Equation Chapter 1 Section 1

Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales

Estado del arte del acoplamiento de la energía solar térmica en ciclos combinados de potencia.

Dep. Ingeniería Energética Grupo Termotecnia

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Autor: Teresa González González

Tutor: Francisco Javier Pino Lucena

Sevilla, 2018

III

Proyecto Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales

Estado del arte del acoplamiento de la energía solar

térmica en ciclos combinados de potencia.

Autor:

Teresa González González

Tutor:

Francisco Javier Pino Lucena

Dep. Ingeniería Energética

Grupo Termotecnia

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla Sevilla, 2018

V

Proyecto Fin de Grado: Estado del arte del acoplamiento de la energía solar térmica en ciclos combinados de potencia.

Autor: Teresa González González

Tutor: Francisco Javier Pino Lucena

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2018

El Secretario del Tribunal

VII

A mis padres

A mi hermano

A mi familia

A mis amigos

IX

Agradecimientos

En primer lugar, darle mi más sentido agradecimiento a Francisco Javier por haberme dado la oportunidad de realizar el Trabajo Fin de Grado con él. Gracias por tu paciencia, atención y tiempo empleado en la realización del mismo.

Muchas gracias a mis padres. A ti papá, por tu constante ayuda, dedicación y esfuerzo para que llegase hasta aquí, jamás podré agradecértelo lo suficiente. A ti mamá, mi ejemplo a seguir, tus palabras de apoyo siempre están en los momentos que más necesito, ojalá llegue a ser la mitad de fantástica que lo eres tú. Os quiero con todo mi corazón.

A mi hermano, un pequeño terremoto con ganas de comerse el mundo, gracias por tu confianza ciega en mí, por tus consejos y por enseñarme que el amor incondicional existe.

Gracias a mi increíble familia, en especial a mis tías Ángeles y Ana por ser mis segundas madres, os quiero. A mis abuelos, mis tíos y primos por ayudarme a ser más feliz cada día.

Por último, muchas gracias a mis compañeros de vida, mis amigos. A mis hermanas desde la infancia, que son mi mayor tesoro. A los de siempre de Almendralejo, que están en las duras y en las maduras. A los que han llegado a mi vida en esta nueva etapa y me han acogido como familia.

Teresa González González

Sevilla, 2018

Resumen

El presente Trabajo Fin de Grado trata sobre un estudio de investigación del estado del arte de la implantación de la energía solar térmica en plantas de ciclo combinado. Se ha comenzado analizando el agotamiento gradual de los recursos energéticos fósiles, el cual se está intentando solventar mediante fuentes energéticas renovables. El recurso más interesante en este proyecto es la energía solar, utilizada en centrales termosolares. Su integración en plantas de ciclo combinado es la tecnología más desarrollada en cuanto a la hibridación de las fuentes convencionales con renovables para la generación de electricidad.

La hibridación de energía solar en plantas de ciclo combinado (ISCC), dependiendo del modo de operación de la planta, produce un ahorro de combustible o incremento de potencia de la central. La tecnología de captadores cilindro-parabólicos la manejan todas las centrales en construcción y/o en funcionamiento, principalmente en el norte de África. Las ISCC reducen los costes de capital y operación, y pueden alcanzar eficiencias del 67 %, que es aproximadamente un 10 % mayor que en una planta de ciclo combinado convencional.

A partir de 2015, existen al menos 157 MW de plantas termosolares integradas con una planta de ciclo combinado que utiliza gas natural. Cinco de esas plantas se encuentran actualmente activas en Argelia, Egipto, Florida, Italia y Marruecos.

XI

Abstract

The present Project is aimed at a research study of the state of the art of the implementation with solar energy in combined cycle plants. First, It has been started by analyzing the gradual depletion of fossil energy resources, which is being addressed through renewable energy sources. The most interesting resource in this Project is solar energy, used in solar termal power plants. Its integration in combined cycle plants is the most developed technology in terms of the hybridization of conventional sources with reneweable sources for the generation of electricity.

Hybridization of solar energy in combined cycle plantas (ISCC), depending on the operation mode of the plant, produces a fuel saving or power increase of the plant. The technology of parabolic through sensors is managed by all the plants under construction and/or in operation, mainly in North Africa. ISCCs reduce capital and operating costs, and can achive efficiencies of 67%, which is approximately 10% higher than in a conventional combined cycle plant.

As of 2015, there are at least 157 MW of integrated thermosolar plants with a combined cycle plant that uses natural gas. Five of these plants are currently active in Algeria, Egypt, Florida, Italy and Morocco.

XIII

Índice

Agradecimientos  IX 

Resumen  X 

Abstract  XII 

Índice  XIII 

Índice de Tablas  XV 

Índice de Figuras  XVII 

Glosario  XIX 

1  Introducción  1 1.1  Situación energética mundial  1 1.2  Cambio climático  3 1.2.1 Definición  3 1.2.2 Efectos del cambio climático  4 1.2.3 Protocolo de Kyoto  5 1.2.4 COP21  6 1.2.5 COP23  6 1.2.6 Energías renovables  7 

1.3  Energía solar  8 1.3.1 Definición  8 1.3.2 Tecnologías para el aprovechamiento de la energía solar  9 1.3.3 Plantas termosolares  10 

2  Ciclos combinados  19 2.1  Conceptos previos  19 2.2  Fundamentos termodinámicos de los ciclos combinados  19 2.3  Definición  20 2.4  Reseña histórica  20 2.5  Funcionamiento y componentes principales de un ciclo combinado  21 2.5.1 Ciclo Brayton  25 2.5.2 Ciclo Rankine  27 

3  Acoplamiento de la energía solar en plantas de ciclo combinado  30 3.1  Tipos de hibridación  30 3.2  Ventajas e inconvenientes sobre el acoplamiento de energía solar  31 

4  Instalaciones experimentales ISCC  37 4.1  Estado del arte  37 

5  Conclusiones  43 

6  Bibliografía  44 

XV

Índice de Tablas

Tabla 1. Tipos de receptores centrales solares 14 

Tabla 2. Valores típicos de las temperaturas y el rendimiento de Carnot 20 

Tabla 3. Estrategias referidas según el modo de operación de la planta híbrida 30 

Tabla 4. Instalaciones experimentales ISCC operativas en la actualidad 42 

XVII

Índice de Figuras

Figura 1. Energía mundial consumida durante los años 2014-2015 (International Energy Agency) 2 

Figura 2. Consumo de energía mundial en el año 2016 2 

Figura 3. Consumo español de energía en el año 2016 3 

Figura 4. Efecto invernadero [3] 4 

Figura 5. COP21. Conferencia de Naciones Unidas sobre el cambio climático en 2015 6 

Figura 6. COP23. Conferencia de Naciones Unidas sobre el cambio climático en 2017 7 

Figura 7. Capacidad neta instalada por tipo de energía [9] 8 

Figura 8. Esquema de una instalación de energía solar térmica 9 

Figura 9. Esquema instalaciones FV autónomas y conectadas a red 10 

Figura 10. Esquema de los componentes de una planta termosolar 11 

Figura 11. Esquema de captadores cilindro-parabólicos 13 

Figura 12. Fotografía aérea de la central Andasol 13 

Figura 13. Partes de un heliostato y distribución alrededor de una torre solar [12] 14 

Figura 14. Esquema de un receptor central 15 

Figura 15. Fotografía de la central solar PS10 15 

Figura 16. Esquema de concentrador lineal Fresnel 16 

Figura 17. Fotografía de la central solar Puerto Errado 1 16 

Figura 18. Esquema de un disco parabólico 17 

Figura 19. Localización de centrales termoeléctricas en España 18 

Figura 20. Diagrama T-s del ciclo de Carnot 19 

Figura 21. Configuración de una caldera elemental 21 

Figura 22. Diagrama T-Qt en una caldera de recuperación 21 

Figura 23. Disposición vertical de HSRG 22 

Figura 24. Disposición horizontal de HRSG 22 

Figura 25. Montaje convencional 23 

Figura 26. Montaje Velox 23 

Figura 27. Diagrama T-Qt con pinch point y subenfriamiento 24 

Figura 28. Esquema de una central de ciclo combinado 25 

Figura 29. Esquema principal de un ciclo de Brayton 26 

Figura 30. Diagrama T-s del ciclo de Brayton [19] 26 

Figura 31. Esquema principal de un ciclo de Rankine 27 

Figura 32. Diagrama T-s del ciclo de Rankine [20] 28 

Figura 33. Esquema del ciclo de Rankine con calentador abierto y diagrama T-s del mismo [20] 28 

Figura 34. Esquema del ciclo de Rankine con calentador cerrado y diagrama T-s del mismo [20] 29 

Figura 35. Esquema de un ciclo de Rankine con recalentamiento 29 

Figura 36. Esquema de un sistema de ciclo combinado híbrido solar [28] 32 

Figura 37. Esquema de un sistema híbrido solar- ciclo combinado con almacenamiento [28] 33 

Figura 38. Esquema de un ciclo desacoplado combinado propuesto por [34] 34 

Figura 39. Esquema de una planta ISCC con opciones de vapor solar de alta y baja presión 35 

Figura 40. Esquema básico de una planta ISCC [45] 38 

Figura 41. Logo de la compañía AORA 38 

Figura 42. Esquema de una planta ISCC [39] 39 

XIX

Glosario

ASPO (Association for the Study of Peak Oil): Asociación para el estudio del pico del petróleo.

ASTRI (Australia Solar Thermal Research Initiative): Iniciativa de investigación térmica solar de Australia.

BP (British Petroleum): Compañía de energía dedicada al petróleo y gas natural con sede en Londres (Reino Unido).

CCP: Captadores cilindro-parabólicos.

CCTG: Ciclo combinado de turbina de gas.

CETS: Centrales energéticas termosolares.

CFCs (Clorofluorocarbonos): sustancias derivadas de los hidrocarburos saturados obtenidos mediante la sustitución de átomos de hidrógeno por átomos de cloro y flúor.

CSP (Concentrated Solar Power): Concentrador de energía solar.

CST: Concentración solar térmica.

DOE (Department of Energy): Departamento de energía de EEUU.

DSG (Direct Steam Generation): Generación directa de vapor

ESTELA (European Solar Thermal Electricity Industry Association): Asociación europea de la industria de la electricidad térmica solar.

EWEA (European Wind Energy Association): Asociación europea de energía eólica.

GEI: Gases efecto invernadero.

HRSG (Heat Recovery System Generator): Generador del sistema de recuperación de calor.

HTF (Hear Transfer Fluid): Fluido de transferencia de calor.

ISCC (Integrated Solar Combined Cycle Power Plants): Plantas de ciclo combinado integradas con energía solar.

LCOE (Levelized Cost of Energy): Coste nivelado de la energía.

NGCC (Natural Gas Combined Cycle): Planta de ciclo combinado de gas natural.

OCDE: Organización para la Cooperación y Desarrollo Económico.

SDP: Sistema disco parabólico.

SEGS (Solar Energy Generating System): Sistema de generación de energía solar.

SORC (Supercritical Organic Rankine Cycle): Ciclo de Rankine supercrítico de vapor.

SRC (Steam Rankine Cycle): Ciclo de Rankine subcrítico de vapor.

STG: Sistema de turbina de gas.

UNFCC (United Nations Framework Convention on Climate Change): Convenio Marco de Cambio Climático de Naciones Unidas.

