La hibridación de la energía solar termoeléctrica de alta temperatura con gas natural

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1 La hibridación de la energía solar termoeléctrica de alta temperatura con gas natural 1

2 INDICE 1. Tecnologías de alta temperatura 2. Hibridación con gas natural 3. Configuraciones de hibridación Caldera de gas Ciclo Combinado Otros: Turbina de gas, Motor Stirling.. 4. Legislación en España 5. Instalaciones 2

3 TECNOLOGIAS DE ALTA TEMPERATURA Colectores cilindro parabólicos. CCP CCP concentran la radiación en un tubo receptor por donde circula aceite térmico, que se calienta hasta unos 400 ºC Operación comercial Eficiencia neta anual: 10-15% Opción mayoritaria de plantas actualmente Torre central Espejos (heliostatos) captan la radiación solar y la dirigen hacia el receptor situado en lo alto de una torre, en el que se transforma en energía térmica mediante un fluido de trabajo Precomercial Eficiencia neta anual: 12-16% en Operación/Proyecto 3

4 TECNOLOGIAS DE ALTA TEMPERATURA Concentrador lineal Fresnel Varias filas de espejos realizan el seguimiento del sol en un eje y concentran la radiación solar sobre un tubo receptor ubicado en la parte alta del concentrador Prototipos/Demostración Eficiencia neta anual: 7-9% Disco Stirling Reflejan y concentran la radiación en un receptor que actúa como foco caliente de un motor Stirling, el cual acopla un generador para la producción de electricidad Prototipos/Demostración Eficiencia neta anual 20-22% 4

5 HIBRIDACION Hibridación: Utilización combinada de energía solar y un combustible fósil o renovable Ventajas de la hibridación para instalación solar Adaptar generación a demanda de electricidad Estabilidad de la producción en los transitorios Mayor gestionabilidad Mayor utilización de los equipos de generación eléctrica Mayor rendimiento del ciclo de Rankine Apoyo en arranques 5

6 CURVAS DEMANDA ELECTRICA/RADIACION SOLAR Electricidad Posible hibridación para ajustarse a la demanda DNI Posible hibridación para compensar los transitorios Demanda de electricidad y Radiación Solar Normal Directa (Datos de Badajoz) Posible hibridación para ajustarse a la demanda 6

7 CONFIGURACION HIBRIDACION: CALDERA DE GAS Puede ser en paralelo con el campo solar o en serie sobrecalentando el vapor producido en el generador solar En paralelo: consiste en el precalentamiento del fluido de transferencia de calor en una caldera de gas, de modo que durante los periodos de transitorios, arranques o cuando pueda ser interesante por las condiciones del mercado de electricidad, la caldera de gas sustituye parcialmente al campo solar Ejemplos: Plantas actualmente desarrolladas en España; Plantas SEGS (Esta configuración también es posible generando directamente vapor en la cadera de gas) En serie: consiste en el sobrecalentamiento adicional del vapor procedente de la instalación solar aumentando así la temperatura y mejorando el rendimiento de la turbina Ejemplos: Plantas SEGS, Planta Shams 7

8 CONFIGURACION HIBRIDACION: CALDERA DE GAS Configuraciones de hibridación plantas SEGS Criterios operación con gas plantas SEGS Fuente: KJC Operating Company 8

9 CONFIGURACION HIBRIDACION: CICLO COMBINADO (ISCC) Constituyen las plantas ISCC (Integrated solar combined cycle) Incorporación del vapor solar en una etapa del ciclo de vapor del ciclo combinado Existen distintos puntos de aporte del vapor solar en el ciclo Aunque hay que estudiar cada caso concreto, en ciclos combinados convencionales la mayor eficiencia se obtiene aportando el vapor de alta presión procedente de la instalación solar a la etapa de sobrecalentamiento de la caldera de recuperación de calor. Debido a que la energía térmica para sobrecalentar el vapor solar se obtiene de los gases de escape de la turbina de gas, el dimensionamiento del campo solar está condicionado por el tamaño y características del ciclo combinado 9

10 CONFIGURACION HIBRIDACION: CICLO COMBINADO (ISCC) Esquema tipo de ISCC La integración lleva consigo variaciones en el dimensionamiento de equipos del ciclo combinado En el caso de ISCC sobre ciclo combinado existente, es necesario analizar la capacidad de algunos equipos como sobrecalentadores de vapor de AP, recalentador de vapor y turbina de vapor. 10

