Thermodynamic optimisation of thermosolar hybrid Brayton cycle plants

Résumé

La actual intensificación antropogénica del cambio climático junto con el agotamiento de los combustibles fósiles han impuesto un nuevo paradigma energético en el que destaca la necesidad de generar más potencia eléctrica, pero a partir de fuentes de energía más limpias y que reduzcan las emisiones contaminantes asociadas. La energía solar de concentración (Concentrated Solar Power, CSP), que emplea la radiación solar como principal fuente de energía, es una de las opciones más interesantes entre las diferentes energías renovables. En los sistemas que emplean esta tecnología, se concentra la radiación solar normal para obtener energía térmica a altas temperaturas y, a continuación, esta energía se transforma en energía eléctrica mediante un ciclo termodinámico y un generador eléctrico. De este modo, la energía termosolar de concentración permite producir energía de forma fiable, estable, segura, eficiente y limpia puesto que reduce, o incluso elimina por completo, las emisiones contaminantes de efecto invernadero asociadas con los combustibles convencionales y los problemas derivados de ellas. Una de las principales ventajas de los sistemas de energía termosolar de concentración radica en su potencial para ser hibridados con otras fuentes de energía y para almacenar energía solar en forma de calor, de modo que se pueda producir energía eléctrica cuando se desee y que se complete y rectifique el aporte de calor solar, que es intrínsecamente variable. Esta tesis doctoral está dedicada a estudiar una planta de concentración termosolar (CSP) desde el punto de vista termodinámico; en concreto, una planta solar de torre central (Solar Power Tower, SPT) acoplada a un ciclo Brayton híbrido. La planta en estudio está formada por un campo de heliostatos que apuntan hacia un receptor solar, donde se absorbe la radiación solar. A continuación, se intercambia este calor solar concentrado con un fluido de trabajo que lo absorbe y desarrolla un ciclo Brayton. El objetivo de la planta es funcionar como planta de generación de carga base (baseload), es decir, producir y entregar a la red eléctrica una potencia neta constante e independiente de la radiación solar. Para ello, se hibrida la turbina de gas en serie con una cámara de combustión, lo cual asegura una temperatura de entrada a la turbina constante y, como consecuencia, una potencia de salida constante. Si el aporte de calor solar no es suficiente para alcanzar la temperatura de entrada a la turbina impuesta, entonces la cámara de combustión quema gas natural completando y rectificando así la entrada de calor solar. Respecto al estado de la cuestión, existe una escasez significativa de estudios que se centren en integrar todos los subsistemas y en analizar sus inter-relaciones y cómo afectan estas a la planta global. Por consiguiente, los objetivos de la tesis comprenden el desarrollo de un modelo teórico y su implementación en un código propio para realizar simulaciones, tanto en el punto de diseño como dinámicas, que puedan ofrecer información valiosa sobre las pérdidas de energía y sobre las configuraciones que traen consigo mejores registros de salida. En esta tesis doctoral se analizan dos tipos de sistemas diferentes teniendo en cuenta el tamaño de la planta y la simetría del campo de heliostatos. Primero se evalúa una planta similar a SOLUGAS con una potencia de alredor de 5 MW y un campo polar. En segundo lugar, se examina una planta más grande, de aproximadamente 20 MW, y con un campo circundante. En este caso, para el dimensionamiento de los parámetros se emplea la planta GEMASOLAR, aunque se simula un ciclo Brayton en vez del ciclo Rankine propio de GEMA- SOLAR. Asimismo, otro objetivo de este estudio es la comparación de dos unidades de potencia diferentes (turbina de gas y turbina de vapor), pero con potencias similares, y con dimensiones del subsistema solar también similares. Por otro lado, se validan las predicciones del modelo mediante varios paquetes de software comerciales y utilizando datos de la literatura. Además de esta validación, también se realizan una comparación y una simple contextualización de las variables de salida de los modelos de los diferentes subsistemas. En el código se implementan datos meteorológicos reales de la localización específica, tales como irradiancia solar directa normal (Direct Normal Irradiance, DNI) y temperatura ambiente. Asimismo, en el subsistema solar se tienen en cuenta otros parámetros de entrada como la altura de la torre, el tamaño del receptor, la reflectividad de los heliostatos o el área de los espejos. Los principales parámetros de la máquina térmica incluidos para la modelización de la planta son la relación de presiones, la temperatura de entrada a la turbina, el flujo de masa del fluido de trabajo, las eficiencias de la turbina y el compresor y las caídas de presión asociadas con la cesión y absorción de calor. De entre los parámetros de salida analizados, varios están relacionados con diferentes eficiencias: eficiencia térmica global, eficiencia óptica del campo de heliostatos, eficiencia del subsistema solar y eficiencia de la máquina térmica. Igualmente, se calculan todas las tempera- turas y todos los flujos de calor del ciclo. Al mismo tiempo, se estudian otras variables como la fracción solar o solar share, la potencia de salida, el consumo específico de combustible y las emisiones de efecto invernadero correspondientes. Desde la perspectiva termo-económica, se evalúan la energía neta, el Coste Normalizado de la Electricidad (Levelised Cost of Electricity, LCoE) y sus componentes. Con el objetivo de analizar el comportamiento de diferentes fluidos de trabajo, se simula un ciclo cerrado mediante intercambiadores de calor. Así, se estudian aire seco, nitrógeno, dióxido de carbono y helio. También se examina la influencia del número de etapas de compresión y expansión. Por otro lado, se lleva a cabo un proceso de pre-optimización buscando configuraciones óptimas para la relación de presiones que impliquen mejores valores de las variables de salida. Las simulaciones diarias confirman que se ha cumplido el objetivo de generar una potencia de salida estable. Por otro lado, el comportamiento estacional se traslada directamente a la anchura y a la altura de las curvas de evolución diaria de variables de salida tales como eficiencias y temperaturas. Una conclusión clave de las simulaciones anuales fuera de diseño es que, entre todos los subsistemas, la máquina térmica se asocia potencialmente con la mejora más significativa de los registros de salida analizados. Asimismo, se investiga la influencia del recuperador en el esquema de la planta y se ha demostrado que su presencia es positiva tanto desde el punto de vista termodinámico como termo-económico. Igualmente, también se varía la localización de la planta para evaluar su efecto en las variables del modelo. Finalmente, los análisis de sensibilidad llevados a cabo permiten demostrar que, respecto de la relación de presiones, el Coste Normalizado de la Electricidad presenta todavía potencial para su reducción. Aparte de estos resultados concretos, la tesis doctoral revela la importancia de diseñar como un todo los sistemas solares de torre central acoplados a una turbina de gas híbrida, teniendo en cuenta la interacción entre los diferentes subsistemas. Por tanto, esta tesis doctoral puede ser útil en una etapa inicial de diseño de futuros sistemas solares de concentración de torre central que realicen ciclos Brayton híbridos.