martes, 20 de julio de 2021

Plantas de Concentración Solar: el adiós a la intermitencia solar

Ing. Diana Maldonado Castro, MSc. Miguel Fernández Fuentes
Energética – Energía para el desarrollo
Contacto: diana.mc.519@gmail.com / miguel@energetica.org.bo


Gemasolar, España

Introducción

La mayor parte de la energía eléctrica producida en el mundo se basa en combustibles fósiles. Sin embargo, el alto nivel de demanda, el alto precio del mercado y el impacto negativo de las plantas termoeléctricas en el medio ambiente hace que esta dependencia sea insostenible. Dada la estrecha relación entre la energía y la actividad económica, está claro que el desarrollo actual del sistema energético se encuentra en una situación crítica, por lo que, desde hace algunos años, varias autoridades gubernamentales están dando pasos importantes hacia el desarrollo de una matriz energética diversificada.

No obstante, las energías renovables de mayor expansión en este momento como son la fotovoltaica y la eólica, producen energía que debe ser consumida en el mismo instante de la generación; a excepción de la hidroeléctrica de embalse que es perfectamente regulable, la solar y la eólica son fuentes “no flexibles” y exigen prioridad en su consumo.

Adicionalmente existe un problema más, la variabilidad de su producción que puede ser instantánea (ráfagas de viento o nubosidades), horaria y estacional en el año. El aprovecharlas de manera continua y total, exige un control de despacho altamente efectivo que permita controlar la alta variabilidad, o intermitencia de generación.

La manera convencional de regular la intermitencia, sería instalar bancos de baterías que nos permitan justamente almacenar excedentes de energía, a fin de utiliza éste en momentos de déficit y así, lograr un suministro continuo y regulado de la energía. Si bien técnicamente esto es posible, económicamente y con las tecnologías actuales de almacenamiento, no es viable.

En enero de 2017, IRENA, la Agencia Internacional de Energías Renovables (International Renewable Energy Agency), publicó su reporte anual de costos energéticos, donde muestra que las Plantas de Concentración Solar serán capaces de proveer electricidad a un precio entre $US 60/MWh y $US 100/MWh para el 2020 [1] [2], abriendo una ventana de oportunidad a la energía solar en este campo, pero, ¿qué son las Plantas de Concentración Solar?

Plantas CSP

La tecnología energética solar está dividida en dos grandes ramas: la solar fotovoltaica y la solar termoeléctrica. A ésta última se la denomina Plantas de Concentración Solar o CSP (Concentrated Solar Power).

En general, en estas plantas, la energía solar es convertida en calor y transferida a un material que la almacene, los sistemas termoslares de calentamiento de agua para usos sanitarios son la aplicación más extendida de esta tecnología.

Sin embargo, en el caso de las plantas CSP, estas operan a altas temperaturas y utilizan espejos (heliostatos) para direccionar la radiación procedente del sol hacia un receptor a fin de calentar un fluido (agua, aceite, sales fundidas, etc.), que posteriormente generará electricidad térmica como cualquier otra central termoeléctrica (Figura 1).

Figura 1. Esquema general de una Planta de Concentración Solar Fuente: [2]

En la actualidad, existen 4 tecnologías de concentración principales que pueden ser categorizadas por la forma en la que “enfocan” los rayos solares y la tecnología que usan para “recibir” la energía solar, estos son: los Colectores Lineares Fresnel, Torres de Concentración, Canales Parabólicos y Reflectores Parabólicos [3].

A diferencia de las tecnologías solares fotovoltaicas (PV), las CSP tiene una capacidad inherente para almacenar energía térmica durante cortos períodos de tiempo, de 2 a 15 horas aproximadamente [3], para su posterior conversión a electricidad (Figura 1). Cuando se combinan con la capacidad de almacenamiento térmico, las plantas CSP pueden continuar produciendo electricidad incluso cuando las nubes bloquean el sol o después de la puesta del sol. En ocasiones, dichas plantas también pueden estar equipadas con energía de respaldo de combustibles. Es decir, de funcionar adecuadamente la tecnología se dispondría de una solución factible a la intermitencia solar, para producir electricidad de manera estable.

Almacenamiento térmico

Existe una gran variedad de técnicas de almacenar la energía térmica, sin embargo, durante los últimos 20 años, los científicos tienen enfocada la mirada en una serie de materiales que son capaces de almacenar grandes cantidades de energía al cambiar de fase (de sólido a líquido, o viceversa), a una determinada temperatura. A estos materiales se los denomina: Materiales de Cambio de Fase (PCM), almacenan la energía en forma de calor latente y se los considera una de las formas más eficientes de almacenamiento [4].

