análisis energético, exergético y económico de una...

UNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRID

ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

Analisis energetico, exergetico y economico de una centralhıbrida solar-biomasa

TRABAJO FIN DE GRADO

Daniela Ostilla Monico

Tutores del Trabajo Fin de Grado:

D. Javier Rodrıguez MartınD. Rafael Nieto Carlier

U. D. TermodinamicaDepartamento de Ingenierıa Energetica

Universidad Politecnica de Madrid

Febrero de 2019

Agradecimientos

La realizacion de este Trabajo de Fin de Grado no hubiese sido posible sin el apoyo dela gente que me ha acompanado durante estos ultimos cinco anos, a ellos va dedicada estaseccion.

Antes de nada, quiero agradecer a mi tutor Javier Rodrıguez por haberme dado la opor-tunidad de realizar este trabajo con el, aun siendo consciente de las dificultades que puedesuponer dirigir el trabajo de alguien que se encuentra en el otro lado del oceano. Gracias portus consejos.

Quiero agradecer a mi familia por su apoyo incondicional. A mis padres, por haber sido elpilar fundamental de mi educacion y haberme dotado siempre de los medios, tanto economi-cos como inmateriales. A mi hermano Rodolfo, por haber sido siempre un modelo a seguir,por escucharme siempre y ser mi consejero, y por ser una ayuda a su hermana pesada que lehabla a las tantas de la madrugada aprovechando la diferencia horaria.

Tambien quiero agradecer a mi “familia”por haberme contribuido a la parte graciosa/-tonta de mi. A aquellos de Tenerife, por haberme acompanado en mis veranos y navidades devuelta a casa. A aquellos de Madrid, por animarme a no rendirme y hacer la carrera muchomas llevadera. A aquellos de Chile, por haberme hecho sentir en casa, ensenarme a amar elPisco y ayudarme a tomar consciencia de lo que soy capaz de hacer.

Por orden de aparicion: a Carmen, por las mananas, tardes y noches en el Fragata con-tando el chiste de la rana de la boca grande; a Angela, por sus grandes consejos como “ohnino, la vida es ası, hay que fluir”; a Elisa, por su buen humor por las mananas; a Emilio,por alimentarme todos los fines de semana de Teleco; a Claudia Chile, por las noches de vinoen el balcon y cuidarme las 8462 veces que me enferme; a Nacho, porque consiguio aprendera ser un tipo medio elegante.

I

Resumen ejecutivo

El sector de la produccion y consumo de energıa electrica contribuye con un 25 % de lasemisiones totales de gases de efecto invernadero (GEI). A dıa de hoy, un 80 % de la energıa esproducida con combustibles fosiles, el 20 % de la energıa restante es producida con energıasrenovables y energıa nuclear. Los problemas derivados de las emisiones de gases de efectoinvernadero son cada vez mas evidentes y los esfuerzos conjuntos por reducirlas aumentande igual manera. A pesar de haber conseguido frenar la tendencia de seguir aumentando lasemisiones de GEI durante 2016 y 2017, 2018 volvio a presentar un aumento en las toneladasde CO2 equivalente emitidas a la atmosfera.

En cuanto al caso espanol, si se comparan estadısticas nacionales actuales con las de hacediez anos, se puede apreciar el gran aumento de la presencia de las energıas renovables en elmix energetico. Solo entre el 2018 y el ano anterior, la participacion de las renovales en elmix energetico de la Penınsula aumento desde 33,7 % hasta un 40 % [1]. Esto hace vislumbrarel cambio en el que esta inmerso el sector actualmente, donde las energıas renovables pasana tener cada vez mas importancia. Esto es posible no solo gracias al cambio de mentalidadde la poblacion y a su toma de conciencia acerca de los problemas actuales de contamina-cion, sino tambien debido a la gran reduccion de los costes de las energıas renovables. Lastecnologıas fotovoltaicas y eolicas han sufrido un importante descenso de sus costes en losultimos anos, por lo que cada vez resulta mas rentable la realizacion de este tipo de proyectos.

Nuestro paıs presenta un alto ındice de irradiacion solar, suficiente como para hacer quelas tecnologıas de obtencion de energıa electrica a partir de energıa solar resulten una opcioncompetitiva dentro del mix energetico. Dentro de las tecnologıas de produccion de energıaelectrica a partir de la energıa del Sol, se encuentra la tecnologıas fotovoltaica y termoso-lar. La energıa fotovoltaica llama mucho la atencion, en parte, por su capacidad de servircomo fuente de autoabastecimiento para los pequenos consumidores. La energıa termosolarresulta una opcion interesante debido a la posibilidad de almacenar la energıa en forma deenergıa termica. La diferencia fundamental entre ambas tecnologıas es la forma en la que laenergıa electrica es producida: la tecnologıa fotovoltaica transforma la energıa de los fotonesincidentes en el panel en energıa electrica directamente, mientras que la energıa termosolaraprovecha la energıa termica del sol para producir electricidad mediante un ciclo de potenciade Rankine. Es por esto que la energıa se puede almacenar de diferentes formas en una cen-tral termosolar, puesto que es la energıa termica la que se almacena en forma de calor sensible.

Otra de las apuestas actuales papa reducir la generacion de gases de efecto invernadero ala hora de producir energıa electrica es el uso de la biomasa. La biomasa ha sido siempre uncombustible usado por el ser humano, desde el comienzo de los tiempos hasta la actualidad,encontrandose aun como fuente de energıa primaria para calefaccion y coccion en algunasregiones menos desarrolladas. Actualmente se esta promocionando su uso debido a las dife-

III

rentes ventajas que tiene este tipo de combustible frente a los convencionales. A pesar deque su quema produce CO2, durante mucho tiempo se considero como combustible neutroen emisiones de CO2 puesto que se consideraba que el CO2 emitido durante su quema era elequivalente al absorbido durante su crecimiento. Cada vez son mas los estudios que tratande hacer una mejor aproximacion de la cantidad de GEI producido debido al consumo delas diferentes clases de biomasa (en cuyo caso seguirıa siendo menor al producido por loscombustibles fosiles); a pesar de ello, sigue siendo una gran apuesta en las regiones en las queexiste garantıa de suministro de biomasa.

Las centrales termosolares precisan de un alto ındice de irradiacion para poder operar.Esto hace que se presenten factores de planta mucho menores que los que presentan las cen-trales convencionales. La hibridacion permite aumentar el factor de planta de las centrales,pudiendo llegar a producir en las horas en las que la radiacion es menor. La hibridacionhace posible tambien implementar mejoras a los ciclos de Rankine convencionales como porejemplo el sobrecalentamiento del vapor para aumentar el rendimiento termico. Hoy en dıaexisten centrales termosolares con diferentes grados de hibridacion, segun la naturaleza de latecnologıa con la que se hibrida.

La hibridacion con biomasa ha demostrado ser una opcion factible para centrales de po-tencia instalada de entre 5 y 50 MW [2]. Existe unicamente una central comercial con estascaracterısticas: la central termosolar de Borges Blanques. Esta central de 22.5 MWe de po-tencia nominal, situada en la provincia Lleida, combina un campo de heliostatos con doscalderas biomasa. Debido a la existencia de estas dos calderas, la central puede operar las 24horas del dıa, abasteciendo de energıa electrica a unos 27.000 hogares de la region.

El hecho de aumentar el factor de planta va ligado a una reduccion menor coste niveladode la energıa (LCOE). Gran parte del LCOE es debido al coste de inversion del campo deheliostatos, el cual se reduce si parte del calor aportado al ciclo de Rankine se proporcionacon una fuente externa de mayor rendimiento que los heliostatos.

La hibridacion suele dar lugar tambien a un aumento de los rendimientos energeticos yexergeticos de la central. El campo de heliostatos tiene asociado un rendimiento moderado(suelen presentar valores en torno al 60 %). Es por esto que al anadir parte del calor necesa-rio con una caldera, que suele presentar rendimientos mayores, se conseguirıan rendimientosglobales mayores.

El objetivo de este Trabajo de Fin de Grado es analizar las posibles ventajas derivadasde la hibridacion de una central termosolar con una caldera termosolar. Para ello se empleala metologıa 4E (Energy, Exergy, Environment and Economic), muy utilizada a la hora deevaluar centrales de produccion de energıa electrica. Esta metodologıa propone evaluar eldesempeno de la central desde un punto de vista energetico, exergetico, ambiental y economi-co. Se comparara el desempeno de una central hıbrida con el de una central termosolarconvencional.

Metodologıa

Con el objetivo de poder hacer una representacion fiel de una central hıbrida, se tomancomo datos de partida algunos de los datos conocidos de la central de Borges Blanques. Unavez determinados, se propone un modelo del ciclo termodinamico de la central. Dicho ciclo

IV

se muestra en la Figura 2.

Figura 2: Ciclo termodinamico a estudiar

Para la modelizacion del ciclo se parte de una evaluacion de cada una de las corrientesdel ciclo, analizando despues todos los dispositivos de la central para realizar finalmente losanalisis globales de toda la instalacion. El ciclo termodinamico de la central convencional esequivalente al de la central hıbrida, con la diferencia de que se elimina el efecto de introducirla caldera.

La modelizacion de ambas configuraciones se realizo empleando Matlab. Los calculos rea-lizados se basan principalmente en balances de energıa y calculos segun la primera ley dela termodinamica. Gran parte de los calculos exergeticos se llevaron a cabo mediante ba-lances de exergıa. Tras haber realizado todos los calculos, se analizaron los resultados de lasimulacion comprobando la coherencia de los mismos y realizando las correcciones necesarias.Una vez terminada la simulacion de la central, se procedio a realizar el analisis economico deambas configuraciones. Este ultimo analisis incluye un analisis de sensibilidad para compararla evolucion del LCOE de ambas configuraciones ante diferentes escenarios.

Como resultado del analisis previo, se obtiene el rendimiento energetico y los rendimientosexergeticos de ambas configuraciones. Se calcula tambien el coste nivelado de la energıa conel fin de poder hacer una comparacion objetiva del coste de produccion de energıa electricade ambas configuraciones.

El rendimiento segun la primera ley de la termodinamica, tambien llamado rendimientotermico, se calcula como:

η = Pneta

QHTF + mcomb · PCI(1)

Donde Pneta es la potencia neta de la central, QHTF es el calor aportado al bloque de po-

V

tencia por el campo solar y mcomb ·PCI es el calor aportado por la combustion de la biomasa.

Para el calculo del rendimiento exergetico, se utilizan dos expresiones diferentes. La pri-mera de ellas, expresada como rendimiento ε realiza una evaluacion global de la central,semejante a la definicion del rendimiento energetico. Este rendimiento compara la exergıafinalmente aprovechada con la exergıa de entrada.

ε = PnetaESol + mcomb · ε0

(2)

Donde Esol es la exergıa aportada por el campo solar y mcomb · ε0 es la exergıa del com-bustible.

Por otra parte, el rendimiento exergetico ψ evalua las destrucciones exergeticas de cadadispositivo y su constribucion al rendimiento exergetico global de la planta. Cuanto mas seacerque ψ a la unidad, mas reversible es el proceso analizado. Su expresion es:

ψ = 1−∑

δi (3)

δi = Ii∑∆Ein

(4)

Donde δi representa la destruccion exergetica adimensionalizada del dispositivo i de laplanta, Ii representa la destruccion exergetica en el dispositivo i y

∑∆Ein representa la

suma de corrientes de entrada de exergıa a la planta.

El parametro mas utilizado para comparar costes de centrales de produccion de energıaelectrica es el coste nivelado de la energıa (LCOE). La expresion que lo calcula es:

LCOE =∑ni=0

CI+CO&M +CF +Cind(1+r)i∑n

i=0Eg

(1+r)i

(5)

Donde CI son los costes de inversion, CO&M son los costes de operacion y mantenimiento,CF son los costes de combustible, Cind son los costes indirectos (incluyen las penalizacionespor emisiones de CO2), Eg es la energıa electrica generada, r es la tasa de descuento, i es elano de la planta y n son los anos de vida util de la planta. Durante la realizacion del estudiose asume que toda la inversion se realiza en el ano 0 y que el resto de costes son constantesa lo largo de toda la vida util de la planta, por lo que el LCOE se puede expresar de unamanera mas simplificada:

LCOE = CI · CRF + CO&M + CF + CindEg

(6)

Siendo CRF el factor de recuperacion del capital, que se calcula como:

CRF = r(1 + r)n

(1 + r)n − 1 (7)

Software

El software empleado para realizar los calculos de este estudio fue Matlab. Las propie-dades del agua fueron obtenidas mediante el codigo de Matlab XSteam, desarrollado por M.

VI

Holmgren. Este codigo es una implementacion de la formulacion estandar de IAPWS-97.

Los diagramas de Sankey fueron realizados mediante Matlab. El codigo utilizado ha sidodesarrollado por J. Spelling, del KTH Royal Institute of Technology. Los diagramas T-s y h-sde los ciclos termodinamicos propuestos fueron realizados con EES.

Resultados

Del analisis energetico y exergetico de cada simulacion se obtienen como resultado losrendimientos globales de la planta recogidos en la Tabla 1.

Rendimiento Hıbrida Solarη 0,3661 0,3292ε 0,2391 0,2121ψ 0,2434 0,2192

Tabla 1: Rendimientos globales de la configuracion hıbrida y solar

La potencia neta fue uno de los parametros obtenidos durante la realizacion de la simu-lacion. Su valor fue obtenido mediante procesos de iteracion. Se puede ver que para ambasconfiguraciones, la potencia neta resultante es equivalente.

Configuracion Potencia neta [MW]Hıbrida 22,478Solar 22,478

Tabla 2: Potencia neta obtenida como resultado de la simulacion de ambas configuraciones

Otro de los parametros de interes en este estudio era el coste nivelado de la energıa. Enla Tabla 3 se muestra el LCOE de cada configuracion. Tambien se incluye en dicha tabla elarea del campo de heliostatos de cada configuracion.

Configuracion Campo de heliostatos [m2] LCOE [e/MWh]Hıbrida 124.048 143,70Solar 174.048 153,45

Tabla 3: Parametros economicos de interes de ambas configuraciones.

De los resultados mostrados anteriormente se pueden deducir claramente las ventajas quepresenta una instalacion hıbrida sobre una solar convencional. Los rendimientos η y ε pre-sentan un mayor valor puesto que parte del calor aportado al ciclo de Rankine se realiza porla caldera, la cual presenta un mayor rendimiento energetico y exergetico que el campo deheliostatos. Por otra parte, el rendimiento ψ evalua la contribucion a la destruccion exergeticaglobal de cada elemento. A pesar de que la configuracion hıbrida tiene un elemento mas enel circuito (la caldera de biomasa), tiene un rendimiento ψ mayor que la configuracion solar.Esto se debe fundamentalmente a que en la configuracion solar circula un mayor caudal masi-co de aceite termico en un campo de heliostatos mayor, por lo que la destruccion exergeticaes significativamente mayor en esta configuracion.

En lo relativo al analisis economico de ambas configuraciones, la configuracion hıbridavolvio a representar unas mejores prestaciones que la configuracion solar convencional. Esto

VII

se debe fundamentalmente a que el campo de heliostatos de la configuracion hıbrida resultoser notablemente menor que el de la configuracion solar (aproximadamente un 29 % menor),lo que se traduce en unos costes de inversion mucho menores en la configuracion hıbrida.

El analisis de sensibilidad llevado a cabo se baso en analizar la evolucion del LCOEante cambios en los parametros sujetos a posibles cambios a lo largo del tiempo: numero dehoras de funcionamiento anuales, precio de la biomasa y precio del campo solar. Los analisispermitieron cuantificar la importancia de la diferencia en el tamano de ambos campos deheliostatos: el hecho de variar las horas de funcionamiento anuales y el precio de la biomasaproducıa muy poca variacion en la diferencia relativa de los precios de ambas configuraciones.El LCOE de la configuracion solar resulto ser menor unicamente en el caso de suponer unadisminucion de mas del 50 % en el coste del campo de heliostatos.

Palabras clave

Analisis energetico, analisis exergetico, energıa solar, biomasa, hibridacion, analisis economi-co.

