Design of a combined cycle plant hybridized with solar energy

Abstract

Con el fin de descarbonizar la atmósfera y llegar a ser neutros en carbono para el año 2050, la sociedad está constantemente impulsado la generación energética a través de recursos renovables, como son las plantas eólicas o fotovoltaicas. No obstante, debido a sus problemas de gestionabilidad y su dificultad de almacenaje, es necesario poseer tecnologías de apoyo a la red que permitan la generación energética cuando los recursos sean insuficientes o durante las horas de demanda pico. Algunas alternativas identificadas con el fin de suplir este problema son las centrales termosolares o CSP (concentrated solar power) debido a que permiten el almacenamiento térmico a través de un sistema de tanques que utilizan como fluido sales fundidas; o las tecnologías de origen no renovable, concretamente, las centrales de ciclo combinado, ya que son, de las de combustible fosil, las que menos emisiones emiten a la atmósfera y las más sencillas de descarbonizar. Por todo ello, el proyecto presente propone la hibridación de una central de receptor solar de torre (CSP) con una de ciclo combinado, permitiendo de esta manera reducir las emisiones en horas de elevada radiación solar gracias a una regeneración parcial en la turbina de gas, encargada de elevar la temperatura del aire que sale del compresor antes de su entrada a la cámara de combustión y, por tanto, reduciendo la necesidad de combustible. Además, mediante la adición de un ciclo de cola de CO2 supercrítico y un ciclo ORC, se conseguirá aprovechar el calor de media y baja temperatura respectivamente, llegando a conseguir rendimientos medios del 57,2% y una reducción de las emisiones de CO2 atmosféricas de hasta un 32% (bajo condiciones de enfriamiento y alimentación constantes). La planta ha sido dimensionada para generar 180 MWe y con el objetivo de aumentar la gestionabilidad y reducir la inversión de las centrales CSP a través del uso de las centrales de ciclo combinado.

In order to decarbonize the atmosphere and become carbon neutral by 2050, society is constantly pushing for energy generation through renewable resources, such as wind or photovoltaic power plants. However, due to their manageability problems and their difficulty of storage, it is necessary to have grid support technologies that allow energy generation when resources are insufficient or during peak demand hours. Some alternatives identified to solve this problem are solar thermal power plants or CSP (concentrated solar power) because they allow thermal storage through a system of tanks that use molten salts as fluid; or technologies of non-renewable origin, specifically, combined cycle power plants, since they are, of the fossil fuel plants, the ones that emit the least emissions into the atmosphere and the simplest to decarbonize. For all these reasons, the present project proposes the hybridization of a solar tower receiver power plant (CSP) with a combined cycle power plant, thus reducing emissions during hours of high solar radiation thanks to a partial regeneration in the gas turbine, responsible for raising the temperature of the air leaving the compressor before it enters the combustion chamber and, therefore, reducing the need for fuel. In addition, by adding a supercritical CO2 bottoming cycle and an ORC cycle, it will be possible to take advantage of medium and low temperature heat respectively, achieving average efficiencies of 57.2% and a reduction in atmospheric CO2 emissions of up to 32% (under constant cooling and feeding conditions). The plant has been sized to generate 180 MWe and aims to increase the manageability and reduce the investment of CSP plants through the use of combined cycle power plants.