Concentrating thermosolar systems for distributed energy generation

Abstract

[EN] Sustainable development is one of the main concerns of today’s society, especially within the energy resources framework. The global growing population implies an increase in the energy demand that, in the future, will not be able to be covered by merely using fossil fuels. Since the 2015 Paris Agreement until the current 2030 Agenda, diverse initiatives have been developed to effectively empower the energy transition, moving towards alternative and environmentally friendly energy sources. The Sun is one of the most abundant natural resources for generating energy. In fact, if it was possible to harvest all the incoming Sun energy, throughout the year, global energy demand would be broadly covered. Therefore, solar energy, particularly Concentrated Solar Power (CSP), stands as one of the most promising renewable energy technologies. CSP systems can provide not only electricity but also thermal power for industry or domestic uses. These systems collect the direct normal irradiance and concentrate it onto the geometrical focus (which can be a line or a point), where temperatures of 700 ◦C or even 1000 ◦C are achieved, depending on the type of concentrator selected. The thermal energy concentrated onto the focus is employed for heating a fluid which can be used to run a thermodynamic cycle for electricity production by means of a generator. Another option would be to directly use the fluid thermal energy or store it, allowing to use it later during the absence of solar irradiance. Furthermore, this kind of plant can be hybridized by adding a combustion chamber granting stable and dispatchable energy generation. Besides, in the few last years some concepts such as “energy self-consumption” and “distributed energy” emerged, aiming to decentralize electric energy production. Distributed generation focuses on the production of energy close to the user, thus avoiding transport losses and lowering the costs and the time that building large installations requires. “Smart grid” is a concept closely associated with distributed energy. It pursues to efficiently integrate all the electricity micro-cogeneration systems into the grid (solar power, wind power, storage systems, etc.). In that framework, this doctoral thesis focuses on the analysis of a solar parabolic dish concentration system. The modularity of this technology enables its use for small-scale energy generation (between 3 – 30kWe, through single dishes), as well as for larger scale electricity generation, in the range of MW, by means of dish farms. The initial configuration of the system studied in this work considers the integration of a hybrid micro-gas turbine as a power block to produce electricity. That micro-gas turbine, which performs a recuperative Brayton cycle, is placed in series with a combustion chamber aiming to maintain a constant turbine inlet temperature, even in the absence of solar irradiance, thus providing a constant power output. Therefore, the system can be considered hybrid since it uses solar energy and/or fuel (natural gas) for electricity production. The plant description is carried out by means of a semi-analytical model that includes basic thermodynamic equations and a set of parameters with a clear physical meaning. The model was developed within the Research Group and validated for a Central Tower CSP plant. All the subsystems comprising the whole plant are integrated, aiming to identify which are the elements that mainly influence the overall performance. As input parameters, meteorological data associated with specific locations are employed, including direct normal irradiance and ambient temperature. This allows to perform different studies in particular locations such as Santander, Salamanca, Seville or Ouarzazate. Additionally, some design parameters are established, such as subsystem isoentropic efficiencies, turbine inlet temperature, pressure ratio or the working fluid mass flow rate. Within this doctoral thesis, the power block model is adapted to a micro-gas turbine and its validation is done by direct comparison with the results reported in the literature. From the validation, diverse simulations intended to characterise the plant from a thermodynamic perspective are carried out, comparing different power outputs and obtaining indicators such as subsystem efficiencies, overall thermal efficiency and electric energy generated. Additionally, the influence of the recuperator is analysed and different operation modes are compared (hybrid and combustion-only), highlighting the pollutant emissions savings that a hybrid plant could report compared with a conventional one. The thermodynamic model is completed with a thermo-economic study that considers not only indicators such as the Levelized Cost of Electricity and the