Codigos UNESCO

2207.09 Conversion de energıa.

2213.10 Relaciones termodinamicas.

3322.02 Generacion de energıa.

3322.05 Energıa solar.

3328.16 Transferencia de calor.

VIII

Indice general

Agradecimientos I

Resumen ejecutivo III

Lista de figuras XI

Lista de tablas XIII

1. Introduccion 11.1. Recurso Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Energıa termosolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3. Utilizacion de la biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4. Hibridacion de centrales termosolares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.5. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2. Metodologıa seguida 92.1. Calculo de las corrientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2. Calculo de los dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2.1. Turbinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2.2. Bombas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.3. Intercambiadores de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2.4. Desgasificador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.5. Campo solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2.6. Caldera de biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.3. Calculos de Planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3.1. Analisis energetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3.2. Analisis exergeticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.3.3. Analisis economico de la central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.3.4. Analisis medioambiental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3. Descripcion de la instalacion 273.1. Aspectos generales de la central original: Termosolar Borges Blanques . . . . 27

3.1.1. Componentes de la central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.1.2. Operacion de la central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4. Descripcion del modelo desarrollado 314.1. Modelo de la planta propuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.1.1. Descripcion del ciclo termodinamico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.1.2. Diferencias con la central de Borges Blanques . . . . . . . . . . . . . . 33

IX

Indice general

4.2. Hipotesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.2.1. Modelo termodinamico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.2.2. Modelo economico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.2.3. Sustancias presentes en el ciclo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.3. Modelo desarrollado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5. Resultados y discusion 455.1. Resultados de la configuracion hıbrida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.1.1. Corrientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455.1.2. Dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475.1.3. Planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.2. Resultados de la configuracion solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.2.1. Corrientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.2.2. Dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535.2.3. Planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.3. Discusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.3.1. Rendimientos globales de la planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.3.2. Procesos. Analisis de destruccion exergetica . . . . . . . . . . . . . . . 585.3.3. Analisis economico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.3.4. Analisis de sensibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

6. Conclusiones 67

7. Planificacion temporal y presupuesto 697.1. Planificacion temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697.2. Presupuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

8. Valoracion del impacto del analisis 4E 77

Nomenclatura 79

Bibliografıa 80

X

Indice de figuras

2. Ciclo termodinamico a estudiar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V

1.1. Flujos, reservas de exergıa y destrucciones exergeticas globales [4]. . . . . . . 21.2. Tecnologıas existentes para el aprovechamiento de la energıa termosolar me-

diante concentracion [8]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3. Conusmo de energıa primaria, medida en TWh, segun el ano [9]. . . . . . . . 51.4. Perfil de generacion de una central termosolar hıbrida con capacidad de alma-

cenamiento [21]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1. Etapas del analisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2. Diagrama h-s del proceso de expansion de una turbina real [24]. . . . . . . . . 132.3. Diagrama h-s del proceso de bombeo de una bomba real [24] . . . . . . . . . 152.4. Evolucion de las temperaturas de las corrientes de un generador de vapor

dependiendo de si los flujos son paralelos (izquierda) o cruzados (derecha) [25]. 152.5. Estudio del condensador como volumen de control. . . . . . . . . . . . . . . . 172.6. Flujos de exergıa de un colector solar cilindro-parabolico. . . . . . . . . . . . 192.7. Irreversibilidades de un proceso de combustion isobara. Adaptado de [30]. . . 202.8. Flujos de exergıa presentes en la caldera. Adaptado de [30]. . . . . . . . . . . 212.9. Desglose de costes de la inversion total de una central de espejos cilindro-

parabolicos convencional [8]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.1. Vista aerea de la central termosolar de Borges Blanques. . . . . . . . . . . . . 283.2. Vista aerea del bloque de potencia de la central termosolar Borges Blanques. 29

4.1. Ciclo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.2. Esquema general de la caldera de biomasa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.3. Proceso de iteracion para el calculo del caudal de vapor. . . . . . . . . . . . . 394.4. Proceso de iteracion para el calculo de la caldera. . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5.1. Diagrama T-s del ciclo termodinamico de la configuracion hıbrida. . . . . . . 465.2. Diagrama h-s del ciclo termodinamico de la configuracion hıbrida. . . . . . . 465.3. Contribucion a la destruccion exergetica global de cada dispositivo en la con-

figuracion hıbrida (I) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495.4. Contribucion a la destruccion exergetica global de cada dispositivo en la con-

figuracion hıbrida (II) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495.5. Diagrama de Sankey de la configuracion hıbrida. . . . . . . . . . . . . . . . . 505.6. Diagrama T-s del ciclo termodinamico de la configuracion solar. . . . . . . . . 525.7. Diagrama h-s del ciclo termodinamico de la configuracion solar. . . . . . . . . 535.8. Contribucion a la destruccion exergetica global de cada dispositivo en la con-

figuracion solar (I) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

XI

Indice de figuras

5.9. Contribucion a la destruccion exergetica global de cada dispositivo en la con-figuracion solar (II) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.10. Diagrama de Sankey de la configuracion solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.11. Comparacion entre los rendimientos de la configuracion hıbrida y solar. . . . 575.12. Diagrama T-s de los ciclos termodinamicos de ambas configuraciones. En azul

el ciclo de la configuracion hıbrida y en rojo el ciclo de la configuracion solar. 575.13. Destruccion exergetica en las turbinas de ambas configuraciones. . . . . . . . 585.14. Destruccion exergetica en las bombas de ambas configuraciones. . . . . . . . . 585.15. Destruccion exergetica del desgasificador, condensador y tren de intercambia-

dores de calor de ambas configuraciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595.16. Efecto que provoca sobrecalentar el vapor hasta temperaturas elevadas en el

ciclo Rankine ideal [23]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595.17. Grafico T-L del Tren de Intercambiadores de calor. . . . . . . . . . . . . . . . 605.18. Grafico T-L del Condensador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615.19. Flujos de exergıa en el desgasificador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615.20. Desglose de LCOE de la configuracion hıbrida . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.21. Desglose de LCOE de la configuracion solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.22. Comparacion de costes asociados a ambas configuraciones. . . . . . . . . . . . 635.23. Analisis de sensibilidad: variacion del LCOE con respecto de las horas de fun-

cionamiento anuales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645.24. Analisis de sensibilidad: variacion del LCOE con respecto del precio de la

biomasa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645.25. Analisis de sensibilidad: variacion del LCOE con respecto al precio del campo

solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

7.1. Diagrama Gantt del proyecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

XII

Indice de tablas

1. Rendimientos globales de la configuracion hıbrida y solar . . . . . . . . . . . VII2. Potencia neta obtenida como resultado de la simulacion de ambas configuracionesVII3. Parametros economicos de interes de ambas configuraciones. . . . . . . . . . . VII

2.1. Coeficientes del polinomio del poder calorıfico de la biomasa empleada [24]. . 112.2. Exergıa quımica estandar de diferentes compuestos [30] . . . . . . . . . . . . 11

4.1. Temperaturas y presiones conocidas del ciclo termodinamico. . . . . . . . . . 354.2. Costes especıficos de inversion [41] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.3. Composicion masica del combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.4. Propiedades termodinamicas del aceite termico . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5.1. Propiedades de las corrientes de aceite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455.2. Propiedades de las corrientes de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455.3. Propiedades de las corrientes gaseosas de la caldera . . . . . . . . . . . . . . . 475.4. Desglose exergıas de corrientes de la caldera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475.5. Composicion masica de los humos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475.6. Potencia consumida y generada por los dispositivos de la configuracion hıbrida 475.7. Destrucciones exergeticas en los dispositivos de la configuracion hıbrida . . . 485.8. Rendimientos exergeticos de los dispositivos de la configuracion hıbrida . . . 485.9. Rendimientos energetico y exergetico de la central . . . . . . . . . . . . . . . 505.10. Costes de inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.11. Costes de operacion y mantenimiento de la configuracion hıbrida . . . . . . . 515.12. Propiedades de las corrientes de aceite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.13. Propiedades de las corrientes de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525.14. Potencia consumida y generada por los dispositivos de la configuracion solar . 535.15. Destrucciones exergeticas en los dispositivos de la configuracion hıbrida . . . 545.16. Rendimientos exergeticos de los dispositivos de la configuracion solar . . . . . 545.17. Rendimientos energetico y exergetico de la configuracion solar . . . . . . . . . 565.18. Costes de inversion totales de la configuracion solar . . . . . . . . . . . . . . . 565.19. Costes de operacion y mantenimiento de la configuracion solar . . . . . . . . 56

7.1. Horas destinadas a la realizacion del proyecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747.2. Coste total del proyecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

XIII

Indice de tablas

XIV

Capıtulo 1

Introduccion

1.1. Recurso Solar

Debido a la creciente preocupacion de la humanidad acerca de como enfrentar los proble-mas asociados al cambio climatico y la creciente demanda de energıa electrica, el hombre haempezado a mirar el Sol como una nueva fuente inagotable de energıa. Desde el principio delos tiempos el Sol ha sido siempre, directa o indirectamente, la fuente principal de energıade la Tierra. La luz solar es la que ha permitido y permite que los organismos vivan en lasuperficie terrestre. La radiacion solar es asimilada por las plantas mediante la fotosıntesis,y estas sirven de alimento de muchos animales. La descomposicion de las plantas y de otrosseres vivos hace millones de anos almaceno la energıa solar en forma de combustibles fosiles(carbon, petroleo y gas natural). Entre otras cosas, la radiacion solar es la causante de muchosfenomenos atmosfericos como el viento y las corrientes oceanicas. La energıa nuclear generadaen la Tierra tiene su origen en los elementos pesados que se crearon bien en el centro del Solo de alguna otra estrella.

Actualmente alrededor de un 80 % de la demanda electrica mundial es suplida con energıade combustibles fosiles. El quemado de combustibles fosiles ha promovido la toxicidad de losecosistemas, la acidificacion de la tierra, formacion de material particulado y la estratificaciondel agua. Muchos paıses estan realizando esfuerzos para motivar la integracion de energıasrenovables en la matriz energetica nacional. Esta integracion presenta diferentes inconvenien-tes, motivados principalmente por el bajo factor de planta que presentan las centrales queusan recursos renovables como fuente de energıa primaria. Entre los inconvenientes destacatambien el bajo factor de planta que presentan actualmente algunas de las tecnologıas y laintegracion de generacion intermitente con las centrales fosiles actuales.

Los flujos de exergıa mundiales se muestran en la Figura 1.1. En la figura se puede ver lacantidad de exergıa proveniente del Sol que corresponde a cada una de las fuentes de energıaprimaria.

1.2. Energıa termosolar

Las formas mas conocidas de aprovechar la energıa proveniente del sol son las denomi-nadas tecnologıas fotovoltaica y termosolar. Hoy en dıa es mas comun encontrar centralesfotovoltaicas en todo el mundo debido a que los precios han bajado drasticamente los ulti-mos anos. Esto ha promovido la inversion de los grupos de interes en esta tecnologıa, incluso

1

1.2. Energıa termosolar

Figura 1.1: Flujos, reservas de exergıa y destrucciones exergeticas globales [4].

gobiernos han desarrollado programas de electrificacion de areas rurales gracias a instala-ciones de paneles solares. A pesar de esto, la energıa termosolar ha encontrado un lugarpara desarrollarse en algunos paıses con altos ındices de irradiacion. Esta tecnologıa permitealmacenar parte de la energıa en los perıodos de menor irradiacion, cosa que es posible uni-camente empleando baterıas en el caso de los paneles fotovoltaicos. A diferencia de la energıasolar fotovoltaica que convierte la radiacion solar directamente en energıa electrica, la energıatermosolar aprovecha la radiacion solar para producir vapor. La ventaja que presenta estatecnologıa frente a otras fuentes de energıa renovable es la posibilidad de almacenamiento.El sobredimensionamiento de las centrales permite almacenar energıa termica para producirelectricidad en las horas del amanecer y el atardecer, cuando la radiacion no es tan intensa.Las desventajas mas importantes de la tecnologıa solar termica son:

1. Necesidad de grandes extensiones de tierra con altos ındices de irradiacion solar, dondeno existan perıodos prolongados de nubosidad. Estas caracterısticas suelen presentarseen desiertos, que son ecosistemas fragiles. La instalacion de los espejos de una centraluna central termosolar requiere de una cimentacion adecuada para que los sistemasde seguimiento solar sean robustos [5]. La instalacion de paneles fotovoltaicos suponeun menor impacto en la zona de instalacion. A pesar de esto los desarrolladores deproyectos termosolares pueden buscar emplazamientos ya afectados por alguna otraactividad para ası reducir su impacto.

2. Acceso a recursos hıdricos. Al igual que los circuitos de potencia de las centrales con-vencionales, las centrales termosolares necesitan demandan grandes cantidades de aguapara su sistema de refrigeracion. Una pequena parte de la demanda de agua correspondea la limpieza periodica de los espejos. Las centrales termosolares pueden utilizar tecni-cas de refrigeracion seca, humeda e hıbrida para maximizar la eficiencia en generacionelectrica y el ahorro de agua.

3. Alta inversion inicial. La construccion de centrales termosolares lleva asociada una

2

Capıtulo 1. Introduccion

gran inversion inicial. Los proyectos de construccion de centrales de esta tecnologıa sonproyectos a largo plazo ya que la recuperacion de la inversion inicial es lenta.

A pesar de que existen diferentes tecnologıas que permiten aprovechar la radiacion solarpara convertirla en energıa termica, el principio de funcionamiento de estas es basicamente elmismo. Se concentra la radiacion solar mediante espejos en un area reducida donde se reco-lecta el calor. Existen dos posibilidades para generar vapor mediante esta tecnologıa: circuitoprimario donde se calienta directamente el fluido de trabajo (cuando circula por el circuitoagua y vapor) o mediante un circuito secundario que intercambia calor con el circuito deagua/vapor (se suele emplear aceite termico en el circuito secundario).

Hoy en dıa existen cuatro tecnologıas de concentracion solar: concentradores cilindro-paraolicos, sistemas de torre o receptor central, discos parabolicos y concentrador lineal deFresnel. La tecnologıa que mayor presencia tiene en la actualidad es la de los colectorescilindro-parabolicos aunque se prevee un mayor desarrollo de sistemas de receptor central.En la Figura 1.2 se muestra un esquema de las tecnologıas de concentracion solar.

Figura 1.2: Tecnologıas existentes para el aprovechamiento de la energıa termosolar medianteconcentracion [8].

A continuacion se describe el funcionamiento de cada una de las tecnologıas:

Sistemas de torre o receptor central. Compuestos de un campo de heliostatos con segui-miento en dos ejes (elevacion y azimut) y orientados hacia un unico foco colocado en loalto de una torre. Los heliostatos suelen ser planos o ligeramente concavos. En el colec-tor central, la energıa termica es absorbida por un fluido calor portador, generalmenteun aceite termico, que transfiere esta energıa mediante intercambiadores de calor a unciclo de vapor para generar electricidad. La concentracion de calor en el receptor centralda lugar a muy altas temperaturas, lo que aumenta la eficiencia del ciclo de Rankine

3

1.3. Utilizacion de la biomasa

y reduce el costo de almacenamiento de energıa termica. Los ordenes de concentracionson de 200 a 1.000 [7].

Colectores cilindro-parabolicos. Son concentradores de foco lineal con seguimiento enunico eje. Se situa un tubo absorbedor en el foco de la parabola por el que suele circularun aceite termico. Al igual que sucede con los receptores centrales, se transfiere la energıatermica a un fluido calor portador y para luego generar vapor en un ciclo de Rankine.Las concetraciones de la radiacion es de 30 a 80 veces la radiacion solar [7].

Receptores lineales de Fresnel. Se aproxima una parabola mediante el uso de largas filasde espejos planos, ligeramente curvados y apuntando a un unico foco, donde se situaun tubo absorbedor. Los espejos pueden tener seguimiento en uno o dos ejes. La granventaja de esta tecnologıa es la simplicidad de su diseno, lo cual reduce en gran medidala inversion inicial. Tambien permiten la generacion directa de vapor, sin necesidad deuso de aceites termicos e intercambiadores de calor.

Discos parabolicos. A diferencia de las otras tecnologıas estan compuestas de unidadesindependientes, mientras que las otras tecnologıas requieren de numerosos heliostatospara conseguir la concentracion deseada. El heliostato es un reflector parabolico con unreceptor colocado en el foco de la parabola. El receptor tiene incorporado un motor Stir-ling con el cual se convierte la energıa termica en trabajo. Los niveles de concentracionson superiores a los presentados en las demas tecnologıas (1.000-4.000) [7].

1.3. Utilizacion de la biomasa

Antes de la Revolucion industrial, la fuente principal de energıa a escala global era labiomasa. Hoy en dıa supone una aportacion pequena en el mix energetico mundial. A pesarde esto, en los paıses menos desarrollados sigue teniendo una gran importancia como fuenteenergetica primaria para la calefaccion y coccion. Se puede ver en la Figura 1.3, como elconsumo de biocombustibles tradicionales se ha mantenido estable a lo largo de los ultimosdos siglos.

La biomasa puede usarse para producir electricidad, energıa termica o combustibles parael transporte (biocombustibles). La biomasa se define como organismos vivos o recientemen-te muertos, animal o vegetal, o cualquier subproducto de estos. Se realza la aclaracion deorganismos recientemente muertos puesto que los combustibles fosiles son producto de unproceso de fosilizacion de organismos, por lo que podrıan incluirse en esa definicion en casode no puntualizar lo anterior. La biomasa absorbe CO2 a medida que crece y libera ese CO2cuando se utiliza como energıa, lo que da como resultado un ciclo neutro en carbono que noaumenta la concentracion atmosferica de gases de efecto invernadero [10].

Los biocombustibles pueden ser considerados como un recurso renovable siempre y cuandohayan sido elaborados mediante un proceso sostenible de produccion de biomasa. A nivelinternacional, cada vez mas es mayor el interes por aumentar la participacion de la biomasay biogas en el mix energetico nacional ya que estos presentan una variedad de ventajas. Estose debe principalmente a tres razones [11]:

1. Beneficios polıticos y economicos, derivados principalmente de la reduccion de la de-pendencia del crudo y el gas extranjero.

4


Figura 1.3: Conusmo de energıa primaria, medida en TWh, segun el ano [9].

2. Creacion de empleo: los biocombustibles crean hasta veinte veces mas empleo que elcarbon y el petroleo.

3. Beneficios ambientales como reduccion en las emisiones de gases de efecto invernadero,reduccion de la lluvia acida y mejora de los suelos.

A pesar de esto, una de las mayores desventajas que presenta el uso de biomasa es el usointensivo de la tierra necesario para producir cultivos energeticos. Esto se debe a que surgeun conflicto entre el uso de suelo para la produccion de cultivos energeticos y la produccionde alimentos. Muchos cultivos como el maız, el azucar y los aceites vegetales, son algunas delas materias primas energeticas mas comunmente utilizadas [10]. El uso de cultivos y tierrasagrıcolas ha contribuido al aumento de los precios de muchos de estos productos [10]. Otrofactor a tener en cuenta a la hora de analizar la subida de precios en estos productos es lasubida de precios del crudo y del gas natural, puesto que estos se usan como materia primapara la produccion de fertilizantes empleados en la industria agrıcola.

Existen diferentes categorıas en las que se puede englobar la biomasa segun su origen.Se definen los siguientes tipos de biomasa: biomasa forestal, agrıcola, procedente del sectorganadero, agroalimentario o residual, resiuduos municipales y cultivos energeticos [12]. Labiomasa de origen forestal engloba a todos los productos y restos que provienen de los tra-bajos de mantenimiento y mejora de masas forestales. Algunos ejemplos de biomasa forestalson los productos y restos que provienen de las podas, las cortadas y las claras [12]. Labiomasa forestal primaria puede ser transformada en diferentes productos para su posterioraprovechamiento par produccion de energıa. Estos metodos de transformacion pueden sertermoquımicos, bioquımicos o quımicos [13]. Los dos ultimos no se analizaran puesto que noson objeto de estudio de este trabajo.

