Simulación termosolar: optimización desde el diseño a la explotación

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La energía termosolar o energía térmica de concentración puede jugar un papel clave en un mercado de generación eléctrica dominado por las renovables gracias a su gestionabilidad: puede usarse como respaldo al sistema, pues permite almacenar la energía en forma de calor durante el día en tanques de sales térmicas y liberarla para generar electricidad a demanda. Sin embargo, la complejidad de las instalaciones termosolares puede limitar la rentabilidad, competitividad e incluso viabilidad de este tipo de proyectos.

Mejores prácticas en la energía solar térmica: un estudio de NREL

El National Renewable Energy Laboratory (NREL) ha realizado un estudio y recopilación de las mejores prácticas en la industria termosolar, para apoyar el óptimo desarrollo de nuevos proyectos. De acuerdo con este estudio, los gastos de capital (CAPEX) de las plantas termosolares están reduciéndose en todo el mundo y la previsión es que esta tendencia continúe. Así, la O&M (OPEX) representa un porcentaje creciente de los costes totales. La aplicación de estas mejores prácticas en el diseño, construcción, puesta en marcha y O&M son críticas, tanto para potenciar la implantación a corto plazo de la tecnología termosolar, como para la reducción a largo plazo de su LCOE (Levelized COst of Electricity).

El análisis de este estudio de NREL nos permite explicar cómo puede un simulador contribuir a estas mejores prácticas y, consecuentemente, optimizar los resultados de las instalaciones en términos de economía, seguridad y fiabilidad durante todo su ciclo de vida. En Tecnatom tenemos una gran experiencia en el desarrollo de simuladores termosolares de diversas tecnologías, y los beneficios que mencionamos han sido constatados por nuestros clientes.

El simulador como herramienta de ingeniería

El uso de un simulador de ingeniería, desde la fase de desarrollo del proyecto y diseño de la instalación, permite realizar un refinado temprano del mismo, anticipando problemas e imprevistos. Esta aportación se materializa, tanto desde el punto de vista del comportamiento de los distintos elementos, como de su interrelación, ya que, por lo general, las plantas termosolares se dividen en componentes y subsistemas con diseños y suministradores independientes. Su integración es un proceso delicado que, de no ser realizado correctamente, puede causar problemas de fiabilidad y rendimiento.

NREL recomienda el desarrollo de modelos de rendimiento, ya desde la fase de desarrollo, que repliquen con exactitud los modelos temporales y comportamientos en transitorios de la planta y que sean considerados para los arranques de los equipos de planta. Además, estos modelos se emplean en la evaluación de garantías de rendimiento, para la monitorización de la O&M y para analizar el rendimiento de la planta.

Por otro lado, el estudio remarca la necesidad de aplicar estrategias de revisión de diseño para garantizar el cumplimiento de los requisitos, incluyendo códigos y estándares aplicables al proyecto. Además, estas revisiones deben determinar si el diseño propuesto será plenamente funcional, y puede ser mantenido adecuadamente. La simulación es una vía económica y fiable para la realización de revisiones del diseño, especialmente si se realiza de manera temprana minimizando el impacto en compras de equipos o trabajos de construcción que pueden ser reajustados o rechazados en el proceso de revisión.

Otro de los aspectos que remarca el análisis es la necesidad de orientar el diseño de la instalación a los transitorios y cargas parciales, además de a capacidad total. La planta debe responder a operación fuera del punto de diseño, y ser capaz de recuperarse de estas salidas, además de tener en cuenta cargas cíclicas y transitorias, impacto de la climatología, fallos de equipos, disparos, requisitos del despacho de carga, etc. La simulación permite considerar todos estos criterios, valorar el impacto en el diseño de la planta, en la lógica de control y en los límites de operación de los equipos, sin comprometer la integridad de ninguno de ellos.

Por último, cabe destacar que, una vez que existe un simulador que replica el comportamiento de la planta, la realización de análisis de ingeniera asistida por simulación es una herramienta de gran valor para optimizar procesos o apoyar las modificaciones de diseño durante toda la vida de la instalación.

Tiempo y coste en la puesta en marcha

Durante la fase de puesta en marcha (commissioning) es necesario verificar, inspeccionar y probar todos los componentes operacionales del proyecto. La realización de una puesta en marcha virtual a través de un simulador es una buena práctica que permite reducir los tiempos y costes de la puesta en marcha, al minimizar los imprevistos en planta y, sobre todo, mitigar posibles impactos en equipos.

NREL recomienda realizar validaciones durante la puesta en marcha, en todos los posibles modos de operación y transitorios, de los comportamientos de equipos y sistemas. En este aspecto, la simulación proporciona una gran versatilidad y ofrece, además, la posibilidad de realizar ajustes en la programación del DCS, así como en los procedimientos de O&M.

Precisamente el desarrollo de procedimientos de operación es otro de los aspectos que destaca el informe, y sobre los que el uso de la simulación puede tener un gran impacto positivo. Los procedimientos de O&M detallados deben ser desarrollados y aprobados antes de la puesta en marcha. El simulador, al integrar todos los sistemas de planta, es una gran herramienta de apoyo al desarrollo y validación de procedimientos veraces y fiables.

Por último, el estudio recalca la criticidad de integrar en la puesta en marcha a un equipo de O&M previamente entrenado. Este equipo debería poder operar los sistemas a medida que se vayan completando, y debería comprender completamente el arranque y operación de la planta desde su puesta en marcha. La simulación es la mejor herramienta de entrenamiento para los usuarios: replica el comportamiento de la instalación en particular, su diseño se refina y evoluciona a la vez que lo hace la planta, proporciona desde una visión general e interconectada de los sistemas, hasta detalles de equipos particulares, y muestra una gran amplitud de rangos y condiciones de operación. Es una herramienta que puede ser utilizada por el equipo de la empresa EPC y ser decido al explotador como parte de su activo de generación.

Del simulador de ingeniería al simulador de entrenamiento

La evolución de un simulador de ingeniería a uno de entrenamiento es un proceso natural que permite sacar todo el partido a un desarrollo ya realizado. Como se menciona arriba, el entrenamiento del personal es un aspecto ya relevante desde la fase de puesta en marcha, y es la mejor herramienta para apoyar la toma de decisiones y mejorar la eficiencia, seguridad y disponibilidad de la planta.

De acuerdo con este análisis, el entrenamiento riguroso y los procesos de cualificación cobran especial importancia en la transición de la puesta en marcha a la O&M. Existen evidencias de que la inexperiencia en operación, así como la falta de adherencia al procedimiento pueden provocar incidentes dañando equipos relevantes (como cambiadores) y provocando paradas no planificadas. NREL señala los simuladores como un gran medio para el entrenamiento y la familiarización con procedimientos y operaciones de planta y como un área con gran potencial de desarrollo dentro del sector termosolar.

Durante la explotación comercial de la instalación, el estudio señala como esencial el entrenamiento continuo de los operadores, considerando el entrenamiento en simulador para adquirir y demostrar las capacidades necesarias para operar la planta de una forma económica y segura en cualquier condición de operación. 

Por último, el acoplamiento del simulador con otras tecnologías o disciplinas, tales como la monitorización, la analítica de datos, los procedimientos computarizados o la Realidad Virtual/Realidad Aumentada (RV/RA), hace que se obtengan auténticas smartplants y/o gemelos digitales.

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