1.1.- Objeto y alcance del proyecto

Transcripción

1 1.-Introducción Objeto y alcance del proyecto El objeto y alcance de este proyecto es elaborar una guía para el correcto diseño y dimensionado de una instalación de aire comprimido en una planta termosolar. En primer lugar se hablará de las plantas termosolares así como de sus diferentes tipos y su situación actual en España y Andalucía. Se mostrará la importancia de este sector en auge debido a las características tecnológicas de esta energía que unidas al importante esfuerzo inversor de los últimos años, sitúan a la termosolar como pieza clave en la reducción de la dependencia energética que sufre España, posicionándola como una tecnología energética imprescindible y muy relevante en el panorama energético de los próximos años. Posteriormente se describirá el funcionamiento de un sistema de aire comprimido explicando en detalle los componentes necesarios para su instalación. En las secciones tercera y cuarta del proyecto que nos ocupa se desarrollará una guía y aplicación para ilustrar el diseño del sistema de aire comprimido en una planta termosolar con captadores cilindro parabólicos de 300 MW, que es el objeto de este proyecto. La necesidad de la instalación de aire comprimido en las plantas termosolares y por lo tanto de esta guía nace del requisito de abastecer con aire presurizado equipos tan importantes como turbinas o calderas de apoyo, válvulas de control o válvulas neumáticas que van a regir el correcto funcionamiento y producción de energía de una planta termosolar. Para finalizar este proyecto se realizará un breve análisis de los costes necesarios para la instalación del sistema de aire comprimido en una planta termosolar de 300 MW 1

2 1.2.- Introducción: La energía solar térmica es una de las aplicaciones de mayor interés en la utilización de energías renovables, sobre todo en la última década el sector ha sufrido un gran auge. El principio de funcionamiento de las plantas termosolares es la producción de energía eléctrica en general con aporte de calor. Existen diferentes configuraciones o tipos de plantas termosolares que se explicaran con más detalle a continuación. La termosolar es la única tecnología, junto a la biomasa, que puede contribuir a la estabilidad de la red eléctrica gracias al aporte inercial que proporciona y además tiene una capacidad de seguimiento de la demanda mediante el almacenamiento o la hibridación, los que permiten gestionar su producción según las necesidades del sistema eléctrico. Al contrario que una instalación fotovoltaica, una Planta termosolar no genera electricidad directamente a partir de la radiación solar, sino que transforma esta radiación en energía térmica que es aportada a un ciclo de potencia convencional y este transforma esa energía térmica en energía mecánica. Posteriormente, mediante un generador eléctrico se transforma la energía mecánica en energía eléctrica, siendo ésta última la que se inyecta a la red eléctrica y llega a los puntos de consumo. Las Centrales Termosolares pueden incorporar un sistema de almacenamiento de energía, lo que permite seguir suministrando energía en ausencia de radiación solar. Dependiendo de la capacidad del sistema de almacenamiento, así será el intervalo de tiempo diario durante el cual se podrá seguir suministrando energía eléctrica. El sistema concentrador está constituido por superficies reflectoras que interceptan, concentran y reflejan la radiación solar dirigiéndola hacia el receptor que se encarga de captar esta radiación concentrada e introducirla en el sistema. Como el objetivo es concentrar los rayos solares sobre la superficie del receptor, el sistema concentrador 2

