Com incrementar la competitivitat de la torre solar

Estació energètica de carbó. Imatge: iStockPhoto

El sector de la CSP està treballant de manera intensiva per millorar la seva competitivitat i ha fet grans esforços: des de l'optimització de la fabricació de components i la reducció del consum parasitari, fins a l'increment de l'eficiència del cicle. De fet, això ha conduït a importants reduccions de costos en els últims anys.

No obstant això, són necessaris més avenços per millorar la competitivitat econòmica i l'increment de l'eficiència del cicle a través de paràmetres superiors de vapor. Això és una opció prometedora. Totes les plantes energètiques que estan en construcció i en funcionament, utilitzen paràmetres de vapor subcrític, com 565 ºC a 160 bars. Però, en canvi, moltes estacions energètiques que utilitzen carbó operen amb paràmetres supercrític, com 620 ºC a 280 bars. També es podria aplicar aquesta tecnologia a la CSP.

Les primeres plantes de carbó supercrític es van construir a finals dels anys 50 per incrementar l'eficiència, de manera que la tecnologia s'ha desenvolupat de manera significativa des de llavors. Per exemple, ha contribuït en un increment històric de l'eficiència del cicle d'un 3,3% i una reducció del 5,6% en les despeses de capital en duplicar la implementació acumulada.

S'han emprat blocs energètics supercrítics durant molts anys, però la seva utilització en plantes de CSP ha plantejat els seus propis reptes respecte a factors com la mida mínima de la turbina (250 MWe), els fluids de treball d'una temperatura elevada adequada (més de 600 ºC ) i l'augment d'escala de la tecnologia.

Fa poc, l'Organització d'Investigacions Científiques i Industrials de la Commonwealth (CSIRO) va realitzar una prova de paràmetres de vapor supercrític en una instal·lació australiana. Va ser un primer pas important, però encara queda molt camí per davant per aconseguir una implementació comercial de 250 MWe.

Per incorporar l'emmagatzematge d'energia tèrmic en una instal·lació amb aquesta capacitat, els fluids de treball han d'aconseguir temperatures superiors. Encara que la investigació publicada sobre la matèria ha revelat que les sals foses poden arribar als 700 ºC, encara no hi ha un producte comercial disponible.

Per justificar l'esforç necessari, el sector ha de comprendre els avantatges que ofereix aquesta tecnologia davant les plantes subcrítiques. El següent anàlisi compara les tres opcions per una planta de torre solar refrigerada per aire de 250 MWe amb 7 hores d'emmagatzematge d'energia tèrmica en sals foses i en què el vapor només es reescalfa una vegada situada a Austràlia:

Escenari 1: Planta actual de cicle Rankine subcrític amb paràmetres de vapor de 545 ºC a 165 bars. Aquest concepte es podria implementar avui dia i ja s'han proposat projectes de 250 MW.

Escenari 2: Torre solar que escalfa vapor supercrític de 280 bars a 545 ºC amb energia solar i gas natural addicional que es reescalfa per assolir els 620 ºC. Aquest concepte es podria implementar en l'actualitat i el reescalfament de vapor addicional s'ha demostrat a la planta Shams 1 fins i tot a una pressió i temperatura de vapor inferiors.

Escenari 3: La planta supercrítica utilitza sals foses a 700 ºC amb paràmetres de vapor de 620 ºC a 280 bars. Una instal·lació com aquesta no pot implementar immediatament ja que les sals foses necessàries per aconseguir aquesta temperatura no estan disponibles encara.

Les plantes de vapor supercrític podrien aconseguir una eficiència de cicle neta del 43,9% per l'escenari 2 i un 44,2% per a l'escenari 3, en comparació amb el 41,3% en l'escenari 1. Es tracta d'un increment significatiu amb efectes associats de reduccions de costos.

Figura 1: Impacte dels diferents escenaris en la grandària de la instal·lació solar. Escenari 1 (groc). Escenari 2 (blau). Escenari 3 (verd).