Los metodos termoquımicos estan basados en la utilizacion del calor liberado durante latransformacion de la biomasa y que se utilizan principalmente como biomasa seca (subpro-ductos solidos como la biomasa forestal primaria) [13]. En funcion de la cantidad de oxıgenopresente en la transformacion se distinguen tres tipos de procesos diferentes:

5

1.4. Hibridacion de centrales termosolares

Combustion. La biomasa es sometida a temperaturas de entre 600 y 1300◦C [13]. Seemplea exceso de oxıgeno.

Gasificacion. La biomasa es sometida a temperaturas de entre 700 y 1500◦C [13]. Seemplea una cantidad de oxıgeno controlada (puede usarse oxıgeno puro o aire).

Pirolisis. La biomasa es sometida a temperaturas de entre 400 y 600◦C [13]. La trans-formacion se lleva a cabo en ausencia de oxıgeno.

Ademas de los tres metodos anteriormente mencionados, se pueden anadir dos procesosmas para la aprovechacion de la biomasa [14]:

Digestion anaerobica. Es el proceso en el que las bacterias se descomponen en ausenciade aire. Esto produce un biogas que contiene metano y un residuo solido. El metanoes capturado y utilizado para producir energıa por ser un gas con alto poder calorıfico.De manera analoga, el residuo solido es quemado para producir energıa.

Fermentacion. Implica la conversion de la glucosa presente en las plantas en alcohol oacido. Se anade levadura o bacteria a la materia prima de la biomasa, lo que lleva a laproduccion de etanol y dioxido de carbono por parte del azucar. El etanol es destiladoy deshidratado para obtener una concentracion mayor de alcohol con el fin de poderconseguir la pureza necesaria para ser empleado como combustible automovilıstico. Elresiduo solido producido durante la fermentacion se puede usar para alimentar ganadoy, en caso de tratarse de azucar, se puede usar como combustible para calderas o comocombustible para procesos de gasificacion.

La biomasa empleada para la generacion de energıa electrica tiene diferentes proceden-cias. Se suelen encontrar las plantas de generacion electrica a base de biomasa mezclada conotros tipos de combustibles como pueden ser el carbon o el gas natural, o como combusti-ble unico de plantas independientes. Las plantas que hoy en dıa muestran mejor desempenoeconomico son las plantas de quema de paja en Dinamarca o residuos forestales en Finlan-dia, especialmente cuando estan destinadas a la produccion de calor [15]. Aquellas plantasdescentralizadas que emplean unicamente la quema de biomasa o biogas tienden a tener unoscostes mayores, pero ofrecen un potencial de desarrollo ambiental y rural mucho mayor [15].

Para aumentar la eficiencia de la central de produccion de energıa electrica, se suelendestinar tambien a la produccion de calor. Segun el Plan de accion por la Biomasa desarrolladopor la Union Europea, se determina que los Estados miembros deben favorecer el desarrollo deproyectos de produccion de electricidad y calor cuya eficiencia se encuentre en concordanciacon los valores establecidos por los valores de referencia.

1.4. Hibridacion de centrales termosolares

Debido a la necesidad de altos ındices de irradiacion que se necesitan para poder operaruna central termosolar, se presentan factores de planta mucho mas bajos que centrales deotro tipo de tecnologıa. La hibridacion permite aumentar el factor de planta de las centralestermosolares, pudiendo producir electricidad en momentos en los que la radiacion no es tanintensa o incluso durante las horas sin luz. Debido a que el principal objetivo de usar energıasrenovables es la sustentabilidad y la reduccion de contaminantes, Pramanik y Ravikrishna [2]hacen una clasificacion de las centrales termosolares hıbridas segun su grado de hibridacion.

6


Centrales termosolares con alto grado de hibridacion

Se consideran centrales termosolares con alto grado de hibridacion aquellas que estanhibridadas con alguna otra fuente de energıa renovable. Las hibridaciones con tecnologıasERNC que se han estudiado son con: energıa eolica, geotermica y biomasa.

La hibridacion con biomasa ha demostrado ser una opcion factible para centrales depotencia instalada de entre 5 y 50 MW. El lımite inferior de potencia viene dado por las eco-nomıas, siendo difıcil conseguir que una central de menor potencia tenga una buena relacioncosto-efectividad [2]. El lımite superior esta determinado por la disponibilidad de biomasaque se puede suministrar a la central. Actualmente existe unicamente una central con estascaracterısticas, la central termosolar de Borges Blanques. Se esta estudiando la instalacion demas centrales de este tipo en paıses como India [16], Brasil [17], Indonesia [18] y Australia [19].

Existe una central en Nevada, EEUU, que integra energıa geotermica, fotovoltaica y solartermica. El principal atractivo de hibridar tecnologıa termosolar con geotermia es el aumentode la eficiencia del proceso geotermico mediante el uso de energıa solar termica para precalen-tar el agua o sobrecalentar el vapor. Actualmente no existen proyectos de centrales hıbridas detecnologıa solar termica y eolica. El planteamiento del estudio nace de la necesidad de poderofrecer una demanda menos intermetente a lo largo del dıa, caracterıstica que tienen ambastecnologıas cuando funcionan por separado. Para estos dos planteamientos de hibridacion, elcosto del campo solar hace que la inversion inicial aumente drasticamente y que el costo dela energıa se dispare [2].

Centrales termosolares con grado de hibridacion medio

Practicamente todas las centrales termosolares, con o sin almacenamiento, estan equipa-das con sistemas auxiliares que ayudan a regular la produccion y a garantizar la capacidad,especialmente en perıodos de alta y media demanda electrica [20]. En la Figura 1.4 se mues-tra una curva tıpica de generacion de una central termosolar con almacenamiento y sistemaauxiliar.

Figura 1.4: Perfil de generacion de una central termosolar hıbrida con capacidad de almace-namiento [21].

Estos sistemas son alimentados con combustibles (generalmente se usa gas natural aunquetambien hay sistemas en los que se emplea biogas) pueden transferir energıa termica al fluido

7

1.5. Objetivos

calor portador, al sistema de almacenamiento o directamente al bloque de potencia [20]. Sinestos sistemas auxiliares las centrales necesitarıan de una gran capacidad de almacenamientopara poder cumplir con su mınimo tecnico. Aquellas centrales sin sistemas auxiliares nece-sitan de sistemas de almacenamiento termico de gran capacidad capaces de ofrecer una altaautonomıa para garantizar la operacion en condiciones de mınimo tecnico.

Centrales termosolares con grado de hibridacion bajo

En esta seccion se engloban las centrales convecnionales que usan la energıa solar termicapara precalentar el agua que ingresa a la caldera. Normalmente el porcentaje de participacionde la energıa solar es de aproximadamente un 20 % [2]. Las centrales que presentan este tipode hibridacion son: ciclos de Brayton solares, centrales hıbridas de carbon y centrales de ciclocombinado integradas con un campo solar.

1.5. Objetivos

El objetivo de este proyecto es demostrar la viabilidad tecnica y las ventajas derivadas dela hibridacion de una central termosolar con una caldera de biomasa. Para ello se desarro-llara una herramienta de Matlab que permitira de reproducir un ciclo termodinamico basadoen de la Central de Borges Blanques. Esta central es el unico proyecto en funcionamientoque emplea la tecnologıa termosolar hibridada con una caldera de biomasa. Se realizara enparalelo la modelizacion y simulacion de una central termosolar convencional con parametrosequivalentes al del modelo hıbrido.

La metodologıa seguida sera realizar un analisis 4E (Energy, Exergy, Environmental andEconomic). Este tipo de analisis evaluan el comportamiento de las centrales de produccionde potencia atendiendo a criterios energeticos, exergeticos, medioambientales y economicos.

A la hora de analizar procesos termodinamicos es usual evaluar el rendimiento energeticoy el rendimiento exergetico, ya que el analisis energetico da una una idea de cuanto trabajo seproduce a partir de una determinada energıa de entrada, mientras que el analisis exergeticoarroja informacion acerca de la calidad de la energıa producida. Es el segundo de los analisis elque da una idea los procesos que son sujetos a mejora, ya que se evaluan las irreversibilidadespresentes en cada uno de ellos.

8

Capıtulo 2

Metodologıa seguida

Durante la realizacion de este trabajo se realizaran dos simulaciones de plantas termo-solares con diferentes configuraciones: una central termosolar hibridada con una caldera debiomasa y una central termosolar convencional. La simulacion de ambas plantas termosolaresesta compuesta de tres etapas: calculo de las corrientes del ciclo, calculo de los dispositivos yprocesos que intervienen en el ciclo y analisis global a la central. Para ello de se desarrolla unaherramienta de Matlab, descrita en detalle en el Capıtulo 4, la cual caracteriza las entalpıasy entropıas de cada una de las corrientes del ciclo para realizar despues las etapas posterioresdel analisis. La Figura 2.1 muestra un esquema de la metodologıa llevada a cabo.

Figura 2.1: Etapas del analisis

Una vez simuladas ambas configuraciones, se compararan los resultados obtenidos con elfin de poder determinar las ventajas y desventajas de cada configuracion. En este capıtulose recogen los calculos necesarios para las diferentes etapas de calculo mencionadas anterior-mente.

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2.1. Calculo de las corrientes

2.1. Calculo de las corrientes

La exergıa de las corrientes esta compuesta por la exergıa fısica y la quımica. La exergıade flujo de las distintas corrientes se calcula mediante la ecuacion:

ei = eph,i + ech,i (2.1)

Donde eph,i es la exergıa fısica de la corriente y ech,i la exergıa quımica.

Exergıa fısica

La exergıa fısica tiene en cuenta la exergıa del flujo cuando no cambia de composicion enrelacion al estado inerte (considerando este como Po y To). La expresion de la exergıa fısicade la mezcla de gases es:

eph,i = hi − h0 − T0(si − s0) (2.2)

Donde:hi =

∑i

xih� + hM (2.3)

si =∑i

xis� + sM (2.4)

Por ser gas ideal la expresiones anteriores para calcular la entalpıa y entropıa de la corrientese calcular como:

eph,i = hi − ho − To(s− so) (2.5)

h� = 0 (2.6)

sM = −R∑i

xi ln(xi) (2.7)

La entalpıa de corrientes constituidas por mezcla de gases se calcula mediante la siguienteexpresion:

h(T ) =∑i

Xihi(T ) (2.8)

Siendo hi(T ) la entalpıa del componente puro i [kJ/kg]. La entalpıa del componente puroi se calcula empleando segun el calor especıfico a presion constante, integrando el polinomioque depende de T que varıa segun el compuesto.

hi(T ) =∫ 298,15K

Tcpi(T )dT (2.9)

Donde:

cpi[kJ/kgK] = R

Mi(a+ bT + cT 2 + dT 3 + eT 4) (2.10)

Los coeficientes de cpi de cada uno de los compuestos se obtuvieron de la referencia [24]y se recogen en la Tabla ??:

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Capıtulo 2. Metodologıa seguida

Compuesto a b (10−3) c (10−6) d (10−9) e (10−12)CO2 2.401 8.735 -6.607 2.002 0H2O 4.070 -1.108 4.125 2.964 0.807N2 3.675 -1.208 2.324 -0.623 -0.226O2 3.626 -1.878 7.055 -6.764 -0.226

Tabla 2.1: Coeficientes del polinomio del poder calorıfico de la biomasa empleada [24].

Exergıa quımica

Por otra parte, la exergıa quımica de una corriente representa la energıa necesaria pararealizar los cambios en las composiciones quımicas de manera reversible hasta el estado am-biente. Dicho esto, se puede calcular la exergıa quımica de una mezcla de gases ideales de lasiguiente manera:

ech =∑i

xiechi + RT0

∑i

xi ln(xi) (2.11)

Siendo echi la exergıa de la sustancia en el estado de referencia. Se utilizaran las exergıasquımicas estandar de la bibliografıa [30]:

Compuesto echi [kJ//kmol] echi [kJ//kg]CO2 20140 457.7273H2O 11710 650.5556O2 3970 124.0625N2 720 25.7143

Tabla 2.2: Exergıa quımica estandar de diferentes compuestos [30]

Los combustibles industriales, solidos o lıquidos, suelen estar formados por numerososcompuestos quımicos, usualmente desconocidos. Esto hace que sea difıcil estimar la entropıade reaccion, ∆so, con una precision admisible. Szargut y Styrylska asumieron que el ratiode exergıa quımica, ech, al poder calorıfico para combustibles industriales solidos y lıquidoses igual para compuestos quımicos puros siempre y cuando tengan la misma proporcion deelementos constitutivos [30]. El ratio se denota como ϕ:

ϕ = echPCI

(2.12)

Para sustancias secas solidas, constituidas por C, H, O y N con un ratio de masa deoxıgeno a carbono 2,67 < o

c < 0,667, se calcula ϕ mediante la siguiente expresion empırica[30]:

ϕ =1,0438 + 0,1882hc − 0,2509

(1 + 0,7256hc

)+ 0,0383nc

1− 0,3035oc(2.13)

Se estima que esta expresion tiene una precision del ±1 %.

2.2. Calculo de los dispositivos

Se van a aplicar los balances de masa, energıa y exergıa a los diferentes sistemas esta-cionarios que componen el ciclo termodinamico. En las secciones posteriores se habla de los

11


balances de energıa y exergıa de los distintos dispositivos.

Balance de masa

Puesto que no se consideran reacciones nucleares ni efectos relativistas, la masa de unsistema cerrado permanece constante: ∑

j

m = 0 (2.14)

Balance de energıa

Siendo Q el calor intercambiado por un sistema abierto y W el trabajo intercambiado porel mismo sistema abierto, se tiene:

La energıa total del sistema U .

El trabajo intercambiado por el sistema cerrado sera la suma del trabajo intercambiadopor el sistema abierto y los trabajos de entrada y salida de los flujos de masa: W +P2v2m2 − P1v1m1 (suponiendo una unica corriente de entrada y salida).

Aplicando el primer principio al sistema cerrado (U = Q−W ) y teniendo en cuenta queh = u + Pv y asumiendo un numero j de entradas y salidas de masa al sistema, el balancede energıa resulta:

Q− W +∑j

hjm = U (2.15)

Debido a que no existen variaciones de energıa en los dispositivos estudiados, el balancequeda:

Q− W +∑j

hjm = 0 (2.16)

Balance de exergıa

Los balances de exergıa son especialmente utiles a la hora de calcular la destruccionexergetica producida durante un proceso. La expresion general de un balance de exergıa es:

Q− T0Js − W − I +∑j

ejm = 0 (2.17)

El significado de cada uno de los terminos del sumando es:

Q− T0Js =∫dQ

(1− T0

T

)es el contenido exergetico del calor.

Wutil = W−P0∆V representa el contenido exergetico del trabajo. Los sistemas cerradosestudiados no sufren variaciones de su volumen por lo que Wutil = W .

I = T0σ es la ecuacion de Gouy-Stodola, I es la destruccion exergetica debida a lageneracion de entropıa σ, que corresponde a la perdida de la capacidad del sistemapara desrrollar un trabajo por irreversibilidades internas.

12


2.2.1. Turbinas

A la hora de evaluar el rendimiento segun la primera ley para turbinas y bombas se sueleemplear el rendimiento isentropico. Este compara las entalpıa a la entrada a la salida delequipo real y el salto te entalpıas que producirıa un equipo sin irreversibilidades internas.

En turbinas reales se tiene que el trabajo producido es menor al trabajo que se producirıaen caso de que la turbina fuese isentropica. En la Figura 2.2 se refleja el hecho de que,debido al aumento de entropıa asociado al proceso, el trabajo realizado por la turbina real esmenor al que entregarıa una turbina isentropica. Es por esto que la expresion de rendimientoisentropico para turbinas se calcula como:

ηs,T = h2 − h1h2,s − h1

(2.18)

Figura 2.2: Diagrama h-s del proceso de expansion de una turbina real [24].

Los procesos de expansion en una planta de potencia ocurren, generalmente, a una tem-peratura mayor a la ambiente. Los procesos de expansion tienen como objetivo principal lareduccion de la exergıa del fluido que atraviesa el dispositivo, con el fin de conseguir trabajoa costa de este fenomeno. Esta seccion se dedica al analisis de turbinas adiabaticas de unproceso de expansion unico. No se suelen considerar las perdidas de calor a traves de lasparedes de la turbina por ser un equipo razonablemente adiabatico.

Si se realiza un balance de exergıa al dispositivo queda:

0 =∑(

1− ToTb

)��0q − wT + (eout − ein)− iT (2.19)

e1 − e2 = wT + i (2.20)

Donde wT representa el trabajo especıfico obtenido de la turbina, obtenido a expensasde reducir la exergıa de la corriente fluida. Segun la relacion de Gouy-Stodola la destruccionexergetica por unidad de masa queda:

13


i = Toσ (2.21)

A raız de lo dicho anteriormente, se define el rendimiento exergetico de una proceso deexpansion como:

ηII = wte1 − e2

(2.22)

De manera equivalente:

ηII = 1− i

e1 − e2(2.23)

Ignorando los terminos de friccion mecanica de los alabes de la turbina y, considerandoel proceso de expansion como adiabatico, se llega a que el rendimiento exergetico es:

ηII = h1 − h2e1 − e2

(2.24)

ηII = h1 − h2(h1 − h2)− To(s2 − s1) (2.25)

Si se compara la definicion de rendimiento isentropico de una turbina (2.18) con la de-finicion de rendimiento exergetico, se puede ver que la definicion de rendimiento segun laSegunda Ley de la termodinamica compara el funcionamiento de una turbina real con unareversible, considerando los mismas condiciones de entrada y salida de la turbina; el rendi-miento isentropico considera una turbina con el mismo estado inicial, pero diferente estadofinal (la presion de salida se mantiene constante, no ası las demas propiedades temrodiamicas).

2.2.2. Bombas

El calculo del rendimiento isentropico de las bombas sigue un razonamiento analogo alempleado para el calculo del rendimiento isentropico de las turbinas. Las bombas realesconsumen mas trabajo que el que consumen las isentropicas. En la Figura 2.3 se muestra latrayectoria seguida por un proceso de bombeo en un proceso real.El rendimiento isentropicode las bombas se calcula como:

ηs,B = h2,s − h1h2 − h1

(2.26)

El proceso para obtener una definicion de rendimiento exergetico para una bomba, esequivalente al razonamiento seguido para obtener la definicion para una turbina. El objetivoprincipal de un proceso de bombeo es aumentar la exergıa de la corriente fluida a costa decomunicar un trabajo a la bomba.