1 INTRODUCCIÓN El estudio que se va a llevar a cabo en el presente Trabajo de Fin de Grado pretende analizar cómo se encuentra hoy en día la investigación sobre la implantación de energía solar en plantas de ciclo combinado y describir las instalaciones experimentales que están operativas con sus características correspondientes.

1.1 Situación energética mundial

La industrialización de los países más desarrollados y ricos ha sido posible, en gran parte, al consumo de combustibles fósiles. Aportan la mayoría de la energía exosomática utilizada por los humanos y la obtenida de los alimentos (endosomática) depende cada vez más de ellos.

El carbón, petróleo y gas natural son los principales combustibles fósiles. Teniendo el carbón su origen en los restos oceánicos de árboles y plantas de bosques en zonas pantanosas de poca profundidad; mientras que el petróleo procede de la composición bacteriana de restos animales y vegetales (fundamentalmente placton) situados en las proximidades de lagos y mares. Generalmente, con el petróleo, se encuentra el gas natural generado durante el mismo proceso.

El agotamiento gradual de los recursos energéticos fósiles es un proceso que preocupa desde hace varias décadas y el cuál se está intentando solventar mediante fuentes energéticas renovables. El uso de combustibles a base de carbono empezó a finales del s. XVIII con la Revolución Industrial gracias a la máquina de vapor y su empleo fue incrementándose con el paso de los años.

Existen autores que avisaban de la caducidad y limitación de las reservas de combustibles fósiles. El primero fue el geólogo M. King Hubbert (1956) y vaticinó un declive del petróleo en EE.UU. determinando un cénit o pico en la extracción de cada recurso (curva en forma de campana). Posteriormente, Hubbert y sus seguidores de la ASPO (Association for the Study of Peak Oil) indicaron que el uso del petróleo y gas natural a nivel mundial tendría una tendencia contraria en un futuro cercano (Campbell y Laherrère, 1998).

En los años setenta y ochenta, la principal inquietud fue el consumo de las reservas de petróleo (la fuente energética primordial). Se produjo una desmedida subida y bajada de precio del barril oscilando entre los 50 hasta 150$ [1].

Sin embargo, basándose los "economistas convencionales" en la teoría neoclásica del crecimiento (Solow, 1974), analizan que gracias a los mecanismos del mercado y al ingenio humano se podrán transformar las reservas en recursos con fuentes de energía alternativas para que el crecimiento económico no se vea afectado.

En 2015 el consumo de energía primaria a nivel mundial se vio incrementado un 1,0 % respecto al año 2014, ratio similar al de la tasa de crecimiento vista en el año anterior, aunque de manera mucho más lenta que el promedio observado durante la última década. Durante dicho año, se produjo un incremento fuerte en la implementación de las energías renovables, en especial de la eólica y solar. En Europa y Eurasia el crecimiento del consumo estuvo por encima del promedio de la última década, a diferencia del resto de regiones. Las economías emergentes representaron el 97% del aumento mundial en el consumo. El consumo de los países pertenecientes a la OCDE sufrió un pequeño aumento, con un crecimiento en Europa compensando así la disminución del continente americano. En China el consumo se redujo de manera más destacada, sin embargo, registró el incremento más importante por decimoquinto año consecutivo. Por el contrario, Rusia registró la mayor disminución en consumo de energía primaria.

La siguiente figura muestra una comparativa del consumo energético, medido en toneladas de petróleo equivalente, a escala mundial de las principales fuentes primarias de energía durante los años 2014 y 2015:

Introducción

2 

Figura 1. Energía mundial consumida durante los años 2014-2015 (International Energy Agency)

Además, se han analizado los datos correspondientes al informe BP Statistical Review of World Energy 2017, que considera el 2016 como un año de ajustes en la producción de petróleo y gas. En este período, el consumo de energía mundial creció un 1%, mientras que las emisiones solo incrementaron un 0,1%. El mercado se adapta a la transición energética y comparándose con el año 2015 en cuanto a consumo: el petróleo, el gas, la energía nuclear, la hidráulica y las renovables aumentan 1,6%;1,5%;1,3%;2,8%;12%, respectivamente. Mientras que el consumo de carbón desciende un 1,7%.

A continuación, se comparan las fuentes mencionadas anteriormente en un gráfico que muestra el consumo de energía mundial en 2016.

Figura 2. Consumo de energía mundial en el año 2016

‐

2000,0

4000,0

6000,0

8000,0

10000,0

12000,0

14000,0

Tonelad

as de pétroleo equivalen

te

Fuentes de energía

2014

2015

33,3%

24,1%

28,1%

4,5%

6,8%

3,2%

Consumo de energía mundial en 2016

Petróleo

Gas

Carbón

Nuclear

Hidráulica

Renovables

3

Análogamente a la situación mundial del año 2016, se obtiene el consumo energético de España, que se considerado estático. Se produce una mejora de la intensidad y la eficiencia energética. Cabe destacar un claro aumento de la energía hidráulica (27,3%), con respecto al año anterior, mientras que el consumo de carbón disminuye considerablemente (23,9%). Las emisiones de CO2 disminuyen un 2,7% frente al incremento del año 2015.

El petróleo, el gas y la energía nuclear también experimentan pequeños aumentos del 1,8%;2%;2,2% respectivamente. En este período, el consumo de renovables cae un 0,9%.

El consumo español de energía primaria en 2016 quedará del siguiente modo:

Figura 3. Consumo español de energía en el año 2016

1.2 Cambio climático

1.2.1 Definición

El cambio climático se puede definir como un cambio en el clima atribuido directa o indirectamente a la actividad humana que altera la composición de la atmósfera global y que se suma a la variabilidad observada a lo largo de períodos de tiempo comparables. Por lo general, cambio climático hace referencia a las interferencias humanas, mientras que variabilidad climática se refiere a los cambios naturales [2].

La fuente energética elemental que influye en el clima es la radiación solar (radiación de onda corta). Alrededor de un tercio de la radiación solar entrante es reflejada de nuevo al espacio, en particular por las nubes. El resto es absorbido por la atmósfera, tierra, océano y superficies heladas. La Tierra y la atmósfera emiten radiación que

Introducción

4 

sale en forma de ondas largas infrarrojas. Una parte de esa radiación saliente queda atrapada por los gases invernaderos producidos de forma natural (vapor agua, dióxido de carbono, ozono, metano y óxido nitroso) y por las nubes [2]. Sin estos gases, la vida terrestre y marina no sería posible puesto que el planeta alcanzaría temperaturas demasiado gélidas manteniendo la superficie terrestre más caliente de lo que, de otro modo, hubiera estado. Siendo los gases efecto invernadero aquellos componentes gaseosos de la atmósfera, tanto naturales como antropogénicos, que absorben y reemiten radiación infrarroja. Hablamos del vapor de agua, dióxido carbono, óxido nitroso, metano y clorofluorocarbonos (CFCs). La industrialización del planeta ha llevado un incremento de la concentración de estos gases de un 30% desde el siglo anterior [3].

Figura 4. Efecto invernadero [3]

1.2.2 Efectos del cambio climático

Hace mucho tiempo que hay un consenso dentro de la comunidad científica acerca de la evidencia del cambio climático. En realidad, los científicos conocen los mecanismos del Efecto Invernadero desde 1896. El químico sueco Suante Arrhenius predijo entonces los efectos del CO2 sobre el clima y concluyó que las épocas glaciares previas tuvieron lugar, en parte, por la disminución del CO2 atmosférico. También calculó que una duplicación de la concentración de CO2 daría lugar a un calentamiento mundial de 5ºC.

El calentamiento global se ha convertido en uno de los temas científicos, políticos y económicos más relevantes en los últimos años.

Dentro de todos los efectos del cambio climático, los más importantes son [4]:

Aumento de la temperatura media de la tierra. Es de las más destacadas y está vinculada directamente con la emisión de gases que contribuyen al efecto invernadero. Se prevé un aumento de la temperatura

5

media de la tierra de hasta 4ºC en el año 2050. Puede implicar problemas de salud en ancianos y niños; o en la facilidad de reproducción de algunos insectos que provocarían enfermedades en plantas y cultivos. Además, las altas temperaturas generarán un aumento de la deshidratación, y por tanto de la demanda de agua potable.

Aumento del nivel del mar y de su temperatura. El incremento de la temperatura global terrestre provocará la fusión del hielo glaciar, lo que generará el aumento en la cantidad de agua en mares y océanos. Según los científicos se espera que el nivel del mar pueda aumentar unos 20 metros de aquí al año 2100, lo que supone un peligro para todas aquellas ciudades que se encuentran situadas en la costa o terrenos por debajo del nivel del mar.

Aumento de la frecuencia e intensidad de los fenómenos meteorológicos extremos. Ese incremento de temperatura del agua de los océanos conlleva un ascenso del nivel de evaporación del agua y del índice de nubosidad, lo que provoca el aumento de la frecuencia e intensidad de las tormentas, tornados y huracanes. Tradicionalmente esto solo pasaba en el Caribe, pero la tropicalización de los mares, provoca que estos fenómenos se den hoy por hoy en casi cualquier lugar del planeta.

Cambios en los ecosistemas. Aumento de la desertificación, extensión de la región tropical hacia latitudes más altas o desplazamiento de las regiones boscosas hacia regiones que hoy forman parte de la tundra y la taiga. Por no mencionar los profundos cambios que sufrirán los ecosistemas costeros, probablemente los más afectados debido al aumento del nivel del mar, provocados por la inundación de sus costas.

Peligro de extinción de numerosas especies vegetales y animales. Estos cambios desastrosos e irreversibles en los ecosistemas comprometen la integridad de numerosas especies vegetales y animales; y constituyen una seria amenaza para su conservación.

Sequía. Contribuirá a la desertificación de los suelos, perdiendo gran parte de sus nutrientes y empobreciendo su composición, generando por tanto un grave problema para el cultivo.

Impactos sobre la salud humana. Se puede producir un incremento del número de personas con malnutrición, así como el número de personas fallecidas directa o indirectamente por fenómenos meteorológicos extremos como las inundaciones, las tormentas, las sequías, las olas de calor o los incendios.

1.2.3 Protocolo de Kyoto

La gravedad del problema del cambio climático ha llevado a los países a buscar soluciones para combatir el calentamiento del planeta. Fruto de esta preocupación nació el Convenio Marco de Cambio Climático de Naciones Unidas (UNFCC), cuyo objetivo final es la estabilización de las concentraciones en la atmósfera de los gases de efecto invernadero a un nivel que evite la interferencia peligrosa de las actividades humanas sobre el sistema climático [5].

La UNFCC estableció el primer tratado de cambio climático, el Protocolo de Kyoto, acordado por 184 gobiernos en la ciudad japonesa del mismo nombre en diciembre de 1997. Sin embargo, no entró en vigor hasta 2005, con el compromiso de que 37 países industrializados redujeran sus emisiones una media del 5% respecto a los niveles de 1990, en el período de 2008 a 2012. Además, los países en desarrollo como China, India y Brasil, aceptaron asumir sus responsabilidades, pero sin incluir objetivos de reducción de emisiones.

El Protocolo constituyó un primer paso histórico para controlar los gases de efecto invernadero, ofreciendo un marco básico de acción de lucha contra el cambio climático. Obligó a muchos países industrializados a poner en marcha las instituciones y políticas necesarias para conseguir la reducción de emisiones y, de hecho, algunos países y regiones ya han empezado a hacerlo. Sin embargo, su impacto en la tendencia ascendente de las emisiones ha sido muy reducido y algunos de los mecanismos en los que se basa son cuestionables [5].

