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Ventajas y desventajas del sCO2


Bonos de carbono (Certificados de Reducción de Emisiones)

La planta de generación eléctrica de CO2 supercrítico diseñada por Prof Tech Servicios, S. A. de C. V., es adaptable a diferente fuentes térmicas: residual, geotérmica, solar. Por su naturaleza es también una planta que mitiga las emisiones de efecto invernadero, por lo que es también una planta que es potencialmente productora de Bonos Verdes (CRE, Certificados de Reducción de Emisiones) y, por consiguiente, de proyectos verdes (MDL, Mecanismos de Desarrollo Limpio).


Mecanismos de Desarrollo Limpio

Los Mecanismos de Desarrollo Limpio (MDL) es un procedimiento que emana del Protocolo de Kioto y consiste en el financiamiento de proyectos, por parte de los países desarrollados, dentro de los países en desarrollo para la mitigación de las emisiones de GEI. Como resultado de la mitigación de las emisiones, se generan Certificados de Reducción de Emisiones (CRE) que pueden ser vendidos a los países desarrollados para cumplir con su compromiso de reducción.

Este procedimiento se ha venido aplicando hasta que en 2013 hubo una caída de los precios de las reducciones, debido a una gran oferta de CRE´s y poca demanda de los mismos al final del primer periodo de compromiso que va de 2008 a 2012, firmado por los países en Kioto, Japón 1997.

Actualmente, los MDL's siguen vigentes pero sujetos a los compromisos contraídos por el Acuerdo de París 2015 (COP2015).


Certificados de Reducción de Emisiones

Los CRE o bonos verdes son instrumentos de renta fija que se colocan en los mercados públicos para obtener recursos que se destinarán a inversiones verdes o relacionados con acciones climáticas. Son emitidos por entidades certificadas, asignándoles un precio, dependiendo del país en que se emitan. Tienen un precio de compra, dependiendo del país que los solicite.

Precios del carbón por países

Los países se dividen como emisores y compradores de los bonos verdes.

En el caso de México, a partir del Acuerdo de París del 2015, se está trabajando para definir la entidad emisora para poder certificar Bonos Verdes Soberanos, pero actualmente Nacional Financiera se perfila como la principal emisora de bonos mexicanos.

Desde septiembre del 2016, el mercado mexicano de bonos verdes ha registrado cinco emisiones por un monto total de 10,100 millones de pesos. En el 2017 y en el 2018, el banco de desarrollo colocó bonos sustentables por un total de 10,000 millones de pesos cada uno, con los que ha financiado 12 proyectos (Fuente: El Economista27).

Mapa resumen de las iniciativas

Comparación contra otros ciclos termodinámicos

Dostal (2004) realizó una revisión del estado del arte en esta tecnología, quizá la más detallada, comenzando desde los primeros estudios y desarrollos que se hicieron. Para las plantas de energía nuclear, el utilizar el CO2como fluido de trabajo es una muy buena alternativa debido a las ventajas energéticas que brinda en comparación de las plantas tradicionales que operan con vapor de agua y salmuera.

Como parte de esta investigación, Dostal indica que dentro de todos los fluidos conocidos hasta este momento, el CO2 puede ser comparado solo con tres materiales más: helio (He), hexafluoruro de azufre (SF6) y tal vez el xenon (Xe), debido a que todos comparten un punto crítico cercano a las temperaturas ambientes en el planeta con presiones relativamente bajas, en comparación del agua y del aire.

Fluido
Formula
Temp. Crítica
Presión Crítica
Dióxido de carbono
CO2
30.98ºC
7.38 MPa
Helio
He
-267.95ºC
0.23 MPa
Hexafluoruro de azufre
SF6
45.57ºC
3.76 MPa
Xenon
Xe
16.59ºC
5.84 MPa
Agua
H2O
373.98ºC
22.06 MPa
Aire
Aire
-140.62ºC
3.79 MPa
Propano
C3H6
96.68ºC
4.25 MPa
Diclorofluorometano (Freón R12)
CCl2F2
112.02ºC
4.11 MPa

Otros autores que ya han tenido la experiencia de desarrollar tecnologías para la generación de CO2 supercrítico, como Pasch, J. J.28 en el Laboratorio Nacional de Sandia en EUA; Truchi C., para el Laboratorio Nacional de Energías Renovables de EUA (NREL); Dristoll, M. J.29 para el MIT; Ahn Y.30 para el Instituto de Korea; dichos autores hacen referencia a Dostal como parte de su investigación y concuerdan en la predicción que se hizo sobre las eficiencias que pueden ser alcanzadas para plantas de energía eléctrica, trabajando con CO2.

Comparación de eficiencias térmicas

Ventajas de ciclos de CO2 vs ciclos de Helio en aplicaciones nucleares

VentajasDesventajas
Turbomaquinaria más pequeña que un ciclo de vapor o helio. Se prefiere el helio al CO2 como un refrigerante de un reactor por su capacidad de enfriamiento y reactividad nula.
Los ciclos Brayton de CO2 son más eficientes que el helio a temperaturas medias del reactor. El CO2 requiere de un reactor más grande que el helio o un ciclo indirecto.
El CO2 es 10 veces más barato que el helio. Tecnología nueva.