Si se considera el proceso como adiabatico, el balance de exergıa al sistema queda:

0 =∑(

1− ToTb

)��0q − wB + (eout − ein)− iB (2.27)

w = e2 − e1 + i (2.28)

Es por esto que el rendimiento exergetico de una bomba se puede escribir mediante lasdos expresiones siguientes:

14


Figura 2.3: Diagrama h-s del proceso de bombeo de una bomba real [24].

ηII = e2 − e1wc

(2.29)

ηII = 1− i

wc(2.30)

Recurriendo a la expresion de Gouy-Stodola, y considerando las hipotesis anteriores, setiene que la destruccion exergetica por unidad de masa en una bomba es:

i = Toσ (2.31)

2.2.3. Intercambiadores de calor

Figura 2.4: Evolucion de las temperaturas de las corrientes de un generador de vapor depen-diendo de si los flujos son paralelos (izquierda) o cruzados (derecha) [25].

Los rendimientos segun la primera ley de la termodinamica de los intercambiadores decalor se suelen denominar eficiencias. Dependiendo de si interesa enfriar o calentar la corrientefluida, la relacion de saltos entalpicos que determina la eficiencia se expresara de una manera

15


o de otra: en caso de que interese calentar la corriente, el salto entalpico de la corrientecaliente se situara en el denominador, en caso contrario se situara en el numerador.

El rendimiento exergetico de este tipo de dispositivos viene condicionado por las transfe-rencias de calor debido a una diferencia finita de temperatura. Mientras mayor sea la diferenciade temperatura entre ambas corrientes, mayores seran las destrucciones exergeticas. En laFigura 2.4 se puede apreciar el salto de temperatura a la entrada y la salida de diferentestipos de intercambiadores de calor.

A continuacion se describen en detalle los balances de exergıa realizados para los dosintercambiadores de calor de la instalacion: el generador de vapor y el condensador.

Generador de vapor

El rendimiento exergetico se puede definir tomando en consideracion que el efecto deseadode los intercambiadores de calor es aumentar la exergıa de una corriente frıa a costa de reducirla exergıa de una corriente caliente. Entonces:

Entrada = E1,c − E2,c (2.32)

Salida = E2,f − E1,f (2.33)

Con esto, se define el rendimiento exergetico del dispositivo como:

ηII = E2,f − E1,fE1,c − E2,c

(2.34)

Recurriendo al balance de exergıa del dispositivo, se puede escribir el rendimiento demanera equivalente a la Ecuacion 2.34:

ηII = 1− IICE1,c − E2,c

(2.35)

De manera equivalente se puede escribir la destruccion exergetica en funcion del rendi-miento exergetico y las exergıas de las corrientes:

IIC = (E1,c − E2,c)(1− ηII) (2.36)

Condensador

Se realiza un balance de exergıa al condensador:

0 =∑(

1− ToTb

)��

0Qj −��

�*0WCo + m(eout − ein)− ICo (2.37)

La destruccion exergetica en un condensador es entonces:

ICo = m(eout − ein) (2.38)

El rendimiento exergetico del condensador es entonces:

ηII,Co = 1− ICm(eout − ein) (2.39)

16


Figura 2.5: Estudio del condensador como volumen de control.

2.2.4. Desgasificador

Los desaireadores son dispositivos comunmente empleados en las centrales que generanpotencia en base a un ciclo de Rankine. Son intercambiadores de calor de contacto directo,cuya funcion principal es eliminar los gases no condensables que se hayan podido introduciren el circuito de vapor mediante el calentamiento del agua. El principio de funcionamiento esaprovechar la solubilidad inversa de los gases, segun la cual los gases son menos solubles enagua a alta temperatura [26].

Segun esto se puede definir el rendimiento segun la primera ley como la razon de lasentalpıas de las corrientes de salida y las corrientes de entrada:

ηI,D =∑mouthout∑minhin

(2.40)

Los procesos de mezcla se pueden clasificar segun su naturaleza en dos tipos: la entremez-cla de las moleculas de las sustancias que se ponen en contacto y el intercambio de energıaentre las corrientes del proceso. Cuando las corrientes que se mezclan tienen la misma com-posicion quımica, la entremezcla de moleculas no es relevante [30].

Las principales causas de irreversibilidad en un proceso de mezcla son [30]:

Entremezcla de moleculas de diferentes especies mediante procesos de difusion molecu-lar.

Transferencia de energıa debido a diferentes condiciones mecanicas o termicas inicialesde las corrientes.

Transferencia de calor debido a una diferencia finita de temperaturas.

17


Fenomenos de disipacion viscosa durante la mezcla. Esto produce una caıda de presionen la camara de mezclado.

Si se realiza un balance exergetico a un desaireador los terminos que aparecen son relativosunicamente a la exergıa fısica de las corrientes de mezcla y a la destruccion exergetica deldispositivo:

∑(1− To

Tb

)��0

Q−��0

W +∑j

mhj − ID = 0 (2.41)

La destruccion del exergetica del dispositivo se calcula mediante la expresion de Gouy-Stodola:

ID = Toσ = To(moutsout − minsin) (2.42)

Segun esto, se puede definir el rendimiento exergetico de un desaireador como:

ηII,Des = 1− Toσ

minein=∑mouteout∑minein

(2.43)

2.2.5. Campo solar

Existen diferentes maneras de calcular la exergıa aportada por el Sol. La formula masempleada es la introducida por Petela [31]:

ΨSol = Qs

[1− 4

3

(ToTs

)+ 1

3

(ToTs

)4]

(2.44)

Donde:

To es la temperatura ambiente.

Ts es la temperatura del sol, 5777K.

La destruccion exergetica en los colectores solares es debido al intercambio de calor irre-versible y a las perdidas de calor en el propio colector. En los colectores solares se tiene quese destruye del orden de un 70 % de la exergıa aportada por el Sol [32]. En la Figura 2.6 semuestran los flujos exergıa tıpicos de un colector solar.

18


Figura 2.6: Flujos de exergıa de un colector solar cilindro-parabolico.

2.2.6. Caldera de biomasa

En los procesos de combustion, el objetivo principal es transferir el calor generado porla combustion al fluido que atraviesa la caldera. El calor generado por la combustion es elresultado de multiplicar el caudal masico de combustible por el poder calorıfico del combus-tible. En este analisis se empleara el poder calorıfico inferior, LHV, puesto que este es elcalor que realmente se aprovecha en la caldera. Si se emplease el poder calorıfico superior,se tendrıan en cuenta tambien las perdidas debido al desaprovechamiento del calor latentedel vapor contenido en los humos, por lo que se obtendrıa un rendimiento de la caldera aunmenor que si se emplease el poder calorıfico inferior. La expresion empleada para calcular elrendimiento de la caldera es:

ηI,B =∑

∆HmfPCI

(2.45)

Siendo ∆H el salto de entalpıa del fluido que atraviesa el dispositivo. Los procesos decombustion llevan asociadas diferentes formas de irreversibildad. En general, los calculos decombustion se llevan a cabo asumiendo una combustion adiabatica; con esta hipotesis lasirreversibilidades debidas a los fenomenos de mezcla y friccion de corrientes no son despre-ciables [30].

La irreversibilidad inherente a la combustion es en gran parte causada por la gran exergıaquımica del combustible. Cuando existe una gran diferencia de temperaturas entre los reacti-vos y los productos, existe una gran generacion de entropıa σ, lo que da lugar a un aumento

19


de las irreversibilidades del proceso. La Figura 2.7 ilustra lo mencionado anteriormente. Elarea encerrada bajo la curva que une los puntos P0-P1 corresponde al poder calorıfico delcombustible, el area coloreada en azul corresponde a la destruccion exergetica asociada a lacombustion.

Figura 2.7: Irreversibilidades de un proceso de combustion isobara. Adaptado de [30].

Para reducir la generacion de entropıa durante la combustion se puede:

Realizar una combustion isocorica.

Enriquecer de oxıgeno del comburente.

Precalentar de los reactivos. Esta es la forma mas habitual de reducir la irreversibilidaddel proceso. Haciendo esto se reduce el salto de temperaturas entre los reactivos y losproductos, consiguiendo ası una menor generacion de entropıa.

La Figura 2.8 muestra los flujos de destruccion exergıa tıpicos de una caldera. Se subdivideel diagrama en tres subregiones:

1. Combustion adiabatica de combustible, a la izquierda de la figura.

2. Transferencia de calor, en el centro de la figura.

3. Region de mezcla de gases, a la derecha de la figura.

La exergıa destruida en la caldera se calcula aplicando un balance exergetico al dispositivo.La forma general de balance de exergıa es el descrito por la ecuacion 2.16. Considerando lacaldera como adiabatica, el balance de exergıa queda:

∑(1− To

Tb

)��0

Q−��0

W − I +∑j

ejm = 0 (2.46)

20


Figura 2.8: Flujos de exergıa presentes en la caldera. Adaptado de [30].

El rendimiento exergetico de la adicion de calor en una caldera tiene en cuenta la exergıafısica de las corrientes y la exergıa quımica de los humos y el combustible. Se considera quela unica exergıa de entrada es la exergıa quımica del combustible:

ηII,Caldera = Evapor + EhumosEcomb

(2.47)

2.3. Calculos de Planta

2.3.1. Analisis energetico

A la hora de calcular el rendimiento energetico de una central , se realiza un balance deenergıa al sistema global:

Wentrada = Wutil + Wperdidas (2.48)

El rendimiento energetico de una planta se puede calcular como la razon entre la energıautil desarrollada por la central y el calor aportado al ciclo.

ηI,central = Wutil

Qentrada(2.49)

21


2.3.2. Analisis exergeticos

Existen dos maneras de evaluar el rendimiento exergetico global de una instalacion: anali-zando la relacion entre las exergıas de entrada y las exergıas de salida o mediante coeficientesde desempeno globales.

1a definicion de Rendimiento Exergetico, ε

El primer metodo resulta mas sencillo ya que tiene una vision mas global de todo elproceso puesto que tiene en cuenta unicamente las exergıas de entrada y las exergıas desalida. Expresado matematicamente resultarıa de la siguiente manera:

ε = EinEout

(2.50)

En el caso de la central estudiada se considera que las exergıas de entrada a la centralserıan las del sol y la exergıa quımica del combustible.

ε = PnetaESol + EComb

(2.51)

Donde ESol es la exergıa aportada por el Sol y EComb es la exergıa del combustible.

2a definicion de Rendimiento Exergetico, ψ

La otra manera de expresar el rendimiento exergetico de las centrales lleva asociada elcalculo de las destrucciones exergeticas en todos los dispositivos. Esta forma de calculo hademostrado tener diferentes ventajas frente a la otra forma de calcular el rendimiento [30].Considerando una instalacion en la que todos los procesos son cuasi-estacionarios, a menosque existan procesos puramente disipativos, las transferencias de exergıa se pueden agrupar enaquellas que son un producto deseado y aquellas que son una entrada necesaria. Si las entradasy salidas de exergıa son correctamente caracterizadas, se puede decir que componen todaslas transferencias de exergıa en el volumen de control estudiado (en este caso la central). Esdecir, si existen otras formas de transferencia de exergıa que no esten englobas en entradaso salidas, son necesariamente debidas a irreversibilidades externas. Matematicamente estoquiere decir: ∑

∆Ein =∑

∆Eout + I (2.52)Siendo

∑Ei,in la suma de todas las transferencias de exergıa que suponen la exergıa de

entrada y∑iEi,out la suma de todas las transferencias de exergıa que suponen la exergıa de

salida. Segun la segunda ley de la termodinamica se tiene que cumplir que I ≥ 0 por lo quese tiene que cumplir lo siguiente: ∑

Eout∑Ein

≤ 1 (2.53)

Esta ultima relacion permite cuantificar el ratio de irreversibilidad del proceso. En lamedida que la relacion anterior se acerque a la unidad, mas reversible sera el proceso, corres-pondiendo al valor unidad un proceso completamente reversible. A raız de esto aparece ladefinicion de la eficiencia racional, ψ. Las dos expresiones equivalentes para el calculo de laeficiencia racional son:

ψ =∑Eout∑Ein

(2.54)

22


ψ = 1− I∑Ein

(2.55)

Otra de las ventajas de este metodo es que ofrece una forma de validar la exactitud delos calculos en sistemas complejos, puesto que una vez determinadas todas las destruccionesexergeticas de la planta, se debe cumplir la ecuacion 2.52.

Defecto de eficienciaCuando se calcula la eficiencia racional ψ ayuda dividir el volumen de control en N

subsistemas. Cabe recordar que la exergıa es una propiedad extensiva, lo que quiere decir quela suma de las irreversibilidades de las regiones en las que se subdivide el volumen de controles igual a la irreversibilidad total del sistema:

I =∑j

I (2.56)

Es por esto que la eficiencia racional se puede escribir como:

1− ψ =∑N Ii∑∆Ein

(2.57)

Dada la definicion de eficiencia racional, resulta evidente que la resta 1 − ψ representala fraccion de la exergıa de entrada que se pierde debido a irreversibilidades y se denominadefecto de eficiencia [30]. Otra de las definciones de utilidad que surgen a raız de la definicionde a la eficiencia racional es el defecto de eficiencia del componente i-esimo, δi. Este parametrosirve para cuantificar el efecto de un componente concreto en el desempeno exergetico globalde la planta.

δi = Ii∑∆Ein

(2.58)

Recordando que∑

∆Ein representa la entrada de exergıa a todo el volumen de control,no solo a la subregion del sistema. Usando esta notacion se puede establecer un nuevo balanceexergetico al sistema [30]:

1 = ψ + δ1 + δ2 + δ3 + ...+ δN (2.59)

2.3.3. Analisis economico de la central

Los costes totales de una instalacion de produccion de energıa se pueden englobar encuatro grandes bloques:

Inversion inicial. Desembolso inicial que se realiza para empezar la explotacion delrecurso.

Coste del combustible. En este caso se refiere al coste de la biomasa empleada.

Gastos de operacion y mantenimiento, considerados habitualmente un tanto por cientode los costes de inversion.

Costes relacionados con la emision de CO2.

23


Coste nivelado de la energıa

Es habitual calcular en las instalaciones de produccion de energıa electrica el Coste Ni-velado de la Energıa, LCOE. El calculo del LCOE permite la comparacion entre diferentestecnologıas de generacion, sea cual sea su naturaleza. A la hora de calcular el LCOE, se tienenen cuenta los diferentes costes descritos en la seccion anterior, dividido entre la cantidad deenergıa generada durante la vida util de la instalacion. Matematicamente, el LCOE tiene lasiguiente expresion:

LCOE =∑ni=0

CI+CO&M +CF +Cind(1+r)i∑n

i=0Eg

(1+r)i

(2.60)

Donde CI son los costes de inversion, CO&M son los costes de operacion y mantenimiento,CF son los costes de combustible, Cind son los costes indirectos (incluyen las penalizacionespor emisiones de CO2), Eg es la energıa electrica generada, r es la tasa de descuento, i es elano y n son los anos de vida util de la planta.

Si se asume que toda la inversion se realiza en el ano 0 y que el resto de costes sonconstantes a lo largo de toda la vida util de la planta, se puede expresar la ecuacion anteriorde una manera mas simplificada:

LCOE = CI · CRF + CO&M + CF + CindEg

(2.61)

Siendo CRF el factor de recuperacion del capital, que se calcula como:

CRF = r(1 + r)n

(1 + r)n − 1 (2.62)

Calculo de los costes de inversion

Los costes de inversion engloban la inversion para la compra del campo solar, la calderay el ciclo de Rankine:

CI = CSF + CC + CR (2.63)

A su vez, los costes del campo solar estan compuestos por los costes de los heliostatos ylos precios del terreno:

CSF = Cheliostatos + Cterreno (2.64)

La cantidad de heliostatos necesarios para el campo solar se calcula en base a la irradiacionnormal directa (DNI) y al calor absorbido por el campo solar QSF .

QSF = ASF ·DNI → ASF = QSFDNI

(2.65)

Por otra parte, los coste de inversion del bloque de potencia y de la caldera se calculanempleando un coste proporcional por kilowatio, electrico en el caso del bloque de potencia ytermico en el caso de la caldera. Los factores empleados se detallan en la seccion de metodo-logıa.

En la Figura 2.9 se muestra el desglose del coste total de la inversion de una central decilindros parabolicos con sistemas de almacenamiento de energıa.

24


Figura 2.9: Desglose de costes de la inversion total de una central de espejos cilindro-paraboli-cos convencional [8].

2.3.4. Analisis medioambiental

El analisis medioambiental de las centrales de produccion de energıa electrica suele cen-trarse en medir las emisiones de CO2,eq en funcion de la energıa generada. Dada la naturalezade la central, el analisis medioambiental abordara diferentes aspectos ademas de las emisionesde CO2,eq. La central estudiada produce energıa a partir de energıa solar termica y la quemade biomasa forestal. Cada una de las tecnologıas presenta diferentes retos medioambientalesdebido a su naturaleza intrınseca.

Energıa termosolar

Hoy en dıa los esfuerzos de los desarrolladores de la energıa solar termica de concentracionse centran en dos principales vertientes [8]:

La reduccion de las necesidades de agua empleadas para la refrigeracion en los diferentesciclos de potencia, tanto solares como convencionales.

Sustitucion de los aceites termicos empleados, potencialmente contaminantes o peligro-sos (como aquellos empleados en las plantas de cilindros parabolicos) por otros que nopresenten tales inconvenientes.

Otro de los aspectos a tener en cuenta que se menciono en las secciones anteriores, es elgran uso de suelo necesario para poder tener potencias instaladas de decenas de megawatios.En menor medida, cabe mencionar el uso de agua necesaria para limpiar los espejos puestoque su eficiencia cae cuando tienen suciedad. Esto ultimo es un factor a tener en cuentapuesto que usualmente las centrales termosolares se situan en zonas deserticas donde puedehaber mucha tierra o arena.

