Diseño de una Central Termoeléctrica Hibrida con Tecnología de Integración Solar en Ciclo Combinado (ISCC) Utilizando Sales Fundidas como Fluido Caloportador en la Región Arequipa

Abstract

El objetivo principal del proyecto fue diseñar una central integrada que tiene como central de acople al generador de vapor la central termosolar que está compuesta de un receptor central de cilíndrico vertical con sistema de almacenamiento térmico de sales fundidas de 30MW de potencia nominal y capacidad para 15 horas de almacenamiento. En las siguientes tablas se exponen los datos de diseño más importantes de la central objeto del proyecto, tal y como se desarrollaron en el capítulo IV. Para la obtención de estos resultados se han usado herramientas informáticas como MATLAB e EES facilitando el cálculo del ciclo combinado y la planta solar permitiendo modificar los datos de entrada (morfología del campo, dimensiones de la torre, receptor, etc.) y analizar el resultado de estos cambios sobre los datos de salida. La relación combustible aire empleada fue de 0.04929 y las potencias del ciclo combinado son las mostradas en la tabla siguiente: Tabla N° 0.1: Potencias del Ciclo combinado Potencias en el Ciclo Combinado Potencias del subsistema de gas Turbina a gas PTG = 460,994.15 kW Compresor de la turbina de gas PC-TG = 228,995.71 kW Potencia útil del ciclo de gas PSTG = 231,998.44 kW Potencias del subsistema de vapor Turbina de alta presión PTAP = 18,487.29 kW Turbina de media presión PTMP = 28,739.48 kW Turbina de baja presión PTBP = 44,888.89 kW Bomba de baja presión PBBP = 230.35 kW Bomba de mediana presión PBMP = 252.20 kW Bomba de alta presión PBAP = 615.90 kW Potencia útil del ciclo de vapor PSTV = 91,017.21 kW Potencia Útil Total del Ciclo Combinado PTotal = 323,015.65 kW Fuente: Elaboración Propia

La eficiencia promedio del ciclo de gas es de 38.8%, mucho más eficiente que el ciclo de vapor que presenta un 29.78%, la eficiencia del ciclo de vapor está condicionada por los parámetros del vapor a la salida de la caldera de recuperación de calor, la distancia entre la salida de la turbina de gas y entrada a la caldera, longitud de ductos entre la caldera y la turbina de vapor, el aislamiento de tuberías y las fugas de las tuberías que son inevitables en estas instalaciones. La central solar que se integrará a la cadera de recuperación de calor tiene una potencia de 17MW con sistema de almacenamiento de sales fundidas la eficiencia es de 15,5%, lo que coincide con la eficiencia real que se suele obtener de este tipo de plantas, que ronda el 15-18%. El análisis exergético, ayudó a determinar el valor promedio de las eficiencias en los equipos del ciclo combinado, y proporcionó una información útil, al localizar a los equipos de menor eficiencia exergética para tomar decisiones de mejoras, siendo el compresor (3.93%), turbina a gas (5.49%) y turbina a vapor (2.01%) los equipos de más baja eficiencia en el ciclo combinado. La mayor eficiencia se consigue aportando el vapor de alta presión de la instalación solar a la etapa del evaporador de alta presión de las HRSG. Posteriormente, se extrae agua del nivel de media presión y se utiliza como agua de alimentación al campo solar cerrando de esta manera el circuito. El campo de helióstatos es el componente más costoso de una central Termosolar que estará integrada al ciclo combinado, resulta necesario diseñar la planta para trabajar a pleno rendimiento en los meses de verano, y evitar el sobredimensionamiento que se produciría en caso de seleccionar un punto de diseño alejado de los meses de mayor radiación solar. En este sentido, el punto de diseño elegido para realizar los cálculos de la planta se detalla en la Tabla N°0.2:

Tabla N° 0.2: Datos del Punto de Diseño

Datos del punto de diseño Punto de diseño 14 de setiembre, 12:00 Coordenadas geográficas Distrito de la Joya -16º 45’ 41,89’’ Latitud Sur y -71º 55’ 54,30’’ Longitud Oeste. Irradiación típica solar 640.37 Wh⁄m^2

Fuente: Datos obtenidos del mapa de irradiación solar en Arequipa (SENAMHI) Para el dimensionamiento del campo de helióstatos se tomó en cuenta el correcto espaciado de los espejos evitará en gran medida las pérdidas producidas en la captación. La inclusión de factores de pérdidas por efecto coseno, atenuación atmosférica o desbordamiento de flujo, entre otras, tratan de tener en cuenta el resto de pérdidas que se producen en el campo solar, pero que no son objeto de cálculo en este proyecto. La configuración final del campo solar se presenta en la siguiente tabla: Tabla N° 0.3: Datos del Punto de Diseño

