China conecta a la red el primer generador comercial de electricidad con CO₂ supercrítico

Un hito para un nuevo tipo de ciclo de generación eléctrica

China ha conectado a la red eléctrica el primer generador comercial del mundo que funciona con dióxido de carbono supercrítico, lo que marca una nueva etapa para la generación termoeléctrica de alta eficiencia. La instalación se encuentra dentro de la planta siderúrgica Shougang Shuicheng, en Liupanshui, Guizhou, y convierte el calor residual de alta temperatura de la producción de acero en electricidad. Construido por el Instituto de Energía Nuclear de China, dependiente de la Corporación Nuclear Nacional de China, con el apoyo de ingeniería de Jigang International Engineering and Technology, el proyecto consta de dos unidades de 15 megavatios cada una. El fluido de trabajo es dióxido de carbono, no vapor, y el fabricante afirma que las unidades pueden captar y aprovechar el calor residual con una eficiencia al menos un 50 % superior a la de los sistemas convencionales basados en vapor que se usan en las acerías.

Esto es importante porque el dióxido de carbono supercrítico, abreviado a menudo como sCO2, puede permitir turbinas más pequeñas, arranques más rápidos y una mayor eficiencia térmica a altas temperaturas. Estas características responden a las necesidades de la industria pesada, donde el calor que actualmente se pierde por chimeneas y sistemas de refrigeración puede convertirse en una fuente estable de energía. También son adecuadas para los reactores nucleares de próxima generación y las plantas de energía solar concentrada, donde cada punto porcentual de eficiencia puede reducir los costos y el tamaño de los componentes principales.

El proyecto de Guizhou también pone a prueba el rendimiento de esta tecnología fuera de un laboratorio. La siderurgia es una de las industrias con mayor consumo energético, y las líneas de sinterización y los hornos liberan grandes cantidades de calor a temperaturas muy superiores a los 700 grados Celsius (1292 grados Fahrenheit). Recuperar ese calor mejora el balance energético de la planta y puede reducir la energía que toma de la red local. También puede disminuir el consumo de agua en comparación con los ciclos de vapor, una ventaja en regiones con escasez de agua.

Qué es la generación eléctrica con CO₂ supercrítico y por qué importa

El dióxido de carbono supercrítico es dióxido de carbono mantenido a una temperatura y una presión superiores a su punto crítico, aproximadamente 31 grados Celsius y 74 bar. En este estado, es un fluido denso con propiedades tanto de un gas como de un líquido. Esa densidad permite a los ingenieros construir turbinas e intercambiadores de calor compactos. En un bloque de potencia sCO2, el fluido circula en un circuito cerrado: absorbe calor de una fuente, se expande a través de una turbina para hacer girar un generador y luego cede calor a un enfriador antes de comprimirse y volver a la fuente de calor. El circuito se conoce como ciclo Brayton, similar a los ciclos de turbina de gas que se usan en los motores a reacción, pero con CO₂ como fluido de trabajo y con recuperadores que reciclan el calor dentro del circuito.

Cómo funciona el ciclo

En la planta siderúrgica, los gases calientes de la sinterización y de procesos relacionados pasan por un intercambiador de calor que transfiere energía al circuito de sCO2. El dióxido de carbono calentado se expande a través de una turbina, que hace girar un generador para producir electricidad. Después de expandirse, el CO₂ todavía contiene una cantidad considerable de calor, por lo que pasa por un recuperador que precalienta el flujo entrante y mejora la eficiencia. Luego, el fluido cede el calor restante a un enfriador, se comprime y vuelve al intercambiador de calor para repetir el proceso. Como el CO₂ cercano a su punto crítico es fácil de comprimir en comparación con un gas normal, el ciclo consume menos energía en la compresión, lo que ayuda a aumentar la eficiencia neta.

Ventajas de eficiencia y tamaño

Los ciclos Rankine de vapor tradicionales son maduros y fiables, pero su eficiencia alcanza un límite si no se utilizan temperaturas y presiones muy elevadas, y sus componentes son grandes. Informes sobre el proyecto chino y sobre plantas piloto internacionales indican que los ciclos sCO2 que funcionan a altas temperaturas pueden superar el 50 % de eficiencia térmica, mientras que los ciclos de vapor modernos se acercan al 40 % en condiciones similares. En las aplicaciones de aprovechamiento del calor residual, la eficiencia exacta depende de la temperatura de la fuente y del diseño de los equipos, pero el método sCO2 permite aumentar considerablemente la cantidad de ese calor que puede convertirse en energía. Los equipos también son compactos porque el CO₂ es mucho más denso que el vapor, por lo que las turbinas y las tuberías pueden ser mucho más pequeñas para una misma potencia.

