Control strategy design and installation of a cost-competitive solar concentrating system for industrial processes heat
Authors:   , Barnetche Orensanz Magdalena 
Published: November 2024

The industrial sector consumes one-third of global energy, with 90 % coming from fossil fuels. About 74 % of this energy is used as heat. Solar-concentrating technologies can provide medium-temperature heat, reducing fossil fuel dependence and greenhouse gas emissions. However, solar technology currently accounts for only 0.001 % of industrial heat consumption. The limited number of installations, the variety of industrial processes, and the high capital costs hinder standardization.

This thesis aims to enhance the reliability of solar heat for industrial processes through a simple, cost-effective configuration and control strategy. The system of the present study includes a novel rotary Fresnel collector, SunDial, and latent heat storage to increase system reliability. Two SunDial variants are proposed: one for high latitudes with two tracking axes (SunDial-HL) and another for low latitudes with azimuthal tracking (SunDial-LL). This system, called ASTEP (Application of Solar Thermal Energy to Processes), is part of a European H2020 project. SunDial-HL will be used in a Romanian steel tube factory needing heat at 220 oC for preheating, while SunDial-LL will serve a Greek dairy factory requiring 205 oC for heating and 90 oC for absorption cooling

A dynamic model was used to analyze transient effects in the ASTEP systems, with the thermal energy storage connected in series or parallel, revealing that the in-series configuration provides smooth control during cloudy conditions, while the parallel setup offers quick startups. Both configurations produced similar energy, but the series system required fewer elements and its control was simpler. This model was used to design the controllers and a flexible heat strategy including different power and temperature levels to supply the demand. Significant thermal losses (40 %) were observed in both piping and TES due to the small power of the SunDial. Also, the thermal capacity of the piping was proven to have an impact on the start-up energy calculation. Yearly simulations using a simplified dynamic model demonstrated that implementing a two-level demand strategy improves energy production by 7 %.

An experimental facility was designed to analyze the performance of the SunDial and to replicate the operation in the end-users to test the control strategy. The dynamic model was used to calculate the controller of two air coolers that will replicate the operation of the TES in charge mode and the demand. Three experiments and seven KPIs with a maximum uncertainty of 3 % in the SunDial efficiency were defined.

The construction cost of the SunDial prototypes was higher than market prices due to their small size. An analysis revealed that the collector cost for a larger SunDial-HL version could be reduced to 170-265 € per square meter, making it more competitive inclusive at low latitudes applications. However, further improvements are needed for the SunDial-LL to reach competitive pricing. A parametric analysis aimed at lowering the levelized cost of heat for the ASTEP system identified an optimal configuration with costs between 23.6 and 36.4 €/kWh, which is below the current natural gas price in Central Europe of 33 €/MWh. Additionally, the SunDial-HL achieves a comparable LCOH to parabolic trough collectors.

RESUMEN

El sector industrial consume un tercio de la energía global, de la cual el 90 % proviene de combustibles fósiles. Aproximadamente el 74 % de esta energía se utiliza como calor. Las tecnologías de concentración solar pueden proporcionar calor, reduciendo la dependencia de combustibles fósiles. Sin embargo, el número limitado de instalaciones, la variedad de procesos industriales y los altos costos de capital dificultan su implementación que actualmente es menor del 0.001 % de la capacidad instalada.

Esta tesis tiene como objetivo mejorar la confiabilidad del calor solar para procesos industriales mediante una configuración y estrategia de control simples y rentables. El sistema del presente estudio incluye un novedoso colector Fresnel rotativo, SunDial, y almacenamiento de calor latente. Se proponen dos variantes del SunDial: una para latitudes altas con dos ejes de seguimiento (SunDial-HL) y otra para latitudes bajas con seguimiento azimutal (SunDial-LL). Este sistema, denominado ASTEP (Application of Solar Thermal Energy to Processes), es parte de un proyecto europeo H2020. El SunDial-HL se utilizará en una fábrica de tubos de acero en Rumanía que necesita calor a 220 oC para el precalentamiento, mientras que el SunDial-LL servirá a una fábrica de productos lácteos en Grecia que requiere 205 oC para calentamiento y 90 oC para enfriamiento por absorción.

Se utilizó un modelo dinámico para analizar los efectos transitorios en los sistemas ASTEP, con el almacenamiento de energía térmica conectado en serie o en paralelo, revelando que la configuración en serie proporciona un control suave durante condiciones nubladas, mientras que la configuración en paralelo ofrece arranques rápidos. Ambas configuraciones produjeron una energía similar, pero el sistema en serie requiere menos elementos y su control fue más sencillo. Este modelo se utilizó para diseñar una estrategia de control que incluye diferentes niveles de potencia y temperatura. Se observaron pérdidas térmicas significativas (40 %) debido a la pequeña potencia del SunDial. Además, se demostró que la capacidad térmica de las tuberías tiene un impacto en el cálculo de la energía de arranque. Simulaciones anuales utilizando un modelo dinámico simplificado demostraron que la implementación de una estrategia de demanda en niveles mejora la producción de energía en un 7 %.

Se diseñó una instalación experimental en Madrid para analizar el rendimiento del SunDial y replicar la operación en las fábricas de manera de poder ensayar la estrategia de control. Se utilizó el modelo dinámico para calcular los controladores de dos enfriadores que replicarán el funcionamiento del TES en modo de carga y la demanda. Se definieron tres experimentos y siete KPIs con una incertidumbre máxima del 3 % en el cálculo de la eficiencia del SunDial.

El costo de construcción de los prototipos fue superior a los precios del mercado debido a su tamaño pequeño. Se halló que el costo del colector para una versión más grande del SunDial-HL podría reducirse a 170-265 €/m, haciéndolo más competitivo inclusive utilizándolo en bajas latitudes. Un análisis paramétrico dirigido a reducir el costo nivelado del calor para el sistema ASTEP identificó una configuración óptima con costos entre 23.6 y 36.4 €/kWh, lo cual está por debajo del precio actual del gas natural en Europa Central de 33 €/MWh. Además, el SunDial-HL logra un LCOH comparable al de los colectores cilindro parabólico.