ANLISIS DE CICLO DE VIDA DE PLANTAS TERMOSOLARESYolanda Lechn. Unidad de Anlisis de Sistemas Energticos CIEMATCurso Sistemas Solares de Concentracin.Madrid, 12 Noviembre 2007

Metodologa

Anlisis de Ciclo de Vida (ACV) UNE-EN-ISO 14040-43

El ACV es una tcnica para evaluar los aspectos medioambientales y los potenciales impactos asociados con un producto mediante:

la recopilacin de un inventario de las entradas y salidas de materia, energa y emisiones. la evaluacin de los potenciales impactos medioambientales asociados la interpretacin de los resultados.

Todo ello a lo largo de la vida del producto DE LA CUNA A LA TUMBA

Anlisis de Ciclo de Vida

Otros Vertidos

ENTRADAS

Materias Primas

Energa

SALIDAS

EmisionesAtmosfricas

Efluentes Lquidos

Residuos SlidosCoproductos

Adquisicin de materias primas

Produccin

Uso/Reuso/Mantenimiento

RecicladoGestin del Residuo

Anlisis de Ciclo de Vida. EtapasDefinicin de objetivo y alcance del estudio: Se definen los objetivos globales del estudio y se establecen la finalidad del mismo, el producto a estudiar, la audiencia a la que se dirige y el alcance o magnitud del estudio, es decir, los lmites del sistema. Asimismo se define la unidad funcional.

Anlisis de inventario: En la fase de inventario se contabilizan todas las cargas ambientales asociadas al ciclo de vida de la unidad funcional.

Evaluacin de los impactos del ciclo de vida: consiste en interpretar el inventario, analizando y evaluando los impactos producidos por las cargas ambientales.

Interpretacin de los resultados obtenidos en el estudio.

Definicin de objetivo y alcance. Objetivos

Anlisis de los impactos ambientales de una central elctrica termosolar de receptor central o torre de 17MW y de una central elctrica termosolar de receptores cilindroparablicos de 50 MW.

Anlisis de los impactos ambientales derivados del cumplimiento del PER 2005-2010 para la energa solar termoelctrica. 500 MW.

Identificacin de las oportunidades de mejora de los sistemas estudiados encaminadas a reducir los impactos ambientales identificados.

Horizonte geogrfico y temporal: Espaa ao 2006.

Definicin de objetivo y alcance. Unidadfuncional

La unidad funcional es una medida del comportamiento de las salidas funcionales de un sistema y su propsito es proporcionar una referencia para las entradas y salidas del mismo.

Esta referencia es necesaria para asegurar que la comparacin de los sistemas se hace sobre una base comn.

La unidad funcional elegida para el estudio es 1 kWhel producido en las plantas termosolares.

Definicin de objetivo y alcance. Procesosanalizados

Central elctrica termosolar. Central elctrica termosolar.

Actividadesde

construccin

GrasGras

TransportesTransportes

Actividades de desmantelamiento

Transporte a vertedero

Transporte a vertedero

VertederoVertedero

Gruas de desmantelamiento

Gruas de desmantelamiento

Operacin y mantenimiento

ElectricidadElectricidad

Gas natural

Gas natural

AguaAgua

Campo solarCampo solar

TorreTorre

Bloque de potencia

Bloque de potencia

EdificiosEdificios

Sistema de almacenamiento

Sistema de almacenamiento

Fabricacin de materiales y

componentes

Energa

Recursos

Emisiones

Electricidad a la red1 kWh

Lmites del sistema

Central elctrica termosolar. Central elctrica termosolar.

Actividadesde

construccin

GrasGras

TransportesTransportes

Actividades de desmantelamiento

Transporte a vertedero

Transporte a vertedero

VertederoVertedero

Gruas de desmantelamiento

Gruas de desmantelamiento

Operacin y mantenimiento

ElectricidadElectricidad

Gas natural

Gas natural

AguaAgua

Campo solarCampo solar

TorreTorre

Bloque de potencia

Bloque de potencia

EdificiosEdificios

Sistema de almacenamiento

Sistema de almacenamiento

Fabricacin de materiales y

componentes

Energa

Recursos

Emisiones

Electricidad a la red1 kWh

Lmites del sistema

Anlisis de Inventario. Fuente de los datos

Empresas privadas interesadas en invertir en el campo de produccin de electricidad en plantas termosolares.

