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ENERGÍA SOLAR TERMOELÉCTRICA COL·LEGI COR DE MARIA (VALLS) UN POCO DE HISTORIA La historia nos explica que Arquímedes fue el primero en utilizar el poder del Sol para vencer a sus enemigos. 1 Arquímedes. Pintura de Domenico Fetti (1588 – 1623) Cuenta la leyenda que, en el año 213 a.C., Arquímedes utilizó espejos para incendiar los barcos romanos que asediaban su ciudad, Siracusa... y parece que tuvo éxito.
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ENERGÍA SOLAR TERMOELÉCTRICA
COL·LEGI COR DE MARIA (VALLS)
UN POCO DE HISTORIA
La historia nos explica que Arquímedes fue el primero en
utilizar el poder del Sol para vencer a sus enemigos.
1
Arquímedes. Pintura de
Domenico Fetti (1588–1623) Cuenta la leyenda que, en el año 213 a.C.,
Arquímedes utilizó espejos para incendiar los barcos
romanos que asediaban su ciudad, Siracusa...
y parece que tuvo éxito.
ENERGÍA SOLAR TERMOELÉCTRICA
COL·LEGI COR DE MARIA (VALLS)
¿POR QUÉ ENERGÍA SOLAR?
De todas las formas de energía, la solar es la más abundante: 120 trillones de
megavatios de luz solar llegan constantemente a la Tierra. Durante un año, el Sol
envía a la Tierra más energía que se encuentra en las reservas de petróleo, gas
natural, carbón y uranio juntas, y 10.000 veces de la que se consume...
Además se trata de una energía ilimitada, económica y ecológica. Entonces, ¿cómo
es que no la utilizamos más?
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El Sol nos proporciona mucha más energía de la que
necesitamos, pero hay que captarla de manera eficiente.
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¿CÓMO PODEMOS OBTENER
ELECTRICIDAD DEL SOL?
La energía termosolar eléctrica basa su funcionamiento en la concentración de los
rayos solares para elevar la temperatura de un fluido, y conseguir de este modo
vapor que accione una turbina que produzca electricidad.
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Sistemas de
captación de la
radiación solar
y conversión en
energía térmica
Sistema de conversión de energía
térmica en energía eléctrica
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LAS SUPERFICIES CONCENTRADORAS
Para concentrar los rayos solares se utilizan superficies reflectantes que concentran
entre 600 y 1.500 veces la radiación del Sol en un punto. Estas superficies pueden
tener forma parabólica o plana.
Obviamente, la superficie reflectante está formada por espejos, puesto que éstos
son capaces de reflejar casi todas las ondas electromagnéticas que llegan del Sol
(pocas pérdidas por refracción). Así, utilizando muchos espejos y enfocándolos a un
mismo punto, aumenta proporcionalmente la radiación que recibe este punto.
EMMAGATZEMATGE AMB SALS
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En el espejo plano, el rayo del puntero
láser sale reflejado con el mismo ángulo
que incide.
Podemos dirigir el rayo hacia cualquier
punto que nos interese sólo orientando el
espejo.
En el espejo parabólico, todos los rayos
se concentran en un punto llamado foco.
Aumentamos así la concentración solar
en un punto.
Para saber la forma de la parábola y la
localización del foco (p), hay que usar la
fórmula: y2 = 4·p·x
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SOLUCIONES A LOS PROBLEMAS:
HIBRIDACIÓN Y ALMACENAMIENTO TÉRMICO
Los sistemas de la energía solar termoeléctrica tienen algunos inconvenientes, por
ejemplo, los días nublados o los días de invierno hay menos horas de Sol y, por lo
tanto, disminuye la producción de energía.
HIBRIDACIÓN: Hay la posibilidad de combinarla con biomasa como fuente
renovable, o bien con gas natural, que es el combustible fósil menos contaminante.
Esto permite cubrir los posibles fallos de suministro solar, mejorar el rendimiento del
conjunto y ajustar la demanda energética de los consumidores con la producción.
