1.CAPITULO 1
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Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW CAPITULO 1 CONSUMO DE AGUA EN PLANTAS TERMOSOLARES Proyecto fin de carrera: Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW Alumno: FERNANDO RUIZ RUIZ Tutora: Dra. Lourdes García Rodríguez Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW 28 FERNANDO RUIZ RUIZ Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW ÍNDICE CAPITULO 1 1. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………………….31 1.1. Propuesta de valor de las centrales termosolares……………………………………31 2. SOLUCIONES TECNOLÓGICAS…………………………………………………………….….32 2.1. Centrales de canal parabólico…………………………………………………….………33 2.2. Centrales de receptor central o de torre con campo de helióstatos…….………...34 2.3. Centrales de reflectores lineales tipo Fresnel…………………………………………35 2.4. Centrales de discos parabólicos con motores Stirling……………………………...36 3. ESQUEMAS DE FUNCIONAMIENTO…………………………………………..……………...37 3.1. Esquema de funcionamiento de plantas de cilindroparabólico (CCP)………...….37 3.2. Esquema de funcionamiento de plantas de torre central con almacenamiento térmico………………………………………………………..…………………………………..39 4. REQUERIMIENTOS DE AGUA Y RFRIGERACIÓN………………………………………….41 4.1. Ciclo Rankine………………………………………………………………….…….....…..41 4.2. Demanda de agua en plantas termosolares………………………………….…….…45 4.2.1. Tipos de agua en plantas termosolares…………………………………………..45 5. SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN……………………………………………………..…….…46 5.1. Sistemas de enfriamiento de ciclo abierto…………………………………..……...…46 5.2. Sistemas de enfriamiento de ciclo abierto con torre de refrigeración auxiliar….47 5.3. Sistemas de enfriamiento húmedo de ciclo cerrado…………………………………48 5.4. Sistemas de enfriamiento seco de ciclo cerrado…………………………………..…50 6. SOSTENIBILIDAD MEDIOAMBIENTAL………………………………………….......……..…51 6.1. Reducción del consumo de agua…………………………………………..…...............52 7. REFERENCIAS………………………………………………………………..……………..……55 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Central La Risca en Badajoz. Fuente: Guía técnica de la energía Solar Termoeléctrica, FENERCOM 2012………………………………………………………..……...…34 Figura 1.2. Central Gemasolar en Sevilla. Fuente: Guía técnica de la energía Solar Termoeléctrica, FENERCOM 2012…………………………………………………………………35 Figura 1.3. Central de Puerto Errado 1, Murcia. Fuente: Guía técnica de la energía Solar Termoeléctrica, FENERCOM 2012…………………………………...……………………..……..35 Figura 1.4. Central de Casas de los Pinos, Cuenca. Fuente: Guía técnica de la energía Solar Termoeléctrica, FENERCOM 2012………………………………………………………....36 Figura 1.5. Esquema de funcionamiento de una planta de cilindroparabólico…………….39 FERNANDO RUIZ RUIZ 29 Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW Figura 1.6. Esquema de funcionamiento de la planta Gemasolar. Fuente: Web Torresol Energy………………………………………………..…..................................................................40 Figura 1.7. Diagrama T-s del ciclo con vapor de alta presión sobrecalentado…………….42 Figura 1.8. Esquema de enfriamiento de ciclo abierto…………………………...…..……...…47 Figura 1.9. Esquema de enfriamiento de ciclo abierto con torre de refrigeración auxiliar…………………………………………………………………………………………………...48 Figura 1.10. Esquema de enfriamiento húmedo de ciclo cerrado………………………….…48 Figura 1.11. Esquema de torre de refrigeración………………………………………..…..……49 Figura 1.12. Tipos de torres de enfriamiento……………………………………………..…...…50 Figura 1.13. Esquema de enfriamiento seco directo……………………………………………51 Figura 1.14. Esquema de enfriamiento seco indirecto…………………………………....……51 Figura 1.15. Esquema de sistema híbrido de refrigeración. Fuente: Guía técnica de la energía Solar Termoeléctrica, FENERCOM 2012………………………….……………….....…53 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1. Potencia (MW) de las diferentes tecnologías por año. Fuente IDEA……………37 Tabla 1.2. Porcentaje de potencia de las diferentes tecnologías por años. Fuente IDEA..37 30 FERNANDO RUIZ RUIZ Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW 1. INTRODUCCIÓN La energía solar es la fuente de energía más limpia, abundante y renovable de todas las que existen. El principal desafío al que se enfrentan las renovables en general y aquellas que utilizan la radiación solar en particular es poder conseguir que la producción y distribución de esta energía sea equiparable tanto en gestionabilidad como en precio a las tradicionales fuentes de combustibles fósiles. En la actualidad, existen principalmente tres grupos de tecnologías para aprovechar la energía solar: la fotovoltaica, las centrales solares termoeléctricas (o centrales termosolares) para la generación de electricidad y la térmica de baja temperatura para calefacción y agua caliente. Las tecnologías de concentración utilizadas para las centrales termosolares también pueden ser aplicadas para calor industrial a media o alta temperatura. Mientras que la tecnología fotovoltaica convierte la radiación solar directamente en electricidad y la térmica en calor, la tecnología solar termoeléctrica concentra la componente directa de la radiación procedente del sol para calentar un fluido y posteriormente producir electricidad por medio de ciclos Rankine, Brayton y Stirling. Unos dispositivos llamados heliostatos, espejos de geometría parabólica lineal (canales parabólicos) o discos parabólicos, dependiendo de la tecnología, recogen la radiación solar y la concentran para calentar un determinado fluido de trabajo, distinto según los casos, que a su vez sirve para generar vapor en la mayoría de las tecnologías comerciales. El vapor se expande en una turbina convencional para generar electricidad de igual manera que cualquier central térmica actual. En uno de los casos, los discos parabólicos con motor Stirling, el fluido es un gas y se genera electricidad directamente mediante el motor situado en el foco de la parábola. Si bien puede parecer que la tecnología es reciente, en realidad se trata de una tecnología probada, ya que las primeras centrales comerciales comenzaron a funcionar en California a mediados de la década de los ochenta, aunque dicho mercado se paralizó como consecuencia de la reducción en los precios de los combustibles fósiles y la correspondiente cancelación de los incentivos públicos. 