Por qué una acería ofrece la fuente de calor ideal

Las plantas siderúrgicas consumen enormes cantidades de energía en la sinterización, la coquización y la laminación en caliente. La sinterización aglomera minerales finos a temperaturas que a menudo superan los 700 grados Celsius. Después, los hornos y los conductos de gases de escape transportan ese calor fuera del proceso. Un circuito de CO₂ supercrítico puede captar ese flujo mediante un intercambiador de calor resistente y recuperar una gran parte de la energía que, de otro modo, se desperdiciaría.

En un entorno industrial hay otras ventajas. Un bloque de potencia sCO2 utiliza muy poca agua en comparación con los sistemas de vapor, ya que no necesita grandes volúmenes de agua de alimentación para las calderas ni torres de refrigeración húmedas. El CO₂ como fluido de trabajo es relativamente inerte y menos corrosivo para muchas aleaciones que el vapor a alta temperatura, lo que puede reducir algunos desafíos relacionados con los materiales. Como el circuito es cerrado, el CO₂ no se libera durante el funcionamiento normal. Puede haber pequeñas pérdidas de CO₂, que deben gestionarse, pero el sistema no depende de un suministro constante de CO₂ nuevo.

Para los operadores de una planta, estas características se traducen en un bloque de potencia de menor tamaño, menos equipos auxiliares y un funcionamiento más flexible. El arranque y la parada pueden ser más rápidos que en los sistemas de vapor, lo que resulta útil para procesos cuya temperatura cambia a lo largo del día.

¿Podría ampliarse su uso a la energía nuclear y solar?

Muchos diseños de reactores avanzados producen temperaturas de salida adecuadas para las turbinas sCO2. Los reactores de alta temperatura refrigerados por gas, los reactores de sales fundidas y los reactores rápidos refrigerados por sodio buscan alcanzar temperaturas en el núcleo más altas que las de los reactores de agua a presión, y el sCO2 puede aprovechar ese calor de manera eficiente. Una turbina compacta también es adecuada para los pequeños reactores modulares, en los que el espacio y la sencillez son prioritarios.

Lo mismo ocurre con la energía solar concentrada, que almacena calor en sales fundidas y luego lo conduce a través de un bloque de potencia. Un plan de demostración en China busca adaptar una planta solar de torre, a escala de exhibición, en Dunhuang para pasar del vapor a un bloque de potencia sCO2, con el fin de evaluar la preparación de los proveedores y el comportamiento operativo. Esta iniciativa pone de relieve dos componentes esenciales: un intercambiador de calor fiable entre las sales fundidas y el CO₂, y un tren de compresores capaz de trabajar con CO₂ cerca de su punto crítico. Ambos retos son exigentes, pero los avances en materiales, sellos y sistemas de control están haciendo que sean cada vez más abordables.

Si los intercambiadores de calor y la turbomaquinaria demuestran ser duraderos en plantas reales, será más clara la vía para construir bloques de potencia sCO2 de mayor tamaño. Las ventajas son atractivas: una mayor eficiencia del ciclo implica campos solares más pequeños o núcleos de reactor más pequeños para obtener la misma producción eléctrica, y un menor consumo de agua facilita la elección de emplazamientos.

Cómo lo construyó China y quién está detrás del proyecto

La instalación de Guizhou es el resultado de un programa de larga duración del Instituto de Energía Nuclear de China, que forma parte de la CNNC. Durante más de una década, el instituto ha trabajado en circuitos sCO2, turbinas, cojinetes, sellos y sistemas de control; ha publicado pruebas de componentes y ha construido bancos piloto. Jigang International Engineering and Technology colaboró en la ingeniería para integrar el sistema en la industria pesada. La empresa anfitriona, Shougang Shuicheng Steel, proporcionó el emplazamiento y acceso a flujos de calor residual de alta calidad.

Cada unidad tiene una potencia nominal de 15 megavatios. El uso de dos unidades proporciona redundancia y permite a los operadores probar estrategias de control en condiciones reales de producción. La CNNC describe el proyecto como una base para futuras unidades en la industria pesada y la generación eléctrica, con el objetivo de estandarizar módulos que puedan replicarse en distintas instalaciones. La replicación es importante porque la rentabilidad de generar energía a partir del calor residual aumenta cuando los equipos pueden producirse a gran escala e instalarse con una personalización mínima.

Qué dicen los expertos

Fuera de China, grupos de investigación y equipos de la industria han ido demostrando de forma constante la fiabilidad de los componentes y subsistemas sCO2. En Texas, la planta piloto Supercritical Transformational Electric Power, una instalación de 10 megavatios eléctricos respaldada por el Departamento de Energía de Estados Unidos y dirigida por un consorcio, completó su primera fase en 2024 y demostró que podía funcionar a plena velocidad con turbomaquinaria y sistemas de control integrados. Los investigadores del Southwest Research Institute, que colabora con ese programa, destacan la importancia de las pruebas integradas, en las que compresores, turbinas, calentadores, enfriadores y el software de control funcionan juntos como una sola planta.