La Unión Europea firmó un compromiso de reducción conjunta fijado en un 8% de las emisiones base de gases

Introducción

6 

de efecto invernadero del año 1990 para el período 2008-2012, adquirido independientemente del éxito de la ratificación del Protocolo. Cada Estado Miembro tiene, no obstante, un compromiso pactado diferente, que bien puede ser de reducción o de limitación. En el caso de España, es un compromiso que limita el aumento de emisiones de GEI en un 15% por encima de los correspondientes al año base. Sin embargo, al finalizar el 2007, España se mostraba como el país de la Unión Europea que más se alejaba del cumplimiento de los compromisos de Kyoto, ya que ha superado con creces el porcentaje permitido, situándose en una tasa de emisión de un 52% superior a la de 1990.

Las sanciones definidas en el Protocolo han tenido un escaso efecto. Además del caso de España, Canadá ha registrado unas emisiones de más de un 25% superiores a los niveles de 1990, cuando su objetivo es una reducción del 6%, y Estados Unidos se retiró del Protocolo en 2001 [5].

1.2.4 COP21

En 2015, tuvo lugar en París la vigésimo primera sesión de la Conferencia de las Partes de la Convención Marco de Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (COP21), así como la undécima sesión de la Conferencia de las Partes en calidad de reunión de las Partes del Protocolo de Kyoto (COP-MOP11) [6].

Figura 5. COP21. Conferencia de Naciones Unidas sobre el cambio climático en 2015

La COP21 terminó con la adopción del Acuerdo de París que establece el marco global de lucha contra el cambio climático a partir de 2020. Se trata de un acuerdo histórico de dicha batalla, que promueve una transición hacia una economía baja en emisiones y resiliente al cambio climático. Es un texto que refleja y tiene en cuenta las diferentes realidades de los países. Es justo, ambicioso, duradero, equilibrado y jurídicamente vinculante.

En la actualidad existe un consenso científico, casi generalizado, en torno a la idea de que nuestro modo de producción y consumo energético está generando una alteración climática global, que provocará, a su vez, serios impactos tanto sobre la tierra como sobre los sistemas socioeconómicos [6].

1.2.5 COP23

La conferencia sobre el cambio climático de 2017 tiene lugar en Bonn (Alemania) del 6 al 18 de noviembre. Los líderes de los gobiernos nacionales, las ciudades, los estados, las empresas, los inversores, las ONGs y la sociedad civil se reúnen para acelerar el cumplimiento de los objetivos del Acuerdo de París [7]. Han colaborado 194 países, 9200 representantes de gobiernos y más de 16000 participantes. Se ha abierto un proceso inclusivo para el diálogo facilitador llamado Diálogo de Talanoa 2018, orientado a avanzar en el programa de trabajo de la COP21.Otro objetivo de la cumbre fue impulsar la agenda de vulnerabilidad de la presidencia de Fiji para las

7

poblaciones y estados que más sufren los impactos del cambio climático. La cumbre concluyó con la aprobación de un documento en el que los países se comprometen a evaluar sus emisiones de CO2 en el año 2018, además de adoptarse importantes compromisos concretos de acción climática como impulsar la Alianza de Marrakech para la Acción Climática Global (2016), con el fin de acelerar los esfuerzos realizados por la sociedad civil para afrontar el cambio en el período 2017-2020 [7].

Figura 6. COP23. Conferencia de Naciones Unidas sobre el cambio climático en 2017

1.2.6 Energías renovables

Para solventar el problema del agotamiento de los recursos fósiles y los efectos del cambio climático, se comienza a investigar sobre las energías renovables. Son el tipo de energía que se obtiene de fuentes naturales. Las fuentes de energía renovables se pueden clasificar en las siguientes categorías [8]:

Solar

Es la energía obtenida a partir de la radiación solar electromagnética procedente del Sol. Existen centrales térmicas que transforman esta energía en calorífica mediante la concentración de espejos parabólicos sobre tubos o depósitos de agua o aceite que lo vaporizan accionando una turbina que genera electricidad. También se puede aprovechar mediante energía solar fotovoltaica.

Eólica

Es aquella energía obtenida a partir de la energía cinética del viento creada por corrientes de aire mediante el empleo de aerogeneradores.

Hidráulica

Es la energía aprovechada de la energía cinética y potencial del agua de los ríos y lagos mediante presas que permiten almacenarla y descargarla a un nivel inferior para generar electricidad a través del uso de turbinas.

Mareomotriz

Es la energía que se obtiene del aprovechamiento de las mareas haciendo uso de un alternador, para su beneficio las mareas deben ser superiores a 5 metros de altura entre la marea de alta y la de baja.

Undimotriz

Es la energía convertida mediante turbinas y generadores de corriente eléctrica gracias al movimiento de las olas y su energía cinética y potencial contenida.

Geotérmica

Es la energía obtenida a partir del aprovechamiento de calor del interior de la Tierra. Se capta de la

Introducción

8 

actividad volcánica o del movimiento de placas terrestres. De aquí es posible obtener agua caliente cerca de la superficie terrestre y de ahí es posible generar electricidad.

Biomasa

Es el conjunto de materia biológicamente renovable cuya energía es susceptible de ser aprovechada por combustión de la misma si se encuentra en estado sólido, por fermentación de azúcares si se encuentra en estado líquido o mediante descomposición anaeróbica de la materia orgánica en caso de encontrarse de forma gaseosa.

Energía azul o potencial osmótica

Es la energía que se obtiene de la diferencia de concentración de sal entre el agua de mar y el agua de río. El agua dulce atraviesa una membrana que incrementa el volumen en el depósito de agua salada, produciendo un importante incremento de la presión en el depósito de agua salada, puede llegar a equivaler a un salto de agua de unos 120 metros de altitud.

Resulta interesante observar en la Figura 2 como todas las fuentes de energía renovable han incrementado su capacidad neta instalada en los últimos doce años. La energía eólica y la solar fotovoltaica (PV) se colocan en buenas posiciones del ranking de capacidad en el año 2017. Por otra parte; la energía nuclear, el carbón y el petróleo van disminuyendo con poca pendiente como consecuencia de la continua desinstalación de plantas sin nuevas construcciones. En resumen, la cuota de potencia instalada ha aumentado; sin embargo, en cuanto a cuota de demanda satisfecha el incremento es bastante inferior.

Figura 7. Capacidad neta instalada por tipo de energía [9]

1.3 Energía solar

1.3.1 Definición

La energía solar se refiere al aprovechamiento de la energía que proviene del Sol. Se considera un tipo de energía

9

renovable, ya que el Sol es una fuente natural inagotable de energía. Nuestra estrella lleva 5 millones de años emitiendo radiación solar y se calcula que todavía no ha llegado al 50% de su existencia.

Además de ser esta energía inagotable, también es abundante, puesto que la cantidad de energía que el Sol vierte diariamente sobre la Tierra es diez mil veces mayor que la que se consume al día en todo el planeta. La radiación recibida se distribuye de una forma más o menos uniforme sobre toda la superficie terrestre, lo que dificulta su aprovechamiento.

1.3.2 Tecnologías para el aprovechamiento de la energía solar

La energía solar es la energía contenida en la radiación solar que se transforma mediante los correspondientes dispositivos, en forma térmica o eléctrica, para su posterior consumo. El elemento encargado de captar la radiación solar y transformarla en energía útil es el panel solar.

Los paneles solares pueden ser de distintos tipos dependiendo del mecanismo escogido para el aprovechamiento de la energía solar:

Energía Solar Térmica mediante captadores solares térmicos. La energía solar térmica consiste en el aprovechamiento de la energía procedente del Sol para transferirla a un medio portador de calor, generalmente agua o aire. Entre las distintas aplicaciones de la energía solar térmica existe la posibilidad de generar energía eléctrica. La tecnología actual permite calentar agua con la radiación solar hasta producir vapor y posteriormente obtener energía eléctrica. Los captadores de energía solar térmica se clasifican como captadores de baja, media y alta temperatura dependiendo de su forma de trabajar. -Captadores de baja temperatura. Proveen calor útil a temperaturas menores de 65 °C. -Captadores de temperatura media. Son los dispositivos que concentran la radiación solar para entregar calor útil a mayor temperatura, usualmente entre los 100 y 300 °C. -Captadores de alta temperatura. Trabajan a temperaturas superiores a los 500ºC. Se usan para la generación de energía eléctrica. El esquema básico de una instalación de energía solar térmica:

Figura 8. Esquema de una instalación de energía solar térmica

Energía Solar Fotovoltaica mediante módulos fotovoltaicos. La energía solar fotovoltaica consiste en la transformación directa de la radiación solar en energía eléctrica. Esta transformación en energía eléctrica se consigue aprovechando las propiedades de los materiales semiconductores mediante las células fotovoltaicas. Estas células son los depósitos encargados de la conversión directa en forma

Introducción

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de corriente continua. Siempre interesa que la radiación sea muy alta y la temperatura relativamente baja para una buena producción. Un efecto negativo en estas instalaciones es cuando reciben sombras, ya que el rendimiento baja notablemente. La orientación que más produce en posición fija es la sur. El material base para la fabricación de paneles fotovoltaicos suele ser el silicio. Cuando la luz del Sol (fotones) incide en una de las caras de la célula solar genera una corriente eléctrica. Esta electricidad generada se puede aprovechar como fuente de energía.

Las instalaciones fotovoltaicas se clasifican en dos grandes grupos:

- Instalaciones fotovoltaicas de conexión a red, donde la energía que se produce se utiliza íntegramente para la venta a la red eléctrica de distribución.

-Instalaciones fotovoltaicas aisladas de red, que se utilizan para autoconsumo, ya sea una vivienda asilada, una estación repetidora de telecomunicación, bombeo de agua para riego, etc.

Figura 9. Esquema instalaciones FV autónomas y conectadas a red

1.3.3 Plantas termosolares

1.3.3.1 Reseña histórica

En China y en la antigua Grecia, se utilizaban los rayos solares con espejos o vidrios para encender fuegos.

Durante épocas de guerra, esa misma técnica fue utilizada para prender fuego a los barcos enemigos. A principios del siglo XX ya se habían inventado máquinas simples que podían funcionar a partir de la concentración del calor del Sol.

En 1913, el norteamericano Frank Shuman, desarrolló la primera estación termosolar de bombeo en Meadi, Egipto. Este sistema funcionaba con 5 grandes reflectores, cada uno de 62 metros de largo y contenían espejos de vidrio formando así un cilindro con aspecto de parábola. Cada reflector centraba la luz solar en un tubo de su longitud, calentando el agua que se situaba dentro de ellos. El vapor generado alimentaba un motor conectado a una bomba. Este sistema logró distribuir 6000 galones de agua por minuto desde el Río Nilo hasta lugares cercanos.

La historia moderna de la energía termosolar se inició en la crisis del petróleo de los años 70. Jimmy Carter, en ese entonces presidente de los EEUU, impulsó las plantas de Energía Solar Concentrada, SEGS (Solar

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Energy Generating System) y decidió instalar captadores solares térmicos en el tejado para calentar el agua de la Casa Blanca.

