Ciclo binario

Un ciclo binario es un método para generar energía eléctrica a partir de recursos geotérmicos y emplea dos ciclos de fluidos separados, de ahí el nombre de ciclo binario . El ciclo primario extrae la energía geotérmica del yacimiento y el ciclo secundario convierte el calor en trabajo para impulsar el generador y generar electricidad . ^[1]

Los ciclos binarios permiten la generación de electricidad incluso a partir de recursos geotérmicos de baja temperatura (<180 °C) que de otro modo producirían cantidades insuficientes de vapor para que las plantas de energía instantánea sean económicamente viables. ^[2] Sin embargo, debido a las temperaturas más bajas, los ciclos binarios tienen eficiencias generales bajas de alrededor del 10-13%. ^[1]

A diferencia de los métodos de generación de energía geotérmica convencionales, como el vapor seco o el flash , que utilizan un solo ciclo abierto, un ciclo binario tiene dos ciclos separados que funcionan en tándem, de ahí el nombre de ciclo binario. El ciclo primario extrae calor del depósito geotérmico y lo proporciona al ciclo secundario, que convierte el calor en trabajo (ver motor térmico ) para impulsar un generador y producir electricidad . Termodinámicamente, las centrales eléctricas de ciclo binario son similares a las centrales eléctricas de carbón o nucleares en que emplean ciclos de potencia Rankine , siendo la principal diferencia la fuente de calor y la elección del fluido de trabajo del ciclo . ^[1]

El fluido in situ caliente del yacimiento geotérmico (o geofluido) se lleva a la superficie a través de un pozo , si es necesario con la ayuda de una bomba. En la superficie, el geofluido caliente transfiere parte de su calor al ciclo secundario, a través de un intercambiador de calor , enfriándose así en el proceso. Luego, el geofluido frío se reinyecta en el yacimiento geotérmico a través de un pozo separado, donde se recalienta. El ciclo primario se considera un ciclo "abierto". ^[1]

El fluido de trabajo frío a alta presión se calienta y se vaporiza en un intercambiador de calor mediante el geofluido caliente. El vapor caliente a alta presión se expande en una turbina antes de enfriarse y condensarse en un condensador . Para cerrar el ciclo, el líquido frío a baja presión se vuelve a presurizar mediante una bomba de alimentación . El ciclo secundario es un ciclo cerrado.

Las dos configuraciones principales del ciclo secundario son los ciclos Rankine orgánicos (ORC) o los ciclos Kalina , siendo la principal diferencia la elección del fluido de trabajo: un fluido orgánico (comúnmente un hidrocarburo o refrigerante ) o una mezcla de agua y amoníaco respectivamente. ^[1]

Se cree que el primer ejemplo de una planta de energía geotérmica de ciclo binario se ubicó en Ischia , Italia , entre 1940 y 1943. Se cree que la planta utilizó cloruro de etilo como fluido de trabajo con una capacidad efectiva de 250 kW. Sin embargo, debido a que la Segunda Guerra Mundial tuvo lugar al mismo tiempo, no se sabe mucho sobre esta instalación en particular. ^[3]

En 1967 se puso en funcionamiento otra planta de energía geotérmica de ciclo binario cerca de Petropavlovsk , en la península de Kamchatka (Rusia) . Tenía una potencia nominal de 670 kW y funcionó durante un número indeterminado de años, lo que demostró el concepto de las plantas de energía geotérmica de ciclo binario. ^[4]

En diciembre de 2014, había 203 plantas de energía geotérmica de ciclo binario en 15 países del mundo, lo que representa el 35% de todas las plantas de energía geotérmica, pero solo genera el 10,4% de la energía geotérmica total (alrededor de 1250 MW). ^[1]

El fluido de trabajo se evapora a dos niveles de presión y, por lo tanto, de temperatura diferentes. Esto mejora la eficiencia al reducir las pérdidas exergéticas en el intercambiador de calor primario al mantener una correspondencia más estrecha entre la curva de enfriamiento del geofluido y la curva de calentamiento del fluido de trabajo. ^[5]

