Análisis tecno-económico para la optimización de centrales termosolares de concentración cilindros parabólica con almacenamiento térmico

Resumen

1. introducción o motivación de la tesis Dentro de la tecnología de receptor solar, el campo solar mediante colectores cilindro parabólicos es el sistema de mayor implantación a nivel mundial para la generación de electricidad. Además, los avances en diseño y fabricación permiten definir parámetros específicos adaptados a la localización de la planta, requerimientos técnicos y tipo de mercado eléctrico. Avances que proporcionan una importante reducción de los costes de implantación. Así, partiendo del establecimiento de un modelo matemático para una central real con tecnología de colectores cilindro parabólicos de 50MWe con almacenamiento térmico, esta Tesis Doctoral tiene como finalidad establecer estrategias encaminadas a maximizar la viabilidad y rendimiento tecno-económico de este tipo de centrales de generación eléctrica. El modelo de optimización presentado establece propuestas que permiten conocer las proporciones óptimas de dimensionado del campo solar, tipo y sistema de almacenamiento térmico y modo de operación de la planta, independientemente de su ubicación, tipo de mercado eléctrico y capacidad de generación. Además, el desarrollo de un innovador sistema de almacenamiento térmico permite aumentar la proyección de las plantas de colectores cilindro parabólicos. Así, utilizando el campo solar como sistema de almacenamiento térmico, posibilita la generación electricidad en momentos de cobertura parcial o total, pudiendo satisfacer los requerimientos de consumo de electricidad con una disminución de los costes de inversión y operación. Se plantea, pues, como motivación principal de este trabajo el estudio de alternativas viables, de carácter innovador y relevantes a la configuración estándar de las plantas termosolares de concentración mediante la tecnología de colectores cilindro parabólicos, tanto a nivel de implementación como a modo de operación, que favorezcan la optimización de la generación de energía y del volcado a red. 2.contenido de la investigación Este trabajo de investigación se inicia con el estudio y una serie de visitas técnicas a diferentes plantas termosolares de la geografía española, dentro de las tecnologías de colectores cilindro parabólicos y de receptor central. La principal planta a estudio es la central de generación mediante colectores cilindro parabólicos “La Africana” situada en la localidad de Posadas (Córdoba). Dadas las restricciones del mercado eléctrico español todas estas plantas tienen una capacidad de generación eléctrica igual o menor de 55 MWe brutos. De igual modo, todas las plantas estudiadas incorporan un sistema de almacenamiento de energía térmica mediante doble tanque de sales fundidas, variando su capacidad entre 3 y 7,7 horas de producción equivalente acorde a las características de cada planta. Un segundo estadio abarca la revisión bibliográfica. El análisis de los diferentes trabajos de investigación que, por su actualidad y relevancia, tienen especial significación sobre el tema a tratar en este trabajo. Una vez analizadas tanto las características técnicas como de operación de plantas con tecnología de colectores cilindro parabólicos, incluyendo almacenamiento de energía así como los avances actuales significativos en este campo, se identificación de las áreas de trabajo aún no abarcadas, que posibilitan el desarrollo de este trabajo y sustentan esta Tesis Doctoral. Posteriormente se diseña y construye un modelo de planta con almacenamiento de energía mediante doble tanque de sales fundidas, quemador de gas para precalentado de aceite sintético, e intercambiador de calor aceite-sales fundidas-vapor, equivalente a la planta real en estudio para la posterior verificación y calibración del modelo. Este modelo de planta se implementa haciendo uso de los bloques termodinámicos Thermolib® elaborados para un entorno en Matlab (MATLAB R2010A®). A continuación, la herramienta Simulink V2010 permite la simulación del modelo acorde a cada parametrización realizada considerando variables geográficas, ambientales constructivas, de operación de planta y comportamiento del mercado eléctrico. La primera parte del proceso de simulación se basa en recrear el entorno de funcionamiento de la planta en estudio “La Africana”. Una vez parametrizada la planta y obtenidos los datos de simulación, se verifica y calibra el modelo generado. Finalmente se establecen dos bloques principales de trabajo en función del