Las centrales termoeléctricas CCP

Las centrales solares termoeléctricas cuya tecnología se considera más madura en estos momentos, y que supone más del 95% de la potencia de generación termosolar instalada en el mundo, es la tecnología CCP. Básicamente consiste en la concentración de la radiación solar a lo largo de una línea recta con una longitud que oscila entre los 600 y los 800 metros. El fluido caloportador, esto es, el fluido que transporta la energía que es captada en los concentradores cilindro-parabólicos, entra por uno de los extremos a una temperatura y con una velocidad determinadas, y sale por el otro extremo a una temperatura superior

_{Por Santiago García Garrido (  Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo. )}

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1. LAS CENTRALES TERMOSOLARES CCP

Las centrales solares termoeléctricas cuya tecnología se considera más madura en estos momentos, y que supone más del 95% de la potencia de generación termosolar instalada en el mundo, es la tecnología CCP. Básicamente consiste en la concentración de la radiación solar a lo largo de una línea recta con una longitud que oscila entre los 600 y los 800 metros. El fluido caloportador, esto es, el fluido que transporta la energía que es captada en los concentradores cilindro-parabólicos, entra por uno de los extremos a una temperatura y con una velocidad determinadas, y sale por el otro extremo a una temperatura superior. 

2. EL FLUIDO CALOPORTADOR

El fluido utilizado puede ser agua, pero actualmente no se han superado los problemas derivados de la vaporización que se produciría en un punto intermedio del recorrido. Por esta razón se prefiere el uso de otros fluidos que no cambian de estado entre un extremo y otro de la línea recta en la que se concentra la radiación solar. De todos los fluidos posibles, los fluidos orgánicos sintéticos son los que mayores ventajas presentan. Entre ellos destaca la mezcla eutéctica compuesta por un 26,5% en peso de oxido de difenilo y un 73,5 % de bifenilo. Esta mezcla presenta el mejor compromiso entre coste y prestaciones, aunque presenta grandes dificultades en su manejo que condicionan enormemente los resultados de explotación de las plantas. A este fluido se le denomina habitualmente HTF (Heat Transfer Fluid).

Por este compromiso entre economía y técnica, las centrales termosolares CCP construidas hasta la fecha de edición de este manual utilizan esta mezcla de hidrocarburos aromáticos sintéticos, cuyas prestaciones y comportamiento es necesario conocer y dominar si se quiere diseñar, construir, operar y/o mantener plantas termosolares CCP.

El HTF trabaja entre unos 290 ºC a la entrada de la línea en la que se concentra la radiación y los 390 a la salida. Mayor temperatura de salida supone mayor rendimiento global de la planta, pero las características químicas del fluido no hacen posible utilizarlo por encima de los 400ºC: las reacciones de degradación aumentan exponencialmente de velocidad, originándose hidrocarburos volátiles y pesados que modifican el comportamiento de la planta y que plantean incluso problemas de seguridad. Por ellos las centrales CCP tienen limitada la temperatura máxima de trabajo del fluido orgánico a unos 400 ºC. Además, requieren de sistemas que eliminen los productos originados en la degradación, normalmente utilizando filtraciones y destilaciones sucesivas.

3. EL CAMPO SOLAR

El lugar donde se realiza la captación de radiación y su posterior transferencia en forma de calor al HTF se denomina campo solar y consiste en una vasta extensión de terreno de aproximadamente 2 hectáreas por MW de potencia eléctrica instalada cubierta de módulos captadores de radiación solar. Así, una planta de 49,9 MW, la máxima posible de acuerdo con la actual legislación española vigente, que limita a 50 MW la generación en régimen especial con derecho a percepción de una prima por cada MWh exportado a la red eléctrica, ocupa unas 100 hectáreas.

Los módulos captadores tienen unas dimensiones y forma perfectamente definidas, y están compuestos por tres partes, cada una de ellas responsable de una importante función:

• El espejo reflector, responsable de reflejar la radiación incidente hacia la línea formada por el foco de la parábola que forman.
• El tubo absorbedor, auténtico corazón de la tecnología CCP y responsable de la transformación de la radiación en energía térmica.
• La estructura, que le da al conjunto su forma y que sirve de sujeción para los elementos que forman el módulo.

Los módulos se agrupan en colectores, que se mueven conjuntamente para que la radiación solar siempre incida en un plano lo más perpendicular posible a la superficie de los módulos. Varios colectores se unen en serie para formar lazos, que componen la unidad productiva mínima. En cada uno de estos lazos, con una potencia típica cercana a 1,6 MW térmicos, se produce la elevación de temperatura del fluido. Un campo solar es pues el conjunto de lazos que trabajan en paralelo, y que juntos suministran la energía térmica necesaria para producir vapor. Como simple referencia, el campo solar de una central CCP de 50 MW sin almacenamiento térmico puede estar formado por unos 100 lazos.

