Turbo-trigeneración solar de pequeño tamaño y temperatura media-baja

Autor: Andrés Sebastián, Grupo de Investigaciones Termoenergéticas, Universidad Politécnica de Madrid

Resumen

La reducción de costes supone un factor clave para la implementación a gran escala de la energía termosolar en el mix energético, tanto para producción de electricidad, como de calor industrial y de frío. Para ello, en los últimos años se ha optado por aumentar la potencia nominal de las plantas termosolares, para reducir los costes por economía de escala, y aumentar la temperatura del receptor de la radiación solar concentrada, para aumentar el rendimiento solar-a-electricidad. Aquí se presenta una alternativa de trigeneración solar a media-baja temperatura, de pequeño tamaño y basado en la idea de un grupo de turbosobrealimentación. De esta manera, se pretende idear una solución de bajo coste mediante una tecnología modular y de mayor simplicidad que permita acoplarse mejor a pequeñas y medianas industrias.

Abstract

Cost reduction is a key factor to enhance the market penetration of solar thermal energy in the energy mix, both for the power generation, and industrial heat and refrigeration. Increasing power plants size is one of the main solutions to reduce costs due to the economy of scale. In addition, increasing the maximum receiver temperature is also a key solution to increase the sun-to-electricity efficiency and, consequently, reduce costs. An alternative solution is presented here based in a small-scale low-to-medium temperature solar trigeneration system, based on a turbocharger-like concept. Hence, this novel conception seeks the same cost reduction but with a modular and simpler technology, better suited to small and medium-sized industries.

Artículo de difusión

A pesar de no haber experimentado un crecimiento exponencial como la tecnología eólica o la solar fotovoltaica, se espera que la tecnología solar de concentración desempeñe un papel importante en las próximas décadas para aumentar la cuota de producción eléctrica renovable. Además, se prevé que la energía termosolar pueda contribuir también a la reducción de la dependencia de fuentes de energía de origen fósil para la producción de calor en sectores como el industrial, comercial e incluso residencial [1]. Para ello, uno de los principales retos al que se enfrenta esta tecnología es la reducción de costes para poder mejorar su competitividad.

Durante la última década, los costes de la termosolar han disminuido considerablemente con la instalación de grandes centrales de torre central, con potencias instaladas del orden de 100 MW. Adicionalmente, este tipo de centrales permiten obtener temperaturas máximas de hasta 565ºC en el receptor gracias al calentamiento directo de sales fundidas. Basándonos en las reflexiones del padre de la Termodinámica, Nicolás Léonard Sadi Carnot, una mayor temperatura del foco caliente nos permite aumentar el rendimiento del motor térmico que transforma dicho estado térmico en potencia mecánica y, posteriormente, en electricidad. Por ello, no cabe duda de que tanto aumentar dicha temperatura como optar por grandes instalaciones permitiría desarrollar una tecnología más eficiente que permita una mayor reducción de costes y, por tanto, una mayor competitividad. Sin embargo, este camino podría no ser el único prometedor para fomentar el uso de la energía termosolar de concentración con un bajo coste. La posibilidad de producir simultáneamente electricidad y calor útil para un determinado proceso (cogeneración) permite maximizar el aprovechamiento de este tipo de centrales y proporcionar “calor renovable” al consumidor. Si además de esta cogeneración permite producir frío, se trata de un sistema de trigeneración a partir exclusivamente de energía solar de concentración [2]. Esta opción permitiría cubrir la demanda energética, por ejemplo, de una industria sin emisiones directas de CO2.

Esta nueva posibilidad permitiría acoplar sistemas solares en emplazamientos cercanos a demandas energéticas industriales. Esto significa un gran cambio de escala y acudir a sistemas de pequeño tamaño, abandonando la gran escala de megavatios para adentrarse en la de kilovatios para acoplarse mejor a la demanda de pequeñas y medianas industrias. He aquí uno de los principales retos a los que enfrentarse, ya que los sistemas térmicos son grandes enemigos del pequeño tamaño puesto que las pérdidas relativas de calor se incrementan y el rendimiento de las turbomáquinas utilizadas se ve mermado. Esta reducción de escala también ha de ir ligada con una reducción de temperatura del foco caliente, ya que el rango de temperatura demandado en la mayoría de aplicaciones industriales es menor de 260ºC [3]. De esta manera, para garantizar que estos sistemas sean competitivos han de buscar una reducción de costes por una vía alternativa a la anteriormente presentada.