ALMACENAMIENTO: Las sales fundidas son una
sustancia que funde a 222ºC y que conserva durante mucho
tiempo el calor; por ejemplo: en un mes sólo baja un grado
la temperatura. Si se calientan junto con el agua durante
las horas de Sol, puede continuar generando electricidad
por la noche o en las horas sin Sol.
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EL SISTEMA CILÍNDRICO PARABÒLICO (I)
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GENERADOR: el vapor de
agua hace girar una turbina.
Esta acciona el generador
y se produce electricidad.
TORRE DE REFRIGERACIÓN:
el vapor de agua se enfría
para poder volver a ser
utilizado.
INTERCAMBIADOR
DE CALOR: el aceite
sintético calienta el agua
que circula por otro tubo
hasta convertirlo en vapor
de agua.
ESPEJO PARABÓLICO: es
el encargado de concentrar
todos los rayos solares
en el tubo receptor, el cual
contiene aceite sintético.
Este es calentado por
acción del Sol a unos
390ºC.en el tubo receptor,
el qual conté oli sintètic.
Aquest és escalfat per
acció del Sol a uns 390ºC.
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ENERGÍA SOLAR TERMOELÉCTRICA
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EL SISTEMA CILÍNDRICO PARABÓLICO (II)
Los rayos que inciden
en el espejo parabólico
se reflejan y se concentran
en el tubo receptor,
calentando el aceite
sintético que contiene.
En el tubo receptor actualmente se utiliza una técnica llamada al vacío, que consiste
principalmente en extraer el aire entre dos tubos: uno de metal que está en el
interior, recubierto de una capa especial de pintura negra a base de materiales de
gran absorción (superior al 90 %) y baja
emisividad a altas temperaturas, y el otro tubo
transparente de vidrio de alta transmitancia en
el intervalo solar. Además, dentro de los tubos
se introducen unos Getters, encargados de
absorber las moléculas de las sustancias que
puedan penetrar entre el tubo metálico y el de
vidrio, para mantener el vacío y evitar pérdidas
de calor por conducción..
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En el tubo que se hace el vacío
la temperatura disminuye más
lentamente que en el otro.
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EL DISCO PARABÒLICO (I)
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Un concentrador solar parabólico concentra los
rayos solares en la parte apropiada del motor
Stirling que genera un trabajo mecánico, y este
mediante un alternador, lo convierte en energía
eléctrica.
En el caso del disco parabólico
se utiliza como fluido helio o
hidrógeno. El disco parabólico
rastrea el sol a dos ejes.
MOTOR STIRLING
El receptor absorbe la energía
lumínica que refleja el espejo
convirtiéndola en energía
térmica.
ESPEJO
PARABÓLICO
ENERGÍA SOLAR TERMOELÉCTRICA
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EL DISCO PARABÓLICO (II)
Un concentrador solar parabólico concentra los rayos solares en la parte apropiada
del motor Stirling que genera un trabajo mecánico, y este mediante un alternador, lo
convierte en energía eléctrica.
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8,5 metros
4,1 metros
MOTOR STIRLING
ESPEJO PARABÓLICO
Cada disco parabólico
tiene una capacidad de
10 a 50 KW.
En el caso del disco parabólico
podemos instalar uno a nivel
particular sin necesidad de
construir una gran planta.
Son los más eficientes de todos los colectores,
tienen factores de concentración alrededor de 600
a 2.000 veces la luz del Sol y logran temperaturas
600 a 1.200 ºC, de 50 a 200 bar de presión.
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EL MOTOR STIRLING
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El motor Stirling transforma la energía
calorífica en energía mecánica.
Trabaja a 650 grados
y tiene una eficiencia
entre 30 y 35%.
Es un motor de combustión
externa, puesto que el calor
que usa proviene del exterior.
Es un motor silencioso
puesto que no es de
explosión.
Es un motor de reacción lento puesto que
desde que empieza a calentarse hasta que
empieza a funcionar tarda un poco. Pero es
el mejor de estos tipos de motores.
