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Huaraz 2017Asociación Peruana de Energía Solar y del Ambiente Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional Santiago Antunez de Mayolo

APES

Dr. Pablo Castro Alonso [email protected]

Departamento de Ingeniería Eléctrica y EnergéticaUniversidad de Cantabria, España

GESTIÓN DE CENTRALES ELÉCTRICAS TERMOSOLARES CON ALMACENAMIENTO

TÉRMICO EN SALES

https://www.google.com.pe/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjZ5oS-5-3VAhWJZCYKHVnhAQEQjRwIBw&url=https://www.carrerasadistancia.com.pe/universidad-nacional-santiago-antunez-de-mayolo&psig=AFQjCNHM93q7bO4oy640areW7R5ItWlJTw&ust=1503593248080162


APES

ÍNDICE:

• Introducción

• Principales tecnologías de centrales termosolares

• Tipos de sistemas de almacenamiento térmico

• Dimensionamiento y gestión de la producción

• Conclusiones



APES

Introducción

Motivación:• Necesidad de cambio de sistema energético• Escasez de recursos fósiles• Dependencia exterior• Calentamiento global

IntroducciónPrincipales tecnologías de centrales termosolaresTipos de sistemas de almacenamiento térmicoDimensionamiento y gestión de la producciónConclusiones



APESIntroducciónPrincipales tecnologías de centrales termosolaresTipos de sistemas de almacenamiento térmicoDimensionamiento y gestión de la producciónConclusiones

Evolución del

consumo global de energía primaria

2003-2015

renovable



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Áreas de actuación:

Generación eléctrica

Generación térmica

Transporte

Sector industrial

Sector residencial


Incorporación de energías renovables

Medidas de ahorro y eficiencia energética

Biocombustibles, vehículo eléctrico




Evolución de la generación

global de energía eléctrica

2003-2015

renovablecrisis



APES

Generación eléctrica renovable 24,5 % del total en 2016**Informe 2017 de REN21




APES

Potencia eléctrica renovable instalada *: 2,017 GW*Informe 2017 de REN21





¿es posible otro modelo de generación eléctrica?

Cambio de paradigma




International Renewable Energy Agency (IRENA)HOY

Cambio de paradigma




Cambio de paradigma

100 %

renovableGeneración distribuida

Disminución de costes eólica y

fotovoltaica

Smart-grids y flexibilidad

Sistemas de acumulación:

térmico, bombeo, baterías…

Aumento de potencia

renovable instalada

Mejora en la eficiencia




Aumento de

generación renovable

2030




Cambio de paradigma

100 %

renovableGeneración distribuida

Disminución de costes eólica y

fotovoltaica

Smart-grids y flexibilidad

Sistemas de acumulación:

térmico, bombeo, baterías…

Aumento de potencia

renovable instalada

Mejora en la eficiencia




Capacidad de almacenamiento 2016



APES

Retos de la generación eléctrica renovable:

Integración en la red eléctrica

Almacenamiento

Gestionabilidad (dispatchability)


Sustitución centrales de base

Cambio de paradigma



APES

Retos de la generación eléctrica renovable:

Integración en la red eléctrica

Almacenamiento

Gestionabilidad (dispatchability)


Centrales termosolares con almacenamiento térmico. Cumplen estos requisitos

Cambio de paradigma




Cambio de paradigma

TRANSICIÓN International Renewable Energy Agency (IRENA)




Cambio de paradigmaPARADIGMA 100% RENOVABLE International Renewable Energy Agency (IRENA)



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Principales tecnologías de centrales termosolares

Concentradores cilindro-parabólicos

Concentradores lineales Fresnel

Receptor central




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• La tecnología más madura

• Contrastada desde el punto de vista operacional y comercial

• Filas y bucles de espejos parabólicos reflectores para recoger la

radiación directa

• Concentrada entre 70 y 100 veces hacia receptor en la línea focal

• Por el receptor fluido térmico (habitualmente aceite sintético) que

se calienta hasta los 400 ºC



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• El fluido térmico cede su calor al agua para producir vapor

