Diseño de Receptores de Torre Central para el Proyecto Integración Avanzada de Ciclos Combinados en Centrales Termosolares (AvanCCSol)

Autores: Rubén Barbero y Guillermo Ortega (UNED)

Resumen: España es el país con la mayor potencia de concentración solar (CSP) instalada y, aunque en los últimos años se detuvo su crecimiento, debido a la moratoria de las Energías Renovables de 2012, se espera que la nueva hoja de ruta planteada por la UE para convertir al territorio en neutro en carbono [1] provoque un relanzamiento de la instalación de plantas CSP. De hecho, el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 [2] plantea como escenario objetivo la introducción de 5 GW hasta 2030. En paralelo se plantea un aumento importante del número de plantas fotovoltaicas y de generación eólica, lo que implicará la necesidad de introducir plantas de energía renovable capaces de adaptarse a la demanda no cubierta por estas últimas y con costes nivelados de la electricidad (LCOE) reducidos. En este sentido el proyecto Integración Avanzada de Ciclos Combinados en Centrales Termosolares (AvanCCSol) plantea el estudio y desarrollo de cuatro tecnologías solares con sus correspondientes cuatro ciclos termodinámicos avanzados.

Abstract: Spain is currently the country with the largest installed concentrated solar power (CSP) and, although its growth has stopped in recent years due to the moratorium on Renewable Energies in 2012, it is expected that the new roadmap proposed by the EU to convert the territory into carbon neutral [1] makes that the installation of CSP plants is launched again. In fact, the National Integrated Energy and Climate Plan 2021-2030 [2] proposes the introduction of 5 GW by 2030 as a target scenario. In parallel, a significant increase of photovoltaic and wind generation plants is proposed, which will imply the need to introduce renewable energy plants with increased dispatchablity and reduced Levelized Costs of Electricity (LCOE). Aligned with this framework, the Advanced Integration of Combined Cycles in Solar Thermal Power Plants (AvanCCSol) project plans the design and study of four solar technologies with their corresponding four advanced thermodynamic cycles.

El proyecto AvanCCSol busca el avance global tanto en plantas CSP como en plantas híbridas, introduciendo sinergias que conduzcan a mayores eficiencias y un menor LCOE. Además, se incluyen nuevos procedimientos para la gestión de la energía con el fin de mejorar su factor de capacidad y su rentabilidad. Se ha planteado el desarrollo de 4 tecnologías solares con sus 4 ciclos termodinámicos avanzados, constituyendo plantas híbridas con un gran aporte solar y una gestión eficaz de las fuentes.

El proyecto AvanCCSol dedica una parte importante de los recursos al desarrollo de los colectores solares que formarían parte de dichas plantas. En concreto, uno de ellos consiste en un receptor de torre central (CTR) trabajando hasta las temperaturas de los diseños comerciales (565 ºC) y otro operando a temperaturas superiores (700 ºC), en línea con el programa Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap [3], en el que se han identificado los receptores de torre central como la tecnología que logrará una reducción importante de los costes de generación debido al aumento de la temperatura de trabajo. Existen tres líneas de trabajo dentro de dicho programa, en función del estado del fluido transferencia: gas, líquido o sólido; asignando probabilidades de éxito similares para todas ellas, aunque con una ligera ventaja para el caso de receptores de partículas. En este proyecto se trabaja sobre dos de ellas:

• Receptores con fluido de transferencia líquido: sales fundidas para temperaturas comerciales o incluso superiores (hasta 700 ºC), o metales líquidos, hasta temperaturas próximas a los 1000ºC.
• Receptores con partículas para temperaturas de trabajo en el entorno de los 1000 ºC.

Por supuesto, el diseño de estos nuevos colectores requerirá el desarrollo de componentes específicos donde actualmente no existen soluciones industriales. En este ámbito, el proyecto tratará de contribuir a superar algunas de las barreras existentes hoy en día.

