Resumen de Modelado y optimización de plantas solares de captadores ciliindroparabólicos en aplicaciones industrales (modeling and optimization of parabolic trough solar plants for industrial applications)
Ricardo Manuel Parreira da Silva
El mundo viene asistiendo a lo largo de las últimas décadas a un periodo de crecimiento económico basado, entre otros aspectos, en el elevado consumo de recursos energéticos de tipo no renovable. La escalada de la demanda de combustibles fósiles se ha intensificado aún más a raíz de la incorporación de economías emergentes de gran escala como las de, entre otros países, Brasil, India o China. Ambos hechos han derivado en consecuencias socio-económicas negativas a nivel global tales como la volatilidad generalizada de los precios de la energía, la inestabilidad de los mercados mundiales y regionales y la existencia de tensiones geopolíticas latentes o explícitas entre los estados. Al panorama anterior hay que añadir, por supuesto, el consenso existente entre la comunidad científica sobre el efecto causal de la acumulación en la atmósfera del dióxido de carbono procedente de la combustión de fuentes como el carbón, el petróleo o el gas natural en el denominado calentamiento global y en el cambio climático.
La energía solar es, por contra, una fuente de naturaleza renovable, es limpia y abundante y está disponible de forma generalizada en grandes áreas del planeta y está contribuyendo en los últimos años a avanzar hacia una sociedad con modelos de explotación de los recursos energéticos basados en paradigmas sostenibles.
En este sentido, el sector industrial constituye uno de sectores con más peso en el consumo energético a nivel mundial siendo, de hecho, el de mayor relevancia en este sentido en Europa. De este consumo, está bien establecido que la mayor demanda es la de calor en procesos en baja y media temperatura y que el medio de transferencia más utilizado es el vapor de agua saturado. En estas condiciones térmicas, está también bien establecido que los sistemas de concentración solar cuentan con un funcionamiento eficiente y contrastado, lo cual puede abrir la puerta a un mercado potencial enorme tal y como demuestran el creciente número de estudios en marcha y los esfuerzos científicos promovidos en los últimos años por las instituciones internacionales de referencia en este ámbito.
Los países mediterráneos tienen altos niveles de insolación y consecuentemente cuentan con mayores posibilidades para el uso de tecnologías de aprovechamiento de la radiación solar para usos térmicos en las temperaturas necesarias para la generación de vapor. De entre estas tecnologías de aprovechamiento, los denominados captadores cilindroparabólicos destacan como la tecnología más efectiva en términos de costo y operatividad para ser introducida en el ámbito industrial. El desarrollo de este potencial exige sin embargo esfuerzos de investigación en diferentes áreas entre las que se destacan:
- Identificación del know-how sobre calor en procesos industriales orientado a la integración de tecnologías solares.
- Desarrollo de herramientas de diseño e integración basadas en formulaciones físico-matemáticas completas y robustas.
- Selección y valoración de métodos de optimización técnico-económica orientados a la reducción de costes.
- Análisis de casos de estudio para la demostración de la viabilidad técnica y económica de las soluciones propuestas.
- Elaboración planes sectoriales específicos.
De estas necesidades generales, esta tesis doctoral aborda los siguientes aspectos concretos, que se describen de forma somera en este resumen:
1. Elaboración de modelos y posterior validación experimental de los mismos para la simulación de componentes de planta solares de generación de calor de proceso.
2. Integración de los modelos elaborados en una plataforma computacional específica.
3. Uso de los modelos y de la plataforma computacional para la optimización técnico-económica a nivel de sistemas completos y plantas.
4. Análisis de incertidumbre de los modelos de funcionamiento energético y económico de plantas.
5. Análisis global de sensibilidad modelos de funcionamiento energético y económico de plantas.
6. Aplicación a dos casos de estudio correspondientes a demandas industriales específicas.
Puntos 1 y 2. Modelado y Simulación En esta fase se ha desarrollado un modelo no lineal y dinámico de carácter tri-dimensional para la simulación termo-hidráulica de captadores cilindro parabólicos incluyendo en el mismo condiciones de contorno radiativas por trazado de rayos. El objetivo del desarrollo de este modelo es contar con una formulación explícita y abordable, a la vez que completa, de los fenómenos físicos que determinan la transferencia de masa y energía en este elemento primario de las plantas solares. El modelo de concentrador cilindro-parabólico ha sido validado con datos experimentales tanto en régimen estacionario como en régimen dinámico, mostrando una buena concordancia, RMSE en el orden del 1.2% para el caso estacionario y 2.09ºC en el dinámico. A continuación, el modelo ha sido incorporado a una plataforma computacional capaz de integrar diferentes entornos y niveles de representación en términos de complejidad, número de elementos y escalas temporales con el fin de abordar la simulación de sistemas completos constituidos por diferentes modalidades de agrupación e interconexionado de concentradores individuales en estudios de comportamiento anual de las plantas. Los estudios y resultados de este apartado se incluyen en la publicación:
"Modeling and co-simulation of a parabolic trough solar plant for industrial process heat" Applied Energy, 106 (2013), 287-300.
Punto 3. Optimización termo-económica del diseño de plantas Este punto constituye el paso siguiente en el diseño de plantas ya que permite la selección entre todas las posibles combinaciones de tamaños y especificaciones de los elementos de las mismas, aquellas que cumplen determinados criterios de optimización. Como resultado se ha obtenido para un escenario de referencia representativo y las condiciones meteorológicas correspondientes al sur de Europa valores de costes nivelados de la energía, LCOE, de 5 c€/kWh y tiempos de retorno de la inversión, PBT, de 8 años. Estos análisis han sido publicados en el siguiente trabajo:
"Thermo-economic design optimization of parabolic trough solar plants for industrial process heat applications with memetic algorithms" Applied Energy, 113 (2014), 603-614.
Puntos 4 y 5. Análisis de incertidumbre y sensibilidad global.
Para el caso del escenario de integración más favorable y probable en plantas industriales, el de la generación directa de vapor en los propios captadores solares, se ha realizado un análisis pormenorizado de la incertidumbre con el fin de evaluar la robustez de los modelos desarrollados. Se ha realizado también un análisis global de sensibilidad por métodos basados en varianza con el fin de identificar y establecer los rangos admisibles de las posibles fuentes de error a nivel económico y a nivel energético. Los resultados detallados de estos análisis se pueden encontrar en:
"Uncertainty and global sensitivity analysis in the design of parabolic-trough direct steam generation plants for process heat applications" Applied Energy, 121 (2014), 233-244.
Punto 6. Aplicación a casos prácticos Como conclusión, los modelos y procedimientos desarrollados han servido para hacer valoraciones específicas de funcionamiento en dos industrias en la provincia de Almería. Los resultados en este caso están publicados en los siguientes trabajos:
"Process heat generation with parabolic trough collectors for a vegetables preservation industry in Southern Spain" International conference on solar heating and cooling for buildings and industry, 2013. Freiburg, Germany.
"Design of a high solar fraction parabolic trough solar plant for an industrial laundry in Southern Spain" International conference on solar heating and cooling, 2014, Gleisdorf, Austria