sistema de almacenamiento de energía utilizado. Por un lado la planta con almacenamiento con doble tanque de sales fundidas, y por otro lado almacenamiento en el sistema de aceite de los colectores mediante mayoración del campo solar. Los resultados obtenidos por las simulaciones dentro de cada bloque de trabajo son analizados obteniendo los valores que optimizan cada variable dentro de la función. Posteriormente se realiza un análisis comparativo de las funciones óptimas para cada bloque de trabajo y parametrización. Este análisis final permite definir con precisión el tamaño del campo solar así como el tipo, dimensionado y comportamiento del sistema de almacenamiento de energía, además del modo de operación de planta, acorde a cada ubicación, condiciones climáticas concretas y tipo de mercado eléctrico. El análisis y estudio de los entornos diseñados y modelados forman la base de los trabajos que sustentan la presente Tesis Doctoral. De igual modo, algunos de los resultados obtenidos, como el almacenamiento de energía térmica en el campo solar, se encuentran actualmente implementados en plantas reales en operación. 3.conclusión Las conclusiones y consideraciones principales que se derivan del presente trabajo de Tesis Doctoral son las siguientes: 1. Se ha abordado el estudio de las plantas termosolares de generación eléctrica, con sistema de campo de colectores cilindro parabólicos, dentro de la tecnología de receptor central. 2. Se ha creado e implementado un modelo matemático de funcionamiento y operación de planta. El modelo ha sido validado a través de una planta real en funcionamiento de 50 MWe y almacenamiento de energía térmica mediante doble tanque de sales fundidas. 3. El estudio de campo así como la revisión bibliográfica llevada a cabo han permitido detectar las necesidades reales de funcionamiento de planta, así como aspectos tecno-económicos y de mercado eléctrico aún no abordados en la literatura existente. 4. Un sistema de almacenamiento térmico innovador denominado “HTF Buffering” se ha presentado. Este sistema se forma a través de la generación de un bucle de fluido térmico dentro del campo solar. El análisis presentado del coste nivelado de la energía, lo convierte en una alternativa viable a los sistemas tradicionales de almacenamiento tanto a nivel técnico como económico. De igual modo, el sistema propuesto ya se encuentra implementado en centrales actualmente en operación. 5. Se ha analizado la optimización de operación de una planta de 50 MWe con almacenamiento de energía térmica, dentro de un mercado eléctrico no regulado. La implementación del modelo desarrollado para este estudio, da como resultado un incremento de la generación neta de energía eléctrica y de los beneficios de venta brutos obtenidos, mayores de 5,45% y 5,17% respectivamente, respecto a la generación estándar por análisis algebraico directo. 6. Se ha realizado un estudio de viabilidad de implantación, de una central de 100 MWe con almacenamiento térmico mediante doble tanque de sales fundidas, en tres escenarios de recurso solar diferentes, baja, media y alta radiación normal directa. A través del modelo de optimización, se ha parametrizado el estudio para mercados eléctricos regulado y no regulado. Los resultados obtenidos muestran la configuración del campo solar y del sistema de almacenamiento de energía térmica que optimiza el funcionamiento y operación de la planta. Así mismo, proporcionan datos relevantes sobre la sostenibilidad económica de su implantación para cada uno de los escenarios y mercados eléctricos estudiados. Las conclusiones presentadas aportan respuestas a factores clave para los estudios de viabilidad, procesos de implantación y modo operación de plantas termosolares con tecnología de colectores cilindro-parabólicos. Los resultados obtenidos son aplicables con independencia de la capacidad de generación eléctrica de la planta. Posibilitan el ahorro de costes de pobre calidad en el proceso de implantación, mediante el ajuste preciso de su dimensionado y el estudio previo de los sistemas que más se ajusten a cada planta en particular y tipo de mercado eléctrico, como el sistema de almacenamiento de energía o el campo solar. Así mismo, permiten establecer un análisis preciso del modo de operación de planta, optimizándolo acorde al estado de las variables clave como disponibilidad de recurso solar, coberturas parciales o totales, capacidad de generación térmica, capacidad de almacenamiento de energía, demanda de energía eléctrica de la red y capacidad de producción de energía eléctrica.