Modelado de la eficiencia termodinámica de un ciclo de brayton abierto acoplado con un sistema de captura de dióxido de carbono supercrítico

Abstract

El presente estudio determina el efecto de la temperatura, presión y composición de cada corriente en la eficiencia termodinámica de un ciclo de Brayton abierto acoplado con un sistema de captura de dióxido de carbono supercrítico (SC-CO2). Para ello, se desarrolla un simulador termodinámico propio asistido por inteligencia artificial (IA), aplicando la relación de energía libre de Helmholtz y la ecuación de Peng-Robinson con la regla de mezclado de Van der Waals. A través de las simulaciones, la optimización termodinámica establece que la temperatura de combustión es una limitante operativa crítica, fijando su máximo en 2000 °C por restricciones de materiales en los equipos de combustión. Asimismo, el análisis de sensibilidad evidencia que la eficiencia global del ciclo disminuye progresivamente al aumentar la fracción de agua en la turbina. Para garantizar un funcionamiento estable, se concluye que la fracción de agua no debe exceder un valor de 0,12 [-], condición que exige mantener una fracción de recirculación de dióxido de carbono supercrítico superior a 0,9 [-]. El análisis comparativo revela que un ciclo cerrado de recompresión de referencia exhibe una eficiencia térmica global levemente superior (44,40 %) respecto al ciclo abierto a baja presión (40,23 %). No obstante, el ciclo abierto compensa esta diferencia al requerir aproximadamente un tercio de la cantidad de combustible que el ciclo cerrado para generar la misma potencia neta de 10 MW. Desde una perspectiva económica, para una instalación de 10 MW, el ciclo abierto demanda una inversión en equipos mayor, ascendiendo a 45 mUSD frente a los 27,7 mUSD del ciclo cerrado, debido a la inclusión de una Unidad de Separación de Aire (ASU) y requerimientos térmicos especiales en la turbina. Sin embargo, el acoplamiento del ciclo abierto a yacimientos agotados de petróleo con el objetivo de generar una Recuperación Mejorada de Petróleo (EOR) otorga(...).

The present study determines the effect of temperature, pressure, and the composition of each stream on the thermodynamic efficiency of an open Brayton cycle coupled with a supercritical carbon dioxide (SC-CO2) capture system. For this purpose, an in-house thermodynamic simulator assisted by artificial intelligence (AI) is developed, applying the Helmholtz free energy relationship and the Peng-Robinson equation of state with the Van der Waals mixing rule. Through simulations, the thermodynamic optimization establishes that the combustion temperature is a critical operational constraint, setting its maximum at 2000[°C] due to material limitations in the combustion equipment. Likewise, the sensitivity analysis shows that the overall efficiency of the cycle progressively decreases as the water fraction in the turbine increases. To ensure optimal operation, it is concluded that the water fraction must not exceed a value of 0,12[-], a condition that requires maintaining a supercritical carbon dioxide recirculation fraction greater than 0,9[-]. The comparative analysis reveals that a reference recompression closed cycle exhibits a slightly higher overall thermal efficiency (44,40[%]) compared to the low-pressure open cycle (40,23[%]). However, the open cycle compensates for this difference by requiring approximately one-third of the amount of fuel compared to the closed cycle to generate the same net power of 10[MW]. From an economic perspective, for a 10[MW] installation, the open cycle demands a higher equipment investment, amounting to 45[mUSD] compared to 27,7[mUSD] for the closed cycle, due to the inclusion of an Air Separation Unit (ASU) and special thermal requirements for the turbine. Nevertheless, coupling the open cycle to depleted oil fields for Enhanced Oil Recovery (EOR) provides(...).