Hacia una nueva generación de Centrales Solares Termoeléctricas

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El aprovechamiento térmico a alta temperatura de la energía solar concentrada está registrando un auge extraordinario, con multitud de proyectos comerciales en España, EE.UU. y otros países como Israel, China e India, siendo la gran esperanza para llegar a complementar a la energía eólica en los objetivos de implementación masiva de las energías renovables fijados para los años 2020 y 2050. En buena medida esta primera generación de proyectos comerciales se ha basado en desarrollos tecnológicos y conceptos madurados tras más de dos décadas de investigación, donde España ha jugado un papel esencial. Sin embargo la generación actual de plantas solares termoeléctricas todavía se basa en esquemas y dispositivos tecnológicamente conservadores que no explotan el enorme potencial de la energía solar concentrada. La investigación y desarrollo en estas tecnologías ya está abordando diseños y aplicaciones a nuevos ciclos termodinámicos más eficientes y a procesos químicos endotérmicos a alta temperatura, mediante esquemas más modulares, con menor impacto ambiental, alta eficiencia y soluciones de almacenamiento de la energía que mejoren su gestionabilidad y adaptación a las curvas de demanda.

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FUENTE – Madri+d – 28/04/09

En el escenario energético actual cada vez se evidencia un mayor número de elementos que añaden complejidad al siempre difícil ejercicio de la prospectiva tecnológica energética y de la elaboración de proyecciones a futuro. En el caso concreto de la producción de electricidad, la liberalización del mercado plantea serias dificultades a la implantación de nuevas tecnologías, sean renovables o no, que impliquen cierto riesgo y concentración de inversiones altas al comienzo del proyecto. No obstante, estamos asistiendo en los últimos cuatro años a la aparición con fuerza en el escenario energético de las conocidas como Centrales Solares Termoeléctricas (CST), con dos grandes polos dinamizadores del mercado, España gracias al decidido apoyo que el R.D. 661/2007 establece para las CST y que está sirviendo para generar una gran ebullición de proyectos en nuestro país con más de 2.500 MW de plantas en fase de promoción y construcción, y EE.UU. a partir de las iniciativas de algunos Estados del Suroeste como Nevada, Colorado, Arizona y sobre todo California, con más de 5.000 MW en promoción (www.protermosolar.org).

Todas estas iniciativas vienen apadrinadas desde el convencimiento de que los objetivos de reducción de emisiones y de diversificación energética previstos a lo largo del presente siglo, sólo podrán conseguirse con una implantación masiva de la más abundante de las energías renovables, la energía solar. Se estima que con un 1% de la superficie desértica del planeta sería suficiente para cubrir la demanda eléctrica mundial con sistemas CST. En España se mantendría dicha proporción. Las Centrales Solares Termoeléctricas, por su capacidad de generación eléctrica a gran escala a partir de un recurso energético inagotable y su capacidad de integrar dispositivos de acumulación térmica e hibridación con combustibles fósiles de apoyo, están llamadas a cubrir una parte muy significativa de la demanda en los países del cinturón solar (Becker, Meinecke, Geyer, Trieb, Blanco, Romero y Ferriere, 2002). El potencial técnico-económico de producción solar termoeléctrica en España, asumiendo emplazamientos apropiados con irradiancias superiores a los 2.000 kW/m2/año, es de 1.278 TWh/año, siendo la demanda actual inferior a los 300 TWh/año. Todo el sur peninsular situado por debajo del paralelo 40º, así como amplias zonas de las cuencas del Ebro y el Duero, presentan excelentes condiciones para el aprovechamiento de la radiación solar. El potencial solar resulta inconmensurable en nuestro entorno cercano y sólo basta mirar hacia el sur del Mediterráneo. El caso más espectacular es el de Argelia con un potencial técnico-económico de producción de electricidad solar cercano a los 170.000 TWh/año (Como referencia el consumo actual de la UE-27 es inferior a 3.500 TWh/año).

