Análisis de plantas termosolares que utilizan sodio líquido como fluido de transferencia de calor

Abstract

En el presente trabajo de fin de grado se realizará un análisis y simulación de una instalación solar de torre central con sodio como fluido de trabajo para la transferencia de calor de la planta, sales fundidas como fluido de almacenamiento térmico y un ciclo de potencia Brayton que trabaja con dióxido de carbono en estado supercrítico. Gracias a estos cambios se consigue una notable mejora en dicha tecnología en comparación con su estado actual. En el primer apartado se analiza el estado del arte de las energías renovables actuales, haciendo hincapié en la energía solar térmica de alta temperatura, concretamente en la energía solar térmica de torre central (CSP), base de este proyecto. También se comentará los primeros estudios de esta tecnología debido a la gran importancia y avance tecnológico que supuso la central solar “Solar Two” y se analizarán todos los componentes de una instalación solar de torre mencionando todos los tipos existentes o en estudio. Además, se hace una breve comparación económica entre los costes de la tecnología CSP, eólica y fotovoltaica. El segundo apartado se basa en las posibles mejoras que se pueden llevar a cabo en una instalación solar de torre. Dentro de estas posibles mejoras se analiza las consecuencias de una buena optimización y la importancia de abaratar componentes o la utilización de materiales estándar. Una de las mejoras más importantes consiste en subir la eficiencia del ciclo de potencia usando sCO2 como fluido de trabajo y, como consecuencia, la necesidad de mejora de los fluidos HTF ya existentes o la utilización de nuevos fluidos HTF que sean compatibles con esta tecnología, como es el caso de los metales líquidos. Debido a la gran ventaja que supone la utilización de metales líquidos como fluidos HTF en este tipo de instalación, en el tercer apartado se describen numerosos estudios sobre distintos tipos de metales puros y aleaciones de metales capaces de afrontar el desafío que suponen las mejoras expuestas en los anteriores apartados. En especial se analiza el sodio puro y la aleación de PbBi. En los últimos apartados se realiza una simulación en el programa libre System Advisor Model (SAM)® de una planta solar de torre central y se exponen los resultados obtenidos llegando a una conclusión. En la simulación se analiza una CSP de sodio como HTF y se compara con CSPs con las mismas características pero con sal solar como HTF. Debido a las limitaciones del software para usar un fluido diferente para el HTF y para el TES, solo se han analizado instalaciones en las que no hay almacenamiento térmico.

In this final degree project, an analysis and simulation of a central tower solar installation will be carried out with sodium as the working fluid for the transfer of heat from the plant, molten salts as a thermal storage fluid and a Brayton power cycle that works with carbon dioxide in a supercritical state. Thanks to these changes, a notable improvement is achieved in said technology compared to its current state. In the first section, the state of the art of current renewable energies is analyzed, emphasizing high-temperature thermal solar energy, specifically central tower thermal solar energy, the basis of this project. The first studies of this technology will also be discussed due to the great importance and technological advancement of the “Solar Two” solar power plant, and all the components of a solar tower installation will be analyzed, mentioning all the types existing or under study. In addition, a brief economic comparison is made between the costs of CSP, wind and PV technology. The second section is based on the possible improvements that can be carried out in a solar tower installation. Among these possible improvements, the consequences of good optimization and the importance of making components cheaper or the use of standard materials are analyzed. One of the most important improvements is to increase the efficiency of the power cycle using sCO2 as a working fluid and, as a consequence, the need to improve existing HTF fluids or the use of new HTF fluids that are compatible with this technology such as liquid metals. Due to the great advantage of using liquid metals as HTF fluids in this type of installation, the third section describes numerous studies on different types of pure metals and metal alloys capable of meeting the challenge posed by the improvements shown in the previous ones turned off. In particular, pure sodium and PbBi alloy are analyzed. In the last sections, a simulation is carried out in the free System Advisor Model (SAM) ® program of a central tower solar plant and the results obtained are presented reaching a conclusion. In the simulation, a sodium CSP is analyzed as HTF and compared with CSPs with the same characteristics but with solar salt such as HTF. Due to software limitations to use a different fluid for HTF and TES, only facilities where there is no thermal storage have been analyzed.