generador magnetohidrodinámico

El generador de Faraday recibe su nombre de los experimentos de Michael Faraday sobre el movimiento de partículas cargadas en el río Támesis.

Un generador de Faraday sencillo consiste en un tubo o conducto en forma de cuña fabricado con algún material no conductor . Cuando un fluido conductor de electricidad fluye a través del tubo, en presencia de un campo magnético perpendicular significativo, se induce un voltaje en el fluido. Este voltaje puede aprovecharse como energía eléctrica colocando electrodos en los laterales, formando un ángulo de 90 grados con el campo magnético.

En este ejemplo, existen limitaciones en cuanto a la densidad y el tipo de campo utilizado. La cantidad de potencia que se puede extraer es proporcional al área de la sección transversal del tubo y a la velocidad del flujo conductor. La sustancia conductora también se enfría y se ralentiza durante este proceso. Los generadores MHD suelen reducir la temperatura de la sustancia conductora desde temperaturas de plasma hasta poco más de 1000  °C.

El principal problema práctico de un generador de Faraday es que las tensiones y corrientes diferenciales en el fluido pueden provocar cortocircuitos a través de los electrodos situados en los laterales del conducto. El generador también puede sufrir pérdidas por efecto Hall , lo que reduce la eficiencia del conducto de Faraday. La mayoría de las mejoras posteriores de los generadores MHD han intentado solucionar este problema. El campo magnético óptimo en los generadores MHD con forma de conducto tiene una forma de silla de montar. Para obtener este campo, un generador grande requiere un imán extremadamente potente. Muchos grupos de investigación han intentado adaptar imanes superconductores para este fin, con resultados diversos.

La solución típica ha consistido en utilizar el efecto Hall para generar una corriente que fluye con el fluido. Este diseño presenta conjuntos de electrodos cortos y segmentados a los lados del conducto. El primer y el último electrodo del conducto alimentan la carga. Cada electrodo restante está conectado a un electrodo en el lado opuesto del conducto. Estos cortocircuitos de la corriente de Faraday inducen un potente campo magnético dentro del fluido, pero formando una cuerda circular perpendicular a la corriente de Faraday. Este campo secundario inducido hace que la corriente fluya en forma de arco iris entre el primer y el último electrodo.

Las pérdidas son menores que en un generador de Faraday, y los voltajes son más altos porque hay menos cortocircuitos en la corriente inducida final.

Sin embargo, este diseño presenta problemas, ya que la velocidad del flujo del material requiere que los electrodos centrales estén desplazados para "captar" las corrientes de Faraday. A medida que varía la carga, también varía la velocidad del flujo del fluido, lo que provoca una desalineación de la corriente de Faraday con sus electrodos previstos y hace que la eficiencia del generador sea muy sensible a la carga.

El tercer diseño, y actualmente el más eficiente, es el generador de disco de efecto Hall. Este diseño ostenta actualmente los récords de eficiencia y densidad energética en la generación de magnetohidrodinámica (MHD). Un generador de disco cuenta con un fluido que circula entre el centro del disco y un conducto que lo rodea. (Los conductos no se muestran). El campo de excitación magnética se genera mediante un par de bobinas circulares de Helmholtz situadas encima y debajo del disco. (Las bobinas no se muestran).

Las corrientes de Faraday fluyen en un cortocircuito perfecto alrededor de la periferia del disco.

Las corrientes de efecto Hall fluyen entre los electrodos anulares cercanos al conducto central y los electrodos anulares cercanos al conducto periférico.

El flujo de gas amplio y plano redujo la distancia, y por lo tanto la resistencia del fluido en movimiento. Esto aumenta la eficiencia.

Otra ventaja significativa de este diseño es la mayor eficiencia de los imanes. En primer lugar, generan líneas de campo paralelas simples. En segundo lugar, dado que el fluido se procesa en un disco, el imán puede estar más cerca del fluido, y en esta geometría, la intensidad del campo magnético aumenta con la séptima potencia de la distancia. Finalmente, el generador es compacto, por lo que el imán es más pequeño y consume un porcentaje mucho menor de la energía generada.