net energy generated, but also it includes parameters like the Net Present Value, the Specific Plant Investment or the Discounted Payback Period. Looking at the results obtained, the thermodynamic and economic feasibility of the plant is proved. Therefore, the next objective of this doctoral thesis is to improve the model that describes the plant, starting with the solar subsystem. The model is intended to remain semianalytical, in such a way that all the parameters greatly influencing the thermal performance can always be identified. For the solar collector modelling, TonatiuhTM, a Monte-Carlo Ray Tracer software, is employed. Finally, a solar volumetric and pressurized cavity receiver is modelled, including a porous medium inside and aimed to raise the fluid temperature as high as the materials allow it. It is worth mentioning that the receiver description is made by a set of steady-state and zero-dimensional heat transfer equations. However, it includes an extensive number of geometrical and thermodynamic parameters and material properties. The simulations performed provide the material surfaces and heat transfer fluid temperature profiles. Besides, the heat fluxes and the thermal efficiency are obtained. From the results, the zones in which the major losses occur are identified and the influence of the meteorological conditions on fluid temperature is revealed. This doctoral thesis highlights the necessity of developing integrated models that consider all the subsystems comprising an energy generation plant, as well as their interactions. Furthermore, the fact that all the models have a semi-analytical character allows to easily handle all the parameters that likely influence the performance. Besides, the models briefly introduced above can serve as a preamble for plant pre-optimization and sizing studies. Finally, the lower computational cost is another advantage of these kinds of models, providing quite realistic results in a short time. [ES] El desarrollo sostenible es uno de los principales objetivos de la sociedad actual, especialmente en el campo de los recursos energéticos. El aumento de la población mundial conlleva el incremento de la demanda de energía que, en un futuro, no podrá ser suplida exclusivamente mediante el uso de combustibles fósiles. Desde el Acuerdo de París de 2015, y hasta la actual Agenda 2030, se han llevado a cabo diversas iniciativas para hacer efectiva la transición energética hacia fuentes de energía alternativas y respetuosas con el medioambiente. El Sol es uno de los recursos naturales más abundantes de los que disponemos para la generación de energía. De hecho, si fuera posible aprovechar toda la energía que recibimos del Sol durante un año, la demanda energética mundial estaría ampliamente cubierta. Por ello, la energía solar, y concretamente la energía termosolar de concentración (Concentrated Solar Power, CSP en inglés), supone una de las tecnologías renovables más prometedoras del momento. Los sistemas de CSP pueden proporcionar no sólo electricidad, sino también energía térmica para su uso en aplicaciones industriales o residenciales. Estos sistemas recolectan la radiación solar normal y la concentran en su foco geométrico (que puede ser lineal o puntual), donde se pueden alcanzar temperaturas de hasta 700 e incluso 1000 ◦C, dependiendo del tipo de concentrador solar elegido. La energía térmica concentrada en el foco se utiliza para calentar un fluido, que puede ser empleado en un ciclo termodinámico para producir electricidad, a través de un generador. Otra opción sería aprovechar la energía térmica del fluido para su aplicación directa, o para almacenarlo, de tal forma que se pueda recuperar la energía en ausencia de irradiancia solar. Asimismo, este tipo de plantas pueden ser hibridadas añadiendo una cámara de combustión, permitiendo así una generación de energía estable y controlable. Por otro lado, en los últimos años ha aumentado la presencia de conceptos como “autoconsumo” y “energía distribuida”, que pretenden descentralizar la producción de energía eléctrica. La generación distribuida se focaliza en la producción de energía cerca del lugar de consumo, evitando así pérdidas en el transporte de la misma y disminuyendo los costes y el tiempo de construcción de las grandes infraestructuras. La energía distribuida lleva asociado el concepto de smart grid (red inteligente), que busca integrar en la red, de una forma eficiente, todos los sistemas de microgeneración de energía eléctrica (solares, eólicos, sistemas de almacenamiento, etc.). En ese contexto, esta tesis doctoral se centra en el estudio de un sistema de concentración solar de disco parabólico. La modularidad de esta tecnología permite que puede emplearse tanto para la generación de energía a pequeña escala (entre 3 – 30kWe con discos individuales), como para la producción de