Centrales eléctricas termosolares: desde la curiosidad experimental a un mercado global

En España se han alcanzado, a finales de 2010, más de 800 MW conectados la a red, y en el año 2013 se espera alcanzar los 2.500 MW. El nuevo Plan de Acción Nacional en Energías Renovables (PANER) establece un objetivo de 5.000 MW para estas tecnologías en el año 2020. En EE UU, el apoyo del Gobierno Federal y de algunos estados del suroeste americano está impulsando más de 8.000 MW en proyectos termosolares. A este desarrollo se están uniendo otros países como India, que recientemente ha presentado el programa denominado Solar Mission que contempla un total de 20 GW de electricidad solar entre plantas fotovoltaicas y termosolares. Otros países que están impulsando proyectos termosolares son Argelia, Australia e Italia [1].

En un estudio de perspectivas de las diferentes tecnologías energéticas recientemente publicado por la Agencia Internacional de la Energía [2], se estima que las Centrales Eléctricas Termosolares (CET) podrían contribuir hasta en un 7% en la reducción de emisiones de CO2 hacia el año 2050, para lo cual habría que apoyar decididamente su implantación en el cinturón solar de nuestro planeta a un ritmo de 20 GW anuales.

Este escenario, futuro tan prometedor para las CET, se ve sin embargo ensombrecido por el hecho de que la generación actual de plantas solares termoeléctricas todavía se basa fundamentalmente 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 media concentración y foco lineal o sistemas de torre central y campo de helióstatos operando con fluidos térmicos a temperaturas relativamente modestas (por debajo de 400ºC), fruto en buena medida de años de esfuerzo en centros pioneros en el mundo como la Plataforma Solar de Almería [3]. En el caso de España, los datos resultan inquietantes, pues un 94% de la potencia a instalar en los próximos años se basa en tecnología de concentradores cilindroparabólicos. La consecuencia más inmediata de estos diseños conservadores es el uso de sistemas con eficiencias inferiores al 20%, la limitación para integrar sistemas de almacenamiento de energía, el alto consumo de agua y de terreno debido a la ineficiente integración con el bloque de potencia, la falta de esquemas razonables de integración en sistemas de generación distribuida y la limitación para alcanzar las temperaturas necesarias para procesos de producción de combustibles.

En paralelo, está comenzando la implantación de una nueva generación de sistemas solares termoeléctricos. Esta nueva generación se caracteriza por su modularidad y sus mayores eficiencias energéticas. La estrategia de diseño se basa en el uso de sistemas de discos parabólicos con motor o microturbina en el foco o de mini-campos dynamicos de helióstatos integrados en ciclos termodinámicos de alta temperatura. En la actualidad, ya hay algunas empresas que están apostando por este tipo de campos con pequeños helióstatos como BrightSource, que ya está ensayando una planta experimetnal de 6 MW en el desierto del Neguev en Israel; la pequeña planta de cogeneración de 100 kW desarrollada por la empresa AORA o el prototipo con sistemas multi-torre construido por eSolar [4].

Modularidad con alta eficiencia o 'small is more than beautiful'.
Estas opciones modulares están tras la concepción fundamental del proyecto Solgemac. Se trata de un programa de investigación financiado en la última convocatoria de ayudas del año 2009 para la realización de programas de actividades de I+D entre grupos de investigación de la Comunidad de Madrid, cofinanciado con el Fondo Social Europeo y coordinado por de Dr. Manuel Romero de la Fundación IMDEA Energía. El Programa de I+D Solgemac involucra a un total de seis grupos de investigación y a dos empresas con relevancia en el sector de la energía solar concentrada con aplicaciones a altas temperaturas, tanto para producción de electricidad como de hidrógeno. Además de la Fundación IMDEA Energía, participan en el proyecto dos Organismos Públicos de Investigación (CIEMAT e INTA), dos Universidades (Universidad Rey Juan Carlos y Universidad Autónoma de Madrid) y las empresas Hynergreen Technologies y Torresol Energy.

El programa de investigación se focaliza en la búsqueda de opciones tecnológicas que permitan desarrollar una futura generación de centrales y sistemas termosolares que abran el abanico de aplicaciones a nuevos ciclos termodinámicos y máquinas térmicas más eficientes y a procesos químicos endotérmicos a alta temperatura. Modularidad de diseño, alta eficiencia en el aprovechamiento térmico, gestionabilidad de la energía térmica producida mediante sistemas de almacenamiento y la integración óptima de los esquemas desarrollados se concretan en:

La actual generación de tecnologías termosolares a alta temperatura se basa en el uso de grandes instalaciones cuya finalidad es optimizar la utilización de grandes turbinas de vapor, operando a temperaturas moderadas. Como consecuencia de ello, son sistemas de generación eléctrica centralizada, ocupando grandes extensiones de terreno en un solo emplazamiento (150 ha), gran consumo de agua (hasta 1 millón de m3/año por instalación) y poca integración en entornos semi-urbanos. La aproximación de Solgemac se basa en el uso de pequeños sistemas de generación distribuida, que permitirían una mejor integración en territorios de alta urbanización como la Comunidad de Madrid, sin consumo de agua, con un menor impacto en el terreno y mayor capacidad de hibridación con combustibles alternativos como hidrógeno. La modularidad se investiga a través de sistemas disco-Stirling y plantas solares multi-torre con campos de helióstatos acoplados a microturbinas de fácil implantación en sistemas urbanos.

La modularidad en la generación lleva necesariamente asociada la obligatoriedad de utilización de sistemas más eficientes en el aprovechamiento de la radiación solar concentrada, para lo cual es necesario desarrollar receptores y reactores capaces de operar con mayores flujos de radiación solar concentrada, lo cual reduciría las pérdidas por radiación, y temperaturas más elevadas para poder integrar la radiación solar en ciclos termodinámicos más eficientes y en procesos termoquímicos endotérmicos. El proyecto Solgemac centra sus actividades en el desarrollo de receptores volumétricos refrigerados por aire y en receptores solares de partículas, así como en el estudio de su durabilidad y eficiencia térmica.

En esta actividad del Programa se concentran los esfuerzos de I+D orientados a conseguir optimizar la gestión de despacho de energía para su uso final mediante el desarrollo de sistemas de almacenamiento que permitan adaptar el suministro a la demanda. En los sistemas actuales, o bien se carece de sistemas de almacenamiento o bien se implementan sistemas de almacenamiento térmico con sales fundidas de nitratos. Las moderadas temperaturas de operación y el bajo ∆T obligan a usar dispositivos acumuladores de grandes dimensiones, complejos de operar y que permiten extender la operación de la planta durante un número limitado de horas. Los actuales sistemas no permiten transportar la energía almacenada fuera del emplazamiento. El Programa Solgemac integra líneas de I+D en almacenamiento de energía acorde con las características de los sistemas modulares de alta concentración y alta temperatura, entre los que destaca la producción de hidrógeno con óxidos metálicos para su  posterior almacenamiento en materiales tipo MOF (Metal Organic Framework) y el almacenamiento electroquímico de electricidad en baterías avanzadas. El proyecto se completa con un estudio comparativo de las distintas tecnologías y el análisis de su integración en sistemas de aplicación comercial.

Manuel Romero
Director Adjunto IMDEA Energía