Se utilizan dos ciclos secundarios en tándem, cada uno con un fluido de trabajo y un punto de ebullición separados. Esto mejora la eficiencia al reducir las pérdidas exergéticas del proceso de introducción de calor, al garantizar una correspondencia más estrecha entre la curva de enfriamiento del geofluido y las curvas de calentamiento de los fluidos de trabajo. ^[6]

El rendimiento de un ciclo binario simple y sus componentes individuales se puede calcular de la siguiente manera: ^[1]

${\displaystyle {\dot {W}}_{\text{turbina}}={\dot {m}}_{\text{wf}}*\eta _{\text{turbina}}*(h_{1}-h_{\text{2s}})}$

• ${\displaystyle {\dot {W}}_{\text{turbina}}}$es la tasa de trabajo realizado por la turbina, en kW
• ${\displaystyle {\dot {m}}_{\text{wf}}}$es el caudal másico del fluido de trabajo, en kg/s
• ${\displaystyle \eta _{\text{turbina}}}$es la eficiencia de la turbina, no dimensional
• $estilo de visualización h_{1}}$es la entalpía específica del fluido de trabajo en la entrada de la turbina, en kJ/kg
• ${\displaystyle h_{\text{2s}}}$es la entalpía específica del fluido de trabajo a la salida de la turbina, asumiendo una expansión isentrópica en la turbina, en kJ/kg

La siguiente ecuación se puede utilizar para determinar el trabajo del condensador y el caudal másico del refrigerante requerido.

${\displaystyle {\dot {Q}}_{\text{condensador}}={\dot {m}}_{\text{wf}}*(h_{2}-h_{3})={\dot {m}}_{\text{refrigerante}}*(h_{y}-h_{x})}$

• ${\displaystyle {\dot {Q}}_{\text{condensador}}}$es la tasa de calor eliminada del fluido de trabajo en el condensador, en kW
• $estilo de visualización h_{2}$& son la entalpía específica del fluido de trabajo en la entrada y salida del condensador respectivamente, en kJ/kg$estilo de visualización h_{3}$
• ${\displaystyle {\dot {m}}_{\text{refrigerante}}}$es el caudal másico del refrigerante, en kg/s
• $Estilo de visualización h_{x}}$& son la entalpía específica del refrigerante en la entrada y salida del condensador respectivamente, en kJ/kg${\displaystyle h_{y}}$

${\displaystyle {\dot {W}}_{\text{bomba}}={\dot {m}}_{\text{wf}}*(h_{\text{4s}}-h_{3})/\eta _{\text{bomba}}}$

• ${\displaystyle {\dot {W}}_{\text{bomba}}}$es la tasa de trabajo realizada por la bomba para volver a presurizar el fluido de trabajo, en kW
• ${\displaystyle h_{\text{4s}}}$es la entalpía específica del fluido de trabajo en la salida de la bomba de alimentación, asumiendo una compresión isentrópica, en kJ/kg
• $estilo de visualización h_{3}$es la entalpía específica del fluido de trabajo en la entrada de la bomba de alimentación, en kJ/kg
• ${\displaystyle \eta _{\text{bomba}}}$es la eficiencia de la bomba, adimensional

La siguiente ecuación se puede utilizar para determinar el trabajo del intercambiador de calor primario y el caudal másico de geofluido requerido.

${\displaystyle {\dot {Q}}_{\text{PHX}}={\dot {m}}_{\text{wf}}*(h_{1}-h_{4})={\dot {m}}_{\text{geofluido}}*(h_{a}-h_{c})}$

• ${\displaystyle {\punto {Q}}_{\text{PHX}}}$es la tasa de calor agregada al fluido de trabajo dentro del intercambiador de calor primario, kW
• $estilo de visualización h_{4}}$es la entalpía específica del fluido de trabajo en la entrada del intercambiador de calor primario, en kJ/kg
• ${\displaystyle {\dot {m}}_{\text{geofluido}}}$es el caudal másico del geofluido, en kg/s
• $estilo de visualización h_{a}}$& son la entalpía específica del geofluido en la entrada y salida del intercambiador de calor primario respectivamente, en kJ/kg$estilo de visualización h_{c}}$