3 debe disponer de un mecanismo de control que le permita seguir la trayectoria del sol de modo que siempre se encuentre enfocado hacia él. Una vez que la radiación concentrada llega al receptor, éste la convierte en energía térmica mediante una transferencia de energía al fluido de trabajo. Por último, el sistema de conversión de energía térmica transforma esta energía en energía eléctrica. Únicamente el concentrador y el receptor son sistemas específicos de una CET y forman lo que se denomina campo solar, el resto son sistemas comunes para cualquier central termoeléctrica. Una característica diferencial de los sistemas termosolares es que la concentración de la radiación la realizan mediante reflexiones especulares, esto hace que únicamente sea aprovechable la componente directa de la radiación solar. Se distinguen cuatro tipos principales de centrales termosolares atendiendo a las características del campo solar, es decir, al sistema utilizado para convertir la radiación solar en energía térmica. Centrales de Colectores Cilindro Parabólicos (CCP) En este tipo de centrales el campo solar lo constituyen filas paralelas de colectores cilindro parabólicos (CCP), pudiendo cada fila albergar varios colectores conectados en serie. Cada colector está compuesto básicamente por un espejo cilindro-parabólico que refleja la radiación solar directa concentrándola sobre un tubo receptor colocado en la línea focal de la parábola, es decir, concentran la radiación solar en dos dimensiones. Como consecuencia de la concentración de la radiación solar se produce un calentamiento del fluido que circula por el interior del tubo receptor. Este tipo de sistemas pueden operar de manera eficiente calentando el fluido que pasa por su interior hasta temperaturas del orden de los 400ºC. La Figura 1.2 muestra los principales elementos de este sistema de concentración solar. 3

4 Figura 1.1 Colectores Cilindro parabólicos Estas centrales con tecnología CCP se considera más madura en estos momentos, y que supone más del 95% de la potencia de generación termosolar instalada en España. Centrales de Receptor central o Torre: Las centrales de receptor central, denominadas normalmente centrales de torre consisten en un campo de helióstatos (espejos) que siguen la posición del sol en todo momento (elevación y acimut) y orientan el rayo reflejado hacia el foco colocado en la parte superior de una torre. La Figura 1.2 representa este tipo central. En este caso la concentración se realiza en tres dimensiones y no en dos como en los CCP, esto hace que el fluido de trabajo que circula por el receptor puede alcanzar temperaturas por encima de los 500 ºC. 4

5 Figura 1.2 Receptor Central o torre El receptor es el encargado de transformar la radiación concentrada en calor, transfiriéndolo a un fluido, que puede ser aire, agua o sales inorgánicas. Este fluido puede utilizarse directamente en caso de que sea agua convertida en vapor, puede emplearse bien para producir vapor, en el caso de que sean sales inorgánicas, o puede emplearse para aumentar el rendimiento de una turbina de gas calentando el aire de admisión a la entrada de la cámara de combustión. Centrales de Disco Parabólico: Son pequeñas unidades independiente formadas por un reflector con forma de paraboloide de revolución que concentra los rayos en el receptor situado en el foco del paraboloide y que, a su vez, integra el sistema de generación eléctrica basado en un motor Stirling. Una variante de este tipo de centrales son las que en lugar de un reflector dispone de varios reflectores de modo que el conjunto forma una estructura que se asemeja a un paraboloide de revolución. La Figura 1.3 representa ambas posibilidades. 5

6 Al igual que en las centrales de receptor central, la concentración se realiza en tres dimensiones e incluso se alcanzan mayores concentraciones, esto permite trabajar con temperaturas de operación aún más elevadas, por encima de los 700 ºC. Los niveles de concentración pueden ir desde 1000 hasta 4000 y, para tamaños de disco normales, en torno a los 10 m. de diámetro, las potencias unitarias van de 5 a 25 kwe. Figura 1.3 Centrales de disco Parabólico Los sistemas de disco parabólico se caracterizan por su alta eficiencia, modularidad, autonomía de operación y capacidad de hibridación, no sólo con sistemas de energía convencional, sino también con otros sistemas termosolares. Captación solar por sistema Fresnel, En este sistema los espejos son planos y están colocados en horizontal, van girando a lo largo del día para ir reflejando los rayos solares sobre el tubo con el fluido calor portador. Ver figura 1.4 6

