Sistema de almacenamiento de energía térmica basado en vapor en centrales termosolares. Análisis y modelado

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Sistema de almacenamiento de energía térmica basado en vapor en centrales termosolares. Análisis y modelado Autor: Marta Lidia Monar González Tutor: Francisco Javier Pino Lucena Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 ii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Sistema de almacenamiento de energía térmica basado en vapor en centrales termosolares. Análisis y modelado Autora: Marta Lidia Monar González Tutor: Francisco Javier Pino Lucena Profesor Contratado Doctor Grupo de Termotecnia. Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 iii Trabajo Fin de Grado: Sistema de almacenamiento de energía térmica basado en vapor en centrales termosolares. Análisis y modelado Autor: Marta Lidia Monar González Tutor: Francisco Javier Pino Lucena El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: iv Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2017 El Secretario del Tribunal v vi Agradecimientos Me gustaría agradecer a mi familia su apoyo y preocupación por que este trabajo llegara a su fin así como a todos mis amigos que me han animado a lo largo de esta última etapa. En el transcurso de estos años de carrera, además de todos los conocimientos adquiridos, me llevo a unas increíbles personas como son mis compañeros de clase. Me alegro mucho de haberlos conocido y haber compartido estos años tan importantes en mi vida. Así como a todos los profesores de los que he aprendido muchísimo. Agradecer la dedicación a mi tutor Javier Pino que me ha ido guiando en todos aquellos momentos que he tenido dificultados para avanzar. Marta Lidia Monar González Sevilla, 2017 vii Resumen El objeto de este proyecto es el análisis y modelado del sistema de almacenamiento térmico basado en vapor de las centrales Termosolares. En primer lugar se explicaran los distintos tipos de tecnologías de concentración existentes y a continuación se profundizará en los sistemas de almacenamiento, en concreto, en el almacenamiento térmico basado en vapor. Se explicará tanto su funcionamiento como los elementos por los que está compuesto el sistema. Además, se calcularán las dimensiones del acumulador de vapor en función de la potencia de generación y presiones de almacenamiento. Partiremos de los datos reales de las centrales PS10, PS20 y Khi Solar One. Se comentarán las diferencias con el sistema de almacenamiento de sales fundidas y se obtendrán una serie de conclusiones de este tipo de sistema de almacenamiento, como pueden ser sus ventajas e inconvenientes. viii Abstract The purpose of this project is the analysis and modelling of the thermic storage system based on direct steam solar plants. I will start explaining the different concentrating solar technologies and then, I will describe the steam storage system, how it works and their main elements. Also, the dimensions of the steam accumulator will be calculated according to the power generation and storage pressures of the solar plant. We will depart from the real information of PS10, PS20 and Khi Solar One solar plants. There will be pointed the differences with the molten salt storage system and finally, there will be a conclusion of this type of storage system, like their advantages and disadvantages. ix ÍNDICE Agradecimientos vi Resumen vii Abstract viii Índice de tablas xi Índice de ilustraciones xii 1 Introducción 1 1.1 El sol como fuente energética 2 1.2 Sistemas termosolares de concentración 3 1.2.1 Sistemas de canal parabólico 7 1.2.2 Sistema de receptor central 8 1.2.3 Discos parabólicos 10 1.2.4 Concentradores lineales de Fresnel 11 1.3 Configuracion general de una central termosolar 11 1.4 Ventajas y factores clave del almacenamiento de energía 13 2 Estado del arte. Centrales solares con sistema de almacenamiento basado en vapor 15 2.1 Planta solar 10 15 2.2 Planta solar 20 19 2.3 Khi Solar One 23 2.4 Yanking Solar 28 3 Sistemas de almacenamiento de energía. Acumulador de vapor 30 3.1 Breve introducción de los sistemas de almacenamiento de energía en centrales solares 30 3.2 Concepto de múltiplo solar 32 3.3 Acumulador de vapor 33 3.4 Periodo de carga/descarga del acumulador de vapor 37 3.5 Elementos del sistema 38 3.5.1 Válvula de interrupción y válvula antirretorno 38 3.5.2 Válvulas de mantenimiento de presión 40 1 1 INTRODUCCIÓN as energías renovables nacen del encarecimiento de los recursos fósiles, como el petróleo o el carbón. Aunque se considera una utopía el abastecimiento cien por cien renovable, poco a poco, están tomando un papel más importante en la civilización en la que vivimos. Muchas personas comentan que son las energías del futuro, por ser sostenibles con el medio ambiente que cada vez está más afectado por la contaminación, pero todavía queda camino por recorrer. El futuro de las energías renovables es indiscutible. El peligro de la disminución del uso de combustibles fósiles como fuente de energía es un objetivo que persiguen la mayoría de las políticas internacionales pues el límite es inevitable. Todas las alternativas surgidas nos llevan hacia el camino de la sostenibilidad energética y los avances tecnológicos deben dirigirse hacia ese objetivo. Desde tiempos inmemorables el sol ha sido venerado por ser un recurso fundamental de la vida. En la antigua Grecia, los dioses del sol eran Helios y Apollo, a los que se dedicaron multitud de templos. Los romanos fueron de los primeros en usar la energía solar en las viviendas con el uso del vidrio en las ventanas para atrapar la luz solar. En 1867, el científico Horace de Saussare desarrolló el primer colector solar y hace unos 100 años Augustin Mouchout produjo vapor para mover una turbina a partir de un colector solar. La fuente principal de las energías renovables es el Sol ya que no solo calienta (energía térmica y fotovoltaica) sino que también da origen a los vientos, evapora el agua que pasa a lluvia o nieve llenando los embalses (energía hidráulica) y hace crecer las plantas (biomasa). El sol y la luna dan origen a las mareas (energía mareomotriz), con la ayuda del viento genera las olas (energía oleomotriz), al calentar la superficie del mar genera una diferencia de temperaturas entre la superficie y el fondo (energía térmica de los océanos) y es la causa de las corrientes del mar. L Finalmente la industria no encontrará más recursos en Europa con el fin de satisfacer su prodigiosa expansión... sin duda se agotará el carbón. ¿Qué hará entonces la industria? - Augustin Mouchot (1880) - 2 Ante la decadencia de los recursos fósiles, comienza a hacerse hincapié en el uso del sol como fuente energética y de aquí nacen los sistemas de energía solar. Como todos sabemos nos encontramos con el problema de que el Sol no está siempre que lo necesitamos. Suele estar presente en las horas que menos necesidades hay, es decir, durante el día. La demanda de energía durante el día es menor que la demanda de energía durante la noche, simplemente por el hecho de que la temperatura es menor al anochecer y conforme avanza el día hay más oscuridad. Trasladando este problema al ámbito industrial, una planta que produce constantemente una determinada potencia y de repente no puede producir porque no dispone del recurso necesario para mover la turbina, la planta comienza a funcionar a carga parcial y esto genera desajustes en los demás sistemas, en general, en su rendimiento. Por ello, se sigue investigando lo que son los sistemas de almacenamiento de energía para grandes potencias, ya que los sistemas de energía como tal, existen desde hace millones de años y a pequeña escala hay sistemas de almacenamiento muy eficientes que pueden hacer que una planta pequeña siga operando sin necesidad de un sistema auxiliar tradicional. Al hilo de la evolución de las renovables en la actualidad, uno de los caminos para aumentar el uso de la energía solar para producción de electricidad es el desarrollo de los sistemas de almacenamiento. A causa de la no coincidencia de la curva de producción y demanda, se ve necesario el uso de un sistema de almacenamiento para aprovechar la pérdida de energía que se tiene cuando se produce electricidad y no hay demanda o para producir electricidad en periodos de insolación. Una vez investigados y desarrollados los sistemas de almacenamiento de energía, las energías renovables podrán competir con los actuales sistemas de producción de energía tradicionales, ya sea térmica, eléctrica, mecánica, entre otras tipologías. Siendo un punto de inflexión para las renovables el desarrollo de las tecnologías de almacenamiento y mi motivación por las renovables, es de mi interés realizar este trabajo. 1.1 El sol como fuente energética Al Sol lo podemos considerar como una fuente de calor de muy alta calidad por la alta temperatura a la que encuentra, unos 5777 grados Kelvin. Es un recurso energético abundante y en principio inagotable. Tiene la característica de ser renovable, se renueva y su distribución geográfica es otra de sus ventajas. Por otro lado, es intermitente, ya que de noche no disponemos de recurso solar 3 pero sí durante las horas de sol, también es variable porque en función del momento del día tiene más intensidad o menos y su densidad energética es relativamente baja. La constante solar, definida como la cantidad de energía recibida en forma de energía solar por unidad de tiempo y unidad de superficie, sufre variaciones con el tiempo, pero su valor ronda los 1367 W/𝑚2. Para lograr un modelo energético basado en fuentes renovables, generar electricidad a partir de la radiación solar es una de las opciones principales desde varios puntos de vista: - Mejora la eficiencia del sistema - Mitiga el cambio climático - Puede sustituir las fuentes agotables - Ofrece la seguridad del suministro eléctrico - Permite acceder a la electricidad en zonas aisladas y deprimidas 1.2 Sistemas termosolares de concentración Hay varias variantes tecnológicas de aprovechamiento de la energía solar, como los sistemas fotovoltaicos o los sistemas de energía solar de baja temperatura, pero este trabajo se centrará en los sistemas Termosolares de concentración, los cuales aprovechan la energía solar concentrando la radiación solar, como su propio nombre indica. No toda la radiación solar se puede concentrar, únicamente la de carácter direccional o mejor dicho, la componente directa de la radiación. La condición para tener radiación directa es que no haya nubes, entre otras condiciones. Es importante concentrar para obtener altas temperaturas y por consiguiente tener alta