El aprovechamiento de energía solar con un sistema de producción de potencia microtermosolar
basado en un colector de disco parabólico y una microturbina de gas resulta
prometedor para suministrar electricidad a comunidades remotas no conectadas a red y
para, demanera general, incrementar la contribución de las energías renovables al panorama
energético mundial. No obstante, el ímpetu investigador surgido a raíz de la crisis del petróleo
de los años setenta fue abandonado posteriormente casi por completo debido a la caída de
los precios del combustible fósil y a la falta de apoyo institucional. A pesar de alguna actividad
ocasional, no fue hasta la llegada del proyecto OMSoP (Optimised Microturbine SOlar
Power generator) en 2013, financiado por la Comision Europea a través del ProgramaMarco
VII, cuando se retomó esta solución tecnológica con decisión. Sobre la base de capacidades
complementarias en varias áreas tecnológicas, el proyecto pretendió (y consiguió) demostrar
la viabilidad tecno-económica del concepto.
En este escenario, la presente tesis está centrada en la optimización de un sistema de producción
de potencia termosolar formado por un colector de disco parabólico y una microturbina
de gas, con el objetivo de proporcionar una respuesta sólida (esperemos que definitiva) a
la pregunta planteada originalmente por el proyecto OMSoP: "¿Pueden los sistemas discomicroturbina
ser económicamente rentables en el futuro? Y, en caso afirmativo, ¿qué hace falta
para conseguir dicha rentabilidad?"
Con este objetivo en mente, la tesis se estructura en tres secciones claramente diferenciadas,
cada una de las cuales hace uso de metodologías avanzadas, desarrolladas por el autor
odisponibles en la literatura, todas ellas integradas en una plataforma de simulación innovadora.
El modelo que evalúa el diseño de los componentes y el comportamiento termodinámico
del sistema está compuesto por submodelos cero-dimensionales para la mayoría de
los componentes principales, dado que estos resultan escalables con el tamaño adecuadamente:
colector, receptor solar, intercambiadores de calor, alternador. Estos modelos están
validados con datos disponibles en la literatura o con datos experimentales obtenidos durante
el desarrollo del proyecto OMSoP. En el caso de las turbomáquinas, no obstante, se sabe
que las pérdidas de energía aumentan de manera no lineal cuando el tamaño de la máquina
disminuye (menor número de Reynolds, mayores pérdidas intersticiales y de venteo, etc.),
aspecto que se indentificó desde un primer momento como una fuente potencial de pérdida
de eficiencia que debía ser tenida en cuenta en la investigación. Por ello, se desarrollaron
herramientas unidimensionales (códigos de líneamedia) de diseño y análisis de compresores y
turbinas radiales, adaptadas a las especificaciones particulares de OMSoP. El simulador global
resultante demostró ser capaz de proporcionar diseños preliminares de las turbomáquinas
y de realizar análisis del sistema en condiciones de diseño y fuera de diseño, en operación
estacionaria.
Se han considerado tres configuraciones de microturbina: ciclo simple regenerativo, ciclo regenerativo con compresión refrigerada y ciclo regenerativo con compresión refrigerada y
recalentamiento. Para cada configuración, caben dos estrategias de operación: solar o híbrida.
Los sistemas híbridos emplean combustible fósil de apoyo, el cual puede ser añadido en serie
o en paralelo al receptor solar y con diferente intensidad. Así, para una fracción solar (solarshare)
alta, el sistema se denomina híbrido mientras que la denominación es solar-booster
para una fracción solar baja. En este último caso, el sistema es diseñado esencialmente para
operar con combustible fósil pero hay un colector solar de pequeño tamaño que aumenta la
energía térmica aportada al sistema cuando existe energía solar disponible. Esto incrementa la
potencia producida por la microturbina. El diseño y las especificaciones de los componentes
son evaluados para todas las combinaciones posibles, así como su impacto sobre las prestaciones
del sistema OMSoP. Finalmente, también se desarrollan las estrategias de control que
permiten optimizar el comportamiento a carga parcial y garantizar la integridad mecánica del
conjunto en cualesquiera condiciones operativas.
La sección económica tiene por objetivo evaluar los costes de inversión y operación del
sistema a lo largo de toda la cadena de suministro: fabricación, ensamblaje, transporte,
importación, construcción, operación y desmantelamiento. Este análisis se implementa
a través de funciones de coste sensibles al tamaño del sistema, las especificaciones de los
componentes (temperatura de entrada a turbina, efectividad del recuperador), localización
de la planta, volumen de producción. La base de datos de costes resultante se implementa
posteriormente en un análisis de flujos de caja diseñado de manera específica para obtener la
información de interés para este sistema.
La optimización, tercera sección de la tesis, está basada en métodos estocásticos (algoritmos
genéticos) tanto para el caso de una variable como para el caso multivariable. Se consderan
diferentes funciones objetivo, la más relevante de las cuales son el Coste Nivelado de Electricidad
(Levelized Cost of Electricity) y el impacto ambiental. Estas funciones se minimizan
a través de la selección del tamaño óptimo del sistema, la calidad del colector y el valor de
irradiancia normal directa empleado para el diseño (independientemente de la irradiancia de
la localización elegida).
En conjunto, los costes de instalacion son fuertemente dependientes del coste del disco. Esto
significa que elevar el rendimiento de la microturbina, aunque esto requiera un motor con
un mayor coste (mayor temperatura de entrada a turbina y efectividad del recuperador), casi
siempre resulta compensado por la reducción de coste asociado a un disco parabólico de
menor tamaño. Los resultados también ponen de manifiesto la importancia de la localización
de la planta, no sólo por su impacto sobre la disponibilidad de recurso solar sino, de manera
más importante, por el fuerte efecto que tienen los costes de transporte y tasas de importación
sobre el coste final de instalación. Una vez se selecciona la ubicación del sistema con estos
criterios, los resultados del análisis tecno-económico evidencian la importancia de realizar un
diseño para las condiciones de contorno específicas que experimentará el motor. En otras
palabras, el ajuste del diseño a las condiciones específicas de proyecto se manifiesta como
una fuente de reducción de costes mucho mayor de lo que cabría esperar a partir de análisis
similares con otras tecnologías.
Antes de finalizar, debe reconocerse que existen ptras tecnologías para la producción de
electricidad solar a pequeña escala, las cuales ya están consolidadas en el mercado (fundamentalmente
paneles fotovoltaicos). No obstante, esta tesis revela que la electricidad
microtermosolar producida mediante sistemas basados en disco parabólico y microturbina
de gas tiene el potencial de ser económicamente competitiva frente a las tecnologías anteriores si se dan ciertas condiciones de contorno (que no resultan excepcionales). Es más,
estos sistemas disco-mTG tienen características especiales que los diferencian de otras tecnologías
como la fotovoltaica. Por ejemplo, su flexibilidad y fiabilidad y la fácil hibridación con combustibles fósiles es ciertamente un aspecto ganador en ciertas aplicaciones. Desde el
punto de vista de la comercialización, los sistemas tipo solar-booster con aportación 50/50
combustible/solar parecen la opción más interesante a corto plazo. Los sistemas híbridos
diseñados para operación sólo solar resultan más interesantes a medio plazo. Y si el volumen
de mercado es suficientemente grande (10MWe/year), los sistemas solares puros se presentan
como la mejor opción desde el punto de vista tecno-económico