Nuevas turbinas optimizan la conversión de energía térmica en electricidad

Ingenieros y científicos de Sandia National Laboratories han logrado diseñar un nuevo sistema de turbinas de gas que apunta a incrementar en un 50% la eficiencia del proceso de conversión de energía térmica a electricidad en plantas y centrales de distintas características. Se trata de turbinas de ciclo Brayton, en base a tecnologías y sistemas de CO2 supercrítico.

Estas nuevas turbinas son la esperanza para un gran salto en la eficiencia de la conversión termoeléctrica, un avance que sería vital para la generación de energía utilizando una importante cantidad de fuentes además de los combustibles fósiles, como por ejemplo en el caso de la energía solar, geotérmica, biocombustibles y energía nuclear.

La eficiencia de la conversión podría incrementarse hasta en un 50% en las centrales nucleares equipados con turbinas de vapor, o hasta en un 40% en las plantas y centrales que emplean turbinas de gas simple. Junto a esta ventaja, el sistema también insumiría una importante disminución en los costos de producción.

La investigación se concentra en el dióxido de carbono supercrítico (S-CO 2) y las turbinas de ciclo Brayton, que buscan reemplazar a las turbinas de vapor de ciclo Rankine, que alcanzan una menor eficiencia, tienen mayores índices de corrosión a altas temperaturas y ocupan 30 veces más espacio.

Pruebas y resultados preliminares

Esto se debe a la necesidad de contar con turbinas de gran tamaño y condensadores para eliminar el exceso de vapor. Asimismo, el ciclo Brayton podría producir 20 megavatios de electricidad en un espacio de solamente cuatro metros cúbicos. Este importante avance fue difundido a través de distintos artículos en medios especializados, como por ejemplo Physorg.com y Solar Thermal Magazine, además de por un comunicado del Sandia Nacional Laboratory.

Según los especialistas, existe un gran interés industrial y científico en los sistemas de CO2 supercrítico para la generación de energía, considerando su amplio rango de aplicaciones en todo tipo de fuentes energéticas, tanto renovables y alternativas como convencionales. Las nuevas turbinas funcionan básicamente a partir de un motor a reacción que se ejecuta en un líquido a altas temperaturas.

El nuevo sistema se encuentra en fase de pruebas y testeos, incluyendo un ciclo de producción de energía ya en funcionamiento en Arvada, Colorado, con una producción aproximada de 240 kilovatios de electricidad durante la fase de desarrollo que comenzó en marzo de 2010. En la actualidad, este sistema se encuentra en fase de optimización tecnológica.

Un segundo centro de pruebas se encuentra en las locaciones de Sandia National Laboratories en Albuquerque, donde se investigan las distintas condiciones del dióxido de carbono supercrítico. Los resultados preliminares de las pruebas mencionadas muestran la capacidad del nuevo concepto, en particular su eficiencia y posibilidades de adaptación a sistemas más grandes.

Desarrollo a futuro

Los planes futuros incluyen la comercialización de la tecnología y el desarrollo de una planta de demostración industrial, con una producción de 10 MW de electricidad. Existe una variante de este desarrollo: el uso de ciclos Brayton con helio como fluido de trabajo, que pueden incrementar entre un 43 y un 46% la eficiencia de la conversión termoeléctrica.

Sin embargo, el ciclo Brayton de CO2 supercrítico proporciona la misma eficacia que los sistemas de helio pero a una temperatura considerablemente más baja (250-300 C). El equipo de S-CO 2 también es más compacto, logrando de esta forma disminuir los costos de producción e incrementando en algunos puntos más los índices de eficiencia.

Por otro lado, las propiedades del dióxido de carbono supercrítico a temperaturas superiores a 500 C y presiones por encima de los 7,6 megapascales permiten que el sistema pueda funcionar con una eficiencia térmica muy alta, superando incluso los indicadores de una planta de carbón de gran potencia.

En otras palabras, en comparación con otras turbinas de gas el nuevo sistema basado en el ciclo Brayton de CO2 supercrítico podría aumentar la potencia eléctrica producida por unidad de combustible en un 40% o más. La combinación de bajas temperaturas, alta eficiencia y alta densidad de potencia permite el desarrollo de sistemas más compactos y económicos, ya que se requieren menos materiales y se ocupan menores superficies.