exergía, variable muy importante para todo ingeniero ya que mide la calidad de la energía. La exergía representa el trabajo útil máximo que se puede obtener de un sistema al evolucionar este hasta llegar al equilibro termodinámico con el medio ambiente. La radiación directa concentrada se convierte en calor que posteriormente podemos utilizarlo en multitud de procesos. Entre los procesos industriales que podemos utilizar este calor se encuentra la refrigeración por absorción, el calor de proceso, también podemos usarlo en procesos químicos y tratamiento de materiales, entre otros. En el proceso de conversión de la radiación solar en calor se producen muchas pérdidas, por ello se busca un alto grado de concentración con el fin de reducirlas. Las pérdidas 4 son proporcionales al área de captación (A) y la temperatura (T), como indico en la siguiente aproximación: 𝑷𝑳≈ 𝑨∗𝑻𝟒 Cuando concentramos reducimos el área de captación y limitamos esas pérdidas. Además, la temperatura de operación es más alta cuanto mayor sea la relación de concentración. La relación de concentración geométrica, es el cociente entre el área del captador o “Ain” y el área del absorvedor o “Aout” y la relación de concentración de flujo viene a significar lo mismo pero se define en términos de Irradiancia que entra (Fout) y que sale (Fin) del concentrador. Como indico a continuación: Ilustración 1 Relación de concentración Fuente: Centrales Solares Manuel Silva 𝐶𝑔=𝐴𝑐 𝐴𝑎𝑏𝑠 =𝐴𝑖𝑛 𝐴𝑜𝑢𝑡 𝐶𝑓𝑙𝑢𝑥 =𝐹𝑜𝑢𝑡 𝐹𝑖𝑛 Lo ideal es que la relación geométrica y la de flujo sean iguales, es decir que la irradiancia que entra se conserve pero en la realidad esto no ocurre. Por lo que el cociente entre el flujo radiante a la entrada por el área de captación a la entrada es mayor que el cociente a la salida. Consecuentemente, la relación geométrica es mayor que la relación de flujo. La irradiancia se reduce a la salida del captador. Con estos conceptos podemos definir lo que es el etendue: 𝐴∗𝑠𝑖𝑛2𝜃 = 𝐴´𝑠𝑖𝑛2𝜃´ Idealmente el etendue se conserva. 5 Como en una máquina térmica, cuanto mayor es la temperatura del foco caliente y menor la del foco frío, mayor rendimiento obtendremos. En la ilustración 2 podemos ver una similitud entre el sistema concentrador (a la izquierda) y una máquina térmica (a la derecha). Ilustración 2 Comparación con máquina térmica Fuente: Centrales Solares Manuel Silva Los componentes principales de un sistema termosolar de concentración o central termosolar son:  Concentrador: elemento encargado de reflejar la radiación solar. Es una superficie reflectante o espejo caracterizado por la reflectancia especular, es decir, la cantidad de radiación que refleja. Esta propiedad depende de la longitud de onda. La superficie reflectante ha de ser resistente a la intemperie y abrasión, no debe pesar mucho y ha de tener un coste razonable.  Receptor-absorbedor: elemento en el que se produce la transformación de la radiación solar concentrada en energía térmica. Lo que se produce es el aumento de la energía interna de un fluido.  Fluido caloportador (HTF): ha de tener una alta capacidad y conductividad térmica. Su densidad y viscosidad dependen de la temperatura en la que se encuentren. Hay que tener en cuenta su estado a temperatura ambiente, no deben ser corrosivos, tóxicos o inflamables y es importante tener en cuenta su coste, ya que no es lo mismo un fluido como el agua (muy barata) que el aceite térmico (el precio es mucho mayor). Los que se 6 suelen usar son los aceites térmicos, agua, sales fundidas, aire y en menor medida metales líquidos como el sodio, Pb-Si o Sn, gases como el CO2 o partículas.  Sistema de conversión termoeléctrico: es básicamente una máquina térmica, donde se produce la conversión de energía térmica en energía eléctrica. El ciclo de potencia más usado es el Ciclo Rankine compuesto por dos procesos isentrópicos y dos procesos isobáricos (Ilustración 3). El fluido de trabajo suele ser agua y vapor. El ciclo normalmente es cerrado y las temperaturas están limitadas por los materiales. En ocasiones el ciclo Stirling se ha usado en los discos parabólicos por su alto rendimiento, alta relación de concentración, modularidad y sobre todo porque no precisa de agua para su funcionamiento.  Sistema de almacenamiento térmico: opcional. Almacena la energía para suplir los picos de demanda o proporcionar calor en períodos de nubes y claros o durante la noche. Las principales variantes tecnológicas son las que se muestran en la ilustración 4 y las que explico a continuación: Ilustración 3 Ciclo Rankine Fuente: Web 7 Ilustración 4 Variantes tecnológicas Fuente: Elaboración propia 1.2.1 Sistemas de canal parabólico La tecnología con mayor grado de madurez es la de cilindro parabólico, debido a que su tecnología está muy clara y desarrollada. Su funcionamiento se basa en seguir el movimiento del Sol con un captador, de un solo eje, para que los rayos incidan perpendicularmente en la superficie de captación. La radiación solar directa es reflejada por la superficie reflectante sobre un tubo absorbente colocado en la línea focal de la parábola, el cual transporta un fluido transmisor de calor que aumenta su temperatura. El fluido caliente se dirige hacia el circuito de potencia en el que se produce la transformación a energía eléctrica y su posterior distribución a los puntos de consumo pasando previamente por un centro de transformación. Los principales elementos de los sistemas de canal parabólico son:  Reflector cilindro-parabólico: refleja y concentra sobre el tubo absorbedor la radiación solar directa que incide sobre la superficie. Consiste en un espejo curvado de material reflectivo con forma de parábola.  Tubo receptor-absorbedor: es la parte más importante de esta tecnología ya que el rendimiento global del colector depende en gran medida de este componente. Por él circula el fluido caloportador y es donde se produce la transformación de energía solar a energía térmica. Está formado por dos tubos concéntricos, el interior de acero Colectores Cilindro Parabólicos o CCP Concentrador Lineal de Fresnel Sistema Receptor Central Disco Parabólico 8 y el exterior de vidrio (para proteger y disminuir las pérdidas térmicas), separados por una capa de vacío. El fluido de trabajo que circula por el tubo interior depende de la temperatura máxima de operación, pudiendo ser agua desmineralizada o una mezcla con etileno-glicol si las temperaturas son bajas (<200ºC) o aceites sintéticos si las temperaturas son altas (200ºC<T<450ºC). Ilustración 5 Tubo receptor Fuente: Centrales Solares Manuel Silva  Sistema de seguimiento del sol: conexiones o elementos de unión, en los que se producen la mayor parte de las averías, sobre todo en arranques y paradas. El sistema seguidor más común consiste en un dispositivo que gira los reflectores cilindro-parabólicos del colector alrededor de un solo eje.  Estructura metálica: proporciona soporte y rigidez al concentrador y a todos los componentes del sistema. Se suele usar hormigón armado para la cimentación de los captadores. Un canal parabólico completo está formado por varios módulos unidos rígidamente en serie y movidos por un mismo mecanismo de seguimiento. La tecnología de colectores cilindro-parabólicos puede incorporar almacenamiento para poder producir electricidad en horas de oscuridad. De ellas, la más extendida es el almacenamiento con sales. Esta tecnología se basa en la utilización de dos tanques de sales para almacenar el calor. Más adelante comentaré las características de este sistema de almacenamiento y las diferencias con el sistema de almacenamiento basado en vapor, objeto de este trabajo. 1.2.2 Sistema de receptor central La segunda tecnología más desarrollada y la que le sigue a la anterior en implantación es la llamada de torre. La tecnología cilindro-parabólica está mucho más desarrollada que la de torre debido a 9 que hay muchos tipos de receptor central y la tecnología aún no está clara. Se consiguió un fuerte impulso gracias a la construcción de las plantas PS-10 y PS-20 en Sanlúcar la Mayor (Sevilla), sin embargo, aún se requiere un considerable esfuerzo en desarrollo para poder aprovechar el fuerte potencial de esta tecnología, capaz de producir temperaturas más elevadas que las de cilindroparabólico y, gracias a ello, mayores rendimientos. Los componentes que conforman un sistema de receptor central son:  Campo de helióstatos: consiste en un conjunto de espejos orientados de tal manera que reflejen la luz solar en una dirección fija. Suelen ser espejos de vidrio-metal o membrana tensada que siguen el movimiento aparente del sol (como hacen los girasoles). Están constituidos por una superficie reflectante, una estructura con sus mecanismos y un sistema de control con el que puedes manipularlos. Los tamaños rondan de 1 𝑚2 a 150 𝑚2, o muy pequeños o muy grandes, no hay tamaño intermedio. Existen distintas configuraciones del campo de helióstatos, entre las que se encuentran, campo circular o campo norte.  Sistema receptor: recibe la radiación solar concentrada y la transforma en potencia térmica. Normalmente lo que se produce es el aumento de la entalpía de un fluido. El sistema receptor consta de una torre en la que en su extremo superior se encuentra el receptor (de cavidad, exterior, volumétrico o de lecho fluido), el absorbedor, una estructura soporte y elementos auxiliares como puede ser un calderín o el sistema de recirculación, entre otros. Los fluidos térmicos más comunes son agua/vapor, sales fundidas, aceites térmicos y aire. En este proyecto nos centraremos en el agua/vapor.  Sistema de almacenamiento: es opcional. Se introduce para mejorar la gestionabilidad de la central Termosolar y para adaptar la central a la demanda eléctrica de la red. La selección del tipo de almacenamiento depende del tipo de demanda, de la cantidad de energía a almacenar y de la rapidez de respuesta.  Unidad de conversión de potencia: es como una máquina térmica. Basado en un ciclo de potencia.  Sistema auxiliar: la mayoría de las centrales Termosolares constan de un sistema de apoyo convencional cuya potencia instalada dependerá de las necesidades de potencia de cada planta. Este sistema auxiliar puede ser una caldera auxiliar que soporte aquellos picos de demanda que ni el generador de vapor, ni el sistema de almacenamiento puedan suplir. 10 Este Trabajo Fin de Grado se centrará en esta variante tecnológica debido a que el sistema de almacenamiento en cuestión lo poseen centrales de este tipo. Por ello cabe mencionar sus características principales que se presentan a continuación. 