Tiene un foco de temperatura caliente en la
parte inferior y frío en la superior; debido a
la diferencia de temperatura se mueve el
pistón generando electricidad.
Agua caliente
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EL SISTEMA FRESNEL (I)
Una de las nuevas maneras de aprovechamiento térmico de la energía solar es el
concentrador lineal Fresnel, que destaca por la sencillez de su construcción y por el
bajo coste.
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La tecnología Fresnel permite un
máximo aprovechamiento de la
superficie, puesto que la forma plana
de los espejos y el hecho de estar
fijados reduce el problema de
sombras entre ellos.
Aunque la concentración lineal
sea inferior a la puntual porque
consigue temperaturas más bajas,
se puede compensar ocupando
más superficie.
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Utiliza reflectantes planos que,
por filas, se orientan para
concentrar la radiación solar en
un mismo tubo absorbedor.
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El agua del tubo se calienta
a temperaturas de 270 ºC
aproximadamente, 25-120 bar
de presión. Esto produce
vapor, que se convierte en
energía eléctrica en una
turbina de vapor.
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Los espejos paralelos enfocan la
energía irradiada por el Sol en un
tubo colocado a 8 metros.
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Después el agua vuelve
a su estado líquido en el
refrigerador, para repetir
el ciclo.
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EL SISTEMA FRESNEL (II)
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La tecnología Fresnel utiliza
reflectantes planos que se
construyen con vidrio normal, es
decir, como los de las casas, pero
sin contenido en hierro.
En la tecnología Fresnel, el
tubo receptor está separado
de los reflectantes 8 m y se
mantiene fijo. Esto también
lo hace más económico.
Algunas empresas de tecnología
Fresnel utilizan nuevas tecnologías
de almacenamiento de calor, como
las sales fundidas.
Las dimensiones pequeñas de
los espejos hace que sean poco
sensibles al viento, reduciendo
los costes de mantenimiento.
La curva de los espejos cilíndrico
parabólico hace que sean un 15% más
eficientes que el sistema Fresnel, pero
se compensa con el bajo coste de la
construcción.
8 metros
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LA TORRE SOLAR (I)
En las plantas termosolares con tecnología de torre, un campo de
heliostatos (compuestos por una superficie reflectante, una estructura de
apoyo, y mecanismos para seguir el movimiento del Sol) reflejan la
radiación solar hacia un único punto, el receptor, situado en la parte
superior de una gran torre.
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Los heliostatos pueden estar colocados de dos maneras: o bien en campo norte, donde los heliostatos
estarían situados en hileras orientados hacia la torre; o bien en campo circular, donde los heliostatos
estarían situados en forma circular alrededor de la torre.
Los rayos solares que inciden en
los heliostatos son redireccionados
hacia el receptor, para concentrar
la radiación solar en él.
El receptor transmite el
calor a un fluido con el
objetivo de generar vapor
para accionar una turbina,
que producirá electricidad.
El agua se calienta
entre 600 y 1.200 ºC, de
1 a 20 bar de presión.
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LA TORRE SOLAR (II): LOS HELIOSTATOS
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Un heliostato es un espejo
plano, que mide 120 m².
Los heliostatos mediante el
seguimiento solar en dos ejes (uno de
rotación circular y otro de elevación),
son los encargados de reflejar los
rayos solares en un mismo punto
llamado receptor.
Pérdidas por sombras.
Un heliostato hace sombra
al posterior reduciendo la
superficie reflectante.
Pérdidas por factor coseno.
Cuanto mayor es el ángulo más
pérdidas. El factor coseno es
diferente por cada momento del
día y para cada uno de los
heliostatos según su posición. Pérdidas por bloqueo. Un
heliostato evita que una parte
de la radiación solar reflejada
llegue al receptor.
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LA TORRE SOLAR (III): EL EXPERIMENTO
Quizás la experiencia más
espectacular fue la de la torre
solar en la que se construyó
una torre de 2,30 m y 40
heliostatos. Además, se les dio
a los alumnos de 4º, 5º y 6º de
Primaria unos espejos, con los
cuales enfocaron hacia el receptor
de la torre, en él se colocó una
botella de plástico con un poco de
agua. Se logró una temperatura de
90 ºC en pocos segundos.
