Ciclo de potencia de Allam

El ciclo Allam o ciclo Allam-Fetvedt es un proceso para convertir combustibles carbonáceos ^{[ 1 ]} en energía térmica, capturando al mismo tiempo el dióxido de carbono y el agua generados.

Los inventores son el ingeniero inglés Rodney John Allam , el ingeniero estadounidense Jeremy Eron Fetvedt, el científico estadounidense Dr. Miles R. Palmer y el empresario e innovador estadounidense G. William Brown, Jr. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} El ciclo Allam-Fetvedt fue reconocido por MIT Technology Review en la lista de 2018 de 10 tecnologías innovadoras. ^{[ 10 ]}

Este ciclo fue validado en una planta de prueba alimentada con gas natural de 50 MWt en La Porte , Texas, en mayo de 2018.

El ciclo Allam-Fetvedt es un ciclo Brayton de alta presión y recuperación de _CO₂ que emplea un fluido de trabajo de CO₂ transcrítico con un régimen de combustión con oxígeno puro . Este ciclo comienza con la combustión de un combustible gaseoso con oxígeno y un fluido de trabajo de CO₂ supercrítico reciclado, caliente y a alta presión, en una cámara de combustión. El flujo de CO₂ reciclado _cumple la doble función _de reducir la temperatura de la llama de combustión a un nivel controlable y diluir los productos de la combustión, de modo que el fluido de trabajo del ciclo sea predominantemente CO₂ . La presión en la cámara de combustión puede alcanzar aproximadamente 30 MPa. La materia prima para la combustión consiste en aproximadamente un 95 % de _CO₂ reciclado _en masa.

La cámara de combustión proporciona gases de escape a alta presión que se pueden suministrar a un expansor de turbina que opera con una relación de presión de entre 6 y 12. La descarga del expansor es una mezcla subcrítica de _CO₂ predominantemente mezclada con agua de combustión. Este fluido entra en un intercambiador de calor economizador , que enfría la descarga del expansor a menos de 65 °C frente al flujo de _CO₂ que se recircula a la cámara de combustión. Al salir del intercambiador de calor economizador, los gases de escape del expansor se enfrían aún más hasta alcanzar una temperatura cercana a la ambiente mediante un sistema de refrigeración central, lo que permite eliminar el agua líquida del fluido de trabajo y recircularla para su aprovechamiento. 

El fluido de trabajo restante, compuesto casi puro de CO₂ _{, entra entonces en una etapa de compresión y bombeo. El sistema de compresión consta de un} compresor centrífugo convencional con interenfriamiento y una presión de entrada inferior a la presión crítica _del CO₂ . El fluido de trabajo _de CO₂ se comprime y se enfría hasta alcanzar una temperatura cercana a la ambiente en el posenfriador del compresor. En este punto, la combinación de compresión y enfriamiento del fluido de trabajo permite que alcance una densidad superior a 500 kg/m³. En estas condiciones, el flujo _de CO₂ puede bombearse a la alta presión de combustión requerida mediante una bomba centrífuga multietapa . Finalmente, el fluido de trabajo a alta presión se recircula a través del intercambiador de calor del economizador para recalentarse y regresar a la cámara de combustión. 

El producto neto _de CO₂ derivado de la adición de combustible y oxígeno en el combustor se elimina de la corriente de alta presión; en este punto, el producto _de CO₂ se encuentra a alta presión y tiene una alta pureza, listo para su secuestro o utilización sin necesidad de compresión adicional. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

Para que el sistema alcance una alta eficiencia térmica , se requiere una temperatura muy similar en el lado de alta temperatura del intercambiador de calor primario. Debido al proceso de enfriamiento empleado en la etapa de compresión y bombeo, normalmente se produce un gran desequilibrio energético en el ciclo entre el flujo de escape del expansor de enfriamiento y el flujo de recirculación _de CO₂ para el recalentamiento.

El ciclo Allam-Fetvedt corrige este desequilibrio mediante la incorporación de calor de baja temperatura en el extremo frío del intercambiador de calor recuperativo. Debido a las bajas temperaturas en el extremo frío del ciclo, este calor solo necesita estar en el rango de 100  °C a 400  °C. Una fuente conveniente de este calor es la Unidad de Separación de Aire (ASU), necesaria para el régimen de combustión con oxígeno puro.

Al quemar gas natural como combustible, esta configuración básica se ha modelado para lograr una eficiencia de hasta el 60 % (PCI) como ciclo de potencia neto de todas las cargas parásitas, incluida la ASU de alto consumo energético. A pesar de su novedad, los componentes necesarios para este ciclo están disponibles comercialmente, con la excepción del conjunto de la turbina de combustión. La turbina se basa en tecnologías y enfoques probados utilizados por las herramientas de diseño de turbinas de gas y vapor existentes . ^{[ 15 ] [ 16 ]}

La construcción de una instalación de prueba industrial de 50 MWth para mostrar el ciclo Allam-Fetvedt comenzó en marzo de 2016 en La Porte, Texas , y finalizó en 2017. En 2018, el ciclo Allam-Fetvedt y las tecnologías de apoyo fueron validados, ^{[ 17 ]} lo que permitió a los fabricantes de equipos originales certificar componentes para su uso en futuras plantas de producción. 

El 15 de noviembre de 2021, aproximadamente a las 7:40 pm EST, la instalación de prueba se sincronizó con éxito con la red de ERCOT ^{[ 18 ]} demostrando que el ciclo Allam Fetvedt era capaz de generar energía a 60  Hz.

Estas instalaciones de prueba son propiedad de NET Power, que a su vez es propiedad de Constellation Energy Corporation , Occidental Petroleum (Oxy) Low Carbon Ventures, Baker Hughes y 8 Rivers Capital (el inventor de la tecnología), y están operadas por dicha empresa.

NET Power fue galardonada con el premio al Proyecto Tecnológico Innovador Internacional del Año 2018 en la Exposición y Conferencia Internacional de Petróleo de Abu Dhabi (ADIPEC). ^{[ 19 ]}

• Proceso de combustión con oxígeno puro

• Diagrama de proceso para el gas natural
• Diagrama de proceso para el carbón
• Diagrama de flujo másico
• Diagrama de presión y entalpía específica