El almacenamiento de calor latente es, por tanto, dependiente del cambio de entalpia y puede ser determinado de la siguiente ecuación. Donde ∆H, es la variación de entalpia (J); y m, es la masa del material (g) [5].

∆Q = m × ∆

La selección del material de almacenamiento de energía térmica adecuado para una aplicación es crucial. Dicha selección depende de diferentes factores, ya que el PCM debe mostrar propiedades deseables que están asociadas con la cinética, termodinámica, química y economía de la energía a almacenar [6]. Los PCMs pueden ser clasificados en diferentes clases dependiendo de sus composiciones químicas [7]. La Figura 1 nos muestra que los materiales de almacenamiento basados en PCM están generalmente divididos en materiales orgánicos (parafinas y alcanos) y compuestos inorgánicos como: sales, sales hidratadas, metales y aleaciones. Aun cuando el agua es el medio más habitual para el almacenamiento de energía debido a sus propiedades térmicas y a su bajo coste, pequeñas cantidades de PCM pueden provocar una mejora significativa del rendimiento del sistema, consiguiéndose que el agua del depósito se mantenga a una temperatura próxima a la de uso durante un periodo de tiempo considerablemente mayor, sin la necesidad de aportación de más energía.

La selección del material de almacenamiento de energía térmica adecuado para una aplicación es crucial. Dicha selección depende de diferentes factores, ya que el PCM debe mostrar propiedades deseables que están asociadas con la cinética, termodinámica, química y economía de la energía a almacenar [6]. Los PCMs pueden ser clasificados en diferentes clases dependiendo de sus composiciones químicas [7]. La Figura 2 nos muestra que los materiales de almacenamiento basados en PCM están generalmente divididos en materiales orgánicos (parafinas y alcanos) y compuestos inorgánicos como: sales, sales hidratadas, metales y aleaciones.


Figura 2. Materiales utilizados para el Almacenamiento Térmico de Energía (TES). Fuente: [7]

Los compuestos orgánicos están dentro de los materiales más estudiados y usados, teniendo un amplio rango de posibles aplicaciones. En cambio, los inorgánicos, mayormente conocidos como sales fundidas presentan una mayor capacidad de almacenamiento de calor por unidad de volumen y un precio bastante competitivo, sin embargo, una menor estabilidad química [5].

Almacenamiento en plantas CSP

Por todo lo citado anteriormente, queda claro que el almacenamiento térmico, como un componente explícito y determinante del sistema, ha permitido evolucionar y generar valor a las tecnologías CSP, y que, la introducción de los PCM conduce a una acumulación térmica más eficiente y rentable.

En el caso específico de las plantas CSP, los materiales de cambio de fase más ampliamente utilizados corresponden a las sales fundidas. Éstas pueden ser utilizadas como fluidos de transferencia de calor o también como medios de almacenamiento en tanques, donde para ambos casos su objetivo principal es almacenar y liberar calor latente [8]; y adicionalmente, disminuir los volúmenes de almacenamiento y transferencia requeridos.

Las sales fundidas utilizadas en este campo, comúnmente tienen un rango de temperatura de trabajo que va desde los 200 ˚C hasta los 600 ˚C, logrando un mejor aprovechamiento de los recursos solares disponibles y permitiendo una operación 24/7 de la planta de concentración.

Tecnologías CSP en el mundo

Una de las primeras plantas CSP fue incorporada en España, el Andasol 3, un sistema de cilindros parabólicos con un sistema de almacenamiento significante de 7,5 h de carga y una potencia de 50 MW. Otro gran ejemplo es el sistema SEGGS de 354 MW, en California, Estados Unidos, genera 662 GWh de energía al año. En el caso de las tecnologías de torre central, contamos con Gemasolar, ubicada en Sevilla, España. Es la primera planta a escala comercial en el mundo, que aplica la tecnología de receptor de torre central y almacenamiento térmico en sales fundidas. Tiene una capacidad de 19,9 MW y es capaz de producir anualmente más de 110 GWh netos.

