Siemens, que trabaja en la construcción del generador solar de turbinas de vapor más grande hasta la fecha para la planta solar Ivanpah de BrightSource, explica la manera por la cuállas turbinas facilitan la  distribución de energía solar limpia.

El almacenamiento de excentes de  energía termosolar en grandes tanques y su uso para extender las horas de funcionamiento de la turbina de vapor durante periodos sin sol es una de las principales ventajas asociadas a las plantas de cilindros parabólicos. Al mismo tiempo, para justificar el coste de la inversión en una planta CSP, que no funciona las 24 horas del día,  se requiere que la turbina de vapor que se use en este proceso alcance las altas demandas de eficiencia y produzca ganancias económicas crecientes.  

 La industria ya ha presenciado el ascenso de las turbinas, que usan la idea del recalentamiento para mejorar la eficiencia y reducir los costes de inversión de la planta.
 

 
Las turbinas están diseñadas para ocuparse de los momentos de arranque y parada rápidos, que son necesarios para permitir la desactivación nocturna de la planta. Aparte de reducir el coste de generación del rendimiento eléctrico necesario, el calor excedentario puede ser guardado mediante almacenamiento térmico para extender el tiempo de producción de la planta. La solución del recalentamiento mejora la eficiencia y reduce problemas relacionados con la erosión/corrosión y la humedad en la turbina LP.

 Una empresa como Siemens ha trabajado en la tecnología de turbina, que encaja en varios conceptos CSP -colectores cilíndricos parabólicos, plantas de colector lineal Fresnel con espejos planos y plantas de torre central  con espejos ligeramente curvos o helióstatos. Su turbina de vapor SST-700 DRH ( con recalentamiento de doble cubierta) es optimizada para ciclos solares de vapor y es capaz de generar hasta 175 MW en aplicaciones CSP.

En cuanto al progreso realizado por la empresa, Siemens,  que recibió un contrato para la Nevada Solar One en agosto de 2005 para recalentar de forma directa  un set de generador de turbina de vapor SST-PAC-700RH, está construyendo el generador solar de turbina de vapor más grande  hasta la fecha para la planta solar Ivanpah de BrightSource.  

 
Capacidad cíclica diaria

En lo que respecta a la capacidad cíclica de las turbinas, en términos de producción energética anual, los arranques rápidos que puede proporcionar la turbina son muy beneficiosos para el propietario de la planta CSP. Las variaciones en la temperatura y en los ciclos diarios necesitan una atención especial, según comentó Siemens.

Turbinas como la SST-700 DRH de Siemens son ideales para los ciclos diarios y posee una carga mínima baja, permitiendo la máxima duración de funcionamiento en plantas que carecen de  sistema de almacenamiento de calor. El ciclo ha sido optimizado para la pausa nocturna y el arranque rápido por las mañanas.

Desde la perspectiva de Markus Tacke, CEO de Aplicaciones Industriales de la Unidad de Negocios de Steam Turbines of Siemens Sector Energy, afirma que la carcasa y el rotor son las partes más importantes en lo que respecta a los arranques rápidos y los ciclos diarios.

El diseño especial de la carcasa protege a la turbina de vapor del excesivo enfriamiento nocturno y acorta significativamente la fase de calentamiento durante los arranques.

"El SST-700 DRH usa materiales de alta calidad especialmente elegidos para lograr una operatividad en la planta solar duradera y sin dificultades, teniendo en cuenta los desgastes y las roturas potenciales en las condiciones especiales de los ciclos diarios y sus problemas de erosión/corrosión y humedad. Los rotores de baja masa soportan arranques de corta duración," afirmó Tacke.

En el caso de las plantas CSP, el vapor presurizado proporciona energía a la turbina, mientras que la energía excedentaria pasa a la caldera para recalentar el vapor antes de que pase por la turbina de baja presión. El recalentamiento mejora la eficiencia general de la planta.

 Mejora general de la eficiencia

En el pasado, en referencia a la Nevada Solar One, se ha comentado que el vapor es generado gracias a los intercambiadores de calor  a 700ºF (más de 370 grados centígrados)/ 1.250 psia. Tras pasar por la turbina HP es transportado  de vuelta al generador de vapor para el recalentamiento y así alcanzar de nuevo los 700ºF.  Esto reducirá aún más la tempertura del aceite y mejorará la eficiencia cíclica general de la planta. El vapor recalentado pasa por la turbina LP para generar más energía; entonces, entra en un condensador de vacío en el que el vapor sobrante se condensa para  ser devuelto al generador de vapor de nuevo. Este cuidadoso uso del agua es vital teniendo en cuenta las condiciones de  los lugares desérticos.  También es importante para las torres de refrigeración de la planta.
 

