Análisis termo-económico de ciclos Brayton basados en dióxido de carbono supercrítico impulsados por fuentes de calor geotérmicas de bajo grado

Abstract

CO2-based power cycles have received a lot of attention recently since they have several advantages over traditional power generation systems. For use of low-grade heat sources, most of the research has focused on the transcritical CO2 Rankine cycle (TCRC). However, the supercritical CO2 Brayton cycle (SCBC) may be technically more feasible for most locations, since, unlike the TCRC, it does not require low temperature heat sinks to operate properly. Information on the feasibility of using SCBCs in binary cycle geothermal power plants is very scarce. Therefore, in order to compare different SCBC configurations, determine the feasibility of implementing them and select the most suitable for its use with low-grade geothermal heat sources, in this work, four SCBC configurations are compared in terms of their thermo-economic performance. First, four SCBC configurations were proposed: the simple Brayton cycle (SBC), the recuperated Brayton cycle (RBC), the intercooled Brayton cycle (IBC) and the intercooled recuperated Brayton cycle (IRBC). Then, different analyses which were increasing in the degree of complexity, were carried out. The first one consisted of evaluating the systems from energy and exergy points of view using relatively simple mathematical models. Later, more detailed models including the effect of the heat exchangers geometry, were developed. This allowed an energy analysis to be carried out with more realistic conditions. Finally, an analysis including both technical and economic aspects was performed. Results show that the four proposed systems are technically feasible, with the IRBC being the one with the highest thermodynamic performance. On the economic side, only the IRBC results feasible.

Los ciclos de potencia basados en CO2 han recibido mucha atención recientemente debido a que presentan varias ventajas sobre los sistemas para generación de potencia tradicionales. Para uso de fuentes de calor de bajo grado, la mayoría de la investigación se ha centrado en el ciclo Rankine basado en CO2 transcrítico (TCRC). Sin embargo, el ciclo Brayton basado en CO2 supercrítico (SCBC) puede ser técnicamente más factible para la mayoría de las ubicaciones, ya que, a diferencia del TCRC, no necesita sumideros de calor de baja temperatura para funcionar correctamente. La información sobre la factibilidad de emplear SCBCs en sistemas geotérmicos de ciclo binario es muy escasa. Por lo tanto, con el objetivo de comparar diferentes configuraciones del SCBC, determinar la viabilidad de implementarlas y seleccionar la más adecuada para su uso con fuentes de calor geotérmicas de bajo grado, en este trabajo, se comparan cuatro configuraciones del SCBC en términos de su desempeño termo-económico. Primero se propusieron cuatro configuraciones del SCBC: el ciclo Brayton simple (SBC), el ciclo Brayton recuperado (RBC), el ciclo Brayton interenfriado (IBC) y el ciclo Brayton recuperado e interenfriado (IRBC). Luego, se realizaron diferentes análisis los cuáles fueron aumentando en grado de complejidad. El primero consistió en evaluar los sistemas desde los puntos de vista energético y exergético utilizando modelos matemáticos relativamente sencillos. Posteriormente, se desarrollaron modelos más detallados incluyendo el efecto de la geometría de los intercambiadores de calor. Lo anterior permitió realizar un análisis energético con condiciones más realistas. Finalmente, se realizó un análisis incluyendo tanto aspectos técnicos como económicos. Los resultados muestran que, los cuatro sistemas propuestos son factibles técnicamente, siendo el IRBC el que mayor rendimiento termodinámico alcanza. En cuanto al aspecto económico, sólo el IRBC resulta viable.