Introducción
El estudio está enfocado en optimizar la operación de una planta termosolar de cilindros parabólicos buscando la adecuada utilización de sus distintos modos de operación. Para ello se realizará un modelo con funciones de transferencia de los sistemas de planta que permita ejecutar los distintos modos de operación de la instalación. Las funciones de transferencia serán obtenidas a partir de transitorios en un simulador que reproduce la respuesta termohidráulica de la planta.
Para entender los modos de operación de la planta, primero se debe realizar un estudio del funcionamiento de una planta termosolar, así como la importancia que tiene en estos el almacenamiento de energía térmica y su utilización. Se concluye, por tanto, que hay 4 modos principales: producción mediante el campo solar, producción mediante el campo solar y carga del almacenamiento de energía térmica, producción mediante el campo solar y descarga del almacenamiento de energía térmica, y producción mediante descarga del almacenamiento de energía térmica. Conociendo estos modos, se pueden deducir cuales son los elementos principales y asignarlos un bloque. En el caso del presente proyecto aparecerán 3 bloques principales (campo solar, almacenamiento térmico y BOP o “Balance of Plant”).
Por otro lado, se deben establecer diferentes funciones de transferencia en función de los distintos bloques con el fin de lograr una operación eficiente. Este proceso de optimización del funcionamiento seguirá unos pasos diferenciados, los cuales son: identificar los parámetros a medir, diseñar los transitorios del simulador, codificar y programar el simulador y validarlo.
Metodología
Para la adecuada realización de este trabajo, se debe de llevar a cabo los siguientes puntos: estudio de información teórica de la energía termosolar, adquisición de datos de radiación solar, obtención de funciones de transferencia de los principales bloques de la planta, programación en Visual Basic del funcionamiento del simulador, creación de una interfaz sencilla y de fácil comprensión, y por último su validación.
En primer lugar se efectúa un estudio a modo de introducción teórica sobre los aspectos, elementos y el funcionamiento, tanto de la tecnología como del funcionamiento de la planta.
La adquisición de datos de radiación se realiza exportando datos de la biblioteca del software SAM (System Advisor Model), mientras que la obtención de las funciones de transferencia y las posteriores funciones discretizadas se realiza utilizando el simulador de modelos termohidráulicos de Tecnatom, así como el programa Matlab.
Por último, se toma la decisión de utilizar Visual Basic de Excel como herramienta de programación, ya que permite crear de manera más o menos sencilla tanto el funcionamiento de la planta como su interfaz.
Resultados
Por un lado, la obtención de los datos de radiación se realiza de manera sencilla mediante SAM y no requiere mayor explicación. Sin embargo, la tarea de obtención de las funciones de transferencia y discretización en el dominio del tiempo de las ecuaciones resultantes sigue un proceso más complejo.
El procedimiento para hallar la función de transferencia de cada bloque sigue unos pasos bien marcados y diferenciados, que se van a explicitar detalladamente a continuación:
- Realizar el ensayo en el simulador de la central y obtener tanto una tabla de los valores a estudiar como su gráfica.
- Los valores obtenidos tienen que ser normalizados para un escalón unitario que se da en t=0.
- Una vez obtenidos los valores pertinentes se procede al empleo de Matlab, donde debemos importar los datos procedentes de Excel. Otra opción es realizar una aproximación a una línea de tendencia polinómica en el propio Excel. La compatibilidad en este caso no será del 100% pero nos permite hallar la mayoría de puntos con los que se va a trabajar. Hay que tener en cuenta que si se han cogido intervalos de tiempo iguales, únicamente con importar los datos bastaría. Por otro lado, si no se han cogido dichos intervalos iguales, habría que interpolar con Simulink para definir un intervalo constante, mucho más cómodo para Matlab. De todos modos hay que realizar una conversión con Simulink para generar las matrices de datos que se utilizarán.
- Con los nuevos datos abrimos la función “ident” de Matlab (Imagen 1) e importamos los vectores del escalón de entrada y de su respuesta temporal. Elegimos un modelo (primer orden, segundo orden, con retardo, amortiguado…) y comprobamos en qué medida se ajusta a la gráfica que teníamos en un principio. Obviamente se escogerá el modelo que más se ajuste a nuestros datos.
Imagen 1: Función Ident de Matlab
- Tomamos las incógnitas de la función de transferencia y la planteamos.
Llegados a este punto se barajaron varios métodos de cómo pasar de la función de transferencia en el régimen de la frecuencia obtenida anteriormente, a una función temporal. Los métodos que se probaron fueron: utilización del comando residue de Matlab combinado con la tabla de antitransformadas de Laplace, el comando ilaplace de Matlab que devuelve directamente la función en el régimen temporal y por último, el método de discretización, que resultó ser es más adecuado.
