Tecnologías termosolares a concentración para generación de

Boletín IIE
abril-junio-2013
Breves técnicas
Tecnologías termosolares a concentración
para generación de electricidad
Carlos Ramos Berumen
[cramos@iie.org.mx]
La energía solar es la fuente de energía más limpia, abundante y renovable de
todas las que existen. Los principales desafíos a los que se enfrentan las tecnologías que utilizan esa fuente de energía, como las termosolares a concentración, es poder conseguir que la producción y distribución de energía eléctrica
sea equiparable tanto en penetración, como en contribución y por supuesto en
costos, a las fuentes de combustibles fósiles tradicionales.
En la actualidad existen principalmente cuatro tecnologías para el desarrollo
de la energía termosolar, según la manera que concentran la radiación directa
del sol. Unos dispositivos llamados heliostatos (receptor central), espejos
de geometría lineal o parabólica lineal (tipo Fresnel o canales parabólicos) o
platos parabólicos, colectan la radiación solar y la concentran para calentar
un determinado fluido de trabajo, que a su vez sirve para generar vapor en la
mayoría de las tecnologías. El vapor se expande en una turbina convencional,
para generar electricidad de igual manera que cualquier planta termoeléctrica
convencional. En el caso particular de los platos parabólicos/motor Stirling,
el fluido de trabajo es un gas y se genera electricidad directamente mediante
el motor situado en el foco de la parábola. Estas cuatro tecnologías se pueden
adecuar para operar en forma híbrida, energía solar-combustible fósil o incluir
un sistema de almacenamiento térmico. Estas opciones aumentan las posibili-
dades de disponibilidad de las tecnologías, permitiéndoles entregar energía eléctrica durante mayor
tiempo, aun en horas sin sol.
Las primeras plantas comerciales comenzaron a
operar en California, Estados Unidos a mediados
de la década de los ochenta, aunque dicho mercado
se paralizó, como consecuencia de la reducción en
los precios de los combustibles fósiles y la correspondiente suspensión de incentivos públicos. El
resurgimiento se dio hasta mediados de la década
del año 2000, que reinició con la construcción de
plantas de tamaño comercial, principalmente en
España y Estados Unidos, gracias al establecimiento
de subsidios de los respectivos gobiernos.
A finales de 2012, la potencia termosolar instalada
en el mundo rondaba los 2,600 MWe, liderando
España con cerca de 45 plantas, equivalente a
2,000 MWe, seguida por Estados Unidos con cerca
de 570 MWe (la mayor parte instalada desde hace
más de veinte años). También se encuentran en
operación diferentes plantas en Marruecos, Argelia,
Egipto, Emiratos Árabes, Italia, Australia, China
e India. Además, existen poco más de 2,700 MW
en construcción avanzada, siendo nuevamente
España y Estados Unidos los países que destacan
en este renglón. Por otro lado, existen poco más de
8,000 MW que se están gestando en planes y desarrollo en diferentes partes del Mundo.
Un alto porcentaje (poco más del 90%) de las
plantas utiliza la tecnología de canal parabólico,
seguida por la de receptor central y muy marginalmente la de Fresnel y plato parabólico. Aproximadamente dos tercios de las plantas cuentan con un
almacenamiento y el grueso de éstas con capacidad
no más allá de 50 MW (limitación normativa mas
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Breves técnicas
no técnica), no obstante, las plantas de receptor
central estarían por encima de los 100 MW. La
cobertura de la demanda todavía no es significativa, en comparación con el resto de tecnologías
que componen el parque energético de los diferentes países, aunque su peso se ha visto incrementado notablemente entre 2010 y 2012 (España
alcanzó en 2011 valores cercanos al 1.5%).
Las oportunidades de innovación en las diferentes
tecnologías termosolares a concentración son muy
importantes, ya que a pesar de que se trata de
tecnologías existentes desde los años ochenta, es a
partir de 2006 cuando se ha producido el despegue,
principalmente en España y Estados Unidos. En
este sentido, es fundamental establecer incentivos
económicos que faciliten la I&D&I, aseguren el
avance de la tecnología y eviten que los proyectos
futuros sean una repetición de las plantas actuales.
El esfuerzo que realizan las empresas involucradas
para desarrollar soluciones innovadoras es significativo, sin embargo, el camino por recorrer es todavía
franco. Los estudios efectuados por los diferentes
promotores han mostrado que para acelerar el
proceso de implantación de la tecnologías es recomendable enfatizar en:
• Mayor desarrollo tecnológico en torno al
campo solar (de todas las tecnologías, helióstatos, canales y platos parabólicos, así como
colectores tipo Fresnel).
• Renovación en los procesos de diseño de las
centrales (soluciones tecnológicas específicas
para cada planta).
• Evolución de los procesos de manufactura de
equipos.
• Nuevos conceptos de plantas, evolucionando del tamaño actual a mayores
potencias, configuradas con grandes sistemas de almacenamiento o
hibridación con gas natural, a través de plantas de ciclo combinado o de
cogeneración.
Las mejoras esperadas están contempladas en cada uno de los puntos anteriores, siendo de influencia en mayor o menor grado, dependiendo de cada
una de las tecnologías. Para el caso de las plantas de canal parabólico, las
mejoras estarían involucradas con la generación directa de vapor, incrementando la eficiencia global y la consideración de materiales con cambio de fase
para almacenamiento térmico.
En las plantas de receptor central se esperan diseños innovadores en campos
de helióstatos compartiendo varias torres/receptores, propuestas de diseño de
una gran variedad de receptores, diferentes fluidos de transferencia de calor y
sistemas de almacenamiento.
La tecnología de plato parabólico apunta hacia la reducción de costos mediante
la producción masiva y proyectos demostrativos con fiabilidad de mayor
alcance, consolidando sus ventajas en términos de eficiencia y la utilización de
agua de enfriamiento.
Finalmente, los desarrolladores de la naciente tecnología de colectores tipo
Fresnel (aunque de forma natural se puede generar vapor directo gracias al
receptor fijo) están contemplando muchas de las mejoras inherentes a la tecnología de canal parabólico.
Además de la producción de electricidad, otras posibles aplicaciones de las
tecnologías termosolares incluyen la producción de calor de proceso industrial,
la desalación de agua y la producción de “combustibles solares” como hidrógeno y otros vectores energéticos.
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