En 1984 en California, se construyó la primera planta SEGS-1. Este tipo de plantas funcionan con un sistema de captador cilindro parabólico. Las SEGS se componen de un campo solar compuesto por filas paralelas de captadores cilindro-parabólicos conectados en serie para convertir la energía solar en energía térmica, calentando así el aceite que circula por los tubos absorbentes de los captadores solares.

El aceite caliente se envía a un intercambiador de calor donde se genera el vapor sobrecalentado o saturado, dependiendo de la planta, requerido para accionar un turbo-alternador, y así es como se produce la energía eléctrica.

Una central térmica solar es una instalación industrial en la que se aprovecha la radiación solar para generar electricidad. La radiación solar se utiliza para calentar un fluido. Mediante el fluido, aprovechando las leyes de la termodinámica, se produce la potencia necesaria para mover un alternador para generación de energía eléctrica como una central termoeléctrica clásica [10].

1.3.3.2 Funcionamiento de una central termosolar

Una central termosolar se compone de un sistema captador, un sistema receptor y un sistema de conversión de potencia, pudiendo además incluir un sistema de almacenamiento térmico y un sistema de combustible fósil.

Figura 10. Esquema de los componentes de una planta termosolar

La función del sistema concentrador es captar y concentrar la radiación solar sobre el receptor, donde la energía radiante se convierte en energía térmica (normalmente, en forma de aumento de entalpía de un fluido) que, finalmente, se convierte en otra forma de energía apta para su utilización (por ejemplo, energía eléctrica) en el sistema de conversión de potencia. La existencia de almacenamiento térmico permite operar la central energética termosolar en períodos de ausencia de radiación solar. Entre estos cuatro sistemas, los dos primeros (captador y receptor) son específicos de una CETS, constituyendo lo que frecuentemente se denomina campo solar, mientras que los sistemas de conversión de potencia y almacenamiento pueden considerarse convencionales.

La radiación solar en un CETS puede complementarse con el aporte energético de un combustible fósil, dando lugar a las centrales conocidas como híbridas. El grado de hibridación puede ser muy variable: desde plantas que solo recurren al combustible fósil para eliminar o reducir al mínimo imprescindible el almacenamiento térmico y cuya función principal es absorber los transitorios producidos por variaciones más o menos bruscas de la radiación solar y garantizar la producción de acuerdo con la estrategia de operación establecida, hasta ciclos combinados convencionales apoyados por energía solar, en los que el aporte de esta última fuente energética

Introducción

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está entre el 10% y el 20% de la producción [11].

Hay cuatro tipos de tecnologías termosolares, según la forma de concentrar y captar la energía solar [12]:

Captadores cilindro-parabólicos. La tecnología cilindro-parabólica es una tecnología limpia, madura y con un extenso historial que demuestra estar preparada para la instalación a gran escala. Esta tecnología lleva siendo instalada a nivel comercial desde los años 80 con un excepcional comportamiento. Desde entonces, ha experimentado importantes mejoras a nivel de costes y rendimientos. Actualmente hay más de 800 MW en operación, más de 2000 MW en construcción y alrededor de 6 GWs en promoción a nivel mundial en países como España (el principal motor de la tecnología termosolar), Estados Unidos, Marruecos, Argelia, Egipto, Australia, Sudáfrica, India, México y Chile. Los captadores cilindro-parabólicos (CCP) son captadores solares de concentración, que transforman la radiación solar directa en energía térmica, calentando un fluido de trabajo. El CCP consiste en un concentrador cilindro parabólico que refleja la radiación solar directa sobre la línea focal de la parábola, en la que se sitúa el receptor: el tubo absorbedor.

En estos tubos, un fluido transmisor de calor, normalmente un fluido orgánico sintético (HTF) es calentado hasta unos 400 º C. Este fluido caliente se dirige a una serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado. La energía presente en este vapor se convierte en energía eléctrica utilizando una turbina de vapor convencional y un generador acoplado a ella. La tecnología cilindro-parabólica es la tecnología CSP más desarrollada.

Los componentes principales del campo solar de la tecnología cilindro-parabólica son:

-El reflector cilindro-parabólico: La misión del receptor cilindro parabólico es reflejar y concentrar sobre el tubo absorbedor la radiación solar directa que incide sobre la superficie. La superficie especular se consigue a través de películas de plata o aluminio depositadas sobre un soporte de vidrio que le da la suficiente rigidez.

- El tubo absorbedor: El tubo absorbedor consta de dos tubos concéntricos separados por una capa de vacío. El interior, por el que circula el fluido que se calienta es metálico y el exterior de cristal. El fluido de trabajo que circula por el tubo interior es diferente según la tecnología. Para bajas temperaturas (< 200 º C) se suele utilizar agua desmineralizada con Etileno-Glicol mientras que para mayores temperaturas (200º C < T < 400 º C) se utiliza aceite sintético. Las últimas tecnologías permiten la generación directa de vapor sometiendo a alta presión a los tubos y la utilización de sales como fluido caloportador.

- El sistema de seguimiento del Sol: El sistema seguidor más común consiste en un dispositivo que gira los reflectores cilindro parabólicos del captador alrededor de un eje.

- La estructura metálica: La misión de la estructura del captador es la que da rigidez al conjunto de elementos que lo componen.

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Figura 11. Esquema de captadores cilindro-parabólicos

La tecnología de captadores cilindro-parabólicos puede incorporar almacenamiento para poder producir electricidad en horas de oscuridad. De ellas, la más extendida es el almacenamiento con sales. Esta tecnología se basa en la utilización de dos tanques de sales para almacenar el calor.

1. Durante el ciclo de carga, las sales intercambian calor con el fluido procedente del campo solar y se almacenan en el tanque caliente. 2. Durante el ciclo de descarga, el sistema simplemente opera en sentido contrario al anteriormente expuesto, calentando el fluido caloportador que generará vapor para mover la turbina que producirá finalmente la electricidad.

Un ejemplo de central que utiliza la tecnología de captadores cilindro-parabólicos es la central Andasol situada en Aldeire (Granada). Comenzó en noviembre del año 2008 y espera generar 158000 MWh/año de electricidad [13].

Figura 12. Fotografía aérea de la central Andasol

Introducción

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Sistema de receptor central o torre solar.

Las centrales de receptor central, denominadas normalmente centrales de torre, consisten en una serie de grandes espejos dispuestos en torno a la torre, denominados heliostatos, Cada uno de ellos posee un sistema de movimiento independiente que permite orientarlo de forma que el rayo solar reflejado por todos ellos se concentre en un punto situado en lo alto de una torre.

Las disposiciones del campo solar más utilizadas para la torre solar son aquellas en las que los heliostatos están situados al norte de la torre y en las que los heliostatos rodean a la torre. A continuación, se muestra el esquema principal de un heliostato con sus partes, además de la distribución de estos rodeando a una torre solar [12].

Figura 13. Partes de un heliostato y distribución alrededor de una torre solar [12]

El receptor solar es un intercambiador de calor donde la radiación solar reflejada por los heliostatos es absorbida y transformada en energía térmica. Se encuentra situado en lo alto de la torre solar. Existen diversos tipos de receptor que están en desarrollo, en proceso de pruebas o en funcionamiento [12]. Entre ellos destacan:

RECEPTORES DESCRIPCIÓN

Volumétrico Estructura porosa en la cual el fluido térmico absorbe la radiación solar por un proceso de convección.

Cavidad Estructura cerrada con una apertura por donde entran los rayos solares, incidiendo directamente en el intercambiador de calor y calentando el fluido.

Partículas La radiación incide directamente sobre las partículas que harán de fluido térmico, que la absorben y calientan.

Tabla 1. Tipos de receptores centrales solares

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En el caso de que el fluido caloportador sea agua, las centrales de receptor central calientan y evaporan el líquido previamente inyectado a presión en el receptor, para producir vapor a una determinada presión y temperatura. Este vapor se expande a continuación en una turbina de vapor, siguiendo un proceso exactamente igual que el seguido en cualquier central termoeléctrica.

Figura 14. Esquema de un receptor central

Un ejemplo de este tipo de plantas es la Planta Solar 10, de Abengoa Solar situada en Sanlúcar La Mayor (Sevilla). Se puso en funcionamiento en 2007 y espera generar de electricidad unos 23.400 MWh/año [13].

Figura 15. Fotografía de la central solar PS10

Introducción

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Concentradores lineales Fresnel. Las centrales eléctricas termosolares basadas en la tecnología Fresnel, al igual que las centrales CCP, concentran la radiación solar a lo largo de una línea. Estas centrales basan la generación eléctrica en la concentración de la radiación solar a lo largo de un tubo absorbedor situado a varios metros de altura. La relación de concentración es de aproximadamente 20:1. Estas centrales destacan por la sencillez de su construcción y por su bajo coste.

La forma curvada de los espejos cilindro parabólicos hace que sean un 15% más eficientes que los espejos Fresnel, pero con el ahorro de costes en materiales, junto con la simplicidad del funcionamiento hacen que la reducción de costes sea muy superior a la reducción de rendimiento [14].

Figura 16. Esquema de concentrador lineal Fresnel

Un ejemplo de central con concentradores lineales Fresnel es Puerto Errado 1 Thermosolar Power Plant localizada en Calasparra (Murcia). Tuvo su comienzo en marzo de 2009 y se esperan unos 2.000 MWh/año de electricidad [13].

Figura 17. Fotografía de la central solar Puerto Errado 1

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Disco parabólico.

El sistema disco parabólico (SDP), como su nombre indica, está compuesto por una superficie concentradora de forma parabólica capaz de concentrar la componente directa de la radiación solar sobre el foco geométrico de dicha superficie. En el foco se sitúa un elemento capaz de aprovechar la energía térmica alcanzada en esa zona. Normalmente este elemento convierte la energía térmica incidente en energía mecánica a través de un motor Stirling, cuya salida es aprovechada por un alternador para generar energía eléctrica. Aunque ésta ha sido la principal aplicación, es posible aprovechar dicha energía térmica para otras aplicaciones como generar vapor directamente o utilizarlo como calor de proceso.

Figura 18. Esquema de un disco parabólico

En el siguiente mapa se pueden observar las centrales termoeléctricas en España, diferenciando entre operativas, en construcción avanzada y preasignadas.

Introducción

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Figura 19. Localización de centrales termoeléctricas en España

19

2 CICLOS COMBINADOS

2.1 Conceptos previos

Para producción de potencia, el ciclo de Carnot es el de mayor rendimiento posible, dados una fuente y un sumidero de calor a Ta y Tc respectivamente.

El ciclo de Carnot tiene los siguientes procesos:

1. Compresión isentrópica (12).

2. Adición de calor a temperatura constante (23).

3. Expansión isentrópica (34).

4. Cesión de calor a temperatura constante (41).

Figura 20. Diagrama T-s del ciclo de Carnot

El rendimiento de este ciclo puede definirse a través de la siguiente expresión:

1 → ↓, ↑

2.2 Fundamentos termodinámicos de los ciclos combinados

Se sabe que, en una instalación real, el rendimiento es menor que el rendimiento de Carnot, debido a las pérdidas de calor al entorno y a las irreversibilidades internas de los componentes de la instalación.

Generalmente las temperaturas mencionadas anteriormente, Ta y Tc, no son constantes. Además, en la práctica no existe un ciclo con ↓, ↑.