7 Se destaca por la sencillez de su construcción y por su bajo coste. La tecnología Fresnel utiliza reflectores planos, simulando un espejo curvo por variación del ángulo ajustable de cada fila individual de espejos, en relación con el absolvedor. Los reflectores se construyen con espejos de vidrio normales y por lo tanto su materia prima es muy barata. La forma curvada de los espejos cilindro parabólicos hace que sean un 15% más eficientes que los espejos Fresnel, pero el ahorro de costes de construcción es tan importante que esa disminución de rendimiento se ven suficientemente compensada. Figura 1.4 Sistemas Fresnel Ventajas/inconvenientes de las centrales termosolares: Las centrales termosolares son capaces de producir electricidad a partir de un recurso inagotable como es el Sol sin emitir emisiones contaminantes. Las principales ventajas de este tipo de central frente a las convencionales se indican a continuación: Al emplear la energía del Sol, siendo ésta un tipo de energía renovable presenta un reducido impacto ambiental, respecto a las tecnologías que emplean combustibles 7

8 fósiles. Uno de los principales beneficios de estas energías renovables es la reducción de emisiones asociadas con la producción de la electricidad. Estas emisiones incluyen los gases de efecto invernadero y aquellos que producen la lluvia ácida de las plantas que utilizan combustibles fósiles y la radioactividad asociada con el ciclo de combustible nuclear. Otros beneficios medioambientales de las renovables son el ahorro de agua, mejora de la calidad del suelo y el agua, el tratamiento de residuos, la reducción de la polución en el transporte y otras como; la seguridad en el suministro energético, el empleo y la reestructuración del mercado energético y la mejora de la economía de los países menos desarrollados. Las fuentes de energías renovables presentan, también, una dimensión social y económica; es una apuesta por fuentes de energías descentralizadas, gratuitas, generadoras de empleo en mayor proporción que las convencionales y cuyo disfrute queda garantizado por todos mediante tecnologías simples y de fácil acceso. Dichas tecnologías suponen un importante impulso para la generación de empleo. Resumidamente, las ventajas de las centrales solares son las siguientes: No usa combustibles, eliminando la incomodidad de tener que aprovisionarse y el peligro de su almacenamiento. Impacto ambiental nulo: la energía solar no produce desechos, ni residuos, basuras, humos, polvos, vapores, ruidos, olores, etc. La percepción general por parte de la sociedad de la bondad de las energías renovables junto a la nula emisión de gases por parte de una central termosolar supondría una rápida aceptación social. 8

9 Creación en la zona e indirectamente fomenta empleos en industrias fabricantes de equipos y tecnología de centrales termosolares Una vez realizada la instalación y hecha la inversión inicial, no se originan gastos posteriores (a excepción del mantenimiento); el consumo de energía eléctrica es totalmente gratuito. Entre los inconvenientes que presentan las plantas termosolares nos encontramos muchos de los requisitos que son necesarios para su instalación, como por ejemplo: El clima. La viabilidad económica de un proyecto termosolar depende de forma directa de los valores de irradiación solar directa que se registran anualmente en la zona considerada para la implantación, por lo que normalmente este tipo de centrales se instalan en zonas cálidas y muy soleadas. La orografía. Una superficie plana facilita las labores de diseño y construcción del campo solar, ya que se evitan las sombras que pudiese provocar un terreno ondulado. Disponibilidad de agua. Disponibilidad de conexión eléctrica a la red. Peligro por las altas temperaturas que se alcanzan. Necesidad del empleo de acumuladores de calor para cuando no exista la suficiente radiación solar. 9