1.1. Propuesta de valor de las centrales termosolares En primer lugar, la energía solar termoeléctrica es gestionable y puede verter electricidad al sistema incluso en momentos en los que no se dispone de radiación solar haciendo uso de los sistemas de almacenamiento o de hibridación de las centrales. Esta característica dota a la solar termoeléctrica de una mayor flexibilidad que otras tecnologías renovables, contribuyendo así a facilitar la gestión del seguimiento de la demanda por parte del operador del sistema FERNANDO RUIZ RUIZ 31 Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW eléctrico. La solar termoeléctrica puede ser considerada como un facilitador para la integración de otras tecnologías en la red, como la solar fotovoltaica y la eólica, evitando la necesidad de respaldo mediante combustibles fósiles. Asimismo, al poder ser fácilmente hibridadas con otras formas energéticas renovables, como la biomasa y combustibles fósiles como el gas natural, utilizando el mismo equipo generador, se aumenta considerablemente la eficiencia y la estabilidad en la producción de energía eléctrica. La producción de electricidad mediante la utilización de estas tecnologías evita la emisión de gases de efecto invernadero, mitiga los efectos que estos gases tienen en el cambio climático y ayuda a conseguir los objetivos de reducción de emisiones. Se trata de tecnologías seguras y limpias en su operación y mantenimiento, y que jugarán un papel cada día mayor para contribuir a un sistema de generación libre de emisiones que evitará además los riesgos asociados al transporte de crudo, a accidentes de centrales nucleares y a la gestión de residuos radioactivos. Al mismo tiempo, al utilizar un recurso que se localiza en el territorio contribuye a la reducción de las importaciones de combustibles fósiles desde el extranjero. Esto tiene ventajas que van más allá del ahorro que producen en términos económicos, ya que también se reduce el riesgo de impactos negativos asociados a la volatilidad de los precios de los combustibles fósiles, así como a la propia vulnerabilidad energética. Esta ventaja es especialmente importante en España, al ser uno de los países europeos con mayor dependencia energética del extranjero. En términos de impacto socioeconómico la energía solar termoeléctrica genera muchos empleos en el territorio donde se instalan las centrales, tanto durante la fase de construcción como durante la operación y mantenimiento dado el elevado componente nacional asociado a la ejecución de las inversiones. 2. SOLUCIONES TECNOLÓGICAS En la actualidad existen cuatro soluciones tecnológicas para el desarrollo de la energía solar termoeléctrica, pudiendo ser categorizadas según la manera en la que concentran la irradiación directa del sol: • Canal parabólico • Receptor central o de torre con campo de helióstatos • Reflectores lineales tipo Fresnel 32 FERNANDO RUIZ RUIZ Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW • Discos parabólicos con motores Stirling 2.1. Centrales de canal parabólico En la actualidad se trata de la tecnología más extendida a nivel mundial, con más de 900 MW en operación en España y 430 MW en Estados Unidos, principalmente. Consiste en instalar filas o lazos de espejos con forma de canales de sección parabólica que recogen la radiación solar y la concentran en un tubo receptor. Aquí se calienta un fluido hasta aproximadamente 400ºC y se utiliza posteriormente, bien para generar vapor que acciona una turbina conectada a un generador de electricidad, bien para calentar un sistema de almacenamiento consistente en dos tanques de sales fundidas. Alternativamente, existe también la posibilidad de que la energía térmica obtenida de la transformación termosolar genere vapor directamente en el campo solar, eliminando la necesidad de intercambiadores de calor y de otros fluidos. Las filas de concentradores en estas centrales suelen tener una orientación norte sur para maximizar la cantidad de energía recogida durante todo el año, ya que con un sistema de un único eje puede ajustarse su inclinación de este a oeste durante el día, lo cual asegura una incidencia más favorable de la irradiación directa del sol a los espejos. Asimismo, esta tecnología permite incorporar sistemas de almacenamiento térmico para utilizarse en momentos en los que no existe irradiación solar. Por otra parte, esta tecnología permite también soluciones bastante sencillas de hibridación con otras tecnologías, lo cual significa que puede utilizarse un combustible fósil tradicional o biomasa para producir electricidad durante la noche o en días nublados, así como para apoyar la operación solar. Las ventajas de la hibridación es que se maximiza el uso de las turbina de generación de electricidad, existiendo economías de escala en muchas fases del proyecto, tanto durante la construcción (por ejemplo en las líneas eléctricas) como durante la operación. En la actualidad las centrales en España tienen una potencia unitaria de 50 MW, por los condicionantes del régimen especial. En Estados Unidos se están construyendo centrales con turbinas de potencia muy superiores, aprovechando que en esta tecnología el rendimiento de captación de la energía no se ve prácticamente afectado por el tamaño y los costes de generación sí disminuyen notablemente. FERNANDO RUIZ RUIZ 33 Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW Figura 1.1. Central La Risca en Badajoz. Fuente: Guía técnica de la energía Solar Termoeléctrica, FENERCOM 2012 2.2. Centrales de receptor central o de torre con campo de helióstatos Las centrales de torre o de receptor central utilizan cientos o miles (dependiendo del tamaño de éstos y de la