Ciclos combinados

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Turbina de gas Turbina de vapor Ciclo combinado

Ta (º C) 750-1000 350-450 750-1200

Tc (º C) 275-450 30-80 30-80

, % 45-50 45-57 65-78

Tabla 2. Valores típicos de las temperaturas y el rendimiento de Carnot

Por lo tanto, es lógico combinar dos ciclos termodinámicos con las siguientes características:

1. Ciclo A: temperatura de adición de calor elevada.

2. Ciclo B: temperatura de cesión de calor reducida.

2.3 Definición

Los ciclos combinados son centrales de generación de energía eléctrica en las que se transforma la energía térmica de un combustible en electricidad mediante dos ciclos consecutivos: el que corresponde a una turbina de gas convencional y el de una turbina de vapor.

Este tipo de centrales se caracterizan por el uso que se realiza del calor generado en la combustión de la turbina de gas, que se lleva a un elemento recuperador del calor y se emplea para mover una o varias turbinas de vapor. Estas dos turbinas, de gas y vapor, están acopladas a un alternador que convierte la energía mecánica generada por las turbinas en energía eléctrica.

La combinación de estos dos procesos permite alcanzar rendimientos, en torno al 60%, muy superiores a los de una central térmica convencional con un solo ciclo, ya que obtiene la energía eléctrica en dos etapas, logrando así un mayor aprovechamiento de la energía del combustible [15].

2.4 Reseña histórica

Las centrales térmicas de ciclo combinado son la tecnología térmica que mayor desarrollo ha tenido en nuestro país durante los primeros años del siglo XXI. Entre los años 2002 y 2011 han entrado en funcionamiento algo más de 25.000 MW de capacidad de generación térmica, suponiendo una inversión acumulada en el entorno de los 15.000 millones euros [16]. La primera central de ciclo combinado inaugurada en España fue la central de San Roque en Cádiz. A partir de su puesta en funcionamiento en el año 2002, la importancia en la generación de energía eléctrica a partir de centrales térmicas de ciclo combinado ha sido creciente dentro del mix de generación eléctrica de nuestro país [17]. Los motivos de este hito son diversos, destacando entre otros:

La alta disponibilidad de España en el acceso a gas natural.

La buena percepción social y aceptación de los ciclos, en un contexto de falta de inversión y de modernización necesaria del parque generador español.

La gran flexibilidad que ofrecen en la operación.

Su atractivo dada su eficiencia medioambiental (al ser la tecnología térmica menos emisora de CO2).

Su interés de cara a la rapidez en la ejecución del proyecto (unos dos años desde el inicio de la obra civil) [16].

En España ya se ha alcanzado la cifra de 51 centrales de ciclo combinado operativas en el año 2012. Algunas de ellas no pueden hibridarse por limitaciones con respecto al terreno en el que están ubicadas (zonas industriales o cerca de zonas residenciales), o porque las características del terreno impiden la construcción de la instalación

21

solar.

2.5 Funcionamiento y componentes principales de un ciclo combinado

Como se mencionó en el apartado anterior, los ciclos combinados están compuestos a su vez por dos ciclos: el ciclo de la turbina de gas, y el ciclo de la turbina de vapor.

El ciclo de la turbina de gas consiste en introducir un gas combustible en una turbina de gas. Con la combustión de éste se obtiene una expansión que se aprovecha en mover la turbina generando electricidad. En la turbina de gas se quema todo o la mayoría del combustible apartado del ciclo.

En la combustión del gas se produce calor que se puede aprovechar mediante un Heat Recovery System Generator (HRSG) o sistema de generación de vapor y recuperación de calor, en producir vapor de agua, que se utilizará para mover una o varias turbinas de vapor. Dicha caldera está compuesta por:

Economizador: eleva el agua subenfriada hasta su temperatura de saturación.

Evaporador: evapora (en ocasiones, elimina gases no condensables).

Sobrecalentador: eleva la temperatura del vapor por encima de la saturación.

Figura 21. Configuración de una caldera elemental

Figura 22. Diagrama T-Qt en una caldera de recuperación

Ciclos combinados

22 

La caldera de recuperación puede ser clasificada según:

Disposición: horizontal/vertical.

Circulación del agua (ciclo de vapor): natural/forzada.

Sin/con combustión suplementaria.

Figura 23. Disposición vertical de HSRG

Figura 24. Disposición horizontal de HRSG

En el ciclo de vapor, se produce potencia adicional a partir del vapor generado en la caldera.

Los gases de escape de la turbina de gas salen a alta temperatura, suficiente para evaporar agua a través de un intercambiador de calor. También los gases son utilizados para calentar el agua antes de ser evaporada y para recalentar el vapor. Así se aumenta la presión del vapor y a su vez el rendimiento de la turbina.

Existen múltiples clasificaciones de ciclos combinados:

Montaje convencional: TG + CR + TV:

1. Sin combustión suplementaria: solo se quema combustible en la turbina de gas.

2. Con combustión suplementaria limitada: se quema combustible en la caldera, pero no agota el oxígeno presente en la corriente de gases de escape de la turbina (generalmente se alcanzan 750 º C.

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3. Con combustión suplementaria máxima: se quema en la caldera todo el combustible que permita el oxígeno contenido en los gases de escape de la turbina. En ocasiones se añade aire adicional.

Caldera presurizada común: la aportación de calor se realiza de manera conjunta a ambos ciclos, en una caldera presurizada por el compresor de la turbina de gas (sistema Velox).

A continuación, se muestran dos esquemas de ciclo combinado convencional y en sistema Velox. Poseen los siguientes elementos:

a) Evaporador c) Precalentador de aire d) Cámara de combustión con quemador e) Evaporador (parte vapor) f) Turbina de vapor g) Generador h) Condensador j) Bomba de alimentación de agua k) Desgasificador y precalentador del agua de alimentación l) Compresor m) Cámara de combustión n) Turbina de gas

Figura 25. Montaje convencional

Figura 26. Montaje Velox

Ciclos combinados

24 

La caldera está definida por dos parámetros:

Pinch point: diferencia de temperaturas mínima entre los gases de escape y el agua/vapor.

Subenfriamiento de aproximación: diferencia entre la temperatura de saturación en el evaporador y la temperatura del agua en el extremo caliente del economizador.

Caldera convencional: la diferencia mínima de temperaturas entre los gases de combustión y el agua/vapor ocurre en el extremo frío del economizador (entrada de agua).

Figura 27. Diagrama T-Qt con pinch point y subenfriamiento

También es recomendable mencionar los siguientes efectos en la producción de vapor a una presión:

1. Efecto de la presión de vapor vivo:

Aumenta el rendimiento térmico del ciclo de vapor.

Disminuye el rendimiento de la caldera de recuperación.

El rendimiento global del ciclo de cola (TV) presenta un máximo para una presión de vapor vivo óptima.

La humedad en el escape de la turbina aumenta.

2. Efecto de la presión de condensación:

Reducir la presión de condensación: aumenta el rendimiento térmico del ciclo de vapor, aunque también aumenta la humedad en el escape de la turbina.

Reducir la presión de condensación aumenta el rendimiento de la caldera, ya que reduce la temperatura del agua de alimentación, y por tanto la de la chimenea.

Por tanto, reducir la presión de condensación es siempre beneficioso para el rendimiento del ciclo combinado.

El límite inferior a la presión de condensación viene impuesto por:

- Foco frío disponible para la refrigeración. Es el factor dominante.

- Temperatura mínima de los gases de escape que provoca la condensación de ácido

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sulfúrico/agua (rocío). En el caso de emplear gas natural (sin azufre), la temperatura de chimenea puede reducirse hasta 75º C.

3. Regeneración y recalentamiento:

En ciclos combinados no se emplea regeneración en el ciclo de vapor, ya que ello supone aumentar la temperatura del agua de alimentación y, por tanto, reducir el rendimiento de la caldera (y a su vez, el global del ciclo de vapor).

En ciclos combinados modernos, sí se emplea recalentamiento intermedio por las mismas razones que en los ciclos de vapor convencionales (humedad en el escape).

En la actualidad, la inmensa mayoría de las plantas de ciclo combinado hacen uso de un ciclo de vapor con producción de vapor a tres presiones y recalentamiento intermedio.

Figura 28. Esquema de una central de ciclo combinado

El ciclo termodinámico que sigue el ciclo combinado es la unión del ciclo de Brayton (turbina de gas) y el ciclo de Rankine (turbina de vapor).

2.5.1 Ciclo Brayton

El ciclo de Brayton es representativo de las turbinas de gas. Se trata de un ciclo abierto (la mezcla de aire y gas combustible, tras quemarse, no vuelve a su estado inicial) con combustión interna.

Ciclos combinados

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Figura 29. Esquema principal de un ciclo de Brayton

Si se desea representar como un ciclo cerrado, se deben seguir las siguientes hipótesis [18]:

Los caudales másicos de entrada y de salida de la cámara de combustión son similares. Además, la composición de los gases de escape es parecida a la del aire.

Todos los procesos que constituyen el ciclo son considerados reversibles.

La introducción de combustible y su combustión se sustituyen por una aportación de calor a presión constante.

El proceso de escape se sustituye por una cesión de calor a presión constante que hace que regrese el fluido a su estado inicial.

Figura 30. Diagrama T-s del ciclo de Brayton [19]

El ciclo Brayton simplificado consiste en las siguientes etapas [18]:

Compresión adiabática. Se produce en el compresor cuando la máquina térmica comprime el aire desde la presión atmosférica hasta un valor adecuado.

Calentamiento isobárico. Referido a la inyección del combustible a la presión adecuada en la cámara de combustión y la combustión de la mezcla de aire comprimido y combustible.

Expansión adiabática. Los gases de combustión se expansionan en la turbina hasta una presión igual a la presión atmosférica más un cierto valor. Así se compensan las pérdidas de presión de la corriente en el resto del circuito. Gracias a la energía mecánica producida en la turbina, se utiliza para mover el compresor y para generar electricidad a través de un alternador.

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Enfriamiento isobárico. Se produce la cesión de calor. Los gases de escape salen de la turbina a una alta temperatura, que puede ser aprovechada.

2.5.2 Ciclo Rankine

El ciclo Rankine es representativo de las turbinas de vapor. Es la aplicación del ciclo de Carnot en el caso de utilizar un fluido motor condensable. Si se desprecian las pérdidas de carga y de calor en los componentes fundamentales y no se tienen en cuenta las variaciones de energía cinética y potencial, se obtiene el ciclo ideal de Rankine.

Figura 31. Esquema principal de un ciclo de Rankine

El ciclo ideal se compone de las siguientes etapas [18]:

Compresión isentrópica: se aumenta la presión del fluid con una bomba hasta la necesaria en el evaporador o caldera.

Adición de calor a presión constante. El fluido se calienta hasta la temperatura de saturación; al alcanzar esta temperatura, el fluido pasa a tener una composición bifásica, se comienza a producir vapor. El cambio de fase se realiza a temperatura constante. Posteriormente, cuando se ha evaporado el fluido, sube su temperatura, obteniéndose vapor sobrecalentado.

Expansión isentrópica. El vapor sobrecalentado realiza su expansión en la turbina, disminuyendo su presión hasta llegar a la presión del condensador. El movimiento generado en la turbina permite generar energía eléctrica.

Cesión de calor a presión constante. Se produce en un condensador, donde se cede calor para pasar el fluido de nuevo a estado líquido.

