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Tesis:

Evaluación y análisis de ciclos Brayton con mezclas de s-CO2 en plantas de energía solar concentrada

  • Autor: VALENCIA CHAPI, Robert

  • Título: Evaluación y análisis de ciclos Brayton con mezclas de s-CO2 en plantas de energía solar concentrada

  • Fecha: 2022

  • Materia: Sin materia definida

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: INGENIERIA ENERGETICA

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/69950/

  • Director/a 1º: MUÑOZ ANTÓN, Javier

  • Resumen: Los ciclos supercríticos de potencia Brayton se han consolidado como una alternativa viable a los ciclos tradicionales de Rankine para aumentar la eficiencia térmica de las plantas termosolares. Con el fin de reducir el coste de inversión del campo solar y del bloque de generación de energía, se está investigando en la optimización del diseño y del tamaño de sus equipos. Uno de los principales desafíos que plantea esta tipología de plantas termosolares está asociado a las altas temperaturas y la escasez de agua, o de un foco frío adecuado, en los lugares donde se sitúan las plantas. El estado de la técnica en la materia se ha enfocado tradicionalmente en la utilización de CO2 puro como fluido de trabajo debido a los beneficios que esta sustancia proporciona, entre otros: coste, no toxicidad, no inflamabilidad, estabilidad química. Teniendo en cuenta además de las ventajas de comprimir el CO2 alrededor de su punto crítico, beneficiándose del bajo factor de compresibilidad en esta región. En los últimos años ha emergido una nueva corriente de investigación que se ha enfocado en el estudio y análisis de la aportación de aditivos al fluido de trabajo, CO2 en estado supercrítico, de los ciclos Brayton. En este trabajo se ha potenciado el estudio de mezclas con CO2, aplicado a ciclos Brayton acoplado a plantas termosolares con colectores lineales. Se ha centrado en el estudio y optimización de diversas configuraciones del ciclo de Brayton, buscando la alternativa que proporcione mayor eficiencia energética y a la vez, minimizando el coste de los equipos del ciclo, garantizando la simplicidad de su fabricación y mantenimiento. Para el modelado y simulación del comportamiento de ciclos Brayton se ha utilizado un código previo, desarrollado en el Grupo de Investigaciones Termoenergéticas de la Escuela de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid. Las configuraciones estudiadas han sido cuatro: ciclo de recompresión (RCC), recompresión con recalentamiento (RCC-RH), recompresión con enfriamiento intermedio del compresor principal (RCMCI) y recompresión con enfriamiento intermedio del compresor principal y recalentamiento (RCMCI-RH). Se han estudiado diversas mezclas como fluido de trabajo compuestas por CO2 y aditivos, para aprovechar las características termodinámicas que presentan, y ver la influencia que implican en las prestaciones de los ciclos Brayton. El objetivo principal ha sido determinar la composición óptima de estas mezclas en función de parámetros como el rendimiento térmico del ciclo, tamaño térmico de los recuperadores y la fracción de recompresión, así también, para diferentes condiciones de trabajo. Las mezclas se han clasificado en dos grupos, en función de si su temperatura crítica es mayor o menor que la del CO2. Para el caso de mezclas de dos sustancias (CO2 mas aditivo) con temperatura mayor a la del CO2, los resultados evidencian que el rendimiento térmico del ciclo Brayton de recompresión incrementa un 4% cuando se usa la mezcla CO2/H2S (66.0/34.0) como fluido de trabajo. Mezclas de dos sustancias con temperatura crítica menor a la del CO2 consiguen también mejorar la eficiencia del ciclo de recompresión, es el caso de las mezclas CO2/He (90.0/10.0) y CO2/Kr (68.0/32.0) que incrementan la eficiencia del ciclo desde 49% hasta 53%. Se ha trabajado con mezclas compuestas por tres sustancias denominadas ternarias (CO2 mas dos aditivos). Con mezclas ternarias de mayor temperatura crítica que la del CO2, CO2/COS/H2S, CO2/COS/SO2 y CO2/H2S/SO2, se ha obtenido un incremento en la eficiencia térmica de hasta 4.5% en el ciclo RCC, un incremento de hasta 5% en el ciclo RCC-RH, un incremento de 3.3% en el ciclo RCMCI y un incremento de 3.5% en el ciclo RCMCI-RH, respecto a cuando los ciclos trabajan con CO2 puro. Estos incrementos en la eficiencia se han obtenido cuando los ciclos trabajan con un CIT igual a 333.15 K y UAtotal de 20 MW/K. Teniendo presente que la eficiencia del ciclo a partir de un tamaño térmico total de 20 MW/K permanece casi constante, se ha determinado que la mezcla CO2/COS/H2S proporciona los mejores resultados, la composición molar de la mezcla óptima es CO2=46%, COS=10% y H2S=44%. Las mezclas ternarias con temperatura crítica menor que la del CO2 que han sido analizadas como fluido de trabajo, CO2/CH4/C2H6, CO2/Kr/C2H6, CO2/SF6/C2H6, CO2/Kr/CH4, CO2/SF6/CH4 y CO2/Kr/SF6, han generado resultados positivos en el rendimiento del ciclo. La mezcla con mejores resultados ha sido la mezcla CO2/Kr/C2H6, su composición molar es CO2=40%, Kr=30% y C2H6=30%. Con la mezcla óptima como fluido de trabajo y trabajando con UAtotal de 20 MW/K, se ha alcanzado una