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CSP en Procesos IndustrialesVentajas, Desafíos y Experiencias
Dr. Rafael Guédez 7 Diciembre, 2018
KTH Industrial Engineering and Management
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7 Diciembre, 2018R. Guédez – KTH Energy Department – Solar Energy 2
Instituto Real de Tecnología (KTH)• Fundada en 1827
• +12000 estudiantes
• 8 Escuelas
• World Rankings:• 36 (Times - Engineering 2017)• 25 (QS Top Universities – Energy Engineering 2016)
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7 Diciembre, 2018R. Guédez – KTH Energy Department – Solar Energy 3
Instituto Real de Tecnología (KTH)• Fundada en 1827
• +12000 estudiantes
• 8 Escuelas
• World Rankings:• 36 (Times - Engineering 2017)• 25 (QS Top Universities – Energy Engineering 2016)
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KTH – Grupo Solar I+D
Concentrating Solar Power (CSP) Solar Photovoltaic (PV)
Investigación aplicada a la industria para mayor competitividad
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CSP – Principios Básicos
ENERGIA SOLAR CALOR A ALTA TEMPERATURA ELECTRICIDAD
ALMACENAMIENTO (TES)
HIBRIDACIÓN
© Torresol Energy © Torresol Energy
TES
Campo Solar(Heliostats)
ReceptorTorre
Bloque de Potencia
3 Bloques Principales: Campo Solar, Almacenamiento-HTF, Bloque de Potencia
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CSP – Principios Básicos
© DLR
ENERGIA SOLAR CALOR A ALTA TEMPERATURA ELECTRICIDAD
ALMACENAMIENTO (TES)
HIBRIDACIÓN
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CSP - Tecnologías
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Plantas Cilíndro-Parabólico (Parabolic Trough)Solana 280 MWeArizona, USA – 2013
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Colector Cilíndro-Parabólico
Absorber Tube / Heat Collection Element (HCE)
Support Structure
Drive Pillar
Flexible Joint
Intermediate Pillar
Parabolic Mirror / Trough Collector
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El desempeño óptico de un colector está comprometido por varios factores:
( )( )endshdsurfoSCASCA ffIAQ −−⋅⋅⋅=+ 11IAMcosεε
QSCA: thermal power [W] εcos: cosine effectiveness [-]ASCA: SCA aperture area [m2] fshd: shadowing factor [-]Io: incident beam radiation [W/m2] IAM: incidence angle modifier [-]εsurf: surface effectiveness [-] fend: end-loss factor [-]
Colector Cilindro-Parabólico
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Tecnologías CSP
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Torre Solar
Crescent Dunes: 110 MWeNevada, USA – 2015
Solar Field: Molten Salt towerStorage: 2 Tank Direct, 10h
Rankine Reheat
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Torre Solar
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Torre Solar
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Torre SolarReceptor
Heliostatos
Torre
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Torre Solar: HeliostatosHeliostato: estructura de espejos con doble eje de seguimiento
Requerimientos:
Alta reflectividadAlta precisión ópticaAlta precisión de control y seguimientoAlta durabilidad (estructura resistente)
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Torre Solar: Heliostatos
( )( )( )( )spillattblockshadsurfohh ffffIAQ −−−−⋅⋅=+ 1111cosεε
Qh: thermal power [W] εcos: cosine effectiveness [-]
Ah: heliostat surface area [m2] fshad: shadowing factor [-]
ρh: mirror reflectivity [-] fblock: blocking factor [-]
Io: incident beam radiation [W/m2] fatt: attenuation factor [-]
εsurf: surface effectiveness [-] fspill: spillage factor [-]
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Torre Solar: Receptores
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Almacenamiento Térmico (TES)
Tanks
Salt Pumps
HTF-Salt Heatexchangers
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Almacenamiento Térmico (TES)
© DLR
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Torre Solar+TES: Operación Real
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Mercado de CSP (Q2 2018)
6 GWe CapacidadInstalada
75%Parabolic Trough
25%Tower
Spain 2.4 GW - USA 1.9 GW
2GWeCon contrato / Construcción
50%Parabolic Trough Tower
China 1 GW - Morocco 0.7 GW
50%
70% con TES 100% con TES
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Torres Solares en fase avanzada
• 2020: 110 MW Redstone, South Africa (10h TES – molten salts)
• 2020: 110 MW Cerro Dominador, Chile (17.5h TES – molten salts)
• 2018: 150 MW Noor III, Morocco (7.5h TES – molten salts)
• 2020: 2x100 MW DEWA, Dubai (10h TES – molten salts)
• 2021: 150 MW Aurora Project, Australia (7.5h TES –molten salts)
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CSP para co-generación y calor de proceso
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CSP para co-generación y calor de proceso
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CSP para co-generación y calor de proceso
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CSP para co-generación y calor de proceso
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CSP para co-generación y calor de proceso
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CSP para co-generación y calor de proceso
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CSP para co-generación y calor de proceso
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CSP para co-generación y calor de proceso
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CSP para co-generación y calor de proceso
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CSP para co-generación y calor de proceso
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CSP para co-generación y calor de proceso
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7 Diciembre, 2018R. Guédez – KTH Energy Department – Solar Energy 35
CSP para co-generación y calor de proceso
RESULTADOS : Ahorro del consumo total del gas: 48% Desplazamiento de 75mil litros de gas LP. Beneficio fiscal en deducción del ISR
(impuesto). Proyecto con payback menor a 3 años. Mayor independencia energética. Disminución de 115 Toneladas de CO2
ENERGÍA TERMO SOLAR PARA CALOR DE PROCESO: Diseño, instalación, puesta en marcha de un sistema de calentamiento de agua con tecnología solar industrial.
