System-level comparison of thermal energy storage (TES) technologies in concentrating solar power (CSP) plants

Abstract

La demanda mundial d'energia està augmentant, acompanyada de creixents preocupacions mediambientals, que han accelerat la transició cap a fonts d'energia més netes. La concentració d'energia solar (CSP) representa una opció d'energia renovable viable, utilitzant miralls o lents per concentrar la llum solar en un receptor, generant així altes temperatures per conduir un cicle d'energia de vapor. No obstant això, el CSP s'enfronta al desafiament de la llum solar intermitent, complicant la provisió d'una font d'alimentació coherent. L'emmagatzematge d'energia tèrmica (TES) mitiga aquest problema mitjançant l'emmagatzematge de l'excés de calor durant els períodes d'alta irradiació i l'allibera quan el recurs solar és insuficient, el que millora la flexibilitat i la fiabilitat de la generació d'energia. Actualment, la tecnologia predominant TES emprada en les plantes CSP és la sal fosa de dos tancs. Les alternatives emergents, com ara els sistemes de material de canvi de fase (PCM), ofereixen avantatges potencials de cost i rendiment, però la seva adopció continua sent limitada, complicant les proves en el món real. En conseqüència, les simulacions tenen un paper crucial en la facilitació de comparacions de rendiment just. Aquest estudi aborda aquest repte a través d'un enfocament de dues parts, desenvolupant i validant models que simulen el funcionament de tres tipus TES (sals foses, formigó i PCM), i avaluant la integració d'aquests sistemes d'emmagatzematge dins d'una planta de CSP. Els resultats mostren que, des del punt de vista de les operacions de les plantes, el TES sal fos és ideal per a escenaris que exigeixen una producció elèctrica màxima i coherent, especialment en xarxes elèctriques amb una necessitat significativa de capacitat d'energia renovable fiable. La millora de l'eficiència de viatge d'anada i tornada dels TES de formigó s'atribueix a l'ús d'un volum més gran amb components modulars, que potencialment disminueixen les sancions en el cas d'un cost de material molt baix. Per contra, els PCM TES no optimitzats podrien ser una opció viable en situacions en què els costos de capital, els requisits d'espai o la modularitat són les principals consideracions, malgrat el seu menor rendiment general. La idoneïtat de cada tecnologia TES depèn de les prioritats, ja sigui per maximitzar l'enviament, millorar l'eficiència en les condicions del mercat o minimitzar els costos de capital.

La demanda mundial de energía está aumentando, acompañada de una creciente preocupación por el medio ambiente, lo que ha acelerado la transición hacia fuentes de energía más limpias. La energía solar de concentración (CSP) representa una opción viable de energía renovable, que utiliza espejos o lentes para concentrar la luz solar en un receptor, generando así altas temperaturas para impulsar un ciclo de vapor. Sin embargo, la CSP se enfrenta al reto de la intermitencia de la luz solar, lo que complica el suministro constante de energía. El almacenamiento de energía térmica (TES) mitiga este problema almacenando el exceso de calor durante los periodos de alta irradiación y liberándolo cuando el recurso solar es insuficiente, lo que mejora la flexibilidad y la fiabilidad de la generación de energía. Actualmente, la tecnología de doble-depósito de sales fundidas es la TES predominante empleada en las plantas CSP. Alternativas emergentes, como los sistemas basados en hormigón y materiales de cambio de fase (PCM), ofrecen ventajas potenciales en cuanto a costes y rendimiento, pero su adopción sigue siendo limitada, lo que complica las pruebas en el mundo real. Por consiguiente, las simulaciones desempeñan un papel crucial a la hora de facilitar comparaciones de rendimiento justas. Este estudio aborda este reto mediante un enfoque en dos partes, el desarrollo y la validación de modelos que simulan el funcionamiento de tres tipos de TES (sales fundidas, hormigón y PCM), y la evaluación de la integración de estos sistemas de almacenamiento en una planta CSP. Los resultados muestran que, desde el punto de vista de las operaciones de la planta, el TES de sales fundidas es ideal para escenarios que exigen una producción eléctrica máxima y constante, especialmente en redes eléctricas con una necesidad significativa de capacidad de energía renovable fiable. La mayor eficiencia del TES de hormigón se atribuye al uso de un mayor volumen con componentes modulares, lo que podría reducir las penalizaciones en caso de un coste muy bajo de los materiales. Por el contrario, el TES de PCM no optimizado podría ser una opción viable en situaciones en las que los costes de capital, los requisitos de espacio o modularidad son las consideraciones principales, a pesar de su menor rendimiento general. La idoneidad de cada tecnología TES depende de las prioridades, ya sea que el objetivo sea maximizar la capacidad de despacho, mejorar la eficiencia en las condiciones del mercado o minimizar los costos de capital.

The global demand for energy is increasing, accompanied by growing environmental concerns, which has accelerated the transition to cleaner energy sources. Concentrating solar power (CSP) represents a viable renewable energy option, utilizing mirrors or lenses to concentrate sunlight onto a receiver, thereby generating high temperatures to drive a steam power cycle. However, CSP faces the challenge of intermittent sunlight, complicating the provision of a consistent power supply. Thermal energy storage (TES) mitigates this issue by storing excess heat during periods of high irradiance and releasing it when solar resource is insufficient, which enhances the flexibility and reliability of power generation. Currently, the predominant TES technology employed in CSP plants is the two-tank molten salt. Emerging alternatives, such as concrete-based and phase change material (PCM) systems, offer potential cost and performance advantages, yet their adoption remains limited, complicating real-world testing. Consequently, simulations play a crucial role in facilitating fair performance comparisons. This study addresses this challenge through a two-part approach, developing and validating models that simulate the operation of three TES types (molten salts, concrete, and PCM), and evaluating the integration of these storage systems within a CSP plant. Results show that, from the standpoint of plant operations, molten salt TES is ideally suited for scenarios that demand maximum and consistent electricity production, especially in power grids with a significant need for reliable renewable energy capacity. The enhanced round trip efficiency of concrete TES is attributed to the use of a larger volume with modular components, which potentially decrease penalties in the case of a very low cost of material. Conversely, non-optimised PCM TES could be a viable option in situations where capital costs, space requirements, or modularity are the primary considerations, despite its lower overall performance. The suitability of each TES technology depends on the priorities, whether the aim is to maximize dispatchability, improve efficiency in market conditions, or minimize capital costs.