potencia) de reflectores planos, o casi, llamados helióstatos que dirigen la radiación solar hacia un receptor ubicado en la parte superior de una torre. Un fluido utilizado como transmisor de calor, que en las centrales actuales puede ser vapor o sales fundidas, es calentado en el receptor y se utiliza para generar electricidad mediante una turbina de vapor convencional. El rendimiento de estas centrales suele ser mayor que el de las de canal parabólico, ya que se consiguen temperaturas más elevadas de los fluidos, entre 500ºC y 600ºC, lo que da lugar a mayor rendimiento termodinámico y a su vez facilita también la capacidad de almacenamiento, disminuyendo el volumen necesario. En la actualidad existen solamente tres centrales de este tipo localizadas en España, mientras que ya se están construyendo y se encuentran en promoción diferentes proyectos de mayor tamaño en Estados Unidos. Aunque la experiencia comercial en este tipo de centrales no es elevada, se estima que las ratios de costes de generación por kWh podrían ser inferiores a los de las centrales de canal parabólico, a pesar de que el uso de la tierra es ligeramente menos eficiente. Se percibe un incremento en la confianza en este tipo de centrales a medida que más de ellas entran en funcionamiento. Estas centrales podrían llegar a ser de más de 100 MW eléctricos de potencia nominal. 34 FERNANDO RUIZ RUIZ Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW Figura 1.2. Central Gemasolar en Sevilla. Fuente: Guía técnica de la energía Solar Termoeléctrica, FENERCOM 2012 2.3. Centrales de reflectores lineales tipo Fresnel Esta tecnología también se basa en filas o lazos de reflectores solares; no obstante, este caso son planos o con una curvatura muy pequeña. La radiación se refleja y se concentra en unos receptores ubicados sobre los espejos. La principal ventaja de esta tecnología es que se facilita la generación directa de vapor, principalmente por tener el tubo absorbedor fijo, eliminándose la necesidad de fluidos para la transferencia de calor y los intercambiadores de calor. En la actualidad esta tecnología se encuentra menos extendida, ya que el nivel de concentración y correspondientemente la temperatura que alcanza el fluido en el campo solar, hasta ahora vapor saturado, es inferior a las otras dos tecnologías mencionadas anteriormente y resulta más difícil incorporar sistemas de almacenamiento. Su desarrollo dependerá de la capacidad de reducir los costes de inversión y de generación a fin de ser competitivos ante su menor rendimiento: se estima que los costes deberían ser un 40% inferiores a los de canal parabólico para poder ser competitivos con esa tecnología. Figura 1.3. Central de Puerto Errado 1, Murcia. Fuente: Guía técnica de la energía Solar Termoeléctrica, FENERCOM 2012 FERNANDO RUIZ RUIZ 35 Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW 2.4. Centrales de discos parabólicos con motores Stirling Las centrales de discos parabólicos con motores Stirling constan de dos elementos básicos: un concentrador o disco solar y un generador de energía. Cada unidad completa produce electricidad por sí misma y la potencia de los dispositivos actuales varía desde los 3 kW hasta los 25 kW por unidad. Los concentradores recogen la radiación solar directamente y la reflejan en un receptor que se ubica sobre el disco. La estructura gira siguiendo al sol para que se produzca la concentración de los rayos solares en el foco en donde se encuentra dicho receptor acoplado al motor. El tipo más común de transformadores termomecánicos empleados son los motores Stirling conectados a un alternador. El motor Stirling utiliza un gas calentado, generalmente helio o hidrógeno, para generar energía mecánica en su eje. Este diseño elimina la necesidad de utilizar agua en la generación de energía, lo cual representa una ventaja frente a los diseños habitualmente empleados por las otras tipologías las cuales, no obstante, también podrían construirse con sistemas de refrigeración secos. Asimismo, dado que se trata de equipos individuales, los discos parabólicos no parecen, en la actualidad, tan adecuados como las otras tecnologías para su utilización en grandes centrales pero sí podrían suponer una solución para la generación distribuida al ser modulables y más fáciles de localizar en terrenos no planos. Figura 1.4. Central de Casas de los Pinos, Cuenca. Fuente: Guía técnica de la energía Solar Termoeléctrica, FENERCOM 2012 36 FERNANDO RUIZ RUIZ Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW 3. ESQUEMAS DE FUNCIONAMIENTO Como se ha comentado, existen 4 tecnologías diferenciadas para el área solar termoeléctrica. Actualmente existen proyectos comerciales de todas ellas (cilindroparabólico, torre, discos Stirling y lentes de Fresnel). En las siguientes tablas se muestra la distribución de las iniciativas por tecnologías en los últimos años. Tabla 1.1. Potencia (MW) de las diferentes tecnologías por año. Fuente IDAE Tabla 1.2. Porcentaje de potencia de las diferentes tecnologías por años. Fuente IDEA Actualmente el 96,46 % de las plantas en operación comercial son de tecnología cilindroparabólica, calculado sobre los 2304 MW instalados. El 2,17% es de receptor central de torre y el restante 1,37 % de lentes de Fresnel. Por este motivo nos centraremos en las 2 tecnologías más empleadas: cilindroparabólico y torre central. A continuación se exponen los esquemas de funcionamiento de ambos sistemas para una mayor comprensión de los mismos. 3.1. Esquema de funcionamiento de plantas de cilindroparabólicos (CCP) El proceso productivo de una planta de cilindroparabólicos se sintetiza en los siguientes pasos FERNANDO RUIZ RUIZ 37 Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW – ver figura 1.5 -: 1. Captación de la energía solar Los captadores solares, alineados en hileras de espejos cilindroparabólicos, giran sobre su eje para seguir la trayectoria del sol y optimizar la captación de energía. 