra tecnología es de 0.0035 USD/kWh para la cogeneración y 0.0155 USD/kWh, según los procedimientos establecidos por el Departamento de Energía de Estados Unidos. El precio mínimo de la energía en México es de 0.90 MXN/kWh (CENACE). Este análisis está basado considerando que la fuente térmica proviene de un proceso residual con alto contenido energético, por ejemplo, cementeras, vidrieras, etc.

De acuerdo a Pasch et al²⁰, a partir de 10 MW puede construirse una planta de generación con CO₂ supercrítico con equipos comerciales y que puede ser viable su operación, pero este análisis es viable solamente para una fuente térmica nuclear. Para el caso de nuestra tecnología, la viabilidad se muestra alrededor de 1.5 MW.

Reglas de escalamiento y rangos de aplicación para componentes de turbomaquinaria en ciclo Brayton

Casos de éxito

El principal desarrollo que se ha logrado hasta hoy, ha sido el desarrollo del Laboratorio Nacional de SANDÍA en Albuquerque, Nuevo Mexico, EUA.

A nivel comercial, se encuentra el módulo de recuperación de calor residual desarrollado por Echogen Power Systems, LLC, en colaboración con Dresser-Rand. Es el EPS100 de 8 MW.

Componentes del diseño (Fuente: Echogen Power Systems, LLC, 2019)
Generador	Síncrono 13.8 kV
Turbomaquinaria	Turbobomba de CO2, turbina de potencia

Estándares de diseño
Recipientes a presión	ASME, Sección VIII
Tubería	ASME 31.3
Componentes eléctricos	NEMA4, IEEE

Sistemas
Fluido de trabajo	CO₂, grado industrial
Control	PLC
Monitoreo remoto	LAN, WAN
Operación	Diseñado para control remoto
Ensamble	Patín

Condiciones estándar
Temperatura ambiente	°C	15	°F	59
Relative Humidity	%	60	%	60
Waste Heat Supply Temperature	°C	532	°F	990
Waste Heat Flow Rate	kg/s	68	lb/s	150
Waste Heat Input	kW	33,300	MMBTU/h	114

Salida eléctrica
Salida bruta	8.6 MW
Salida neta	8.0 MW (configuración de enfriamiento por aire)

Especificaciones generales
Voltaje de salida*	VAC	13.8 kV, 3 fases
Frecuencia*	Hz	60
Dimensiones principales	Tamaño (L x W x H)	m	15 × 4 × 4	ft	50 × 12 × 12
Dimensiones principales	Peso	kg	64,000	lb	140,000
Patin del generador	Tamaño (L x W x H)	m	4.5 × 2.5 × 3	ft	14 × 8 × 10
Patin del generador	Peso	kg	27,000	lb	60,000
Recinto eléctrico	Tamaño (L x W x H)	m	10 × 6 × 4	ft	34 × 19 × 12
Recinto eléctrico	Peso	kg	9,000	lb	20,000
Otro equipo no especificado: intercambiador de calor residual, Sistema de enfriamiento, tanque de almacenamiento de CO₂, enfriador de aceite lubricante. *Especificaciones de voltaje y frecuencia adicional disponible (50Hz).

Bechtel Marine Propulsion, Co., en su Laboratorio de Energía Nuclear, cuenta con un circuito cerrado en ciclo Brayton con CO₂ supercrítico de 100 kWe.

El Japanese Institute of Applied Energy²¹ en su planta diseñada para 11.2 kW, ha desarrollado compresores y turbinas centrífugas para aplicaciones de CO₂ supercrítico²².

El Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) construyó un circuito demostrativo para probar compressores con relación baja de compresión.

En SouthWest Research Institute (SwRI)²³, desde 2014, se ha impulsado el desarrollo de turbomaquinaria (turbina de 1 MW) y los ciclos de oxicombustión supercrítica.

Diseño del ciclo de oxicombustión supercrítica

El programa SunShot ²⁴ del Departamento de Energía de EUA desde 2013 financía proyectos para el desarrollo de turbomaquinaria e intercambiadores de calor compactos.

Pratt & Withney Rocketdyne ²⁵, trabaja sobre desarrollos propios en aplicaciones de plantas de potencia nuclear, desarrollo de intercambiadores de calor, desarrollo de nuevas configuraciones de CO₂ supercrítico, nuevas configuraciones de turbomaquinaria, entre otros.

Intercambiadores de calor de placa y coraza soldados

Intercambiadores de calor de tubo y coraza mejorados

Ventajas fiscales

Una planta de generación eléctrica mediante CO₂ supercrítico (llave en mano) cuya fuente de calor sea de origen renovable o residual, tiene una ventaja fiscal de deducción al 100%, conforme lo indica la Ley del ISR²⁶ en la Sección II de las Inversiones, Artículo 34, Fracción XIII, correspondiente a la deducción de maquinaría (fletes, transporte) y equipo (componentes de la planta, como tanques, intercambiadores, sistema de combustible, eléctrico, etc.) para generación de energía proveniente de fuentes renovables o de sistemas de cogeneración de electricidad eficiente.

¹⁸ V. Dostal, M. Driscoll, P. Hejzlar, "A Supercritical Carbon Dioxide Cycle for Next Generation Nuclear Reactors," MIT‐ANP‐TR‐100, The MIT Center for Advanced Nuclear Energy Systems, March 2004.
¹⁹ A. Schroder, M. Turner, " Mapping the Design Space of a Recuperated, Recompression, Precompression Supercritical Carbon Dioxide Power Cycle with Intercooling, Improved Regeneration, and Reheat," University of Cincinnati, OH, 45221, U.S.A.
²⁰ Rochau, G, Pasch J.J, Carlson, M, Flemming, D, Kruizenga, A, Sharpe, R, Wilson, M., NP-NE "Workshop of Supercritical CO₂ Brayton Cycles", Sandia Laboratories, 2014.
²¹ Ahn Y, Bae S, Kim M, Cho S, Baik S, Lee J, Cha j.”Review of supercritical CO₂ power cycle technology and current status of research and development”, Nuclear Engineering and Technology, Ed. Elsevier, 2015.
²² Institute of Applied Energy, Press release (in Japanese), 19th May 2011.
²³ Moore, J., Brun, K., Evans, N., Kalra C, “DEVELOPMENT OF 1 MWe SUPERCRITICAL CO2 TEST LOOP” Proceedings of ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition, GT2015 -43771, Montral, Canada, 2015.
²⁴ Wilkes, J. “Fundamentals of Supercritical CO2”, Proceedings of ASME Turbo Expo 2014, Düsseldorf, Germany, 2014.
²⁵ McDowell, M, Johnson, G., “Supercritical CO2 Cycle Development at Pratt & Whitney Rocketdyne”, Pratt & Whitney Rocketdyne, 2011.
²⁶ http://www.diputados.gob.mx/LeyesBiblio/pdf/LISR_301116.pdf

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