Datos de bibliografa

Bases de datos de anlisis de ciclo de vida. ETH-ESU 96 (Frischknecht et al. 1996). ECOINVENT v2.1(http://www.ecoinvent.ch)

Estas bases de datos estn disponibles en la herramienta informtica SIMAPRO 6.0.

Descripcin de las plantas solares analizadas

4690 GWh2600GWhEnerga generada en la vida til

187581 MWh104014 MWhEnerga generada anual

25 aos25 aosVida til de la planta

43.6%71.1%Factor de utilizacin

32206230Horas de utilizacin anual

510120 m2264825 m2Apertura

6242750N de helistatos o receptores

2016 kWh/m21997 kWh/m2Radiacin normal directa

50 MW17 MWCapacidad instalada

Planta colectores cilindro-parablicos

Planta de receptor centralTecnologa

Descripcin de las plantas solares analizadas

15.7%16.7%Eficiencia neta de la planta

35.72%39.09%Eficiencia del ciclo trmico

47.6%45.6%Eficiencia del campo solar

16338 MWh10757 MWhElectricidad consumida de la red anual

97691 MWh48206 MWhConsumo de gas natural anual

200 ha150 harea ocupada

Sales fundidas (nitrato de sodio y nitrato de potasio60:40)

Sales fundidas (nitrato de calcio, nitrato de sodio y nitrato de

potasio 42:15:43)

Medio de almacenamiento

7.5 horas16 horasCapacidad de almacenamiento

Planta colectores cilindro-parablicos

Planta de receptor centralTecnologa

Principales hiptesis Peso del acero del generador de vapor: datos tomados de la literatura (Viebahn, 2006) (17.767 kg/kWe para la planta de receptor central y 9.144 kg/kWe para la planta de colectores cilindro-parablicos)Peso del acero de la turbina de vapor en la planta de colectores cilindro-parablicos: datos obtenidos de la bibliografa (Viebahn, 2006).Peso de las sales fundidas del sistema de almacenamiento en la planta de receptor central. El dato facilitado para la realizacin del estudio slo especificaba el valor econmico de las sales fundidas. Considerando un coste de las sales de 0.18 /kg de sal (Pacheco, J), se ha estimado el peso de las mismas.Peso del los tanques de acero que forman el sistema de almacenamiento en ambas plantas. Se ha considerado que las sales se almacenan en dos tanques de 38.2 m de dimetro, y en base a esto se ha estimado el peso del acero necesario para dichos tanques. Caldera de gas natural: no se facilitaron datos sobre las calderas de gas natural. El proceso de fabricacin de estos componentes se ha excluido en ambas plantas. Datos de consumos energticos y emisiones del proceso de fabricacin de la sal Ca(NO3)2 por lo que se ha considerado que son similares a los del proceso de produccin de la sal KNO3.

Componente Material o servicio Unidad Receptor central Cilindro-parablico17 MW 50 MW

Campo solar Heliostatos/Captadores Vidrio recubierto con plata kg 3180904,238 6148846,08Cobre kg 63,558 11026,08Ocupacin con rea industrial m

21500000 2225000

Transformacin a rea industrial m2 1500000Pintura kg 42900 54054

Drive Acero al carbono kg 2158750Aceite lubricante kg 107569

Cimentacin Hormign m3 8250 51480Acero al carbono kg 495000 2957073,6Excavacin con excavadora hidrulica m

38250

Cableado Cable de cobre kg 36575Estructura metlica Acero al carbono kg 6550500 12124757

Acero inoxidable kg 45957,6Grafito kg 187,2

Tubo absorbedor Acero inoxidable kg 10744627,92Vidrio kg 20564,856Almina g 2808Cobre g 28080

Getters Hierro kg 310,752Sistema de seguimiento solar Cable bipolar kg 5191,68

Acero al carbono kg 86361,6Niquel kg 46,176Cromo kg 46,176Aceite mineral kg 8321,04Bomba de 40 W p 1Polietileno de Alta Densidad kg 27281,28

