Tanto si piensas que puedes, como si piensas que no puedes, estás en lo cierto. Henry Ford (1863-1947). Industrial estadounidense.
30/12/2009 - 10:07h

La termoeléctrica, el futuro de la energía solar



Plataforma solar de AlmeríaUna central solar termoeléctrica es un tipo más de central termoeléctrica convencional en la que se sustituye la caldera de gas, carbón o reactor nuclear por un sistema capaz de transformar la energía radiante del sol en calor, o lo que se podría llamar una "caldera solar". Dicha "caldera" es capaz de aprovechar la energía solar que llega a la superficie terrestre y transformarla en energía térmica de un fluído -líquido o gas- que posteriormente aporta su energía a una turbina. Por lo tanto, tan solo hemos de pensar que el aporte solar va a sustituir a los combustibles fósiles que conocemos hasta ahora -carbón, gas, etc. 

 
Pero esta situación ideal, en la que se sustituye un combustible costoso y cuyo precio oscila con los vaivenes del mercado por otro gratuitio, tiene algunos inconvenenientes. Algunos de éstos son intrínsecos a la naturaleza misma de la fuente energética,  que en este caso es el Sol, y otros están relacionados con la tecnología utilizada. Siendo el Sol el origen de la energía primaria, la radiación que llega  a la superficie terrestre tiene una baja densidad (necesitamos mucha superficie para conseguir los niveles necesarios en una planta termoeléctrica, y además sufre fluctuaciones predecibles, como son el paso del día a la noche, pero también impredecibles, como son el paso de las nubes. En cuanto a los inconvenientes asociados a la tecnología, está el hecho de ser relativamente joven, con un amplio margen de mejora y optmización, sobre todo en cuanto a reduccón de costes.

Se dice que es una tecnología relativamente joven a pesar de que en el siglo XVII ya se contaba con espejos de un metro y medio de diámetro, realizados con láminas de cobre y utilizados para originar la combustión o el calentamiento de objetivos. Pero estos dispositivos pasaron de meros inventos más o menos acertados hasta los años 80 del pasado siglo, en el que de nuevo una crisis energética relanzó la idea de la utilización de la energía solar, con la construcción de las primeras centrales solares termoeléctricas comerciales- ocho de las nueve plantas construidas entonces siguen en la actualidad funcionando, aportando electricidad a la red desde entonces. En la actualidad, un transfondo de crisis junto con una mayor sensibilización con los problemas medioambientales, ha servido como motor a este creciente interés que vivimos actualmente, no sólo a nivel español.

En respuesta a la pregunta que plateábamos al inicio sobre el funcionamiento de estas plantas, recordemos que es similar al de una planta convencional, pero sustituyendo la caldera de combustible fósil por lo que denominábamos "caldera solar". Esta caldera debe estar formada por un sistema capaz de concentrar la radiación solar, debido a que el flujo de energía que llega a la superficie terrestre no es lo suficientemente elevado como para cubrir las necesidades de estos sistemas. La concentración de la radiación se consigue utilizando espejos que focalizan la radiación sobre un área determinada, aumentando así su densidad energética. Al utilizar un elemento concentrador y puesto que el sol cambia su posición a lo largo del día, es necesario utilizar sistemas de "seguimiento solar" que permiten situar el elemento concentrador alineado con el sol en cada instante.          

Clasificación de las plantas solares termoeléctricas


Los sistemas de concentración se agrupan según el nivel de concentración en baja, media y alta. Ejemplo de sistemas de baja concentración son aquellos que utilizan espejos planos. Los sistemas de media concentración tienen concentración lineal y son los colectores cilíndrico-parabólicos y los sistemas Fresnel. Finalmente, en el grupo de sistemas de alta concentración, que tienen concentración puntual, están los sistemas de torre central y los discos parabólicos. Los niveles de energía primaria exigidos en las plantas termoeléctricas hacen que para estos casos solo sea posible utilizar "calderas solares" que trabajen con media y alta concentración.

El colector cilindrico parabólico es un sistema capaz de concentrar sobre la línea focal de un canal parabólico la radiación que incide sobre los espejos situados en dicho canal. En el foco está situada una tubería por la que circula un fluido encargado de absorber y transportar la energía térmica recogida en el colector. Esta tubería está protegida del exterior por una cubierta transparente de vidrio. Al conjunto tubería-cubierta se le denomina receptor. Es la tecnología sobre la que se tienen mayor experiencia, ya qe las primeras plantas solares comerciales se construyeron utilizando esta tecnología y es una de las que se está utilizando en las plantas solares construidas en España.