APLICACIÓN: Calentamiento de 9,000 litros de agua de alimentación de la caldera a 118°C
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CSP para co-generación y calor de proceso
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7 Diciembre, 2018R. Guédez – KTH Energy Department – Solar Energy 37
Beneficios, ventajas y desafíos
• Técnicos: Ventaja: Renovable y gestionable (TES es costo-eficiente y robusto)
Desafío: Integración de Sistema (en especial para procesos de calor)
• Macro-económicos: Renovable con mayor inversión local y generación de empleo
• Curva de aprendizaje tecnológicoen pleno desarrollo: Desafío: nuevas temperaturas / eficiencias
• Curva de aprendizaje de costos:Desafío: reducción de costosen el campo solar
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7 Diciembre, 2018R. Guédez – KTH Energy Department – Solar Energy 38
Escenarios de Mercado para CSP (electricidad)
9h STORAGE
27GWe
130GWe
SOLARPACES - ESTELA
87GWe
155GWe
IRENA IEA 2D
Políticas actuales Políticas optimistas
(2016)
(2015)(2014)
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7 Diciembre, 2018R. Guédez – KTH Energy Department – Solar Energy 39
KTH – Grupo Solar I+D
Concentrating Solar Power (CSP) Solar Photovoltaic (PV)
Investigación aplicada a la industria para mayor competitividad
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7 Diciembre, 2018R. Guédez – KTH Energy Department – Solar Energy 40
KTH – Grupo Solar I+D
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7 Diciembre, 2018R. Guédez – KTH Energy Department – Solar Energy 41
Diseño, Manufactura (Prototipo) y Validación de Desempeño de Receptores:• Diseño proprio de receptores de aire volumétricos
• Diseño propio de receptores de aire a propulsión de chorro (jet-impinging)
• Diseño de receptores para aplicaciones de motor Stirling.
• Diseño de receptores con sales fundidas.
Nuevos conceptos de almacenamiento térmico a alta temperatura (> 700°C)• Nuevos diseños de cama-empacada de piedras y materiales de cambio de fase (metálicos y sales).
• Estrategias de integración de almacenamiento y control de gestión.
Simulación tecno-económica de planta y sistemas:• Simulación personalizada a medida de los requerimientos de sistema
• Estudios de flexibilidad de planta
• Estudios de hibridación y evaluación de desempeño de sistemas innovadores
• Modelado de costos, proyecciones y elaboración de escenarios.
KTH – Grupo Solar I+D
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7 Diciembre, 2018R. Guédez – KTH Energy Department – Solar Energy 42
Novel Impinging Receiver Concept
Indoor Testing of a Solar Hybrid Micro Gas Turbine System
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7 Diciembre, 2018R. Guédez – KTH Energy Department – Solar Energy 43
Novel Volumetric Air Receiver
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7 Diciembre, 2018R. Guédez – KTH Energy Department – Solar Energy 44
Novel High Temperature Storage Concept
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7 Diciembre, 2018R. Guédez – KTH Energy Department – Solar Energy 45
La CSP es una tecnología probada y en continúo desarrollo tecnológico• El diseño de un sistema CSP con almacenamiento es adaptable a los requerimientos del proceso• Hay diversos sub-sistemas y tecnologías disponibles y aplicables según el proceso.
El potencial en Chile es inmenso: hay recurso solar, industria capacitada y demanda• Tanto para generación eléctrica a gran escala (e.g. SolarReserve)
como también para integración en sistemas y procesos industriales
Para acelerar le penetración de la CSP en Chile es necesario establecer alianzas estratégicas industria-universidad-gobierno y colaborar con diversos actores internacionales
El grupo de I+D de KTH tiene completo interés y está a disposición de colaborar con los actores locales en apoyo de explotar el potencial de CSP en Chile• Educación y capacitación (e.g. intercambios académicos)• Investigación aplicada compartida con industria y academia.• Colaborar con actores locales en promover el desarrollo de tecnología local y negocios
Resumen
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CSP en Procesos IndustrialesVentajas, Desafíos y Experiencias
Dr. Rafael Guédez 7 Diciembre, 2018
KTH Industrial Engineering and Management