1.2.3 Discos parabólicos La tercera tecnología más desarrollada es la de disco parabólico, que como la de torre, concentra la radiación en un punto. La radiación solar concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor, donde se convierte en energía térmica que permite generar electricidad - trabajo mecánico - en el sistema generador. Los elementos principales son:  Concentrador: con forma de paraboloide de revolución. También llamado reflector. Puede consistir en un conjunto de reflectores.  Receptor: absorbe la radiación reflejada por el concentrador y transfiere la energía absorbida al fluido de trabajo de la máquina térmica. Situado en el foco del paraboloide. Los tipos que se han usado hasta ahora son los receptores de tubos directamente iluminados y los receptores de reflujo.  Sistema de generación eléctrica: es un sistema compacto. Un motor o turbina y alternador. Suele formar un solo bloque con el receptor, al que se llama unidad de conversión de potencia.  Estructura soporte y mecanismo de seguimiento Los discos parabólicos con motor Stirling no se están desarrollando debido a dos razones principales: el coste y el mantenimiento. En cuanto al coste del motor Stirling, éste ronda los 10000€ por KW instalado ya que se suelen construir artesanalmente y en cuanto al mantenimiento, que se suele hacer cada 3000 horas, hay que evitar fugas de hidrógeno y disponer de una instalación que reponga ese hidrógeno, esto implica un alto coste. Otro inconveniente de los discos con motor Stirling es que no existe solución de almacenamiento de energía térmica y tampoco existe un sistema fiable de integración. Hasta ahora es complicada la hibridación en un sistema de disco parabólico, aunque puede llegar a pensarse un pequeño depósito de sales fundidas o de sodio fundido. Con todo esto, se conseguirán avances tecnológicos cuando se salga de la fabricación artesanal y se llegue a la industrial. Esta tecnología presenta un gran atractivo por su modularidad, alto rendimiento y por el hecho de no necesitar agua para la refrigeración. 17 de 115 metros de altura. Por el receptor fluye agua a presión, obteniendo vapor saturado a unos 250ºC y 40 bares de presión. Al ser vapor saturado se cuenta con un mejor control, debido a que se elimina la fase de sobrecalentamiento. El receptor es de cavidad, en el que existen superficies refractarias que homogenizan el flujo solar y evitan altas temperaturas en superficies de absorción. En la ilustración 8 se ve una imagen del mismo. Fue diseñado y suministrado por Tecnical-Tecnicas Reunidas, una empresa contratista española que realiza proyectos industriales “llave en mano”. El receptor está compuesto por una serie de paneles de tubos que operan a muy alta temperatura y por los que circula agua a presión. Con este tipo de receptor, al estar los paneles del absorvedor dentro de una cavidad se consigue tanto reducir el efecto negativo de las inclemencias climatológicas como las pérdidas por radiación. La planta cuenta con una turbina del fabricante Franco Tosi y con una potencia de 11 MW. Además, estuvo diseñada para generar 20 GWh/año eléctricos netos. En la siguiente imagen podemos ver un balance energético de la planta realizado por Valeriano Hernández, sacado del libro “Tan lejos, tan cerca”: Ilustración 10 Balance energético de la PS-10 Fuente: Valeriano Hernández. “Tan lejos, tan cerca” 18 Lo destacable de esta planta solar es su sistema de almacenamiento, entre otras cosas, ya que es de las primeras, por no decir, la primera en España, en usar acumuladores de vapor para almacenar la energía. El sistema de almacenamiento está formado por 4 acumuladores de vapor en serie que operan secuencialmente en función del estado de carga. Tienen una capacidad aproximada de 12 MWh (térmicos). Con ellos se consigue suministrar 11 MWe durante 50 minutos cuando la turbina opera al 50 % de carga. Esto permite a la planta seguir operando durante cortos periodos de nubes y claros. El rendimiento medio del sistema de almacenamiento es del 92,4 %. La función principal del sistema de almacenamiento es aportar el vapor necesario para el funcionamiento de la turbina en condiciones especiales de operación, como períodos transitorios sin sol, en las que el vapor procedente del receptor solar es insuficiente para mantener la turbina en funcionamiento. Ilustración 11 Acumuladores de vapor de la PS10 Fuente: Final Technical Progress Report PS10 Para cubrir periodos de carencia solar, la planta cuenta con una caldera auxiliar de gas natural para generación de vapor, con capacidad del 15 % de la producción total de la planta. Como dato interesante, un hecho relevante de esta planta fue que en los primeros días de explotación comercial se operó por encima del 100 % de la eficiencia esperada en generación solar 19 respecto a los modelos teóricos que se habían hecho, según un boletín informativo de abril de 2008 de Abengoa. El día 10 de febrero del 2008 se analizó durante 4 horas la producción de la planta. Fue un día bastante despejado con pocos intervalos nubosos. Se comparó la producción teórica y la real y se apreció un aumento de la producción esperada. La producción esperada se estimaba en unos 1,7 millones de kWh y se alcanzaron 2,3 millones de kWh, es decir, un 32,7 % de aumento en ese periodo. Ilustración 12 Análisis producción PS10 10-02-08 Fuente: Boletines de Abengoa 2.2 Planta solar 20 La PS20 es otra de las plantas que integra la Plataforma Solúcar. En 2009 se comienza a construir, también en Sanlúcar la Mayor (Sevilla). Con 20 MW de potencia, el doble que su predecesora (PS10), PS20 incorpora avances tecnológicos muy importantes. Las mejoras que incluye esta planta solar frente a la anterior son: - Receptor más eficiente. - Mejoras en los sistemas de control y operación. - Mejoras en el sistema de almacenamiento térmico. 20 Estos avances se consiguieron gracias a la experiencia acumulada, que permitió un salto cualitativo en las tecnologías de torre. La planta estuvo tres días en período de pruebas de producción y funcionamiento, en los que se superó la producción de electricidad teórica de diseño, que ayudó a concluir la construcción de la misma. Teniendo en cuenta el aumento de la potencia y el campo solar, los helióstatos cuentan con una mejora del sistema de control ya que aquellos que se encuentran más alejados de la torre precisan de una precisión más afinada que los que se encuentran más cercanos, además de un tratamiento especial de los espejos para conseguir el radio de curvatura adecuado. PS20 está formada por un campo solar que consta de 1255 helióstatos, de 120 𝑚2 cada uno, diseñados por Abengoa Solar. Los helióstatos son los mismos que los de la PS10 y su configuración es en hileras, hasta un total de 45, dando lugar a un campo norte. En la imagen 14 podemos ver la configuración del campo de helióstatos. El receptor con geometría de cavidad y recirculación natural, se encuentra situado en lo alto de una torre de 165 metros de altura (unos 50 metros más alta que PS10), en el que los helióstatos reflejan la radiación solar que permite la Ilustración 14 PS20 Fuente: Informe anual 2008 Abengoa Solar Ilustración 13 Receptor solar PS20 Fuente: Aalborg 21 producción de vapor necesaria para generar electricidad a través de la turbina. El receptor fue diseñado y suministrado por Aalborg CSP, una empresa líder mundial en generadores de vapor para plantas de energía solar concentrada. La turbina de doble carcasa es del fabricante italiano Franco Tosi Meccanica, en cuya gama de productos podemos encontrar turbinas de vapor industriales y para generación de electricidad de hasta 850 MW, turbinas hidráulicas de hasta 400 MW y equipos de intercambio de calor. Como curiosidad, las válvulas son de los fabricantes Schubert & Salzer, Leser, ambos alemanes, y de Saidi que es español, el condensador se encargó al fabricante alemán GEA y las bombas son de Sulzer, un fabricante suizo. El tipo de caldera es de panel receptor, como aparece en la ilustración 14. La presión de diseño es de 50 barg y posee una capacidad de 150 T/h de vapor saturado. Todos estos datos se han obtenido de la página web de Aalborg CSP, su fabricante. A continuación incluyo un esquema de la posible configuración del sistema de bombeo de una planta solar de torre obtenido de la página web de Sulzer. Puede que este sea la configuración del sistema de bombeo de esta planta por ser Sulzer el que proporcionó esta parte del sistema. Ilustración 15 Torre central de heliostatos y generación directa de vapor (DSG) Fuente: Sulzer FWP: Bomba de alimentación de agua CP: Bomba de recirculación CEP: Bomba de extracción de condensado CWP: Bomba de agua de refrigeración 22 Según fuentes, la planta PS20 produjo y produce energía limpia suficiente para el suministro de 10.000 hogares evitando 12.000 toneladas de CO2. A su vez, el campo solar es de mayor tamaño que su predecesora y lleva consigo una mejora en el diseño. Con un mejor diseño del receptor y un mayor aprovechamiento de la radiación solar incidente se buscaba una disminución sustancial de los autoconsumos de la planta, para así aumentar la potencia neta. En la siguiente imagen se encuentran los distintos tipos de válvulas que proporcionó la empresa Saidi a Abengoa para la planta PS20. En ella podemos ver las características técnicas de cada tipo de válvula. Ilustración 16 Válvulas PS20. Fuente: Saidi La planta cuenta con un sistema de almacenamiento basado en vapor formado por dos acumuladores de vapor que permite mantener la turbina en funcionamiento en períodos de baja irradiación solar. Además, consta de una caldera auxiliar, que sirve de apoyo al sistema de almacenamiento térmico, y que según la legislación vigente puede quemar entre un 12% y un 15% de gas natural. La caldera auxiliar permite regular el funcionamiento del acumulador y también actúa en los arranques y paradas de la planta. 23 Ilustración 17 Vista del sistema de almacenamiento de la PS20 Fuente: Web La energía generada en la planta, después de transformarla a la tensión de red, se inyecta en la misma mediante una subestación que comparte con PS10. Aun habiendo mejorado el diseño de la planta, se presentan las dificultades del control de los helióstatos, ya que puede ocurrir que varios de ellos se desenfoquen y generen puntos calientes, dando lugar a daños en el receptor por el alcance de altas temperaturas. A esto se le suma la limpieza de los helióstatos, que a medida que aumenta el ensuciamiento se reduce la eficiencia considerablemente. La planta está diseñada para producir energía en exceso a partir de cierta hora de la mañana. El excedente se lleva a los acumuladores para que en las horas de irradiación insuficiente se siga generando electricidad. 