Diseño de turbomáquinas de un ciclo de potencia de CO2 supercrítico

Abstract

Este proyecto forma parte de un proyecto más amplio, desarrollado en la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas, que tiene como objetivo establecer un método de diseño de turbomáquinas que utilicen fluidos no convencionales, de cara al dimensionamiento y cálculo de costes de ciclos de potencia y bombas de calor innovadores y de alta eficiencia. En este proyecto concreto, se ha realizado el prediseño de todas las TM presentes en el ciclo de la central termosolar que se quiere dimensionar, y se ha utilizado un código para el diseño de los compresores radiales del ciclo, utilizando sCO2 como fluido de trabajo. En los últimos años está teniendo lugar un crecimiento continuo de demanda energética a nivel global, lo que está provocando el aumento de la quema de combustibles fósiles para cubrirla. Estos combustibles liberan altas cantidades de gases de efecto invernadero a la atmósfera, siendo uno de los principales responsables del cambio climático que sufre nuestro planeta en la actualidad. Los últimos estudios indican que en caso de mantener el ritmo actual de consumo de combustibles fósiles, las reservas de petróleo (principal forma de obtener energía en la actualidad), se agotarán aproximadamente en el año 2043. Para cubrir la demanda energética y frenar el crecimiento de la concentración de CO2 (principal responsable del efecto invernadero) en la atmósfera, se está trabajando en el desarrollo de fuentes de energía limpia y sostenible que sustituyan de forma progresiva y eficaz la quema de combustibles fósiles. Actualmente se están realizando estudios de los ciclos de Brayton que utilizan como fluido de trabajo el sCO2 para obtener dicha energía, principalmente en ámbitos nucleares, de energía solar concentrada y de recuperación de calor residual. Dichos ciclos de potencia, además de ser muy eficientes, permiten obtener energía de forma limpia. En condiciones próximas a las críticas ( las cuales son muy accesibles) el sCO2 presenta una viscosidad muy baja y una densidad alta, lo que permite a los compresores de los ciclos de potencia en donde se use trabajar en unas condiciones más óptimas, consumiendo menos energía que si se usase otro fluido, pudiendo diseñarse de un menor tamaño, lo que lleva a una fabricación de estos más económica. También presenta unas propiedades que contribuyen a que se obtenga en estos ciclos una gran eficiencia. Los objetivos de este proyecto son el diseño de los compresores de un ciclo de potencia de sCO2 que se quiere dimensionar, la realización de un código que permita el diseño de compresores radiales para ciclos de potencia que utilicen fluidos no convencionales y de mayor eficiencia y dar a conocer las propiedades del sCO2 y su aplicación a los ciclos de potencia.

This project is part of a broader project, developed in the Rafael Mariño Chair of New Energy Technologies, which aims to establish a design method for turbomachines using non-conventional fluids, for the sizing and costing of innovative and high efficiency power cycles and heat pumps. Under this project, codes are being developed that allow the design of different types of turbomachines (compressors, turbines, pumps...) and of different geometries (axial, radial...). In this specific project, the pre-design of all the TMs present in the cycle of the solar thermal power plant to be dimensioned has been carried out, and the code corresponding to the design of radial compressors has been used to dimension the compressors of the cycle, using supercritical CO2 as working fluid. In recent years there has been a continuous growth in global energy demand, which is causing an increase in the burning of fossil fuels to cover it. These fuels release large quantities of greenhouse gases into the atmosphere, which is one of the main causes of the climate change our planet is currently suffering. The latest studies indicate that if the current rate of consumption of fossil fuels is maintained, oil reserves (the main form of obtaining energy at present) will be exhausted approximately in 2043. [1] To cover the energy demand and slow down the growth of CO2 concentration (main responsible for the greenhouse effect) in the atmosphere, work is being done on the development of clean and sustainable energy sources that progressively and efficiently replace the burning of fossil fuels. Studies are currently being carried out on Brayton cycles that use sCO2 as a working fluid to obtain such energy, mainly in nuclear, concentrated solar power and waste heat recovery fields [2]. These power cycles, besides being very efficient, allow obtaining energy in a clean way. In near-critical conditions (which are very accessible), sCO2 has a very low viscosity and high density, which allows the compressors of the power cycles where it is used to work in more optimal conditions, consuming less energy than if another fluid were used, and can be designed in smaller sizes, which leads to more economical manufacturing. It also has properties that contribute to obtain a high efficiency in these cycles. The objectives of this project are the design of the compressors of a sCO2 power cycle to be sized, the development of a code that allows the design of radial compressors for power cycles using revolutionary and highly efficient non-conventional fluids, and to make known the properties of sCO2 and its application to power cycles.