La figura 1 mostra com afecten els tres escenaris a la mida de la instal·lació solar. Tot i tenir els mateixos paràmetres de vapor, l'eficiència neta del cicle en l'escenari 2 és lleugerament inferior a la de l'escenari 3 a causa d'algunes pèrdues addicionals associades al supercalentador alimentat amb gas. L'increment dels paràmetres de vapor fins als 700 ºC a 350 bars, com es proposa per a l'última generació de plantes alimentades amb carbó, oferiria un rendiment net del cicle de 45,6%.

Si es pressuposa que la planta es posa en marxa en 2025 i les reduccions de costos continuen fins llavors, l'escenari 2 oferiria el cost de capital més baix (4,3 USD / MWe), ja que part de l'entrada d'energia solar substitueix per gas natural. L'escenari 2 oferiria 4,7 milions d'USD / MWe, mentre que l'escenari 1, 4,9 milions d'USD / MWe.

La planta de l'escenari 2 oferiria el cost capital més baix, però el seu cost anivellat de l'energia (LCOI, per les seves sigles en anglès), se situa amb un preu del gas de 5,9 USD / GJ, amb 120 USD / MWh idèntic al escenari 3. Per la seva banda, una planta de l'escenari 1 aconseguiria els 126 USD / MWh. Un podria esperar una reducció major del LCOI però aquestes anàlisis consideren un elevat cost de la mà d'obra a Austràlia i un risc addicional per a una planta pionera.

Un descobriment rellevant és la xifra de sensibilitat del cost anivellat de l'energia a l'escenari 2, pel que fa al preu del gas a 10 USD / GJ, que és el mateix que el cost en l'escenari 1. A més, l'ús de gas dilueix lleugerament l'avantatge ecològica però la intensitat del carbó és, amb 77 kg / MWh, baixa.

L'adopció de qualsevol tecnologia nova implica riscos inherents tècnics i comercials. En primer lloc, les proves solars van ser satisfactòries però el camí cap a la construcció d'una planta de 250 MWe requereix passos intermedis.

Les turbines supercrítiques de 50 o fins i tot 100 MWe no estan disponibles i l'única opció de demostrar la tecnologia a aquesta escala és mitjançant la integració en una planta de carbó supercrític. Tot i que la hibridació de CSP amb carbó és discutible, els seus paràmetres encaixen bé.

Figura 2: Exemple d'una torre solar supercrítica de 100 MWe amb 5 hores d'emmagatzematge tèrmic avançat que equival a una planta de carbó de 2 GWe

La figura 2 ofereix un exemple del condicionament de CSP equivalent a 100 MWe amb 5 hores d'emmagatzematge d'energia tèrmica per a una planta de carbó de 2 GWe. El condicionament no només reduiria el risc de la producció, sinó també els costos, ja que podrien utilitzar-se els elements cars existents, com les turbines de vapor. Si es té en compte que la instal·lació solar, el receptor i l'emmagatzematge d'energia tèrmica representen el 60% del cost capital, podria assolir-se un reducció de costos immediata del 40%. Potser una planta de carbó supercrític normalment més petita es pogués convertir fins i tot a CSP.

Pot deduir-se que l'increment dels paràmetres de vapor de plantes de CSP a nivells supercrítics pot millorar l'eficiència del cicle i el cost anivellat de l'energia. La gran escala necessària per a aquestes plantes coincideix amb els avantatges de l'economia d'escala en altres àrees, com la mà d'obra. Per tant, val la pena investigar més tot i les restes existents pel que fa als fluids de treball i l'augment d'escala de la tecnologia. Existeix suficient experiència en enginyeria en sistemes de turbines de vapor supercrític dins del sector del carbó. Aquests coneixements podrien traslladar-se a la CSP per millorar la seva competitivitat.



Font: CSP Today