Estos pequeños sistemas modulares de trigeneración de baja-media temperatura han de contar con un campo solar con un diseño simple y materiales de bajo coste. Una de las posibilidades que se barajan es el empleo de colectores lineales Fresnel gracias a su menor complejidad y su menor rango de temperaturas-concentración. Configuraciones novedosas como el SunDial (o “Reloj de Sol”), consistente en un campo rotatorio de tipo Fresnel con espejos planos ligeramente curvados mediante plegado [4], pueden encajar muy bien en este tipo de aplicaciones de baja potencia.

Una vez obtenida la temperatura de foco caliente necesaria, el quid de la cuestión es el sistema termoenergético empleado para poder proveer una pequeña instalación de trigeneración, modular y sencilla. Es aquí donde encaja la propuesta de turbo-trigeneración solar [5], basada en el concepto de los grupos de turbosobrealimentación de aire, generalmente conocidos por ser empleados en motores de combustión interna alternativos. Este turbo-grupo consiste en un turbocompresor centrífugo y una turbina centrípeta acoplados en un mismo eje. El sistema propuesto parte de esta idea y puede verse representado un esquema del ciclo de funcionamiento en la Figura 1. Se trata de un ciclo orgánico Rankine (ORC) para producir potencia gracias al estado térmico obtenido en el colector turbinando un fluido orgánico, combinado con una bomba de calor (HP), que utiliza el mismo fluido, accionada por el turbocompresor. Así, existe una línea de condensación común que une ambos sub-ciclos, configurando un sistema que utiliza un único fluido de funcionamiento. La producción de calor útil para un determinado proceso se obtiene gracias al empleo de un intercambiador de calor a la salida del proceso de expansión de la turbina, que podría también recuperarse para mejorar el rendimiento del ciclo de potencia. Por otro lado, la obtención de frío se consigue en el lado de la bomba de calor como consecuencia de la evaporación del fluido refrigerante a su paso. Así, el sistema permite una gran flexibilidad ya que la producción de calor y frío están desacopladas.

Una de las grandes ventajas que proporciona este sistema es su compacidad, gracias al empleo de fluidos orgánicos presurizados (a temperaturas cercanas a la ambiental) y al empleo de turbomáquinas de muy pequeño tamaño y alto régimen de giro, conocidas como micro-turbomáquinas [6]. Los principales retos que presenta esta prometedora tecnología son: (i) el diseño ad-hoc de estas pequeñas máquinas térmicas, (ii) el empleo de motores-generadores eléctricos de alta velocidad y (iii) la implementación de estrategias de operación óptimas del sistema termoenergético. Todas estas actuaciones, aunadas con la concepción de un sistema modular de pequeño tamaño, que podría estar incluso embarcado en la plataforma solar, hacen de esta tecnología una prometedora solución para reducir la emisión de CO2 en la demanda energética, especialmente del sector industrial.

Figura 1: Esquema del sistema de micro-trigeneración combinando un sistema ORC-HP aplicando para un colector Fresnel rotatorio [5]

Referencias

[1] S. Hisan Farjanaa, N. Hudaa, M.A. Parvez Mahmuda and R. Saidurbc, Solar process heat in industrial systems – A global review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 Part 3, 2270-2286, 2018.

[2] F. A. Al-Sulaiman, F. Hamdullahpur and I. Dincer, Trigeneration: A comprehensive review based on prime movers, International Journal of Energy Research 35 (3) 233–258, 2021.

[3] P. Kurup and C. Turchi, Initial investigation into the potential of CSP industrial process heat for the southwest united states, Tech. rep., National Renewable Energy Lab. (NREL), Golden, CO, 2015.

[4] J. Muñoz-Antón, J.M. Martínez-Val, L. F. González-Portillo, J. Cano and J. San Millán, Experimental facility for a new thermal-solar field configuration: The rotatory Fresnel collector or SunDial, AIP Conference Proceedings 2126, 060007 (2019).

[5] A. Sebastián, R. Abbas, M. Valdés and A. Rovira. Modular micro-trigeneration system for a novel rotatory solar Fresnel collector: A design space analysis. Energy Conversion and Management, 227, 13599, 2021

[6] A. Sebastián, R. Abbas and M. Valdés. Analytical prediction of Reynolds-number effects on miniaturized centrifugal compressors under off-design conditions. Energy, 227, 120477, 2021.

Contacto

Andrés Sebastián, Investigador del grupo UPM-GIT del Programa ACES2030-CM – andres.sebastian@upm.es

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía.

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