2. Concentración de la luz solar La forma de los espejos está diseñada para concentrar la irradiación solar sobre su línea focal, donde se sitúa un tubo captador (HCE) de acero inoxidable. Los tubos captadores están construidos con un revestimiento especial, diseñado para maximizar la captación de calor del sol y minimizar las pérdidas de calor, que dispone una atmósfera de vacío gracias a un tubo de vidrio extraclaro que lo protege exteriormente. 3. Transferencia de la energía a un fluido térmico Por efecto de la radiación solar concentrada, el fluido (aceite sintético) que circula por los tubos se calienta a temperaturas próximas a 400ºC en los tubos captadores y se bombea hasta el bloque de potencia. 4. Producción de vapor Al ser bombeado, el fluido térmico llega al intercambiador de calor convencional (fluido de transferencia “HTF” /agua) donde cede su calor sensible al agua que circula por el interior del intercambiador y la transforma en vapor de agua a 90 bar y 370ºC. A continuación, el fluido regresa a los colectores para calentarse de nuevo y reiniciar el proceso. El vapor es generado y sobrecalentado en dos trenes paralelos consistentes, cada uno de ellos, en un precalentador de agua de alimentación, un generador de vapor y un sobrecalentador. 5. Generación de electricidad El vapor a presión se expansiona en una turbina de vapor convencional de doble cuerpo, con recalentamiento intermedio, desde 90 bar hasta la presión de vacío del condensador. El vapor tras expandirse en el cuerpo de alta presión de la turbina se conduce a un recalentador donde, tras aumentar su entalpía se dirige al cuerpo de baja presión de la turbina. La turbina está conectada a un generador que produce la electricidad que es conducida a una subestación donde se eleva el voltaje para su incorporación a la red eléctrica. 6. Refrigeración Tras ceder su energía a la turbina, el agua en forma de vapor se enfría en un condensador refrigerado por medio del sistema de agua de circulación en circuito cerrado con agua procedente de las torres de refrigeración de tiro forzado y retorna a estado líquido. 38 FERNANDO RUIZ RUIZ Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW El agua resultante será de nuevo utilizada para producir vapor. 7. Control del campo solar El sistema de control del campo solar está basado en un sistema informático de diseño propio de gran precisión. Figura 1.5. Esquema de funcionamiento de una planta de cilindroparabólicos 3.2. Esquema de funcionamiento de plantas de torre central con almacenamiento térmico El proceso productivo de una planta de torre central con almacenamiento térmico mediante sales fundidas se sintetiza en los siguientes pasos – ver figura 1.6 -: 1. Captación solar La luz solar incide sobre los helióstatos, distribuidos en anillos concéntricos alrededor de la torre , de forma continua a lo largo del día en función de la posición del sol y las condiciones meteorológicas (viento, nubes, etc.) reflejándola hacia el receptor situado en lo alto de la torre 2. Sistema de almacenamiento y transferencia de energía Las sales a una temperatura de 290 ºC, son bombeadas desde un gran tanque, excelentemente aislado que trata de mantenerlas a esa temperatura, mediante una bomba centrífuga vertical desde el interior de este tanque hasta el receptor situado en la parte alta de la torre. Dentro del receptor de torre, las sales son calentadas hasta 565 ºC antes de ser almacenadas en el tanque de sales calientes 3. Generación de vapor De forma paralela e independiente, el fluido almacenado en el tanque caliente es transportado por otro sistema de bombeo independiente hasta un tren generador de vapor, compuesto por FERNANDO RUIZ RUIZ 39 Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW una serie de intercambiadores del tipo carcasa-tubo. El fluido que cede energía térmica (calor sensible) son las sales inorgánicas, mientras que el fluido que aumenta su energía es el agua del ciclo agua-vapor. El tren de generación de vapor cuenta con equipos independientes para calentar agua, generar vapor y sobrecalentar el vapor, de manera que a la salida del tren de generación se ha producido vapor sobrecalentado, que alimenta una turbina de vapor de condensación de uno o dos niveles. 4. Generación de electricidad La turbina mueve un generador eléctrico produciendo energía. La energía producida en el generador es conducida a un transformador eléctrico para ser inyectada en la red. 5. Condensador A la salida de la turbina, el vapor cambia de estado en un condensador. El condensador más habitual es un intercambiador carcasa tubo en el que por la carcasa circula el vapor a enfriar, y por los tubos, el fluido refrigerante, normalmente agua de refrigeración que proviene de una torre evaporativa 6. Cierre del ciclo El agua condensada es impulsada con la ayuda de las bombas de condensado situadas cerca del condensador hasta el tanque de agua de alimentación, y de allí, aumentan de presión bruscamente con la ayuda de las bombas de alimentación. De allí, el agua líquida a gran presión se introduce en el tren de generación de vapor, cerrando el ciclo agua-vapor. Figura 1.6. Esquema de funcionamiento de la planta Gemasolar. Fuente: Web Torresol Energy 40 FERNANDO RUIZ RUIZ Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW 4. REQUERIMIENTOS DE AGUA Y REFRIGERACIÓN Al igual que otras centrales térmicas, las centrales termosolares emplean habitualmente un suministro de agua constante para procesos de enfriamiento del condensador del ciclo de vapor, aunque también pueden diseñarse centrales termosolares con sistemas de refrigeración seca, si bien su rendimiento se verá ligeramente disminuido. En este sentido, si bien depende 3 de la tecnología utilizada, la energía solar termoeléctrica necesita aproximadamente 3 m de agua por MWh producido, ratios similares a los de una central nuclear, frente a los 2 u 0,8 m 3 por MWh de las centrales de carbón o ciclos combinados de gas natural, respectivamente. Como se expuso en el punto introductorio, las plantas termosolares para producir electricidad utilizan normalmente algunos de estos ciclos Rankine, Brayton y Stirling. A continuación desarrollamos el ciclo Rankine por ser el más ampliamente utilizado. 