Configuración del Campo Solar Datos de Partida Morfología del campo solar Campo circular Número total de helióstatos 2.650 Área reflectante por helióstato 120 m2 Radio del campo 750 m Altura de la torre 140 m Datos Calculados Número total de helióstatos 2.647 Filas o anillos de helióstatos 31 Área reflectante total 317.640 m2 Radio del campo 752 m Área total del campo 177,5 ha

Fuente: Elaboración Propia

El receptor cilíndrico vertical se dimensiona acorde con los cálculos y condiciones necesarias para absorber de forma adecuada la radiación solar del campo de helióstatos previamente calculado tomando como referencia la planta Gemasolar que tiene como altura del receptor 10.5 m y diámetro receptor 8.4m, las dimensiones se muestran en la siguiente Tabla N°0.4: Tabla N° 0.4: Dimensiones del tubo receptor Dimensiones de los tubos del receptor Parámetro Simbología Magnitud Unidades Diámetro exterior tubo D_(ext tubo) 5.28 cm Diámetro interior tubo D_(int tubo) 5.08 cm Longitud tubos L_( tubo) 12 m Separación tubos S_tubo 0.5 cm Separación paneles D_paneles 10 cm

Fuente: Elaboración Propia Las sales fundidas, mezcla al 60% de nitrato de sodio (NaNO3) y al 40% de nitrato de potasio (KNO3) bajo el nombre comercial de Hitec Solar Salt, la operación de la planta solar se basa en el calentamiento de las sales en el receptor central desde los 290ºC hasta los 565ºC. se presentan las siguientes propiedades físicas en la Tabla Nº0.5 a una temperatura 565ºC que es la temperatura máxima en la cual las propiedades de la sal no cambian: Tabla N°0.5: Propiedades de la Sal Fundida

Propiedades de la Sal T=565ºC Parámetro Simbología Magnitud Unidades Densidad ρ_sal 1730.66 Kg/m^3 Calor especifico Cp_sal 1540.18 J⁄(kg.K) Viscosidad µ_sal 1.14E-03 Pa.s Coeficiente conductividad térmica k_sal 0.5535 W⁄(m.K)

Fuente: Elaboración Propia

Las temperaturas de los tubos en el receptor no deberían sobrepasar los 750ºC de temperatura, pues se podría producir la descomposición de las sales de nitratos a nitritos. En consecuencia, los cálculos de diseño que cumplen con estas especificaciones arrojan los siguientes resultados que se muestran en la tabla Nº0.6: Tabla N° 0.6: Valores de Temperatura del receptor

Valores Temperatura y Potencias diseño receptor Parámetro Simbología Magnitud Unidades Eficiencia conversión potencia n_(conv pot) 0.3873 Temperatura máxima tubo T_max⁡sal 750 ºC Temperatura máxima sal salida receptor T_min⁡sal 565 ºC Temperatura mínima sal entrada receptor T_max⁡〖tubo 〗 265 ºC Fuente: Elaboración Propia Para lograr alcanzar una capacidad de almacenamiento térmico equivalente a 15 horas de producción a pleno rendimiento, es necesario desviar parte de las sales calentadas hacia tanques de almacenamiento. Al volumen de sales almacenadas hay que sumar en torno a un 5% debido a los calentadores resistivos que es necesario instalar dentro de los tanques para mantener la temperatura de las sales. Los depósitos tienen una geometría cilíndrica con unas dimensiones calculadas para disminuir la superficie en contacto con el ambiente y, de este modo, minimizar las pérdidas térmicas y el coste de los materiales. La integración del vapor solar a la caldera de recuperación de calor con la máxima eficiencia se alcanza haciendo que el campo solar trabaje únicamente como un evaporador en paralelo al evaporador de alta presión de la caldera de recuperación. Con esto se evita la transmisión de calor a mayor diferencia de temperaturas, con la consiguiente disminución de irreversibilidad. La mayor eficiencia se consigue aportando el vapor de alta presión de la instalación solar a la etapa del evaporador de alta presión de las HRSG. Posteriormente, se extrae agua del nivel de media presión y se utiliza como agua de alimentación al campo solar cerrando de esta manera el circuito. También se determinó los costos de inversión costo de combustible, costos de mantenimiento y operación que se muestran en la tabla siguiente. Tabla N° 0.7: Resumen de costos

RESUMEN DE COSTOS COSTOS DE INVERSION 11.7002 US$/MW.h COSTOS DE COMBUSTIBLE 23.3393 US$/MW.h COSTOS DE MANTENIMIENTO Y OPERACIÓN 4.3157 US$/MW.h Variable 2.7703 US$/MW.h Fijo 1.5455 US$/MW.h TOTAL 39.3552 US$/MW.h

Fuente: Elaboración Propia

Palabras Clave: Central Termoeléctrica, Central Solar de Torre, Ciclo Integrado ISCC, Hibridación, Ciclo Combinado, Estado Termodinámico, Ciclo de Gas, Ciclo de Vapor, Ciclo Ideal, Ciclo Real.