Thermo-economic assessment of supercritical CO2 power cycles for concentrated solar power plants
- Autores: Francesco Crespi
- Directores de la Tesis: David Tomás Sánchez Martínez (dir. tes.), Tomás Manuel Sánchez Lencero (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2020
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 224
- Tribunal Calificador de la Tesis: Antonio Muñoz Blanco (presid.), María de Lourdes García Rodríguez (secret.), Domingo Santana Santana (voc.), Julián Blanco Gálvez (voc.), Giacomo Gavagnin (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Energética, Química y Ambiental por la Universidad de Sevilla
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
Los sistemas de concentración solar basados en campos de heliostatos y receptor central (comúnmente denominados sistemas de torre) permiten alcanzar grandes relaciones de concentración, asociadas a elevadas temperaturas del fluido de trabajo empleado en el receptor. La utilización de este tipo de sistemas de concentración en combinación con ciclos de potencia basados en dióxido de carbono (CO2) en condiciones supercríticas es una forma realmente prometedora de maximizar la eficiencia total de una planta termosolar de concentración (solar-to-thermal-to-electricity), reduciendo al mismo tiempo su tamaño y el coste de la electricidad (Levelized Cost of Electricity).
A la vista de semejante interés, en los últimos quince años, se han publicado gran cantidad de artículos científicos sobre este tema, se han organizado varios congresos internacionales y se ha construido un número significativo de instalaciones experimentales en todo el mundo, hasta el punto de que el ciclo de potencia de sCO2, se considera hoy en día como una de las alternativas más interesantes para un producir potencia eléctrica a partir de un buen número de fuentes de energía, entre ellas la energía solar. No obstante, el rápido crecimiento del interés de la comunidad científica e industrial alrededor de los ciclos de sCO2 se ha basado inevitablemente en una búsqueda no estructurada de ciclos más eficientes y técnicamente viables, más allá de los propuestos originalmente por los precursores de la tecnología: Gianfranco Angelino y Edward Feher.
Observando este escenario, la presente tesis se centra en el análisis de los fundamentos termodinámicos del ciclo de potencia de CO2 supercrítico, con el objetivo de proporcionar una vía estructurada para el estudio de viabilidad termo-económica de este último aplicado a centrales termosolares de concentración. De este modo, se pretende responder a la pregunta de si la tecnología termosolar para producción de energía eléctrica puede llegar a ser competitiva con otras tecnologías convencionales a medio y largo plazo, en un mercado carente de subsidios e incentivos. Con estas consideraciones, este documento se estructura en cuatro secciones claramente definidas. En primer lugar, se realiza una revisión exhaustiva del estado del arte de la tecnología de ciclos de potencia de CO2 supercrítico, no solamente revisando la información disponible en la literatura científica sino, también, proponiendo una nueva categorización basada en las características termodinámicas intrínsecas de estos ciclos, con el objetivo de detectar su potencial real y descartar aquellos ciclos que no resultan de interés para la aplicación considerada. De esta revisión se obtiene una preselección de doce ciclos de potencia.
En segundo lugar, se presenta una comparación puramente termodinámica de los ciclos preseleccionados, tomando como parámetros de comparación (key performance indicators) el trabajo específico y los rendimientos energético y exergético en un rango significativamente amplio de temperatura y presión de operación. Después de esta primera comparación, los ciclos Matiant y Quasi-Combined quedan descartados de la lista anterior de doce ciclos debido a su pobre rendimiento en aplicaciones termosolares.
En la tercera sección se propone una comparación económica de los diez ciclos restantes integrados en una planta CSP, añadiendo una central basada en turbina de vapor representativa del actual estado del arte de la tecnología; para ello, se tienen en cuenta todos los equipos de este tipo de instalaciones. La comparación se realiza en entorno SAM (System AdvisorModel, desarrollado por el Laboratorio de Energías Renovables de Estados Unidos) si bien las simulaciones de los ciclos de sCO2 se realizan en entornoMatlab, empleando código de diseño para intercambiadores de calor de ciruito impreso (Printed Circuit Heat Exchangers), basado en trabajos ya existentes en la literatura. Además, se desarrolla un análisis de incertidumbre basado en la metodología de Montecarlo, a fin de tener en cuenta la incertidumbre introducida en el proceso de estimación de costes. Como resultado de esta comparación económica, los ciclos Partial Cooling, Allamy Transcritical CO2 se confirman como las opciones más interesantes.
Este último ciclo, no obstante, se descarta en el último paso del análisis, debido a que requiere unas condiciones ambientales poco realistas en localizaciones de plantas termosolares (es necesaria una temperatura ambiente muy baja para permitir el proceso de condensación del fluido de trabajo).
En la última parte del documento se estudia el funcionamiento de los ciclos Partial Cooling y Allam en condiciones fuera de diseño, con el objetivo de evaluar el coste de electricidad de una planta termosolar basada en esta tecnología. Para ello se presenta una nueva metodología de caracterización del comportamiento fuera de diseño de los intercambiadores, denominada Conductance Ratio Method, junto con un modelo de orden reducido basado en la identificación de Sub-espacios Activos, destinado a reducir drásticamente el coste computacional del código. El software comercial AxStream se emplea para crear mapas de funcionamiento de los compresores y bombas de los ciclos, mientras que la turbina se considera operando mediantepresión deslizante. Además, se consideran tres estrategias de control diferentes (por Inventory, By-pass y Temperatura de Entrada a Turbina) y se determina que una combinación entre las dos primeras opciones conduce al mejor rendimiento a carga parcial para ambos ciclos. La información obtenida se incorpora a SAM para obtener los valores de coste de electricidad de la planta.
El principal hallazgo de la presente tesis es que los ciclos de potencia sCO2 son capaces de proporcionar valores de coste de electricidad (Levelized Cost of Electricity comparables a los de las plantas termosolares basadas en turbina de vapor, o incluso ligeramente menores. Esta circunstancia, teniendo en cuenta del enfoque conservador empleado a lo largo del presente trabajo (especialmente en términos de estimaciones económicas), confirma que los ciclos de sCO2 son una alternativa interesante para mejorar la competitividad de las plantas CSP-STE a medio-largo plazo, si bien no parece que permitan reducciones drásticas del coste de electricidad como anuncian algunos autores.
Key words: Energía renovable, Energía termosolar de concentración, Dióxido de carbono supercrítico, Ciclo de potencia con sCO2
