{"id":134885,"date":"2021-07-05T09:40:26","date_gmt":"2021-07-05T08:40:26","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=134885"},"modified":"2021-07-05T09:40:26","modified_gmt":"2021-07-05T08:40:26","slug":"receptores-solares-de-co2-supercritico-para-una-nueva-generacion-de-plantas-termosolares-mas-eficientes-y-competitivas","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2021\/07\/05\/134885","title":{"rendered":"Receptores solares de CO2 supercr\u00edtico para una nueva generaci\u00f3n de plantas termosolares m\u00e1s eficientes y competitivas"},"content":{"rendered":"

Autor:\u00a0M\u00aa Jos\u00e9 Montes (Dpto. Ingenier\u00eda Energ\u00e9tica, Universidad Nacional de Educaci\u00f3n a Distancia)<\/strong><\/p>\n

Resumen:<\/strong> De acuerdo con IRENA [1], el coste nivelado de la energ\u00eda (LCOE) en las plantas termosolares (STPPs) se ha reducido de 0.346 $ \/ kWhe<\/sub> a 0.182 $\/ kWhe<\/sub>. Aunque es una reducci\u00f3n importante, este coste est\u00e1 todav\u00eda lejos del objetivo de 0.06 $ \/kWhe<\/sub> que establece el programa SunShot<\/em>, promovido por el Departamento de Energ\u00eda (DOE) de EEUU [2]. Aumentar el rendimiento t\u00e9rmico de las centrales termosolares es una forma prometedora de hacer m\u00e1s competitivas este tipo de centrales. En esta l\u00ednea, el uso de CO2<\/sub> supercr\u00edtico (sCO2<\/sub>) es un elemento clave. Aunque existen diferentes formas de integrar el sCO2<\/sub> en una central termosolar (en el ciclo de potencia, o como fluido de trabajo en el almacenamiento t\u00e9rmico o el receptor), este art\u00edculo se ha centrado en una revisi\u00f3n de distintos prototipos de receptores solares usando sCO2<\/sub>.<\/span><\/p>\n

Abstract:\u00a0<\/strong>According to IRENA [1], the levelized Cost of Energy (LCOE) in Solar Thermal Power Plants (STPPs) has reduced from $ 0.346 \/ kWhe<\/sub> to $ 0.182 \/ kWhe<\/sub>. Although it is an important reduction, this LCOE is still far away from the goal of $ 0.06 \/ kWhe<\/sub> 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<\/sub> is a key element. Although there are different ways to integrate the sCO2<\/sub> in a STPP (supercritical power cycles or sCO2<\/sub> as working fluid in the thermal storage or the receiver), this work has focused on a review of the solar receiver prototypes employing sCO2<\/sub>.<\/span><\/p>\n

La investigaci\u00f3n sobre receptores solares de torre empleando sCO2<\/sub> es relativamente reciente, con un inter\u00e9s creciente en los \u00faltimos a\u00f1os. Como trabajo previo interesante, cabe citar la revisi\u00f3n sobre diferentes estructuras de intercambiadores de calor compactos (Compact Heat Exchangers, CHEs), que podr\u00edan aplicarse a receptores solares presurizados [3].<\/span><\/p>\n

Aunque no es lo habitual, uno de los primeros dise\u00f1os de receptor supercr\u00edtico se basaba en el concepto de receptor externo tubular [4]. En este caso, aunque el dise\u00f1o estaba inicialmente pensado para aire presurizado (5-7 bar y 800 \u00baC), tambi\u00e9n se estudi\u00f3 la posibilidad de adaptarlo a sCO2<\/sub> trabajando a <\/span>
\n 200 bar y 700 \u00baC. Sin embargo, en este estudio no se profundiz\u00f3 excesivamente sobre el grosor de tubo necesario para aguantar las altas presiones, ni las prestaciones t\u00e9rmicas de este tipo de receptores, que no son muy elevadas para un receptor externo trabajando a una temperatura tan alta.<\/span><\/p>\n