La eficiencia de la conversión directa de energía en la generación de energía MHD aumenta con la intensidad del campo magnético y la conductividad del plasma , que depende directamente de la temperatura del plasma y, más precisamente, de la temperatura de los electrones. Dado que los plasmas muy calientes solo pueden utilizarse en generadores MHD pulsados ​​(por ejemplo, mediante tubos de choque ) debido a la rápida erosión térmica del material, se contempló el uso de plasmas no térmicos como fluidos de trabajo en generadores MHD estacionarios, donde solo los electrones libres se calientan mucho (10 000–20 000 kelvins ) mientras que el gas principal (átomos neutros e iones) permanece a una temperatura mucho menor, típicamente 2500 kelvins. El objetivo era preservar los materiales del generador (paredes y electrodos) al tiempo que se mejoraba la conductividad limitada de estos malos conductores hasta el mismo nivel que un plasma en equilibrio termodinámico ; es decir, completamente calentado a más de 10 000 kelvins, una temperatura que ningún material podría soportar. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

Evgeny Velikhov descubrió teóricamente en 1962 y experimentalmente en 1963 que una inestabilidad de ionización, posteriormente denominada inestabilidad de Velikhov o inestabilidad electrotérmica , surge rápidamente en cualquier convertidor MHD que utilice plasmas no térmicos magnetizados con electrones calientes, cuando se alcanza un parámetro Hall crítico , que depende del grado de ionización y del campo magnético. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} Esta inestabilidad degrada considerablemente el rendimiento de los generadores MHD de no equilibrio. Las perspectivas de esta tecnología, que inicialmente pronosticaba altas eficiencias, perjudicaron los programas MHD en todo el mundo, ya que en aquel momento no se encontró ninguna solución para mitigar la inestabilidad. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

Sin implementar soluciones para superar la inestabilidad electrotérmica, los generadores MHD prácticos tuvieron que limitar el parámetro Hall o utilizar plasmas térmicos moderadamente calentados en lugar de plasmas fríos con electrones calientes, lo que reduce drásticamente la eficiencia.

En 1994, el Instituto Técnico de Tokio ostentaba el récord de eficiencia del 22% para generadores MHD de disco de ciclo cerrado. La extracción máxima de entalpía en estos experimentos alcanzó el 30,2%. Los generadores MHD de carbón de ciclo abierto tipo Hall y conducto suelen presentar eficiencias inferiores, cercanas al 17%. Estas bajas eficiencias hacen que la tecnología MHD, por sí sola, resulte poco atractiva para la generación de energía eléctrica, dado que las centrales eléctricas convencionales de ciclo Rankine pueden alcanzar el 40%.

Sin embargo, los gases de escape de un generador MHD que quema combustibles fósiles alcanzan temperaturas casi tan altas como una llama. Al canalizar estos gases hacia un intercambiador de calor para un ciclo Brayton de turbina o un ciclo Rankine de generador de vapor , el MHD puede convertir combustibles fósiles en electricidad con una eficiencia global estimada de hasta el 60 %, en comparación con el 40 % de una central eléctrica de carbón convencional.

Un generador magnetohidrodinámico también podría ser la primera etapa de un reactor de núcleo de gas . ^{[ 15 ]}

Los generadores MHD presentan problemas en cuanto a los materiales, tanto para las paredes como para los electrodos. Estos materiales no deben fundirse ni corroerse a temperaturas muy elevadas. Para ello, se desarrollaron cerámicas especiales, seleccionadas por su compatibilidad con el combustible y la semilla de ionización. El uso de estos materiales especiales y la complejidad de sus métodos de fabricación contribuyen al elevado coste de los generadores MHD.

Los magnetohidrodinámicos (MHD) también funcionan mejor con campos magnéticos más intensos. Los imanes más exitosos han sido superconductores y se encuentran muy cerca del canal. Una dificultad importante fue refrigerar estos imanes mientras se los aislaba del canal. El problema se agrava porque los imanes funcionan mejor cuando están más cerca del canal. También existe el riesgo de dañar la cerámica caliente y frágil debido al agrietamiento térmico diferencial: los imanes suelen estar cerca del cero absoluto, mientras que el canal alcanza varios miles de grados.

Para los MHD, se ha informado que tanto la alúmina (Al₂O₃ ₎ como el peróxido de magnesio (MgO₂ _{) funcionan bien para las paredes aislantes. El peróxido de magnesio se degrada en presencia de} humedad. La alúmina es resistente al agua y se puede fabricar para que sea bastante resistente, por lo que, en la práctica, la mayoría de los MHD han utilizado alúmina para las paredes aislantes.