Torre Hormign m3 200Acero al carbono kg 52000Excavacin con excavadora hidrulica m3 200

Edificios Edificio elctrico Hormign m3 157 3956,67y urbanizacin Acero al carbono kg 31857 450000

Acero kg 9420Tableros de madera kg 8000Vidrio kg 1700Cemento kg 86000Arena kg 258000Sanitarios de cermica kg 250000Excavacin con excavadora hidrulica m3 100

Edificio de turbinas Hormign m3 925Acero al carbono kg 74970Acero kg 148000Excavacin con excavadora hidrulica m3 200

Edificio de tratamiento de aguas Hormign m3 123Acero al carbono kg 14820Acero kg 7380excavation hydraulic digger m3 100

Urbanizacin Hormign m3 3000Acero al carbono kg 45000AceroGrava t 8500 1825Tubera de PEAD 160 t 80,3Tubera PVC 200 t 23,473

Equipos Hormign m3 250Acero al carbono kg 5000Acero kg 15000Excavacin con excavadora hidrulica m3 100

Bloque de potencia Sistema de Almacenamiento Acero al carbono t 694,853 724,156Acero inoxidableCa(NO3)

2 t 129,31KNO3 t 1490,45 4396,67

Generador de vapor Acero al carbono kg 257621,5 457200Adoquines de cermica kg 16921,5 29700

Turbina de vapor Acero al carbono kg 95449,6 81250Acero inoxidable kg 4550,4 44050

Condensador Acero al carbono kg 25000 25000Torre de refrigeracin Hormign m3 84,2815 84,2815

Acero al carbono kg 40000 40000Desgasificador y Precalentadores Acero al carbono kg 29000 29000Tuberas Aleacin de magnesio, AZ91 kg 15000 15000

Tubera PVC A 15000 15000Acero inoxidable kg 28000 28000Acero al carbono kg 40000 40000

Construccin Diesel consumido en maquinaria de construccin MJ 1967202 19992800Transporte, camin de 40 t tkm 2010354

Desmantelamiento Vertedero Residuos kg 61396230 12374700

Evaluacin de impacto. Etapas

Clasificacin: cada carga ambiental se une a una o varias categoras de impacto relacionando as las cargas ambientales con los efectos que producen.

Caracterizacin: la contribucin de cada carga ambiental a cada una de las categoras de impacto se calcula multiplicando las cargas por unos factores de caracterizacin. Los resultados dentro de cada una de las categoras de impacto se suman para dar un resultado de cada categora.

Normalizacin. Cada resultado de cada categora se normaliza para obtener una estimacin de la importancia del resultado en las diferentes categoras.

Valoracin. El resultado normalizado se multiplica por un factor de ponderacin que representa la importancia relativa de cada categora de impacto. Los resultados ponderados se pueden entonces sumar para dar un resultado final del impacto ambiental del sistema estudiado.

Evaluacin de impacto. Categoras e indicadores

Universidad de LeidenInstituto de CienciasAmbientales(http://www.leidenuniv.nl/interfac/cml/ssp/index.html )

kg PO4 eqEutrofizacin

kg SO2 eqAcidificacin

kg C2H4Formacin ozono troposfrico

kg 1,4-diclorobenceno eqEcotoxicidad del medio terrestre

kg 1,4-diclorobenceno eqEcotoxicidad del medio marino

kg 1,4-diclorobenceno eqEcotoxicidad del medio acutico

kg 1,4-diclorobenceno eqToxicidad humana

kg CFC-11 eqDestruccin de la capa de ozono

kg Sb eqAgotamiento de recursos

kg CO2 eqCalentamiento global

Indicador de impactoCategora de impacto

Tiempo de Retorno Energtico meses

Demanda de energa acumulada MJ

Tiempo de retorno energtico. Tiempo necesario para que un sistema de produccin de energa produzca la misma cantidad de energa que se ha utilizado en la construccin, operacin y desmantelamiento del mismo.

CEDC es la demanda de energa acumulada para la construccin y desmantelamiento de la planta (MJ)Enet es la electricidad neta producida por la planta al ao (MJ/ao) g es el grado de utilizacin de energa primaria para producir electricidad. El horizonte geogrfico en este estudio es Espaa, por lo que el valor de g utilizado es 0,4428.CED0 es la demanda de energa anual para la operacin y el mantenimiento de la planta (MJ/ao).

