Modelo de producción anual para plantas termosolares de receptor central

Abstract

El proyecto que se describe en este documento consiste en la elaboración de un modelo mediante el cual estimar la producción eléctrica anual de cualquier planta termosolar de receptor central, cuyas especificaciones serán introducidas en el programa por el usuario. Además, el modelo tendrá un carácter modular, correspondiendo cada módulo a los bloques principales de una planta de esta tecnología. Esto permitirá que el usuario pueda estudiar en detalle cada uno de estos bloques, realizando por ejemplo estudios de sensibilidad de determinados elementos fijando previamente unas condiciones de contorno. En los primeros apartados de la memoria se realizará un encuadre del proyecto, planteando los motivos que han llevado a la realización de este trabajo y describiendo el estado de las tecnologías aplicadas para la obtención de energía termosolar. Las dos motivaciones principales hablan del concepto de sostenibilidad (intrageneracional e intergeneracional) y de la curva de aprendizaje de la tecnología. En cuanto al estado de la técnica, se habla de la energía termosolar en el pasado, en el presente y de las previsiones futuras, tanto a nivel nacional, como a nivel europeo y mundial. La primera iniciativa en estas tecnologías la tiene EEUU en los años 80 y 90 mediante el proyecto conocido como SEGS, aunque el desarrollo del sector se detuvo hasta hace unos años. En el año 2010 la potencia total en operación en el mundo era de 1061 MW, de los que aproximadamente el 60 % estaban construidos en España. En la actualidad, hay una capacidad instalada en el mundo de unos 4.950 MW, estando instalados en España aproximadamente 2.400 MW y en EEUU unos 1.300 MW. Otros países destacados en este aspecto son Marruecos y Sudáfrica. Para describir las previsiones de este sector se acude a documentos como el Plan de Energías Renovables 2011-2020, en España, los documentos Paquete Europeo de Energía y Cambio Climático y Secure, clean and efficient energy, en Europa y el World Energy Outlook, a nivel internacional. También se realiza una descripción de las cuatro tecnologías existentes en la actualidad para obtener energía termosolar: la tecnología de canales cilindroparabólicos (la más madura en la actualidad), las plantes de torre o receptor central (la que mejores prespectivas de futuro tiene), las de concentradores parabólicos (en fase inicial) y las de concentradores lineales de Fresnel. Estos primeros apartados concluyen con una mención a dos modelos existentes que tienen una función similar a la del modelo propuesto en esta memoria, pues ambos proporcionan la producción anual de una planta dada: el SOLERGY y el SAM. El manual del SOLERGY es el documento que ha servido de referencia para diseñar el modelo. El diagrama de flujo energético que sigue el modelo aquí planteado es el mismo que el del programa SOLERGY. No obstante, el SOLERGY proporciona referencias de los detalles de cada uno de los bloques de este diagrama, mientras que en el modelo de esta memoria se han integrado las ecuaciones de cara a que el usuario pueda realizar los análisis mencionados en cada bloque. Por otro lado, los resultados que proporciona el SAM tienen una perspectiva más económica. Además, el modelo que aquí se describe de momento sirve como base para el modelo de garantía que se presenta junto con una oferta, siendo imposible que el SOLERGY o el SAM puedan ser utilizados como modelos de garantía. Posteriormente se describe el modelo diseñado: se citan los datos de entrada de cada módulo (a introducir por el usuario), se detalla la metodología que se ha seguido en su elaboración y se exponen resultados y conclusiones. Las rutinas o módulos del modelo son las siguientes: Eficiencia del Campo Solar, Eficiencia Térmica y Gasto Másico por el Receptor, Estado del Receptor, Pérdidas Térmicas en las Tuberías, Operación Siempre que Se Pueda (SQSP), Operación MAXOUT y Ciclo Térmico, Auxiliares y Consumos OFFLINE. Todas estas rutinas se han programado en VBA Excel, de forma que los resultados se muestren en las respectivas hojas de Excel. Las variables de salida de una rutina sirven como variables de entrada en la siguiente. La rutina Eficiencia del Campo Solar se basa en la integración del código DELSOL3 en el modelo para calcular dichas eficiencias. En la rutina Eficiencia Térmica y Gasto Másico por el Receptor se implementan las ecuaciones de transmisión de calor en cada uno de los diferenciales de las tuberías simulados, fijándose bien la temperatura de salida de las sales (opción preferente), bien el caudal másico por el receptor. En la rutina Estado del Receptor se evalúa el estado del mismo (arranque, parada y operación) mediante una máquina de estados. En la rutina Operación SQSP se evalúan los estados del sistema generador de vapor y de la turbina, también mediante sendas máquinas de estados (arranque, parada y operación) y el nivel energético del almacenamiento en cada instante considerado, con la restricción de que se intentará operar la turbina siempre que haya energía térmica disponible. En la rutina Operación MAXOUT se hace lo mismo que en la anterior, con otra restricción: maximizar el valor de la electricidad generada. En la rutina Ciclo Térmico, Auxiliares y Consumos OFFLINE se utilizan los datos introducidos por el usuario de eficiencias del ciclo térmico, consumos auxiliares y consumos offline para obtener la producción neta de la planta en cada instante. El modelo se ha probado introduciendo las especificaciones de una planta determinada, teniéndose como resultado una producción neta anual aproximadamente un 10% mayor que la estimada para la misma por otras fuentes. También se han mostrado los resultados de producción de cuatro días típicos (uno de cada estación) ejecutando el modelo con las dos estrategias de operación planteadas. En las siguientes figuras se muestran los resultados para Operación SQSP y para Operación MAXOUT, respectivamente, para un día de verano.