Para los electrodos de MHD limpios (es decir, que queman gas natural), un buen material fue una mezcla de 80% CeO ₂ , 18% ZrO ₂ y 2% Ta ₂ O ₅ . ^{[ 16 ]}

Los MHD que queman carbón tienen entornos altamente corrosivos con escoria. La escoria protege y corroe los materiales MHD. En particular, la migración de oxígeno a través de la escoria acelera la corrosión de los ánodos metálicos. No obstante, se han reportado muy buenos resultados con electrodos de acero inoxidable a 900  K. ^{[ 17 ]} Otra opción, quizás superior, es una cerámica de espinela, FeAl ₂ O ₄ - Fe ₃ O ₄ . Se informó que la espinela tiene conductividad electrónica, ausencia de una capa de reacción resistiva pero con cierta difusión de hierro en la alúmina. La difusión de hierro podría controlarse con una capa delgada de alúmina muy densa y refrigeración por agua tanto en los electrodos como en los aislantes de alúmina. ^{[ 18 ]}

La fijación de los electrodos de alta temperatura a las barras conductoras de cobre convencionales también resulta compleja. Los métodos habituales establecen una capa de pasivación química y enfrían la barra conductora con agua. ^{[ 16 ]}

Los generadores MHD no se han utilizado para la conversión de energía a gran escala porque otras técnicas con una eficiencia comparable tienen un menor costo de inversión durante su ciclo de vida. Los avances en las turbinas de gas natural lograron eficiencias térmicas similares a menor costo, al utilizar los gases de escape de la turbina para impulsar una planta de vapor de ciclo Rankine . Para obtener más electricidad a partir del carbón, es más económico simplemente aumentar la capacidad de generación de vapor a baja temperatura.

Un generador MHD alimentado con carbón es un tipo de ciclo de potencia Brayton , similar al ciclo de potencia de una turbina de combustión. Sin embargo, a diferencia de la turbina de combustión, no tiene partes mecánicas móviles; el plasma conductor eléctrico actúa como conductor eléctrico. Las paredes laterales y los electrodos simplemente soportan la presión interna, mientras que los conductores del ánodo y el cátodo recogen la electricidad generada. Todos los ciclos Brayton son máquinas térmicas. Los ciclos Brayton ideales también tienen una eficiencia ideal igual a la eficiencia ideal del ciclo Carnot . Por lo tanto, un generador MHD tiene un gran potencial de eficiencia energética . Todos los ciclos Brayton tienen un mayor potencial de eficiencia cuanto mayor sea la temperatura de combustión. Mientras que una turbina de combustión está limitada en su temperatura máxima por la resistencia de sus álabes giratorios refrigerados por aire/agua o vapor, un generador MHD de ciclo abierto no tiene partes giratorias. Este límite superior de temperatura limita la eficiencia energética de las turbinas de combustión. El límite superior de temperatura del ciclo Brayton para un generador MHD no está limitado, por lo que, inherentemente, un generador MHD tiene un mayor potencial de eficiencia energética.

Las temperaturas a las que pueden operar los generadores MHD lineales alimentados con carbón están limitadas por factores que incluyen: (a) la temperatura del combustible de combustión, del oxidante y del precalentamiento del oxidante que limitan la temperatura máxima del ciclo; (b) la capacidad de proteger las paredes laterales y los electrodos de la fusión; (c) la capacidad de proteger los electrodos del ataque electroquímico de la escoria caliente que recubre las paredes, combinada con la alta corriente o los arcos que inciden sobre los electrodos al transportar la corriente continua del plasma; y (d) por la capacidad de los aislantes eléctricos entre cada electrodo. Las plantas MHD alimentadas con carbón con oxígeno/aire y precalentamientos de oxidante alto probablemente proporcionarían plasmas con semillas de potasio de aproximadamente 4200  °F, 10 atmósferas de presión, y comenzarían la expansión a Mach  1.2. Estas plantas recuperarían el calor residual MHD para el precalentamiento del oxidante y para la generación de vapor en ciclo combinado. Con supuestos agresivos, un estudio de viabilidad financiado por el DOE sobre hacia dónde podría ir la tecnología, ^{[ 19 ]} mostró que una gran planta de ciclo combinado MHD alimentada con carbón podría alcanzar una eficiencia energética HHV cercana al 60 por ciento, muy por encima de otras tecnologías alimentadas con carbón, por lo que existe el potencial de bajos costos operativos.

Sin embargo, aún no se han realizado pruebas en esas condiciones extremas ni con esas dimensiones, y actualmente no hay generadores MHD de gran tamaño en fase de prueba. Sencillamente, su historial de fiabilidad es insuficiente para generar confianza en un diseño MHD comercial alimentado con carbón.

