Casi todas las plantas termosolares en operación en todo el mundo adoptan un ciclo de vapor convencional para la conversión de energía térmica en electricidad, con solo algunas excepciones que se basan en la tecnología del ciclo orgánico de Rankine (ORC); sin embargo, estas excepciones tienen una participación menor en la potencia total instalada, ya que tienen salidas típicas del orden de un megavatio. Más recientemente, se ha identificado la tecnología sCO2 como un gran avance potencial en las aplicaciones termosolares, que permite un salto hacia menores costes de la electricidad termosolar. La implementación de este concepto aumentaría el rendimiento de las plantas termosolares pero, al mismo tiempo, plantea desafíos técnicos importantes, el más relevante es lograr la temperatura muy baja requerida al comienzo de la fase de compresión (para llevar el fluido de trabajo a estado líquido o similar a líquido). Las temperaturas ambiente relativamente altas, típicas en regiones caracterizadas por una alta irradiación solar, siguen siendo el talón de Aquiles de los ciclos de sCO2, ya que la eficiencia de estos sistemas cae drásticamente en entornos cálidos, donde la temperatura ambiente es cercana o superior a la temperatura crítica del CO2 (31 °C), por tanto, no permite adoptar ciclos de condensación (Rankine) con eficiencias esperablemente más altas. Este problema surge como un obstáculo crítico intrínseco para la futura comercialización de plantas termosolares, que puede ser difícil de superar mediante la tecnología actualmente en uso o con la tecnología sCO2 estándar. Para superar este obstáculo, algunos grupos de investigación propusieron la adición de pequeñas cantidades de compuestos seleccionados al fluido de trabajo estándar (CO2 puro), produciendo el llamado CO2 mezclado, con el objetivo de elevar la temperatura crítica correspondiente y permitir la condensación a temperaturas de 50 °C a 60 °C. La investigación de las mezclas de CO2 se ha llevado a cabo principalmente para aplicaciones geotérmicas y de biomasa hasta la fecha, con temperaturas máximas de alrededor de 350400 °C. Para estos casos, los resultados mostraron el potencial de las mezclas de CO2 para aumentar la eficiencia de conversión en un 30%. Almost all CSP plants in operation worldwide adopt a conventional steam cycle to convert thermal power into electricity. A few exceptions are based on Organic Rankine Cycle (ORC) technology however these exceptions have a minor share of the total installed capacity, given that their typical output is in the order of 1 MW. More recently, sCO2 technology has been identified as a potential major breakthrough in CSP applications, enabling a leap towards lower costs of solar thermal electricity. The implementation of this concept would boost the performance of CSP plants but, at the same time, it poses significant technical challenges, the most relevant of which is achieving the very low temperature required at the start of the compression phase (to take the working fluid to liquid or liquid-like state). Relatively high ambient temperatures, typical in regions characterised by high solar irradiation, remain the Achilles heel of sCO2 cycles. The efficiency of these systems drops dramatically in warm environments, where the ambient temperature is close to or higher than the critical temperature of CO2 (31°C), preventing condensation from forming in ORCs with expectedly higher efficiencies. This issue becomes an intrinsic critical hurdle for the future commercialisation of CSP plants, which may be difficult to overcome with the technology currently in use or with standard sCO2 technology. To overcome this problem, some research groups have proposed the addition of small quantities of selected compounds to the standard working fluid (pure CO2), resulting in the so-called blended CO2, which aims to raise the corresponding critical temperature and enable condensation at temperatures of 50°C to 60°C. To date, research into CO2 blends has mostly been carried out for geothermal and biomass applications, with maximum temperatures of around 350-400°C. For these cases, results showed the potential of CO2 blends to increase the conversion efficiency by 30%. The SCARABEUS project proposes a modified working fluid whereby CO2 is blended with certain additives to enable condensation at temperatures as high as 60°C, while still withstanding the required peak cycle temperatures. This represents a major breakthrough in CSP technologies, PROYECTO SCARABEUS, REDUCCIÓN DEL LCOE DE PLANTAS TERMOSOLARES A TRAVÉS DE LA TECNOLOGÍA sCO2 Las plantas termosolares desempeñarán un papel importante en el mix del suministro energético del siglo XXI. Desafortunadamente, el LCOE de la termosolar (actualmente alrededor de 150 €/MWh) no ha alcanzado el nivel objetivo (100 €/MWh), excepto en pocas instalaciones en ubicaciones excepcionalmente buenas. Muchos de los proyectos de investigación actualmente en curso, que persiguen mejorar la eficiencia del bloque de potencia y reducir los costes asociados, se basan en la tecnología de CO2 supercrítico (tecnología sCO2). Entre ellos, el proyecto SCARABEUS tiene como objetivo demostrar que la aplicación de mezclas de sCO2 en plantas termosolares tiene el potencial de reducir en un 30% el CAPEX y en un 35% el OPEX con respecto a los ciclos de vapor de última generación, superando así la reducción alcanzable con la tecnología sCO2 estándar. SCARABEUS: REDUCING THE LCOE OF CSP PLANTS THROUGH sCO2 TECHNOLOGY CSP plants are set to play an important role in the energy supply mix in the 21st century. Unfortunately, the LCOE of CSP (currently about 150 €/MWh) has not achieved the level targeted (100 €/MWh), except for few installations in exceptionally good locations. As of today, many ongoing research projects aiming at enhancing the efficiency of the power block and reducing the associated costs are based on supercritical CO2 technology. Among them, the SCARABEUS project aims to demonstrate that the application of supercritical CO2 (sCO2) blends to CSP plants has the potential to reduce CAPEX by 30% and OPEX by 35% compared to stateof-the-art steam cycles, thus exceeding the reduction achievable with standard sCO2 technology. Foto cortesía de Abengoa | Photo courtesy of Abengoa Termosolar | CSP FuturEnergy | Marzo/Abril March/April 2020 www.futurenergyweb.es 61
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