4. EL TREN DE GENERACIÓN DE VAPOR

El calor absorbido por el HTF es transferido a continuación a un circuito de agua para generar vapor. Esta agua, que anteriormente ha sido presurizada en una bomba centrífuga multietapa hasta presiones comprendidas entre los 50 y los 100 bar de presión, se vaporiza y se sobrecalienta hasta aproximadamente 380 ºC enfriándose el HTF hasta los 290 ºC.
A esa temperatura el fluido caloportador se devuelve al campo solar para que continúe transportando la energía captada en el campo solar. Los equipos responsables del intercambio de calor entre el HTF y el ciclo agua-vapor son intercambiadores del tipo carcasa-tubo de gran tamaño y cierto grado de complejidad. En ellos se realiza la transferencia de calor entre los dos fluidos de forma especializada: el tren de generación de vapor incluye equipos diseñados para calentar agua, para producir vapor y para sobrecalentar ese vapor. Con los conocimientos actuales no es posible construir un equipo que realice con eficiencia y sin problemas técnicos esas tres funciones, razón por la que el tren de generación tiene equipos especializados para cada una de estos procesos.

 

5. LA TURBINA DE VAPOR

El vapor generado es entonces conducido hasta la turbina de vapor, donde se producirá una nueva transformación energética. La energía contenida en el vapor en forma de presión (energía potencial) se transforma de forma escalonada en energía mecánica rotativa, con un excelente rendimiento teniendo en cuenta la baja temperatura del vapor (380ºC). El rendimiento de esta transformación oscila entre el 27% y el 40%, dependiendo de la carga a la que esté la planta (mayor rendimiento a mayor carga) alcanzando su máximo valor cuando la central está al 100% de potencia.

6. LA CONDENSACIÓN DEL VAPOR

El vapor a la salida de la turbina es vapor “muerto”, sin capacidad para realizar trabajo mecánico. Su temperatura es inferior a 50ºC y su presión absoluta ronda los 0,05 a 0,08 bar, es decir, una presión muy inferior a la presión atmosférica. Para aprovechar ese caudal de agua desmineralizada, unos 54 Kg/s cuando la planta está a plena carga, es necesario condensarla y volver a tenerla en forma líquida. De esta forma se consiguen tres objetivos:

• Se aprovecha el agua a la salida de la turbina para reutilizarlo nuevamente.
• Se genera en el condensador una presión inferior a la atmosférica, imposible de conseguir si el vapor se tirara a la atmósfera. Con ello el salto de presión entre la entrada y la salida de la turbina es mayor y por tanto también lo es la potencia generada y el rendimiento de la planta.
• Se puede presurizar el fluido de forma económica antes de introducirlo de nuevo en la caldera. Presurizar un líquido siempre es más barato que presurizar vapor, por la incompresibilidad de los líquidos. Así, si se intentara comprimir vapor hasta los 100 bares se consumiría más energía de la que generaría su posterior expansión. Comprimir agua resulta energéticamente más favorable. 

Para condensarlo es necesario introducir un nuevo fluido en el sistema, al que el vapor pueda cederle el calor latente de vaporización. Hay que recordar que los procesos de evaporación o de condensación requieren al aporte o la sustracción de grandes cantidades de calor (unas 2418 KJ por cada Kg de vapor que llega al condensador a esa temperatura). Existen dos posibilidades: utilizar agua como fluido frío al que se transferirá el calor que debe sustraérsela al vapor para que condense, o utilizar aire.

En el primer caso el agua fría se obtiene habitualmente de una torre evaporativa. El agua enfriada en la torre se conduce hasta el condensador, que no es más que un intercambiador carcasa-tubos. En el condensador el agua de refrigeración captará el calor de condensación y lo transferirá posteriormente al ambiente con la ayuda de la torre. La torre disipa calor evaporando parte del agua, por lo que es necesario reponer tanto el agua evaporada como el agua purgada de la torre para mantener la concentración de sales dentro de unos límites seguros. El consumo de agua ronda los 500.000 m3/año.

En lugares en los que hay escasez de agua no puede emplearse este sistema se recurre a grandes aerocondensadores, en los cuales se transfiere el calor de condensación directamente al aire ambiental. Es una forma menos eficiente y más cara de condensar, y por tanto solo se emplea si no hay otras alternativas.

7. EL GENERADOR

La energía mecánica rotativa requiere ahora una última transformación en energía eléctrica. Esta transformación se realiza en el generador, que es un equipo eficiente y maduro.