Integración de ciclos de potencia de dióxido de carbono supercrítico con oxicombustión de gas natural

Abstract

El cambio climático y calentamiento global son conceptos que nos competen a todos y con gran relevancia en el ámbito científico, puesto que cada vez más soluciones son propuestas a fin de mitigar sus efectos mediante el control las emisiones propias de las diferentes industrias. En este sentido, el sector energético no es la excepción, ya que es uno de los sectores que más acapara la atención de investigadores debido a su significativa contribución a las emisiones globales. Ante este escenario, los ciclos de potencia basados en dióxido de carbono (CO2) en condiciones supercríticas surgen como una alternativa de gran interés debido a diversos factores como su alta eficiencia térmica y la compacidad de los equipos. Dado el evidente potencial que tiene el desarrollo de esta tipología de ciclos, se ha abarcado su estudio desde diferentes frentes, fomentando la creación de eventos (tales como congresos y simposios) internacionales e incrementando el número de investigaciones y publicaciones al respecto. Producto de este constante intercambio de conocimiento, diversos autores han propuesto distintas configuraciones de ciclos que pretenden no solo primar la eficiencia, sino que también se busca propiciar la viabilidad tecnológica. Dentro de las fuentes de energía que se han considerado para su aplicación, la oxicombustión (combustión en un medio de oxígeno puro en lugar de aire) se perfila como una de las alternativas de mayor interés. Varias razones motivan la integración de estas tecnologías, una de ellas es que el fluido de trabajo (CO2) es uno de los productos de la reacción química, además, la posibilidad de alcanzar altas temperaturas que beneficien la eficiencia de los ciclos hace que esta fuente de energía capte la atención de la comunidad científica. Por otra parte, la necesidad de una corriente de oxígeno de alta pureza para llevar a cabo la oxicombustión surge como un desafío a abordar, puesto que el proceso de producción de oxígeno a partir de la separación de aire es altamente demandante energéticamente, lo que termina influyendo negativamente en las prestaciones de los ciclos. En este contexto, el presente trabajo se enfoca en analizar algunos ciclos de potencia de sCO2 propuestos para la aplicación de oxicombustión, a fin de realizar una comparación termodinámica de estos que permita develar las ventajas y desventajas de su posible implementación, además de considerar su madurez tecnológica como un factor relevante, bajo la premisa de que, cuanto mayor nivel de madurez tecnológica, mayores desafíos han sido superados previamente y, evidentemente, más cerca se encuentra la implementación del sistema. En primer lugar, se realiza un estudio de los diferentes procesos de separación de aire para producción de oxígeno utilizados a nivel industrial a fin de definir cuál es el más idóneo, considerando el estado actual de las diversas tecnologías, para ser integrado a los bloques de potencia basados en sCO2. Posteriormente, se han estudiado tres distintas configuraciones de esta tecnología, buscando definir termodinámicamente los productos de estas, además de considerar el consumo energético de cada una por cada kilogramo de oxígeno producido. En segundo lugar, se presenta una revisión del estado del arte de ciclos de potencia de sCO2 basados en oxicombustión de gas natural, clasificándolos según diversos criterios y seleccionando las vii configuraciones de mayor interés de acuerdo con los criterios definidos. En tercer lugar, se realiza la integración de las configuraciones estudiadas en la primera parte del trabajo con los ciclos seleccionados en la segunda parte del trabajo, de manera que se desvelan las posibles integraciones que resultan más beneficiosas en términos de coste energético, es decir, que el rendimiento del ciclo se vea menos penalizado a razón de la producción de oxígeno. Finalmente, se lleva a cabo un estudio exergético que permite identificar cómo se distribuyen las pérdidas exergéticas en los ciclos seleccionados, permitiendo comparar estas pérdidas entre sí e identificar los equipos que merecen una mayor atención en estos ciclos de cara a la disminución de dichas pérdidas.

Climate change and global warming are concepts that concern us all and hold significant relevance in the scientific field, as increasingly more solutions are being proposed to mitigate their effects by controlling the emissions from various industries. In this regard, the energy sector is no exception; it garners substantial attention from researchers owing to its substantial contribution to global emissions. Given this scenario, power cycles based on supercritical carbon dioxide (CO2) emerge as a highly interesting alternative due to various factors such as their high thermal efficiency and equipment compactness. Considering the evident potential of developing this type of cycle, its study has been approached from different perspectives, fostering the creation of international events (such as congresses and symposiums) and increasing the number of related research and publications. As a result of this ongoing knowledge exchange, various authors have proposed different cycle configurations aiming not only to prioritize efficiency but also to promote technological feasibility. Among the energy sources considered for their application, oxy-combustion (combustion in a medium of pure oxygen instead of air) stands out as one of the most interesting alternatives. Several reasons motivate the integration of these technologies, one being that the working fluid (CO2) is one of the products of the chemical reaction. Additionally, the potential to reach high temperatures that benefit cycle efficiency captures the attention of the scientific community. On the other hand, the need for a high-purity oxygen stream for carrying out oxy-combustion poses a challenge to be addressed, as the oxygen production process from air separation is highly energy-demanding, ultimately negatively impacting the cycle's performance. In this context, this present study aims to analyze some sCO2 power cycles proposed for oxy-combustion application. The objective is to conduct a thermodynamic comparison among these cycles to reveal the advantages and disadvantages of their potential implementation, while also considering their technological maturity as a significant factor. The premise is that a higher level of technological maturity signifies that more challenges have been previously overcome and, evidently, the implementation of the system is closer. Firstly, a study is conducted on different air separation processes for oxygen production used at an industrial level, aiming to define the most suitable method considering the current state of various technologies, to be integrated into sCO2-based power blocks. Subsequently, three different configurations of this technology have been investigated, seeking to thermodynamically define their products while also considering the energy consumption of each for every kilogram of produced oxygen. Secondly, a state-of-the-art review of sCO2-based power cycles using oxy-combustion of natural gas is presented. These cycles are classified according to various criteria, and the configurations of greatest interest are selected based on the defined criteria. Thirdly, the integration of the configurations studied in the first part of the work with the cycles selected in the second part is carried out. This unveils the most beneficial integrations in terms of ix energy cost, ensuring that the cycle's performance is less affected due to oxygen production. Finally, an exergetic study is conducted to identify the distribution of exergetic losses in the selected cycles. This allows a comparison of these losses among themselves and the identification of the components that deserve more attention in these cycles to reduce such losses.