Posteriormente, y ya dentro de la l\u00ednea de usar estructuras compactas, se encuentra el dise\u00f1o de receptor solar de cavidad de 3 MWth<\/sub> presentado en [5]. En este caso, las estructuras compactas utilizan aletas rectas rectangulares; al unir entre s\u00ed varias placas con aletas, se forman canales de secci\u00f3n cuadrangular, por los que circular\u00eda el fluido supercr\u00edtico a elevada presi\u00f3n, en este caso, sCO2<\/sub>.<\/span><\/p>\n

Otra soluci\u00f3n interesante es la configuraci\u00f3n propuesta en [6]. En este dise\u00f1o, existe un fluido intermedio, que es aire presurizado, sobre el que incide la radiaci\u00f3n solar concentrada directamente, ya que circula por una estructura porosa, provista de un cristal de cuarzo en su apertura, como los receptores volum\u00e9tricos 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<\/sub> que circula por unos conductos embebidos en la propia estructura porosa.<\/span><\/p>\n

Por \u00faltimo, cabe citar un trabajo muy interesante y relativamente reciente [7], llevado a cabo por el NREL (National Renewable Energy Laboratory<\/em>). En este trabajo se presentan dos conceptos diferentes de receptor central de sCO2<\/sub>. El primer de ellos consiste en un receptor de cavidad para un ciclo de potencia de 2 MWe<\/sub>; el segundo ser\u00eda un receptor externo para una planta de 10 MWe<\/sub>. En ambos casos, el sCO2<\/sub> circula por una estructura compacta que consiste en dos placas unidas con una estructura aleteada ondulada entra ambas placas. Estas placas act\u00faan como paneles absorbedores de la radiaci\u00f3n solar. La principal diferencia entre uno y otro dise\u00f1o reside en c\u00f3mo se disponen dichos paneles para formar un receptor de cavidad, en el primer caso, y un receptor cil\u00edndrico externo, en el segundo caso. Las p\u00e9rdidas por radiaci\u00f3n ser\u00edan muy altas en este \u00faltimo caso, por lo que se ha dise\u00f1o una trampa de radiaci\u00f3n, que consiste b\u00e1sicamente en peque\u00f1os cilindros transparentes adosados perpendicularmente a la superficie exterior. Esta configuraci\u00f3n reduce las p\u00e9rdidas por radiaci\u00f3n y convecci\u00f3n, lo que permite que el rendimiento t\u00e9rmico del receptor sea alto (alrededor del 80%), aunque las temperaturas de trabajo sean tambi\u00e9n elevadas (750 \u00baC aproximadamente). Para ambos dise\u00f1os, el trabajo concluye que se puede alcanzar el objetivo de 0.06 $ \/kWhe<\/sub> que establece el programa SunShot<\/em>.<\/span><\/p>\n

Dentro del programa ACES2030-CM, se est\u00e1 trabajando en el desarrollo de un dise\u00f1o de receptor supercr\u00edtico para sCO2<\/sub>, que permita trabajar a elevadas presiones (del orden de 200 bar) y que presente unas adecuadas prestaciones t\u00e9rmicas, con una buena trasferencia de calor a la fase supercr\u00edtica, y unas p\u00e9rdidas por convecci\u00f3n y radiaci\u00f3n moderadas, a pesar de las elevadas temperaturas de operaci\u00f3n (en el rango de 700 \u00baC).<\/span><\/p>\n

Referencias<\/strong><\/p>\n

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

[2] US Department of Energy, SunShot Vision Study. Chap. 5. Feb. 2012, p. 115.<\/p>\n

[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\u20134875. https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.rser.2011.07.066<\/a><\/p>\n

[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\u2013846. https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.rser.2013.08.099<\/a><\/p>\n

[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<\/a><\/p>\n

[6] Teng, L., Xuan, Y., 2019. A Novel Solar Receiver for Supercritical CO2 Brayton Cycle. Energy Procedia 158, 339\u2013344. https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.egypro.2019.01.099<\/a><\/p>\n

[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<\/a><\/p>\n

Contacto<\/strong><\/p>\n

Mar\u00eda Jos\u00e9 Montes, Investigadora principal del grupo UNED-STEM en ACES2030-CM \u2013 mjmontes@ind.uned.es<\/a><\/p>\n

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero \u00c1lvarez. IMDEA Energ\u00eda<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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