Ciclos combinados

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Figura 32. Diagrama T-s del ciclo de Rankine [20]

Para mejorar el rendimiento del ciclo de Rankine existen algunas modificaciones:

Precalentamiento regenerativo. Se intercambia calor entre dos partes del ciclo. Se transfiere calor de los gases que salen de la turbina al fluido que va a pasar a la caldera. Hay dos tipos de calentadores: cerrados y abiertos.

- Ciclo de Rankine con calentador abierto: consiste en un intercambiador en el que se mezclan las corrientes entrantes. Se ajustan los flujos másicos de las corrientes que entran de tal forma que el resultado de la mezcla a la salida sea líquido saturado. Las presiones a la entrada deben ser iguales.

Figura 33. Esquema del ciclo de Rankine con calentador abierto y diagrama T-s del mismo [20]

- Ciclo de Rankine con calentador cerrado: consta de un intercambiador en el que no se mezclan las corrientes que entran en él. El agua de alimentación circula por el interior de los tubos del intercambiador y el vapor procedente de la turbina por el exterior.

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Figura 34. Esquema del ciclo de Rankine con calentador cerrado y diagrama T-s del mismo [20]

Recalentamiento. Se desea mejorar el rendimiento aproximado de la turbina al funcionamiento isotermo. El vapor realiza una expansión parcial en la turbina y se introduce nuevamente el vapor en la caldera para que se recaliente a presión constante. Más tarde, se vuelve a la turbina y se expande a la presión ambiente.

Figura 35. Esquema de un ciclo de Rankine con recalentamiento

Los ciclos combinados tienen la posibilidad de generar de forma constante energía eléctrica sin depender drásticamente de las condiciones ambientales, tienen una rápida capacidad de respuesta frente a picos de demanda en la red y tienen un bajo coste de producción de electricidad.

Acoplamiento de la energía solar en plantas de ciclo combinado

30 

3 ACOPLAMIENTO DE LA ENERGÍA SOLAR EN PLANTAS DE CICLO COMBINADO

3.1 Tipos de hibridación

Debido al agotamiento de las reservas de combustibles fósiles, se ha aumentado la investigación de energías renovables. Se ha desarrollado la hibridación de las fuentes convencionales con renovables para la generación de electricidad, así se puede producir más energía sin incrementar el consumo o producir la misma energía ahorrando combustible. Esta solución puede ser una medida provisional para la reducción de emisiones contaminantes, mientras que se siguen investigando tecnologías solares más eficientes para una total sustitución de las centrales fósiles [21].

Para la obtención de electricidad mediante la hibridación, se añade tecnología de producción de energía eléctrica complementándose a otro método de generación ya existente.

Existen estudios acerca de la posibilidad de hibridar centrales fósiles con tecnología solar. Centrales de carbón, centrales de gas, o de ciclo combinado son alguno de los ejemplos. Además, hay diseños que combinan la energía solar con otras renovables [22].

La energía solar integrada en un ciclo combinado (ISCC): se refiere a la combinación de una central termosolar con una central de ciclo combinado. Es la tecnología más barata de producción de energía mediante concentración solar, ya que se comparten componentes para la parte solar y la fósil, como la turbina de vapor, lo que supone un ahorro respecto a las centrales solo solares. El trabajo se centrará principalmente en este tipo de hibridación. La hibridación ISCC es la tecnología más desarrollada y presenta las siguientes ventajas [23]:

Puede suministrar energía poco contaminante a la red sin crear una infraestructura completamente nueva. Se ahorran costes.

No es necesario realizar grandes modificaciones en las centrales fósiles para introducir la tecnología de concentración solar o termosolar.

No se requiere almacenamiento térmico, aunque puede ser incluido.

Se reducen las emisiones de CO2 de la planta existente, sin perjudicar al rendimiento, aunque la disminución es menor que la conseguida con la tecnología CCS.

En la actualidad, la tecnología ISCC se ha aplicado a centrales de gas natural sin captura de CO2. Se pueden diseñar según la tecnología solar utilizada, según el lugar donde se realiza la hibridación y dependiendo del modo de operación.

Referido al modo de operación de la planta híbrida, se dan principalmente dos estrategias [21] :

ESTRATEGIAS DESCRIPCIÓN

Ahorro de combustible (Fuel Saving)

La energía producida en la sección solar de la planta híbrida permite sustituir parte de la energía producida por la parte fósil, ahorrando combustible. A su vez, reduce la emisión de gases contaminantes proporcional al combustible ahorrado.

Incremento de potencia de la central

(Power Boosting)

La energía solar producida es una adición a la generación de potencia de la central fósil.

Tabla 3. Estrategias referidas según el modo de operación de la planta híbrida

31

El lugar donde se realiza el aporte de la energía solar al ciclo de potencia, a la central fósil, es el punto de hibridación. Depende del ciclo termodinámico que sigue la planta.

Si se tiene un ciclo Rankine, el punto de hibridación suele realizarse en el precalentamiento del agua de alimentación. En el caso del ciclo Brayton, se hace en la cámara de combustión; y si se trata de un ciclo combinado, en el ciclo de vapor [21].

La hibridación de una central de ciclo combinado (ISCC) consiste en introducir vapor generado mediante una tecnología solar en el sistema de recuperación de calor del ciclo combinado. Así se aumenta la presión del vapor y el rendimiento de la turbina de vapor; por lo que se generará más energía eléctrica.

Para las plantas de gas construidas en Oriente Medio, en el Mediterráneo o en el sur de Estado Unidos, las centrales ISCC pueden ser una buena solución. Son regiones con altas temperaturas durante largos períodos de tiempo, con las consecuencias negativas que producen en las turbinas de gas. Además, presentan una irradiación elevada, y eso se traduce en que la hibridación de estas centrales compensaría el descenso de producción de electricidad debido a las altas temperaturas, que se alcanzan durante el día y coincide con el funcionamiento de la parte solar.

Una opción interesante para disminuir las emisiones en este tipo de plantas es que se puede implementar la tecnología de captura y almacenamiento de carbono (CCS) para disminuir considerablemente las emisiones de CO2 en las centrales fósiles. Según la forma de aprovechamiento de la energía solar se pueden establecer dos tipos de hibridación fósil-solar [23]:

Captura post-combustión de CO2 asistida por energía solar (SAPCAP): consiste en destinar el vapor generado por la tecnología solar a un recalentador del CO2 producido al quemar el combustible. Tras su paso, se puede comprimir el CO2 para su almacenamiento. La hibridación solar evita la pérdida del rendimiento de la planta y reduce los costes con la tecnología CCS, ya que en las centrales sin hibridar se utiliza una gran cantidad de energía al intercambiador de calor mencionado anteriormente.

Gasificación solar con captura de CO2: se debe a la producción de combustibles gracias a la energía solar, generándose CO2 que se captura y almacena. Combustibles bajos en carbono se obtienen mediante el vapor generado por la sección solar.

3.2 Ventajas e inconvenientes sobre el acoplamiento de energía solar

S. M. Besarati, D.Y. Goswami [24] explican que, entre las tecnologías de electricidad solar térmica, la tecnología de torre ha demostrado ser la más prometedora por sus mayores temperaturas de operación, lo cual conduce a una mejor eficiencia térmica y costes totales más bajos. De acuerdo con los objetivos establecidos en el SunShot program del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), la próxima generación de centrales térmicas de electricidad deberían ofrecer eficiencias térmicas cercanas al 50%, en comparación con el ciclo de Rankine subcrítico de vapor (SRC) que actualmente se sitúa con un 42% o menos de eficiencia. Este dato debe ser conseguido bajo condiciones de enfriamiento seco, ya que las plantas solares eléctricas están normalmente localizadas en áreas con escasa pluviometría donde el agua es un recurso escaso.

La eficiencia de conversión eléctrica puede ser incrementada utilizando ciclos combinados de electricidad [25]. En este caso, un ciclo en la parte baja usa el calor residual del ciclo superior resultando una mayor eficiencia y menos calor cedido al medio ambiente. Dependiendo de las temperaturas de operación empleadas como ciclos en la parte baja incluyendo el subcrítico SRC (ciclo Rankine supercrítico (SORC), y dos ciclos de absorción) [24].

Aunque todas las plantas operativas de concentración solar térmica eléctrica están basadas en utilizar SRCs, hay un interés creciente en generar electricidad a más altas temperaturas, y consecuentemente, mayores eficiencias. Esto requiere el uso de receptores solares de alta temperatura. Los ciclos Brayton de gas, que ya han sido empleados durante mucho tiempo en plantas eléctricas de combustibles fósiles, son candidatos potenciales para usarse en el futuro de las plantas de concentración solar térmica. Aire, helio, y dióxido de carbón pueden ser

Acoplamiento de la energía solar en plantas de ciclo combinado

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usados como fluidos de trabajo[24].

Dostal et al. [26] compararon la eficiencia térmica de un ciclo con recompresión de CO2 supercrítico con otros ciclos. La eficiencia esperada para el ciclo del CO2 supercrítico (s-CO2) en las plantas de concentración solar térmica (CST) está en el rango del 43-54% bajo condiciones de enfriamiento húmedo. Sin embargo, las plantas CST están normalmente localizadas en áreas donde el recurso agua es limitado, por lo que enfriamiento seco es el preferido. Incluso bajo condiciones de enfriamiento húmedo, eficiencias cercanas al 50% se pueden conseguir, lo cual es consistente con los objetivos del DOE SunShot program [27].

R.Buck et al. [28] estudiaron la tecnología de una planta eléctrica convencional, los sistemas de turbina de gas son conocidos como componentes de coste ajustado y fiables. En combinación con un ciclo de vapor en la parte baja del ciclo combinado, muy altas eficiencias de conversión pueden ser conseguidas, superando el 60% con las más modernas tecnologías. Esto es significativamente más alto que las eficiencias de los ciclos de vapor que en el momento actual para sistemas solar concentrados de electricidad, que pueden conseguir un 42 % en los sistemas de torre solar con sales fundidas. Por esta razón, los sistemas solares de turbina de gas son considerados una opción atractiva para incrementar la eficiencia de la conversión solar-eléctrica de las plantas solares de concentración, y además reducir el coste de la electricidad (LCOE).

En la siguiente figura, se muestra un esquema de un típico sistema híbrido solar con turbina de gas en una configuración de ciclo combinado. La radiación solar es concentrada por un gran número de heliostatos enfocados a un receptor en la torre. La radiación solar concentrada calienta el aire comprimido en la parte del compresor de la turbina. El aire es calentado antes de entrar en la sección del quemador. En la cámara de combustión, el combustible es aportado para calentar a la temperatura de entrada de la turbina. El aire es expandido en la sección de la turbina generando electricidad. El gas de salida de la turbina se utiliza en un recuperador de calor para proporcionar vapor al ciclo de cola del ciclo combinado [28].

Figura 36. Esquema de un sistema de ciclo combinado híbrido solar [28]

Además, se citan las siguientes ventajas de los sistemas de turbina de gas híbrido-solar [28]:

Alta eficiencia de conversión. Puede obtenerse hasta un 50%.

Reducción del LCOE

La capacidad en la red se asegura con la hibridación con combustible fósil.

Menor coste del bloque de alimentación con respecto a los ciclos de vapor.

Reducción del consumo de agua. Incluso para los sistemas con ciclo de vapor en la zona baja del ciclo combinado, el consumo de agua es significativamente menor al compararlo con un ciclo de vapor convencional. Esta consecuencia se produce por el simple hecho de que solo un tercio del total de la

33

electricidad generada procede del ciclo de baja en el ciclo combinado.

