Un nuevo artículo (Experimental Testing of a 300 kWth Open Volumetric Air Receiver (OVAR) Coupled with a Small-Scale Brayton Cycle. Operating Experience and Lessons Learned) describe una prueba al sol en el sitio de pruebas de la Plataforma Solar de Almería (PSA) en España de un diseño para una planta termosolar con una combinación novedosa de receptor solar/bloque de potencia que nunca antes se había probado.

Diseño de planta de energía solar de ciclo combinado con intercambiador de calor aire-aire (HEX) para aumentar la presión del aire IMAGE@CENER

Generalmente, en la energía solar concentrada (CSP) de torre, los espejos que rodean una torre reflejan y concentran la luz solar hasta un receptor solar para calentar un fluido para impulsar una turbina de vapor y generar electricidad.

Mientras que en las centrales eléctricas de ciclo combinado que funcionan con gas natural (NGCC), el gas caliente a alta presión impulsa una turbina de gas en un ciclo Brayton y luego el calor de escape alimenta un segundo ciclo en una turbina de vapor Rankine, por lo que el calor se usa dos veces, aumentando su eficiencia.

Recientemente, los investigadores de CSP han estado probando varias formas de utilizar el ciclo combinado de Brayton para el bloque de potencia solar térmica en CSP, pero reemplazando el combustible fósil por aire calentado a alta presión mediante energía solar.

En el sitio de pruebas al sol de PSA, CENER probó un novedoso receptor de aire volumétrico abierto (OVAR) combinado con una planta de energía de ciclo combinado Brayton hecha a la medida, combinando estas dos tecnologías por primera vez.

Desafío: convertir el aire ambiente en aire a alta presión

Si bien se han probado diseños de CSP que acoplan ciclos Brayton usando partículas para transferir calor, el equipo de CENER investigó el uso de aire para la transferencia de calor por las ventajas de coste y eficiencia.

Sin embargo, el ciclo Brayton requeriría que este aire caliente estuviera altamente presurizado, mientras que el aire a alta presión ha complicado el diseño del receptor solar. Entonces, el equipo quería probar la presión del aire ambiental en el receptor, pero una presión de aire de 9 bar en la turbina Brayton.

“Hasta ahora solo se han utilizado depósitos de aire a presión. Propusimos un nuevo enfoque que desacopla el receptor solar del ciclo Brayton a través de un intercambiador de calor aire-aire regenerativo entre los dos sistemas”, dijo Fritz Zaversky, ingeniero principal de investigación de CENER.

“La ventaja de desacoplar el receptor solar del ciclo Brayton con un bucle de turbina a una presión de alrededor de 8 bares significa que el receptor puede funcionar bajo presión ambiental, lo que hace que la configuración sea más sencilla y rentable. Aumenta la eficiencia y la fiabilidad del receptor solar”.

Para lograr esta transferencia de presión de aire ambiente a aire de alta presión Tekniker, socio del proyecto, diseñó y construyó un nuevo intercambiador de calor aire-aire para la prueba en la PSA.

La prueba CAPTURE en el sol reveló algunos problemas que solucionar; pérdidas de carga inesperadas en el ciclo de alta presión en su sistema regenerativo, tubería, filtro y turbina, imposibilitando la prueba del concepto con los equipos adquiridos para la puesta en marcha de la turbina.

Como resultado, no se pudo completar la prueba, ya que se agotó el tiempo en la plataforma de prueba antes de poder probar la solución. El Dr. Zaversky se sorprendió por el contratiempo pero no se inmutó. “Sabemos cómo mejorar el diseño. Solo necesitamos minimizar las pérdidas de presión en el circuito de la turbina e integrar el equipo de arranque adecuado”.

Los problemas de presión de aire conducen a soluciones alternativas

Un problema mayor fue la dificultad fundamental de implementar el ciclo combinado alimentado por energía solar de manera económica, principalmente debido a las altas temperaturas de operación. El documento concluye que tal vez un motor Rankine de un solo ciclo (que funciona con vapor) podría tener un coste nivelado de energía más bajo junto con el OVAR (presión de aire ambiental) que una turbina de gas de alta presión.

“Eso se debe a que la viabilidad y el costo de algunas partes del intercambiador de calor regenerativo para las dos presiones de aire diferentes, que no son necesarias en las plantas de gas, hace que el ciclo combinado no sea la mejor opción”, dijo.

Intercambiador de calor para el ensayo in-sun del OVAR con ciclo Brayton de central de ciclo combinado IMAGE@CENER

Pero agregó que si quisieran aprovechar la combinación del receptor de aire volumétrico abierto con el ciclo Brayton altamente presurizado, una opción, en lugar de la conversión de presión de aire en el intercambiador de calor, podría ser usar CAES; almacenamiento de electricidad de la red en aire altamente comprimido (y esto se sumaría al almacenamiento normal de energía térmica CSP).

Dado que CAES ya se entiende bien y tiene un coste atractivo donde está disponible, y también podría almacenar energías renovables excedentes de bajo valor de la red, así como ayudar a aumentar la presión del aire, los costes podrían amortizarse con ganancias adicionales por los servicios de la red. Esta podría ser una forma de hacer que un ciclo combinado alimentado por energía solar con el OVAR sea económicamente factible, sugirió el Dr. Zaversky.

Calculó que el costo de esa nueva prueba sería de unos 6 millones de euros, casi lo mismo que esta prueba solar del proyecto CAPTURE en PSA, que fue financiada por el marco del programa europeo H2020.

“El programa Horizon Europe sería la mejor fuente de fondos, como continuación del proyecto CAPTURE”, dijo. “Esto capitaliza la inversión ya realizada, ya que pudimos reutilizar y adaptar el prototipo existente”.

Kraemer, S.  2022. On-Sun Test of Novel Solar Combined-Cycle Finds… SolarPACES. https://www.solarpaces.org/on-sun-test-of-novel-solar-combined-cycle-finds/