Simulación de una planta híbrida solar fósil de ciclo combinado

Migueláñez González, Enrique (2017). Simulación de una planta híbrida solar fósil de ciclo combinado. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Simulación de una planta híbrida solar fósil de ciclo combinado
Autor/es:
  • Migueláñez González, Enrique
Director/es:
  • Rodríguez Martín, Javier
  • Sánchez Orgaz, Susana
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Julio 2017
Materias:
Palabras Clave Informales: hibridación, gas natural,ciclo combinado, energía solar, torre solar, LCOE
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Energética
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La hibridación de energías convencionales con energías renovables puede suponer una solución actual a la creciente demanda de electricidad y contribuir a la reducción de gases de efecto invernadero. Así, se solucionan parte de estos problemas mientras se desarrollan tecnologías renovables más eficientes. Una de las hibridaciones con mejores perspectivas de desarrollo es la hibridación de centrales fósiles con energías solares, concretamente con tecnologías termosolares o de concentración. Dentro de este tipo de centrales, destacan las centrales de ciclo combinado hibridadas con una torre solar. Las centrales de ciclo combinado utilizan como combustible gas natural, tienen un alto rendimiento y bajas emisiones contaminantes respecto a los otros combustibles fósiles. Por otro lado las torres solares son, dentro de las tecnologías termosolares, la tecnología con una mayor perspectiva de reducción de costes e incremento de rendimiento. Al combinar estas tecnologías, se compensan ciertos inconvenientes de ambas. Entre ellos, la tecnología solar permite aportar más energía cuando el rendimiento del ciclo es menor debido a que la temperatura ambiente es más elevada. Esto se debe a que las temperaturas más elevadas se alcanzan en verano y durante las horas centrales del día, que es cuando la irradiación solar es mayor, y por tanto se produce más energía gracias al campo solar. Por otro lado, el ciclo combinado permite que la planta híbrida pueda suministrar energía las 24 horas del día y no sólo cuando la irradiación solar sea suficiente, como ocurre en las centrales únicamente solares. Por estas razones la hibridación puede ser especialmente útil en aquellas regiones con elevada irradiación y altas temperaturas en las que haya ciclos combinados, como puede ser el caso de ciertas regiones de España. En este Trabajo de Fin de Grado se simula una central fósil solar de ciclo combinado (Integrated Solar Combined-Cycle, ISCC), situada en la provincia de Sevilla (España), que utiliza la tecnología solar de torre o receptor central con sales fundidas. La simulación se realiza para ver la influencia que tienen el múltiplo solar y la potencia térmica solar introducida sobre la planta. El primer parámetro, el múltiplo solar, indica la proporción de potencia térmica solar producida respecto de la necesaria en el bloque de potencia y también ofrece una medida del sobredimensionamiento de la planta. El segundo parámetro, la potencia térmica solar introducida, es la potencia producida por la parte solar de la planta híbrida, es decir, es la potencia hibridada o la diferencia entre la potencia de la planta híbrida y la del ciclo combinado sin hibridar. A través de un intercambiador de calor las sales fundidas transfieren el calor generado y se produce vapor. En el bloque de potencia, el vapor generado tanto por el ciclo combinado como por la parte solar producirá electricidad gracias a la turbina de vapor. En la planta estudiada el calor solar permite sustituir parcialmente uno de los intercambiadores del ciclo combinado, por lo que el campo solar actúa como un evaporador. Además, el vapor producido gracias a la torre solar incrementa el rendimiento del ciclo combinado, por lo que se produce más energía en la parte fósil de la planta. La hibridación solar realizada supone producir más energía sin tener costes por combustible ni por emisiones de CO2. Sin embargo, la sección solar tiene otros costes y la inversión necesaria para construirla es elevada. Antes de realizar las simulaciones se ha presentado un estudio de la influencia de las condiciones ambientales sobre una central híbrida ISCC. Tras ello, se presentan los parámetros fijados al estar la planta localizada en Sevilla, como la altitud del terreno. Posteriormente se calcula la irradiación solar media a la que estaría sometida la planta, unos 830W/m2 de media. Las simulaciones se realizan con el programa System Advisor Model (SAM) que, mediante un modelo teórico, calcula la energía producida por la planta y su