Use of the Brayton cycle for carbon capture and storage

Introducción

El ciclo Brayton es un concepto fundamental en la termodinámica, utilizado para describir el funcionamiento de las turbinas de gas, para la generación de energía eléctrica y la propulsión en motores a reacción. A través de procesos de compresión y expansión convierte la energía termica en trabajo mecánico en la producción de energía a nivel global.

Sin embargo, en un mundo donde la reducción de las emisiones de carbono se ha vuelto crítica para mitigar el cambio climático, el ciclo Brayton está cobrando una nueva relevancia. Su integración con tecnologías de Captura y Almacenamiento de Carbono (CCS, por sus siglas en inglés), representa un avance significativo hacia la sostenibilidad energética. Este ciclo, al ser integrado en sistemas de CCS, contribuye a mejorar la eficiencia de los sistemas energéticos, y juega un papel imporatnte en la reducción de la huella de carbono de la industria energética.

El propósito de este artículo es analizar cómo el ciclo Brayton, más allá de su tradicional uso en la generación de energía, puede contribuir significativamente a la captura y almacenamiento de carbono. Se busca destacar la importancia de su integración con tecnologías CCS, subrayando las adaptaciones necesarias para maximizar la eficiencia y reducir las emisiones de carbono en sistemas energéticos avanzados.

¿Cómo funciona una turbina de gas?

El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina de gas e implica una serie de procesos que convierten la energía del combustible en trabajo mecánico. Se caracteriza por la compresión y la expansión isentrópicas, y la adición y el rechazo isobáricos de calor. El ciclo Brayton puede ser abierto o cerrado. El ciclo cerrado retiene el gas de trabajo dentro del sistema y utiliza intercambiadores de calor para la transferencia de calor. Las etapas del proceso son las siguientes:

1. Admisión: El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina
2. Compresion: El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática .
3. Cámara de combustión: En la cámara, el aire es calentado por la combustióny se expande, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isóbaro.
4. Turbina: El aire caliente pasa por la turbina, y mueve lo alabes. En este paso el aire se expande y se enfría rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática.
5. Escape: Finalmente, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior.

Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la aproximación de suponer una recirculación. En este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y se recircula. Esto corresponde a un enfriamiento a presión constante.

En un ciclo Brayton cerrado con recuperación de calor, el intercambiador de calor o la unidad de recuperación de calor se usa para capturar y reutilizar el calor residual de los gases de escape que salen de la turbina. Este calor se utiliza para precalentar el fluido de trabajo antes de que entre al intercambiador principal de calor, donde se suministra energía adicional para llevar el fluido a la temperatura necesaria para la expansión en la turbina.

Integración con tecnologías de captura de carbono

El ciclo Brayton, utilizado principalmente en turbinas de gas para la generación de electricidad, se ha convertido en un componente clave para mejorar la eficiencia de los sistemas energéticos y reducir las emisiones de carbono. La integración del ciclo con sistemas de captura de carbono representa un avance significativo en la búsqueda de una energía más limpia. Sin embargo, esta integración requiere adaptaciones específicas para asegurar una operación efectiva.

En su forma básica, el ciclo Brayton involucra la compresión de aire, la combustión de un combustible, y la expansión de los gases calientes resultantes para generar trabajo en una turbina. Este proceso es intrínsecamente compatible con altos flujos de gases de escape, lo que lo convierte en un buen candidato para la captura de carbono.

Para integrar un sistema de captura de carbono, es esencial ajustar varias etapas del ciclo

Primero, la temperatura y presión de los gases de escape son factores cruciales. La captura de carbono mediante procesos como la absorción química o la captura por oxicombustión generalmente requiere gases de escape a una temperatura y presión específicas. Para adaptarse a esto, se puede modificar la etapa de postcombustión del ciclo Brayton, ajustando las condiciones operativas para optimizar la eficiencia de captura.

En segundo lugar, la integración del ciclo con tecnologías de captura de carbono puede exigir la incorporación de equipos adicionales, como intercambiadores de calor y unidades de tratamiento de gases. Estos equipos no solo recuperan calor residual para mejorar la eficiencia general del sistema, sino que también aseguran que los gases de escape sean tratados adecuadamente antes de la captura de CO₂.

Además, las modificaciones en la relación de presión y la eficiencia de la turbina son necesarias para compensar la energía adicional requerida por el proceso de captura de carbono. La instalación de un sistema para capturar carbono puede aumentar la demanda de energía, lo que puede reducir la eficiencia neta del ciclo. Por lo cual, es fundamental optimizar la configuración del ciclo para minimizar esta pérdida de eficiencia.

