El avance de las turbinas en EE.UU. favorece a las centrales CSP pequeñas
Las pruebas realizadas en la turbina de CO2 supercrítico de mayor temperatura del mundo indican que los costes serán menores y que su aceleración superior permitirá a las centrales de CSP más pequeñas ser competitivas, según informaron varios investigadores de EE.UU. a New Energy Update.
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Los ingenieros de General Electric (GE) y del Instituto de Investigación del Suroeste (SWRI, por sus siglas en inglés) han concluido recientemente una serie de pruebas en la turbina de dióxido de carbono supercrítico (sCO2) con la temperatura más alta del mundo, en un gran avance que podría acelerar el incremento de la eficiencia de las centrales de CSP.
La turbina de 10 MW es del "tamaño de un escritorio" y ha generado la mayor densidad de potencia producida por una turbina industrial, quizá solo comparable con las turbobombas empleadas en los motores de los trasbordadores espaciales, según dijo el SWRI.
La turbina de ciclo de potencia con CO2 supercrítico alcanza una eficiencia térmica de casi el 50 %, frente al 35 % y 40 % de los sistemas de CSP tradicionales.
Una mayor eficiencia térmica en el ciclo de potencia puede ser clave para reducir el coste medio teórico de la energía (LCOE, por sus siglas en inglés) de las centrales de CSP. El Departamento de Energía (DE) se ha propuesto alcanzar antes de 2030 un coste de 50 $/MWh para las centrales de CSP con 12 horas de almacenamiento, muy por debajo de los 103 $/MWh calculados en 2017.
"Lograr el 50 % de eficiencia térmica representa aproximadamente una quinta parte del progreso que necesitamos para disminuir el LCOE al valor deseado", dijo Avi Shultz, director del programa CSP en la Oficina de Tecnologías de Energía Solar (SETO, por sus siglas en inglés ) del DE, a New Energy Update.
La mayor densidad de las turbinas de CO2 supercrítico permite rebajar los requisitos de tamaño y materiales, con lo que se reducen los costes de inversión.
Estos diseños también ofrecerán índices de respuesta más rápidos que los ciclos de vapor actuales, por lo que aumentará aún más la competitividad de las centrales de CSP, dijo Schultz.
Turbinas más resistentes
Los ciclos de potencia del CO2 supercrítico alcanzan un estado supercrítico al presurizar y calentar el CO2 hasta que se comporta como gas y líquido. La turbina desarrollada por GE y el SWRI es capaz de soportar temperaturas de hasta 715 °C y presiones cercanas a los 250 kilogramos por centímetro cuadrado.
El ciclo de potencia basado en CO2 se vuelve más eficiente que el ciclo de vapor una vez que las temperaturas superan los 700 °C, según afirma Doug Hofer, ingeniero principal experto en GE. Los ciclos de vapor en las centrales de CSP en funcionamiento se fundan en la tecnología tradicional de las centrales térmicas y las temperaturas se limitan a 565 °C.
Sometida a ensayo en un circuito de prueba de CO2 supercrítico a alta presión, la turbina cumplió con todos los objetivos mecánicos y de rendimiento, incluidas la temperatura, la presión y la velocidad máximas.
Los estudios demostraron que la turbina podía "aumentarse en escala hasta 450 MW en un solo armazón", según explicó Hofer a New Energy Update.
Costes de instalación de CSP, fotovoltaica y eólica entre 2010 y 2018
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Fuente: Informe de la Agencia Internacional de Energías Renovables “Costes de generación de energías renovables en 2018”, mayo de 2019.
Una vez sometidos a ensayo los componentes de sistemas de turbinas de mayor volumen, la integración de los ciclos de potencia del CO2 supercrítico en los diseños de torres CSP comerciales sería relativamente sencilla, afirmó Shultz.
"Las centrales de CSP que utilizan el diseño de torre termosolar con sales fundidas de última generación deberían ser capaces de pasar directamente a usar el CO2 supercrítico como fluido de trabajo", dijo.
Los promotores tratan ya de integrar y someter a ensayo la tecnología de ciclo de potencia de CO2 supercrítico en centrales de CSP a gran escala.
La francesa EDF y la china Shouhang han iniciado un proyecto con el fin de convertir el ciclo de vapor de la central CSP de torre de demostración Shouhang Dunhuang Fase I de 10 MW, ubicada en el desierto de Gobi, en un bloque de potencia de CO2 supercrítico.
