Diseño y optimización termo-económica de una planta híbrida biomasa-termosolar con almacenamiento térmico usando ciclos Brayton de CO2 supercrítico

Abstract

La situación climática actual supone una gran cantidad de desafíos tecnológicos, especialmente en el sector energético, donde las energías renovables están adquiriendo una mayor relevancia. Estas permiten reducir los costes, la generación de gases de efecto invernadero y la dependencia energética del exterior. Sin embargo, su baja gestionabilidad, hace que exista una dificultad añadida para implementar grandes potencias en las redes eléctricas.

Dado que no existen actualmente sistemas, técnica y económicamente viables, de almacenamiento energético de alta capacidad, es necesario implementar tecnologías renovables dotadas de cierta gestionabilidad y que puedan funcionar como central de generación de base, proporcionando energía con un alto factor de capacidad. En este sentido, las centrales de biomasa son las perfectas candidatas, pues pueden quemar combustible biomásico cuando se desee. Sin embargo, el recurso biomásico no es tan abundante como para cubrir una potencia de 50 MW con un elevado factor de capacidad. Por este motivo, la hibridación de esta tecnología es de especial interés.

Por otro lado, las centrales termosolares de concentración poseen sistemas integrados de almacenamiento térmico que, siendo bien dimensionados, permiten alcanzar periodos de operación de la planta de 24 horas. Ahora bien, el incremento de horas de almacenamiento supone un aumento del coste asociado a la planta muy elevado, por lo que optimizar las horas de funcionamiento de la planta es un factor clave.

Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto, la hibridación de la biomasa y la termosolar con almacenamiento térmico para centrales de generación con factor de capacidad cercano al 100% es especialmente beneficiosa, pues permite operar plantas de biomasa con elevadas potencias a la vez que reducir el coste de las plantas termosolares, en una conjunción de carácter renovable.

Las dos anteriores tecnologías, se enmarcan en la categoría de centrales térmicas, pues generan energía térmica que posteriormente transforman a energía eléctrica, para lo que se precisa del uso de un ciclo de potencia. Hasta la actualidad, este tipo de centrales han trabajado con ciclos Rankine de vapor agua, ya sea en régimen subcrítico o supercrítico. Esta tecnología es ampliamente conocida pero el rendimiento alcanzable, para los ciclos subcríticos, tiene un límite superior de un 40%. Para los ciclos supercríticos de vapor, el rendimiento puede llegar al 55%, pero el coste asociado es muy elevado. En este sentido, se han propuesto ciclos alternativos, como los ciclos Brayton de CO2 supercrítico, que permiten obtener elevadas eficiencias, hasta un 50%, con un coste muy moderado, incluso por debajo de aquellos de los ciclos subcríticos de vapor. Es por este motivo que resulta de especial interés aplicar los ciclos Brayton de CO2 supercrítico a nuevas centrales térmicas renovables.

En el presente trabajo se realiza una optimización termo-económica de una planta híbrida biomasa-termosolar con almacenamiento térmico usando ciclos Brayton de CO2 supercrítico trabajando con un factor de capacidad del 100%. La optimización se realiza en función de dos parámetros económicos, LCOE y Periodo de Retorno, teniendo en cuenta diferentes escenarios de retribución por la venta de energía eléctrica.

Los resultados, optimizando en función del LCOE, indican que no es necesario implementar un sistema de almacenamiento térmico, dado que, cuando no existe recurso solar suficiente, es más barato producir la energía necesaria quemando el combustible biomásico que tener un campo solar y sistema de almacenamiento más grandes.

Por otro lado, la optimización en función del Periodo de Retorno es muy dependiente de las funciones de ingresos utilizadas. El caso óptimo se presenta utilizando los ingresos determinados por la normativa española, presentando un Periodo de Retorno óptimo para 15 horas de almacenamiento. Esto se debe al mayor incentivo económico que percibe el grupo termosolar, al que está asociada la generación a partir del almacenamiento térmico, lo que hace que el equilibrio de horas se desplace de 0 a 14.