• El vapor es llevado a una turbina para la producción eléctrica

• El calor del fluido térmico puede usarse para ser almacenado en

tanques de sales fundidas

• Otras opciones circular directamente el agua a evaporar o sales

fundidas para su almacenamiento térmico

• Actualmente esta tecnología es la más utilizada, sobre todo en

España y Estados unidos



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Lazo SCA1 lazo = 4 SCA = 4 x 12 SCE = 4 x 12 x 3 HCE (en serie)

156 lazos = 22464 tubos

SCA

SCE HCE



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• Consisten en un campo de espejos primario, un tubo absorbedor y

un espejo secundario

• El campo primario compuesto por filas de espejos planos

• Los rayos reflejados en los espejos planos reflejan los rayos del sol

en un tubo absorbedor

• Por encima del tubo absorbedor hay un espejo secundario

cilíndrico que concentra la luz solar



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• La relación de concentración en estas centrales es de

aproximadamente 20:1

• Destacan por la sencillez de su construcción y por su bajo coste

• Los reflectores se construyen con espejos de vidrio planos y por lo

tanto su materia prima es muy barata



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Receptor central




APES

Receptor central


• El campo solar está compuesto por un conjunto de espejos que

siguen la posición del Sol en dos ejes, denominados helióstatos.

• La radiación colectada es dirigida a un receptor ubicado en lo alto

de una gran torre, donde se calienta el fluido absorbedor.

• Las torres centrales tienen una potencia típica en el rango entre 10

y 200 MW. El factor de concentración suele estar entre 600 y 1000,

permitiendo temperaturas de funcionamiento superiores a 550 ºC.



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Receptor central


• El factor de capacidad anual de estas plantas puede alcanzar el 77

%, mediante el uso de sistemas de almacenamiento térmico.

• Es posible superar las 4.500 horas equivalentes de funcionamiento

al año.

• Se espera que las plantas de torre central tengan un gran

desarrollo en los próximos años.

• La capacidad de almacenamiento e hibridación de estas

instalaciones son características muy valiosas.



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Tipos de sistemas de almacenamiento térmico

Almacenamiento de calor latente

Almacenamiento termo-químico

Almacenamiento de calor sensible




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• El calor necesario para provocar el cambio de fase de un material

se llama calor latente.

• Durante el proceso entero de cambio de fase la temperatura se

mantiene constante.

• Si se invierte el proceso, el calor latente se libera de nuevo.



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• para la construcción de un sistema de almacenamiento térmico

hay que tener en cuenta que:

• El cambio de fase tiene lugar en una temperaturadeterminada.• El 70 y 100 cambio líquido/gaseoso está asociado con unaexpansión enorme del volumen.• Con el cambio líquido/sólido también cambia el mecanismo detransporte de calor de convección a conducción.



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• Para elegir el medio adecuado para el almacenamiento de calor

latente hay que tener en cuenta:

• la temperatura de fusión del respectivo material y suadecuación con la temperatura del proceso.

• su calor de fusión que determina la capacidad dealmacenamiento.

• Hay otros aspectos que pueden tener importancia para la

selección del material adecuado como por ejemplo la toxicidad, la

inflamabilidad, el precio, la corrosividad, etc.



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• El efecto calorífico de reacciones físico-químicas

(descomposición, oxidación-reducción) reversibles las hace

interesantes para el almacenamiento térmico.

• Basado en la separación de enlaces con absorción de energía

(carga del sistema), y la recuperación de esta energía mediante

la puesta en contacto y la reacción de los reactantes

anteriormente separados (descarga del sistema).



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• Los retos más grandes son la estabilidad cíclica y la baja

conductividad térmica de la mayoría de los posibles medios de

almacenamiento.