Este proyecto es el primero en instalar un ciclo de potencia de CO2 supercrítico en una central de CSP en funcionamiento y, según se informa, su finalización está prevista para finales de 2020.
Gastos de capital menores
El aumento de la eficiencia de los ciclos de potencia de CO2 supercrítico permitirá a los promotores de CSP alcanzar precios competitivos sin necesidad de economías de escala.
Las centrales de CSP desarrolladas hasta la fecha han logrado reducir los costes gracias a proyectos a gran escala con marcos de desarrollo favorables.
Los proyectos de mayor envergadura plantean importantes retos de inversión. Se espera que el gigantesco proyecto CSP-PV Noor Energy 1 de ACWA Power, de 950 MW y ubicado en Dubái, cueste 4400 millones de dólares, cantidad que se abordará mediante 2900 millones de dólares de deuda y 1500 millones de dólares de participación de capital. El proyecto, que integrará 700 MW de CSP y 250 MW de capacidad fotovoltaica, se adjudicó a una tarifa históricamente baja de 73 $/MWh en 2017.
El perfil de rendimiento de los ciclos de potencia de CO2 supercrítico permite mantener una eficiencia relativamente alta, incluso para centrales de capacidad inferior a 100 MW, según explicó Shultz.
"Las centrales más pequeñas y de menor coste de capital, de 50 MW o menos, podrían alcanzar eficiencias que, con las turbinas de vapor actuales, sólo alcanzan las centrales de gran tamaño", dijo.
El aumento de eficiencia a un tamaño menor podría brindar nuevas oportunidades de mercado y beneficiar a los promotores que pretendan expandir paulatinamente su cartera de CSP.
Los ciclos de potencia de CO2 supercrítico también podrían mejorar el rendimiento en rampa de las centrales de CSP, lo cual permitiría a los operadores responder más rápidamente a los complejos perfiles de demanda de energía.
Las turbinas de vapor tradicionales requieren más masa de material para la turbina a fin de lograr la misma potencia de salida, por lo que las turbinas de menor tamaño de CO2 supercrítico serán capaces de acelerar en rampa de forma "notablemente más rápida" que las turbinas de vapor de mayor tamaño, señaló Shultz.
Pruebas paralelas
El último gran adelanto en el diseño del turboexpansor y la turbina debe ir acompañado de un mayor desarrollo de los componentes antes de su despliegue comercial, dijo Shultz.
"Hay otros proyectos financiados por la SETO y el DE que están analizando otras partes clave del sistema, como el compresor, los recuperadores, los cojinetes y los sellos, así como el intercambiador de calor primario, que transportará el calor necesario desde el almacenamiento de energía térmica hasta la turbina", dijo.
Los estudios de diseño han demostrado que "son los intercambiadores de calor y no la turbina los componentes limitantes en la operación transitoria", destacó Hofer.
Un grupo de investigadores universitarios de EE.UU. ha desarrollado recientemente un intercambiador de calor fabricado a partir de un nuevo cerametal (una clase de materiales compuestos de cerámica y metales) que puede utilizarse en centrales de CO2 supercrítico de alta temperatura. Los investigadores han demostrado que el intercambiador de calor de cerametal es mucho más resistente y duradero que los diseños actuales de acero y níquel.
Los investigadores de GE instalarán una variante de la turbina de CO2 supercrítico en la central de demostración de transformación de energía eléctrica supercrítica (STEP) de 10 MW, una central de CO2 supercrítico que actualmente se encuentra en construcción en la sede del SWRI en San Antonio.
El complejo termosolar de STEP de 119 millones de dólares estadounidenses permitirá a los investigadores someter a prueba diferentes versiones de los componentes clave.
Otros equipos de investigación en EE.UU.y Europa están también desarrollando nuevos diseños de alta temperatura en una tentativa de aumentar la eficiencia.
En los EE.UU., tres equipos de investigación están desarrollando diseños que permiten calentar los fluidos de transferencia de calor (HTF, por sus siglas en inglés) a más de 700 grados Celsius (C), en virtud del programa de CSP Generation 3.
Los grupos compiten por la financiación de 25 millones de dólares del DE a fin de construir un demostrador integrado, cuyas exportaciones comerciales podrían comenzar en la década de 2020.
"Los sistemas de alta temperatura están aún a varios años de su despliegue comercial y requieren que los resultados de las iniciativas actuales sean satisfactorios a fin de reducir el riesgo de los componentes clave y demostrar que dichos sistemas pueden funcionar según lo previsto", dijo Shultz.
Por Kerry Chamberlain
Traducido por Vicente Abella Aranda