Para complementar el ciclo de calor existe una pequeña caldera auxiliar de combustión de gas natural, que será usada cuando la radiación solar no esté disponible, o durante la limpieza de los espejos solares. La capacidad cíclica de la planta es significativa en lo que se refiere a tratar con variables probables de temperatura y presión del vapor.

La turbina de vapor va acompañada de un generador, que produce electricidad a 13,8 kilovatios, 60 Hz. La energía es impulsada hacia arriba por un transformador que la distribuye en la red a 230 KW desde la enorme zona de distribución.

Con el objetivo de hacer el mejor uso de los grandes cambios en el flujo volumétrico desde la entrada a la salida, la expansión SST-700 está dividida en dos módulos diferentes: una turbina de alta presión (HP) y una de baja presión (LP).

Sobre la utilidad de que una turbina tenga dos secciones- una sección de alta presión y otra de baja presión-, Tackle afirma que son necesarias la LP y la HP para operar la turbina en la configuración de recalentamiento.

En un ciclo de recalentamiento, el calor se añade al ciclo de vapor a una temperatura media más alta que un ciclo sin recalentamiento. Esto mejora la eficiencia del ciclo (por ejemplo, un 1-1,5% de rendimiento mayor) y permite que la turbina de vapor proporcione un rendimiento mayor con la misma entrada de calor.

También habrá menos vapor dentro del condensador y por ello menos pérdidas de agua de refrigeración.

El vapor se recalienta una vez que se haya expandido a través de la turbina HP. Esto reduce la cantidad de  humedad en la turbina LP en un 5-10% en comparación con un ciclo sin recalentamiento, incrementando la eficiencia y minimizando la erosión causada por las gotas de agua. Todos estos factores incrementan la eficiencia del ciclo de vapor.

"En términos de distribución de energía, para un SST-700, por ejemplo, las secciones de alta presión contribuyen en un 30% al rendimiento neto, mientras que la sección de baja presión constituye el 70%," afirmó Tacke.

Cómo enfrentarse a los largos procesos de producción

 Siemens, que ya ha asegurado pedidos para más de 45 turbinas de vapor especialmente adaptadas que cubren rendimientos desde  1,5 MW a 123 MW, aún considera la duración de la distribución como un gran reto.

 
En diciembre del año pasado, cuando BrightSource Energy firmó un contrato con Siemens para adquirir el generador de turbina de vapor  para la primera planta de 100 MW de BrightSource en su Ivanpah Solar Power Complex en el Desierto de Mojave en California, las empresas comentaron que debido a la duración del proceso de producción,  los generadores deben encargarse aproximadamente 3 años antes de la fecha planeada para la distribución.

Por su parte, Siemens está trabajando duro para acortar ese tiempo de distribución.

"En nuestra planta de turbinas de vapor en Gorlitz, abriremos un nuevo corredor de ensamblaje en mayo. Esto nos dará la oportunidad de adaptarnos de forma más rápida a las demandas de nuestros clientes", indicó Tacke.

"De todas formas  es recomendable solicitar una turbina de vapor tan pronto como sea posible. En muchos casos, esto puede arreglarlo el cliente, porque la planificación, la ingeniería y el levantamiento de una planta CSP lleva unos cuantos años, y es necesaria una turbina de vapor en las últimas etapas de la construcción. Una empresa "start-up" puede reservar  un espacio durante la fase más temprana de planificación para la fabricación de su turbina de vapor en Siemens y confirmar  pedido final posteriormente."

Mercado en expansión

 
La energía solar constituye una parte importante de la agenda medioambiental de Siemens  teniendo en cuenta que los ingresos sumaron 19.000 millones en 2008.

Hasta septiembre del año pasado, la empresa ya había asegurado pedidos por 45 turbinas de vapor para plantas termosolares:

Tecnología de cilindros CSP: 40 turbinas de vapor para tecnología CSP cilíndrica ; tecnología CSP de torre solar: 3 turbinas de vapor para torre solar, tecnología cilíndrica ISCCS: 2 turbinas de vapor para plantas ISCCS.

La empresa prevé un rápido crecimiento del mercado termosolar, especialmente en la tecnología de cilindros parabólicos ya que es la mejor establecida en la actualidad.

"También creemos que la tecnología de torre puede ser una contribución importante en el futuro. Además, el gran potencial de la CSP es la posibilidad de integrarse tanto en plantas de ciclocombinado como en aplicaciones de desalinización" afirmó Tacke.

La empresa estima que hacia el 2015, el mercado de plantas termosolares se incrementará anualmente en más del 30% a más de 5.000 millones de euros.

Enlaces relacionados: Información sobre almacenamiento térmico en CSPToday.com