=

onet

c

CEDg

ECED

EPT

Anlisis de sensibilidad.

Factores que pueden influenciar de forma importante los resultados obtenidos:

consumo de gas natural de la planta consumo de electricidad de la planta.

Tres escenarios alternativos para cada planta:

AS1: no existe apoyo de gas natural para la generacin de electricidad. AS2: la electricidad necesaria para la planta, la proporciona la propia planta. AS3: no existe apoyo de gas natural para la generacin de electricidad y la electricidad necesaria para la planta, es proporcionada por la propia planta.

Resultados. Demanda de energa acumulada

EPT (meses) 12.2 12.5

2.452.79Total

2.262.62Operacin

0.190.17Subtotal

-2.87 E-04-6.68E-08Desmantelamiento

0.0060.004Construccin

0.0040.024Edificios

3.95E-04Torre

0.080.05Sistema de almacenamiento

0.0040.007Bloque de potencia

0.090.08Campo solar

Planta colectores cilindro-parablicosPlanta de receptor central

MJ energa primaria/kWh

Resultados. Demanda de energa fsil acumulada

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

Central tower Parabolic trough

MJ/

kWh

Decommissioning

Construction

Operation

Buildings

Tower

Storage system

Power block

Solar field

2.792.45

Resultados. Emisiones de gases de efecto invernadero

185203Total

161186Operacin

2417Subtotal

1.98E-024.31E-04Desmantelamiento

0.340.18Construccin

0.461.03Edificios

0.04Torre

14.609.49Sistema de almacenamiento

0.500.64Bloque de potencia

7.885.61Campo solar

Planta colectores cilindro-parablicos

Planta de receptor centralg CO2 equiv /kWh

Resultados. Emisiones de gases de efecto invernadero

0.006 0.0080.009

0.015

0.1860.161

0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

Central tower Parabolic trough

kg C

O2

equi

v/kW

h hy

Decommissioning

Construction

Operation

Buildings

Tower

Storage system

Power block

Solar field

0.203 0.185

Resultados. Emisiones de gases de efecto invernadero

Receptor central Colectores cilindroparablicos

Weinrebe et al, 1998 23-25 17 Weinrebe et al, 1998 Hybrid operation

345 234

Kreith et al, 1990 43 Vant.Hull 1992 11 Uchiyama, 1995 213 Norton and Lawson, 1996 21-48 30-80 Viehban, 2004 12 Viehban, 2006 24 10 ETSU, 1997 26 38

Resultados. Emisiones de gases de efecto invernadero. Operacin

Central de colectores cilindroparablicosOperacin de la planta161

Extraccin y transporte del gas natural16.6

Electricidad (mix 2004)

48.4

Centrales elctricas de carbn

32.8

Centrales electricas de gas

14.72

Quemado del gas natural

95.4

Categora de impacto Unidades Receptor central

Cilindro-parablico

Agotamiento de recursos g Sb equiv 1.58 1.46 Destruccin de la capa de ozono mg CFC-11 equiv 0.01 0.01

Toxicidad humana g 1,4-DB equiv 87.90 288.93

Ecotoxicidad del medio acutico g 1,4-DB equiv 8.67 39.81

Ecotoxicidad del medio marino kg 1,4-DB equiv 114.70 139.39

Ecotoxicidad terrestre mg 1,4-DB equiv 526.01 745.15

Formacin de ozono troposfrico mg (C2H4 equiv) 28.12 29.55

Acidificacin mg SO2 equiv 608.90 654.16

Eutrofizacin mg PO4 equiv 49.11 57.68

Resultados. Otros impactos por kWh

Planta de receptor central Planta de colectores cilindroparablicos

Resultados. Otros impactos por kWh

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Abioti

c dep

letion

Ozon

e laye

r dep

letion

Huma

n toxi

city

Fresh

water

aqua

tic ec

otoxic

ity

Marine

aqua

tic ec

otoxic

ity

Terre

strial

ecoto

xicity

Photo

chem

ical o

xidatio

n

Acidif

ication

Eutro

phica

tion

Solar field Power block Storage system Tower Buildings Operation Construction Decommissioning

