Implementación y puesta en marcha de una microturbina de ciclo Brayton como plataforma experimental para docencia e investigación

Abstract

En el contexto de la transición energética global, Chile se ha comprometido a alcanzar la carbono neutralidad al año 2050. Este objetivo hace necesaria la incorporación de tecnologías de respaldo flexibles que permitan complementar la intermitencia inherente a las energías renovables variables. Bajo esta premisa, la microturbina Capstone C65 se posiciona como una herramienta tecnológica clave para el estudio y análisis de este tipo de tecnologías. En consecuencia, el presente trabajo de título documenta la implementación y puesta en marcha de este equipo en el Laboratorio de Energías Renovables (LER) de la Universidad Técnica Federico Santa María, Sede Viña del Mar, estableciendo una plataforma experimental única en Chile para la docencia e investigación aplicada en el uso de combustibles verdes. El equipo se basa en el ciclo termodinámico Brayton con regeneración, un sistema que aprovecha el calor de los gases de escape para precalentar el aire de combustión, alcanzando una eficiencia eléctrica nominal del 28% bajo condiciones ISO. El equipo seleccionado posee una potencia neta de 65 kW y tiene la capacidad de operar con gas natural a alta presión y mezclas de hidrógeno de hasta un 30% volumétrico. El desarrollo de la ingeniería de detalles se rigió por un estricto cumplimiento de las recomendaciones del fabricante, así como también de la normativa nacional e internacional, incluyendo los Decretos Supremos N°66, N°43 y N°18, además de la norma NFPA 2 para tecnologías de hidrógeno. Entre las adecuaciones de infraestructura más relevantes destaca el diseño de líneas de combustible diferenciadas: cobre tipo K para metano y acero inoxidable 316L para hidrógeno, con el fin de mitigar riesgos de fragilización por hidrógeno. Asimismo, se actualizaron los sistemas de almacenamiento de sustancias peligrosas para segregar el amoníaco del hidrógeno y del metano debido a su incompatibilidad y cumplir con la normativa de instalación. Además, se instaló un banco de carga resistivo de 100 kW para gestionar de forma segura el excedente de potencia generado, dada la limitación de la red eléctrica local de 38 kW(...)

In the context of the global energy transition, Chile has committed to achieving carbon neutrality by the year 2050. This objective necessitates the incorporation of flexible backup technologies to complement the inherent intermittency of variable renewable energies. Under this premise, the Capstone C65 microturbine is positioned as a key technological tool for the study and analysis of these technologies. Consequently, this work documents the implementation and commissioning of this equipment at the Renewable Energy Laboratory (LER) of the Universidad Técnica Federico Santa María, Viña del Mar Campus, establishing a unique experimental platform in Chile for teaching and applied research regarding the use of green fuels. The equipment is based on the regenerative Brayton thermodynamic cycle, a system that utilizes exhaust gas heat to preheat combustion air, achieving a nominal electrical efficiency of 28% under ISO conditions. The selected unit has a net power output of 65 kW and is capable of operating with high-pressure natural gas and hydrogen blends of up to 30% by volume. The development of the detailed engineering was governed by strict compliance with the manufacturer’s recommendations, as well as national and international regulations, including Supreme Decrees No. 66, No. 43, and No. 13, in addition to the NFPA 2 standard for hydrogen technologies. Among the most relevant infrastructure adaptations is the design of differentiated fuel lines: Type K copper for methane and 316L stainless steel for hydrogen, to mitigate hydrogen embrittlement risks. Likewise, hazardous substance storage systems were updated to segregate ammonia from hydrogen and methane due to their incompatibility and to comply with installation regulations. Additionally, a 100 kW resistive load bank was installed to safely manage the generated power surplus, given the local electrical grid limitation of 38 kW(...).