Mark Hibbs, investigador sénior del Carnegie Endowment for International Peace que estudia el sector nuclear chino, afirmó que China avanza rápidamente para demostrar su liderazgo tecnológico.

«Los chinos avanzan muy, muy rápido. Tienen mucho interés en demostrar al mundo que su programa es imparable».

Tim Allison, quien dirige el Departamento de Maquinaria del Southwest Research Institute y trabaja en la planta piloto de Texas, describió la importancia de haber puesto en funcionamiento a velocidad un bloque de potencia sCO2 integrado.

«El funcionamiento del sistema integrado es un logro notable. Se produce después de las exitosas pruebas de puesta en marcha de los componentes realizadas por el equipo y demuestra el funcionamiento conjunto de todos los equipos, incluidos los controles de la planta, el compresor, los intercambiadores de calor, el calentador, la turbina y el inventario de CO₂, además de los sistemas de suministro eléctrico y de gas y de agua de refrigeración de la instalación».

Los desafíos de ingeniería que aún deben resolverse

El desafío principal es construir turbinas compactas y de alta eficiencia que soporten temperaturas y velocidades elevadas. Estudios académicos e industriales describen rotores de turbina que giran a entre 30.000 y 40.000 revoluciones por minuto, con álabes y carcasas expuestos a temperaturas superiores a los 600 grados Celsius. Las aleaciones a base de níquel y los aceros avanzados son materiales habituales para los cilindros interiores y los rotores, mientras que las carcasas exteriores usan aceros ferríticos para controlar la tensión y los costos. La combinación adecuada equilibra resistencia, resistencia a la corrosión y expansión térmica para que las holguras se mantengan pequeñas sin que las piezas rocen entre sí.

Los sellos y los cojinetes son igual de importantes. Los sellos de gas seco limitan las fugas de CO₂ en el eje, y algunos diseños estudian el uso de cojinetes de gas en lugar de cojinetes de aceite para simplificar los sistemas de lubricación y evitar problemas térmicos. Un estudio sobre una turbina de 25 megavatios concluyó que colocar el pistón de equilibrado dentro de la sección de gas de refrigeración reducía la longitud del rotor, acortaba las vías de fuga y disminuía las pérdidas mecánicas. Un rotor más compacto mejora la estabilidad y simplifica la carcasa. Otro diseño que sustituyó los cojinetes de aceite por cojinetes de gas redujo aún más la longitud del eje y eliminó la necesidad de un sistema independiente de refrigeración y lubricación. Estos perfeccionamientos ayudan a mejorar la eficiencia y la fiabilidad.

El control del ciclo durante los cambios transitorios es otra área de trabajo activa. Las demostraciones a pequeña escala han mostrado que los cambios en la velocidad de la bomba, el aporte de calor y la carga pueden provocar aumentos momentáneos de presión y flujo antes de que el sistema se estabilice. Los ingenieros trazan combinaciones de flujo másico, relación de presión y velocidad de rotación para identificar zonas estables en las que se alcanza la máxima potencia y eficiencia. Una prueba de un turbogenerador sCO2 de pequeño tamaño alcanzó una producción eléctrica de decenas de kilovatios, con una eficiencia total medida cercana al 59 % en condiciones óptimas, lo que ilustra tanto el potencial como la precisión de control necesaria.

Los intercambiadores de calor que transfieren energía de gases industriales sucios a un circuito limpio de CO₂ deben resistir la acumulación de depósitos y el estrés térmico. Los recuperadores dentro del circuito de CO₂ necesitan diseños compactos y con gran superficie para reciclar el calor sin grandes caídas de presión. Los compresores deben funcionar de manera eficiente cerca del punto crítico del CO₂, donde pequeños cambios de temperatura pueden alterar mucho la densidad y perjudicar el rendimiento si los sistemas de control no responden rápidamente.

Implicaciones ambientales y políticas

China se ha comprometido a alcanzar el máximo de sus emisiones de carbono antes de 2030 y la neutralidad de carbono antes de 2060. Descarbonizar la energía que impulsa la industria pesada es fundamental para ese plan. La recuperación de calor residual con sCO2 ayuda de dos maneras: reduce la electricidad neta que la planta toma de redes alimentadas con combustibles fósiles y disminuye el consumo de agua en lugares donde los ciclos de vapor convencionales necesitarían grandes caudales de refrigeración. En los proyectos de energía nuclear y solar térmica, una mayor eficiencia reduce directamente el costo de la electricidad limpia.