2.3 Khi Solar One Primera planta de torre central que se ha construido fuera de España y en África. Se consideró un avance en esta tecnología y puede considerarse un hito de la termosolar. Fue desarrollada por Abengoa e Industrial Development Corporation de Sudáfrica (IDC). Comenzó su operación comercial en febrero de 2016 y es la primera planta de torre en conseguir 24 horas de operación únicamente con energía solar, gracias a su sistema de almacenamiento. 24 Posee una capacidad de 50 MW con los que consigue abastecer de energía limpia aproximadamente a 45000 hogares sudafricanos. La torre con generación directa de vapor maximiza la eficiencia de este tipo de sistemas solares por tener como fluido caloportador vapor sobrecalentado. Es la primera central de torre en usar vapor sobrecalentado. La planta se encuentra en Sudáfrica, cerca de la ciudad de Upington en Northern Cape Province. El rendimiento del ciclo de vapor es superior a las anteriores ya que la máxima temperatura de funcionamiento que alcanza el vapor es de 530 ºC por ser sobrecalentado. La planta consta de los siguientes elementos principales:  Campo de helióstatos: el campo solar está formado por 4120 helióstatos modelo ASUP 14, de 140 𝑚2cada uno, que reflejan la luz del sol dirigiéndola hacia el receptor solar mediante un mecanismo seguidor que se programa y controla de manera remota. Ocupan una superficie de 300 hectáreas. Ilustración 18 Helióstato de Khi Solar One Fuente: Web  Receptor solar: formado por tres cavidades, dos que generan vapor saturado (evaporadores), una orientada al este y otra al oeste, y la tercera orientada al sur (sobrecalentador) para producir vapor sobrecalentado hasta las condiciones de entrada a la turbina. Los receptores están formados por paneles de tubos por los que circula el 25 agua y el vapor de agua. Fabricado por la empresa de Bélgica CMI Solar. El vapor saturado se almacena a 130 bares en los acumuladores que luego puede estar acondicionado a demanda a una presión inferior, con el fin de producir electricidad, incluso por la noche. En la siguiente tabla muestro datos obtenidos del fabricante: MWth t/h Bar a º C 250 235 120 530 105 130 Saturado Tabla 1 Datos del receptor de Khi Solar One Fuente: CMI Solar  Torre solar: torre circular de hormigón de 192 metros de altura y 37 de diámetro. Más alta que la de la PS10 (115 metros) y de la PS20 (165 metros). En la parte más alta se encuentra el receptor y al pie de la misma el aerocondensador de vapor. La torre ejerce también la función de chimenea para lograr el flujo de aire necesario para que funcione el aerocondensador. Ilustración 19 Receptor y torre Khi Solar One Fuente: Google Images 26  Turbina de vapor: de un solo cuerpo y 50 MW de potencia. Consta de tres extracciones intermedias para precalentamientos que mejoran el rendimiento de la misma. Le llegan 235 t/h de vapor sobrecalentado a 530 ºC y 120 bar. Puede funcionar en un régimen de mínima potencia de 6 MW.  Sistema de almacenamiento térmico: compuesto por 19 acumuladores de vapor y un intercambiador de calor para generar vapor sobrecalentado. El vapor sobrecalentado se genera a partir del intercambio de calor latente entre el vapor saturado acumulado con otro vapor saturado a mayor presión. Permiten la operación de la planta sin necesidad de radiación durante 2 horas. Los acumuladores son del fabricante alemán Dillinger. El modelo es SA 533 Type B Class 2, con un espesor entre 12 – 107 mm, ancho de 2450 mm y largo 12350 mm. Para su construcción se utilizaron 2600 toneladas de acero de baja aleación. Cada acumulador tiene un peso de 260 toneladas. Ilustración 20 Sistema de almacenamiento Khi Solar One Fuente: Google Images  Caldera auxiliar: permite el funcionamiento normal de la planta cuando no es suficiente la producción de la misma.  Sistema de refrigeración seca: instalado por SPX Corporation. Constituido por un condensador natural que emplea torres para distribuir el aire a través de láminas estabilizadoras a fin de disipar el calor. Este tipo de refrigeración sustituye el empleo de ventiladores como ocurre normalmente en los condensadores enfriados por aire y además ofrece una eficiencia superior y menos costes iniciales en comparación con 33 Al incluir almacenamiento, aumenta la operación de la turbina en condiciones nominales. A la hora de diseñar la planta y teniendo en cuenta que a mayor múltiplo solar, mayor sistema de almacenamiento, habrá que llegar a un equilibrio entre coste y beneficio de la planta. La gestionabilidad de la instalación es un factor crucial en los sistemas solares. A mayor múltiplo solar, y por lo tanto gestionabilidad, mayor será la dependencia entre la generación de energía eléctrica y la disponibilidad del recurso solar. Ilustración 24 Eficiencia en función del MS y las horas de almacenamiento Fuente: C. J. Winter, R.L. Sizmann, L.L. Vant-Hull.”Solar Power Plants. Fundamentals, Technology, Systems, Economics”. Springer-Verlag 3.3 Acumulador de vapor Nos centraremos en el sistema de almacenamiento con vapor, el cual se basa en lo que es un acumulador de vapor. Este sistema puede considerarse como una reliquia de la “era del vapor” con pequeñas aplicaciones en la industria moderna. En la actualidad hay numerosas industrias que utilizan este equipo para hacer frente a los picos de demanda o para aumentar la energía disponible de la instalación. El acumulador de vapor suministra vapor a la instalación cuando la demanda de la instalación es mayor que el caudal nominal de vapor suministrado por el generador y acumula la energía del vapor cuando disminuye la demanda. 34 Un acumulador de vapor es un depósito lleno parcialmente de agua. En el recipiente, tras el proceso de carga, hay una masa de agua y de vapor en equilibrio, ambos a la misma presión. El depósito suele ser cilíndrico y puede encontrarse en posición vertical u horizontal, normalmente horizontal, dependiendo del espacio del que se disponga o de la mezcla que se quiera conseguir entre el agua y el vapor. Se acumula el vapor en agua ya que la acumulación en vapor supondría un mayor volumen de almacenamiento. Ilustración 25 Acumuladores de vapor de la PS10 Fuente: Solúcar R&D Este sistema no tendría sentido en una central de sales, ni con aceite térmico ya que interesa cuando el fluido de trabajo es agua/vapor para contar con las ventajas del vapor como HTF. Es un sistema viable para pocas horas de almacenamiento. Como he comentado antes en el estado del arte, podemos fijarnos que los tiempos de almacenamiento no son tan altos como en un sistema de sales fundidas, en los que se puede alcanzar hasta 15 horas de almacenamiento. Actualmente, en la planta solar del desierto de Atacama de Abengoa se alcanzan 17,5 horas de almacenamiento y en la planta Solana, en Arizona (Estados Unidos), se alcanzan 6 horas de almacenamiento, ambas con sistema de almacenamiento de sales fundidas. Normalmente, con el acumulador de vapor contamos con 1 o 2 horas de almacenamiento como mucho. Antes de seguir explicando este sistema, es importante saber las razones por las que se decide dotar a la planta solar de un sistema de almacenamiento, las cuales coinciden en gran medida con las que tiene una instalación de generación de vapor tradicional en la industria. Entre las razones se encuentran la necesidad de hacer frente a las cargas puntas que provocan la disminución de la presión del generador, su parada por una falsa alarma del indicador de nivel y en todo caso una producción de vapor húmedo y contaminado. De esta forma aumenta el mantenimiento necesario del generador y se reduce su vida útil y su rendimiento. Con el acumulador de vapor se evita tener 35 que sobredimensionar el generador de vapor, ya que si se sobredimensiona, disminuye el rendimiento del conjunto por el funcionamiento en puntos que no son de diseño. Para mejorar el funcionamiento del generador y de la planta solar en general en los periodos de cargas puntas, existen otros métodos como el aislamiento de las partes no esenciales de la instalación con válvulas reguladoras de presión en el colector de distribución de vapor o en la línea de distribución principal, o reorganizando los consumos de vapor (si es que los hay) en los puntos de consumo que no son críticos. En la práctica, hay dos caminos para generar vapor en el acumulador de vapor: a) Añadiendo calor al agua en ebullición, indirectamente mediante un tubo de combustión y un quemador, como en una caldera convencional. b) Reduciendo la presión del agua almacenada a la temperatura de saturación. Esto da lugar a un exceso de energía en el agua con la que una porción de agua se convierte en vapor. El fenómeno ocurrido en el segundo camino se conoce como “flashing” y es el que se produce en el acumulador de vapor. En principio hay dos tipos de sistemas para almacenar vapor; el acumulador de presión variable y el acumulador de presión constante. Nos centraremos en el de presión variable. Los fenómenos que se producen en los procesos de carga y descarga del acumulador son los siguientes: Ilustración 26 Válvulas reguladoras de presión Fuente: Centrales Solares de Javier Pino 36  Proceso de carga: cuando hay baja demanda, el exceso de vapor del generador se introduce en el acumulador por debajo del nivel de agua. Es decir, el vapor sobrante se lleva al acumulador. El vapor condensa y el agua aumenta su temperatura. Como consecuencia, la presión del depósito aumenta. El vapor se almacena saturado y proviene directamente del calderín. En este proceso la válvula de entrada introduce una pérdida de carga.  Proceso de descarga: cuando el generador no produce lo suficiente como para satisfacer la demanda, sobre todo en los periodos de demanda punta, baja la presión del acumulador. Parte del agua contenida se revaporiza y baja su temperatura. Cuando se alcanza en el acumulador la presión mínima necesaria, el acumulador se ha descargado totalmente. Este proceso se realiza mediante una válvula que fija la presión de salida, con la correspondiente pérdida de carga asociada. Es conveniente que no se descargue al 100% el depósito ya que se almacenaría únicamente vapor y se saturaría el depósito, dando lugar a períodos transitorios. Por ello, si el dimensionamiento es el adecuado, nunca se descarga completamente. El nivel del agua aumenta durante la carga y disminuye durante la descarga del acumulador, ya que se inyecta vapor saturado. Cuando el nivel alcanza un máximo, actúa un purgador colocado en el nivel correspondiente descargando las pequeñas cantidades que sobrepasen ese nivel al sistema de retorno de condensador. Normalmente, se descarga una ligera mayor cantidad de vapor que la que entra al acumulador. En cuanto al funcionamiento, el vapor entra en el acumulador por una tubería de distribución a través de unos inyectores situados por debajo del nivel máximo de agua. Los inyectores favorecen la mezcla del vapor y del agua y deben garantizar una distribución homogénea del vapor en el interior del acumulador. Para ello, los inyectores se disponen con un determinado ángulo de inclinación en diferentes direcciones para que el vapor no incida directamente sobre las paredes del depósito sino sobre el mayor volumen de agua y así homogeneizar la distribución de vapor. Dentro del acumulador, el agua y el vapor se encuentran en equilibro térmico, a la temperatura de ebullición (100 º C) y a la presión del depósito. La masa de vapor descargada por los inyectores depende de la diferencia de presión entre el vapor y el agua y varía durante el período de carga. 