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
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
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
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)
∆Q = m × ∆H
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
Figura 2. Materiales
utilizados para el Almacenamiento Térmico de Energía (TES). Fuente:
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
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
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
El futuro que le
espera a las plantas CSP es bastante prometedor, tal como menciona IRENA
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. |
No hay comentarios:
Publicar un comentario