La tecnología solar termoeléctrica consiste en el empleo de la radiación solar incidente sobre la superficie terrestre para el calentamiento de un fluido que se hace pasar posteriormente por una etapa de turbina, bien directamente, en las configuraciones sólo-primario, o a través de un sistema de intercambio térmico con otro fluido que circula por la turbina en la configuración conocida como primario-secundario. Tras la etapa compuesta por los equipos propiamente solares, concentrador óptico y receptor solar, este esquema tiene muchas similitudes con las tecnologías termoeléctricas convencionales basadas en la conversión mecánica del calor, y ulteriormente la generación eléctrica, en un alternador a partir de un movimiento mecánico rotativo. Las centrales termosolares para producción de electricidad implican siempre diseños de sistemas de concentración que tratan de migrar a gran tamaño, y en condiciones reales de operación, geometrías que se aproximan a la del concentrador parabólico ideal. Habitualmente se usan concentradores solares por reflexión para alcanzar las temperaturas requeridas en la operación de los ciclos termodinámicos. Los cuatro conceptos de concentración solar más utilizados son (Romero y Zarza, 2007):

  • Concentradores cilindro-parabólicos y concentradores lineales Fresnel por reflexión: Son concentradores de foco lineal con seguimiento en un solo eje, concentraciones de la radiación de 30 a 80 veces y potencias por campo unitario de 30 a 80 MW.
  • Sistemas de torre o de receptor central: Consisten en un campo de helióstatos que siguen la posición del Sol en todo momento (elevación y acimut) y orientan el rayo reflejado hacia el foco colocado en la parte superior de una torre. Los órdenes de concentración son de 200 a 1.000 y las potencias unitarias de 10 a 200 MW.
  • Discos parabólicos: Son pequeñas unidades independientes con reflector parabólico habitualmente conectado a un motor Stirling situado en el foco. Los niveles de concentración son superiores (1.000-4.000) y las potencias unitarias son de 3 a 25 kW.

En buena medida la primera generación de proyectos comerciales se está basando en desarrollos tecnológicos y conceptos madurados tras más de dos décadas de investigación, habiendo tenido España una participación muy activa en dichos desarrollos a través de la Plataforma Solar de Almería, centro de ensayos en sistemas de concentración solar del CIEMAT, Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas perteneciente al Ministerio de Ciencia e Innovación, que juega un papel determinante dentro del marco de cooperación internacional en estas tecnologías (Romero, Zarza y Blanco, 2001). Sin embargo la generación actual de plantas solares termoeléctricas todavía se basa esencialmente en esquemas y dispositivos tecnológicamente conservadores que no explotan el enorme potencial de la energía solar concentrada.

Los principales proyectos hacen uso de tecnologías de concentradores cilindroparabólicos de baja concentración en dos dimensiones y foco lineal (Price, Luepfert, Kearney, Zarza, Cohen, Gee, Mahoney, 2002), o sistemas de torre central y campo de helióstatos (Romero, Buck, Pacheco, 2002), operando con fluidos térmicos a temperaturas relativamente modestas, por debajo de 400ºC. La consecuencia más inmediata de estos diseños conservadores es la utilización de sistemas con rendimientos inferiores al 20% nominal en la conversión de radiación solar directa a electricidad, la fuerte limitación en el uso de sistemas eficientes de almacenamiento de energía, el gran consumo de agua y de terreno por la ineficiencia en la integración con el bloque de potencia, la carencia de esquemas racionales para su integración en arquitecturas de generación distribuida y la limitación para alcanzar temperaturas necesarias para abordar procesos de generación por vía termoquímica de combustibles solares, como el vector hidrógeno. Los costes de generación en España están todavía por encima de los 0,18 €/kWh y los costes de inversión se sitúan entorno a los 4.000 €/kW.

Afortunadamente ya se encuentran en marcha importantes proyectos de I+D que adelantan lo que entenderíamos por segunda generación de CST. El Instituto Madrileño de Estudios Avanzados IMDEA Energía está firmemente comprometido con estos desarrollos e incluye entre sus objetivos prioritarios la investigación en sistemas de concentración solar para producción de electricidad y combustibles sostenibles. El objetivo para la nueva generación de plantas comerciales estaría en bajar de los 2.500 €/kW y 0,12 €/kWh hacia el año 2020, con sistemas capaces de operar por encima de las 4.000 horas anuales equivalentes, en consonancia con el escenario propuesto en la Hoja de Ruta Europea ECOSTAR (Pitz-Paal y col., 2005). En tecnología de colectores cilindroparabólicos se persiguen mejoras que permitan reducir el número de intercambiadores y etapas, como es el caso del desarrollo de la tecnología de generación directa de vapor (tecnología GDV) con ensayo en planta piloto y posterior cambio de escala. Los sistemas de reflectores lineales tipo Fresnel también aparecen como una opción alternativa que en los próximos años pueden entrar en el mercado de la producción de vapor saturado. Pero realmente los grandes candidatos a revolucionar la tecnología solar termoeléctrica son los sistemas operando a altas temperaturas (500-1200ºC) y altos flujos de radiación solar concentrada (> 1MW/m2), basados tanto en sistemas disco-Stirling, como en sistemas de Receptor Central. Las nuevas tecnologías a implementar se caracterizarán por su modularidad, su alta eficiencia y la capacidad de almacenar de forma competitiva la energía captada.

