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En 1822, Charles Cagniard de La Tour (1777–1859), físico e ingeniero francés, utilizó el invento de Papin para el estudio del comportamiento termodinámico de varios líquidos (alcohol, éter y agua). Durante sus experimentos observó que, al calentarlos a cierta temperatura, estos pasaban al estado gaseoso al llegar a una cierta presión y la distinción entre gas y líquido desaparecía. Observó que la temperatura a la que el agua presentaba esta condición era de aproximadamente 362ºC y a temperaturas arriba de esta, el fluido se encontraba en condición supercrítica. Actualmente, gracias a las herramientas informáticas equipadas con las Ecuaciones de Estado optimizadas con múltiples pruebas de laboratorio y matemática avanzada sabemos que este valor es de 364ºC.
Hacia 1948 es donde se encuentra la más antigua referencia del ciclo Brayton de CO2 supercrítico, cuando los hermanos Sulzer patentaron un ciclo Brayton de condensación parcial de CO2 (Patente suiza 269599, 1948). A partir de esta patente se vieron las ventajas de CO2 y en varios países comenzaron su estudio y desarrollo, como la antes Unión Soviética con Gokhstein y Verhivker (1969), Italia con Angelino (1968), Estados unidos con Feher (1967), entre otros.
En 1967-1968, el profesor del Politécnico de Milán Gianfranco Angelino G. (–2010), en sus trabajos Perspectives for the Liquid Phase Compression Gas Turbine1 y Carbon Dioxide condensation cycles for power production2, estudió la compresión en fase líquida en una turbina de gas y los ciclos de potencia de dióxido de carbono. Reconoció el potencial para que las eficiencias de los ciclos de CO2 excedan las eficiencias de los ciclos de vapor a temperaturas elevadas a la entrada de la turbina. Concluyó que las temperaturas de entrada a la turbina por arriba de los 650ºC en un ciclo simple de CO2 con condensación y calentamiento parcial podía tener una mejor eficiencia que un ciclo de vapor con recalentamiento con la misma temperatura de entrada a la turbina.
En 1976, ingenieros de General Electric, Co., D. H. Brown, J. C. Corman y R. B. Fleming, en la publicación Energy Conversion Alternatives Study (ECAS)3, estudiaron los ciclos de CO2 en circuito cerrado con otros ciclos de conversión de energía alternativa y concluyeron que los ciclos de CO2 con recompresión tenían el potencial de alcanzar eficiencias de planta de 4 a 5 puntos más que los ciclos de vapor de ese momento, pero con un costo capital estimado de hasta tres veces más que el del ciclo de vapor.
En 1977, Osie "V" Combs, Jr., del MIT, en su tesis An Investigation of the Supercritical CO2 Cycle (Feher Cycle) Shipboard Application4, estudió los ciclos de CO2 como una alternativa a las turbinas de gas para la propulsión naval, concluyendo que los ciclos de CO2 podrían proporcionar hasta un 25% de reducción en el consumo de combustible, aunque con un aumento en el tamaño y el peso del motor.
En el 2004, Vaclav Dostal, en su tesis doctoral 5 presentada en el MIT, reavivó el interés en el ciclo de CO2 con recompresión al mostrar los beneficios de este ciclo en una aplicación avanzada de energía nuclear.
Desde entonces ha habido un gran interés en los ciclos de energía con CO2 generándose cientos de artículos publicados por investigadores de todo el mundo.
El principio de funcionamiento de un ciclo termodinámico en condiciones supercríticas para un ciclo de potencia (generación de energía eléctrica) lo inició E. G. Feher en 1969 en su documento The Supercritical Thermodynamic Power Cycle6. Analizó las ventajas y desventajas de un ciclo Rankine convencional (opera en la región de saturación) y un ciclo Brayton (opera en la región de sobrecalentamiento o de gas). Tomando como referencia un Ciclo Pseudo-Supercrítico7 de vapor de agua se dio cuenta que podía trazar un ciclo de potencia cuyo límite de presión inferior esté entre la presión crítica y el límite de presión superior. A este ciclo le llamó Ciclo Supercrítico y utilizó como fluidos de trabajo el agua y el dióxido de carbono. Feher profundizó el ciclo propuesto con el dióxido de carbono.
1 G. Angelino, "Perspectives for the Liquid Phase Compression Gas Turbine," Journal of Engineering for Power, volume 89, April 1967.
2 G. Angelino, "Carbon Dioxide condensation cycles for power production," ASME Paper 68‐GT‐23, Journal of Engineering for Power, volume 90, July 1968.
3 D. H. Brown, J.C. Corman, R.B. Fleming, "Energy Conversion Alternatives Study, ECAS, General Electric Phase 1 Final Report, Volume II Advanced Energy Conversion Systems, Part 2 Closed Turbine Cycles, NASA‐CR 134948, February 1976.
4 O. V. Combs, "An Investigation o fthe Supercritical CO2 Cycle (Feher Cycle) for Shipboard Application," MS Thesis, MIT, May 1977.
5 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.
6 E. G. Feher, "The Supercritical Thermodynamic Power Cycle," Energy Conversion, 8 (1968) 85-90.
7 La presión límite superior del ciclo pseudo-crítico es mayor que la presión crítica del fluido de trabajo (P2 > Pc), mientras que la presión límite inferior es menor que la presión crítica (P1 < Pc).
Fuente: Span & Wagner (1996), REFPROP (2007), EOS CO2.
Fuente: Span & Wagner (1996), REFPROP (2007), EOS CO2.