Rápido tiempo de respuesta.

Control simple de la planta.

Posible integración de almacenamiento. Los sistemas de almacenamiento de alta temperatura que emplean unidades del tipo de regenerador presurizados pueden ser integrados en paralelo con el receptor, incrementando el porcentaje solar, por ejemplo, utilizando la energía solar almacenada durante la noche.

Los sistemas de turbina de gas híbridos con solar ofrecen varias ventajas, reduciendo los costes de la energía eléctrica solar. Sin embargo, los sistemas no están maduros todavía. Más desarrollo es requerido para obtener una eficiente y fiable tecnología. Los principales desafíos para la introducción en el mercado de los sistemas de turbina de gas son el desarrollo de las turbinas de gas para operación solar y el desarrollo de receptores de alta temperatura [28].

Figura 37. Esquema de un sistema híbrido solar- ciclo combinado con almacenamiento [28]

M.A. Silva-Pérez [29] expone las altas temperaturas que se pueden obtener eficientemente a través de los sistemas de receptor central gracias a su alto ratio de concentración, ya que se pueden emplear distintas configuraciones del campo de captadores y el receptor.

El uso de ciclos de potencia operando a temperaturas entre 600-800°C, solo moderadamente más alto que los utilizados en las plantas termosolares actuales, han sido identificados como un camino prometedor para incrementar la eficiencia y reducir el LCOE de la próxima generación de plantas termosolares, las cuales requerirían desarrollos tecnológicos alcanzables en un plazo relativamente corto. Hasta 2016, ninguno de estos conceptos ha sido demostrado más allá de la escala piloto. En cualquier caso, este camino ha sido reconocido en diferentes programas e iniciativas, como el DOEs Sunshot [30], el European Solar Thermal Electricity Industry Association, ESTELA [31], o el Australia Solar Thermal Research Initiative, ASTRI [32].

Los ciclos desacoplados combinados solares han sido identificados como una opción prometedora para la reducción del LCOE. Tienen la ventaja de la alta temperatura que se puede conseguir de los sistemas de potencia solares y el almacenamiento de energía termoquímico. Estos ciclos desacoplados son la combinación de un ciclo de alta temperatura donde el calor es proporcionado por un sistema solar de concentración y una temperatura más baja para el ciclo inferior. Este ciclo parece estar concebido para la tecnología solar de torre por su capacidad para conseguir eficientemente altos ratios de concentración y alta temperatura. Teniendo la ventaja de la alta exergía de la radiación solar. Además, el concepto de ciclos combinados solares desacoplados proporciona gran flexibilidad en el diseño de la planta. A pesar de su relativamente desarrollo reciente [33], varias configuraciones

Acoplamiento de la energía solar en plantas de ciclo combinado

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se pueden encontrar en la literatura. Los sistemas desacoplados tienen el potencial de conseguir alta eficiencia sin la necesidad de desarrollo tecnológico significativo, siendo un excelente candidato para la siguiente generación de plantas de concentración solar térmica. El calor sobrante durante la operación del ciclo de alta temperatura puede ser empleado para cargar el sistema de almacenamiento de energía termoquímico, que se usa para la operación desacoplada del ciclo de baja temperatura.

Figura 38. Esquema de un ciclo desacoplado combinado propuesto por [34]

Giovanni Manente [35] analizó las plantas ISCCs que se encuentran en operación (Norte de África, Irán, Italia, USA), y muchos proyectos que están en estudio. Las ISCCs ofrecen muchas ventajas comparadas con plantas termosolares eléctricas, fundamentalmente asociado con la mayor eficiencia de la conversión solar y los menores costes de inversión. Estudió estrategias de operación de aumento de potencia y de ahorro de gas natural encontrando que altas eficiencias de radiación solar a electricidad, en el rango del 24-29%, pueden ser conseguidas en el ciclo combinado integrado con energía solar. Comparado con el aumento de potencia, la estrategia de ahorro de combustible mostró eficiencias térmicas más bajas para el ciclo combinado integrado con solar, debido a la caída de la eficiencia de la turbina de gas a cargas reducidas. Sin modificaciones del equipo existente la proporción máxima solar en el total de la electricidad generada es sólo del 1 %.

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Figura 39. Esquema de una planta ISCC con opciones de vapor solar de alta y baja presión

Manente et al. [36] investigaron una selección de diseños de ciclos combinados integrados con solar (ISCCs), basados en plantas grandes de gas natural. Los resultados mostraron que la eficiencia de radiación solar a eléctrica conseguible en ISCCs es del 27-30%, mayores que los valores máximos obtenidos en plantas eléctricas solares (20-25%), gracias a la eficiencia de la conversión del calor solar en electricidad dentro de la planta híbrida. La eficiencia de radiación solar a electricidad es el producto de la eficiencia del campo solar y la eficiencia a electricidad de la solar térmica. El primer factor está básicamente dictado por la tecnología de concentración solar y la temperatura del fluido de transferencia, el segundo depende fuertemente del punto de integración de la energía solar en la parte baja del ciclo combinado. En relación a la eficiencia del campo solar, los captadores cilindro-parabólicos muestran el mayor valor de eficiencia (61,2%), los sistemas de receptor central solar el más bajo (56,2%) y el lineal Fresnel valores intermedios (alrededor del 58%).El mayor valor de eficiencia solar térmica a eléctrica es obtenido en el ciclo combinado (48,7% neto) en el que el aceite térmico es calentado en los captadores cilindro-parabólicos y utilizado para evaporar una fracción del agua hasta condiciones de vapor saturado. La alta eficiencia de la radiación solar a eléctrica obtenida en el ciclo combinado integrado con solar (29,7% neto) es el resultado de la alta eficiencia obtenida por el campo solar de captadores cilindro-parabólicos con la alta conversión de la energía solar térmica en electricidad. Los diseños de ciclos basados en captadores lineal Fresnel consiguen más bajos incrementos de eficiencias de radiación solar a eléctrica, pero son la única opción viable cuando el suelo disponible para captadores es un factor limitante y podría ser de interés cuando la economía se tiene en cuenta. En conclusión, la mejor tecnología de concentración solar para electricidad de 50 MWe de energía solar en un ciclo combinado de triple presión de 390 MWe demostrado a ser el más adecuado es la tecnología basada en captadores solares con aceite térmico como fluido de transferencia.

L. Duan et al. [37] proponen un nuevo sistema ISCC con el aire comprimido de la turbina de gas como medio de trabajo del captador solar, que elimina principalmente el equipo de almacenamiento de calor. Comparado con el tradicional sistema ISCC con el aceite de transferencia de calor como medio de trabajo en el captador de energía solar, presenta ventajas termodinámicas y económicas.

Stein y Buck [38] realizaron una revisión de ciclos avanzados eléctricos para su uso con energía solar concentrada. El progreso comercial en el área de renovables es bastante rápido, haciendo que el almacenamiento de la energía térmica procedente de la concentración solar esté en una posición excelente para proporcionar bajos costes estables y adaptación a la red. Sin embargo, mayor eficiencia y costes más bajos son críticos. Las turbinas de vapor proporcionan una buena opción comercial, pero son necesarios ciclos eléctricos más avanzados que

Acoplamiento de la energía solar en plantas de ciclo combinado

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ofrezcan mayor agilidad y flexibilidad. Las turbinas de vapor supercrítico son interesantes a gran escala, pero en la actualidad los productos comerciales son demasiado grandes para las torres solares, a menos que se utilicen varias torres con un fluido de trasferencia de calor. Los híbridos de concentradores solares y fotovoltaica combinan los beneficios de la fotovoltaica y el bajo coste del almacenamiento térmico. Los ciclos Brayton cerrados de CO2 supercrítico están en sus inicios de desarrollo, pero permiten una alta eficiencia a temperaturas razonables para un rango de capacidades, reduciendo significativamente los costes. Los próximos años requieren mayor conocimiento en los materiales y los costes de los componentes, además de analizar el funcionamiento mediante la demostración. Los ciclos combinados con turbina de gas conducidos con concentración solar son una de las opciones disponibles con la más alta eficiencia, siendo la demostración clave ya que las altas temperaturas requeridas son un punto crítico.

37

4 INSTALACIONES EXPERIMENTALES ISCC

4.1 Estado del arte

Las plantas ISCC (Integrated Solar Combined Cycle Power Plants) combinan CSP (Concentrated Solar Power) con una planta de ciclo combinado de gas natural (NGCC) y se han situado en buena posición en el sector de generación de energía, ya que es una tecnología que reduce el consumo de combustible fósil, además de disminuir los costes de capital y de operación por integración de la energía solar. Pueden alcanzar eficiencias en el orden del 67%, que es aproximadamente un 10% mayor que en una planta de ciclo combinado convencional [39].

ISCC consigue mayores eficiencias de energía solar en electricidad y costes más bajos comparados con las plantas eléctricas de energía solar solas. Diversos autores establecen que las plantas ISCC serían competitivas con las plantas de ciclos combinados convencionales con un gradual incremento en el precio de los combustibles fósiles. La mayoría de los autores concluyen que las plantas ISCC ofrecen ventajas técnicas y económicas sobre las configuraciones híbridas. Dentro de las plantas ISCC, la torre solar ofrece el mejor comportamiento en la categoría de alta temperatura (>450ºC) (Pramanik y Ravikrishna, [40]).

ISCC se refiere a sistemas de ciclos combinados con energía solar integrada en el ciclo de alta o de baja. Las plantas que están operando actualmente en el mundo utilizan la tecnología de cilindro-parabólico.

Hay tres diferentes configuraciones:

Ciclo combinado con integración en la parte alta del ciclo, similar a las plantas Brayton-solar. Heide et al. [41] estudiaron las torres solares como selección predominante.

Ciclo combinado con integración solar en la parte baja del ciclo. El gas de salida de la parte alta del ciclo combinado se utiliza para generar vapor del ciclo de la parte baja. Todas las plantas operativas tienen esta configuración. El tipo del captador influye en el funcionamiento del ciclo híbrido. -Franchini et al. [42] comparó el funcionamiento del sistema de torre con receptor central con los cilindro-parabólicos para la localización de Sevilla. Concluyeron que los cilindro-parabólicos ofrecen mejor funcionamiento comparado con las torres para el análisis horario en los meses de verano con eficiencias térmicas de hasta el 60%. Sin embargo, el análisis de funcionamiento anual muestra que la tecnología de torre proporciona más energía a una mayor eficiencia cuando se compara con los cilindro-parabólicos. -Horn et al. [43] comparó el fluido de transferencia de calor de cilindro-parabólico (HTF)-ISCC con torre-aire ISCC y concluyeron que los costes de la electricidad para el cilindro-parabólico fueron más bajos que los de torre. Sin embargo, el coste de la electricidad (LCOE) es el mismo para ambos sistemas (31 $/MWh), que es mayor que el de la planta de ciclo combinado de referencia (24 $/MW h). -Manente et al. [36] analizaron y compararon el comportamiento de varias configuraciones de planta ISCC utilizando captadores solares tales como cilindro-parabólico, torre solar y reflectores lineales Fresnel. La configuración utilizando cilindro-parabólico ofreció el mejor comportamiento con eficiencia solar a electricidad del 30%. -Kolb [44] desarrolló una comparación económica de varias plantas híbridas y solas que usan torres solares en los modos de aumento de potencia y ahorro de combustible. El estudio mostró que las plantas híbridas fueron más económicas comparadas con las plantas solo solares.

