Batería de Carnot con biomasa acoplada a una central termosolar de torre

Abstract

La creciente penetración de generación renovable variable exige nuevas soluciones de almacenamiento capaces de aportar flexibilidad y gestionabilidad al sistema eléctrico. En este contexto, el presente Trabajo Fin de Grado estudia la reconversión de una planta termosolar de torre en una batería de Carnot integrada con fuentes térmicas renovables, aprovechando infraestructuras ya existentes como el almacenamiento en sales fundidas y el bloque de potencia Rankine.

El trabajo analiza cuatro configuraciones: una central termosolar convencional de referencia, una arquitectura CSP-HP con bomba de calor de CO₂ supercrítico, una configuración híbrida BIO-CSP-HP con apoyo de biomasa y una alternativa BIO-HP orientada al retrofit de una planta de biomasa con apoyo de biometano. Para ello se desarrolla un modelo termoenergético en EES, se verifican los estados principales del ciclo de CO₂, se realiza un predimensionado preliminar de turbomáquinas y tuberías, y se construye un modelo económico basado en el coste nivelado de electricidad.

Los resultados muestran que la integración de una bomba de calor de alta temperatura con almacenamiento en sales fundidas es técnicamente coherente y permite alcanzar los niveles térmicos requeridos para la carga del sistema. Desde el punto de vista económico, la reutilización de infraestructuras resulta determinante. La configuración CSP-HP presenta el mejor equilibrio técnico-económico entre las arquitecturas con batería de Carnot, mientras que BIO-HP es la opción más coherente cuando el activo de partida es una planta de biomasa, aunque queda penalizada por el peso del OPEX. En conjunto, el estudio concluye que no existe una arquitectura óptima universal: la solución más adecuada depende del activo disponible, del grado de reutilización posible y del objetivo operativo perseguido.The growing penetration of variable renewable generation requires new storage solutions capable of providing flexibility and dispatchability to the electricity system. In this context, this Bachelor’s Thesis studies the retrofitting of a solar tower power plant into a Carnot battery integrated with renewable thermal sources, making use of existing infrastructure such as molten-salt thermal storage and the Rankine power block.

The study analyses four configurations: a conventional concentrated solar power plant used as the reference case, a CSP-HP architecture incorporating a supercritical CO₂ heat pump, a hybrid BIO-CSP-HP configuration with biomass support, and a BIO-HP alternative focused on the retrofit of a biomass plant with biomethane support. To this end, a thermoenergetic model is developed in EES, the main thermodynamic states of the CO₂ cycle are verified, a preliminary sizing of turbomachinery and piping is carried out, and an economic model based on the levelised cost of electricity is built.

The results show that the integration of a high-temperature heat pump with molten-salt thermal storage is technically coherent and allows the required temperature levels for system charging to be reached. From an economic perspective, infrastructure reuse is a determining factor. The CSP-HP configuration offers the best techno-economic balance among the Carnot battery architectures, whereas BIO-HP is the most coherent option when the starting asset is a biomass plant, although it is penalised by the weight of OPEX. Overall, the study concludes that there is no universally optimal architecture: the most suitable solution depends on the available asset, the achievable degree of reuse and the intended operational objective.