Tema: Almacenamiento térmico en termosolar

Hola a todos!

Tengo una duda existencial que espero que alguno me pueda solucionar.

He hecho un proyecto básico de una central termosolar de 50 MW con CCP en la que quiero poner almacenamiento térmico con sales fundidas.

He visto que lo más popular suele ser poner 60% NaNO3 y 40% KNO3 y poner un almacenamiento de unas 7 horas. En una planta de Internet de 50 MW pone que un almacenamiento de 7 horas se conseguía con 28.500 toneladas de una mezcla de estas sales, puestas en dos tanques, uno de sales frías y otro de sales fundidas.

Mi problema es que no se cómo han hecho los cálculos para obtener este resultado. ¿Alguien tiene alguna idea o me puede pasar algun ejemplo? ¿Si se pone almacenamiento se tendrían que poner más colectores?

¿Sabéis dónde puedo encontrar información sobre el tema? Esque en Internet sólo encuentro información teórica, y bueno, supongo que ya sabréis la poca bibliografía que existe sobre el tema....

Muchas gracias a todos!!!

A ver si te puedo ayudar:

CALCULO ALMACENAMIENTO TÉRMICO PLANTA CCP 50 MW PARA 10 H

Antes de comenzar con el dimensionado del volumen de los tanques de almacenamiento, hay que conocer la cantidad de energía que está destinada a mantener una carga máxima de 10 horas para el abastecimiento de la energía térmica que necesita la turbina para trabajar de aprovechar al máximo el rendimiento dentro del ciclo rankine.

Se ha estimado una radiación normal directa máxima para la zona, como la que pudiera darse en un día claro, y a partir de la energía sobrante fuera de las horas donde hay radiación solar se ha calculado la energía térmica máxima que la planta es capaz de almacenar.

Se han aplicado las mismas fórmulas empleadas para el cálculo de la producción eléctrica estimada. Se ha elegido el ángulo de incidencia mas beneficioso de todo el año, es decir el solsticio de verano, el 21 de junio, cuando la tierra toma su máxima inclinación respecto al plano del movimiento de traslación (declinación = 23,5º).

Para el cálculo de la energía térmica almacenada lo que se ha hecho es calcular las horas que trabaja la turbina cuando se tiene suficientemente energía aportada por el campo de colectores para que empiece a trabajar el ciclo de potencia, hasta que la radiación solar que llega a los colectores esté por debajo de la máxima admisible por la turbina, en este momento empieza la descarga del almacenamiento de sales.

Entonces, conociendo la producción térmica del campo de colectores, y sabiendo el número de horas que trabaja la turbina cuando se tiene radiación solar, sin tener en cuenta el arranque de la planta (básicamente es un proceso de recirculación de aceite a través del campo de colectores hasta obtener la temperatura de salida diseñada), se puede obtener la energía térmica para almacenamiento aplicando la siguiente fórmula.

Ea = Etotal - (nhoras,sinalmacenamiento x Eturbina,hora)

Donde:

Ea: Energía destinada al almacenamiento (MWht).
nhoras,sinalmacenamiento: Número de horas sin almacenamiento (horas). Aprox 12,5 horas
Eturbina,hora: Energía térmica necesaria que necesita la turbina para estar funcionando durante una hora a su mayor rendimiento (MWht). Aprox 140,84 MWt
ETotal: Energía obtenida, a lo largo del día, absorbida por el campo de colectores (MWht)


Como las horas de funcionamiento de la turbina para esta radiación de diseño son de 22,65 horas, restándole las horas que trabaja la turbina sin almacenamiento (12,5) quedan destinadas para el almacenamiento 10,15 horas.

Las sales fundidas utilizadas para las plantas solares termoeléctricas se conocen como sales solares cuya composición es 60% de nitrato de sodio y un 40% de nitrato potásico, una mezcla eutéctica cuyo punto de fusión esta a 223 ºC, como la salida del tanque caliente esta a 386 ºC, para seguir manteniendo un alto rendimiento en el ciclo de potencia, el salto de temperatura que ha de transferirse al fluido calor portador es de aproximadamente 98 ºC para que pueda transferir la energía necesaria al ciclo de vapor, con lo que el tanque frío se mantendrá a una temperatura de 288 ºC, lo que significa que estamos trabajando por encima del punto de fusión, no obstante ni hay ningún peligro para el cambio de estado de líquido a gaseoso pues se necesita una temperatura por encima de los 600 ºC.

La densidad esta fijada en 1899 kg/m3 y el calor específico de 1.45 kJ/(kg-k) con una relación de las toneladas necesarias de sales para almacenar un 1 MWht de 27,22 (Tn/MWht) a las temperaturas de diseño.

Multiplicando la energía de almacenamiento por la relación de masa y energía se obtiene la cantidad de sales necesarias para cubrir la demanda establecida.