Los sistemas disco-Stirling destacan por su implantación modular y alto rendimiento, sin consumo de agua asociado, con potencias unitarias entre 3 y 25 kW. La experiencia operacional con sistemas disco-Stirling se circunscribe, no obstante, a unas pocas unidades ensayadas fundamentalmente en EE.UU. y en Europa, más concretamente en la Plataforma Solar de Almería, aunque en el caso Europeo, fundamentalmente con tecnología Alemana (Mancini, Heller, Butler, Osborn, Schiel, Goldberg, Buck, Diver, Andraka, Moreno, 2003). Parece oportuno que desde los agentes tecnológicos e industriales ligados a las CST en España, se aborde una iniciativa estratégica que permita desarrollar una tecnología propia en sistemas disco-Stirling, en línea con las recientes propuestas de solarizar motores Stirling dinámicos de pistón libre.

Asimismo resulta esencial potenciar la investigación en dispositivos y sistemas de almacenamiento electroquímico, fundamentalmente baterías, que doten de capacidad de despacho a la red eléctrica a estos motores solares. Dado que la interfase electrodo/electrolito es primordial en todos estos dispositivos, para cualquier desarrollo adaptado a la tecnología disco-Stirling es necesario optimizar la relación coste/rendimiento de electrodo y electrolito mediante la modificación de los materiales, ya sea mejorando la reversibilidad de los procesos electródicos en las baterías de litio o reduciendo los sobrepotenciales de reacción en el caso de las baterías de flujo.

La otra aproximación de futuro se centraría en el desarrollo de los llamados sistemas modulares multitorre, conocidos en inglés como Multi Tower Solar Arrays o MTSA (Mills, 2004), consistentes en campos ultra-compactos de pequeños helióstatos y torres de pequeña altura. Recientemente han aparecido soluciones tecnológicas en EE.UU. (eSolar), Israel (BrightSource y AORA) y Australia (Cloncurry) que apuestan por este tipo de sistemas que permiten una integración mejor en el entorno y la utilización de ciclos termodinámicos más eficientes. Actualmente en España no existen líneas de investigación en esta materia, pero la base científica y tecnológica acumulada en la tecnología de grandes plantas de receptor central tras las primeras experiencias comerciales como PS10 y PS20 de la empresa Abengoa Solar y la planta Gemasolar de la empresa Torresol Energy, puede ser adaptada para la tecnología MTSA. Un programa sólido de I+D en tecnología MTSA deberá acompañarse de desarrollos en receptores y reactores solares capaces de operar a altas temperaturas (hasta 1200ºC), y la integración de turbinas de combustión sin consumo de agua y de procesos químicos para la obtención de hidrógeno de manera que las CST puedan alcanzar su máxima gestionabilidad (Steinfeld, 2005). Sólo con sistemas compactos, trabajando a altas temperaturas y altos flujos de radiación se podrá conseguir esto de forma eficiente.

Las CST de segunda generación serán sin duda más competitivas como resultado de una mayor eficiencia en la conversión de la energía solar, pero también serán más versátiles al poder abrirse a nuevas formas de aprovechamiento térmico y también tendrán menos impacto en el medio ambiente por su concepción modular y su nulo consumo de agua. España, que ha sido pionera en la etapa inicial de concepción de estos sistemas, y que juega un papel de liderazgo en la promoción y explotación de estas tecnologías en la actualidad, tiene también la oportunidad de liderar la vanguardia tecnológica hacia las CST del futuro.

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