4.1. Ciclo Rankine El Ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como otros ciclos termodinámicos, la máxima eficiencia termodinámica es dada por el cálculo de máxima eficiencia del Ciclo de Carnot. Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine. El ciclo Rankine utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo. FERNANDO RUIZ RUIZ 41 Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW Figura 1.7. Diagrama T-s del ciclo con vapor de alta presión sobrecalentado Existen cuatro procesos distintos en el desarrollo del ciclo, los cuales van cambiando el estado del fluido. Estos estados quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s. Los procesos que tenemos son los siguientes (suponiendo ciclo ideal con procesos internamente reversibles): Proceso 1-2: Expansión isentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Proceso 2-3: Transmisión de calor desde el fluido de trabajo al refrigerante a presión constante en el condensador hasta el estado de líquido saturado. Proceso 3-4: Compresión isentrópica en la bomba. En él se aumenta la presión del fluido mediante un compresor o bomba, al que se le aporta un determinado trabajo. Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En la realidad, los procesos no son internamente reversibles, pues tenemos distintas irreversibilidades y pérdidas, lo que se refleja en que los procesos 1-2 y 3-4 no son isentrópicos. Además en los procesos 2-3 y 4-1 la presión a la salida es inferior a la de entrada. A) Variables . Q int : Potencia térmica de entrada (energía por unidad de tiempo) . m : Caudal másico (masa por unidad de tiempo) . W turbina : Potencia mecánica suministrada o absorbida (energía por unidad de tiempo) 42 FERNANDO RUIZ RUIZ Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW η : Eficiencia termodinámica del proceso (adimensional) h1, h2, h3, h4: Estas son las entalpías másicas a los puntos indicados en el diagrama T-s B) Ecuaciones Cada una de las cuatro primeras ecuaciones se obtiene del balance de energía y del balance de materia para un volumen de control. La quinta ecuación describe la eficiencia termodinámica o rendimiento térmico del ciclo y se define como la relación entre la potencia de salida con respecto a la potencia térmica de entrada . Q int = h1 − h4 . (Ec. 1.1) m . W turbina = h1 − h2 (Ec. 1.2) = h3 − h2 (Ec. 1.3) = h4 − h3 (Ec. 1.4) . m . Q out . m . W bomba . m . . η= . W turbina − W bomba . (Ec. 1.5) Qin C) Mejoras del Ciclo Rankine La idea para mejorar un ciclo Rankine es aumentar el salto entálpico entre 1 y 2, es decir, el trabajo entregado a la turbina. Las mejoras que se realizan de forma habitual en centrales térmicas (tanto de carbón, como ciclos combinados o nucleares) son: 1. Reducción de la presión del condensador: En este procedimiento se disminuye automáticamente la temperatura de vapor en el condensador incrementando la producción de potencia en la turbina. La desventaja es que la humedad del vapor empieza a aumentar ocasionando erosión en los alabes de la turbina. 2. Aumentar la presión de la caldera para una temperatura fija: Al aumentar la presión aumenta la temperatura a la cual se añade calor aumentando el rendimiento de la turbina por ende la del FERNANDO RUIZ RUIZ 43 Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW ciclo. La desventaja es la humedad excesiva que aparece. 3. Sobrecalentar la temperatura de entrada de la turbina: El sobrecalentamiento del vapor hasta altas temperaturas aumenta el rendimiento térmico del ciclo al aumentar la temperatura promedio a la que se proporciona el calor. El sobrecalentamiento del vapor está limitado hasta un máximo de 620 ºC por consideraciones metalúrgicas, es decir, por la capacidad de los materiales para soportar altas temperaturas. 4. Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansión: Después de expandirse parcialmente, el vapor se extrae de la turbina y se recalienta a presión constante. A continuación, se lo devuelve a la turbina para su expansión posterior hasta la presión de salida. Este escalonamiento de la expansión da lugar a los cuerpos de alta, media y baja presión de turbina. 5. Realizar extracciones de vapor en la turbina, calentando el agua de alimentación a la caldera, aumentando su entalpía. El número de extracciones no suele superar las 7, ya que no implicaría una mejora de rendimiento considerable frente a la complicación técnica que conllevan. D) Ciclo Rankine regenerativo En esta variación se introduce un nuevo elemento al ciclo, un precalentamiento del agua de alimentación. Este elemento consiste en un intercambiador de calor que transfiere dicho calor, básicamente de dos maneras, mediante dos tipos de calentadores: - Calentadores de agua de alimentación abiertos Este elemento consiste en un intercambiador de calor por contacto directo en el cual se mezclan dos corrientes de agua para dar una corriente de temperatura intermedia. De las dos corrientes que entran al calentador, una proviene de una extracción de vapor de la turbina y la otra del condensador (a la menor presión del ciclo). Como las presiones en el calentador han de ser iguales, se añade una bomba después del condensador para igualar la presión de este flujo a la de la extracción. En esta variación del ciclo de Rankine, encontramos ventajas respecto al ciclo simple como un aumento del rendimiento y una reducción del aporte de calor a la caldera. Pero por otro lado también encontraremos inconvenientes como una reducción de la potencia de la turbina y un aumento de la complejidad de la instalación, ya que añadiremos a la instalación una bomba más y un mezclador de flujos. - Calentadores de agua de alimentación cerrados Mediante este, se transfiere calor del vapor extraído de la turbina hacia el agua de alimentación sin que suceda ninguna mezcla. El agua de