Finamente, el tipo de combustible utilizado en el ciclo Brayton también puede influir en la integración con sistemas de captura de carbono. Los combustibles que producen menos carbono o que son más fáciles de procesar para la captura, como el gas natural, pueden mejorar la viabilidad del sistema integrado.

Tecnologías y procesos en el ciclo Brayton para la captura de carbono

El estado supercrítico es un concepto interesante y a menudo confuso porque un fluido en este estado no se comporta como un líquido ni como un gas de forma tradicional. En el caso del dióxido de carbono (CO₂), cuando se encuentra en condiciones supercríticas (es decir, a una presión superior a 73 bar y una temperatura superior a 31 °C, adquiere propiedades intermedias entre las de un gas y un líquido, lo que permite que tenga tanto una densidad similar a la de un líquido como una difusividad comparable a la de un gas.

Esto sucede porque, al estar en el estado supercrítico, el CO₂ no sufre un cambio de fase tradicional (como de líquido a gas). En lugar de eso, el gas se densifica a medida que se le aplica presión, pero no llega a condensarse en un líquido. El resultado es un fluido que tiene una densidad mucho mayor que la de un gas convencional, lo que se asemeja más a la densidad de un líquido.

Al mismo tiempo, este fluido retiene una alta difusividad, que es la capacidad de las moléculas para moverse y dispersarse a través de un medio. Esto es típico de los gases, donde las moléculas están más separadas y pueden moverse con relativa libertad. La combinación de estas dos propiedades —alta densidad y alta difusividad— es lo que hace al CO₂ supercrítico especialmente útil en diversas aplicaciones industriales, como la extracción de compuestos químicos y la captura de carbono.

Tendencias actuales y futuras en el ciclo Brayton para la captura de carbono

El ciclo Brayton ha evolucionado significativamente, especialmente en su aplicación para la captura de carbono. A medida que la necesidad de reducir las emisiones de CO₂ se hace más urgente, las tendencias actuales y futuras en el ciclo Brayton se centran en mejorar la eficiencia energética, reducir costos y facilitar la integración con tecnologías de captura de carbono.

A continuación, te presento algunas de las tendencias más relevantes:

Uso de CO₂ Supercrítico (sCO₂) como fluido de trabajo

• Tendencia actual: El s-CO₂ debido a su alta eficiencia térmica y capacidad para operar a altas temperaturas permite ciclos más compactos y eficientes, lo que es ideal para su integración en plantas de generación de energía y procesos industriales que buscan reducir las emisiones de carbono.
• Tendencia futura: Se espera un desarrollo continuo de materiales y tecnologías que soporten las condiciones extremas de temperatura y presión del s-CO₂, mejorando así la durabilidad y eficiencia de los componentes del ciclo Brayton.

Integración con ciclos combinados y ciclos de recuperación de calor

• Tendencia actual: Los ciclos Brayton se están integrando cada vez más con ciclos Rankine y otros sistemas de recuperación de calor para maximizar la eficiencia energética y minimizar las emisiones. Esta integración permite capturar más energía del proceso, reduciendo la necesidad de combustibles fósiles y las emisiones de CO₂ asociadas.
• Tendencia futura: La investigación futura podría centrarse en la optimización de estos ciclos combinados, buscando configuraciones que maximicen la recuperación de calor y la eficiencia del ciclo global, con un enfoque particular en la reducción de emisiones de CO₂.

Desarrollo de tecnologías de oxicombustión

• Tendencia actual: La oxicombustión, que utiliza oxígeno puro en lugar de aire para la combustión, es una técnica que se está integrando con ciclos Brayton para facilitar la captura de CO₂. Esta tecnología produce una corriente de gases de escape con alta concentración de CO₂, lo que simplifica su captura y almacenamiento.
• Tendencia futura: Se espera que la oxicombustión se perfeccione, con mejoras en la eficiencia del proceso y en la tecnología de captura y compresión de CO₂. La integración de la oxicombustión con ciclos Brayton avanzados podría volverse más común en las plantas de generación de energía y en aplicaciones industriales.

Aplicación en energías renovables y almacenamiento de energía

• Tendencia actual: Se está explorando el uso del ciclo Brayton con s-CO₂ en sistemas de almacenamiento de energía y en la integración con fuentes de energía renovables, como la solar concentrada. Estos sistemas permiten almacenar energía térmica y convertirla en electricidad cuando sea necesario, con alta eficiencia.
• Tendencia futura: La combinación de ciclos con tecnologías de almacenamiento de energía será clave para estabilizar la generación de energía renovable y reducir la dependencia de combustibles fósiles. Esto también podría incluir la captura de CO₂ producido durante los picos de demanda, optimizando así la gestión de emisiones.