Las pruebas MHD del U25B en Rusia, que utilizaban gas natural como combustible, emplearon un imán superconductor y alcanzaron una potencia de 1,4 megavatios. En 1992, el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) llevó a cabo una serie de pruebas con un generador MHD alimentado con carbón , que produjo energía MHD a partir de un imán superconductor de mayor tamaño en el Centro de Desarrollo e Integración de Componentes (CDIF) en Butte , Montana . Ninguna de estas pruebas se realizó durante el tiempo suficiente para verificar la durabilidad comercial de la tecnología. Ninguna de las instalaciones de prueba tenía la escala necesaria para una unidad comercial.

En los generadores MHD de mayor tamaño, se utilizan imanes superconductores para eliminar una de las principales pérdidas parásitas: la energía necesaria para energizar el electroimán. Una vez cargados, los imanes superconductores no consumen energía y pueden generar campos magnéticos intensos de 4 teslas o superiores. La única carga parásita para los imanes consiste en mantener la refrigeración y compensar las pequeñas pérdidas de las conexiones no supercríticas.

Debido a las altas temperaturas, las paredes no conductoras del canal deben estar construidas con una sustancia extremadamente resistente al calor, como óxido de itrio o dióxido de circonio , para retardar la oxidación. De igual modo, los electrodos deben ser conductores y resistentes al calor a altas temperaturas. El generador MHD de carbón AVCO del CDIF se probó con electrodos de cobre refrigerados por agua, recubiertos con platino, tungsteno, acero inoxidable y cerámica conductora.

La MHD reduce la producción total de residuos de combustibles fósiles al aumentar la eficiencia de la planta. En las centrales de carbón con MHD, el proceso comercial patentado "Econoseed", desarrollado en EE. UU. (véase más abajo), recicla la semilla de ionización de potasio de las cenizas volantes capturadas por el depurador de gases de chimenea. Sin embargo, este equipo supone un gasto adicional. Si el metal fundido es el fluido de armadura de un generador MHD, se debe tener cuidado con el refrigerante de los electromagnetismos y el canal. Los metales alcalinos comúnmente utilizados como fluidos MHD reaccionan violentamente con el agua. Además, los subproductos químicos de los metales alcalinos y la cerámica del canal calentados y electrificados pueden ser tóxicos y persistentes en el medio ambiente.

Ingenieros del antiguo Instituto Yugoslavo de Tecnología Térmica y Nuclear (ITEN), Energoinvest Co., Sarajevo, construyeron y patentaron el primer generador de energía experimental para instalaciones magnetohidrodinámicas en 1989. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

En la década de 1980, el Departamento de Energía de Estados Unidos inició un programa plurianual que culminó en 1992 con la puesta en marcha  de un combustor de carbón de demostración de 50 MW en el Component Development and Integration Facility (CDIF) en Butte, Montana . Este programa también incluyó un trabajo significativo en el Coal-Fired-In-Flow-Facility (CFIFF) del Instituto Espacial de la Universidad de Tennessee .

Este programa combinaba cuatro partes:

1. Un ciclo de reposición MHD integrado, con canal, electrodos y unidades de control de corriente desarrollado por AVCO, posteriormente conocida como Textron Defence de Boston. Este sistema era un generador de conducto de efecto Hall calentado por carbón pulverizado, con una semilla de ionización de potasio. AVCO había desarrollado el famoso generador Mk. V y contaba con una amplia experiencia en el sector.
2. Un ciclo de fondo integrado, desarrollado en el CDIF.
3. TRW desarrolló una instalación para regenerar la semilla de ionización. El carbonato de potasio se separa del sulfato en las cenizas volantes de los depuradores. El carbonato se elimina para recuperar el potasio.
4. Un método para integrar la hidrodesulfuración mecánica (MHD) en centrales de carbón preexistentes. El Departamento de Energía encargó dos estudios. Westinghouse Electric realizó un estudio basado en la central Scholtz de Gulf Power en Sneads, Florida . La MHD Development Corporation también elaboró ​​un estudio basado en la central JE Corrette de Montana Power Company en Billings, Montana .

Los prototipos iniciales del CDIF funcionaron durante cortos periodos con diversos tipos de carbón: Montana Rosebud y un carbón corrosivo con alto contenido de azufre, Illinois n.° 6. Se llevó a cabo un extenso trabajo de ingeniería, química y ciencia de los materiales. Tras el desarrollo de los componentes finales, se completaron las pruebas operativas con 4000 horas de funcionamiento continuo: 2000 con Montana Rosebud y 2000 con Illinois n.° 6. Las pruebas finalizaron en 1993.