Algunos analistas también señalan una posible sinergia con la captura de carbono. En principio, el CO₂ capturado podría abastecer el circuito cerrado como fluido de trabajo y dar un uso productivo a una parte del gas. Sin embargo, un ciclo de generación necesita CO₂ limpio y seco para proteger la turbomaquinaria y reducir al mínimo la corrosión, y el circuito es cerrado, por lo que no consume CO₂ nuevo de forma continua. Cualquier integración con la captura se centraría en compartir procesos de gestión, almacenamiento y purificación, no en utilizar el CO₂ como materia prima que se quema o se transforma.

El nuevo generador también responde a las limitaciones de recursos. El ahorro de agua puede ser considerable en regiones áridas donde escasea el agua de refrigeración. Un bloque de potencia compacto podría instalarse en barcos o en emplazamientos industriales remotos, y fortalecer la seguridad energética al convertir el calor disponible en el lugar en electricidad para ese mismo sitio.

La competencia mundial y los próximos pasos

Equipos de Estados Unidos, Europa y Asia trabajan para mejorar la fiabilidad de los componentes sCO2 y la integración de las plantas. El proyecto STEP de Texas pasó de la puesta en marcha de componentes a una operación integrada y produjo electricidad durante su primera fase, lo que reforzó la confianza en que la tecnología puede ampliarse y reproducirse. La unidad conectada a la red en Guizhou es la primera instalación comercial de este tipo en un proceso industrial y proporcionará datos sobre el funcionamiento continuo, los ciclos de mantenimiento y la rentabilidad de generar energía a partir del calor residual de la siderurgia.

Es probable que se instalen más unidades en plantas siderúrgicas y cementeras si las afirmaciones sobre el rendimiento se confirman durante la operación mensual y anual. Los proyectos de energía solar concentrada evalúan bloques de potencia sCO2 para reducir el tamaño de las salas de turbinas y aumentar la producción. Los diseñadores de reactores avanzados prevén utilizar sCO2 como sistema estándar de conversión de energía, en sustitución de las voluminosas plantas de vapor por turbinas y recuperadores compactos. Las fuentes móviles de energía nuclear para emplazamientos remotos también se benefician de equipos compactos, y la densidad del CO₂ ayuda a mantener pequeñas las turbinas para una potencia determinada.

La cadena de suministro de equipos será importante. Los intercambiadores de calor de alto rendimiento, los sellos de gas seco y los generadores de alta velocidad deben estar disponibles a través de varios proveedores. Será necesario desarrollar códigos y normas para recipientes a presión, tuberías y sellos que trabajen con CO₂. La formación de los operadores para que puedan manejar el ciclo y resolver problemas de forma segura también será parte de su despliegue comercial. Un ritmo constante de demostraciones y replicación puede reducir los costos y convencer a los propietarios de las plantas de adoptar la tecnología a gran escala.

En resumen

• China conectó a la red dos unidades de CO₂ supercrítico de 15 megavatios en una planta siderúrgica de Liupanshui, Guizhou.
• El sistema aprovecha el calor residual de la sinterización del acero para generar electricidad y, según se afirma, convierte el calor residual con una eficiencia al menos un 50 % superior a la de los sistemas basados en vapor.
• Los ciclos sCO2 funcionan en un circuito cerrado con CO₂ por encima de su punto crítico, lo que permite utilizar turbinas compactas y lograr una mayor eficiencia a altas temperaturas.
• El bloque de potencia utiliza poca agua y puede instalarse en espacios reducidos, por lo que resulta adecuado para la industria pesada, los barcos y los sistemas energéticos remotos.
• Los reactores avanzados y las plantas de energía solar concentrada son los principales candidatos para utilizar bloques de potencia sCO2, porque proporcionan las altas temperaturas que necesita el ciclo.
• Entre los principales desafíos de ingeniería figuran los intercambiadores de calor duraderos, los compresores eficientes cerca del punto crítico y las turbinas de alta velocidad con sellos y cojinetes resistentes.
• Una planta piloto estadounidense en Texas puso en funcionamiento una planta sCO2 integrada de 10 megavatios eléctricos y produjo electricidad durante su primera fase, lo que demuestra que también hay avances fuera de China.
• El proyecto chino ofrecerá los primeros datos a escala comercial sobre la generación de electricidad con sCO2 a partir del calor residual industrial.
• El ahorro de agua y las mejoras de eficiencia respaldan los objetivos de China de alcanzar el máximo de emisiones de carbono y la neutralidad de carbono, a la vez que mejoran el uso de la energía en la industria pesada.
• La expansión dependerá de la preparación de los proveedores, la fiabilidad operativa y la rentabilidad de replicar el sistema en varias plantas.