Análisis tecno-económico para la optimización de centrales termosolares de concentración cilindro parabólica con almacenamiento térmico

Abstract

Dentro de la tecnología de receptor central, el campo de colectores cilindro parabólicos es el sistema de generación de electricidad por fuente renovable de mayor implantación a nivel mundial. Además, los avances en diseño y fabricación permiten definir parámetros específicos adaptados a la localización de la planta, requerimientos técnicos y tipo de mercado eléctrico. Avances que proporcionan una importante reducción de los costes de implantación. Partiendo de la elaboración del marco teórico y del establecimiento de un modelo matemático para una central real en operación de 50MWe con almacenamiento térmico mediante doble tanque de sales fundidas, el método de optimización presentado establece propuestas que permiten conocer las proporciones óptimas de dimensionado del campo solar, tipo y sistema de almacenamiento térmico y modo de operación de la planta de generación. Esta Tesis Doctoral tiene como finalidad establecer estrategias encaminadas a maximizar la viabilidad y rendimiento tecno-económico de este tipo de centrales de generación eléctrica. Por tanto, el dimensionado y operación óptimos de planta se presenta como objetivo principal de este trabajo, considerando como variables de decisión, el lugar de implantación, dimensionado del campo solar, almacenamiento de energía térmica y tipo de mercado eléctrico. Los resultados obtenidos se agrupan en seis bloques, dimensionamiento óptimo del campo solar, optimización del sistema de almacenamiento térmico, reducción de los costes de implantación, optimizar la producción de electricidad, y aumentar los beneficios de la venta de energía eléctrica. Se ha desarrollado un sistema de almacenamiento térmico innovador a través de la generación de un bucle de fluido térmico dentro del campo solar denominado “HTF Buffering”. Los valores del coste nivelado de electricidad y del factor de capacidad obtenidos del entorno de simulación, posicionan a “HTF Buffering” como una alternativa tecno-económica viable a los sistemas tradicionales de almacenamiento de energía térmica para este tipo de centrales de generación. Así mismo, La optimización de operación de una planta de 50 MWe con almacenamiento térmico mediante doble tanque de sales fundidas, dentro de mercado eléctrico no regulado, ofrece un aumento respecto a los sistemas de generación estándar, tanto de producción como de beneficio de venta de electricidad. Por su parte, el estudio de una central de 100 MWe con almacenamiento por doble tanque de sales fundidas, considerando mercados regulado y no regulado, ofrece el tamaño de planta y operación de mercado óptimos acorde a cada una de los escenarios de radiación solar estudiados. Así, los resultados presentados en este trabajo aportan respuestas a factores clave para los estudios de viabilidad, procesos de implantación y modo operación de plantas termosolares con tecnología de colectores cilindro parabólicos, son aplicables independientemente del tamaño de la planta de generación, y posibilitan la optimización de costes en los procesos de implantación y operación.

Within solar reception technology, parabolic trough is the most implemented renewable energy system for electric energy generation worldwide. Moreover, progress in design and manufacturing let defining specific parameters adapted to the plant location, technical requirements and the electricity market type. Advances that provide an important investment costs reduction. Thus, starting from the state of the art and the implementation of a mathematical model for a real parabolic trough solar thermal power plant of 50MWe with thermal storage, the optimization method presented attempts to establish strategies aimed at maximizing the plant investment viability and techno-economic performance. This Doctoral Thesis focus on the establishment of strategies aimed at maximizing the feasibility and technoeconomic performance of this type of power plants. Thus, optimal plant sizing and operation is presented as the main objective of this work, considering as decision variables, the implementation area, sizing of the solar field, storage of thermal energy and type of electric market. The results obtained are grouped into six blocks, optimal sizing of the solar field, optimization of the thermal storage system, reduction of implementation costs, greater electricity production, and increase the profits of the sale of Electricity.An unpublished thermal storage system has been developed throughout the generation of a thermal fluid loop within the solar field called "HTF Buffering". The values of the levelized cost of electricity and the capacity factor, obtained from the simulation environment, position "HTF Buffering" as a viable techno-economic alternative to traditional thermal energy storage systems for this type of power plants. Likewise, the optimization of the operation of a 50 MWe plant with thermal storage by double tank of molten salt, within unregulated electrical market, offers an increase over standard generation systems in both production and profit from electricity sales. Besides, the study of a 100 MWe plant with storage by double tank of molten salts, considering regulated and unregulated markets, offers the optimization of the plant size as well as the optimal market operation according to each of the solar radiation scenarios studied. The conclusions herein presented provide answers to key factors for feasibility studies, implementation processes, plant managing and operation of parabolic trough solar thermal power plants. They are applicable regardless the size of the power plant as well as enable cost optimization in the implementation and operation processes.