Receptores solares de CO2 supercrítico para una nueva generación de plantas termosolares más eficientes y competitivas

Autor: Mª José Montes (Dpto. Ingeniería Energética, Universidad Nacional de Educación a Distancia)

Resumen: De acuerdo con IRENA [1], el coste nivelado de la energía (LCOE) en las plantas termosolares (STPPs) se ha reducido de 0.346 $ / kWhe a 0.182 $/ kWhe. Aunque es una reducción importante, este coste está todavía lejos del objetivo de 0.06 $ /kWhe que establece el programa SunShot, promovido por el Departamento de Energía (DOE) de EEUU [2]. Aumentar el rendimiento térmico de las centrales termosolares es una forma prometedora de hacer más competitivas este tipo de centrales. En esta línea, el uso de CO2 supercrítico (sCO2) es un elemento clave. Aunque existen diferentes formas de integrar el sCO2 en una central termosolar (en el ciclo de potencia, o como fluido de trabajo en el almacenamiento térmico o el receptor), este artículo se ha centrado en una revisión de distintos prototipos de receptores solares usando sCO2.

Abstract: According to IRENA [1], the levelized Cost of Energy (LCOE) in Solar Thermal Power Plants (STPPs) has reduced from $ 0.346 / kWhe to $ 0.182 / kWhe. Although it is an important reduction, this LCOE is still far away from the goal of $ 0.06 / kWhe established by the SunShot Initiative of the US Department of Energy (DOE) [2]. Increasing the global thermal performance of the STPPs is a promising approach to make CSP competitive. In this line, the use of sCO2 is a key element. Although there are different ways to integrate the sCO2 in a STPP (supercritical power cycles or sCO2 as working fluid in the thermal storage or the receiver), this work has focused on a review of the solar receiver prototypes employing sCO2.

La investigación sobre receptores solares de torre empleando sCO2 es relativamente reciente, con un interés creciente en los últimos años. Como trabajo previo interesante, cabe citar la revisión sobre diferentes estructuras de intercambiadores de calor compactos (Compact Heat Exchangers, CHEs), que podrían aplicarse a receptores solares presurizados [3].

Aunque no es lo habitual, uno de los primeros diseños de receptor supercrítico se basaba en el concepto de receptor externo tubular [4]. En este caso, aunque el diseño estaba inicialmente pensado para aire presurizado (5-7 bar y 800 ºC), también se estudió la posibilidad de adaptarlo a sCO2 trabajando a
200 bar y 700 ºC. Sin embargo, en este estudio no se profundizó excesivamente sobre el grosor de tubo necesario para aguantar las altas presiones, ni las prestaciones térmicas de este tipo de receptores, que no son muy elevadas para un receptor externo trabajando a una temperatura tan alta.

Posteriormente, y ya dentro de la línea de usar estructuras compactas, se encuentra el diseño de receptor solar de cavidad de 3 MWth presentado en [5]. En este caso, las estructuras compactas utilizan aletas rectas rectangulares; al unir entre sí varias placas con aletas, se forman canales de sección cuadrangular, por los que circularía el fluido supercrítico a elevada presión, en este caso, sCO2.

Otra solución interesante es la configuración propuesta en [6]. En este diseño, existe un fluido intermedio, que es aire presurizado, sobre el que incide la radiación solar concentrada directamente, ya que circula por una estructura porosa, provista de un cristal de cuarzo en su apertura, como los receptores volumétricos presurizados. La diferencia con este tipo de receptores radica en que, en este caso, el aire es un fluido de transferencia de calor intermedio, que cede el calor al sCO2 que circula por unos conductos embebidos en la propia estructura porosa.

Por último, cabe citar un trabajo muy interesante y relativamente reciente [7], llevado a cabo por el NREL (National Renewable Energy Laboratory). En este trabajo se presentan dos conceptos diferentes de receptor central de sCO2. El primer de ellos consiste en un receptor de cavidad para un ciclo de potencia de 2 MWe; el segundo sería un receptor externo para una planta de 10 MWe. En ambos casos, el sCO2 circula por una estructura compacta que consiste en dos placas unidas con una estructura aleteada ondulada entra ambas placas. Estas placas actúan como paneles absorbedores de la radiación solar. La principal diferencia entre uno y otro diseño reside en cómo se disponen dichos paneles para formar un receptor de cavidad, en el primer caso, y un receptor cilíndrico externo, en el segundo caso. Las pérdidas por radiación serían muy altas en este último caso, por lo que se ha diseño una trampa de radiación, que consiste básicamente en pequeños cilindros transparentes adosados perpendicularmente a la superficie exterior. Esta configuración reduce las pérdidas por radiación y convección, lo que permite que el rendimiento térmico del receptor sea alto (alrededor del 80%), aunque las temperaturas de trabajo sean también elevadas (750 ºC aproximadamente). Para ambos diseños, el trabajo concluye que se puede alcanzar el objetivo de 0.06 $ /kWhe que establece el programa SunShot.

Dentro del programa ACES2030-CM, se está trabajando en el desarrollo de un diseño de receptor supercrítico para sCO2, que permita trabajar a elevadas presiones (del orden de 200 bar) y que presente unas adecuadas prestaciones térmicas, con una buena trasferencia de calor a la fase supercrítica, y unas pérdidas por convección y radiación moderadas, a pesar de las elevadas temperaturas de operación (en el rango de 700 ºC).

Referencias

[1] IRENA, Renewable power generation costs in 2019, Tech. Rep., International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, 2020, p. 144.

[2] US Department of Energy, SunShot Vision Study. Chap. 5. Feb. 2012, p. 115.

[3] Li, Q., Flamant, G., Yuan, X., Neveu, P., Luo, L., 2011. Compact heat exchangers: A review and future applications for a new generation of high temperature solar receivers. Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, 4855–4875. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.07.066

[4] Ho, C.K., Iverson, B.D., 2014. Review of high-temperature central receiver designs for concentrating solar power. Renewable and Sustainable Energy Reviews 29, 835–846. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.08.099

[5] Besarati, S.M., Yogi Goswami, D., Stefanakos, E.K., 2015. Development of a Solar Receiver Based on Compact Heat Exchanger Technology for Supercritical Carbon Dioxide Power Cycles. Journal of Solar Energy Engineering 137, 031018. https://doi.org/10.1115/1.4029861

[6] Teng, L., Xuan, Y., 2019. A Novel Solar Receiver for Supercritical CO2 Brayton Cycle. Energy Procedia 158, 339–344. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.01.099

[7] Sullivan, S.D., Kesseli, J., Nash, J., Farias, J., Kesseli, D., Caruso, W., 2016. High-Efficiency Low-Cost Solar Receiver for Use Ina a Supercritical CO2 Recompression Cycle (No. DOE-BRAYTON–0005799, 1333813). https://doi.org/10.2172/1333813

Contacto

María José Montes, Investigadora principal del grupo UNED-STEM en ACES2030-CM – mjmontes@ind.uned.es

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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