Ejemplos: Instalaciones industriales utilizando el ciclo Brayton para la captura de carbono

El ciclo Brayton ha sido adoptado en diversas aplicaciones industriales, especialmente en proyectos que buscan capturar y reducir las emisiones de dióxido de carbono (CO2). A continuación, te presento algunos ejemplos de instalaciones que utilizan el ciclo Brayton en el contexto de la captura de carbono:

Plantas de generación de energía con turbinas a gas

Una planta de generación de energía en ciclo combinado, que utiliza turbinas de gas para generar electricidad, puede integrar un ciclo Brayton modificado con captura de carbono. Estas plantas combinan el ciclo Brayton con un ciclo Rankine para aprovechar el calor residual.

La captura de CO₂ se logra mediante la oxicombustión, donde se quema el combustible en presencia de oxígeno puro, generando una corriente de gases de escape con alta concentración de CO2, que luego se captura antes de que los gases sean liberados a la atmósfera.

Proyectos de captura de carbono en procesos industriales

En la industria del acero, algunas instalaciones utilizan el ciclo Brayton para generar energía a partir de los gases de escape calientes producidos durante la fabricación del acero. Estos gases contienen CO2, que es capturado después de que el calor ha sido aprovechado para generar energía.

Contribución a la captura y almacenamiento de carbono

El ciclo Brayton puede contribuir a la captura y almacenamiento de carbono de varias formas:

1. Integración con tecnologías CCS: Postcombustión: La tecnología de captura de carbono postcombustión puede aplicarse después de la turbina, donde los gases de escape se tratan para eliminar el CO₂ antes de ser liberados a la atmósfera. Pre-combustión: En este enfoque, el combustible se gasifica para producir una mezcla rica en hidrógeno y CO₂. El CO₂ se captura antes de la combustión y la turbina utiliza hidrógeno como combustible.
2. Ciclo Brayton con CO₂ supercrítico: En lugar de utilizar aire, algunos ciclos avanzados utilizan dióxido de carbono supercrítico como fluido de trabajo. Este enfoque no solo mejora la eficiencia térmica, sino que también facilita la captura y almacenamiento de CO₂, ya que el CO₂ es el fluido de trabajo principal.
3. Mejora de la eficiencia: Las mejoras en la eficiencia del ciclo reducen la cantidad de combustible necesario para generar la misma cantidad de energía, lo que a su vez reduce las emisiones de CO₂. Un ciclo más eficiente significa menos carbono producido por unidad de energía.
4. Ejemplo de implementación: Un ejemplo práctico es el uso de ciclos combinados donde una turbina de gas (ciclo Brayton) trabaja junto con una turbina de vapor (ciclo Rankine). En este sistema, el calor residual de la turbina de gas se utiliza para generar vapor, aumentando la eficiencia total de la planta. La implementación de tecnologías CCS en estos sistemas de ciclo combinado puede capturar una mayor fracción del CO₂ emitido.

Conclusiones

El ciclo Brayton de recompresión basado en CO₂ supercrítico ofrece la oportunidad de aumentar la eficiencia del ciclo en comparación con los ciclos Rankine y algunos otros ciclos Brayton y dar lugar a plantas de energía con una mayor eficiencia de proceso.

El CO₂ parece ser un fluido de trabajo ideal porque tiene un punto crítico muy adecuado para aplicaciones terrestres con una presión crítica moderada y una temperatura crítica que es lo suficientemente baja como para alcanzarse con refrigeración ambiental cuando está disponible la opción de refrigeración húmeda.

El ciclo Brayton de CO₂ supercrítico se puede adaptar a aplicaciones de calentamiento directo, con potencial para una alta eficiencia y captura de agua de proceso; un ciclo de este tipo también facilita la captura de CO₂ del proceso de combustión. Cuando se tienen en cuenta su disponibilidad y su bajo costo, ninguna otra sustancia es un fluido de trabajo más atractivo para el ciclo Brayton supercrítico.

Es posible minimizar las emisiones contaminantes de una central eléctrica de carbón convirtiendo el carbón en gas combustible (gas de síntesis o syngas) mediante oxidación parcial (o gasificación), limpiando el gas y quemándolo después en turbinas de gas. El CO₂ generado a partir de una fuente de combustible dada por unidad de energía producida es inversamente proporcional a la eficiencia térmica de la planta para una conversión de carbón dada.

Referencias

1. https://oa.upm.es/61515/
2. https://www.energy.gov/sites/default/files/2016/06/f32/QTR2015-4R-Supercritical-Carbon-Dioxide-Brayton%20Cycle.pdf
3. https://scienceinfo.com/brayton-cycle/
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Brayton_cycle