Modelación termodinámica de una planta termo solar con almacenamiento térmico, comparando ciclos Rankine VS Brayton Supercrítico

Abstract

Chile se presenta como un destino atractivo para la inversión en plantas de energía solar de concentración (CSP) debido a su excepcional nivel de Radiación Directa Normal (DNI), especialmente en la zona del norte grande, lo que proporciona condiciones óptimas para la implementación de esta tecnología. En este contexto, se ha desarrollado un proyecto que modela y compara tres plantas termosolares diferentes: una basada en un ciclo Rankine regenerativo y dos utilizando ciclos Brayton con CO2 supercrítico (sCO2), uno en un escenario "realista" y otro en un "futurista".

Para cada planta, se realizó un modelado exhaustivo del ciclo de potencia, del almacenamiento térmico y del campo solar, evaluando el rendimiento de cada una bajo condiciones específicas de diseño. Este modelado se llevó a cabo utilizando diversas herramientas computacionales y librerías, como Python, EES, SAM y SolarPilot. En particular, se analizaron las eficiencias térmicas obtenidas: 45% para el ciclo Rankine Regenerativo, 39% para el ciclo Brayton realista, y 48,9% para el Brayton futurista.

A partir de estos resultados, se concluyó que, en el contexto actual de las plantas termosolares, el ciclo Rankine sigue siendo la opción más viable y adecuada. Aunque el ciclo Brayton futurista mostró una eficiencia superior, la falta de tecnología disponible en el mercado y las incertidumbres asociadas con su implementación plantean desafíos significativos. Además, las diferencias en el tamaño del campo solar y el almacenamiento térmico entre el ciclo Rankine y el Brayton futurista no son lo suficientemente notables como para justificar la adopción de este último en el corto plazo.

Así aunque el ciclo Brayton (sCO2) presenta un gran potencial, especialmente en aplicaciones futuras o en combinación con ciclos Rankine (ciclo combinado), el ciclo Rankine Regenerativo sigue siendo la elección más adecuada para las plantas termosolares en Chile hoy en día. No se descarta que en los próximos años se desarrollen nuevos materiales o configuraciones que aumenten la vida útil de los componentes del ciclo de potencia de la tecnología Brayton (sCO2) y que disminuyan los costos asociados a esta tecnología.