alimentación que sale del condensador circula por 44 FERNANDO RUIZ RUIZ Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW el interior de los tubos que pasan por el calentador. Los dos flujos pueden estar a presiones diferentes, puesto que no se mezclan. En un calentador cerrado ideal el agua de alimentación se calienta hasta la temperatura de salida del vapor extraído, que idealmente sale del calentador como líquido saturado a la presión de extracción. Esto es sólo una aproximación del comportamiento real. 4.2. Demanda de agua en plantas termosolares El consumo de agua en las plantas termosolares es similar al consumo de cualquier central térmica actual que emplean combustibles fósiles pues el principio de funcionamiento de todas ellas es el mismo, la generación de vapor a suficiente temperatura y presión para introducirlos en una turbina para generar electricidad. A la salida de la turbina, el vapor que sale es un vapor ya de baja entalpía por lo que se debe condensar para de nuevo comenzar el ciclo. Esta condensación en la mayoría de los casos es llevada a cabo mediante un condensador por cuyos tubos internos circula agua que entra a una T1 y sale a una T2 siendo T2>T1 dado que el agua ha absorbido el calor latente de condensación del vapor para que éste condense. El agua a la salida del condensador se conduce normalmente hasta una torre de refrigeración donde se enfría. Los principales puntos de consumo de agua en una planta CCP o de torre central son la refrigeración de: • Condensador de vapor • Sistema de aceite de lubricación de la turbina de vapor • Generador de la turbina de vapor • Sellos de bombas • Muestras 4.2.1. Tipos de agua en plantas termosolares Para poder satisfacer los puntos de consumo anteriores, las plantas termosolares de cilindroparabólicos y de torre central disponen de una Planta de Tratamiento de Aguas (PTA) donde se producen normalmente cuatro tipos de agua: 4. Agua Filtrada o Pretratada que será destinada a las torres de refrigeración así como para agua de servicios y para el sistema contra incendios. FERNANDO RUIZ RUIZ 45 Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW 5. Agua Desmineralizada para: − aportar a la caldera − el ciclo de generación de energía eléctrica − el circuito cerrado de agua de enfriamiento − la limpieza de los espejos que componen la Central Solar para que el reflejo de la luz Solar sea de la máxima calidad posible 6. Agua Potable requerida para el consumo humano en la Planta pues normalmente las plantas se ubican en lugares aislados sin posibilidad de conexión a la red de agua potabilizada. En algunas plantas en lugar de emplear agua desmineralizada para la limpieza del campo solar se emplea agua osmotizada pudiéndose distinguir un cuarto tipo de agua. 5. SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN En el sector de la energía, y más específicamente en centrales de generación de electricidad, son varias las tecnologías disponibles para la refrigeración de las centrales. La elección del tipo de sistema de refrigeración usado está íntimamente ligado a la localización de la planta y a la disponibilidad de agua para propósitos de enfriamiento. Dicho proceso de elección está también influenciado por el impacto ambiental que puedan causar estos sistemas. 5.1. Sistemas de enfriamiento de ciclo abierto En la figura 1.8, se muestra el sistema en circuito abierto, que consta de un sistema donde el agua se bombea desde un río o una balsa para enfriar el vapor que ha servido para la generación de electricidad mediante una turbina. Después de haber recorrido el condensador, el agua es devuelta a su fuente. El agua casi no tiene contacto con el aire lo que tiene como consecuencia un consumo de agua casi nulo por evaporación (aunque existe una diferencia de temperatura entre el agua captada y el agua vertida, lo que aumenta el ratio de evaporación del agua del río o de la balsa). 46 FERNANDO RUIZ RUIZ Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW Figura 1.8. Esquema de enfriamiento de ciclo abierto El sistema representado, en la figura 1.8, de un circuito abierto, aunque el volumen de agua consumida sea pequeño, necesita un volumen de agua utilizada considerablemente más importante que el sistema en circuito cerrado que mostramos en la figura 1.10, ya que el tiempo de contacto entre flujos en el condensador es más corto. Los sistemas abiertos tienen por lo general altos caudales unitarios y unos relativamente bajos calentamientos para limitar el aumento de temperatura en las aguas receptoras. 5.2. Sistemas de enfriamiento de ciclo abierto con torre de refrigeración auxiliar En este sistema las torres de refrigeración están situadas en el punto de descarga del sistema abierto con el propósito de eliminar parte del calor evacuado en el condensador, de manera que el incremento de temperatura que reciba la masa de agua esté dentro de unos límites preestablecidos. Las torres auxiliares son usadas en el periodo estival para limitar la temperatura del agua de descarga cumpliendo con la normativa de aplicación. FERNANDO RUIZ RUIZ 47 Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW Figura 1.9. Esquema de enfriamiento de ciclo abierto con torre de refrigeración auxiliar 5.3. Sistemas de enfriamiento húmedo de ciclo cerrado En sistemas de enfriamiento húmedo de ciclo cerrado – figura 1.10 -, el calor evacuado en el condensador es transferido al sistema de enfriamiento por agua. Este calor es, a continuación, descargado a la atmosfera a través de la torre de refrigeración. Figura 1.10. Esquema de enfriamiento húmedo de ciclo cerrado En la torre de enfriamiento – figura 1.11 -, se extrae el calor contenido en el agua proveniente del circuito de refrigeración del condensador. El enfriamiento sufrido por el agua en una torre de refrigeración se basa en la transmisión combinada de masa y calor al aire que circula por el interior de la torre. 