En todos los ensayos se observa que la función de transferencia corresponde a una de segundo orden subamortiguada con retardo puro, que sigue la siguiente estructura:
Aplicando el método más óptimo de conversión a dicha función de transferencia obtenemos la función discretizada, que depende de datos de entrada y de salida en instantes de tiempo anteriores así como del incremento de tiempo que se quiera imponer. La función discretizada obtenida en todos los casos sigue la siguiente estructura:
Los valores de las variables de la función de transferencia y los pertenecientes a la función discretizada para cada uno de los ensayos realizados con el simulador corresponden con los recogidos en las siguientes tablas (tabla 1 y tabla 2):
Tabla 1: Parámetros de las funciones de transferencia
Tabla 2: Parámetros de las funciones de discretización
Incluyendo estas funciones discretizadas y utilizando como datos de entrada los datos de radiación de SAM y la curva de retribución €/kWh, se programa en Visual Basic un simulador sencillo. Este simulador es dinámico y varía de modo de operación automáticamente. Además, nos proporciona resultados de radiación, entalpía, potencia, energía almacenada en el tanque de sales y retribución diaria.
- Interfaz visual del simulador
La interfaz visual (Imagen 2) es la primera toma de contacto que cualquier usuario tiene con el simulador, por lo que los elementos virtuales tienen que representar adecuadamente los elementos reales de la planta, aunque sea de manera simplificada. Para una mejor comprensión del interfaz visual, los elementos que lo componen serán divididos en varios bloques, que se corresponden con aquellos que han sido descritos en la introducción.
Imagen 2: Interfaz visual del simulador
El campo solar está representado mediante un conjunto de colectores de cilindro parabólico. Los colectores girarán siguiendo al sol, que aparecerá a media altura por la derecha del recuadro (por el Este), a las 08:00, irá avanzando y tendrá su máxima altura a las 14:00 y descenderá hasta desaparecer por la izquierda del recuadro (Oeste) a las 21:00.
Los datos que aparecerán en los recuadros pertenecientes a este bloque serán, de izquierda a derecha, la potencia perdida por el desenfoque de los espejos, la radiación normal directa y la potencia de salida del campo solar.
La potencia perdida por el desenfoque de los espejos se dará siempre y cuando la energía de salida del campo solar sea mayor de la que proporciona la máxima potencia en la turbina (alrededor de 360 MW térmicos), y el tanque de sales calientes esté completamente lleno. Por otro lado, la radiación normal directa no superará nunca los 1000 W/m2 ya que se han cogido los datos de radiación de un año típico en Madrid, lugar en el que es difícil sobrepasar dicho valor.
El bloque del almacenamiento térmico contiene el intercambiador de calor entre el aceite (htf) y las sales, el tanque de sales frías y el de sales calientes. Los tanques son dinámicos y al pasar las sales de uno a otro puede apreciarse como se vacían o se llenan.
El dato que aparece en el recuadro de la izquierda representa la potencia de entrada o salida del intercambiador, dependiendo de si se encuentra en modo carga o descarga respectivamente.
La gráfica de la derecha representa el porcentaje de volumen que contiene el tanque de sales calientes. El volumen máximo almacenable pasado a energía es de 3,52 GJ, según la siguiente fórmula:
Siendo:
Comúnmente conocido como BOP (Balance of Plant), esta sección está compuesta por el intercambiador de calor entre el aceite y el agua (también llamado generador de vapor), y el circuito de la turbina (turbina, condensador y bomba).
Los recuadros, de izquierda a derecha, representan la potencia térmica de entrada al generador de vapor y la potencia eléctrica generada.
La potencia eléctrica máxima se fijó en 90 MW, potencia acorde con la radiación solar de la zona. Si se hubiese puesto un límite mayor, lo más probable es que no se utilizase en almacenamiento térmico en ningún caso. La gráfica de la derecha indica el porcentaje de potencia eléctrica, siendo el 100% 90MW.
Aparte del interfaz visual, el simulador cuenta con un apartado de resultados. Algunas de las gráficas de salida del apartado “resultados” del simulador son las siguientes:
En la gráfica 1, se puede observar la correlación entre la radiación normal directa y la entalpía de salida del campo solar. Los resultados expuestos son correctos, ya que se puede apreciar que cuando la radiación es nula la entalpía está en su mínimo valor (560000 J/kg). A medida que la radiación sube, también lo hace la entalpía proporcionalmente, sin llegar nunca a sobrepasar su valor máximo (760000 J/kg).
Gráfica 1: Gráfica de la entalpía del campo solar y la radiación normal directa
La gráfica 2 muestra como la potencia evoluciona con respecto a la carga y descarga de sales. Puede observarse como la descarga de sales proporciona un extra de potencia a últimas horas, cuando la radiación solar no basta para mantener en funcionamiento la turbina. Se debe mencionar también que la potencia de la turbina nunca llegará a su máximo (90 MW) únicamente con la descarga de sales, quedándose en valores cercanos a 70 MW. Este fenómeno sucede también en la plantas termosolares reales.
