Desarrollo y modelado de ciclos de CO2 supercrítico para plantas CSP

Abstract

Durante los últimos años, se ha descubierto el CO₂ supercrítico como un fluido capaz de aumentar el rendimiento de los ciclos de potencia utilizados en multitud de centrales de generación de energía eléctrica, por lo que se está investigando todo lo necesario para llegar a hacerlo realidad, tanto en plantas de generación convencional, como en plantas de energía renovable, y más concretamente, en plantas CSP (Concentrated Solar Power Plants). Así, en este entorno de investigación, este trabajo fin de Máster se centra en la profundización en el concepto de fluido supercrítico, en el estudio de los diversos ciclos termodinámicos de CO₂ supercrítico propuestos hasta el momento, y en el modelado, la evaluación y la comparación de los mismos, con el objetivo de encontrar las configuraciones que mejor se adapten a las plantas CSP, y que permitan dar lugar a un funcionamiento óptimo de las mismas, tanto en cuanto a rendimiento, como tecno-económicamente hablando. De este modo, una vez seleccionados los ciclos a utilizar y sus características, una segunda parte del tra bajo consistirá en la realización de distintas evaluaciones del comportamiento de los ciclos propuestos en un modelo completo de planta proporcionado por el centro con el que se realiza el proyecto, CENER, y teniendo en cuenta las condiciones meteorológica s de tres emplazamiento diferentes: De Aar, Tammanraset y la PSA. Además, los resultados obtenidos de las distintas simulaciones se compararán entre sí y con una planta CSP de referencia de ciclo Rankine, se evaluarán los efectos de los distintos parámetros y variables de la planta en el funcionamiento de la misma, y se seleccionara la planta óptima que minimice el LCOE (Levelized Cost Of Electricity).

Supercritical Carbon Dioxide (sCO₂) Brayton power blocks are among the most promising candidates to improve and replace current heat-to-electric conversion technology, both for fossil, nuclear and renewable power generation at utility-scale. Concentrated Solar Power (CSP) sCO₂-based plant schemes also represent a potentially successful research work line aiming to integrate higher efficiency Power Cycles in CSP solar plants, with the target in increasing CSP plant efficiency and lowering the Levelized Cost Of Electricity (LCOE) and so overtaking current CSP technology. For CSP, it is not yet evident whether sCO₂ power blocks will improve LCOE or not, in spite of their huge potential, due to cost uncertainty related to high temperature materials and power block components. Indeed, improving Plant efficiency is a challenge itself, due to constraints related with higher temperatures. Thus, the aim of this work consists on the construction of supercritical CO₂ power cycle models for each interesting cycle configuration in order to study, analyze and evaluate the results coming from the simulations of these power cycle models, varying widely the operating conditions. Furthermore, this thesis goes one step further by integrating the best supercritical CO₂ power cycles form the previous analysis into a CPS tower plant, provided by the Centro Nacional de Energías Renovables (CENER), and simulating its yearly performance under several operating conditions and taking into account three different meteorological conditions obtained from their respective geographical emplacement: De Aar, T ammanraset and PSA. The results of these simulations are compared among them and against a reference CSP Rankine plant, and some conclusion s are achieve regarding at the best potential CSP supercritical CO₂ power plant and the effects of the different plant parameters and variables on the global plant techno-economic performance.