Msales = Ea x Rm,e

Donde:

Msales: La masa de sales del almacenamiento térmico (Ton)
Ea: Energía del almacenamiento térmico (MWht)
Rm,e: La relación masa energía (Tn/MWht).

Puesto que la densidad del fluido de almacenamiento tiene distinta densidad a distintas temperaturas, los dos tanques de almacenamiento no van a tener el mismo volumen, por tanto se calcularan por separado, bastará con dividir las toneladas de sales de las que se dispone entre la densidad del fluido a las temperaturas del tanque según la siguiente fórmula.

Vsales = Msales / dsales(288ºC)

Donde:

dsales: Densidad de las sales
dsales,frio(288ºC) = 1898,76 kg/m3
dsales,caliente(288ºC) = 1855,43 kg/m3

Para mantener las temperaturas adecuadas y compensar las pérdidas que se producen en el tanque, un descenso de la temperatura de varios grados centígrados (aprox. 5ºC), han de instalarse dentro de los tanques unos calentadores que aportan energía a través de las pérdidas por efecto Joule (P=I•R2), estas resistencias ocupan un volumen aproximado del orden del 8% respecto al volumen de sales, con lo que los tanques tendrán que tener un valor de:

Vtanque,frio = Vsales,frio + (Vsales,frio x 0,08)
Vtanque,caliente = Vsales,caliente + (Vsales,caliente x 0,08)

Son los valores mínimos que han de tener los tanques de almacenamiento para asegurar una carga térmica de 1429,62 MWht.

Las alturas de ambos tanques son iguales, por lo que variara de uno a otro únicamente los diámetros, los tanques propuestos poseen unas dimensiones de 16 metros de altura y 42 metros de diámetro para el tanque frío y 16 metros de altura y 42,5 metros de diámetro para el tanque caliente, respectivamente, con lo que cumplen con las expectativas del diseño.

Muchísimas gracias!!!!

Veo que eres todo un experto en el tema, no? jeje.
De hecho, ahora el problema que me surje es que no me acabo de aclarar para calcular la energía total obtenida.

Básicamente porque mis cálculos de las radiaciones (Censol 5.0) y las horas equivalentes no tienen nada que ver con los resultados que he podido ver que obtiene otra gente por internet (a mi me salen unas 2100 horas eq/año y hay gente que en la misma provincia tiene 3100!!!!)

Tenéis alguno idea de cómo calcularlo????

Un saludo

PD. Molo mil, si sabes de algún libro, página de internet, o en general, sitio donde pueda encontrar ejemplos, porfa, no me la dirías????

Muchas gracias!!

Buen trabajo; molo mil: Lo que no comprendo es esto del almacenamiento térmico. Por qué no se vierte en la red electrica la energía solar recibida en cada instante??.Si existe apoyo térmico por medio de Gas Natural ,por ejemplo,¿Por qué no se utiliza una turbina de gas aprovechando los gases de escape para generar vapor y alimentar la turbina?. Esto de almacenar la energía cuando mas lo necesita la red ,no acabo de comprenderlo.
Saludos

Por lo que yo entinedo, almacena para producir cuando no hay sol, de esta manera tienes producción contínua, que para una central termoeléctrica es conveniente, ya que si no estaría arrancando y parando cada dos por tres, en función de la radiación.

Desde ese punto de vista estoy de acuerdo; xavimarin.¿Pero que ocurre si las previsiones no se cumplen y la demanda térmica no se cubre por falta de radiación solar?. Una vez que se instala una determinada potencia ,esta ,deberá tener un grupo de apoyo ,como puede ser una turbina de gas. Se contabiliza la energía solar productiva para las subvenciones y el resto se paga al precio de mercado.

Hola a todos!
Ergio, yo creo que lo que se pone normalmente es una caldera normal y corriente para producir vapor para la turbina. Es bastante más económico y está permitido para conseguir las subvenciones, siempre y cuando no se supere el 15% de la producción de energía con consumo de combustibles fósiles

Lo entiendo Claudieta; Yo no estoy muy al corriente de esta nueva época en cuanto a las energías renovables se refiere. No sé que mecanismos de control se llevan a cabo para "controlar" el uso de la energía fósil. Me imagino que todo estara bien resuelto y no aparezca la picaresca.

Claudieta, debes calcular la DNI (Radiación normal directa) es por eso que no te salen las mismas horas equivalentes. Busca en los foros, recuerdo un post donde se decía como calcularla.

Volviendo al almacenamiento, no os lieis, la caldera de gas natural no se puede usar para mejorar el ciclo de rankine y el rendimiento de la turbina, sí para mantener la temperatura del Therminol, puesto que a menos de 12 ºC se solidifica y reventaría los tubos. Lo suyo es que no baje de 100 ºC.