10 Centrales termosolares en el Mundo: La tecnología termosolar ofrece unas posibilidades de liderazgo tecnológico por parte de empresas andaluzas. Las condiciones climáticas y geográficas, estado de desarrollo industrial y económico, y el marco legislativo español, hacen de Andalucía el lugar ideal para ser líder y referente a nivel mundial. España goza de los mayores niveles de irradiación solar de Europa y, en concreto, Andalucía cuenta con los mayores registros, por lo que se trata de una Comunidad con un enorme potencial de aprovechamiento del recurso solar. Esto ha propiciado que Andalucía cuente con más del 30% de la superficie de captación solar térmica instalada en España. Además la industria andaluza se encuentra en un lugar privilegiado a nivel internacional gracias, en su mayor parte, a las actividades de I+D+i desarrolladas en la Plataforma Solar de Almería, en la que han participado empresas andaluzas y que ha servido como campo de formación de consumados especialistas en este sector, y a los proyectos de investigación desarrollados en algunas universidades andaluzas. Además, cabe destacar las iniciativas de empresas andaluzas que han apostado por la inversión en la investigación y desarrollo de estas tecnologías, principalmente en la tecnología de colectores cilindro parabólicos, y en la de torre, investigaciones que están originando como resultado la construcción de centrales comerciales con tecnología andaluza. La industria andaluza, por tanto, es capaz de liderar la fabricación de una tecnología con un mercado potencial más que interesante que ya se está haciendo realidad en Andalucía, mercado cuya potencialidad se incrementa sobretodo en los países que reúnen las características de radiación adecuadas para su implantación (los denominados países del cinturón solar), países en los que se prevé un aumento intenso de la demanda de energía eléctrica en los próximos años como consecuencia de su desarrollo al 10

11 pretender equipararse con países que disponen de unas infraestructuras y niveles de industrialización ya consolidados. Existe una dependencia evidente de Andalucía respecto a las fuentes energéticas convencionales. La generación de energía eléctrica mediante centrales termosolares paliaría la dependencia del exterior reduciendo las importaciones de combustible fósiles de otros países. Además, la implantación de centrales termosolares en Andalucía, contribuye a que, al menos el 50% de los costes de inversión repercutan en la industria andaluza, aumentando este porcentaje hasta un 100% en caso de que los equipos termosolares fueran de fabricación propia. Si miramos el panorama de plantas termosolares en España en cifras vemos que las 17 centrales termosolares plenamente operativas durante el año 2010 en España (732,4 MW) han evitado la emisión a la atmósfera de toneladas de gases de efecto invernadero (CO2) y han ahorrado 16 millones de euros si se tiene en cuenta el coste de penalización por la emisión de C02. Figura 1.5 Tabla centrales termosolares en España 11

12 Como podemos ver en la figura anterior Andalucía está a la cabeza de producción de energía termosolar en España en la actualidad, pero aún quedan por delante retos de abaratamiento de costes, de mejora en la operación y de mantenimiento. Pero la energía termosolar no sólo sufre un gran auge en España sino que en los últimos años grandes potencias como EEUU se han unido a este crecimiento y se estan construyendo y proyectando grandes plantas termosolares de 280 MW con sistemas de concentración CCP y almacenamiento de sales, todos ellas llevadas a cabo por empresas españolas. Este tipo de energía esta conquistando terrirorios como Los Emiratos Arabes, Marruecos, Mexico, etc. Entre los nuevos mercados de la energía temosolar se encuentra Asía; en los cinco principales países que forman parte del área Asia Pacífico (China, Japón, India, Australia y Corea del Sur), se estimaba que concentren una cuarta parte de la demanda mundial en el año La caída de precios en la industria solar y nuevos programas de incentivos por parte de los gobiernos de estos países, están generando una mayor demanda en la zona, donde para el próximo año se espera un crecimiento adicional del 45 % en energía termosolar. Los objetivos de China son instalar desde 10 GW a 15 GW para el año Se estima que el mercado chino crecerá durante este año más del 45 %, superando a Japón, y solo por detrás de Italia, Alemania y EE.UU, lo que lo ubica en la cuarta posición a nivel mundial durante el En la siguiente imagen (Figura 1.6) se muetra el ranking aproximado de los 10 principales mercados de energía solar para el

13 Figura 1.6 Ranking mercados termosolares en 2011 España en apenas 3 años, ha pasado de ser el principal mercado mundial a quedar fuera de los 10 primeros en 2011, siendo Asia y EEUU las regiones de mayor crecimiento. Conseguir plantas más baratas, ajustar funcionamiento, optimizar rendimientos y alcanzar un mantenimiento de las instalaciones más eficiente y a la vez más económico son avances a los que la termosolar está plantando cara para ganar el futuro. 13