25


Biomasa

Esta seccion del estudio ambiental se centrara en el analisis del uso de biomasa forestal,por ser esta la empleada en la central Borges Blanques. Para muchos de los biocombustiblesya se ha fijado una cierta cantidad de emisiones de CO2 por MWh producido por lo que ladiscusion que se presenta a continuacion no resultarıa relevante.

El uso de biomasa forestal se considera neutro en emisiones de gases de efecto invernadero(GHG, por sus siglas en ingles) en numerosos estudios. Esto es consecuente con diferentesdirectivas y planes europeos de la decada pasada [33] y con las recomendaciones de UNFCCC(Naciones Unidas para Combatir el Cambio Climatico) [34]. La logica detras de este razona-miento radica en que el CO2 emitido durante el uso de la biomasa es “compenasdo” con elCO2 que las plantas absorbieron durante su proceso de fotosıntesis.

A pesar de esto, hoy en dıa existen cada vez mas estudios que tratan de cuantificarlas emisiones de CO2 del uso de biomasa forestal. Las principales razones que empujan aconsiderar que el uso de la biomasa no es neutro en emisiones son [35]:

El uso de biomasa forestal como fuente de energıa incurre en emisiones de CO2 debidoa que las emisiones emitidas durante la tala de la madera puede no estar compensadacon el secuestro de emisiones de la misma.

El uso de madera como fuente de energıa hace que deje de usarse la madera comomateria prima para la fabricacion de productos como puede ser la madera aserradao los pallets fabricados en base a madera. Esto puede llevar a la utilizacion de otrosmateriales distintos a la madera usualmente ligados a la emision de GHG.

El uso de tierra agrıcola para la produccion de cultivos energeticos lleva a requerimientosde intensificar la produccion agrıcola en otra zona. Este fenomeno suele denominarsecomo cambio indirecto del uso del suelo.

En 2005 la Union Europea publico el documento desarrollado por la Agencia de Investiga-cion de la Comision Forestal: “Carbon impacts of biomass consumed in the EU: quantitativeassessment”. El objetivo principal era hacer una revision a todos los estudios realizados cuyoobjeto de estudio era cuantificar las emisiones de CO2 ligadas al uso de la biomasa forestal.Tras la revision bibliografica, se concluyo que los estudios realizados presentaban formas muydiferentes de abordar el problema puesto que el documento no concluye en una forma concre-ta de poder calcular las emisiones. Sı se pusieron en comun las similitudes entre los diferentesestudios y se establecieron las bases para futuros trabajos.

A la vista de la complejidad asociada al calculo de emisiones derivadas de la quema debiomasa forestal, se tomara como neutra en emisiones de CO2,eq a lo largo de este trabajo.

26

Capıtulo 3

Descripcion de la instalacion

El objetivo principal de este trabajo es poder analizar las diferentes ventajas que ofrece lahibridacion de centrales termosolares. El hecho de proponer una central termosolar hibridadacon una central de biomasa nace del interes de estudiar una central ya existente: la centralTermosolar Borges Blanques. En este capıtulo se examina en profundidad la central original.

3.1. Aspectos generales de la central original: Termosolar Bor-ges Blanques

La central termosolar de Borges Blanques es la primera central comercial en hibridartecnologıa termosolar con una caldera de biomasa. Se encuentra situada en la ciudad de LesBorges Blanques, en la provincia de Lleida. Comenzo su operacion en diciembre del 2012.

La central consigue operar las 24 horas del dıa debido a su hibridacion, funcionando conenergıa solar durante las horas del dıa y con biomasa durante las horas de la noche. La centralcuenta tambien con una caldera auxiliar que opera con gas natural. Gran parte de la biomasaque alimenta la caldera proviene de biomasa forestal, complementado con cultivos energeticosy desechos derivados de la agricultura regional. La central tiene una potencia instalada de22.5MWe, potencia suficiente como para abastecer 27.000 hogares.

La hibridacion con una caldera de biomasa hace que esta central presente una serie deventajas frente a una central termosolar convencional:

Aumento del factor de planta, derivando en un incremento de la produccion anual dela generacion de energıa electrica.

Permitir un regimen de operacion continuo de la central, haciendo que se reduzcan lasencendidos y apagados de la turbina de vapor. Esto alarga su vida util y reduce costesde mantenimiento.

El funcionamiento ininterrumpido de la central hace que la turbina presente una mayoreficiencia al eliminar las partidas y detenciones. Tambien hace que las instalacioneselectricas de la central aumenten su eficiencia.

Aumentar el aprovechamiento del recurso solar. La hibridacion posibilita operar inclusopor debajo del tecnico de la turbina (el resto de calor necesario es aportado por la calderade biomasa).

27

3.1. Aspectos generales de la central original: Termosolar Borges Blanques

Reducir el impacto de los perıodos cortos en los que transitan nubes por encima de laplanta.

La utilizacion de biomasa forestal optimiza el uso de capital, permitiendo una menorinversion que las realizadas para instalaciones electricas similares. [22]

En la siguiente seccion se hace una descripcion de los componentes caracterısticos de lacentral Borges Blanques. El circuito de refrigeracion, del condensador, el tren de intercambia-dores de calor y los demas sistemas auxiliares no presentan grandes diferencias con respectoa los de una central termosolar convencional por lo que no se describiran con detalle.

3.1.1. Componentes de la central

Bloque solar

El aceite que se utiliza para generar el vapor que ingresa a la turbina es calentado, prin-cipalmente, en el campo solar. Este tiene un area de 67 Ha, formado por 336 colectores de100 metros cada uno. Cada colector cuenta con 8 unidades de 10 metros de longitud y 5.75metros de diametro. Los colectores cuentan con 9 pilares motorizados para permitir el giro delos cilindros y ası ejecutar el seguimiento del sol. El campo solar de la central esta divididoen dos areas: el campo norte y el campo sur.

El aceite frıo que proviene del ciclo de potencia ingresa al campo solar a 293◦C. Abandonael campo solar a una temperatura de 393◦C. No se calienta a una mayor temperatura ya queel aceite se degrada a temperaturas mayores de 400◦C.

Figura 3.1: Vista aerea de la central termosolar de Borges Blanques.

Calderas de biomasa

En los perıodos de menor radiacion el aceite es calentado por la unidad de biomasa. Lacentral cuenta con una caldera de biomasa de 22.5Mth, una caldera de 14 Mth dual de biomasay gas natural y una caldera auxiliar de 10MWt. Las calderas de biomasa son alimentadas con

28

Capıtulo 3. Descripcion de la instalacion

biomasa forestal hasta la boca de carga. El sistema de carga de biomasa se caracteriza por laposibilidad de quemar el combustible a medida que va ingresando a la caldera. Por encimade las parrillas que alimentan la caldera encontramos los quemadores de gas natural, son losencargados de proporcionar la energıa termica en caso de ser necesario.

Bloque de potencia

El generador de vapor funciona como un intercambiador de calor donde se transfiere laenergıa termica del aceite termico al agua para generar vapor. El vapor generado pasa atraves de la caldera dual para obtener la temeperatura deseada de ingreso a la turbina.

La central cuenta con una turbina MARC-R de la marca MAN Diesel & Turbo. Esta estacompuesta a su vez por dos turbinas: turbina MARC-2 de contrapresion y una turbina decondensacion MARC-6. El grupo de turbinas tiene una eficiencia del 37 % cuando opera conmaxima carga.

Figura 3.2: Vista aerea del bloque de potencia de la central termosolar Borges Blanques.

3.1.2. Operacion de la central

Los colectores cilindro-parabolicos elevan la temperatura del aceite hasta una temperatu-ra de 393◦C. En el generador de vapor, el aceite termico genera vapor saturado a 40 bar y lacaldera dual sobrecalienta el vapor hasta una temperatura de 520◦C [22].

En los perıodos en los que el campo solar no se encuentra operativo, en horas sin luz, es lacaldera de 22.5MWth de biomasa que calienta el aceite hasta 400◦C. El aceite es conducidohacia la segunda caldera de biomasa que eleva la temperatura del aceite por encima de los400◦C [22]. Este modo de operacion busca garantizar que la turbina sea alimentada siemprecon un 50 % de su carga como mınimo (por debajo de esto la eficiencia de la turbina decrece

29

3.1. Aspectos generales de la central original: Termosolar Borges Blanques

muy rapidamente) [22].

La central termosolar Borges Blanques es alimentada con biomasa forestal, es suminis-tranda con madera en tronco y astilla forestal, provenientes de mas de 150 proveedores delas provincias de Barcelona, Lleida, Tarragona y Huesca [27].

Los principales elementos que costituyen las calderas de biomasa son: sistema de alimen-tacion de biomasa, horno de biomasa, sistema de recuperacion de calor y quemadores de gasnatural. La biomasa es introducida al horno mediante un sistema de alimentacion especial-mente disenado que permite el quemado de la biomasa a medida que ingresa. La calderay el horno estan integrados. El aire de la combustion es precalentado por el economizador,tras esto ingresa en las diferentes areas del horno para garantizar una combustion lo mascompleta posible. Para los perıodos transitorios (como por ejemplo el ingreso de biomasa conmas humedad de la habitual) se emplean los quemadores de gas natural para que el vapor desalida tenga siempre una temperatura de 375◦C [28].

30

Capıtulo 4

Descripcion del modelo desarrollado

La simulacion de la central termosolar hibridada con una caldera de biomasa se componeprincipalmente de tres bloques: el campo solar, el bloque de potencia y la caldera de biomasa.En esta seccion se describe el modelo propuesto para reproducir la central con configuracionhıbrida y se detallan los razonamientos seguidos para calcular el ciclo termodinamico enMatlab. El procedimiento seguido para simular la configuracion convencional es equivalenteal de la configuracion hıbrida.

4.1. Modelo de la planta propuesto

Para la realizacion de este trabajo se elabora un ciclo termodinamico simplificado. Losparametros empleados para la reproduccion del ciclo han sido obtenidos de la bibliografıadisponible y de hipotesis realizadas que se detallaran en las secciones posteriores.

El ciclo termodinamico es el mostrado en la Figura 4.1.

Figura 4.1: Ciclo termodinamico propuesto.

Donde el bloque SF representa el campo solar, SSG es el tren de intercambiadores de

31

4.1. Modelo de la planta propuesto

calor donde el aceite termico cede calor al bloque de potencia para producir vapor, B es lacaldera de biomasa, HPT es la turbina de alta presion, LPT es la turbina de baja presion,CON es el condensador, FWH es el desaireador y Pi es la bomba i. Se emplea un codigo decolores en las corrientes para diferenciar la composicion de cada una de las corrientes: azulrepresenta las corrientes de agua o vapor, amarillo representa las corrientes de aceite termico,verde representa el flujo de entrada de biomasa y rojo simboliza los flujos de aire y gases deescape.

El esquema detallado de la caldera es el mostrado en la Figura 4.2.

Figura 4.2: Esquema general de la caldera de biomasa.

4.1.1. Descripcion del ciclo termodinamico

El ciclo termodinamico propuesto es un ciclo de Rankine regenerativo con un unico reca-lentamiento. El ciclo trabaja con tres niveles de presion:

Alta presion. La presion de entrada a la primera turbina. Tomada como hipotesis.

Presion intermedia. Presion de salida de la primera turbina y entrada a la segundaturbina. Calculada en funcion parametros del ciclo original.

Baja presion. Presion de condensacion del ciclo. Tomada como hipotesis.

Circuito de vapor El vapor producido en el campo solar se introduce en la caldera (situadaen serie con el campo solar) para ser sobrecalentado hasta 520oC. Una vez sobrecalentado elvapor (corriente 4), se introduce en la turbina de alta presion para expandir el vapor hastauna presion intermedia (corriente 6). La corriente de salida de la primera turbina se divide endos corrientes: parte del vapor se conduce a la caldera para ser calentado nuevamente hasta520oC (corriente 7) y la otra parte se conduce a un desgasificador (corriente 14). La corriente

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Capıtulo 4. Descripcion del modelo desarrollado

a media presion sobrecalentada se introduce en una segunda turbina, donde se expansionael vapor hasta la presion de condensacion (corriente 9). Se condensa la corriente de salidade la segunda turbina y se conduce hasta el desgasificador, junto a la corriente 14. Trasel desgasificador, se eleva de nuevo la presion hasta la presion de alta (corriente 13) y seintroduce en el generador de vapor del campo solar para producir vapor sobre calentado a370 oC (corriente 4).

Caldera El modelo esta compuesto por un precalentador de aire y una caldera. En lacaldera se calientan las corrientes de vapor 4 y 7 desde 370 oC hasta 520 oC, resultando enlas corrientes 5 y 8, respectivamente. La corriente 18 de aire se introduce en el precalentadora temperatura ambiente, donde se calienta hasta una temperatura de 95oC. En la calderase introduce la corriente de aire caliente 18b y la corriente 17 de combustible a temperaturaambiente. Se produce la combustion en la caldera y las corrientes 17 y 18b resultan enla corriente de humos 18c, a 380oC de temperatura. La corriente 18c se introduce en elprecalentador para calentar el aire que se introduce en la caldera. Tras enfriarse los humos,salen del precalentador a una temperatura de 130oC (corriente 19).

4.1.2. Diferencias con la central de Borges Blanques

El modelo propuesto asume una unica caldera de biomasa en serie con el campo solar.La caldera del modelo se utiliza fundamentalmente para sobrecalentar el vapor que sale delgenerador de vapor del campo solar. Cuando el ındice de irradiacion solar es insuficiente, seconsidera que la central no produce electricidad. En la instalacion real las calderas de bio-masa se utilizan tambien para generar vapor en las horas en las que la irradiacion solar esinsuficiente. Tampoco se tienen en cuenta los quemadores de gas auxiliares.

El modelo propuesto no tiene en cuenta los diferentes transitorios en los que se opera uni-camente con biomasa o gas natural. En caso de tenerse en cuenta, el consumo de combustiblesaumentarıa y se considerarıa que la central opera las 24 horas del dıa.

4.2. Hipotesis

Para la realizacion del estudio fue necesario realizar las hipotesis que se enumeran acontinuacion. Se divide la seccion en dos: las hipotesis tomadas para la realizacion del modelotermodinamico y las hipotesis tomadas para la realizacion del modelo economico.

4.2.1. Modelo termodinamico

1. Presion:

a) Sin caıda de presion en el generador de vapor.b) Adicion de calor en la caldera a presion constante.

2. Temperatura de las corrientes de la caldera:

a) Temperatura de entrada del combustible T17 se toma como 25oC.b) Temperatura de salida de los humos de la caldera T18c se toma como 380oC.c) Temperatura de la corriente caliente en la salida del precalentador T19 se toma

como 130oC.

33

4.2. Hipotesis

3. Composiciones:

a) Composicion masica en base seca del combustible: XC = 0,481, XH = 0,0599,XN = 0,0008 y XO = 0,4583) y poder calorıfico inferior 17513,7 kJ/kg.

b) Composicion volumetrica del aire: YO2 = 0,21 y YN2 = 0,79.

4. Combustion:

a) Combustion completa del combustible.b) Existe un precaletador de aire para mejorar la eficiencia de la combustion.c) Combustion isocorica.d) Formacion de especies mayoritarias unicamente: CO2, H2O, N2 y O2. Se ignora

la disociacion de algunas especies debido a las altas temperaturas presentes en lacaldera.

e) El factor de multiplicacion que determina la exergıa quımica del combustible setoma como 1.225. Se elige este valor en base a los valores medios del factor descritoen la bibliografıa [30].

f ) Los productos de combustion se consideran gases ideales.

5. Rendimientos:

a) Turbina de alta presion con un rendimiento isentropico igual a 85.5 % [42].b) Turbina de baja presion con un rendimiento isentropico igual a 89.5 % [42].c) Bombas con un rendimiento isentropico igual a 75 % [42].d) El rendimiento energetico de la caldera se toma como 60 %.e) Se considera el desgasificador, el tren de intercambiadores de calor y el condensador

como adiabaticos, sin intercambio de calor con el exterior.

6. El aceite termico se considera un fluido incompresible.

7. El estado ambiente se toma a presion 1 atm y temperatura 25oC

8. Campo solar

a) El rendimiento del campo solar es de 60 %.b) Se considera que el flujo de calor necesario para generar vapor es de 46MW.

9. Parametros del condensador

a) Temperatura de entrada T15 igual a 25oC.b) Temperatura de salida T16 igual a 35oC.c) Presion de entrada y salida igual a la presion ambiente.

10. Campo solar

a) Se supone una irradiacion directa, DNI, de 850W/m2.b) Se toma un multiplo solar de 1.3.

11. Datos de la central original aplicados al modelo, recogidos en la Tabla ??.

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Parametro Sımbolo Unidades Valor ReferenciaTemperatura entrada turbina alta T5 [oC] 520 [36]Temperatura entrada turbina baja T8 [oC] 520 [36]

Temperatura entrada caldera T4, T7 [oC] 370 [29]Presion entrada turbina alta P5 [bar] 40 [36]

Presion del condensador P10 [bar] 0.08 [29]

Tabla 4.1: Temperaturas y presiones conocidas del ciclo termodinamico.

4.2.2. Modelo economico

Se calculan los costos de inversion empleando la ecuacion 2.65. Se necesitan los datoscorrespondientes a los costes de los equipos. La Tabla ?? muestra los costes tomados comohipotesis para los calculos economicos.

Equipo Costo UnidadesCoste especıfico del campo solar 206 e/m2

Coste especıfico del bloque de potencia 700 e/kWel

Coste de la caldera 53 e/kWtCoste de terreno 2 e/m2

Costes de O&M fijos 1 % de la inversion inicialCostes de O&M variables 0.032 e/MWh

Tabla 4.2: Costes especıficos de inversion [41]

Por otro lado, los valores de la tasa de descuento y la vida util para proyectos de estanaturaleza vienen establecidos vienen establecidos por regulacion.

La vida util de la instalacion se considera 25 anos [38].