El almacenamiento sirve, como su propio nombre indica, para almacenar energía durante el día (para ello hay que sobredimensionar el campo de colectores) y usarla cuando no hay radiación o en días de muy poco sol y como bien dice xavimarin hay que evitar a toda costa el arranque-parada de la turbina que es muy perjudicial. Cuanto más se enfríe la turbina peor.

Un saludo a todos y aquí estoy para lo que querais, lo único es mi falta de tiempo para contestar en condiciones.

Hola molo mil; Para mantener los tubos captadores a una temperatura de 100º C durante 12 horas ,con temperaturas exteriores de 0º C, incluso temperaturas de signo negativo ¿ Cuanta energía se pierde?. ¿ Es racional emitir esa radiación térmica a los alrededores?. Solo son preguntas. Disculpa si estoy metiendo la pata.

Los captadores solo trabajan cuando hay radiación. La energía se acumula en las sales y se dirije a la turbina, no a los colectores.

Ergio,

No hablo de los tubos captadores, hablo del aceite. Ten en cuenta que el aceite va dentro de un tubo de cermat y este a su vez esta recubierto por un tubo de vidrio al vacío.

Solo se permite usar gas natural (por ejemplo) en una relación de un 15% de la producción energética anual de la planta y nunca para sobrecalentar el vapor de la turbina. Por eso se usa para mantener la temperatura del Therminol, solo cuando sea necesario.

Es por eso que este tipo de intalaciones;

1) Necesitan mucha irradiación
2) No se instalan en zonas de inviernos muy duros

De ahí que las plantas que más tiempo llevan funcionando (SEGS desde los 80) se instalasen en el desierto de Mojave.

No se a que te refieres con la radiación térmica a los alrededores.

Me refiero a la ernergía térmica radiada al exterior. En los desiertos la temperatura nocturna suele bajar bastante. Pero bueno, esto no es mas que un cambio de opiniones. En cuanto a la acumulación de energía térmica creo que quizas no sea necesaria. La acumulación puede estar en la red electrica. Si estas evacuando 1000 MW/dia ,por ejemplo, un 30% de esta potencia no se "vende", queda disponible para utilizarla en caso de necesidad mediante un sistema especial ( es algo complicado para explicarlo detalladamente), por ejemplo una bomba de calor,"bombear" energía térmica del condensado de la turbina ( 60º C sería lo ideal) y elevarla hasta temperatura de evaporación del vapor de agua. En resumidas cuentas ,con este sistema se esta utilizando para turbinar toda la energía aportada por los colectores. El sistema de almacenamiento esta en la red.

Creo que más que nada la idea del almacenamiento es poder sobredimensionar el campo de captación sin subir la potencia (como la subvención de la tarifa para termoeléctrica va sólo hasta 50MWel). Esto significa más kWh/a para la misma potencia xq son más horas de funcionamiento. Luego se evita cargas parciales de la turbina (el rendimiento e la turbina baja mucho a cargas parciales) siempre cuando la potencia desde el campo de captación está debajo de la requerida de la turbina, se puede descargar el depósito y aportar la energía que falte. Ya sabes, que no se puede variar mucho la potencia de una turbina sin perder rendimiento y por las restricciones de la energía auxiliar aportada no puedes dimensionar el campo de captación así que te aporte el calor para la potencia nominal de la turbina sólo durante 1-2 horas al día (el resto del día perderías demasiado por rendimiento inferior de la turbina).

Hola Molo mil,


He obtenido un valor de la radiación solar directa de 2018 kWh/m2·año, el problema que tengo es que no entiendo cómo con este valor, o como mucho 2200 kW/h año, hay gente que está obteniendo 3000 horas equivalentes anuales

¿Sabéis alguno cómo se pueden calcular?

Me estoy empezando a desesperar...

Amplío un poco mi problema:

Me comentaron desde la asociación Protermosolar que se podía hacer una aproximación como si fuera fotovoltaica a razón de:

horas eq= (kWh/m2·año)/(900 kWh/m2)

que en mi caso sería:

horas eq= (2018 kWh/m2·año)/(900 kWh/m2)= 2242 horas equivalentes

Como ya he comentado, ni se acerca a las 3000 horas equivalentes que deberían obtenerse en principio.

¿Tenéis alguna idea?

Muchas gracias de nuevo a todos

Iniciado por Hlebtomane

Creo que más que nada la idea del almacenamiento es poder sobredimensionar el campo de captación sin subir la potencia (como la subvención de la tarifa para termoeléctrica va sólo hasta 50MWel). Esto significa más kWh/a para la misma potencia xq son más horas de funcionamiento. Luego se evita cargas parciales de la turbina (el rendimiento e la turbina baja mucho a cargas parciales) siempre cuando la potencia desde el campo de captación está debajo de la requerida de la turbina, se puede descargar el depósito y aportar la energía que falte. Ya sabes, que no se puede variar mucho la potencia de una turbina sin perder rendimiento y por las restricciones de la energía auxiliar aportada no puedes dimensionar el campo de captación así que te aporte el calor para la potencia nominal de la turbina sólo durante 1-2 horas al día (el resto del día perderías demasiado por rendimiento inferior de la turbina).