Aunque hay muchas ventajas potenciales de los ciclos Brayton de CO2 supercrítico, resulta un desfío diseñar, desarrollar y probar la turbomáquina apropiada para ubicar el desempeño de las plantas al nivel representado en la figura anterior.


Eficiencias térmicas de sistemas de conversion de potencia y aplicaciones

Las altas densidades resultan en una turbomáquina significativamente muy pequeña, que debe operarse a velocidades muy altas, en comparación a las turbomáquinas convencionales. Además, con el CO2 no es posible desarrollar prototipos eficientes de baja potencia, baja velocidad y bajo costo. La alta velocidad limita probar turbomaquinaria pequeña y ciclos Brayton de CO2 supercrítico pequeños.

El comportamiento no lineal del calor específico entre los lados de alta y baja presión del ciclo causa limitaciones al intercambio de calor entre ambos lados, especialmente a temperaturas más bajas. Causa también mayor complejidad en el modelado y la optimización del diseño del ciclo.

Comportamiento no lineal del calor específico.jpg

Fortalezas del CO2 supercrítico en ciclos de potencia

  • Relaciones bajas de presión (presión global óptima ~3 a 8).
  • Gran capacidad de recuperación.
  • Relación baja de trabajo de carga.
  • Densidad alta de potencia.
    • Presión alta y peso molecular alto.
    • Rago de densidad desde ~23 kg/m3 a ~788 kg/m3.
  • Temperaturas estrechas de adición y rechazo de calor que no requieren de enfriamiento evaporativo, pero aún así se aproximan mejor a un ciclo de Carnot que a un ciclo Brayton en circuito abierto.
  • Eficiencia de ciclo alta
    • >50% @ 650ºC de temperatura de entrada a la turbina.

Debilidades del CO2 supercrítico en ciclos de potencia

  • La disparidad no lineal del calor específico causa dificultades para intercambiar calor entre los lados de alta y baja presión a temperaturas más bajas.
  • El diseño de circuito cerrado presenta complejidades adicionales.
  • Las altas presiones presentan un aumento en la carga estructural y problemas de fugas en los sellos.
    • De 20 MPa a 30 MPa de presión máxima típicamente propuesta.
  • Variaciones de propiedades no lineal cerca del punto crítico presentan complicaciones de diseño en la turbomaquinaria, así como retos para mantener la operatividad fuera del diseño.
  • Las altas densidades del fluido de trabajo restringen el desarrollo de prototipos eficientes de baja potencia, baja velocidad y bajo costo.


Sustitución de turbinas de vapor por sCO2

Ingenios azucareros

Al sustituir el ciclo de vapor de agua (turbina de vapor) de una central de ciclo combinado, se obtienen las siguientes ventajas:

  • No se requiere el manejo y tratamiento de agua que las turbinas de vapor requieren para su operación.
  • Se obtiene hasta un 10% más de energía eléctrica con respecto a la generación por turbina de vapor.
  • Energía eléctrica más barata para el ingenio y para la comunidad.
  • Mejor aprovechamiento del bagazo
  • No hay dependencia de tecnología extranjera.
  • Se mitiga, e incluso, se evita el uso de combustible fósil.

Centrales de Ciclo Combinado

Al sustituir el ciclo de vapor de agua (turbina de vapor) de una central de ciclo combinado, se obtienen las siguientes ventajas:

  • No requiere el manejo y el tratamiento de agua que el ciclo Rankine requiere para su funcionamiento.
  • Se obtiene hasta un 10% más de energía eléctrica con respecto al ciclo de vapor de agua.
  • Disminución de costos de hasta un 30% por el manejo de agua.
  • No hay dependencia de tecnología extranjera.

Centrales de potencia por concentración solar

Existen centrales de potencia por concentración solar que operan mediante vapor de agua calentado con energía solar. Al sutituir las turbinas de vapor se obtienen las siguientes ventajas:

  • Generación de energía eléctrica en comunidades remotas donde la acesibilidad a los combustibles no es cercana.
  • Un incremento de un 20% de energía eléctrica con respecto a fotovoltaico.
  • No requiere de combustibles.
  • El costo nivelado de la energía es de 0.0155 USD/kWh, más bajo que el fotovoltaico.
  • Área de instalación reducida: 0.5 hectáreas vs 1.5 hectáreas en fotovoltaico.




27 https://www.eleconomista.com.mx/economia/Gobierno-de-Mexico-trabaja-en-emision-de-bono-verde-soberano-20190515-0167.html
28 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.
29 Driscoll, M.J., "Supercritical CO2 Plant Cost Assessment", Interim Topical Report No.: MIT-GFR-019, Center for Advanced Nuclear Energy Systems, MIT Nuclear Engineering Department.
30 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.
31 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.

Precios del Carbón por países (Fuente: State and Trends of Carbon Pricing 2018).

Mapa resumen de las iniciativas implementadas en el precio del carbón regional,
nacional y subnacional, programadas para implementación y bajo consideración
(Fuente: State and Trends of Carbon Pricing 2018).

Comparación de eficiencias térmicas (Fuente: Dostal 2004).

Eficiencias térmicas de sistemas de conversion de potencia y aplicaciones
(Fuente: Yoonhan Ahn, Korea Advanced Institute of Science and Technology, 2016)

Fuente: Schroder A., Turner M., University of Cincinnati31.