rendimiento, entre otras variables técnicas. Los valores de estos dos parámetros oscilan entre 4.388,98 y 4.519,07 GWh anuales para la energía neta total producida por la planta y entre 47,36 y 53,78% para el rendimiento de la planta. La máxima energía neta de las plantas simuladas se obtiene para un múltiplo solar de 2 y una potencia térmica solar de 160 MWt, mientras que la energía neta mínima se obtiene para una potencia de 10MWt y múltiplo solar 1. En cambio, el mayor rendimiento se obtiene para una potencia de 10MWt y un múltiplo solar de 3, mientras que el mínimo se obtiene para una potencia de 160 MWt y múltiplo solar de 1. SAM también calcula los parámetros que definen geométricamente la instalación solar, como el área ocupada por los heliostatos. El máximo valor de esta área se obtiene para una potencia hibridada de 160 MWt y múltiplo solar 3, con un valor de 1.064.475 m2. La planta simulada con la menor área es aquella con una potencia de 10 MWt y múltiplo 1, con un valor de 23.100 m2. Posteriormente se calculan mediante MATLAB la inversión realizada y el Levelized Cost of Energy (LCOE). También se ha calculado el LCOE de la planta sin hibridar. El LCOE establece el coste por MWhe de la central y es un parámetro muy utilizado a la hora de comparar la rentabilidad de distintas formas de generación de energía. El LCOE para todos los parámetros estudiados varía entre 52,37 y 57,38 €/MWhe, respecto de los 51,22 €/MWhe del ciclo sin hibridar. El valor mínimo se obtiene para la planta con una potencia de 10 MWt y múltiplo 1,5, mientras que el mayor LCOE se obtiene para la planta con una potencia térmica de 160 MWt y múltiplo solar de 3. Por último, se realiza un análisis de sensibilidad del LCOE al variar el precio del combustible y al variar la inversión necesaria para realizar la parte solar de la planta. Para el primer parámetro se estudiará un aumento de un 10, 20 y 30%, mientras que para la cuantía de la inversión solar se estudiará una reducción de un 10, 20 y 30%. El precio del combustible aumentará, entre otras razones, por su progresivo agotamiento o por inestabilidades políticas. En cambio, la inversión solar se reducirá debido a las mejoras de la tecnología, así como por la producción en masa de los componentes, entre otros factores. Tras el análisis se ha observado que la influencia del precio del combustible es más significativa que la de la inversión solar. Para reducciones de la inversión solar de entre un 20 y 30% habrá plantas híbridas que tengan un LCOE menor que el de un ciclo combinado convencional. Para una reducción de un 30%, existen varias configuraciones de múltiplo solar y potencia térmica que cumplen lo anterior. Entre ellas se encuentran todas las simulaciones de múltiplo solar 1. También se ha tenido en cuenta una variación conjunta de los dos parámetros estudiados en el análisis de sensibilidad. Se ha constatado que la reducción de la inversión necesaria para que el LCOE mínimo de las plantas simuladas sea igual o menor al LCOE del ciclo combinado convencional desciende conforme aumenta el precio del combustible.Tras la obtención de datos y su análisis gracias a gráficos y tablas, se comparan los datos obtenidos con los de centrales existentes, tanto híbridas como solares, para ver el orden de magnitud de los resultados obtenidos. Se concluye que las plantas híbridas suponen una buena solución para incrementar la producción energética a un coste adicional relativamente bajo y sin más emisiones contaminantes. El tamaño de la hibridación a realizar dependerá principalmente del incremento de energía deseado. Para potencias térmicas solares y múltiplos solares elevados la inversión necesaria será muy elevada, por lo que no será rentable realizar la hibridación, aunque el incremento del LCOE no será demasiado elevado. Por otro lado, para bajas potencias térmicas se obtiene un mayor rendimiento. La potencia térmica solar y el múltiplo solar empleados dependerán del incremento de energía eléctrica y del rendimiento deseados, se escogerá la configuración que permita el mayor beneficio y por tanto, el menor LCOE. En la elección también hay que tener en cuenta la posible evolución en el precio del combustible y en la inversión solar. Así, si este último parámetro se reduce lo suficiente, habrá plantas híbridas que serán más rentables que los ciclos combinados convencionales, por lo que tendrán un mayor desarrollo.

Más información

ID de Registro: 48900
Identificador DC: http://oa.upm.es/48900/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:48900
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 27 Dic 2017 16:05
Ultima Modificación: 05 Jun 2018 10:17
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