37 3.4 Periodo de carga/descarga del acumulador de vapor El acumulador necesita estar completamente cargado al principio del periodo de descarga para operar correctamente. Para que esto se produzca, debe cumplirse principalmente lo siguiente: 1. Suficiente tiempo entre el final del proceso de carga y el siguiente, para recargar el agua que se encuentra acumulada en el depósito. 2. La demanda media de vapor ha de ser inferior que la producción máxima continua del generador, para que esa capacidad de más se use para recargar el agua almacenada en el acumulador durante los periodos de menor demanda. Otro criterio que asegura la suficiente capacidad del acumulador y que debe cumplirse en el diseño es: - Debe haber suficiente agua almacenada para producir el vapor flash requerido en la descarga. Se cumple si el volumen del acumulador es el adecuado y suficiente. - Altos valores de liberación de vapor producirán vapor húmedo. La velocidad a la que se libera el vapor del agua y la cantidad liberada debe estar bajo un valor predeterminado. Se satisface si la superficie de agua es lo suficientemente grande, lo que equivale a un buen tamaño del acumulador. - Suficiente capacidad de evaporación. Esto depende de la presión a la que se encuentra el agua cuando se ha llenado el acumulador (a la presión del receptor) y de la presión mínima a la que operará el acumulador en la descarga (la presión de diseño del acumulador). Cuanto mayor es la diferencia entre estas dos presiones, mayor vapor se producirá. - La presión de diseño del acumulador ha de ser superior a la presión de distribución aguas abajo. Esto es necesario para que haya un diferencial de presión a través de la válvula de reducción de presión (PRV), para proporcionar el flujo requerido del acumulador a la planta. Cuanto menor sea la diferencia entre la presión de distribución y del acumulador, menor será el acumulador pero al ser el diferencial de presión a través de la válvula reductora menor, el tamaño de la válvula se incrementará de tal forma que pueda hacer frente a la mayor demanda cuando el acumulador está a la presión de diseño, también definida como la mínima presión al final del periodo de descarga. Las presiones de almacenamiento obligan a trabajar con depósitos de volumen reducido. 38 3.5 Elementos del sistema Para proteger el acumulador de vapor y velar por su buen funcionamiento, existen una serie de elementos que se encargan de ello. En la ilustración 27 podemos ver, por ejemplo, la válvula de corte (stop valve), que se encarga de cerrar el paso del vapor cuando hay sobrepresiones u otras anomalías en esa línea de distribución. Inmediatamente después, hay una válvula de control (check or non-return valve) que permite el flujo en una dirección pero no lo permite en la dirección opuesta, es decir, hacia el generador de vapor. Puede ocurrir que el generador se bloquee o detenga su funcionamiento y provoque la circulación de vapor en sentido contrario. Ilustración 27. Elementos de un acumulador de vapor Fuente: Spirax Sarco A continuación indico y comento la funcionalidad de cada componente, mostrada su ubicación en la imagen anterior: 3.5.1 Válvula de interrupción y válvula antirretorno La válvula de interrupción o “stop valve” sirve para evitar cualquier tipo de fuga en la línea de distribución determinada. A continuación de la misma, hay una válvula antirretorno para evitar el flujo de vapor del acumulador al generador si este deja de funcionar por algún motivo. Una buena opción para este tipo de instalación sería una válvula de retención de disco. 39 Ilustración 28 Válvula de retención de disco Fuente: Spirax Sarco Las válvulas de retención DCV abren por la presión del fluido y cierran por resorte así que cesa el flujo antes de que se produzca el flujo inverso, siguiendo el funcionamiento que se muestra en la ilustración 29. Ilustración 29 Apertura y cierre de la válvula de retención de disco Fuente: Spirax Sarco 40 3.5.2 Válvulas de mantenimiento de presión Esenciales para los procesos de carga y descarga del acumulador de vapor, en inglés también son conocidas como “surplussing valves” o “spill valves”. Son esenciales para asegurar que el ritmo al que fluye el vapor del generador al acumulador es conforme a la capacidad del generador de vapor (receptor) y para ello deben estar perfectamente sincronizadas. Controla tanto los incrementos de presión como los decrementos de presión que se puedan producir en la línea de distribución correspondiente. 3.5.3 Purgador de aire y rompedor de vacío Para que el drenaje sea más efectivo y evitar la formación de vacío en el acumulador durante su descarga, se utilizan el purgador de aire y rompedor de vacío. Previamente, antes de la formación de vapor durante la descarga, el espacio para el vapor está lleno de aire. Este aire no posee ningún valor calorífico y de hecho afectará al rendimiento de la planta. Puede dar lugar a la corrosión en el sistema de condensado. Por ello, debe purgarse junto a otros gases que se puedan acumular en el depósito. Ilustración 30 Rompedor de vacío Fuente: Spirax Sarco 41 El funcionamiento del rompedor de vacío es el siguiente: Ilustración 31 Funcionamiento normal La válvula de acero inoxidable con acabado de precisión está firmemente apoyada en el asiento durante las condiciones normales de operación asegurando el cierre total. Ilustración 32 Enfriamiento Durante el enfriamiento, el vapor condensa y por consiguiente se reduce la presión. La válvula permanece en el asiento hasta que la presión en la cámara cae por debajo de la presión de entrada del aire (normalmente la presión atmosférica). Ilustración 33 En el punto de vacío 42 En el punto de vacío, la válvula instantáneamente se levantará del asiento. El aire entrará a través de la cámara superior evitando la formación de vacío. Los que se usan normalmente son los de latón roscado o de acero inoxidable austenítico roscado. 3.5.4 Válvula de seguridad En la ilustración 27 se encuentra en la parte superior del acumulador. Una válvula de seguridad protege contra excesos de presión que se pueden producir en el acumulador y es estrictamente necesaria cuando la presión de generación de vapor es superior a la presión de funcionamiento máxima del acumulador de vapor. Sin embargo, hay que tener en cuenta a la hora de tomar una decisión los escenarios que se piensan poco probables pero que pueden poner en peligro la instalación. Como puede ser un fuego en la misma. En este caso, si el acumulador estuviese totalmente cargado y todas las entradas y salidas cerradas, la presión en el acumulador podría aumentar. Habría que tomar medidas de seguridad teniendo en cuenta las posibles situaciones peligrosas. Las válvulas de seguridad protegen al personal, planta y beneficio de la empresa. Una característica crítica de cualquier válvula de seguridad es la calidad del cierre hermético, que se puede comprobar con los requisitos de la norma API 527 de la American Petrochemical Institute. Ilustración 34. Válvula de seguridad ASME Fuente: Spirax Sarco 49 Ilustración 39 Válvula reductoras de presión con piloto Fuente: Spirax Sarco Igual que sucede con todas las válvulas de control, se debe evitar el sobredimensionamiento de las válvulas reductoras. Una válvula que trabaje habitualmente demasiado cerca de su asiento, puede sufrir erosiones por el paso constante de vapor a alta velocidad. Además en esta posición, cualquier pequeño movimiento de esta válvula producirá un cambio de caudal relativamente importante. Con un modelo más pequeño, correctamente dimensionado, se obtendría un mejor ajuste y el riesgo de avería sería menor. Cuando es necesario provocar descensos de presión muy elevados, con relaciones de presiones mayores que 10:1, es preferible trabajar con dos o más válvulas instaladas en serie como podemos observar en la Ilustración 40. 50 Ilustración 40 Válvula reductoras de presión en serie Fuente: Spirax Sarco Si la válvula va a trabajar por debajo de las condiciones de carga inferiores, para alargar su vida sería mucho mejor poner dos válvulas más pequeñas en paralelo (ver Ilustración 41). Esta no es una regla tajante, pero si la carga baja es un 10% (o menos) de la carga máxima entonces son preferibles dos válvulas. Las válvulas en paralelo también se usan donde es vital que la aportación de vapor no sea interrumpida. Esta solución asegura un control apropiado de la presión cuando alguna válvula está siendo revisada. Si bien el dimensionamiento es importante para el buen funcionamiento de una válvula reductora, también lo es su instalación correcta, y puesto que la mayor parte de los problemas de una válvula reductora son causados por la presencia de humedad o suciedad, se han de instalar, antes de la válvula, un separador y un filtro de malla fina. El filtro debe ser colocado lateralmente para evitar que el cuerpo se llene de agua y para garantizar que toda la superficie de filtración sea efectiva. Si la tubería o la instalación de salida no pueden resistir la presión de entrada, se debe instalar una válvula de seguridad a la salida de la válvula reductora, regulada a la máxima presión que pueda soportar esta parte de la instalación y además con una capacidad de descarga de vapor igual a la que puede pasar a través de la válvula, totalmente abierta, a esta presión máxima. Ilustración 41 Válvulas reductoras de presión en paralelo Fuente: Spirax Sarco 51 3.5.8 Equipo de inyección de vapor Consistente en una tubería de entrada de vapor en la que se encuentran una serie de inyectores para introducir el vapor saturado en el agua almacenada. Suelen estar situados en la parte más baja del acumulador y están distribuidos equitativamente a lo largo del mismo. Su diseño es tal, que permita la mezcla lo más homogénea posible entre el agua y el vapor independientemente del caudal de vapor que entre. Se colocan con un cierto ángulo de inclinación para evitar el choque directo del vapor contra las paredes internas del acumulador y así evitar su erosión. Lo ideal sería distintas orientaciones también. Es primordial saber que la capacidad de los inyectores se reduce cuando la presión del depósito aumenta, ya que la presión diferencial entre vapor inyectado y la del depósito también se ve reducida. Una instalación normal del sistema de inyección de vapor es la mostrada en la ilustración 42. Ilustración 42 Instalación de inyectores en un acumulador de vapor Fuente: Spirax Sarco En la descarga de los inyectores circulan agua y vapor muy calientes, junto a pequeñas burbujas de vapor condensado, a muy alta velocidad, lo que promueve un flujo turbulento en la corriente que facilita la mezcla entre el agua y el vapor. Los sistemas de inyección podrán ser de tipo electroneumático o de control autoaccionado. Los de control autoaccionado son una solución más económica mientras que los neumáticos o eléctricos nos ofrecen un control preciso de la temperatura. Dependiendo de los requerimientos de nuestra planta, un sistema o el otro será el más adecuado. 