48 FERNANDO RUIZ RUIZ Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW El agua entra siempre por la parte superior y es distribuida de tal forma que establezca el mejor contacto posible con el aire atmosférico que asciende procedente de la parte inferior de la torre. Para lograr este efecto el agua se reparte uniformemente, con ayuda generalmente de unos pulverizadores, sobre un relleno que aumenta el tiempo y la superficie de contacto entre ambos fluidos. En condiciones normales de funcionamiento, este contacto conduce a una evaporación de parte del agua. Como el agua debe absorber calor para pasar de líquido a vapor a presión constante, este calor se toma del líquido restante. De esta manera, el calor de vaporización del agua a la presión atmosférica se transfiere del agua de refrigeración al aire atmosférico (calor latente). El resto de calor transmitido se debe a la diferencia de temperatura entre los dos fluidos (calor sensible). El calor latente supone frecuentemente más del 90% del calor transmitido. Figura 1.11. Esquema de torre de refrigeración Las torres de refrigeración se clasifican en – figura 1.12 -: − Torres atmosféricas − Torres de tipo natural − Torres de tiro natural asistido − Torres de tipo mecánico: Forzado o inducido FERNANDO RUIZ RUIZ 49 Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW Figura 1.12. Tipos de torres de enfriamiento 5.4. Sistemas de enfriamiento seco de ciclo cerrado El sistema de enfriamiento en seco consta simplemente en un sistema de enfriamiento que no utiliza agua, ya que el intercambio de calor que tiene lugar en el condensador se hace gracias a una circulación de aire frio que pasa en sentido contrario. Este sistema de enfriamiento presenta la ventaja (por no utilizar agua) de que puede instalarse en cualquier emplazamiento. Sin embargo, durante los días de altas temperaturas, el rendimiento de la planta se ve limitado por factores como el viento, que puede limitar el enfriamiento del fluido caloportador. Las limitaciones todavía presentes en la utilización de esa tecnología es su coste de construcción respecto al del sistema de enfriamiento húmedo, así como el rendimiento más bajo en los días calurosos. Una posibilidad que se estudia es la combinación de ambas tecnologías (seca y húmeda), según la cual el enfriamiento húmedo serviría solo para mantener el rendimiento de la planta a su nivel normal. Los sistemas secos pueden ser de dos tipos: directos e indirectos. A) En los sistemas directos el vapor a la salida de la turbina es llevado directamente a un aerocondensador. La disipación al ambiente del calor evacuado se realiza en un solo paso, en el que el vapor es condensado dentro de los tubos de aletas, normalmente distribuidos en una configuración en A – ver figura 1.13 -, y es luego enfriado haciendo pasar la corriente de aire a lo largo de la superficie de los tubos. De igual manera que en los sistemas de refrigeración 50 FERNANDO RUIZ RUIZ Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW húmeda la torre de enfriamiento seco, puede ser tanto de tiro mecánico como de tiro natural. Figura 1.13. Esquema de enfriamiento seco directo B) Los sistemas indirectos condensan el vapor en condensadores de superficie enfriados por agua, desde el cual el agua calentada es bombeada a intercambiadores de calor refrigerados por aire donde es enfriada y luego recirculada al condensador de vapor. Figura 1.14. Esquema de enfriamiento seco indirecto 6. SOSTENIBILIDAD MEDIOAMBIENTAL El reto de conseguir una mayor sostenibilidad medioambiental de las centrales termosolares, o lo que es lo mismo, un menor impacto en el medioambiente, afecta a dos temas fundamentales: • Reducción del consumo de agua, y FERNANDO RUIZ RUIZ 51 Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW • Eliminar los fluidos de trabajo que conlleven importantes riesgos para el medioambiente. A continuación se desarrolla con más detalle el primero de estos aspectos. 6.1. Reducción del consumo de agua El ciclo termodinámico con mayor implantación en las centrales termosolares actuales es el ciclo agua/vapor Rankine. Este ciclo resulta muy adecuado para centrales de torre, de captadores cilindroparabólicos y de concentradores lineales Fresnel que posean una temperatura de trabajo de hasta 575ºC. Pero el principal inconveniente de este ciclo es su alto consumo de agua para la condensación del vapor exhausto que sale de la turbina de vapor del bloque de potencia. Pero este alto requerimiento de agua también afecta a las centrales eléctricas convencionales de carbón, de ciclo combinado y a las nucleares. Una central termosolar de captadores cilindroparabólicos o concentradores lineales Fresnel consume del 3 orden de 3 m de agua por MWh producido (consumo similar al de una central nuclear), 3 mientras que una central convencional de carbón consume del orden de los 2 m , y una de 3 ciclo combinado con gas natural solo necesita unos 0,8 m de agua por MWh. Este alto consumo de agua supone un fuerte hándicap medioambiental para las centrales termosolares, porque los lugares con alta radiación solar directa suelen ser zonas áridas que padecen escasez de agua. Un buen ejemplo de lugares con un excelente nivel de radiación solar y fuerte escasez de agua lo constituye el Norte de África. Por este motivo, la reducción del consumo de agua es un tema de I+D con alta prioridad, y así es unánimemente reconocido por el sector. Cabe destacar igualmente que cuando las centrales termosolares se construyen sobre suelo destinado al uso agrícola en última instancia el consumo de agua por hectárea al año se ve reducido. Una central termosolar consume un total de 260000 litros/(ha·año), mientras que un suelo agrario destinado a la agricultura en la cuenca del Guadalquivir consume alrededor de 600000 litros//(ha·año) en el caso de cultivos de maíz y 404000 litros//(ha·año) en el caso del algodón. Existen diversas vías de I+D para reducir el consumo de agua de las centrales termosolares, que se explican a continuación. a) Mejora de los sistemas de refrigeración por aire (conocidos internacionalmente como