Sistemas energéticos integrados de concentración solar en ciclos combinados con gas natural: análisis y diseño considerando la variación anual horaria de la radiación solar y la temperatura del ambiente

Abstract

La intermitencia de las energías renovables continúa siendo una limitación para su aplicación más extendida, dado que su almacenamiento a gran escala aun no es práctico. La tecnología de concentración solar (CSP) tiene la posibilidad de almacenar térmicamente dicha energía para ser utilizada en horas de mayor demanda a un precio de almacenamiento más factible. Los proyectos de energía solar concentrada han crecido rápidamente en los últimos años debido a los avances en tecnología solar concentrada. Los problemas asociados con los altos costos de inversión pueden solucionarse integrando el potencial solar en las plantas de generación con combustible fósil. Dos tecnologías de concentración solar (CSP): (I) Cilindro Parabólico (PTC) y (II) Torre Solar (ST), han sido integradas a un ciclo combinado de tres niveles de presión y posteriormente han sido modelados, simulados y comparados. Los cálculos en condiciones en el punto de diseño y off design han sido realizados teniendo en cuenta para este último la temperatura ambiente y la radiación solar directa (DNI) de la data de la estación meteorológica de La Joya, Arequipa, Perú. Con 8760 simulaciones que constituyen las horas de un año se ha podido comparar el performance de las diferentes configuraciones propuestas. Además, un análisis económico ha sido realizado tomando en cuenta el performance para cada una de estas. Los resultados muestran que no necesariamente se requiere de la inyección de energía a altas temperaturas para tener un desempeño mayor de planta. Introducir el flujo másico de vapor a la salida del evaporador es ligeramente más eficiente que introducirlo a temperaturas superiores a la del evaporador en la configuración estudiada en el presente trabajo. Es así que la configuración donde se introduce el flujo másico a la salida del evaporador genera 0.42% más energía que la que se introduce a temperaturas superiores en condiciones de design point. Mientras que en condiciones de off design este valor se ve reducido a 0.37%. Meses con mayores valores de DNI y meses con menores temperaturas ambientales promedio no son necesariamente lo que más potencia generan, más bien un equilibrio entre ambas variables hacen un punto de generación superior. Sin considerar costos ambientales, la configuración sin colectores solares es la más viable económicamente siendo la tecnología PTC la que le sigue y finalmente la ST.

The intermittency of renewable energies continues to be a limitation for its more widespread application, since its large-scale storage is not yet practical. The technology of solar concentration (CSP) has the possibility of thermally storing this energy to be used in times of higher demand at a more feasible storage price. Concentrated solar energy projects have grown rapidly in recent years due to advances in concentrated solar technology. The problems associated with the high investment costs can be solved by integrating the solar potential in the fossil fuel generation plants. Two technologies of solar concentration (CSP): (I) Parabolic Cylinder (PTC) and (II) Solar Tower (ST), have been integrated into a combined cycle of three pressure levels and have subsequently been modeled, simulated and compared. The calculations under conditions of design and off design have been made taking into account for the latter the ambient temperature and direct solar radiation (DNI) of the meteorological station of La Joya, Arequipa, Peru. With 8760 simulations that constitute the hours of a year, it has been possible to compare the performance of the different proposed configurations. In addition, an economic analysis has been carried out taking into account the performance for each of these. The results show that it is not necessarily necessary to inject energy at high temperatures to have a higher plant performance. Introducing the mass flow of steam at the outlet of the evaporator is slightly more efficient than introducing it at temperatures higher than that of the evaporator in the configuration studied in the present work. Thus, the configuration where the mass flow is introduced at the outlet of the evaporator generates 0.42% more energy than that which is introduced at higher temperatures under design point conditions. While in off design conditions this value is reduced to 0.37%. Months with higher values of DNI and months with lower average environmental temperatures are not necessarily what generate more power, rather a balance between both variables make a point of higher generation. Without considering environmental costs, the configuration without solar collectors is the most economically viable being PTC technology that follows and finally ST.