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UNA PROPOSTA A VALLS
Datos aproximados para una planta con colectores cilindroparabólicos, con una
acumulación equivalente a 7,5 horas con sales fundidas y una capacidad de
generación de 50 MW ubicada en Valls (Tarragona). (Cálculos realizados con el
programa Exelergy.)
DEFINICIÓN VALORES UNIDADES kW.h/m2*año 1.670
Campo solar 3.000.000 m2 300 Ha
Radiación total 5.010.000.000 kW.h / año
5.010.000 MW.h / año 5.010 GW.h / año
Factor de ocupación 33%
Superficie de espejos 990.000 m2 99 Ha
Energía incidente total 1.653 GW.h / año Pérdidas por incidencia -14%
Energía capturada por los espejos 1.422 GW.h / año Pérdidas ópticas -31%
Energía dirigida al tubo absorbedor 984 GW.h / año Pérdidas por los conductos -26%
Energía liberada a los generadores de vapor 725 GW.h / año
Pérdidas operativas circuito vapor y funcionales de la turbina -12%
Energía útil entrante a la turbina 640 GW.h / año Rendimiento del bloque
de potencia 37%
Energía eléctrica neta generada 236,870 GW.h / año
Rendimiento global de la planta 14%
Hemos calculado la superficie que ocuparía una instalación solar de estas características y es de unas 300 ha. La hemos situado junto al polígono puesto que hay una amplia zona sin casas y con acceso a agua (7-8 m3/h y MW). También se dispondría de un punto de conexión de red..
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GASTOS DE CONSTRUCCIÓN Y MANTENIMIENTO
Datos aproximados para una planta con colectores cilindroparabólicos, con una
acumulación equivalente a 7,5 horas con sales fundidas y una capacidad de
generación de 50 MW (precios aproximados de 2009).
Detalle de la inversión (50 MW (b) )
Descripción % M€/MW (a) Subtotal del coste (a * b)
Colectores del campo solar 55,96% 2,300 M€ 115.000.000 €
Sistema de generación de vapor 6,08% 0,250 M€ 12.500.000 €
Sistema de transferencia térmica 5,60% 0,230 M€ 11.500.000 €
Turbina - generador - condensador 14,60% 0,600 M€ 30.000.000 €
Sistema de almacenamiento térmico 7,30% 0,300 M€ 15.000.000 €
Balance Of Plant (BOP) y otros 10,46% 0,430 M€ 21.500.000 €
COSTE TOTAL
DE LOS EQUIPAMIENTOS 100,00% 4,110 M€ 205.500.000 €
(Fuente: Exposición Cor de María. Àngel Clares)
Otros costes no tecnológicos:
• Calderas
• Construcción civil
• Tramitación del punto de conexión y construcción de la línea de evacuación
• Redacción del proyecto ejecutivo, visados y otros costes de ingeniería
• Tramitación de las diversas licencias y permisos
• Costes de desarrollo del proyecto
• Ajustes finales, periodo de pruebas y puesta en marcha.
Coste aproximado: 53.000.000 €
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Inversión final aproximada Costes tecnológicos: 205.500.000 €
Otros costes: 53.000.000 €
Impuestos: 40.000.000 €
TOTAL APROX 298.500.000 €
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INSTALACIONES EN CATALUÑA (I)
Abantia construirá la primera Planta termosolar en Cataluña. La inversión es de 130
M€. Abantia, pionera en esta tecnología, participa en la construcción de esta planta,
que producirá 25 megavatios (MW). Su construcción se iniciará el próximo octubre
en les Borges Blanques (Lleida).
El complejo termosolar ocupará 780.000 metros cuadrados de suelo rústico y estará
formado por 56 hileras que dispondrán de seis colectores cilindroparabólicos cada
una. Estos dispositivos permiten convertir la radiación solar en energía térmica.
