Estudio fluidodinámico de la combustión y de la turbina de baja presión en ciclos Brayton semicerrados con oxicombustión y captura de CO2

Resumen

Los combustibles fósiles son, a día de hoy, la principal fuente energética empleada a nivel global. Su principal problema reside en que generan gases de efecto invernadero junto con otros contaminantes. Estos gases parecen tener un efecto importante sobre el cambio climático. Los costes económicos y riesgos para la población asociados al cambio climático hacen necesaria la reducción en las emisiones de los mismos. Las energías renovables son una de las posibilidades para realizar esta reducción. Sin embargo, su principal problema radica en el hecho de no estar garantizada su disponibilidad bajo demanda. Por otro lado, la energía nuclear sigue generando productos altamente radiactivos provenientes de la fisión, resultando una alternativa muy problemática. Otra de las alternativas que está suscitando gran interés a día de hoy es la utilización de combustibles fósiles, pero recogiendo los gases de efecto invernadero generados. Estos métodos resultan de especial interés debido al gran consumo de combustibles fósiles existente en la actualidad y a las previsiones de aumento en el consumo de los mismos. De entre los diferentes métodos existentes para la captura de los gases producto de la combustión se eligió el ciclo Brayton semicerrado con oxicombustión. Este ciclo es utilizado en la actualidad en las centrales de ciclo combinado ya existentes. La posibilidad de reutilización de estas centrales supondría un ahorro económico tan importante que ha sido decisivo para la elección de este trasfondo de la tesis. La literatura actual sobre este tipo de ciclos se centra principalmente en el análisis de las actuaciones de los mismos. Se pone menos énfasis, de esta forma, sobre el funcionamiento detallado de cada uno de los componentes del sistema. En esta tesis, sin embargo, se analiza de forma detallada el funcionamiento de componentes o modelos de componentes constitutivos de estos ciclos. Debido a que el estudio detallado de todos y cada uno de los componentes que constituyen estos ciclos sería inabarcable, el trabajo se limita a: - Estudio del funcionamiento de una turbina de baja presión. - Estudio de un modelo representativo de las condiciones existentes dentro de una cámara de combustión trabajando en este tipo de ciclos. La metodología empleada está basada en técnicas de mecánica de fluidos computacional. Estos métodos son los más adecuados a los propósitos establecidos sin tener que recurrir a costosísimos experimentos en banco de pruebas. Con los estudios realizados en esta tesis se logra un conocimiento más detallado de la fenomenología existente en la turbina de baja presión (parte encargada de sacar la potencia del ciclo hacia el generador eléctrico) y en la cámara de combustión (parte encargada de proporcionar la energía necesaria para el funcionamiento del ciclo). Tanto en la parte del estudio de la turbina como en el de la combustión, se constatan grandes diferencias en lo que se refiere a las propiedades del nuevo fluido de trabajo, en comparación con fluidos convencionales basados en el aire. Una de las principales es la drástica disminución de la velocidad del sonido utilizando estos nuevos fluidos de trabajo. En la parte correspondiente al estudio de la turbina de baja presión, se comprueba que la turbina estudiada, diseñada para trabajar con aire en condiciones convencionales, puede ser utilizada en estos nuevos ciclos sin cambiar su diseño. En estas nuevas condiciones, esta turbina tiene una eficiencia similar a la existente en su funcionamiento con un fluido convencional de trabajo, pero estando ahora su actividad más restringida en el rango de potencias. Fuera de estas nuevas zonas de operación, la eficiencia de la turbina cae enormemente, haciendo imposible su estudio computacional fuera de ciertos márgenes. En cuanto al estudio de la combustión, se muestra la gran influencia que tiene la composición del fluido de trabajo del ciclo. Si bien la temperatura máxima de la cámara aumenta debido a la oxicombustión, la dilución con el nuevo fluido de trabajo presente en estos ciclos la disminuye hasta valores compatibles con los materiales de la turbina de alta presión. Adicionalmente, este cambio en la composición de dicho fluido crea diferencias no despreciables en las condiciones de contorno a la entrada de la turbina de alta presión. Los estudios realizados en esta tesis, así como la revisión bibliográfica, muestran resultados esperanzadores respecto al posible desarrollo de estas tecnologías de producción eléctrica. Se recomienda, por tanto, la continuación de este tipo de estudios para profundizar en el entendimiento de los procesos de generación eléctrica de forma limpia a partir de combustibles fósiles.