11 CONFIGURACION HIBRIDACION: CICLO COMBINADO (ISCC) Ventajas Permite aumentar la temperatura del vapor solar a la entrada a la turbina de vapor, aumentando el rendimiento del ciclo en la instalación solar Evita arranques/paradas diarias de la turbina de vapor de la instalación solar Disminuye el coste del bloque de potencia Normalmente la radiación solar elevada coincide con los momentos de mayor temperatura ambiente, compensando la menor potencia del ciclo combinado convencional en las condiciones de mayor temperatura ambiente. Limitaciones Es necesario sobredimensionar la TV respecto a la situación en que sólo trabaje el ciclo combinado. Ello implica que en las horas en que no haya radiación, la turbina de vapor trabajará a carga parcial, disminuyendo su rendimiento Es necesario sobredimensionar el recalentador y sobrecalentador de vapor de AP respecto a situaciones en que la planta únicamente trabaje como CC. Ello implica la necesidad de ajustar temperaturas de vapor con atemperación Por su gran flexibilidad, en algunos mercados, los ciclos combinados ajustan su producción a las condiciones del mercado. En una ISCC, esto es necesario compatibilizarlo con las condiciones de radiación 11

12 CONFIGURACION HIBRIDACION: CICLO COMBINADO (ISCC)./ )2(14 5$ $&& $#$##$6! "!!! #$% &$ ' ( )*! $$# #& + # &,- Aporte electricidad del campo solar: 16% en punto de diseño 4% en balance anual 12

13 CONFIGURACION HIBRIDACION: CICLO COMBINADO (ISCC) Actualmente, la mayoría de las instalaciones híbridas en fase de proyecto son con la tecnología CCP utilizando aceite térmico como fluido de transferencia de calor Existen proyectos en tecnologías: fase de desarrollo/demostración con otras Proyecto Arquímedes. ISCC en el ciclo combinado de Priolo (Italia). Sustituye el aceite térmico por sales fundidas. Desde el punto de vista de la hibridación al ciclo combinado, presenta la ventaja de que el vapor solar se genera a alta presión y temperatura y se introduce directamente en la TV Proyecto Liddell. Hibridación con la tecnología de concentrador lineal Fresnel. La instalación solar produce agua de alimentación a la caldera de la central térmica Liddell (Autralia). La integración podría aplicarse a un ciclo combinado 13

14 CONFIGURACION HIBRIDACION: CICLO COMBINADO (ISCC) Proyecto Arquímedes Potencia Central de Ciclo Combinado Priolo: 2x380 MW Aporte solar: 28 MW Proyecto Liddell 14

15 CONFIGURACION HIBRIDACION: TURBINA DE GAS Consiste en utilizar la energía solar concentrada para calentar el aire presurizado de una turbina de gas antes de introducirse en la cámara de combustión. La tecnología solar es la de torre central. Se alcanzan altas temperaturas Hay algunos proyectos en fase de I+D: Solgate, SolHyCo, Solugas Esquema de funcionamiento Fuente: Solar Energy 15

16 CONFIGURACION HIBRIDACION: MOTOR STIRLING Los motores stirling son motores alternativos cuyo foco de calor es de combustión externa, por lo que pueden aprovechar calor procedente del sol o bien de una caldera de gas natural Esquema de funcionamiento Fuente: DLR 16

17 LEGISLACION Actualmente en España: Las centrales termosolares pertenecen al régimen especial (RD 661/2007). Su hibridación está contemplada: Posibilidad hibridación con biomasa. Hasta 50%. Hasta 10% gas natural No está regulada la posibilidad de hibridación de centrales solares con plantas en régimen ordinario. Ej. Con ciclos combinados (ISCC) Posibilidad hibridación con gas natural. Hasta 15% 17

18 PROYECTOS DE INSTALACIONES HIBRIDAS CON GAS NATURAL Practicamente todas las instalaciones termosolares en operación tienen hibridación con caldera de gas natural. En España hasta 15%. SEGS 25% Actualmente se encuentran en fase de proyecto o construcción una serie de proyectos ISCC, para operación comercial. Muchos de ellos han sido financiados por Organismos Multilaterales 07() 1.(21 ( (819 : #$ 9 : ;< $ $9( + < : = #& > "?? ( 93 : = #& C : = #& >!?!?? ( = #& > -"?? -??! # D ; # : #& >!!?..7 7 # : #& >!?!? 7 9% : #& >!?!? 18

19 CONCLUSIONES La hibridación aporta importantes ventajas de operación, rendimiento y costes a la instalación solar Existen grandes posibilidades de hibridación de centrales termosolares con gas natural Con calderas de gas está en operación desde las primeras instalaciones Varias plantas ISCC entrarán en operación comercial en los próximos años, todas con tecnología CCP. Será el momento de confirmar prestaciones Existen otros proyectos en fases previas (prototipo/demostración): torre central con turbina de gas, disco stirling con aporte externo de gas natural.. 19

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