Los reflectores tipo Fresnel tienen un foco lineal pero a diferencia de los otros colectores, éste permanece fijo y situado en una estructura por encima de los espejos reflectores. Estos últimos son moviles y están situados sobre una plataforma paralela al suelo. En el foco se sitúa el receptor por el que circula un fluido encargado de recoger la energía captada. Aunque este concepto cuenta con menos experiencia comercial, existe una planta de 1.4 MW construida en Murcia.

Los sistemas de torre central, también denominados de receptor central con campo de heliostatos, consigue concentrar la radiación en un único punto o foco situado en la parte superior de una torre en torno a a la cual se distribuye un conjunto de espejos de un tamaño considerable, de hasta 150 m2 de superficie., que son los encargados de concentrar la radiación solar sobre el foco. Ejemplos en España de esta tecnología los tenemos en las plantas PS10 y PS20 de la provincia de Sevilla.

Finalmente, los discos parabólicos, como en el caso anterior, tienen una concentración puntual conseguida a partir de un reflector con forma de paraboloide que concentra la radiación sobre el foco, en el que se suele situar un motor Stirling capaz de generar directamente electricidad. Es la tecnología con menor experiencia comercial.

Por tanto, el componente solar de las plantas solares termoeléctricas nos permite hacer una clasificación de las mismas, encontrándonos así con plantas de torre y de colectores cilindrico-parabólicos, que son las tecnologías de mayor difusión en la actualidad.

Funcionamiento de una planta termoeléctrica

El funcionamiento de una planta termoeléctrica se inicia con la radiación solar que incide sobre los espejos y que es redirigida al foco de los mismos , done llega concentrada. De esta manera, la energía captada en toda la superficie de los espejos incide sobre un área más pequeña, aumentando de esta forma la densidad de energía. Esto hace que se caliente el material del que está hecho el foco, que a su vez calienta el fluido que circula por su interior. Dicho fluido, que funciona como sistema transportador de la energía, esa conducido hasta el intercambiador de calor, donde cede su energia al agua del ciclo de Rankine. A partir de este momento el funcionamiento es el mismo que el de una central convencional, ya que el vapor generado se expande en la turbina, transformándose la energia termica en mecánica, que finalmente es convertida en electricidad en el generador. Dicho vapor, después de su expansión, llega al condensador, donde pasa de nuevo al estado líquido.

Para evitar el inconveniente de la trasitoriedad de la radiación solar propio de estos sistemas, se puede o bien adaptar la producción a las oscilaciones de la mismas, o bien utilizar sistemas de almacenamiento de energía que permitan producir energía eléctrica en los momentos en los que la demanda no coincida con la disponibilidad de radiación. En este caso, la "calderas solar", debe suministrar energía suficiente como para alimentar no solo el ciclo de Rankine, sino también el sistemas de almacenamiento térmico. De esta manera, cuando la caldera solar no funcione por falta de radiación, seguirá funcionando la turbina alimentada por almacenamiento.

El futuro de la termoeléctrica


Las centrales solares termoeléctricas se presentan como una de las aplicaciones con más fuerza para el futuro, pudiendo suministrar hasta el 5% de la demanda mundial de energía en el año 2040. Según otras fuentes, en un escenario de desarrollo industrial moderado, la energía solar térmica de concentración podría abastecer para 2030 entre el 3% y el 36.% de las necesidades energéticas previstas en el mundo y entre el 8.5% y el 11.8% en 2050. Estos ratios podrían alcanzar entre el 18.3% y el 25.7% en 2050.

A finales de 2008, las instalaciones de energía solar térmica de concentración proporcionaban 471 MW de la generación de electricidad mundial, de los cuales 340 MW eran de plantas solares termoeléctricas con colectores cilindrico-parabólicos  conectados a la red eléctrica del sur de California desde los años ochenta. Los nuevos proyectos en construcción, especialmente en España, contribuirán al menos con otros 730 MW para 2011. De igual manera, en Estados Unidos hay proyectos en proceso de planificación y desarrollo de hasta 7.000 MW, más de 10.000 MW en España, que podrían estar funcionando para 2017.

Nuestra experiencia como grupo de investigación se inicia en el año 1977 cuando se creó la Plataforma Solar de Almería (PSA). Desde entonces, se ha trabajado para promover la introducción en el mercado de las tecnologías termoeléctricas y las derivadas de los procesos de química solar, así como potenciar la innovación tecnológica y la cooperación entre el sector empresarial y las instituciones científicas en el campo de la investigación, el desarrollo y la demostración. Es en la actualidad cuando se ve claramente el fruto de todos estos años de trabajo, lo que nos produce una gran satisfacción a la vez que nos empuja a  seguir adelante en la contribución a la mejora de esta tecnología.

Autoras:
Lourdes González Martínez y Esther Rojas Bravo, Investigadoras del Grpo de Media Concentracikón de l aUnidad de Sistemas de Concentración Solar de la PSA.
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