Hay varias definiciones diferentes de eficiencia que pueden considerarse; las cuales se analizan a continuación. ^[1]

La eficiencia de la primera ley (de la Primera ley de la termodinámica ) es una medida de la conversión del calor proporcionado al ciclo en trabajo útil. Si se tienen en cuenta las pérdidas e ineficiencias reales, las plantas geotérmicas de ciclo binario reales tienen una eficiencia de la primera ley de entre el 10 y el 13 %. ^[1]

${\displaystyle \eta _{\text{I}}^{\text{th}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{neta}}}{{\dot {Q}}_{\text{PHE}}}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{turbina}}-{\dot {W}}_{\text{bomba}}}{{\dot {Q}}_{\text{PHE}}}}}$

La eficiencia de Carnot da la eficiencia de un ciclo termodinámico ideal, que opera entre dos depósitos de diferentes temperaturas, por lo que proporciona un máximo teórico a la eficiencia de cualquier motor térmico. Por esta razón, una planta de energía geotérmica que produce geofluido caliente a 180 °C (≈450 K) y rechaza calor a 25 °C (≈298 K) tiene una eficiencia máxima de solo el 34%.

${\displaystyle \eta _{\text{Carnot}}=1-{\frac {T_{C}}{T_{H}}}}$

• $Estilo de visualización T_{C}}$& son las temperaturas absolutas caliente y fría respectivamente, en K$Estilo de visualización T_{H}}$

La segunda ley de eficiencia (de la segunda ley de la termodinámica ) es una medida de la utilización del trabajo idealmente máximo disponible y su conversión en trabajo útil. ^[1]

${\displaystyle \eta _{\text{II}}^{\text{util}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{net}}}{{\dot {E}}_{\text{geofluido}}}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{turbina}}-{\dot {W}}_{\text{bomba}}}{{\dot {m}}_{\text{geofluido}}*[(h_{a}-h_{0})-T_{0}*(s_{a}-s_{0})]}}}$

• ${\displaystyle {\dot {E}}_{\text{geofluido}}}$es la tasa de exergía del geofluido, en kW.
• $estilo de visualización h_{0}}$, & son la entalpía específica, en kJ/kg, la entropía específica , en kJ/kg/K y la temperatura absoluta, en K, del geofluido en la condición de referencia local. Estas pueden ser condiciones ambientales locales, de bulbo húmedo o de reinyección.$estilo de visualización s_{0}$$Estilo de visualización T_{0}$

El fluido de trabajo desempeña un papel fundamental en cualquier ciclo binario y debe seleccionarse con cuidado. A continuación se indican algunos criterios para seleccionar un fluido adecuado. ^{[1] [7]}

1. Una temperatura y presión críticas superiores a la temperatura y presión máximas del ciclo: la mayor parte del calor se transfiere a la temperatura máxima, lo que aumenta la eficiencia.
2. Una cúpula de saturación que se asemeja a una U invertida: esto evita que se pierda líquido en la turbina, lo que reduce la eficiencia, daña los álabes de la turbina y, por lo tanto, reduce la vida útil de la turbina.
3. Alta conductividad térmica: mejora la transferencia de calor en el intercambiador de calor primario y el condensador, reduciendo el área total de transferencia de calor requerida y, por lo tanto, el costo de la planta.
4. Compatibilidad ambiental: no tóxico , no cancerígeno , bajo potencial de calentamiento global , bajo potencial de agotamiento de la capa de ozono , no inflamable , químicamente inerte.
5. Bajo costo y fácilmente disponible.

Existen numerosas centrales eléctricas de ciclo binario en producción comercial.

• Olkaria III , Kenia ^[8]
• Mammoth Lakes , California, Estados Unidos ^[9]
• Steamboat Springs (Nevada) , Estados Unidos ^[10]
• Central eléctrica de Te Huka , Nueva Zelanda ^[11]
• Kirchstockach (Múnich), Alemania ^[12]
• Traunreut, Alemania ^[12]

• Central eléctrica de Husavik
• Geotermia Unterhaching

• Electricidad geotérmica
• Fluido de trabajo
• Ciclo orgánico de Rankine
• Ciclo de Kalina