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Abioti

c dep

letion

Ozon

e layer

deple

tion

Huma

n toxi

city

Fresh

water

aqua

tic ec

otoxic

ity

Marine

aqua

tic ec

otoxic

ity

Terre

strial e

cotox

icity

Photo

chem

ical ox

idation

Acidif

icatio

n

Eutrop

hicatio

n

Solar field Power block Storage system Buildings Operation Construction Decommissioning

Resultados. Otros impactos por kWh

0.00

1000.00

2000.00

3000.00

4000.00

5000.00

6000.00

7000.00

8000.00

Abiotic depletionmg Sb equiv

Ozone layerdepletion g CFC-

11 equiv

Human toxicity g1,4-DB equiv

Fresh wateraquatic

ecotoxicity g 1,4-DB equiv

Marine aquaticecotoxicity kg 1,4-

DB equiv

Terrestrialecotoxicity mg1,4-DB equiv

Photochemicaloxidation mg(C2H4 equiv)

Acidification mgSO2 equiv

Eutrophication mgPO4 equiv

Central receiver Parabolic trough Coal power plant Electricity mix 2004

1140010400

Anlisis de sensibilidad. Demanda de energaacumulada

2.79

2.45

1.59 1.64

1.98

2.36

0.300.58

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

Receptor central Colectorescilindroparablicos

MJ/

kWhh

gjf

Referencia

AS1 Sin gas y electricidad de lared

AS2 Con gas y autoconsumo deelectricidad

AS3 Solo solar

Anlisis de sensibilidad. Emisiones de gases de efecto invernadero

203

185

8395

134

163

24

48

0

50

100

150

200

250

Receptor central Colectores cilindroparablicos

g C

O2e

quiv

/kW

hhj

Referencia

AS1 Sin gas y electricidad de la red

AS2 Con gas y autoconsumo deelectricidad

AS3 Solo solar

Resultados. Cumplimiento de los objetivos del PER en 2010. Impactos evitados

Escenario de referencia,

80% de la capacidad instalada tendr su origen en plantas de colectores cilindro-parablicos: 400 MW 20% restante plantas de receptor central: 100 MW.

La produccin de esta electricidad sustituir a la generada en el parque generador espaol y evitar los impactos derivados de ella.

Resultados. Cumplimiento de los objetivos del PER en 2010. Impactos evitados

634

1487

45

116

23

550

1132

74

1879

60

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Global w arming kt CO2 equiv

Abiotic depletion t Sb equiv

Ozone layer depletion kg CFC-11 equiv

Human toxicity kt 1,4-DB equiv

Fresh water aquatic ecotoxicity kt 1,4-DB equiv

Marine aquatic ecotoxicity Mt 1,4-DB equiv

Terrestrial ecotoxicity t 1,4-DB equiv

Photochemical oxidation t (C2H4 equiv)

Acidification t SO2 equiv

Eutrophication t PO4 equiv

0.6%

0.5%

Conclusiones Ambas tecnologas tienen un perfil ambiental mucho mejor que sus alternativas fsiles as como mejor que el mix de generacin elctrico actual en Espaa.

la demanda de energa acumulada del ciclo de vida de ambas plantas es menor que la energa usada para producirlas y el tiempo de retorno energtico calculado es 12 a 27 meses.

Las emisiones de gases de efecto invernadero son alrededor de 200 g CO2 equiv/kWh, mucho menores que las de las alternativas fsiles (1000 g/kWh un central de carbn, 500 g/kWh el mix elctrico nacional ao 2004). Estas emisiones son debidas fundamentalmente al uso de gas natural y electricidad de la red.

El resto de los impactos calculados son menores que los de las alternativas fsiles y que los del mix elctrico actual y la mayor parte de ellos se producen en la etapa de operacin de la planta debido al consumo de gas natural y electricidad de la red.

Los impactos evitados por la implementacin del PER son importantes. En cuanto a las emisiones de gases de efecto invernadero se evitaran alrededor de 634 kt of CO2 equivalentes que representan un 0.5% de las emisiones totales del sector energtico espaol en el ao 2004.