• Las ventajas principales son la ausencia de pérdidas térmicas en

el estado de acumulación por separación espacial de los

reactantes y la gran densidad de energía almacenada.



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• El calor sensible cambia la temperatura de un medio. Subir la

temperatura de un medio de almacenamiento equivale a

deponer calor sensible en él. En el proceso inverso se recupera el

calor almacenado bajando la temperatura del almacén.

• La relación entre el cambio de la energía térmica de un medio y

su temperatura es la denominada capacidad térmica que es

propia del medio de almacenamiento.



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• Para centrales termosolares, hay que recurrir a líquidos con

puntos de ebullición muy altos como aceite térmico, fusiones de

sales o bien sólidos como hormigón o ladrillos refractarios.

• En el caso de las sales fundidas, hay que evitar la solidificación de

la fusión.

• El desarrollo actual se enfoca en bajar el punto de cristalización de

las sales y en la sustitución de sal por materiales sólidos como el

hormigón.



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Dimensionamiento y gestión de la producción

Dimensionamiento de la planta

Gestión de la producción




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• La posibilidad de almacenamiento térmico permite una mayor

versatilidad de las instalaciones, aumentando su eficiencia,

ampliando sus opciones de operación y permitiendo una mejor

gestión ante contingencias.

• La totalidad de las plantas termosolares que entrarán en

operación en 2017 incorporan almacenamiento térmico.





0

2

4

6

8

10

12

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Acu

mula

ció

n t

érm

cia

(GW

h)

año

Evolución mundial de la acumulación térmica en sales fundidas





• El sistema de almacenamiento térmico empleado en las centrales

termosolares actuales es mediante tanques de sales fundidas.

• Consiste en dos tanques de grandes dimensiones aislados

térmicamente del exterior y comunicados entre ellos por tuberías

e intercambiadores de calor que trasladan las sales de un tanque

a otro y ceden el calor a otro fluido caloportador, agua para la

generación de vapor en la mayoría de los casos.





• Las sales empleadas suelen ser una combinación de NaNO3 y

KNO3 con una temperatura de fusión alrededor de los 220 ºC.

Fluido Mezcla de sales 60% NaNO3 y 40% KNO3

Temperatura de fusión 221 ºCTemperatura tanque sales frías 290 ºC

Temperatura tanque sales calientes 565 ºCTamaño de los tanques 14 m de alto, 36 m de diámetro

Capacidad de almacenamiento térmico 1010 MWh





• Para el dimensionamiento de una planta termosolar lo primero

será fijar la potencia eléctrica nominal de salida deseada.

• Partiendo de este dato se podrá ir marcha atrás para ir haciendo

los diversos cálculos hasta llegar a la potencia térmica que es

necesario obtener para generarla.





• Una vez conocida la potencia se podría dimensionar el campo

colector solar para para alimentar a la potencia nominal de la

turbina de vapor cuando el campo solar estuviese al 100 % de su

capacidad.

• En esta situación se dice que la planta está diseñada para un

múltiplo solar igual a uno, por lo que no es capaz de aportar

energía térmica a mayores para ser almacenada.




Dimensionamiento de la planta• Si se pretende diseñar un sistema de almacenamiento térmico es

necesario que el campo colector esté sobredimensionado con

respecto al grupo generador eléctrico.

• De forma que en los momentos centrales del día la planta puede

estar sacando la potencia eléctrica nominal y además almacenar

el calor excedente en los tanques de sales fundidas.

• En esta situación la planta estará diseñada para un múltiplo solar

mayor que uno.




Dimensionamiento de la planta• El tamaño previsto de sobredimensionamiento está directamente

ligado al tamaño de los depósitos de acumulación y al número de

horas de autonomía de producción en ausencia de radiación solar.

• Los criterios de decisión del valor del múltiplo solar son variados y

a veces contrapuestos.