Ciclo combinado con integración solar en las partes alta y baja del ciclo.

Instalaciones experimentales ISCC

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Figura 40. Esquema básico de una planta ISCC [45]

El concepto de ISCC como una planta solar de captadores cilindro-parabólicos integrada con modernas plantas de ciclo combinado fue propuesto inicialmente a principio de los años 90 por Luz Solar International, los constructores de las plantas SEGS (Solar Energy Generating Systems) en California. La primera planta en comenzar a implantar este concepto fue el Archimede Proyect en Sicilia (Italia). Consistía en dos centrales de gas de ciclo combinado de 380 MW y un campo solar cilindro-parabólico de 5 MW que utiliza sales fundidas como fluido de transferencia de calor (HTF) [45].

A partir de 2015, existen al menos 157 MW de plantas termosolares integradas con una planta de ciclo combinado que utiliza gas natural. Se incluyen el de 75 MW de Martin Next Generation Solar Energy Center en Indiatown (Florida), la planta ISCC de 20 MW Airlight Energy Ait-Baha Pilot Plant en Marruecos, otros 20 MW de la ISCC Hassi R'me en Argelia, en Egipto se sitúa la planta ISCC Kuraymat con 20 MW y los 17 MW de la ISCC Yazd en Irán [45].

Actualmente, también se cuenta con la planta Kogen Creek Power Station en Australia con 750 MW y 44 MW de energía solar térmica adicional. Dicha planta utiliza la tecnología de captadores Fresnel. En el norte de África hay dos plantas que emplean captadores cilindro-parabólicos.

AORA es una compañía que ofrece sistemas solares híbridos con turbinas de gas. El sistema está basado en una microturbina que está adaptada para la operación solar. La microturbina y el receptor solar están montados en una torre, con un pequeño campo de heliostatos proporcionando la radiación solar concentrada. Además de la producción de electricidad, 170 kW de calor del proceso pueden ser aportados del calor de gas de salida de la turbina. Dos prototipos estuvieron en operación en 2015.

Figura 41. Logo de la compañía AORA

39

La tecnología CSP tanto a alta como a media temperatura está perfectamente adaptada a las plantas ISCC. Todas las centrales en construcción (principalmente en el norte de África) manejan la tecnología de captadores cilindro-parabólicos. CSP es una inversión interesante que puede ser instalada en una gran escala.

Durante los días soleados, el agua de alimentación se retira del ciclo combinado de turbina de gas (CCTG) y se convierte en vapor saturado en el generador. En cambio, en los períodos nublados o por la noche, la planta integrada funciona como una planta de ciclo combinado convencional [39].

Se pueden apreciar algunas ventajas de las plantas ISCC:

Las plantas ISCC poseen aproximadamente el doble de la capacidad de la turbina de gas. En consecuencia, el STG de la planta integrada debe ser mayor que en una planta de ciclo combinado convencional. Sin embargo, cuando la energía solar no está disponible en días nublados o por la noche, STG funcionará a carga parcial.

Al agregarse almacenamiento de energía solar térmica, se puede duplicar la contribución solar.

Una buena solución para reducir las emisiones de dióxido de carbono sería disminuir la cantidad de combustible fósil en centrales de carga básica.

Proporciona una fuente de energía más fiable que las plantas de CSP independientes. Las plantas de ISCC no sufren las ineficiencias térmicas (y pérdidas) asociadas a la puesta en marcha/parada diaria de la turbina de vapor CSP (asociado el funcionamiento en baja por la noche y en días nublados).

Figura 42. Esquema de una planta ISCC [39]

La literatura anterior evalúa las ventajas técnicas y económicas de las ISCC, explora diferentes tecnologías térmicas solares, y discute las configuraciones alternativas para optimizar el rendimiento. A continuación, se va a hacer un listado con varios autores que comentan experimentos que realizaron para comprobar los beneficios de las plantas ISCC [45]:

J.H. Peterseim [46] evaluó las tecnologías CSP para su integración en centrales eléctricas de ciclo Rankine. Su estudio concluyó que la línea centrada, como los sistemas de captadores cilindro-parabólicos y Fresnel son ideales para la integración de vapor de baja temperatura (< 400°C). Los

Instalaciones experimentales ISCC

40 

sistemas Fresnel también son adecuados para temperaturas entre 380°C a 450°C y de torres solares de generación directa de vapor a altas temperaturas (> 450°C).

Kelly et al. [47] estudiaron dos diseños de plantas integradas utilizando software de modelado Gate Cycle y llegaron a la conclusión de que la contribución de energía solar anual de hasta 12% en una ISCC debe ofrecer ventajas económicas sobre una planta solar de potencia convencional sólo de captadores cilindro-parabólicos. Además, comprobaron que el uso más eficiente de la energía solar térmica es la producción de vapor saturado de alta presión para su adición al generador de vapor por recuperación de vapor.

Rovira et al. [48] evaluó una serie de configuraciones ISCC con captadores cilindro-parabólicos y encontró que la configuración de generación directa de vapor (DSG) es la mejor opción para la integración de la energía solar; aunque puede haber problemas con el control del campo solar durante momentos transitorios de radiación solar, con el flujo de dos fases en el interior del tubo receptor y los gradientes de temperatura en los tubos receptores.

Montes et al.[49] y Neammahalleh et al. [50], realizaron una evaluación técnico-económica de las ISCC manejando DSG en captadores cilindro-parabólicos y se demostró la gran influencia del tamaño del campo solar en función de la capacidad del ciclo de potencia, es decir del múltiplo solar, en la operación diaria, en el rendimiento anual y en la economía de una planta cilindro parabólica DSG.

Yuanyuan et al. [51] propuso e investigó un nuevo sistema ISCC con entrada solar DSG de dos etapas para aumentar la participación solar. En comparación con una planta de ISCC de una etapa, se encontró que el ISCC de dos etapas proporcionaba un mejor rendimiento y un aumento de la energía solar neta en electricidad (eficiencia de hasta un 30%).

Recientemente, Mokheimer et al. [52] investigaron la viabilidad técnica y económica de integrar un sistema de captadores cilindro-parabólicos (CCP) con un sistema de cogeneración de turbina de gas considerando diferentes capacidades de generación de turbina de gas y áreas de CCP. Llegaron a la conclusión de que los sistemas híbridos con capacidades de generación de turbinas de gas inferiores a 110 MW aumentan insignificantemente el LCOE, pero son más atractivos económicamente en comparación con la cogeneración junto a una tecnología de captura de CO2 [45].

Otros estudios discutieron cuestiones operacionales, costes presentes y beneficios para el funcionamiento de las plantas ISCC en Egipto y Argelia.

Antonanzas et al. [53] analizaron el potencial global de la integración de energía solar térmica en 51 plantas de ciclo combinado con gas natural (NGCC) en la península ibérica bajo diferentes escenarios de operación encontrando que la tecnología ISCC ofrece una enorme oportunidad para mejorar el rendimiento y la eficiencia en los períodos de máxima actividad y reducir las emisiones de CO2. Además, estudiaron la factibilidad de integrar sistemas de captadores cilindro-parabólicos CSP con 21 turbinas de gas de ciclo abierto de Argelia y las turbinas de gas de ciclo combinado concluyen que un aumento del rendimiento de 24,9 GWh/año y un ahorro de emisiones de CO2 de 9,91 kton/año son factibles con tamaños de campo solar que varían de 30 a 37 bucles en centrales de ciclo combinado. Mientras que, en el caso de turbinas de gas de ciclo abierto, un potencial solar de 1085,7 GWh/año y un ahorro de emisiones de CO2 de 652,1 kton/año fueron registrados con acciones solares en el rango de 3-4%.

Moore y Apt [54] simularon un año de operaciones por hora de una ISCC ubicada en Phoenix (Arizona), recibiendo precios que varían de la misma manera que la media de todos los precios por hora nodales en California. La planta se ejecuta para maximizar beneficios marginales por hora por cada hora de cualquiera de las tres situaciones siguientes:

1. La planta sólo funciona con gas natural (p.ej. en la carga base). 2. La planta opera como una ISCC con ambos gases y cualquier energía solar disponible. 3. La planta no funciona en absoluto.

41

Un análisis paramétrico que varía los precios del gas natural entre 2 y 12 $/MMBTU y ajusta los precios de la electricidad por hora para alcanzar promedios anuales entre 35 y 85 $/MWh, da como resultado factores de capacidad ISCC de 3-9%, además el coste nivelado no subsidiado de la electricidad (LCOE) de la porción solar de 170-380 $/MWh [45]. Las plantas ISCC experimentales que se encuentran operativas, desde la primera en Italia, se muestran recogidas en la siguiente tabla con las características fundamentales:

Nombre

Localización

Tecnología

Propietario

Capacidad turbina

MW

Estado

Año comienzo

Recurso solar

kWh/m2/a

Generación

Energía

MWh/a

Área campo solar

m2

Archimede Sicilia, Italia CCP ENEL 5 Activo 2010 1936 9200 31860

MNGSEC Indiantown, Florida

CCP Florida Power & Light Co

75 Activo 2010 - 155000 464908

Airlight Energy Ait-

Baha

Agadir, Marruecos

CCP Cimar, Italcementi

Group

3 Activo 2014 2200 2390 6159

Hassi R'mel Hassi R'mel, Argelia

CCP Sonatrach 20 Activo 2011 - - 183860

Kuraymat Kuraymat,Egipto CCP NREA 20 Activo 2011 2431 34000 130800

Tabla 4. Instalaciones experimentales ISCC operativas en la actualidad

5 CONCLUSIONES Finalmente, tras una investigación exhaustiva en cuanto al acoplamiento de la energía solar térmica en plantas de ciclo combinado de potencia y la correspondiente búsqueda de las instalaciones operativas y experimentales que lo utilizan, se puede concluir:

Las plantas ISCC poseen muchas ventajas como la reducción de las emisiones de CO2, menor LCOE, duplicación de la contribución solar (al agregarse almacenamiento de energía solar térmica), no sufren las ineficiencias térmicas ni pérdidas asociadas a la puesta en marcha/parada diaria de la turbina de vapor.

La mayoría de los autores explican que, entre las tecnologías de electricidad solar térmica, la tecnología de torre ha demostrado ser la más prometedora por sus mayores temperaturas de operación (> 450º C). Esto conduce a una mejor eficiencia térmica y costes totales más bajos.

Sin embargo, apuntan que los sistemas de captación cilindro-parabólicos (ideales para la integración de vapor de baja temperatura) ofrecen el mejor funcionamiento comparados con las torres para el análisis horario en los meses de verano con eficiencias térmicas de hasta el 60%. Todas las centrales ISCC en funcionamiento y las que se están construyendo poseen esta tecnología. En relación a la eficiencia del campo solar, los captadores cilindro-parabólicos son los que ofrecen mejores resultados. Por lo tanto, es la forma de concentrar y captar la energía más recomendable.

La eficiencia de radiación solar a eléctrica conseguible en las plantas ISCC es del 27-30 %, mayores que los valores máximos obtenidos en plantas eléctricas solares (20-25%), gracias a la eficiencia de la conversión del calor solar en electricidad dentro de la planta híbrida. Estas plantas son más económicas, en comparación con las plantas solo solares.

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