Entiendo perfectamente. Creo que todo esto merece un estudio mas amplio. ¿La aportación de la energía del acumulador es a temperatura constante? Quiero decir si la energía procede en su mayor parte del cambio de fase de las sales (Liquido-solido) o estas solo cumplen el papel de evitar la evaporación de la solución a la temperatura y presión de trabajo?

El RD 661/2007 permite turbinar hasta un 15% del vapor producido por medios tradicionales, en este caso quemando gas natural. El objetivo del almacenamiento es poder considerar estas Plantas ST gestionables desde el Sistema (REE), y además aumentar la facturación anual, lo negativo es que hoy por hoy los sitemas de almacenamiento encarecen mucho el precio del kwh/generado.

Hola

Visto que anteriormente habeis comentado el tema de almacenamiento termico. Me gustaria haceros una pregunta. estoy realizando unos calculos para fundir en un horno sales termicas (60%NaNO3 y 40%KNO3) de manera continuada. El punto de fusión de estas sales ronda los 220ºC-223ºC, a mi me parece que poner el horno directamente a esa temperatura puede ser un poco bajo. Alguno teneis experiencia en el tema? La temperatura maxima de diseño del acero al carbono son 400ºC por lo que entiendo que se puede alcanzar una temperatura de consigna inferior sin problemas

Tengo una pregunta de alguna forma relacionada con este hilo. Si dispongo de un almacenamiento de nitratos fundidos, me gustaría saber:
-¿Cómo se comportará a cargas parciales? Si la irradiancia es variable, la potencia térmica que yo capto en el campo solar también lo será, y por tanto la potencia que envíe al tanque de sales frías. Entiendo que el parámetro que debemos hacer variar es el caudal y no la temperatura, pero... ¿funcionará adecuadamente un intercambiador sales-aceite con esas variaciones tan drásticas del caudal (y por tanto de Reynolds y de Prandtl)?
-Para complicar aun más las cosas, la turbina también puede operar a cargas parciales, y entonces la temperatura del condensado y del vapor de entrada al escalonamiento de alta variarán. Cuando sea el tanque de sales calientes el que proporcione la energía al fluido térmico, ¿cómo se podrá regular las condiciones del aceite a la salida de los intercambiadores ante estas variaciones?

Buenos días. Respecto al la protección anticongelamiento del aceite, os comento, 100ºC es una barbaridad. El setpoint de temperatura antocongelamiento depende de la configuración de planta y de en cuántos puntos diferentes calentemos el aceite térmico durante la noche o en épocas de no producción. Si se caliente sólo en un punto habá que subir el setpoint de forma que cubra las pérdidas en el circuito y te retorne al foco de calentamiento con una temperatura superior a la de congelación. Los modos de protección de este tipo con aporte de energía no proveniente del sol son normalmente calderas o calentadores eléctricos tipo resistencias. Por otro lado, si la planta consta de una unidad de almacenamiento térmico se puede dimensionar dicha unidad para proporcionar esa protección anticongelamiento. Esta última posibilidad hay que estudiarla muy bien ya que a la tempeartura a la que habría que mantener el aceite congeleríamos las sales y si mantenemos el aceite por encima de la temperatura de congelación de las sales, perderíamos demasiada energía. Existen varias configuraciones para hacer posible esta protección pero repito, es una tema delicado que requiere profundo estudio si no se quiere poner en riesgo las unidades (lazo mayor de aceite y unidad de almacenamiento.
Espero haber ayudado.
Un saludo

Carzante, tu regulación en el almacenamiento térmico debe ser por temperatura debido a la seria implicación que tendría una caida de temperatura de aceite in el intercambiador sales-aceite. Respetando el caudal mínimo en cada lazo de CCP que viene dado por el cambio de régimen de laminar a turbulento, lo ideal es que, en función de la diferencia de T en intercambiador se fije una eficiencia mínima de intercambio. La bomba de sales regulará el caudald de la mismas para mantener dicha eficiencia.
Un saludo

Alfilo, el proceso de fusión como se hace actualmente es un proceso batch controlado por temperatura así un horno eléctrico o de gas funde y agita las sales hasta tenerla a una temperatura adecuada (375ºC aprox, piensa que las temperaturas de fusión de los nitratos por separado supera los 300ºC) se vacía el horno mediante un bomba vertical hasta que la temperatura baja de cierto setpoint.
Carzante, tu punto de regulación siempre es la temperatura por lo que en lado sales y aceite regulas caudales para mantener tu temperatura de proceso. Si tenéis mas duda mandadme un correo privado