La tasa de descuento aplicada en proyectos de energıa renovable se denomina la renta-bilidad razonable del proyecto. Tras la ultima revision de su valor, se establecio que latasa de descuento serıa 7.503 [38].

Horas de operacion anual: 2000 horas [38].

Coste del combustible: 19 e/MWh [39].

4.2.3. Sustancias presentes en el ciclo

Aire y humos

La unica corriente de aire involucrada en los calculos es la corriente de aire de entrada ala caldera en la configuracion hıbrida. El aire de entrada al ciclo se considera a temperaturay presion ambiente por lo que tiene exergıa fısica nula. Tiene exergıa quımica por ser unamezcla de dos tipos diferentes de gases. A pesar de tener una cierta exergıa quımica, muyprobablemente esta sea despreciable frente a la exergıa quımica del combustible de entradaa la caldera.

35

4.2. Hipotesis

Vapor de agua

Las propiedades termodinamicas del ciclo de Rankine fueron calculadas mediante la uti-lizacion de la funcion de Matlab XSteam desarrollada por M. Holmgren. La funcion X-Steamde Matlab es una implementacion de la formulacion estandar de IAPWS-97.

Combustible solido

El combustible utilizado por la caldera es biomasa de composicion igual a la mostrada enla Tabla 4.3.

Elemento C H N O% en masa 48.1 5.99 0.08 45.83

Tabla 4.3: Composicion masica del combustible

Para los calculos energeticos y exergeticos se usara el poder calorıfico inferior, ya quees el realmente aprovechable durante la combustion en una caldera de este tipo. Para loscalculos de exergıa quımica del combustible, se multiplica el poder calorıfico inferior por elcoeficiente ϕ, mencionado en la seccion 2.1. En este caso, dados los coeficientes recogidos enla bibliografıa [30] para combustibles a base de madera, se establece un coeficiente igual a1.125.

Aceite termico

El aceite termico utilizado en la instalacion es del tipo Dowtherm A. Las propiedadestermodinamicas del aceite termico se determinaron en funcion de los datos proporcionadospor el fabricante [40]. Mediante un ajuste por mınimos cuadrados, se obtienen expresionespara calcular las propiedades termodinamicas del aceite. Las tres propiedades calculadas sonpolinomios de grado 2:

cp = a+ b · T + c · T 2 (4.1)

ν = a+ b · T + c · T 2 (4.2)

T = a+ b · h+ c · h2 (4.3)

En la Tabla ?? recogen los coeficientes de cada una de las expresiones.

Funcion a b ccp = cp(T ) 8,7979 · 10−1 2,2007 · 10−3 6,8732 · 10−7

v = v(T ) 1,0533 · 10−3 −1,0116 · 10−6 2,3356 · 10−9

T = T (h) 2,9079 · 102 5,9011 · 10−1 −1,4916 · 10−4

Tabla 4.4: Propiedades termodinamicas del aceite termico

Por tratarse de un fluido incompresible, se considera que la entalpıa y la entropıa delaceite es funcion unicamente de la temperatura.

h = h(T, P ) ≈ h(T )

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s = s(T, P ) ≈ s(T )

La entalpıa y la entropıa del aceite termico se calculan mediante su definicion:

h = h298,15 +∫ T

298,15cp(T )dT (4.4)

s = s298,15 +∫ T

298,15

cp(T )T

dT (4.5)

El calculo del circuito de aceite se detalla en el siguiente apartado.

4.3. Modelo desarrollado

El modelo desarrollado determina los siguientes parametros de cada una de las corrientesde la Figura 4.1.

Caudal masico.

Temperatura

Presion.

Entalpıa.

Entropıa.

Exergıa.

Para poder caracterizar las propiedades de las corrientes del ciclo, es necesario realizarlos siguientes pasos:

1. Calculo de las entalpıas y entopıas de las corrientes del ciclo de vapor

2. Calculo del caudal de vapor.

3. Calculo de la caldera de biomasa.

Una vez calculado lo anterior, es posible calcular los parametros de los diferentes procesosque intervienen en el ciclo.

Calculo de las entalpıas y entopıas de las corrientes del ciclo de vapor

Para la determinacion de las propiedades del vapor se emplea la funcion XSteam deMatlab, desarrollada por Marcus Holmgren. Esta funcion determina las propiedades del aguautilizando como parametros de entrada dos propiedades conocidas (o una en caso de que elfluido se encuentre como lıquido saturado o vapor saturado).

En primer lugar es posible calcular las entalpıas y entropıas de las corrientes 4, 5 y 10 enfuncion de su temperatura y presion. Tras esto se debe determinar la presion a la salida dela turbina de alta presion. El hecho de conocer la temperatura a la salida de la turbina, sepuede seguir un proceso iterativo para calcular su presion p6. El proceso iterativo se explicaa continuacion.

37


1. Se supone un valor inicial para la presion p6.

2. En funcion la entropıa y de la corriente 5 y la presion p6, se determina la entalpıa dela corriente 6, h6,s en caso de que la turbina fuese isentropica.

3. Conocidas las entalpıas h5 y h6,s se calcula la entalpıa h6 segun el rendimiento isentropi-co de la turbina de alta presion.

4. Se calcula la temperatura T6 en funcion del valor de la presion supuesto inicialmente yla entalpıa calculada en el punto anterior.

5. Se compara la temperatura calculada con la conocida. Si la diferencia porcentual entreambas es mayor al 0.01 %, se supone nuevamente un valor de la presion p6 y comienzade nuevo el proceso iterativo.

Se toman las corrientes 10 a la salida del condensador y la 12 de salida del desgasificadorcomo lıquido saturado. Se pueden calcular las entalpıas y las entropıas de estos puntos enfuncion de su presion empleando la funcion XSteam.

Las bombas del circuito de potencia se calculan empleando la definicion de rendimientoisentropico de una bomba. Las corrientes 11 y 13 se calculan de manera analoga.

ηs,P3 = h10 − h11,sh10 − h11

→ h11 = h10 −h10 − h11,sηs,P3

ηs,P2 = h12 − h13,sh12 − h13

→ h13 = h12 −h12 − h13,sηs,P2

La corriente 9 se calcula en funcion del rendimiento isentropico de la turbona de bajapresion. Se puede determinar h9,s ya que se conoce la entropıa de la corriente 8.

ηLPT = h8 − h9h8 − h9,s

→ h9 = h8 − ηLPT (h8 − h9,s)

Se hace un balance de energıa al regenerador con el objetivo de determinar la fraccion masicay de vapor que se inyecta en la turbina de baja presion.

yh11 + (1− y)h14 = h12 → y = h12 − h14h11 − h14

Calculo del caudal de vapor

Una vez determinadas las entalpıas y entropıas de cada una de las corrientes del ciclo depotencia se calcula el flujo masico de vapor necesario para producir la potencia neta de lacentral mediante un proceso iterativo. Se asume un caudal de vapor y se resuelve el circuitode aceite, si este caudal no genera la potencia neta (conocida) se recalcula el circuito de aceitecon otro caudal de vapor hasta que se alcance la potencia neta.

Los pasos intermedios del proceso iterativo se detallan a continuacion:

1. Se asume un valor de caudal de caudal masico de vapor mv.

38


Figura 4.3: Proceso de iteracion para el calculo del caudal de vapor.

2. El flujo de aceite termico se calcula en funcion del calor aportado por el campo solarQTH y la entalpıa de las corrientes 4 y 13.

QTH = mv(h13 − h4) (4.6)

3. Se calcula el flujo de aceite termico segun el salto de entalpıas de las corrientes 2 y 3:

ma = − QTHh2 − h3

(4.7)

4. La presion a la entrada del campo de colectores se calcula mediante la siguiente ecuacion[42]:

P1 = P2 + kHTF · (m1)2 (4.8)

Siendo kHTF = 155,991 · 10−6 la constante de perdidas de presion del campo solar [37].

5. Se calcula el trabajo consumido por la bomba P1.

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WP1 = m1νHTF (p3 − p1)

ηs,P1(4.9)

6. En funcion del trabajo consumido por la bomba se calcula la entalpıa de la corriente 1.

h1 = h3 −WP1m1

(4.10)

7. El calor aportado por el aceite termico se calcula como:

QHTF = m1(h2 − h1) (4.11)

8. El calor total absorbido por el campo solar se calcula en funcion del rendimiento delcampo solar:

QSF = QHTFηHTF

(4.12)

9. Sabiendo que la potencia neta producida por la central es la suma de la potenciaproducida por ambas turbinas y la potencia consumida por las bombas del circuito deaceite y el de vapor, se compara la potencia calculada en funcion del caudal de vapor. Sino se obtiene una potencia neta de 22.5MW (con un 0.1 % de error) se repite el procesoiterativo.

Pneta = WHP + WLP + WP1 + WP2 + WP3

= mvwHP + mvwLP y + mawP1 + mvwP2 + mvwP3y(4.13)

Calculo de la caldera de biomasa

El rendimiento exergetico de la caldera tiene la forma:

ηII,C = m4(e5 − e4) + m7(e8 − e7) + m18ce18cm17e17

(4.14)

La potencia termica aportada por la caldera se calcula realizando un balance energeneticoal dispositivo.

Qw = m5h5 + m8h8 − m4h4 − m7h7 (4.15)

Es necesario determinar los flujos masicos de entrada y salida a la caldera, ademas de lacomposicion de los mismos. Esto se hace para poder determinar el contenido energetico yexergetico de cada una de las corrientes. Para calcular la composicion masica de los gasesde escape se emplea la metodologıa sugerida por Van Loo & Koppejan [11]. Las corrientesde la caldera se van a calcular mediante un proceso iterativo. Para ello, se establece comotemperaturas objetivo T18c = 380oC y T19 = 380oC, obtenidas previamente como resultadode una simulacion con el Software Termoflex. Se asume un valor inical de exceso de aire iguala la 3 y un valor de inicial de T18b = 260oC.

A continuacion se muestran los calculos necesarios para cada una de las etapas del procesode calculo de la caldera.

40


Figura 4.4: Proceso de iteracion para el calculo de la caldera.

41


Calculo de la composicion y flujos masicos de las corrientes de aire y gases deescape El flujo maisco de gases de escape depende unicamente de la composicion del com-bustible introducido y del exceso de aire empleado. La biomasa empleada esta constituidapor cuatro elementos: carbono, hidrogeno, nitrogeno y oxıgeno. El oxıgeno contenido en labiomasa contribuye a la oxidacion de los demas elementos, reduciendo ası la cantidad de airenecesario para la combustion.

La composicion de la biomasa empleada en el analisis esta dada en base seca. A pesar deesto los calculos detallan como se calcularıa la composicion de los gases de escape en caso detener los datos en base humeda.

El oxıgeno necesario para la combustion se calcula como la relacion de kilogramo de O2necesario por kilogramo de combustible combustionado:

mO2,18

[kg O2

kg de comb (BH)

]=(XC

MO2

MC+ XHMO2

4MH+ XSMO2

MS−XO

)(1−XO)λ (4.16)

Siendo Mi el peso molecular del elemento i, Xi la fraccion masica del elemento i en elcombustible, XH2O la fraccion masica de agua del combustible en base humeda (BH) y λ esel exceso de aire empleado.

El flujo de nitrogeno contenido en el aire es:

mN2,18

[kgN2

kg de comb (BH)

]= mO2,18

YN2,18YO2,18

MN2

MO2(4.17)

Siendo Yi,aire la fraccion volumetrica del compuesto i del aire. Los kilogramos de airenecesario por kilogramo de combustible introducido es la suma de los flujos de oxıgeno ynitrogeno calculados anteriormente.

m18

[kg aire

kg de comb (BH)

]= mO2,18 +mN2,aire (4.18)

La cantidad de kilogramos de gases de escape producidos por la combustion de un kilo-gramo de combustible es:

mGE

[kg gases de escape

kg de comb (BH)

]= m18 + 1 (4.19)

La composicion masica de los gases de escape resulta ser:

X19,CO2 =XC

MCO2MC

(1−XH2O)m19

(4.20)

X19,H2O =XH

MH2O

MH2(1−XH2O) +XH2O

m19(4.21)

X19,SO2 =XS

MSO2MC

(1−XH2O)m19

(4.22)

X19,N2 = mN2,18 +XN (1−XH2O)m19

(4.23)

42


X19,O2 =m18,O2

λ (1− λ)m19

(4.24)

Las fracciones volumetricas de los gases de escape se calculan de la siguiente forma:

Yi = Xi

Mi

(∑i

Xi

Mi

)−1

(4.25)

Tomando el rendimiento de la caldera como dato conocido, se puede calcular el flujomasico de combustible. De la definicion de rendimiento segun la primera ley de la caldera sedespeja el flujo masica :

ηI,C = QwmfPCI + m18(h18,c − h18,b)

(4.26)

mf = QwηI,C [PCI +m18(h18,c − h18,b)]

(4.27)

Los caudales masicos se pueden determinar a partir del flujo masico de combustible em-pleando las siguientes ecuaciones:

m18 = m18 · mf (4.28)

m19 = m19 · mf (4.29)

Determinacion de la temperatura de salida de la caldera Se calcula la entalpıaque tiene la corriente de gases de escape al abandonar la caldera. Con esto, y conociendo lacomposicion maisca de los gases de escape, se puede determinar la temperatura a la que salenlos gases:

mfPCI + m18h18 = Qw + m19h18,c (4.30)

h18,c = mfPCI + m18h18 − Qwm19

(4.31)

Calculo del precalentador Por ultimo se quiere determinar la temperatura a la queabandona el aire enfriado en el precalentador. Para ello se aplica un balance energetico aldispositivo:

m18(h18,b − h18) = m19(h19 − h18,c) (4.32)

h19 = h18,c + m18(h18,b − h18)m19

(4.33)

Al igual que se hizo con la caldera, se calcula la temperatura conociendo la composiciony la entalpıa se calcula la temperatura T19 de la corriente .

43


44

Capıtulo 5

Resultados y discusion

5.1. Resultados de la configuracion hıbrida

5.1.1. Corrientes

En las siguientes tablas se recogen todas las propiedades de las corrientes de la central.Algunas de las propiedades son resultado de la simulacion y otras son datos conocidos. Lascorrientes 1, 2 y 3 corresponden al circuito de aceite.

C Flujo masico [kg/s] Presion [bar] T [oC] Entalpıa Entropıa Exergıa1 195,6400 20,97 294,270 543,430 1,2970 157,7802 195,6400 15,00 393 792,180 1,6973 287,1903 195,6400 15,00 293 542,450 1,2917 158,380

Tabla 5.1: Propiedades de las corrientes de aceite

Las corrientes 4 a la 14 son las corrientes que forman parte del ciclo cerrado de generacionde potencia. Las corrientes 15 y 16 son la entrada y la salida al condensador, respectivamente.

C m [kg/s] Presion [bar] T [oC] h [kJ/kg] s [kJ/K·kg] Exergıa [kJ/kg]4 21,0720 40,00 370 3142,50 6,6620 1160,805 21,0720 40,00 520 3491,60 7,1503 1364,306 21,0720 13,33 370 3194,60 7,2301 1043,507 16,5740 13,33 370 3194,60 7,2301 1043,508 16,5740 13,33 520 3519,10 7,6835 1232,809 16,5740 0,08 41,510 2522,10 8,0552 124,95010 16,5740 0,08 41,510 173,850 0,5925 1,749111 16,5740 13,33 41,664 175,610 0,5941 3,055912 21,0720 13,33 192,780 819,990 2,2623 150,040013 21,0720 40,00 193,440 824,040 2,2646 153,41014 4,4977 13,33 370 3194,600 7,2301 1044,3515 931,06 1,013 25 104,9293 0.3672 016 931,06 1,013 35 146,7308 0.5051 0.6856

Tabla 5.2: Propiedades de las corrientes de vapor

En las Figuras 5.1 y 5.2 se muestran los diagramas T-s y h-s, respectivamente, del ciclopropuesto.

45


Figura 5.1: Diagrama T-s del ciclo termodinamico de la configuracion hıbrida.

Figura 5.2: Diagrama h-s del ciclo termodinamico de la configuracion hıbrida.

Las corrientes 17, 18, 18b, 18c y 19 son las involucradas en la simulacion de la caldera.Para el balance global no se tienen en cuenta las corrientes 18b y 18c, se emplean unicamentepara simular el funcionamiento de la caldera.

Debido a que las corrientes de la caldera tienen exergıa fısica y quımica, se detalla en la

46

Capıtulo 5. Resultados y discusion

C m [kg/s] T [oC] h [kJ/kg] s [kJ/K·kg] Exergıa [kJ/kg]17 0.8620 25 0 0 2.1454 ·104

18 21.652 25 0 0 48.630418b 21.652 95 277.3661 0.6610 128.911018c 22.514 380 374.9108 0.8235 150.317319 22.514 130 108.1639 0.3105 36.5332

Tabla 5.3: Propiedades de las corrientes gaseosas de la caldera

Tabla 5.4 un detalle de las exergıas de todas las corrientes involucradas en la simulacion dela caldera.

C Exergıa fısica [kJ/kg] Exergıa quımica [kJ/kg]17 0 2,1454 ·104

18 0 48.630418b 80.2806 48.630418c 129.3751 20.942219 15.5909 20.9422

Tabla 5.4: Desglose exergıas de corrientes de la caldera

En la Tabla 5.5 se recogen las composiciones masicas de los humos de la caldera. Estacomposicion es resultado del modelo de la caldera realizado; la composicion depende tambiendel exceso de aire empleado que resulto ser de 4.49 veces el aire estequiometrico.

Compuesto CO2 H2O O2 N2% masico 0.0675 0.0206 0.1742 0.7376

Tabla 5.5: Composicion masica de los humos

5.1.2. Dispositivos

En la Tabla 5.6 se muestran las diferentes potencias generadas y consumidas por losdispositivos de la planta en la configuracion hıbrida.

Parametro Potencia (MW)WP1 0.1914WP2 0.0853WP3 0.0292WLPT 16.5252WHPT 6.2587Qs 81.107

QHTF 48.6641QB 12.733

Tabla 5.6: Potencia consumida y generada por los dispositivos de la configuracion hıbrida

En la Tabla 5.7 se recogen las destrucciones exergeticas en cada uno de los dispositivos que

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integran la central, ademas de cuanto contribuye cada dispositivo a la destruccion exergeticatotal.

