Una turbina de CO2 supercrítico del tamaño de una mesa puede suministrar energía a 10.000 hogares

Las turbinas de vapor todavía se usan para generar la mayor parte de la electricidad mundial, pero la situación está cambiando rápidamente. Las fuentes de energía renovables, como la solar y la eólica, son cada vez más rentables y fiables, gracias a los avances en almacenamiento de energía e hidrógeno verde.

Otra tecnología emergente que podría alterar el mercado es el dióxido de carbono supercrítico, que permite turbinas mucho más pequeñas y eficientes que las convencionales.

El dióxido de carbono supercrítico (sCO₂) es un estado fluido del dióxido de carbono que puede adoptar propiedades a medio camino entre un gas y un líquido. Promete ser mucho más barato y un 10% más eficiente como medio que el agua, con turbinas diez veces más pequeñas. El Departamento de Energía estadounidense calcula que una turbina de vapor de 20 m se reduciría a un metro (tres pies) si se sustituyera por una turbina de sCO₂.

Para hacerlo realidad, se está construyendo una nueva central eléctrica de 155 millones de dólares y 10 MW equivalentes que utiliza tecnología de CO₂ supercrítico como proyecto emblemático de la iniciativa STEP del Departamento de Energía. El programa STEP, que significa Supercritical Transformational Electric Power, fue lanzado en 2016 por el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética del Departamento de Energía para avanzar en el desarrollo y despliegue de sistemas de energía basados en sCO₂.

En octubre se cortaron las cintas en la planta piloto STEP de San Antonio al ser declarada «mecánicamente terminada» por los socios del proyecto. El proyecto, en el que colaboran el Southwest Research Institute (SwRI), GTI Energy, GE Vernova y el Departamento de Energía de EE.UU., tiene por objeto demostrar un nuevo método innovador de generación de energía eléctrica de mayor eficiencia y menor coste.

A diferencia de las centrales eléctricas convencionales, que utilizan agua como medio térmico en los ciclos de potencia, STEP está diseñado para utilizar sCO₂ a alta temperatura. Esto mejora la eficiencia hasta en un 10% porque el sCO₂ tiene mejores propiedades termodinámicas que el agua.

El dióxido de carbono no es tóxico ni inflamable y se comporta como un fluido supercrítico por encima de su temperatura crítica de unos 31 °C y una presión crítica de 74 bares. A partir de ese momento, empieza a comportarse como un gas con una densidad cercana a la de un líquido. Por supuesto, el agua también puede ser supercrítica, pero requiere mucha más energía.

La tecnología del ciclo de energía del sCO₂ también es compatible con la energía solar concentrada y el calor residual industrial.

El uso de sCO₂ como fluido de trabajo significa que la turbomaquinaria de STEP Demo es aproximadamente una décima parte del tamaño de los componentes de las centrales eléctricas convencionales. Esto permite reducir la huella y el coste de construcción de las nuevas instalaciones. Una turbina de sCO₂ de 10 MW, del tamaño de un escritorio, podría suministrar energía a 10.000 hogares.

La construcción del sitio de demostración STEP comenzó el 15 de octubre de 2018, con SwRI, GTI Energy y GE como socios principales, y la construcción del edificio finalizó en 2020. El primer funcionamiento del compresor con CO₂ supercrítico se logró a principios de este año.

El consorcio está avanzando hacia la puesta en marcha de la planta piloto, que se prevé que comience a funcionar en 2024. Sin embargo, aún quedan algunos retos y tareas por abordar antes de que la planta pueda funcionar a pleno rendimiento.

STEP cambiará sin duda nuestra forma de concebir la generación de energía. Es emocionante lanzar oficialmente esta planta piloto, que alberga tecnología potencialmente revolucionaria desarrollada aquí mismo en SwRI.

Adam Hamilton, Presidente y Consejero Delegado de SwRI

Vía www.swri.org

¿Qué es una turbina de CO2 supercrítico?

Una turbina de CO2 supercrítico (sCO2) es una tecnología emergente que utiliza dióxido de carbono en estado supercrítico como fluido de trabajo en un ciclo térmico, en lugar de vapor de agua que se utiliza en las turbinas convencionales. En la física, un fluido se considera supercrítico cuando se encuentra en un estado por encima de su punto crítico, lo que significa que no tiene una fase definida entre líquido y gas. Para el dióxido de carbono, el punto crítico ocurre a una temperatura de 31.1°C y una presión de 7.38 MPa.

1. Eficiencia: Las turbinas sCO₂ pueden operar con eficiencias termodinámicas más altas en comparación con las turbinas de vapor tradicionales. Esto se debe en parte a la capacidad del CO₂ supercrítico para alcanzar altas densidades cerca de la densidad de un líquido, pero con la viscosidad de un gas, lo que permite una transferencia de calor y un rendimiento mejorados.
2. Compactibilidad: Una ventaja significativa de las turbinas sCO₂ es que son más compactas que las turbinas de vapor convencionales. El tamaño reducido puede resultar en menores costos de capital y una implementación más flexible en diferentes aplicaciones.
3. Flexibilidad y Aplicaciones: Las turbinas sCO₂ pueden ser utilizadas en una variedad de aplicaciones, incluyendo generación de energía a partir de fuentes renovables como la solar térmica y la geotermia, así como en plantas nucleares y de combustibles fósiles.
4. Reducción de Emisiones: Aunque el ciclo utiliza dióxido de carbono, este CO₂ es reciclado dentro del ciclo, por lo que no se emite al ambiente. Por lo tanto, las turbinas sCO₂ pueden jugar un papel en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero.
5. Costes Operativos: Las turbinas sCO₂ pueden tener costes operativos más bajos en comparación con las tecnologías de generación de energía convencionales, ya que requieren menos mantenimiento y pueden operar con una amplia variedad de temperaturas y presiones.