Esta entrada, en particular, se centra en el diseño de receptores centrales abiertos para trabajar a temperaturas comerciales (565 ºC) y hasta 700 ºC, para lo que se plantea el uso de sales y/o metales fundidos. Para ello se ha desarrollado una metodología de optimización del diseño de receptor basada en el uso combinado de dos herramientas desarrolladas dentro del grupo:

• Una orientada al diseño óptico del campo de heliostatos, que permite el cálculo la potencia concentrada en el receptor por unidad de área y la optimización de dicho campo, así como su apuntamiento [4-5].
• Otra orientada al cálculo del rendimiento térmico en receptores solares basada en el modelo desarrollado en [6].

En una primera etapa se ha establecido una estrategia de apuntamiento que permitirá el análisis paramétrico de los distintos diseños con un apuntamiento óptico, de manera óptima, para cada instante de operación. A partir de ahí se analizarán parámetros como la altura y diámetro del receptor, el diámetro de los tubos o el circuito de circulación del fluido, entre otros.

Para ello se ha probado con aproximaciones a distribuciones normales con distintas desviaciones (σ), tal y como se puede observar en la Figura 1.

Figura 1. Distribuciones de potencia en receptor para distintas estrategias de apuntamiento

Estos diseños tendrán una serie de restricciones en su operación que han sido implementadas en el modelo de cálculo de rendimiento térmico:

• Tensiones térmicas debido al gradiente de temperaturas circunferencial y radial.
• Corrosión en la superficie interior de los tubos. Ambos basados en el método expuesto en [7].
• Pérdida de carga y estabilidad del flujo en el interior de los tubos.

En la Figura 2 se muestran parte de resultados obtenidos. Se puede observar que el rendimiento térmico aumenta según se uniformiza la distribución. Este efecto se incrementa para bajas irradiaciones solares (DNI). Por otro lado, para distribuciones más uniformes, pueden aumentar los errores de apuntamiento, con lo que habrá una distribución de la concentración óptima.

Figura 2. Rendimiento térmico del receptor en función de la DNI y para distintas estrategias de apuntamiento

Estos resultados y otros, obtenidos en esta primera fase, serán presentados en el próximo XII Congreso Nacional y III Internacional de Ingeniería Termodinámica. Esta metodología permitirá el replanteamiento de los diseños comerciales actuales y el diseño óptimo a temperaturas superiores.   

Agradecimientos

Este trabajo ha sido apoyado por el Ministerio de Economía y Competitividad de España a través del proyecto PID2019-110283RB-C31; y ha sido realizado dentro del Proyecto ACES2030-CM, financiado por el programa  regional de investigación y desarrollo en tecnología 2018 de la Comunidad de Madrid (ref. P2018/EMT-4319)

Referencias

[1] Comunicación de la Comisión, COM/2018/773 final, “Un planeta limpio para todos. La visión estratégica europea a largo plazo de una economía próspera, moderna, competitiva y climáticamente neutra”

[2] Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC) 2021-2030, MITECO (2020).

[3] M. Mehos, C. Turchi, J. Vidal et al., 2017. Concentrating Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap (No. NREL/TP–5500-67464, 1338899).

[4] G. Ortega, A. Rovira, A new method for the selection of candidates for shading and blocking in central receiver systems, Renew. Energy 152 (2020) 961-973.

[5] G. Ortega, A. Rovira, Proposal and analysis of different methodologies for the shading and blocking efficiency in central receivers systems, Sol. Energy 144 (2017) 475-488.

[6]  R Barbero, A. Rovira, M. J. Montes, J. M. Martínez Val, (2016). A new approach for the prediction of thermal efficiency in solar receivers. Energy Conversion and Management

[7]  Alberto Sánchez-González, María Reyes Rodríguez-Sánchez, Domingo Santana (2019). Allowable solar flux densities for molten-salt receivers: Input to the aiming strategy. Results in Engineering.

Contacto

Rubén Barbero, Investigador del grupo UNED-STEM en ACES2030-CM – rbarbero@ind.uned.es

Guillermo Ortega, Investigador del grupo UNED-STEM en ACES2030-CM – guillermo@didp.uhu.es

Antonio Rovira, Catedrático UNED. Coordinador AvanCCSol  – rovira@ind.uned.es