mejora en la eficiencia térmica en el ciclo RCC de 4%, en el ciclo RCC-RH de 3.9%, en el ciclo RCMCI de 4.4% y en el ciclo RCMCI-RH de 4.2% respecto a cuando los ciclos trabajan con CO2 puro. Se concluye en este trabajo que el uso de aditivos en el fluido de trabajo de los ciclos Brayton de s-CO2 contribuye a la mejora del rendimiento de los mismos, ayudando a una mejor adaptación del ciclo a las condiciones ambientales de la ubicación de la planta, o condiciones de contorno del foco frío. ----------ABSTRACT---------- Supercritical Brayton power cycles are demonstrating to be a viable alternative to the traditional Rankine power cycles as a means for increasing the efficiency of solar thermal plants. In order to reduce the investment costs of the solar field and power generation block, research is being carried out on ways to optimize the design and size of their equipment. One of the main challenges posed are high ambient temperatures and water scarcity, or another suitable ultimate heat sink, in the places they are located. State-of-the-art technology has traditionally focused on the use of pure CO2 as a reliable working fluid due to its many benefits, such as cost, efficiency, chemical stability, and innocuous properties. It also considers the advantages of compressing CO2 around its critical point due to the low compressibility factor in this region. In recent years a new trend of research has emerged focusing on adding substances to the pure CO2 working fluid of Brayton cycles. This work promotes the study of mixtures with CO2, applied to Brayton cycles coupled with solar thermal plants and linear collectors. This work has focused on the research and optimization of various power block configurations, seeking alternatives which provide greater energy efficiency while minimizing the cost of the cycle equipment. This guarantees the simplicity of its manufacturing and maintenance. For the modeling and simulation of the behavior of Brayton cycles, a previous code developed in the Thermoenergetic Research Group of the School of Industrial Engineers of the Polytechnic University of Madrid had been used. Four configurations have been studied: recompression cycle (RCC), recompression with reheating (RCC-RH), recompression with main compressor intercooling (RCMCI), and recompression with main compressor intercooling and reheating (RCMCI-RH). Many mixtures have been studied as working fluids composed of CO2 and additives to take advantage of the thermodynamic characteristics that they present and to see the influence implied on the performance of Brayton cycles. The main objective has been to determine the optimal composition of these mixtures based on parameters such as the thermal efficiency of the cycle, conductance of the recuperators, the recompression fraction, and different working conditions. The mixtures have been classified into two groups, depending on whether their critical temperature is higher or lower than CO2. For the case of mixtures of two substances (CO2 plus one additive) with a temperature higher than CO2, the results show that the thermal efficiency of the Brayton recompression cycle increases 4% when the mixture CO2/H2S (66.0/34.0) is used as the working fluid. Mixtures of two substances with a critical temperature lower than CO2 improve the cycle efficiency, the case of mixtures CO2/He (90.0/10.0), and CO2/Kr (68.0/32.0) increase the cycle efficiency from 49% to 53%. It has worked with mixtures composed of three substances called ternaries (CO2 plus two additives). With ternary mixtures of higher critical temperature than CO2, CO2/COS/H2S, CO2/COS/SO2, and CO2/H2S/SO2, there has been an increase in thermal efficiency of up to 4.5% in the RCC cycle, an increase of up to 5% in the RCC-RH cycle, a 3.3% increase in the RCMCI cycle and a 3.5% increase in the RCMCI-RH cycle, compared to when the cycles work with pure CO2. These increases in efficiency have been obtained when the cycle works with CIT equal to 333.15K and UAtotal of 20 MW/K. Considering that the cycle efficiency from a total conductance of 20 MW/K remains almost constant, it has been determined that the CO2/COS/H2S mixture provides the best results, the molar composition of the optimal mixture is CO2=46%, COS=10%, and H2S=44%. Ternary mixtures with a critical temperature lower than CO2 that have been analyzed as working fluid, CO2CH4/C2H6, CO2/Kr/C2H6, CO2/SF6/C2H6, CO2/Kr/CH4, CO2/SF6/CH4, and CO2/Kr/SF6, have generated positive results in the cycle efficiency. The mixture with the best results has been the mixture CO2/Kr/C2H6, and its molar composition is CO2=40%, Kr=30% y C2H6=30%. With the optimal mixture as the working fluid and working with UAtotal of 20 MW/K, an improvement in thermal efficiency has been achieved in the RCC cycle of 4%, in the RCC-RH cycle of 3.9%, in the RCMCI cycle of 4.4% and in the RCMCI-RH cycle of 4.2% compared to when the cycles work with pure CO2. It is concluded in this work that the use of additives in the working fluid of the s-CO2 Brayton cycles contributes to improving their efficiency, helping to adapt better the cycle to the operating conditions of the plant location, or the boundary conditions of the cold source.