52 Nuestro equipo de inyección garantizará la mezcla completa del vapor y del fluido en el inyector, proporcionando así un calentamiento silencioso, eficiente y económico. Asimismo, evita la estratificación de la temperatura en el tanque, manteniendo así una alta eficiencia. En depósitos de gran longitud (como en la PS10 y PS20), se consigue una mejor distribución si se colocan dos o más tuberías de entrada. En cada caso, es importante que las tuberías estén muy bien unidas a la línea principal de suministro de vapor, es decir, a la salida del generador de vapor. Ilustración 43 Funcionamiento inyector de vapor Fuente: Spirax Sarco Los inyectores deberán estar situados en la parte más baja del acumulador dejando la mayor cantidad de agua posible sobre ellos, para alcanzar el mayor volumen de agua. 3.5.9 Tuberías La tubería que va del receptor al acumulador se debe dimensionar teniendo en cuenta la velocidad a la que va el vapor y la máxima producción del receptor. Y la tubería del acumulador a la válvula de reducción de presión se diseña teniendo en cuenta la sobrecarga instantánea y la velocidad máxima admisible a la que va el vapor. A continuación muestro las velocidades a la que fluye el vapor para distintas presiones de funcionamiento: 53 Presión del vapor (bar) Velocidad vapor (m/s) 1,5 30 5 35 10 40 25 50 100 60 Tabla 2 Velocidades del vapor Fuente: Spirax Sarco 3.5.10 Otros elementos - Mirilla: para controlar que el nivel del agua en el interior del acumulador no sobrepase un nivel determinado se coloca una mirilla de cristal, como la de la ilustración 44. Su función es mostrar el nivel del agua del interior del acumulador. El cristal indicador está protegido con unas placas que lo rodean. Estas placas deben permitir la buena visibilidad del nivel de agua. La mirilla se conecta al acumulador mediante dos tuberías de pequeño diámetro, una para el agua y otra para el vapor. Hay que tener en cuenta que únicamente un 5% del agua acumulada se convertirá en vapor, por lo que la variación del nivel del agua no será muy grande. Aun así es esencial saber el nivel del agua. Obviamente, el indicador de nivel o mirilla debe ser apto para operar a la máxima presión de trabajo del acumulador. Únicamente será necesario un indicador de nivel. Ilustración 44 Mirilla Fuente: Spirax Sarco 54 - Manómetro y termómetro: para controlar en todo momento la presión y temperatura del acumulador de vapor. - Válvulas de aislamiento: también podemos encontrarnos este tipo de válvulas para aislar el conjunto de acumulación de la instalación en caso de mantenimiento o avería. Se colocaría una en la tubería de entrada de vapor al acumulador y en la tubería de salida de vapor. 3.6 Controles Varios controles son necesarios para vigilar el funcionamiento del sistema, como son: 1. Control del caudal de vapor: mediante una válvula reguladora de presión. 2. Control de la presión de vapor a proceso: con una válvula reductora. 3. Control del nivel del agua: purgador y alimentación de agua. 3.7 Configuraciones típicas Las instalaciones típicas del acumulador de vapor junto al generador de vapor y proceso que demanda la carga punta son: 3.7.1 Acumulador en serie con el generador de vapor Esta es generalmente la configuración más moderna. Todo el vapor generado pasa a través del acumulador: Ilustración 45 Acumulador en serie con el generador de vapor Fuente: Spirax Sarco 55 3.7.2 Acumulador alejado del generador de vapor Este tipo de configuración se usaba más antiguamente y es útil cuando el acumulador no se puede colocar en la principal línea de distribución de vapor. Las válvulas de control del acumulador han de comprobarse regularmente, ya que puede ocurrir que el vapor entre sobre la superficie de contacto entre el agua y el vapor, lo cual no genera ningún beneficio. Ilustración 46 Acumulador alejado del generador de vapor Fuente: Spirax Sarco 3.7.3 Acumulador conectado al proceso de baja presión Este tipo de configuración se da en plantas en las que se precisa tanto vapor a la presión de generación como a presiones inferiores. En un proceso de secado, por ejemplo, siempre se necesita vapor a la presión de generación. Si se produce un pico de demanda causado por los consumidores de alta presión, la válvula de mantenimiento de presión sentirá una caída de presión y el vapor generado irá directamente a los consumidores de alta presión dejando así al acumulador encargado de suplir los consumos de menor presión durante este periodo. La válvula de mantenimiento de presión asegura que tanto los consumos de alta y baja presión estén atendidos. 56 Ilustración 47 Acumulador conectado al proceso de baja presión Fuente: Spirax Sarco 3.7.4 Acumulador conectado en serie/paralelo al generador La caldera está funcionando a su presión nominal, por ejemplo a 10 bar, y el vapor es demandado a 5 bar. La válvula de reducción de presión A, reduce la presión entre la caldera y la línea de distribución que está demandando vapor a 5 bar, supliendo esta demanda. Si la demanda de vapor es superior a lo que está produciendo la caldera, y la presión en la línea de distribución de baja presión cae por debajo de, por ejemplo, 4,8 bar, la válvula B comienza a abrir para completar el suministro, dejando que el acumulador de vapor realice este suministro. La presión del acumulador caerá en este periodo. La capacidad de esta válvula debe ser acorde a la velocidad de descarga del acumulador, que será menor que la capacidad de la válvula reductora A. La válvula C es una válvula de mantenimiento de presión que responde a la presión de la caldera. Si aumenta la presión porque ha disminuido la demanda de la planta, la válvula C abre. En este momento, se recarga el acumulador de vapor hasta su máxima presión, un poco inferior a la de la caldera. En este periodo de recarga, la válvula B permanece cerrada ya que la válvula A, parcialmente cerrada, se encarga de proporcionar el vapor suficiente a la planta, proporcionado por la caldera. 57 Ilustración 48 Acumulador conectado en serie/paralelo al generador Fuente: Spirax Sarco 3.7.5 Instalación de un bypass en el acumulador En ocasiones es necesario realizar el mantenimiento del acumulador y para ello se instala un sistema de bypass que hace que se siga operando paralelamente al mantenimiento. También se instala un bypass por si el acumulador da problemas en su funcionamiento y poder seguir operando. De esta manera lo que se consigue es aislar el acumulador del conjunto y así evitar fallos mayores. La mejor opción es una válvula stand-by de mantenimiento de presión. Ilustración 49 Instalación de un bypass en el acumulador Fuente: Spirax Sarco 58 3.8 Fabricantes de acumuladores industriales Hay varios fabricantes de acumuladores de vapor para instalaciones industriales entre los que se encuentran: - HGSERVITEC calderas vapor, S.L. de Sant Boi de Llobregat (España) - Manara Generatori di Vapore, empresa ubicada en Parma (Italia) Ilustración 50 Acumulador Manara Fuente: http://www.manara.net/index.php/es/productos/acumuladores-de-vapor - Attsu, grupo situado en Móstoles (España) - Bosch Industrial, tiene sede en Gunzenhausen (Alemania) - Abbott & CO LTD, empresa de Newark (Reino Unido) - ODENBERG ENGINEERING LTD , situada en Dublín (Irlanda) - Parker Boiler Company, de California (Estados Unidos) - Edwin Snowden & CO LTD, en Hull (Reino Unido) - Aralsan LTD, ubicada en Turquía - Bepis SA, ubicada en Polonia 65 4 MODELO ACUMULADOR DE VAPOR l modelo a tratar constará de una serie de parámetros de entrada y salida. Podemos considerar nuestro modelo como una caja negra en la que nosotros introducimos unos datos de entrada y obtenemos unos datos de salida. Será un modelo bastante sencillo que represento gráficamente a continuación: Los parámetros que introduciremos en nuestro modelo son aquellos de los que partimos o conocemos, como pueden ser la potencia eléctrica de la planta, el rendimiento del ciclo de potencia, el tiempo de almacenamiento, la presión máxima de trabajo y la presión mínima de funcionamiento del sistema de almacenamiento. Por otro lado, las variables que obtendremos a la salida y a partir de las cuales realizaremos un análisis podrán ser la masa de agua a almacenar de la que se obtiene el volumen del acumulador que es nuestro parámetro objetivo, el tamaño del sistema de almacenamiento para una potencia dada. También contamos con variables que dependen del tiempo, como es el caudal de vapor. El objetivo de este modelo es determinar un orden de magnitud del acumulador de vapor para luego analizar en función de las variables de entrada, la cantidad de agua necesaria y el tamaño del acumulador necesario para abastecer la demanda. Supondremos en este modelo que no hay pérdidas de calor al ambiente y que la turbina funciona al 100 % de carga. Las centrales solares de torre trabajan con el ciclo de potencia Rankine, por lo que las ecuaciones para hallar el caudal de vapor producido por el generador se basarán en este ciclo termodinámico. Primero calcularemos el calor térmico que hay que aportar al ciclo de potencia para producir una determinada potencia eléctrica: 𝑹𝒆𝒏𝒅𝒊𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐𝒄𝒊𝒄𝒍𝒐 =𝑷𝒆𝒍𝒆𝒄𝒕𝒓𝒊𝒄𝒂 𝑸𝒕é𝒓𝒎𝒊𝒄𝒐 Para hallar el caudal de vapor que demanda el ciclo de potencia usamos la siguiente ecuación: Parámetros de entrada MODELO ACUMULADOR DE VAPOR Parámetros de salida E 66 𝑸𝒕= 𝒎 󰇗𝒗∗(𝒉𝒐𝒖𝒕 −𝒉𝒊𝒏) [I] Siendo: 𝑸𝒕[𝒌𝑾]: Calor térmico aportado en el receptor 𝒎 󰇗𝒗[𝑲𝒈 𝒔]: Caudal de vapor producido en el ciclo de potencia 𝒉𝒐𝒖𝒕[𝑲𝑱 𝑲𝒈]: Entalpía a la salida del receptor 𝒉𝒊𝒏[𝑲𝑱 𝑲𝒈]: Entalpía a la entrada del receptor La masa de vapor generada sería: 𝑴𝒗= 𝒎 󰇗𝒗∗𝒕𝒂𝒍𝒎 Siendo: 𝒕𝒂𝒍𝒎: Tiempo de almacenamiento en segundos 𝑀𝑣: Masa de vapor en kilogramos Una vez calculada la masa de vapor, calculamos la masa de agua necesaria para almacenar el volumen de vapor que va a demandar mi ciclo de potencia, mediante un balance de energía en el acumulador. Despreciando las pérdidas térmicas, la energía al final del periodo de carga ha de ser igual a la suma de la energía del vapor cedido y de la energía al final del periodo de descarga. Por tanto, el balance sigue la siguiente ecuación: (𝑴𝒂+𝑴𝒗)∗𝑯𝑺(𝑷𝑴)= 𝑴𝒂∗𝑯𝑺(𝑷𝒎)+𝑴𝒗∗𝑯𝑻(𝑷𝑴)+𝑯𝑻(𝑷𝒎) 𝟐 [II] Siento: 𝑴𝒂[𝑲𝒈]: Masa de agua en el instante final carga 𝑴𝒗[𝑲𝒈]: Masa de vapor entregado 𝑯𝑺(𝑷𝑴)[𝑲𝑱 𝑲𝒈]: Entalpía sensible a la presión máxima 𝑯𝑺(𝑷𝒎)[𝑲𝑱 𝑲𝒈]: Entalpía sensible a la presión mínima 𝑯𝑻(𝑷𝑴)[𝑲𝑱 𝑲𝒈]: Entalpía total a la presión máxima 𝑯𝑻(𝑷𝒎)[𝑲𝑱 𝑲𝒈]: Entalpía total a la presión mínima 67 Suponemos que el vapor descarga a una entalpía media, como indico en la ecuación. Las entalpías dependen de la presión y la temperatura, por lo que la única incógnita es la masa del agua, ya que las entalpías se pueden calcular. Este modelo asume que toda la energía necesaria para la vaporización la proporciona el agua líquida. Del balance anterior, despejamos la masa de agua: 𝑴𝒂= 𝑴𝒗∗𝟎.