• cuanto mayor sea el múltiplo solar, mayor autonomía se tendrá

pero en función de la variabilidad anual de la irradiación solar

puede convertir a las centrales en menos eficientes.



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• La gestionabilidad de la producción que permite la

acumulación hace que se puedan presentar distintos

escenarios de operación en función de los intereses de la

empresa y del sistema eléctrico.

• Así, puede hablarse de producción desplazada, aumentada y

extendida, si bien cada planta estará diseñada y dimensionada

para un único modo de funcionamiento.



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Producción desplazada:

• Interés por generar electricidad a últimas horas de la tarde.

• El almacenamiento térmico permite desplazar la producción

hacia esas horas utilizando las primeras horas del día para llenar

el tanque de sales calientes.

• Este caso implica un múltiplo solar igual a uno, es decir, que la

capacidad de la central permite desplazar la producción, pero no

extenderla.



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Producción desplazada:



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Producción aumentada:

• En el caso de que la demanda exija un pico de producción al que

no se llega con la radiación solar incidente en ese momento, el

almacenamiento térmico permite sumar la potencia generada

por el tanque de sales a la obtenida desde el campo solar.



APES



Producción aumentada:



APES



Producción extendida:

• Esta es la opción de producción más versátil ya que implica un

dimensionamiento de la planta para un múltiplo solar mayor

que uno.

• Gracias al almacenamiento térmico, la central puede extender

su producción manteniendo la generación después de la puesta

de sol, y en caso de los meses de verano, incluso llegar a la

producción continuada las 24 horas del día.



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Producción extendida:



APES



• Gran utilidad también en la amortiguación de fenómenos

atmosféricos transitorios, como nublados o tormentas, que

harían a este tipo de centrales especialmente vulnerables en

caso de no tener un sistema térmico de acumulación.



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Amortiguación transitorios:

Tiempo



APES



• Estas diversas opciones de operación de la producción generan

un gran valor añadido a la planta termosolar, ampliando sus

posibilidades de negocio y de rentabilidad económica.

• Esto ha hecho que generación eléctrica termosolar y

almacenamiento térmico se hayan convertido en un tándem

inseparable a día de hoy.

• La hibridación con turbinas de gas o calderas de biomasa

aumenta aún más la versatilidad.



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Conclusiones


• La gestionabilidad de la producción eléctrica renovable es una

de las piezas clave para que este tipo de fuentes de energía siga

ampliando su presencia en el mix energético.

• La única manera de ir sustituyendo las centrales de base de

combustibles fósiles es dotar a la generación renovable de un

sistema de almacenamiento que permita desacoplar generación

y demanda de cara a adaptarse a la curva de consumo eléctrico.



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Conclusiones


• Las centrales eléctricas termosolares suponen una gran

oportunidad debido a la capacidad de almacenamiento térmico

en sales fundidas.

• Cada vez son más los ejemplos de producción eléctrica mediante

este tipo de centrales, demostrando su viabilidad técnica y su

rendimiento a largo plazo. El 100% de las nuevas plantas

termosolares que entran en operación en 2017 incorporan este

almacenamiento.



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Conclusiones


• La entrada de nuevos países en este tipo de centrales, como

Marruecos, Arabia Saudí, Emiratos Árabes Unidos, Sudáfrica o

China están ocasionando una bajada en los costes de

construcción lo que hace esta opción cada día más competitiva.

• Se está haciendo un gran esfuerzo en investigación y desarrollo

de nuevos componentes para las centrales termosolares, sobre

todo en la parte correspondiente a los sistemas de acumulación

térmica.



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Dr. Pablo Castro Alonso [email protected]

Departamento de Ingeniería Eléctrica y EnergéticaUniversidad de Cantabria, España

GESTIÓN DE CENTRALES ELÉCTRICAS TERMOSOLARES CON ALMACENAMIENTO

TÉRMICO EN SALES

MUCHAS GRACIAS


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