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Sobre a promissora utilização de dióxido de carbono supercrítico ao invés de vapor de água para gerar energia elétrica em turbomáquinas


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O ciclo de energia assente em dióxido de carbono  supercrítico  (SC-CO) usa este fluid como meio de operação num ciclo termodinâmico de Brayton, o qual é serve também de referência para sistemas de turbina a gás natural. Neste caso, o CO é mantido em condições supercríticas ao longo do ciclo,  diferindo assim de um ciclo de Rankine, já que a operação acontece em uma única fase e não há lugar a nenhuma condensação ou mudança de fase. 

O recurso a SC-CO apresenta muitas propriedades únicas que o tornam num fluido de trabalho ideal: este não é explosivo, não é inflamável, não é tóxico, é termicamente estável e prontamente disponível a baixo custo. O CO tem uma propriedades críticas relativamente baixas, nomeadamente uma pressão crítica de 73.4 bar e uma temperatura crítica de 31.3 °C. Consequentemente, o CO pode ser comprimido diretamente para pressões supercríticas e aquecido ao estado supercrítico em condições de operação consideradas moderadas.

[2]


Em estado supercrítico, o CO pode ser quase duas vezes mais denso que o vapor de água. A elevada capacidade calorífica e densidade em relação a outros fluidos de trabalho torna-o energeticamente mais denso. Consequentemente, o tamanho de todos os componentes do sistema, como a turbina e os permutadores de calor, pode ser consideravelmente reduzido, contribuindo para um impato ambiental menor. Para além disso, como o SC-CO opera numa uma única fase, a complexidade do sistema é reduzida. Como resultado, um ciclo de energia sCO é expectável que possa exigir investimentos de capital menores, menores custos de operação e manutenção e, portanto, resultar em eletricidade mais barata.

(...) No entanto, vários aspetos do ciclo SC-CO ainda requerem I&D significativos. Por exemplo, embora os fundamentos e as ferramentas de engenharia para o design da turbina sejam assuntos maduros e confiáveis, a experiência operacional de turbinas de energia SC-CO e turbomáquinas associadas em qualquer escala ou em condições relevantes para operação comercial é ainda limitada. As propriedades de alta densidade, alta pressão e mudança rápida do SC-CO perto do ponto crítico, como a densidade, a viscosidade e as propriedades acústicas, representam um regime relativamente novo e diferente para o design de turbomáquinas. Desafios particulares incluem a escolha de materiais e revestimentos, rolamentos, corrosão, erosão e arrefecimento de lâminas, especialmente em aplicações com uma temperatura elevada à entrada da turbina.

[Em todo o caso,] (...) os ciclos de energia SC-CO possuem um grande potencial para fornecer sistemas alternativos de geração de energia com maior eficiência industrial, com uma captura total de carbono a custos mais baixos. (...) Se forem encontradas soluções para resolver todos os desafios técnicos no desenvolvimento dos ciclos de energia SC-CO, eles poderão oferecer grandes oportunidades para geração de energia futura.
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Fonte: Qian Zhu; Innovative power generation systems using supercritical CO cycles, Clean Energy, Volume 1, Issue 1, 29 December 2017, Pages 68–79.

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