electricidad en el rango de MW mediante granjas de discos parabólicos. La configuración inicial del sistema que se analiza a lo largo de este trabajo contempla el uso de una micro-turbina de gas híbrida como bloque de potencia para generar energía eléctrica. La micro-turbina de gas, que realiza un ciclo Brayton recuperativo, se acopla en serie a una cámara de combustión para mantener una temperatura de entrada a la turbina constante incluso en ausencia de irradiancia solar, proporcionando así una potencia de salida estable. De esta forma, el sistema se considera híbrido, puesto que utiliza tanto el Sol, como un combustible (gas natural) para la producción de electricidad. La descripción de la planta se realiza mediante un modelo semi-analítico, con ecuaciones termodinámicas básicas y un conjunto de parámetros que poseen un claro significado físico. El modelo ha sido desarrollado dentro del Grupo de Investigación y ya había sido previamente validado para una planta CSP de tipo Torre Central. En él se integran todos los subsistemas que conforman la planta, con el objetivo de poder identificar qué elementos influyen en la eficiencia global del sistema. Como parámetros de entrada, se utilizan datos meteorológicos reales de localizaciones específicas, incluyendo la irradiancia normal directa y la temperatura ambiente. Esto permite hacer diferentes estudios en emplazamientos concretos como Santander, Salamanca, Sevilla y Ouarzazate. Asimismo, previamente se establecen algunos parámetros de diseño, como las eficiencias isoentrópicas de los subsistemas, la temperatura de entrada a la turbina, la relación de presiones o el flujo másico del fluido de trabajo. En esta tesis doctoral, el modelo del bloque de potencia se aplica a una micro-turbina de gas y se valida por comparación directa con los resultados disponibles en la literatura. A partir de la validación, se realizan diversas simulaciones para caracterizar la planta a nivel termodinámico, comparando varias potencias de salida, y obteniendo parámetros como los rendimientos de cada uno de los subsistemas, la eficiencia térmica global y la energía eléctrica generada. Asimismo, se analiza la influencia del recuperador y se comparan diferentes modos de operación (híbrido y sólo combustión), destacando el ahorro en emisiones contaminantes de una planta híbrida respecto a una convencional. El modelo termodinámico de la planta se completa con la implementación de un modelo termo-económico que considera no sólo indicadores como el Coste Normalizado de la Electricidad, y la energía neta generada, sino también parámetros como el Valor Presente Neto, la Inversión Específica de la Planta o el Periodo de Amortización Descontado. Con los resultados obtenidos, se comprueba que la planta puede ser viable a nivel termodinámico y económico. Así, el siguiente objetivo de esta tesis doctoral es mejorar el modelo que describe el sistema, comenzando por la parte solar. Se pretende que el modelo continúe siendo semi-analítico, de tal forma que en todo momento se puedan identificar cuáles son los parámetros que más infuyen en el rendimiento térmico. Para la modelización del colector solar se emplea TonatiuhTM, un software de trazado de rayos basado en el método Monte-Carlo. Finalmente, se modeliza un receptor solar de cavidad volumétrico y presurizado, que cuenta con un medio poroso para elevar la temperatura del fluido tanto como sus materiales lo permitan. Cabe resaltar que la descripción del receptor se realiza mediante un conjunto de ecuaciones de transferencia de calor adimensionales y en estado estacionario, pero que cuenta con un extenso número de parámetros, tanto geométricos como termodinámicos y de propiedades de materiales. Las simulaciones realizadas permiten obtener el perfil de temperaturas tanto del fluido que atraviesa el receptor, como de los materiales que lo conforman. Asimismo, se calculan las transferencias de calor implicadas y la eficiencia térmica del sistema. A partir de los resultados, se identifican la zonas en las que se encuentran las principales pérdidas energéticas. Por otro lado, también se analiza cómo las condiciones meteorológicas influyen en la temperatura del fluido. Esta tesis doctoral pone de manifiesto la necesidad del desarrollo de modelos integrados que contemplen todos los subsistemas de una planta de generación de energía, y sus interacciones. Del mismo modo, el hecho de que los modelos sean semi-analíticos permite un mayor control de todos los parámetros que pueden influir en la eficiencia del sistema. Además, los modelos presentados brevemente en los párrafos anteriores, pueden servir como preámbulo para estudios de pre-optimización y dimensionamiento de la planta. Finalmente, el bajo coste computacional es otra de las ventajas de este tipo de modelos, proporcionando en un tiempo muy corto, unos resultados bastante realistas.