The Project described in the present document consists on the development of a model to estimate annual electricity production from any central receiver power plant, whose specifications must be introduced in the program by the user. In addition, the model will have a modular design, each module corresponding to the main blocks of a central receiver power plant. This will allow the user to study in detail each of these blocks, carrying out, for example, sensitivity studies for some elements by previously fixing their boundary conditions. In the first sections of the document the project will be framed, presenting the main purposes that have led to the realization of this project and describing the status of the technologies applied for thermosolar energy collection. The two main reasons are related to sustainability (inter and intra generational) and to the technology learning curve. In what refers to the state of the art, there will be references about thermosolar energy in the past, in the present and in the future, both at a national level and at a European and worldwide level. Between the 80s and the 90s, the USA had the first initiative on this technologies, with the project SEGS. However the development of this field was stopped until a few years. In 2010, the total operation power worldwide was 1061 M, of which about the 60% were located in Spain. Nowadays, there is about 4.950 MW of capacity installed in the world, of which 2.400 MW are located in Spain and 1.300 MW in USA. Other outstanding countries are Morroco and South Africa. The document “Plan de Energías Renovables 2011-2020” can be used as a reference to describe the market forecast in Spain, while the document “Paquete Europeo de Energía y Cambio Climático” is a reference at European level and “World Energy Outlook” at an international scale. A description of the four existing CSP technologies has also been done: parabolicthrough technology (the most mature nowadays), central receiver plants (the technology with better perspectives) and the solar Stirling engine ones (at an initial phase). The first sections conclude mentioning two of the existing models which have a function similar to the model proposed in the project, as both supply an annual production given by: the SOLERGY and the SAM. The SOLERGY manual is the document used as reference to design the model. The energy flux diagram which the model follows is the same as the proposed by the SOLERGY. However, SOLERGY only provides references to solve details of each of the parts of the diagram, while in the model presented in this memory the equations have been integrated so that the user can carry out the analysis mentioned in each part. On the other side, the results provided by SAM have a more economic perspective. In addition, the model described serves as a base for the guarantee model presented together with an offer, making impossible to use SOLERGY or SAM as guarantee models. Afterwards, the designed model is described: the input data of each module (to be introduced by the user) are mentioned, the methodology followed is detailed, and the results and conclusions reached are presented. The routines or modules of the model are the following: Solar Field Efficiency, Receiver Thermal Efficiency and Mass Flow, Receiver Status, Pipes Thermal Losses, Always the System Is Able To Operation (ASIAT Operation), MAXOUT Operation and Power Cycle, Auxiliaries and Offline Power. All these routines have been programmed in VBA Excel, so that the results are displayed in the respective Excel sheets. The output variables of a routine serve as input variables for the following one. The Solar Field Efficiency routine is based on the integration of the DELSOL3 code in the model in order to calculate the mentioned efficiencies. In the Receiver Thermal Efficiency and Mass Flux Routine, heat transmission equations are implemented in each of the simulated pipe differentials, fixing either the salts exit temperature (preferential option), or the receiver mass flow rate. In the routine of the Receiver Status, its state is evaluated (start-up, shutdown and operation) with a status machine. In the ASIAT Operation routine, the different status of the steam generating system and the turbine are also evaluated by different status machines and taking into consideration the energy storage level in each of the time steps considered, with the restriction by which the turbine will try to operate while there is thermal energy available in storage. In the Operation MAXOUT routine, the procedure is the same as the mentioned before, except for the restriction, which now is to maximize the value of the generated electricity. In the Power Cycle, Auxiliaries and Offline Power routine the user-defined input of the thermal cycle efficiencies, auxiliaries and offline power are used to obtain the net production of the plant at any moment. The model has been tested by introducing the specifications of a certain plant, having as a result a net annual production of about 10% higher than the estimated for the same plant from other sources. In addition, through the execution of the model with the operation strategies proposed, the results for four typical days (one for each season) have been represented. In the following figures, the results for the ASIAT Operation and MAXOUT Operation for a summer day have been shown.