Dispositivo Exergıa destruida I [kJ] % del totalP1 99,0889 0,14P2 14,1603 0,02P3 7,5067 0,01

LPT 1837,0 0,70HPT 501,174 2,58

Desgasificador 1582,3 2,22Condensador 1403,7 1,97Tren de IC 3973,7 5,59

Caldera 11298 15,88Campo solar 50416,34 70,88

TOTAL 71133,44 100

Tabla 5.7: Destrucciones exergeticas en los dispositivos de la configuracion hıbrida

En funcion de los resultados anteriores, se calculan los rendimientos energeticos y exergeti-cos de todos los dispositivos de la configuracion hıbrida.

Dispositivo η ηII

Bomba P1 0.7500 0.4824Bomba P2 0.7500 0.8341Bomba P3 0.7500 0.7426

Turbina HP 0.8550 0.9259Turbina LP 0.8950 0.9000Desaireador 1 0.6664Tren de IC 1 0.8423

Condensador 1 0.3126Campo solar 0.6 0.3325

Caldera 0.8434 0.4460

Tabla 5.8: Rendimientos exergeticos de los dispositivos de la configuracion hıbrida

En la Figura 5.3 se muestra la contribucion de cada dispositivo a la destruccion exergeticaglobal de la planta. Puesto que el campo solar supone una gran parte de la destruccionexergetica total, se representa en la Figura 5.4 la contribucion de cada dispositivo sin contarel campo solar.

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Figura 5.3: Contribucion a la destruccion exergetica global de cada dispositivo en la configu-racion hıbrida (I)

Figura 5.4: Contribucion a la destruccion exergetica global de cada dispositivo en la configu-racion hıbrida (II)

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El diagrama de Sankey mostrado en la Figura 5.5 muestra los flujos de exergıa de lacentral con configuracion hıbrida. Se puede ver en el diagrama que la aportacion de exergıapor parte del aire de entrada a la caldera resulta despreciable frente a la exergıa aportadapor el Sol y el combustible.

Figura 5.5: Diagrama de Sankey de la configuracion hıbrida.

5.1.3. Planta

Los rendimientos de la configuracion hıbrida son los mostrados en la Tabla 5.9.

Rendmiento ValorηI 0.3661ψ 0.2391ε 0.2434

Tabla 5.9: Rendimientos energetico y exergetico de la central

El area del campo de heliostatos necesaria es 124.045 m2. Conocida el area del campode heliostatos y considerando los costes de la bibliografıa se obtienen los costes de inversionreflejados en la Tabla ??.

El coste de combustible es el coste de la biomasa utilizada en un ano. Se obtuvo quela caldera de biomasa aporta 12.733 MW de calor al ciclo. Esto, multiplicado por las horas

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Inversion Coste [e]Campo de heliostatos 25.553.423Bloque de potencia 15.750.000

Caldera 674.889Combustible 1.146.038Coste total 43.124.350

Tabla 5.10: Costes de inversion

de funcionamiento anuales, supone 25.467MWh de energıa generada anualmente mediante lacaldera de biomasa.

Los costes de operacion y mantenimiento se consideraran constantes a lo largo de la vidautil de la central. Se diferenciaran los costes ligados a la produccion de energıa solar y losligados a la produccion de energıa con biomasa.

Concepto e

Fijos 431.243Variables solar 1.755.000

Variables biomasa 407.480Variables totales 2.162.480

Tabla 5.11: Costes de operacion y mantenimiento de la configuracion hıbrida

Por otro lado, para el calculo del LCOE era necesario determinar primero el CRF. Em-pleando una tasa de descuento de 0.075 y considerando una vida util de 25 anos, el CRFresulta ser 0.0897. Considerando todo lo anterior, el LCOE resulta 143.63 e.

5.2. Resultados de la configuracion solar

5.2.1. Corrientes

En las corrientes del ciclo con configuracion solar no se incluyen las corrientes 17, 18 y 19puesto que son las utilizadas en la caldera. Por lo demas, la enumeracion de las corrientes dela configuracion es analoga a la de las corrientes de la configuracion fosil.

C m [kg/s] Presion [bar] T [oC] h [kJ/kg] s [kJ/K·kg] Exergıa [kJ/kg]1 275,5644 26.845 294,270 544.3946 1,2874 159.8102 275,5644 15,00 393 792,179 1,6912 287,1943 275,5644 15,00 293 542,453 1,2917 158,375

Tabla 5.12: Propiedades de las corrientes de aceite

Las Figuras 5.6 y 5.7 se muestran los diagramas T-s y h-s, respectivamente, del ciclopropuesto.

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C Flujo masico [kg/s] Presion [bar] T [oC] Entalpıa Entropıa Exergıa4 29,681 40,00 370 3142,545 6,6620 1160,8235 29,681 40,00 520 3142,545 6,6620 1160,8236 29,681 13,33 370 2911,586 6,7392 907,1257 16,5740 13,33 370 2911,586 6,7392 907,1258 16,5740 13,33 370 2911,586 6,7392 907,1259 16,5740 0,08 41,510 2192,371 7.007 107.65610 16,5740 0,08 41,510 173,852 0,5925 1,749111 16,5740 13,33 41,664 175,612 0,5941 3,055912 29,681 13,33 192,780 819,990 2,2623 150,0.36313 29,681 40,00 193,440 824,040 2,2646 153,41414 4,4977 13,33 370 2911,586 6,7392 907,12515 931,06 1,013 25 104.929 0.3672 016 931,06 1,013 35 146.731 0.5051 0.6856

Tabla 5.13: Propiedades de las corrientes de vapor

Figura 5.6: Diagrama T-s del ciclo termodinamico de la configuracion solar.

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Figura 5.7: Diagrama h-s del ciclo termodinamico de la configuracion solar.

5.2.2. Dispositivos

En la Tabla 5.14 se muestran las diferentes potencias generadas y consumidas por losdispositivos de la central con configuracion convencional.

Parametro Potencia (MW)WP1 0.5349WP2 0.1202WP3 0.0399WLPT 16.3261WHPT 6.847Qs 113.801

QHTF 68.2806

Tabla 5.14: Potencia consumida y generada por los dispositivos de la configuracion solar

En la Tabla 5.15 se recogen las destrucciones exergeticas en cada uno de los dispositi-vos que integran la central, ademas de cuanto contribuye cada dispositivo a la destruccionexergetica total.

Se calcularon tambien los rendimientos energeticos y exergeticos de cada dispositivo.Al igual que se hizo para los resultados de la configuracion hıbrida, se muestra en las

Figuras 5.8 y 5.9 la contribucion de cada uno de los dispositivos a la destruccion exergeticaglobal.

El diagrama de Sankey mostrado en la Figura 5.10 muestra los flujos de exergıa de lacentral con la configuracion convencional.

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Dispositivo Exergıa destruida I [kJ] % del totalP1 139,571 0,17P2 19,945 0,02P3 10,277 0,01

LPT 1814,86 0,83HPT 683,016 2,19

Desgasificador 1986,73 2,36Condensador 1651,88 2,00Tren de IC 5597,14 6,76

Campo solar 70867,6 85,65TOTAL 82741,0 100

Tabla 5.15: Destrucciones exergeticas en los dispositivos de la configuracion hıbrida

Dispositivo η ηII

Bomba P1 0.7500 0.Bomba P2 0.7500 0.8341Bomba P3 0.7500 0.7426

Turbina HP 0.8550 0.9093Turbina LP 0.8950 0.9000Desaireador 1 0.6947Tren de IC 1 0.8423

Condensador 1 0.3126Campo solar 0.6 0.3312

Tabla 5.16: Rendimientos exergeticos de los dispositivos de la configuracion solar

Figura 5.8: Contribucion a la destruccion exergetica global de cada dispositivo en la configu-racion solar (I)

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Figura 5.9: Contribucion a la destruccion exergetica global de cada dispositivo en la configu-racion solar (II)

Figura 5.10: Diagrama de Sankey de la configuracion solar.

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5.3. Discusion

5.2.3. Planta

Los rendimientos de la configuracion solar son los mostrados en la Tabla 5.17.

Rendmiento ValorηI 0.3292ψ 0.2121ε 0.2192

Tabla 5.17: Rendimientos energetico y exergetico de la configuracion solar

El area del campo de heliostatos necesaria es de 174.048 m2. Conocida el area del campode heliostatos y, considerando los costes de la bibliografıa, se obtienen los costes de inversionde la Tabla ??.

Concepto Coste [e]Campo de heliostatos 35.854.009Bloque de potencia 15.750.000

Coste total 51.604.009

Tabla 5.18: Costes de inversion totales de la configuracion solar

Los costes de operacion y mantenimiento se refieren unicamente a los correspondientesal campo solar y se consideran constantes a lo largo de la vida util de la central. Los costesvariables son funcion de los megawatios-hora producidos anualmente, por lo que son igualesa los de la configuracion hıbrida.

Concepto Valor UnidadesFijos 516.040 e

Variables 1.755.000 e

Tabla 5.19: Costes de operacion y mantenimiento de la configuracion solar

El LCOE de la configuracion solar se calcula de manera equivalente al de la configuracionhıbrida. Se utiliza la misma tasa de descuento y vida util que para la configuracion hıbrida,por lo que el CRF es 0.0897. Considerando todo lo anterior, el LCOE resulta 153.37 e.

5.3. Discusion

5.3.1. Rendimientos globales de la planta

El rendimiento energetico de la planta hıbrida se calculo considerando la energıa de en-trada a suma del calor aportado por la caldera y el campo solar. El rendimiento energetico dela planta solar considera como energıa de entrada unicamente el calor aportado por el camposolar. Se calculo el rendimiento exergetico ε de manera analoga al energetico. El rendimientoψ se calculo en funcion de las destrucciones exergeticas de los dispositivos. En la Figura 5.11se comparan los tres rendimientos de las dos configuraciones.

Se puede observar que todos los rendimientos de la configuracion hıbrida son ligeramentesuperiores a los de la configuracion solar. Esto se debe fundamentalmente a que la calde-ra aporta energıa y exergıa con un rendimiento mayor al que lo hace el campo solar. Este

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Figura 5.11: Comparacion entre los rendimientos de la configuracion hıbrida y solar.

fenomeno se traduce en un aumento de los rendimientos globales de la planta, puesto que seaporta calor al ciclo con una mayor eficiencia.

En la Figura 5.12 se muestran los diagramas T-s de los dos ciclos termodinamicos pro-puestos. Se puede ver claramente como el ciclo de la configuracion hıbrida presenta unatemperatura media de adicion mayor que la que tiene la configuracion solar. Esto produceque la eficiencia termica del ciclo de la configuracion hıbrida sea mayor a la del ciclo de laconfiguracion solar. El hecho de sobrecalentar el vapor tiene otro efecto positivo: la reduccionde la humedad a la salida de la turbina de baja presion.

Figura 5.12: Diagrama T-s de los ciclos termodinamicos de ambas configuraciones. En azulel ciclo de la configuracion hıbrida y en rojo el ciclo de la configuracion solar.

57

5.3. Discusion

5.3.2. Procesos. Analisis de destruccion exergetica

Comparacion entre ambas configuraciones

Si se analizan las destrucciones exergeticas en cada uno de los dispositivos de la planta, sepueden encontrar diferentes valores segun la configuracion adoptada. Las Figuras 5.13, 5.14y 5.15 recogen una comparacion de la destruccion en cada dispositivo segun la configuracion.

Figura 5.13: Destruccion exergetica en las turbinas de ambas configuraciones.

Figura 5.14: Destruccion exergetica en las bombas de ambas configuraciones.

Se observa que en todos los dispositivos, exceptuando la turbina de baja presion, la des-truccion exergetica de la configuracion solar es mayor. Esto se debe fundamentalmente a queen la configuracion solar circula un caudal masico de vapor considerablemente mayor que enla configuracion hıbrida.

El hecho de que en la configuracion solar circule un mayor caudal de vapor se debe funda-mentalmente a que el vapor que ingresa en las turbinas lo hace a una temperatura menor que

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Figura 5.15: Destruccion exergetica del desgasificador, condensador y tren de intercambiado-res de calor de ambas configuraciones.

en la configuracion hıbrida. El hecho de que exista sobrecalentamiento en la configuracionhıbrida se traduce en un aumento del trabajo neto del ciclo, necesitando por tanto un menorcaudal masico de vapor para producir la misma potencia neta. La Figura 5.16 muestra eldiagrama T-s que resulta de sobrecalentar el vapor en un ciclo de Rankine, donde el areacorrespondiente al aumento de trabajo por el efecto de sobrecalentar el vapor esta sombreadaen gris.

Figura 5.16: Efecto que provoca sobrecalentar el vapor hasta temperaturas elevadas en elciclo Rankine ideal [23].

En la configuracion hıbrida el vapor ingresa a ambas turbinas con una temperatura de520oC, mientras que en la solar lo hace con una temperatura de 370oC. Una temperatura masbaja a la entrada de la turbina se traduce en un salto entalpico menor entre las corrientes deentrada y salida.

59

5.3. Discusion

Dispositivos de mayor destruccion exergetica

Exceptuando el campo solar, los dispositivo que mayor destruccion exergetica producenlas mayores destrucciones exergeticas son los intercambiadores de calor (tren de intercambia-dores de calor y condensador), el desgasificador y la caldera. A continuacion se analizarancada uno de los dispositivos.

En las Figuras 5.17 y 5.18 es muestran las temperaturas de las corrientes fluidas queatraviesan los intercambiadores de calor. Se puede ver que a la entrada del tren deintercambiadores de calor las corrientes presentan una gran diferencia de temperaturas. Unade las causas de irreversibilidad que se enumero en apartados anteriores era la de transferenciade calor debido a una diferencia finita de temperaturas, efecto que se acentua a medida queaumenta la diferencia de temperaturas. Es por esto que en el tren de intercambiadores decalor la destruccion exergetica es mucho mayor que en los demas dispositivos.

Figura 5.17: Grafico T-L del Tren de Intercambiadores de calor.

Por otro lado, se tiene que el condensador no presenta una diferencia de temperaturatan alta entre sus corrientes. A pesar de ello, el caudal masico de agua de enfriamiento queatraviesa el condensador es muy alto, por lo que al multiplicar la exergıa especıfica por elcaudal masico de agua de enfriamiento resulta en una gran destruccion exergetica.

El calculo de destruccion exergetica en el desgasificador resulto de realizar un balanceexergetico al dispositivo. En este caso, la destruccion exergetica del dispositivo es tan altadebido a que se introduce un vapor de alto contenido exergetico (1044.35 kJ/kg) para con-vertirlo en una corriente de lıquido subenfriado (de exergıa especıfica 150.04 kJ/kg). Trasrealizar el balance, se obtiene una destruccion exergetica en el dispositivo considerablementealta debido principalmente a la reduccion de la exergıa del vapor. En la Figura 5.19 se mues-tra una representacion grafica de los flujos de exergıa presentes en el desgasificador donde seaprecia la diferencia de exergıas entre los dos fluidos de entrada al dispositivo.

Por otra parte, la caldera involucra procesos de combustion, mecanismo de transforma-cion de una energıa en otra de mayor destruccion exergetica asociada. Este es debido a que enlos procesos de combustion existen diferentes formas de irreversibilidad durante el proceso,entre ellas la friccion de fluidos y transferencia de calor debido a una diferencia finita de

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Figura 5.18: Grafico T-L del Condensador.

Figura 5.19: Flujos de exergıa en el desgasificador.

temperaturas. En el caso de combustiones adiabaticas e isobaricas, la gran diferencia entrela entropıa de los productos y los reactantes produce una destruccion elevada. La diferenciade entropıas esta motivada principalmente por la gran diferencia de temperaturas entre pro-ductos y reactantes.

La gran destruccion exergetica producida durante la combustion esta asociada en granmedida a la exergıa quımica original del combustible. Para reducir la destruccion exergetica esnecesario reducir la diferencia de entropıas entre productos y reactantes. En el caso de estudiose considera que el combustible que ingresa en la caldera lo hace a temperatura ambiente, aligual que el aire utilizado para quemar el combustible. A la vista de lo dicho anteriormente,era de esperar que la caldera presentase una gran destruccion exergetica puesto que no sellevaron a cabo medidas para reducir la tasa de destruccion de exergıa.

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5.3. Discusion

5.3.3. Analisis economico

El parametro usado para comparar los costes de cada de las configuraciones es el LCOE.La configuracion hıbrida presenta un LCOE de 143.70 e/MWh, mientras que el de la con-figuracion solar es de 153.45 e/MWh. En las figuras 5.20 y 5.21 se muestra el desglose delLCOE de cada configuracion.

Figura 5.20: Desglose de LCOE de la configuracion hıbrida

Figura 5.21: Desglose de LCOE de la configuracion solar

En ambas configuraciones el campo solar es el que mas contribuye al coste del LCOE. Ensegundo lugar, el coste de inversion mas alto es el coste del bloque de potencia, directamenteproporcional a la potencia neta de la planta. Por otra parte, en la configuracion hıbrida, setienen los costes de la caldera y combustible, aunque estos resultan pequenos comparadoscon los mencionados anteriormente.

Es evidente que la configuracion solar precisa de un campo mas grande de heliostatos queel que necesita la configuracion hıbrida, por no contar con la caldera. Al ser este el coste mas

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influyente en el LCOE final, el coste de la energıa producida por la configuracion solar resultamayor que el de la configuracion hıbrida. Cabe recordar tambien que los campos solares secalcularon con un factor solar de 1.3 con el objetivo de realizar un calculo mas real. Esto haceque los campos solares de ambas configuraciones sean mas grandes y por tanto los LCOEmas altos.

La Figura 5.22 recoge una comparacion entre cada uno de los costes involucrados en elcalculo del LCOE de las configuraciones.

Figura 5.22: Comparacion de costes asociados a ambas configuraciones.

5.3.4. Analisis de sensibilidad

A la hora de calcular el LCOE, intervienen diferentes parametros que podrıan variar suvalor a lo largo del tiempo. Estos parametros influyen en mayor o menor medida en el LCOE,por lo que resulta interesante realizar un analisis de sensibilidad para analizar cuanto afectasu variacion al valor final del LCOE.