El proyecto permitirá ahorrar la emisión de 50.000 toneladas al año de CO2.
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INSTALACIONES EN CATALUÑA (II)
La empresa tecnológica Agni Iberpower, instalará en el municipio de Riudoms
(Tarragona), la primera planta solar termoeléctrica de Cataluña. La planta
inicialmente será de 15 MW. Agni apuesta por la utilización de la tecnología Fresnel
por sus ventajas. La planta estará además equipada con nuevas tecnologías en
sistemas de almacenamiento que, con el uso de ultracapacitadores de última
generación, podrá exportar energía eléctrica a la red durante unas 20 horas diarias.
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INSTALACIONES EN ESPAÑA (I)
Tenemos que aprovechar más la energía solar, puesto que sí por su situación
geográfica, España es un país privilegiado, destacando el sur por sus altos valores
de radiación solar. Fuente: http://www.solarsom.es/page.php?id_pagina=4
El mejor lugar para construir una planta termosolar eléctrica sería en un lugar plano
y donde haya una radiación solar bastante elevada. En España, el lugar ideal seria
al sur del país donde, además de tener una radiación solar elevada, hay grandes
extensiones de terreno libres. Otro parámetro a considerar son los incentivos fiscales
para instalaciones de tecnología solar termoeléctrica, que promueven este tipo de
instalación y que facilitan su financiación.
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INSTALACIONES EN ESPAÑA (II)
CILINDROPARABÓLICA
Fuente: http://www.protermosolar.com/
ANDASOL: Andasol es un complejo solar en fase
de construcción en Aldeire y La Calahorra.
Consta de tres centrales de cilindros
parabólicos, de 50 MW cada una, llamadas
Andasol-1, Andasol-2 y Andasol-3. Cada una
ocupa una superficie de 510.000 de metros
cuadrados y genera una potencia de 50 MW
(178.000 MWh de energía al año). Producirán
energía para unos 250.000 hogares.
Solnova 1 y 3: La primera planta
cilíndroparabólica (de un total de 5) que se
construye en la Plataforma Solúcar, tendrá
una potencia de 50 MW. Generará 114,6 GWh
de energía limpia al año lo que permite
abastecer unos 25.700 hogares. Evitará la
emisión de 31.400 toneladas de CO2 al
año. Está preparada para quemar entre un
12% y un 15% de gas natural. Formada por
300.000 m2 de espejos en una superficie de
115 Ha. El rendimiento es cercano al 19%.
Fuente:
http://www.abengoa.es/corp/export/sites/abengoa_corp/resources/im
ages/news/20090525_Solnova.jpg
En la actualidad, existen estas centrales termoeléctricas de tecnología
cilindroparabólica operativas y se prevé la construcción de 32 plantas más. La
distribución de las plantas en el territorio español se muestra en la figura adjunta.
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INSTALACIONES EN ESPAÑA (III)
FRESNEL
La empresa Novatec Biosol
ha abierto en Calasparra
(Murcia) la primera central
termoeléctrica que
implementa la tecnología
lineal Fresnel, denominada
Puerto Errado 1 (PE1). Tiene
18.000 m2 de espejos (16 filas)
y una potencia de 1,4 MW que
produce cerca de 2 GWh
anuales.
Fuente: http://www.psa.es/webeng/instalaciones/images/fresdemo.jpg
http://www.panoramio.com/photo/28889331
Uno de los proyectos más recientes con un sistema Fresnel es la planta construida por SGP
y por el grupo alemán MAN Ferrostaal en Almería. Consta de 25 filas de espejos planos, cada
uno de 100 metros de largo y 60 centímetros de ancho, que concentran la energía solar en un
tubo de 100 metros de largo.