Dry Cooling). Aunque existen sistemas de refrigeración que no necesitan agua, porque usan condensadores de vapor refrigerados por aire, su uso merma el rendimiento del bloque de potencia de la central, sobre todo en verano debido a las mayores temperaturas ambientes. Se debe a que 52 FERNANDO RUIZ RUIZ Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW cuanto mayor sea la temperatura del aire ambiente, mayor tiene que ser la presión y temperatura a las que el vapor debe salir de la turbina, y por consiguiente menor es el salto de presiones que experimenta el vapor en la turbina. Por este motivo, el uso de un sistema de refrigeración por aire en una central que esté ubicada en una zona árida provoca un descenso de la producción eléctrica anual de la central en aproximadamente un 7%. Además aumenta el coste total de la planta (porque los sistemas de refrigeración por aire son más caros que los refrigerados por agua), lo que provoca un encarecimiento de aproximadamente el 10% en el coste de la electricidad generada por la central. En cualquier caso, la penalización que supone el uso de un sistema de refrigeración por aire es menor en una central de torre que trabaje por encima de los 400ºC, debido al mayor salto térmico y de presiones que existen en la turbina de vapor en esas circunstancias. Una mejora de los actuales condensadores refrigerados por aire, bien en términos del coeficiente de transferencia de calor o en términos de costes, tendría un impacto positivo sobre la rentabilidad de la refrigeración por aire y ayudaría a una mayor implantación comercial de esta opción tecnológica b) Desarrollo de sistemas duales de refrigeración, de modo que en verano se utilice la refrigeración mediante agua y en invierno la refrigeración mediante aire. Al ser la temperatura ambiente y las necesidades de refrigeración por parte de la central más bajas en invierno, el uso de condensadores refrigerados por aire no penaliza el rendimiento del ciclo, mientras que en verano se emplea la refrigeración húmeda mediante torres de evaporación. La Fig. 1.15 muestra como sería el esquema simplificado de un sistema híbrido de este tipo. Figura 1.15. Esquema de sistema híbrido de refrigeración. Fuente: Guía técnica de la energía Solar Termoeléctrica, FENERCOM 2012 FERNANDO RUIZ RUIZ 53 Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW La opción de refrigeración híbrida resulta atractiva porque reduce de forma importante el consumo de agua frente a la refrigeración exclusivamente por agua, mientras que el rendimiento de la central se penaliza muy poco. Según (OECD/IEA 2010) el ahorro de agua que se puede conseguir es del orden del 50%, mientras que la producción de electricidad se reduce sólo en un 1% anual aproximadamente. Por este motivo, el desarrollo de sistemas de refrigeración híbridos optimizados resulta un reto importante de cara a conseguir una mayor sostenibilidad medioambiental de las centrales termosolares. c) Desarrollar sistemas que hagan uso del llamado «almacenamiento térmico negativo». En las zonas áridas, y especialmente en las desérticas o semi-desérticas, existen grandes diferencias de temperatura ambiente entre las horas de sol y la noche, por lo que resulta técnicamente posible hacer uso de las bajas temperaturas nocturnas para enfriar un medio de modo que se utilice dicho medio para la refrigeración de la central durante las calurosas horas diurnas. Aunque teóricamente esta opción resulta posible, hacerla comercialmente interesante requiere un notable esfuerzo de I+D, para encontrar los medios de almacenamiento nocturno con características adecuadas (alto calor específico, bajo precio, abundancia en la naturaleza, etc.). d) Desarrollo de tratamientos anti-suciedad para los reflectores solares, con el fin de reducir el número de lavados necesarios a lo largo del año y ahorrar agua. Los reflectores son elementos esenciales en las centrales termosolares, y mantenerlos con un alto grado de limpieza proporciona un mayor rendimiento del campo solar. Por este motivo es necesario realizar frecuentes lavados de los reflectores para que su reflectividad solar espectral media se mantenga en valores cercanos al 90%. Para ello suele ser necesario tener que lavar los reflectores al menos una vez cada 10 o 14 días, de media a lo largo del año. Puesto que el 2 consumo de agua para el lavado suele estar en el entorno de 0,7 litros por m de reflector, el volumen de agua que se necesita anualmente para mantener limpios los reflectores es importante, aunque mucho menor que el necesario para la refrigeración de la central. El desarrollo de tratamientos que retrasen el ensuciamiento de los reflectores ayudaría a reducir el consumo de agua de la central, haciéndola más sostenible medioambientalmente. Buena prueba del interés que tiene el desarrollo de este tipo de recubrimientos para los reflectores solares es el hecho de que ya hay varias empresas trabajando en este campo, y se están consiguiendo resultados alentadores. 54 FERNANDO RUIZ RUIZ Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW 7. REFERENCIAS 1. FUNDACIÓN DE LA ENERGÍA DE LA COMUNIDAD DE MADRID. Guía técnica de la energía Solar Termoeléctrica, FENERCOM 2012. Disponible en http://www.fenercom.com/pdf/publicaciones/Guia-tecnica-de-la-energia-solar-termoelectricafenercom-2012.pdf (Acceso 23/03/2013) 2. INSTITUTO PARA LA DIVERSIFICACIÓN Y AHORRO DE ENRGÍA (IDEA). Plan de Energías Renovables (PER) 2011-2020, Madrid 2011. Disponible en http://www.idae.es/index.php/mod.documentos/mem.descarga?file=/documentos_11227_PER_ 2011-2020_def_93c624ab.pdf (Acceso 23/03/2013) 3. INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE CALKINÍ EN EL ESTADO DE CAMPECHE (ITESCAM).Fundamentos de Termodinámica. Disponible en http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r81711.PDF (Acceso 23/03/2013) 4. Web http://www.torresolenergy.com (Acceso 23/03/2013) FERNANDO RUIZ RUIZ 55 Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW 56 FERNANDO RUIZ RUIZ