En cuanto a Latinoamérica, Chile lidera el campo de las energías renovables solares con su proyecto Atacama 1, una planta de energía solar híbrida entre los sistemas PV y CSP. El componente CSP es una torre de 110 MW con 17,5 h de almacenamiento, por lo que es uno de los mayores proyectos de CSP hasta la fecha [2], incluyendo una planta PV de 100 MW. La ubicación conjunta de una instalación híbrida de este tipo está significativamente influenciada por las limitaciones de transmisión desde el punto de generación hasta el punto de uso, y se argumenta que los costos de conexión y transmisión pueden compartirse cuando se operan de manera óptima dichos híbridos.

Cabe añadir que los avances chilenos también han incursionando en el campo investigado de nuevos materiales de cambio de fase para su aplicación en el campo solar [9]. Varios de los nuevos materiales (en su mayoría sales inorgánicas) son subproductos o desechos de la industria minera del norte de Chile, los cuales han demostrado ser materiales con un mejor rendimiento y un menor costo.

El futuro que le espera a las plantas CSP es bastante prometedor, tal como menciona IRENA [2]. La Figura 3 nos muestra que a la fecha, España y Estados Unidos lideran el mercado de los sistemas termosolares. Sin embargo, gracias a políticas gubernamentales y su alta capacidad tecnológica, puede que China se convierta en un país modelo en el campo.

 


Figura 3. Capacidad de Plantas CSP, en operación, construcción y futuros proyectos (aspiracional). Fuente: [2]

 

Conclusiones

Queda claro que las plantas CSP son las tecnologías renovables eléctricas que más directamente amenazan a las termoeléctricas basadas en gas natural, debido a su capacidad (con almacenamiento) para entregar energía a pedido. Adicionalmente, el uso de sales fundidas es reconocida como la herramienta principal del estado de madures alcanzado por estas tecnologías.

Estas plantas no solo pueden llegar a cubrir la demanda eléctrica, sino, puede producir cantidades significativas de calor a alta temperatura para procesos industriales y, en particular, puede ayudar a satisfacer la creciente demanda de desalinización de agua en los países áridos.

Varios estudios concuerdan que, los países en desarrollo que se los clasifica como “soleados” son mercados en crecimiento potencial para este tipo de tecnologías, por tanto, sería interesante preguntar ¿Qué futuro le espera a Bolivia en el campo energético solar?

Para finalizar, se debe entender que las tecnologías renovables no solo deben abordar un enfoque de generación, sino de consumo responsable. La nueva matriz energética que vaya a remplazar a nuestro actual sistema debe tener un enfoque integrativo donde el almacenamiento energético es importante en todos los puntos de vista del sistema, desde los recursos primarios hasta el consumidor final.

 

Bibliografía

[1]

IRENA, «Renewable Power Generation Costs in 2017,» International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, 2018.

[2]

P. Gauché , J. Rudman, M. Mabaso, W. Landman, T. Backstrom y A. Brent, «Riview: System value and progress of CSP,» Solar Energy, 2017.

[3]

S. Kraemer, «Clean Technica,» 31 Octubre 2016. [En línea]. Available: https://cleantechnica.com/2016/10/31/how-csp-works/.

[4]

B. Zalba, L. Cabeza y H. Mehling, «Review on thermal energy storage with Phase Change Materials, heat transfer analysis and applications,» Applied Thermal Engineering, pp. 251-283, 2013.

[5]

S. Lucas, V. Ferreira y J. Barroso, «Latent heat storage in PCM containing mortars - Study pf microstructural modifications,» Energy and Buildings, vol. 66, pp. 724-731, 2013.

[6]

S. Mohamed, F. Al-Sulaiman, N. Ibrahim, M. Zahir, A. Al-Ahmed, R. Saidur, B. Yilbas y A. Sahin, «A review on current status and challenges of inorganic phase change materials for thermal energy storage systems,» Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016.

[7]

C. Barreneche, H. Navarro, S. Serrano, L. Cabeza y I. Fernández, «New database on phase change materials for thermal energy storage in buildings to help PCM selection,» Energy Procedia, nº 57, pp. 2408-2415, 2014.

[8]

Solar Reserve, «Solar Reserve,» 2018. [En línea]. Available: http://www.solarreserve.com/en/technology.

[9]

S. Ushak, A. Gutierrez , H. Galleguillos, A. Fernandez, L. Cabeza y M. Grágeda, «Thermophysical characterization of a by-product from the non-metallic industry as inorganic PCM,» Solar Energy Mmaterias & Solar Cells, nº 132, pp. 385-391, 2015.


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