El LCOE obtenido en las secciones anteriores se calculo considerando 2000 horas de fun-cionamiento anual. Este es un valor muy tıpico a la hora de analizar centrales solares. En laFigura 5.23 se muestra como varıa el LCOE de ambas configuraciones si cambiasen las horasde funcionamiento anuales.

A medida que crece el numero de horas de funcionamiento, el LCOE se reduce. Destaca elhecho de que se puede apreciar una mayor diferencia de LCOE entre las dos configuracionescuando se tienen 1500 horas anuales, mientras que cuando se supone un funcionamiento anualde 2500 horas, esta diferencia se reduce.

Otro parametro que es sensible de sufrir variaciones a lo largo del tiempo es el precio de labiomasa. Su precio viene condicionado por la disponibilidad de suministro y en muchas oca-

63

5.3. Discusion

Figura 5.23: Analisis de sensibilidad: variacion del LCOE con respecto de las horas de fun-cionamiento anuales.

siones se ve afectado por subvenciones y promociones. En este caso, por ser la configuracionhıbrida la que presenta un menor coste, se analiza la influencia que producirıa un incrementoen el precio de la biomasa. En la Figura 5.24 se muestran diferentes LCOE para diferentesprecios de biomasa.

Resulta destacable el hecho de que, a pesar de haber supuesto que se triplicase el preciode la biomasa, el LCOE de la configuracion hıbrida sigue siendo mucho menor que el de laconfiguracion solar. Como ya se dijo antes, el parametro que mas influye en el LCOE de lascentrales solares es el precio del campo de heliostatos. Por tener la configuracion solar uncampo de heliostatos mucho mayor que el de la configuracion hıbrida, una subida de preciodesorbitada de la biomasa no conseguirıa revertir el efecto del campo de heliostatos.

Figura 5.24: Analisis de sensibilidad: variacion del LCOE con respecto del precio de la bio-masa.

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Debido a que se ha visto que el coste del campo solar resulta ser el factor mas influyenteen el LCOE de la instalacion, se realiza un analisis de sensibilidad para poder evaluar elcomportamiento del LCOE frente a cambios en el coste del campo solar. El precio de estatecnologıa es susceptible de bajar conforme al paso del tiempo por lo que es interesante eva-luar cuanto afecta al LCOE de ambas configuraciones.

Figura 5.25: Analisis de sensibilidad: variacion del LCOE con respecto al precio del camposolar.

El coste del campo de heliostatos considerado en el estudio original era de 206 e/m2. Sehizo variar su precio desde los 90 e/m2 hasta los 220 e/m2. Segun la Figura 5.25, se puedever que el precio del campo solar se debe reducir hasta un valor aproximadamente de 90e/m2 para que la configuracion solar presente un LCOE menor que el de la configuracionhıbrida. Bajar el coste del campo hasta este valor supondrıa una reduccion de mas del 50 %del coste actual de esta tecnologıa.

65

5.3. Discusion

66

Capıtulo 6

Conclusiones

El objetivo principal de este trabajo es realizar un analisis de las diferentes ventajas deri-vadas de la hibridacion de una central termosolar con una caldera de biomasa. Para ello, sepropuso un modelo simplificado de la central termosolar de Borges Blanques. Se calcularonlas diferentes propiedades de todas las corrientes del ciclo termodinamico. Se desarrollo he-rramienta de Matlab que permite la comparacion entre una central termosolar convencionaly una central termosolar hibridada con una caldera de biomasa.

La caldera de biomasa introducida en el ciclo solar tenıa como objetivo sobrecalentar elvapor del ciclo de Rankine, desde los 370 hasta los 520 oC. Haciendo esto, se observo uncrecimiento del rendimieto energetico y los rendimientos exergeticos ε y ψ. El rendimientoenergetico se ve favorecido ya que parte del calor de entrada al ciclo es aportado por la cal-dera, la cual tiene mayor rendimiento energetico que el campo solar. De manera analoga, elrendimiento exergetico ε se ve favorecido por el mayor rendimiento exergetico de la calderacon respecto al del campo solar. Por ultimo, el rendimiento exergetico ψ depende de la sumade las destrucciones exergeticas de cada dispositivo y de la exergıa de entrada al ciclo. Elhecho de anadir un dispositivo adicional al ciclo podrıa suponer un rendimiento ψ mas bajo,debido a la existencia de una mayor destruccion exergetica asociada al nuevo dispositivo.Esto no sucede en el caso de estudio puesto que la configuracion solar presenta un mayorcampo solar que la configuracion hıbrida, por lo que las destrucciones exergeticas producidaspor del campo solar son mucho mayores que las producidas en la combustion, por lo que ψsigue siendo menor para el caso de la configuracion solar.

A la hora de analizar el coste nivelado de la energıa de ambas configuraciones, la con-figuracion hıbrida vuelve a presentar mejores prestaciones que la configuracion solar. Granparte de los costes de las centrales termosolares son debidos a los altos costes de inversion delcampo de helisotatos. Al presentar esta configuracion un campo solar menor que la configu-racion solar, resulta tener un LCOE 9.35 emas barato. Se realizo un analisis de sensibilidad,variando los valores de parametros sujetos a sufrir variaciones con respecto a las hipotesisiniciales de calculo: horas de funcionamiento anuales, precio de la biomasa y precio del cam-po de heliostatos. Los analisis permitieron cuantificar la importancia de la diferencia en eltamano de los dos campos de heliostatos: el hecho de variar los otros parametros que influıanen el LCOE producıa muy poca variacion en la diferencia relativa de los precios de ambasconfiguraciones. El LCOE de la configuracion solar resulto ser menor unicamente en el casode suponer una disminucion de mas del 50 % en el coste del campo de heliostatos.

El analisis llevado a cabo en este trabajo arroja resultados muy evidentes acerca de las

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ventajas de hibridar una central termosolar con una caldera de biomasa: los rendimientos sonmayores y los costes menores. Uno de los temas no mencionados es la capacidad de aumentarlas horas de funcionamiento anuales de la central hıbrida, ya que al tener la caldera se podrıaseguir produciendo energıa en los perıodos en los que la radiacion solar no es tan intensa(como lo hace la central original de Borges Blanques). Esto producirıa un LCOE de la centralaun menor y un retorno de la inversion mas rapido.

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Capıtulo 7

Planificacion temporal ypresupuesto

7.1. Planificacion temporal

La programacion temporal incluida en este proyecto esta basada en la Estructura de Des-composicion del Proyecto (EDP). Esta herramienta permite analizar las diferentes tareas opaquetes de trabajo que componen el proyecto. Se incluye tambien un diagrama de Gantt delproyecto, elaborado con ayuda del Excel de Microsoft.

Se establece como fecha de inicio del proyecto el 1 de diciembre de 2017, fecha en la quese manda el primer correo para comenzar a coordinar esfuerzos con el tutor.

1. Primera toma de contacto: documentacion.

a) Lectura de documentacion relativa a centrales termosolares.b) Profundizacion en los conceptos relacionados con los ciclos de Rankine convencio-

nales y optimizados.c) Estudio en profundidad de la central de Borges Blanques, intentando obtener el

maximo de datos posibles relativos a su ciclo de potencia.

2. Simulacion del circuito de aceite

a) Determinacion de las propiedades del aceite termico utilizado en el circuito deaceite.

b) Elaboracion de base de datos de propiedades termodinamicas del aceite.c) Modelacion del circuito de aceite.d) Simulacion en Matlab del circuito de aceite.e) Comprobacion y correccion de resultados.

3. Simulacion del bloque de potencia.

a) Revision de bibliografıa necesaria para realizar hipotesis.b) Modelacion del bloque de potencia.c) Simulacion en Matlab del bloque de potencia.

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d) Ensamblaje con el codigo del campo solar.

4. Simulacion de la caldera.

a) Revision de bibliografıa necesaria para realizar hipotesis.b) Estudio de los procesos de combustion.c) Modelacion de la caldera.d) Simulacion en Matlab de la caldera.

5. Simulacion de la caldera.

a) Revision de bibliografıa necesaria para realizar hipotesis.b) Estudio de los procesos de combustion.c) Modelacion de la caldera.d) Simulacion en Matlab de la caldera.

6. Ensamblaje de todas las simulaciones

7. Calculos del analisis 4E para la configuracion hıbrida.

a) Analisis energetico.b) Analisis exergetico.c) Analisis economico.d) Analisis ambiental.

8. Adaptacion del codigo de la central hıbrida a la central solar.

a) Evaluacion de las diferencias entre las instalaciones.b) Ejecucion del codigo.

9. Redaccion

a) Introduccion.b) Metodologıa.c) Conclusiones.d) Resumen.

La primera parte del trabajo fue documentarse acerca del tipo de central a estudiar. Pri-mero se analizaron las centrales termosolares en general. Se realizo una profundizacion en losconceptos relacionados con los ciclos de Rankine. Se buscaron los datos relacionados con elfuncionamiento la central Borges Blanques, con el objetivo de reproducir su ciclo.

La simulacion del circuito de aceite se realizo conociendo los datos de temperatura deentrada y salida al campo solar. Las propiedades termodinamicas del aceite termico fueronproporcionadas por el fabricante y se obtuvieron para un rango de temperaturas haciendo unajuste por mınimos cuadrados. Se modelizo el circuito y se simulo en Matlab.

Al no contar con todos los datos de las corrientes del bloque de potencia, fue necesariopartir de los datos de la central y, mediante balances de energıa, calcular una a una las co-rrientes involucradas. Los rendimientos energeticos de algunos dispositivos se tomaron como

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Capıtulo 7. Planificacion temporal y presupuesto

hipotesis de datos tomados de la bibliografıa. Se modelizo el bloque de potencia y se simuloen Matlab.

Para la simulacion de la caldera fue necesario el estudio de los procesos de combustioninvolucrados. Tambien fue necesario una profundizacion en los conceptos de exergıa fısica yquımica. Una vez realizada la lectura necesaria, se procedio a la modelizacion de la caldera ysi posterior simulacion en Matlab.

Una vez realizada la simulacion en Matlab de toda la central, se realizaron los calculosenergeticos, exergeticos y economicos.

Tras haber analizado con detenimiento la central con la configuracion hıbrida, se procedioa modificar el codigo de Matlab con el fin de poder reproducir su operacion. Una vez simu-lada correctamente, se realizaron los mismos analisis que los realizados para la configuracionhıbrida.

Terminado todo lo anterior, se redactaron aquellas secciones que no habıan sido redacta-das durante el transcurso del trabajo.

La Figura 7.1 muestra el diagrama de Gantt del proyecto. Los diferentes colores muestranlas diferentes fases del proyecto:

1a Fase: Documentacion.

2a Fase: Simulacion de la central en Matlab.

1. Simulacion del campo solar.2. Simulacion del bloque de potencia.3. Simulacion de la caldera.4. Ensamblaje de todas los componentes de la central.

3a Fase: Analisis 4E de la configuracion hıbrida.

4a Fase: Simulacion y calculos de la configuracion solar.

5a Fase: Redaccion.

71


72


Figura 7.1: Diagrama Gantt del proyecto.

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7.2. Presupuesto

7.2. Presupuesto

El presupuesto de este trabajo se estima en funcion de las horas de dedicacion del alumnoy del profesor, la amortizacion del equipo utilizado y el consumo de electricidad. Las horasde trabajo consumidas durante el desarrollo del proyecto se engloban en la Tabla 7.1.

Tarea Dedicacion [horas]Revision de la bibliografıa y estudio de conceptos 40

Redaccion de la memoria 130Modelizacion y simulacion 140

Reuniones con el tutor 35Total 345

Tabla 7.1: Horas destinadas a la realizacion del proyecto.

La dedicacion estimada de un Trabajo de Fin de Grado de 12 ECTS es de entre 300 y360 horas, por lo que la dedicacion esta dentro de lo esperado.

El coste horario de trabajo para la alumna se estima como 10e/h y 30e/h para el tutor.

Se asume que el ordenador no se utiliza unicamente para el desarrollo del trabajo, por loque se calcula su amortizacion en funcion de sus horas de uso. El precio de adquisicion delequipo se toma como 700e.

Amortizacion = horas de uso

horas de vida= 345

5anos · 365dias · 6horas = 0, 0315 (7.1)

Consumo de electricidad. La demanda electrica se asume como la demandada por elordenador y el consumo de luz, lo cual asciende a 130W.

Energia = 0, 130kW · 345horas = 44, 85kWh (7.2)

Considerando un precio de la electricidad de 0.13e/kWh.

Las licencia de Matlab es proporcionada por la Universidad por lo que su coste derivadode su uso para la alumna y el tutor se toma como nulo. En caso de que otra entidad realizaseeste proyecto, habrıa que anadir este coste.

Con los costes mencionados anteriormente queda un coste total del proyecto de 5841,74e,incluyendo el impuesto de valor anadido. En la Tabla 7.2 se recoge el desglose del coste finaldel proyecto.

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Concepto Cantidad Precio unitario Importe [e]Trabajo realizado por la alumna 345 10 3450Trabajo realizado por el tutor 45 30 1350

Ordenador 0,0315 700 22,05Consumo de electricidad 44,85 0,13 5,83

Total sin IVA 4827,88TOTAL 5841,74

Tabla 7.2: Coste total del proyecto.

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7.2. Presupuesto

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Capıtulo 8

Valoracion del impacto del analisis4E

Este trabajo realiza un analisis comparativo a nivel energetico, exergetico y economicode dos instalaciones que usan energıa termosolar como principal fuente de calor aportado albloque de potencia, donde una central es una central termosolar convencional y otra es unacentral termosolar hibridada con una caldera de biomasa.

En terminos de energıa, la central hıbrida presenta un mayor rendimiento que la centraltermosolar convencional por el hecho de aportar parte del calor del ciclo con la caldera, dis-positivo con mayor rendimiento que el del campo solar. De igual manera, los rendimientosexergeticos de la central hıbrida son mayores que el de la convencional por producirse laadicion de exergıa con una menor destruccion exergetica asociada.

Es evidente que, a igualdad de potencia neta de la central, la central termosolar con-vencional precisa de un campo solar mayor que el necesitado por la central hıbrida. Estose traduce en unos costes de inversion mucho menores para la central hıbrida, llevandola atener un LCOE menor que el de la central solar convencional. Este resultado puede resultarmuy interesante ya que un menor LCOE lleva a un retorno de la inversion mas temprano,por lo que puede atraer posibles inversionistas. Hoy en dıa, una de las grandes desventajasde las energıas renovables frente a las energıas convencionales es el gran desembolso inicial arealizar, aun teniendo en cuenta la gratuidad de los combustibles.

A lo largo del estudio se supusieron neutras las emisiones de CO2 derivadas de la quemade biomasa. Esta es una aproximacion muy usada pero no por ello cierta. Suponer la biomasaneutra en emisiones de CO2 lleva a ignorar las emisiones derivadas del cultivo, obtencion ytransporte de la biomasa, en muchas ocasiones gran fuente de emisiones de CO2. En la actua-lidad existen diferentes estudios que tratan de aproximar las emisiones de CO2 producidaspor la biomasa segun su procedencia. Esto ultimo escapa al alcance de este trabajo, peroresultarıa de gran interes evaluar las emisiones producidas por la utilizacion de biomasa enla central de biomasa.

Todos los factores mencionados anteriormente hace que la hibridacion de centrales termo-solares sea una opcion interesante a la hora de valorar entre diferentes proyectos de energıarenovable. No en vano se esta evaluando la realizacion de proyectos de energıa termosolarcon hibridacion de biomasa en diferentes paıses. El hecho de aportar calor con una fuente

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diferente a la del Sol, permite que la central inyecte energıa a la red durante mas horas deldıa. La central termosolar de Borges Blanques, la unica central comercial que emplea estetipo de tecnologıa, opera 24 horas al dıa. Dada la ingente necesidad de reducir la dependenciade los combustibles fosiles, resulta imprescindible favorecer las tecnologıas que garanticen elsuministro de energıa electrica a lo largo del dıa.

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Nomenclatura

A Area del colector solar [m2]

cp Calor especıfico a presion constante[kJ/kg·K]

DNI Irradiacion nomal directa [kW/m2]

e Exergıa especıfica [kJ]

E Exergıa [kJ]

h Entalpıa especıfica [kJ/kg]

H Entalpıa [kJ]

i Destruccion exergetica especıfica[kJ/kg]

I Tasa de destruccion exergetica [kW]

Js Funcion de Massieu

LCOE Coste nivelado de la energıa

m Flujo masico [kg/s]

M Peso molecular [kg/kmol]

n Vida util de la instalacion [anos]

PCI Poder calorıfico inferior [kJ/kg]

q Transferencia de calor especıfica[kJ/kg]

Q Tasa de transferencia de calor [kW]

r Tasa de descuento

R Constante del gas [kJ/kg·K]

R Constante universal de los gases [kJ/k-mol·K]

s Entropıa especıfica Entalpıa especıfica[kJ/K·kg]

S Entrpıa Entalpıa especıfica [kJ/K]

T Temperatura [oC]

V Volumen [m3]

w Trabajo especıfico [kJ/kg]

W Potencia [kW]

U Energıa interna [kJ]

X Fraccion masica del combustible [-]

Y Fraccion volumetrica del combustible[-]

Letras griegas

∆ Incremento

η Rendimiento energetico global

ηI Rendimiento energetico del dispositivo

ηII Rendimiento exergetico del dispositivo

ε Rendimiento exergetico global

λ Exceso de aire

ψ Rendimiento exergetico global

σ Generacion de entropıa [kJ/kg·K]

Subındices

0 Estado de referencia

a Aceite

B Bomba

C Caldera

Co Condensador

D Desgasificador

f Combustible

HP High Pressure

HTF Heat Transfer Fluid

I Inversion

IC Intercambiador de calor

LP Low Pressure

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Nomenclatura

O&M Operacion y mantenimiento

R Rankine

T Turbina

s Isentropico

SF Campo solar

Sol Sol

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análisis energético, exergético y económico de una...

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