Primeros avances en el diseño de receptores solares de torre con fluidos supercríticos

[Autora: María Isabel Roldán Serrano. CIEMAT-Plataforma Solar de Almería]

            En las tecnologías de concentración solar térmica, la selección apropiada del fluido de transferencia de calor permite incrementar tanto la eficiencia del receptor como la eficiencia global de la instalación. El empleo de fluidos innovadores en el receptor solar puede aumentar su coste debido a que debe soportar condiciones de trabajo más exigentes; sin embargo, la mejora de la eficiencia tanto del receptor como del ciclo de potencia permite disminuir el coste de la electricidad producida.

            Para un receptor tubular de torre, la radiación solar concentrada es transferida desde las paredes del tubo hasta el fluido de transferencia de calor, el cual pasa a través de un intercambiador de calor para generar el vapor que alimenta un ciclo Rankine. Por tanto, cuanto mayor sea la temperatura alzanzada por el fluido de trabajo, mejor será la eficiencia tanto del receptor como del ciclo [1]. Por otro lado, los fluidos de transferencia de calor empleados en una planta termosolar comercial con tecnología de torre son principalmente sales fundidas y agua/vapor, cuyas propiedades limitan el rendimiento de la planta. Así, las sales fundidas presentan un límite de temperatura máximo de 600ºC, mientras que la generación directa de vapor implica un control complejo (flujo bifásico) y una capacidad limitada para el almacenamiento térmico [2].

            La búsqueda de fluidos innovadores que permitan alcanzar mayores temperaturas de trabajo ha llevado al desarrollo de nuevos diseños de receptores solares con CO2 supercrítico (s-CO2) basados en módulos tubulares capaces de soportar altas presiones internas del fluido supercrítico (alrededor de 20 MPa) y elevadas temperaturas (627 ºC) [3][4]. Estas condiciones de trabajo y la existencia de conexiones móviles en el circuito de la planta termosolar plantean retos técnicos cuando se emplea s-CO2 debido a la falta de compatibilidad de los materiales sellantes y a las posibles fugas del fluido. No obstante, dichos problemas pueden ser controlados mejor en la tecnología de torre, ya que el receptor solar es fijo [5].

Con el fin de integrar nuevos fluidos térmicos en plantas termosolares, el proyecto AlcConES, financiado por la Comunidad de Madrid, contempla como actividad el estudio de las condiciones de operación para el uso del s-CO2 en receptores solares de torre. En concreto, el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) está realizando un análisis de dichas condiciones de operación para un receptor tubular de torre que emplea este fluido supercrítico como medio de transferencia de calor. Para ello, se ha desarrollado un modelo de simulación, mediante la Fluidodinámica Computacional, aplicado a un diseño anterior creado para el uso de sales fundidas y validado con resultados experimentales obtenidos a partir de la puesta en marcha y ensayo del sistema. Dicho diseño consta de distintos grupos de tubos metálicos, dispuestos en tres paneles, por los que circula el fluido de trabajo [6] (Figura 1a).

A partir de la simulación de un único panel de tubos y considerando una condición de simetría (Figura 1b), se obtuvo la primera evaluación de las condiciones de operación para un caudal fijado y una temperatura de entrada de 442 ºC. Para mantener la condición supercrítica del fluido a la salida del primer panel (presión algo superior a la crítica), la presión a la entrada debería ser prácticamente de unos 10 MPa, alcanzándose los 630 ºC en el fluido. Este primer análisis permitió observar que la presión de operación necesaria para el s-CO2 es mucho mayor que la necesaria para las sales fundidas (alrededor de 0.6 MPa); sin embargo, dicha presión es alcanzable con equipos ya empleados experimentalmente en otras instalaciones termosolares [7]. Cuando se extiende el estudio a los tres paneles, la presión de entrada requerida para mantener la condición supercrítica del fluido es de unos 14 MPa.

 

Figura 1. Diseño inicial del receptor solar de torre para s-CO2: a) receptor tubular de tres paneles, b) dominio de simulación.

Por otro lado, la temperatura alcanzada en el primer panel (630ºC) ya supera la temperatura límite de trabajo para las sales fundidas (600ºC); lo que permitiría, tal y como se ha mencionado, un incremento en la eficiencia del ciclo de potencia. Por tanto, a partir de estos primeros resultados, el s-CO2 se plantea como una prometedora alternativa como fluido de transferencia de calor en receptores tubulares de torre; sin embargo, como futuro desarrollo es necesario adaptar el diseño del receptor a las condiciones específicas del fluido supercrítico, de forma que se pueda optimizar el sistema. Ésta es la dirección que está siguiendo el CIEMAT en el estudio del s-CO2 como fluido de trabajo en receptores solares de torre.

Fuentes:

  1. N. Boerema, G. Morrison, R. Taylor and G. Rosegarten, Sol. Energy 86, 2293-2305 (2012).
  2. Z. Ma and C.S. Turchi, Advanced Supercritical Carbon Dioxide Power Cycle Configurations for Use in Concentrating Solar Power Systems, Supercritical CO2 Power Cycle Symposium, NREL/CP-5500-50787 (2011).
  3. C.K. Ho and B.D. Iverson, Renew. Sust. Energ. Rev. 29, 835-846 (2014).
  4. S.M. Besarati, D.Y. Goswami and E.K. Stefanakos, J. Sol. Energ-T. ASME 137, 031018 1- 031018 8 (2015).
  5. K. Vignarooban, X. Xu, A. Arvay, K. Hsu and A.M. Kannan, Appl. Energ. 146, 383-396 (2015).
  6. M.I. Roldán and J. Fernández-Reche, CFD analysis of supercritical CO2 used as HTF in a solar tower receiver, SolarPACES Conference (2015).
  7. J. Muñoz-Anton, M. Biencinto, E. Zarza, L.E. Díez, Appl. Energ. 135, 373–381 (2014).

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