𝟓∗[𝑯𝑻(𝑷𝑴)+𝑯𝑻(𝑷𝒎)]−𝑯𝑺(𝑷𝑴) 𝑯𝑺(𝑷𝑴)−𝑯𝑺(𝑷𝒎) Una vez hallada la masa de agua a almacenar en el acumulador de vapor, podemos calcular el volumen del acumulador. El volumen del acumulador (𝑉𝐴) se calcula en función del volumen total ocupado por el agua al final del período de carga (entre el 50 y el 90 %) y de la densidad del agua a la presión máxima. Si tomamos un porcentaje del 80 %: 𝑽𝒂𝒄𝒖𝒎𝒖𝒍𝒂𝒅𝒐𝒓 =𝑴𝒂+𝑴𝒗 𝟎.𝟖∗𝝆 [III] La presión máxima corresponde a la presión del vapor que entra en el acumulador y la presión mínima a la presión del proceso que demanda la carga punta. Para ver el orden de magnitud del volumen que hemos calculado lo podemos comparar con el volumen equivalente a una piscina olímpica. Por ejemplo una piscina olímpica de 50 metros de largo, 25 de ancho y 1.5 metros de profundidad. Más concretamente, el recipiente que estamos analizando es un depósito horizontal con la carcasa cilíndrica cuya cabeza y fondo es elipsoidal. Como indico en el siguiente dibujo: Su volumen total puede definirse a partir de los siguientes volúmenes: 𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝜋 ∗ 𝑅2∗𝐻 68 𝑉𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎 𝑦 𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 = (𝜋 ∗𝐷2∗ℎ𝑐𝑎𝑏)/6 Por lo tanto, 𝑉𝑑𝑒𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑜 = 𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 +2∗𝑉𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎 𝑦 𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 =𝜋 ∗𝐷2 12 (3𝐻 +𝐷) Estas ecuaciones nos servirán para saber de qué longitud, diámetro y altura es el acumulador aproximadamente. No hay límites teóricos sobre el tamaño del acumulador, pero consideraciones prácticas impondrán restricciones. En la práctica el tamaño del acumulador se basa en el almacenamiento necesario para suplir los picos de demanda, a una caída de presión admisible, mientras producimos vapor seco a una velocidad de liberación adecuada a partir de la superficie de agua. Posteriormente, para compararlo con un sistema de almacenamiento de sales, se utiliza la relación de ecuaciones que indico a continuación. Calcularemos el volumen de los tanques de sales para generar la misma cantidad de vapor y variando los tiempos de almacenamiento (tener en cuenta que en sales el tiempo de almacenamiento es muy superior al que se suele tener en un acumulador de vapor) Como las sales pierden energía sensible de un depósito a otro, la ecuación que rige la energía que almacenan es la siguiente: 𝑸𝒕= 𝒎 󰇗𝒔𝒂𝒍𝒆𝒔 ∗𝑪𝒑,𝒔𝒂𝒍𝒆𝒔 ∗(𝑻𝒕𝒄 −𝑻𝒕𝒇) Siendo: 𝑸𝒕[𝑾]: Calor térmico aportado en el receptor 𝒎 󰇗𝒔𝒂𝒍𝒆𝒔[𝑲𝒈/𝒔]: Caudal de sales trasegando 𝑪𝒑[𝑲𝑱/𝑲𝒈∙𝑲]: Calor específico medio de las sales 𝑻𝒕𝒄[°𝑪]: Temperatura del tanque caliente 𝑻𝒕𝒇[°𝑪]: Temperatura del tanque frío Para hallar la masa de sales, multiplicamos el caudal de sales por el tiempo de almacenamiento: 𝑴𝒔𝒂𝒍𝒆𝒔 = 𝒎 󰇗𝒔𝒂𝒍𝒆𝒔 ∗𝒕𝒂𝒍𝒎𝒂𝒄𝒆𝒏𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐 69 Y dividiendo entre la densidad de las sales, obtendremos el volumen de sales que tiene que ir del tanque frío al tanque caliente. Finalmente, cada tanque deberá tener un margen de seguridad, como por ejemplo del 25 %. Y básicamente este será el modelo a implementar. Posteriormente, explico en detalle cada simulación realizada y los resultados obtenidos. Así como un breve análisis de los mismos. 70 5 SIMULACIONES Y ANÁLISIS ara realizar la simulación y posteriormente analizar los resultados, podemos utilizar una serie de programas que nos facilitan la resolución de las ecuaciones, como puede ser Microsoft Excel, Matlab o EES (Engineering Ecuation Solver). Decidí utilizar EES por haberlo usado con mayor frecuencia que los demás programas de cálculo. Por lo tanto, una vez introducidas las ecuaciones anteriores en el programa EES, realizamos una serie de simulaciones para analizar el sistema de almacenamiento, en primer lugar el tamaño del acumulador de vapor para una demanda de potencia eléctrica determinada. Para no alejarnos de la realidad, comenzamos analizando los sistemas de almacenamiento de las plantas PS-10, PS-20 y Khi Solar One. Primero veremos el orden de magnitud de los acumuladores de vapor y posteriormente lo compararemos con el equivalente en sales, es decir, para la misma producción de vapor, de qué tamaño serían los tanques de sales teniendo en cuenta que se almacena durante más tiempo. Nos basaremos prácticamente en el mismo modelo pero partiendo de datos distintos. 5.1 Análisis sistema de almacenamiento de la PS10 En primer lugar, introduciremos los datos en el modelo de EES más cercanos a la realidad para ver el orden de magnitud del sistema de almacenamiento que estamos analizando. Para así poder compararlo con los resultados de las próximas simulaciones. Los datos han sido obtenidos de la ilustración 56 mostrada a continuación. Partimos de una potencia eléctrica de 10 MW, una temperatura y presión de generación de 250 ºC y 40 bar, una temperatura y presión de condensación de 50 º C y 0.06 bar y un tiempo de almacenamiento de 50 minutos. El condensador lo consideraremos isobárico, es decir, en su salida hay agua saturada (x=0). A falta de la presión de vapor vivo y del rendimiento del ciclo, supongo estos parámetros. La presión de vapor vivo la establezco en 20 bar, de este modo el salto de presiones en el acumulador de vapor entre el inicio y el final es de 20 bar y el rendimiento del ciclo Rankine del 27,5 %, ya que los valores oscilarán entorno a ese porcentaje. Por otro lado, hay que tener en cuenta que para P 71 diseñar el sistema de almacenamiento de vapor se suelen utilizar condiciones inferiores a las nominales. Ilustración 56 Esquema de principio de la planta PS10 Fuente: Final Technical Progress Report PS10 A continuación, muestro las ecuaciones introducidas en EES y los resultados obtenidos: 72 Ecuaciones en EES: Resultados: 73 En un primer análisis de la PS-10, vemos que el volumen del acumulador para un almacenamiento de 50 min sería de unos 700 𝑚3, lo que equivaldría a menos de la mitad de una piscina olímpica. En la tabla siguiente resumo lo obtenido: Potencia eléctrica (MWe) Presión del receptor (bar) Presión de la turbina (bar) Tiempo de almacenamiento (minutos) Volumen total almacenamiento (𝒎𝟑) 10 40 20 50 699 Tabla 5 Análisis inicial PS10 Realmente la planta cuenta con cuatro acumuladores, por lo que cada acumulador sería de 174.75 𝑚3. Ahora vamos a ver cómo cambiaría el tamaño del acumulador si vamos aumentando el tiempo de almacenamiento, manteniendo constantes las presiones mínima (20 bar) y máxima (40 bar). Tiempo de almacenamiento (minutos) Cantidad de vapor (Kg) Cantidad de agua (Kg) Volumen total almacenamiento (𝒎𝟑) Volumen equivalente piscina olímpica 10 8432 80872 139.8 0.07 30 25295 242617 419.4 0.22 50 42158 404362 699 0.37 70 59021 566107 978.6 0.52 90 75884 727852 1258 0.67 110 92747 889597 1538 0.82 130 109610 1050000 1817 0.97 150 126474 1213000 2097 1.12 170 143337 1375000 2377 1.27 190 160200 1537000 2656 1.42 210 177063 1698000 2936 1.57 Tabla 6 Evolución del tamaño del acumulador en función del tiempo de almacenamiento Presión máxima: 40 bar; Presión mínima: 20 bar A medida que aumenta el tiempo de almacenamiento, el acumulador necesario es mayor. Si acumulamos vapor durante 4 horas, necesitaríamos un tanque equivalente a casi dos piscinas olímpicas de tamaño. Por ello no podemos igualar los tiempos de almacenamiento que se conseguiría con los tanques de sales, que por las altas temperaturas a las que pueden estar, se 74 consigue almacenar la energía durante más de cuatro horas. Siendo el tamaño necesario del almacenamiento inferior que el que necesitaríamos si acumuláramos en vapor. En la ilustración 57 vemos como aumenta linealmente el volumen de acumulación conforme aumenta el tiempo de almacenamiento. Ilustración 57 Evolución del tamaño del acumulador en función del tiempo de almacenamiento Presión máxima: 40 bar; Presión mínima: 20 bar A continuación, aun sabiendo que el rendimiento depende expresamente de la temperatura, si variamos este manteniendo constantes los demás parámetros, era de esperar que conforme mejora el rendimiento, el sistema de almacenamiento necesario es menor. La eficiencia del ciclo Rankine se mejoraría aumentando el trabajo entregado a la turbina y las acciones que se podrían llevar a cabo son: - Reducir la presión del condensador: teniendo en cuenta que el vapor saldrá más húmedo y puede erosionar los alabes de la turbina. Lo que se consigue es disminuir el calor rechazado. - Aumentar la presión de la caldera (en este caso, del receptor): también contamos con la desventaja de la humedad que se genera en el vapor. - Sobrecalentar el vapor que entra en la turbina: más conveniente ya que se disminuiría la humedad del vapor. Habría que tener en cuenta los límites de temperatura de los materiales. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 050 100 150 200 Volumen de almacenamiento (m3) Tiempo de almacenamiento (minutos) 81 50 minutos (el tiempo de almacenamiento real) a 13 horas y a la vez calculo el volumen de los acumuladores de vapor para ese mismo rango de tiempos de almacenamiento. Además considero un margen de seguridad del 25 %. De esta forma, podremos comparar los tamaños necesarios partiendo de la misma producción de vapor. Tiempo almacenamiento (minutos) Tiempo almacenamiento (horas) Volumen almacenamiento sales (𝒎𝟑) Volumen almacenamiento vapor (𝒎𝟑) 50 0.8 516 699 100 1.7 1032 1398 150 2.5 1548 2097 200 3.3 2064 2796 250 4.2 2580 3495 300 5 3096 4194 350 5.8 3612 4893 400 6.7 4128 5592 450 7.5 4644 6291 500 8.3 5160 6990 550 9.2 5676 7689 600 10 6192 8388 650 10.8 6708 9087 700 11.7 7224 9786 750 12.5 7740 10485 800 13.3 8256 11184 Tabla 10 Comparación almacenamiento en sales y vapor Potencia eléctrica =10 MWe; Presión máxima = 40 bar; Presión mínima = 20 bar 82 Ilustración 62 Comparación almacenamiento en sales y vapor Potencia eléctrica =10 MWe; Presión máxima = 40 bar; Presión mínima = 20 bar Como podemos ver, el volumen de almacenamiento para una misma producción de vapor, o misma potencia eléctrica de generación, es mayor si almacenáramos en vapor y menor si almacenáramos en sales. También puede observarse que a mayor tiempo de almacenamiento, el volumen necesario con vapor crece más rápido que el volumen necesario con sales. El tamaño disminuye un 26 % si almacenáramos en sales fundidas. 5.2 Análisis sistema de almacenamiento de la PS20 Para el análisis de la PS20, en vez de disponer de las presiones como dato de partida, disponemos del caudal de vapor generado por el receptor de 150 t/h. Por lo que nuestro análisis será ver las dimensiones del acumulador de vapor variando la presión de generación. El modelo en EES es tan simple como el que muestro a continuación: 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 2 4 6 8 10 12 14 Volumen de almacenamiento (m3) Tiempo de almacenamiento (horas) 83 Ecuaciones EES: Como no sabemos a las presiones que trabaja el sistema de almacenamiento, realizo un análisis preliminar en el que supongo una presión del receptor de 120 bar y voy variando la presión de almacenamiento, lo que equivale a la presión mínima o la presión del proceso que demanda la carga punta. Considero que la planta consta de dos acumuladores de vapor (como indiqué anteriormente en el estado del arte) y un rendimiento del ciclo de potencia del 27.5 %. Además partiremos también de que la planta produce nominalmente 150 t/h de vapor saturado. Utilizaré como guía el largo del depósito obtenido para determinar las presiones de funcionamiento más cercanas a la realidad y poder realizar las siguientes simulaciones. 84 Presión mínima (bar) Caída de presión (bar) Volumen de acumulación (𝒎𝟑) Volumen de un acumulador (𝒎𝟑) Volumen equivalente piscina olímpica Largo aproximado (m) 55 65 1088 544 0.58 76 50 70 1011 505 0.54 70 45 75 942 471 0.50 66 40 80 880 440 0.47 61 35 85 824 412 0.44 57 30 90 772 386 0.41 54 25 95 723 362 0.39 50 20 100 676 338 0.36 47 15 105 629 315 0.34 43 10 110 580 290 0.31 40 5 115 524 262 0.28 36 Tabla 11 Evolución del tamaño del acumulador de vapor en función de la caída de presión Presión máxima = 120 bar Ilustración 63 Evolución del tamaño del acumulador de vapor en función de la caída de presión. Presión máxima =120 bar Tras ver los resultados obtenidos, una caída de presión razonable sería a partir de 90 o 95 bares ya que el largo de cada depósito como mucho puede ser de unos 55 metros. Considero que una caída de 95 bares, lo que equivale a unos 50 metros de largo, es lo más cercano a la realidad. 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 010 20 30 40 50 60 Volumen de almacenamiento (m3) Presión mínima (bar) 85 De este modo el volumen total de acumulación para proporcionar las 150 t/h de vapor sería de 723 𝑚3, siendo cada acumulador de 362 𝑚3. A medida que va disminuyendo la caída de presión entre la presión máxima y mínima de almacenamiento, el volumen de almacenamiento necesario es mayor. Por lo que interesa una caída grande para tener que disponer del menor volumen. Esta diferencia de presiones dependerá del diseño de las válvulas que se encuentran a la entrada y salida del vapor en el acumulador. Es decir, cuanta mayor depresión genere la estación reductora de presión a la salida, menor será el volumen de los acumuladores. Ahora veremos el cambio del volumen de almacenamiento si variamos la presión de generación, teniendo en cuenta los valores anteriores para acercarnos lo máximo posible a la realidad. Considero una presión mínima de 20 bar y la presión de generación estará entre 90 y 180 bar. Los resultados obtenidos son los siguientes: Presión máxima (bar) Caída de presión (bar) Volumen de acumulación (𝒎𝟑) Volumen de un acumulador (𝒎𝟑) Volumen equivalente piscina olímpica Largo aproximado (m) 180 160 549 274 0.29 38 170 150 562 281 0.30 39 160 140 578 289 0.31 40 150 130 597 298 0.32 41 140 120 619 309 0.33 43 130 110 645 322 0.34 45 120 100 676 338 0.36 47 110 90 713 357 0.38 49 100 80 759 380 0.40 53 90 70 817 408 0.44 57 Tabla 12 Evolución del tamaño del acumulador de vapor en función de la caída de presión Presión mínima = 20 bar 86 Ilustración 64 Evolución del tamaño del acumulador de vapor en función de la caída de presión. Presión mínima = 20 bar Como vemos, ocurre lo mismo que en la PS10, el volumen va disminuyendo con el aumento de la presión de generación. Si generamos vapor a 110 bar y los consumos son a 20 bar, los acumuladores tendrían un tamaño de 357 𝑚3 y serían de 50 metros de largo. En definitiva, al ser una planta de más potencia y con el mismo tiempo de almacenamiento, el volumen de almacenamiento es mayor. Los acumuladores son más largos que la PS10, considerando un diámetro similar a la anterior. También, el incremento de presión provocado por las válvulas que se encuentran a la entrada y salida del acumulador es mayor, siendo este de unos 80 o 95 bares. 5.3 Análisis sistema de almacenamiento de Khi Solar One En un primer análisis de la planta Khi Solar One partiremos de los datos obtenidos del fabricante. Un caudal de vapor saturado de 105 ton/h a 130 bares. Este caudal es proporcionado por el receptor para su almacenamiento. El modelo que utilizaremos será el mismo que para la planta PS-20 ya que partimos de los mismos datos. Con esto podemos calcular el volumen del acumulador de vapor considerando una caída de presión de la máxima a la mínima de 20 bares en un principio. Consideraremos un tiempo de almacenamiento de 2 horas (120 minutos) y una potencia de 50 MW eléctricos. A continuación incluyo el modelo implementado en EES: 500 550 600 650 700 750 800 850 80 100 120 140 160 180 200 Volumen de almacenamiento (m3) Presión máxima (bar) 87 Ecuaciones EES: Como no disponemos de la presión de funcionamiento de la turbina, realizaremos una primera simulación suponiendo la presión de generación de 130 bar y variando la presión de la turbina. Los resultados obtenidos son los siguientes: 88 Presión mínima (bar) Caída de presión (bar) Volumen de acumulación (𝒎𝟑) Volumen de un acumulador (𝒎𝟑) Volumen equivalente piscina olímpica Largo aproximado (m) 100 30 4278 225 2.3 31 95 35 3710 195 2 27 90 40 3281 173 1.7 23 85 45 2945 155 1.6 21 80 50 2673 141 1.4 19 75 55 2448 129 1.3 17 70 60 2259 119 1.2 16 65 65 2096 110 1.1 15 60 70 1955 103 1 14 55 75 1829 96 1 13 Tabla 13 Evolución del tamaño del acumulador de vapor en función de la presión mínima Presión máxima =130 bar Ilustración 65 Evolución del tamaño del acumulador de vapor en función de la presión mínima. Presión máxima =130 bar Con este análisis podemos determinar que la presión mínima se encuentra entre 75 y 85 grados ya que cada acumulador ronda los 20 metros de largo. Considerando una caída de presión de 50 bar, el volumen de acumulación total sería de 2673 𝑚3 y cada acumulador de 141 𝑚3. 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50 60 70 80 90 100 110 Volumen de acumulacion (m3) Presión mínima (bar) 89 Finalmente y a modo de resumen, incluyo esta tabla con los principales resultados obtenidos tras las simulaciones: Potencia eléctrica (MWe) Presión receptor (bar) Presión vapor vivo (bar) Volumen de almacenamiento total (𝒎𝟑) Volumen acumulador (𝒎𝟑) Largo aproximado (m) PS10 10 40 20 699 174.8 23 PS20 20 120 25 723 362 50 Khi Solar One 50 130 80 2673 141 19 90 6 CONCLUSIONES Comenzando con el estado del arte de este tipo de sistema de almacenamiento en plantas Termosolares, vemos que únicamente hay tres plantas comerciales que cuentan con almacenamiento basado en vapor. Esto puede deberse a diversas razones pero principalmente es el poco tiempo de almacenamiento que otorga, a pesar de su buen rendimiento ya que es agua y vapor en equilibrio, además de una tecnología que no es novedosa, ni actual. Posteriormente, al detallar los elementos del sistema, se observa que no van más allá de los que se utilizan en una instalación de vapor convencional, como son las válvulas o purgadores. Lo que podría caracterizar este sistema es el uso de inyectores de vapor para favorecer la mezcla entre el agua y el vapor tras la carga del acumulador. Fijándonos en los procesos de carga y descarga, es un sistema eficiente que únicamente precisa de una variación de presión para generar vapor saturado en el volumen de agua contenido en el depósito, a diferencia del almacenamiento en sales fundidas que a veces precisa de un equipo intermedio para realizar la carga o descarga. Destacar los cortos tiempos de carga y descarga frente a la tecnología de sales. Después de describir los elementos principales, se explica muy generalmente las distintas configuraciones en las que podríamos encontrarnos un equipo como este en una industria principalmente, ya que en las plantas solares la configuración suele ser en paralelo, para equilibrar el funcionamiento de la turbina en momentos en los que hay nubes o algún pico de demanda durante cortos periodos de tiempo. El modelo en el que me he basado, es un modelo que desprecia las pérdidas al ambiente. Esto no conlleva mucho error ya que en la realidad se usan tanques aislados del exterior de gran espesor para evitar estas pérdidas en la medida de lo posible. Por lo que pueden despreciarse. Y para terminar, al realizar el análisis de las tres plantas, puedo concluir este proyecto con los siguientes puntos referentes al almacenamiento en vapor:  No se almacena a altas presiones porque los depósitos tendrían que ser de un grosor muy elevado, ya que es un problema tener agua a tanta presión almacenada.  No se almacena para tiempos elevados ya que las dimensiones del depósito de almacenamiento serían muy grandes y no sería rentable la instalación. Es decir, es un almacenamiento para corto plazo.