El programa japonés de finales de la década de 1980 se centró en la hidrodinámica magnetohidrodinámica (MHD) de ciclo cerrado. Se creía que lograría una mayor eficiencia y requeriría equipos más pequeños, especialmente en las centrales eléctricas pequeñas, limpias y económicas con una capacidad cercana a los 100 megavatios (eléctricos), adecuadas para las condiciones japonesas. Generalmente se considera que las centrales de carbón de ciclo abierto alcanzan la rentabilidad a partir de los 200 megavatios.

La primera serie importante de experimentos fue FUJI-1, un sistema de descarga controlada alimentado por un tubo de choque en el Instituto Tecnológico de Tokio . Estos experimentos extrajeron hasta un 30,2 % de entalpía y alcanzaron densidades de potencia cercanas a los 100 megavatios por metro cúbico. Esta instalación fue financiada por Tokyo Electric Power, otras compañías eléctricas japonesas y el Departamento de Educación. Algunos expertos creen que este sistema era un generador de disco con un gas portador de helio y argón y una semilla de ionización de potasio.

En 1994, se elaboraron planes detallados para FUJI-2, una instalación de ciclo cerrado continuo de 5 MWe , alimentada por gas natural, que se construiría aprovechando la experiencia de FUJI-1. El diseño básico de MHD consistía en un sistema con gases inertes que utilizaba un generador de disco. El objetivo era lograr una extracción de entalpía del 30 % y una eficiencia térmica MHD del 60 %. Tras la construcción de FUJI-2, se llevaría a cabo una modernización para convertirla en una planta de gas natural de 300 MWe.  

Desde la década de 1980, el profesor Hugo Messerle de la Universidad de Sídney investigó la hidrodesulfuración mecánica (MHD) alimentada con carbón. Esto dio como resultado una  instalación de destilación de 28 MWe que operaba en las afueras de Sídney. Messerle también escribió una obra de referencia clave sobre MHD, como parte de un programa educativo de la UNESCO. ^{[ 22 ]}

El programa italiano comenzó en 1989 con un presupuesto de unos 20 millones de dólares estadounidenses y tenía tres áreas principales de desarrollo:

1. Modelado MHD.
2. Desarrollo de imanes superconductores. En 1994, el objetivo era un prototipo de 2  m de longitud, con una capacidad de almacenamiento de 66 MJ , para una demostración MHD de 8 m de longitud. El campo magnético debía ser de 5 teslas , con una atenuación de 0,15 T/m. La geometría debía asemejarse a una silla de montar, con bobinados cilíndricos y rectangulares de cobre -titanio-niobio .    
3. Modernización de centrales eléctricas de gas natural. Una de ellas se ubicaría en la planta Enichem-Anic de Ravenna. En esta planta, los gases de combustión del MHD pasarían a la caldera. La otra era una  instalación de 230 MW (térmica) para una central eléctrica en Brindisi, que suministraría vapor a la central principal.

Un programa nacional conjunto entre Estados Unidos y China finalizó en 1992 con la modernización de la central eléctrica de carbón n.° 3 en Asbach. En marzo de 1994 se aprobó un nuevo programa de once años. Este programa estableció centros de investigación en:

1. El Instituto de Ingeniería Eléctrica de la Academia China de Ciencias , en Pekín, se dedica al diseño de generadores MHD.
2. El Instituto de Investigación Energética de Shanghái se dedica a la investigación de sistemas en general y de imanes superconductores.
3. El Instituto de Ingeniería de Investigación Termoenergética de la Universidad del Sudeste de Nanjing se ocupa de los desarrollos posteriores.

El estudio de 1994 propuso un generador de 10  W (eléctrico, 108  MW térmico) con las plantas de ciclo MHD y de ciclo inferior conectadas por tuberías de vapor, de modo que cualquiera de ellas pudiera funcionar de forma independiente.

En 1971, se completó la planta U-25, alimentada con gas natural, cerca de Moscú, con una capacidad diseñada de 25 megavatios. Para 1974, suministraba 6 megavatios de energía. ^{[ 23 ]} Para 1994, Rusia había desarrollado y operado la instalación U-25, alimentada con carbón, en el Instituto de Alta Temperatura de la Academia Rusa de Ciencias en Moscú. La planta de fondo de U-25 operaba bajo contrato con la empresa de servicios públicos de Moscú y suministraba energía a la red de Moscú. Había un gran interés en Rusia por desarrollar un generador de disco alimentado con carbón. En 1986 se construyó la primera central eléctrica industrial con generador MHD, pero en 1989 el proyecto se canceló antes de la puesta en marcha del MHD y esta central eléctrica se unió posteriormente a la Central Eléctrica de Ryazan como una séptima unidad con construcción convencional.