Gráfica 2: Gráfica de la potencia eléctrica generada y la energía del almacenamiento térmico
La última gráfica (Gráfica 3) perteneciente a la hoja principal del simulador nos indica la retribución a lo largo del día. Al haber usado como curva de demanda-precio una curva prácticamente plana, la gráfica de retribución se asemeja a la de la potencia eléctrica, como se puede observar. Los recuadros que acompañan a esta gráfica nos permiten comprobar lo preciso del modelo, siendo las ganancias brutas del orden de 100000€/día y el ahorro de implantar el almacenamiento térmico alrededor del 30% de las ganancias brutas. No se tienen en cuenta ni las primas ni el coste de operación para este ensayo.
Gráfica 3: Gráfica de retribución diaria
Conclusiones
Precisión
Las funciones de transferencia utilizadas para modelar el simulador funcionan correctamente en un rango de aplicación limitado (por ejemplo el modelado del arranque de la turbina). Esto se verifica en la linealización que ha sido requerida tanto en el campo solar como en la turbina. No obstante ha quedado demostrado que la precisión en la respuesta del simulador es similar que la de los métodos convencionales utilizados hoy en día. Sin embargo, hay que destacar que se obtiene una respuesta más realista de la instalación en procesos con elevada inercia. Esto es debido a las funciones de transferencia incluidas en el cálculo. Realizando un mayor número de ensayos y obteniendo un conjunto más amplio de funciones de transferencia, se podría desarrollar un simulador de alcance total.
Simplificación
La simplificación de la planta simulada presenta la ventaja de ofrecer una interfaz sencilla y de fácil comprensión, dando una visión intuitiva, pero exacta, del comportamiento de la instalación ante las distintas condiciones objeto del estudio. A se vez, nos proporciona una respuesta rápida ante distintos escenarios, ofreciendo resultados inmediatos. Por tanto esta simplificación puede ser utilizada para dar una visión global del funcionamiento de la instalación, mostrar las formas de operación más eficientes y el análisis de las consecuencias económicas.
Por el contrario, este simulador no podría ser utilizado para la formación especializada de los operadores, que deben de manejar un mayor número de elementos de proceso aquí no modelados. Si se podría utilizar en una fase de formación inicial sobre fundamentos de operación de plantas termosolares con almacenamiento térmico de sales fundidas, ya que posee una buena representación de los distintos modos de operación.
Flexibilidad
La posibilidad de parametrizar determinados valores de la planta permite la utilización de este simulador durante la fase de diseño de plantas termosolares, permitiendo el análisis de diversas configuraciones en busca de la más adecuada. En el caso del presente proyecto, sería fácil modificar el valor de la potencia máxima de operación o el valor de la energía máxima almacenable en el tanque de sales calientes, y por tanto realizar un análisis de coste-beneficio de dichas modificaciones, por lo que queda demostrada la utilidad de este tipo de simuladores como ayuda a la toma de decisiones sobre distintas configuraciones de planta durante la fase de diseño o de distintas modificaciones durante la fase de explotación.
Una inversión rentable
Una de las mayores ventajas de este simulador es la posibilidad de obtener los resultados de retribución por generación, de manera que ayude al explotador de la instalación a obtener el máximo rendimiento, optimizando los distintos modos de operación y haciéndole consciente del impacto sobre los resultados de una operación adecuada.
Dado que las respuestas obtenidas con este simulador han sido muy fiables, se podría pensar en desarrollar nuevos modelos que optimicen el rendimiento económico mediante un ajuste adecuado de la operación de la planta con la curva de la demanda de energía eléctrica.
Queda patente que la inversión en el desarrollo de este tipo de simuladores tiene una recuperación rápida mediante su utilización durante la validación del diseño y una operación más eficiente.
Operación en función de la previsión meteorológica
Debido a la rápida respuesta del simulador en la obtención de resultados en función de la operación, sería posible introducir datos de previsión meteorológica diaria (radiación, viento o estado atmosférico) y decir la operación más eficiente para la planta real en función de la meteorología diaria.
Referencias
Referencias documentales:
[1] Renewables 2015 – Global status report
[2] “Chinese Wind Energy Association’s Wind Energy, Special Edition 2015”.
[3] Recursos y presentaciones de Tecnatom S. A.
[4] Prieto, C., et al. (2016). “Review of technology: Thermochemical energy storage for concentrated solar power plants.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 60: 909-929.
[5] Reddy, R. G. (2011). “Molten Salts: Thermal Energy Storage and Heat Transfer Media.” Journal of Phase Equilibria and Diffusion 32(4): 269-270.
[6] Abutayeh, M., et al. (2013). “Solar thermal power plant simulation.” Environmental Progress & Sustainable Energy 32(2): 417-424.
[7] Bauer, P., et al. (2015). “The quiet revolution of numerical weather prediction.” Nature 525(7567): 47-55.
Páginas web:
- psa.es/es/instalaciones/parabolicos/gas.php
- nervionindustries.com
- http://mapsontheweb.zoom-maps.com/post/83907154436/solar-irradiation-map-of-europe
- http://www.yesinc.com/products/data/tsi440/
- https://www.thermoflow.com/combinedcycle_TFX.html
- http://www.energias-renovables.com/articulo/renovetec-desarrolla-un-plan-de-mantenimiento-para
- http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_08/cic-vapor.htm