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ENERGÍA SOLAR TERMOELÉCTRICA
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INSTALACIONES EN ESPAÑA (IV)
TORRE SOLAR
PSA: Situada al Sudeste de España en el
desierto de Tavernas, recibe una insolación
directa anual por encima de 1.900 KWH/m²-
año. Su temperatura media anual está
alrededor de 17ºC.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/th
umb/c/c8/Torre_Principal_solar_Tabernas.jpg/25
0px-Torre_Principal_solar_Tabernas.jpg
PS10: Situada en Sanlúcar la Mayor,
Sevilla. Consta de 624 heliostatos de
120 m² y una torre de 115 m de altura.
Tiene 11 MW de tecnología de Torre. Puede
almacenar hasta 30 minutos de energía, y
es capaz de alimentar a 5.500 viviendas.
Ahorra 6.700 toneladas de CO2 al año.
http://img257.imageshack.us/i/ps10fe1.jpg/
PS20: Situada en Sanlúcar la Mayor, Sevilla.
Consta de 1.255 heliostatos de 120 m² y una
torre de 120 m de altura. Tiene 20 MW de
tecnología de Torre. Es capaz de alimentar a
10.000 viviendas. Ahorra 12.000 toneladas de
CO2 al año.
http://greendollarsandsense.files.wordpress.com/
2009/04/thermal_tower.jpg
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ENERGÍA SOLAR TERMOELÉCTRICA
COL·LEGI COR DE MARIA (VALLS)
ANÁLISIS DE LOS DIFERENTES SISTEMAS
Fuente: Exposición Cor de María. Àngel Clares
CILINDROPARABÓLICO
( CCP )
RECEPTOR
CENTRAL
DISC
PARABÓLICO
FRESNEL
( CLF)
POTENCIA 15 - 200 MW 12 - 200 MW 5 - 25 MW 15 - 200 MW
TEMPERATURA DE
OPERACIÓN 390 ºC 575 ºC 750 ºC 390 ºC
FACTOR DE CAPACIDAD
ANUAL 23 - 50 % * 20 - 77 % * ~ 25 % * -
EFICIENCIA PICO 20% 23% 30% 18%
EFICIENCIA NETA ANUAL 11 - 16 % * 7 - 20 % * 12 - 25 % * 13%
ESTADO COMERCIAL Disponible
comercialmente Demostración
Prototipo-
demostración
Prototipo-
demostración
RASGO TECNOLÓGICO Bajo Medio Alto Medio
ALMACENAMIENTO
DISPONIBLE Sí Sí Sí Sí
DISEÑOS HÍBRIDOS SÍ SÍ SÍ Sí
FACTOR DE
CONCENTRACIÓN 200 (normal 30-80) 200-1000 1000-4000 -
COSTE W [€/W instalado] 4,0 - 6,5 4,0 - 6,5 11 2,0 - 3,0
NOTA: datos obtenidos del CIEMAT *: Datos referidos al periodo de 1997 al 2030
Fuente: Exposición Cor de María. Àngel Clares
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ENERGÍA SOLAR TERMOELÉCTRICA
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CONCLUSIONES
La energía solar es un recurso muy abundante, económico y ecológico,
Durante mucho tiempo, la captación de esta energía se basaba
principalmente en el uso de células fotovoltaicas para obtener
electricidad o bien directamente energía térmica. Pero esta tecnología
presenta un rendimiento limitado que ha dificultado su desarrollo.
Por eso, han aparecido otras tecnologías que tienen mayores
prestaciones, en particular la tecnología solar termoeléctrica, basada en
la producción de electricidad mediante un ciclo termodinámico
convencional a partir de un fluido calentado a alta temperatura.
Los sistemas de generación termoeléctricos (la torre solar, el sistema
lineal Fresnel, el disco Stirling y el cilíndrico parabólico) tienen una
eficiencia de conversión mucho mayor que la tecnología fotovoltaica, lo
que permite obtener electricidad de forma más limpia y eficiente.
Además, permiten aprovechar las ventajas climáticas de países que
tengan alta radiación solar (como España) para obtener energía
renovable y minimizar la utilización de energías fósiles (reduciendo así
los problemas que comportan) y por eso hay que continuar investigando.
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El futuro es la energía solar termoeléctrica.
