Tendencias tecnolgicas51abril-junio-08Tecnologa termosolar para generacin de potencia elctricaCarlos Ramos Berumen, Juan R. Ramrez Bentez y Javier Lagunas MendozaIntroduccinSe estima que la situacin en la mayora de los escenarios energticos a nivel mundial, continuar con una fuerte dependencia de combusti-bles fsiles. La Agencia Internacional de Energa (AIE) inform que en el ao 2003, el suministro total de energa primaria a nivel mundial fue de 10,579 MTep, siendo el 13.3% proporcionado por fuentes de energa reno-vables. Por ejemplo, las nuevas renovables (solar, viento y marea) tuvieron unacontribucinmarginal,representandoel0.1%delsuministromundial deenergaprimariayun0.7%deltotaldelasrenovables.Sinembargo,el futurodelsuministrodeenergadependerdediversosfactoresimpor-tantes, entre los que destacan la efciencia energtica, las normas y regula-ciones derivadas del impacto ambiental y los precios internacionales de los energticos y de estos factores, el cuidado ambiental ser probablemente, elqueejerzamayorinfuenciaenelcomportamientofuturodelsector energtico mundial. La respuesta para minimizar los efectos nocivos al medio ambiente, deber traer consigo cambios importantes en el uso de los combustibles fsiles y en los esquemas de generacin. Por esta razn, algunos pases estn desa-rrollandonuevastecnologascompatiblesconelmedioambiente,con propsitos de autoconsumo y con la visin de establecer nuevos mercados deexportacinhaciapasesendesarrollo.Enestecontexto,yconuna experienciadepocomsdedosdcadas,pasescomoEstadosUnidos, Alemania, Australia, Espaa e Israel, entre otros, han establecido programas de investigacin y desarrollo tecnolgico para la generacin de electricidad a travs de sistemas solares, utilizando la conversin termodinmica. Enlaactualidadexistentrestecnologascuyopotencialdeaplicacines altamente prometedor y se conocen como receptor central, canal parab-lico y plato parablico (Fig. 1). Lastecnologastermosolaresaconcentracinparalaproduccinde energaelctricasonalternativasquepuedenintegrarsedentrodelos sistemas elctricos, de pases con condiciones adecuadas de recurso solar. La concentracin de la radiacin solar posibilita la utilizacin de la misma, comocombustibleenlaproduccindeelectricidadycalorparaprocesos industriales. Enaosrecientes,elInstitutodeInvestigaciones Elctricasharealizadoesfuerzosencaminados hacia el desarrollo de las tecnologas de plato para-blico para la generacin de electricidad y de canal parablicoparalageneracindecalordeproceso industrial. Boletn IIETendencias tecnolgicas52Tecnologas termosolares a concentracinFigura 1. Los tres tipos de tecnologas termosolares a concentracin.Lastecnologastermosolaressolamentehacenusode lacomponentedirectadelaradiacinsolar,loquelas obligaatenerdispositivosdeseguimientodelsol.El principio de operacin de las tres tecnologas es similar, sebasaenlaconcentracindelosrayosdelsolpor mediodeespejosparalograraltastemperaturasyel objetivoesaccionarturbinasacopladasageneradores elctricos para producir electricidad. Las plantas de receptor central utilizan espejos planos llamados helistatos, los cuales concentran la radiacin solar sobre un receptor, donde por medio de un fuido (agua o sales fundidas), la energa trmica es colectada yenviadaalabasedelatorreparasuutilizacinenel bloquedegeneracindepotencia,odirectamentea unsistemadealmacenamientotrmico,paradespus utilizarse y producir electricidad. Las temperaturas que sepuedenalcanzarconesteprocesopuedenirdesde los 500C hasta los 1,000 C (Fig. 2). Laradiacinsolarseconcentrahasta100vecesenunaplantadecanal parablica,pormediodelneasdeespejosparablicossobreunreceptor que recorre la lnea focal del canal. En el interior del tubo del receptor circula un fuido a temperaturas de operacin, que pueden ir desde los 100C a los 400Cygeneralmenteesunaceitetrmicoovapordeagua(futurodesa-rrollo), el cual se utiliza para obtener vapor de agua y producir electricidad bajoelesquemadeunciclotermodinmicoRankineosimplementepara generar calor de proceso (Fig. 3). Los platos parablicos estn compuestos por un espejo o serie de espejos queconformanunasuperfcieparaboloidal,capazdeconcentrarlaradia-cin solar sobre un receptor. En el sitio del receptor tambin se encuentra unamquinatrmicaoperandobajounciclotermodinmicoStirling,que medianteungeneradorproduceelectricidad.Losplatosparablicosson estructurassemejantesalasantenasparablicasdecomunicacinyson capacesdeconcentrarlaradiacinsolarhastaseismilvecesyalcanzar temperaturas de hasta 3,000C (Fig. 4). Figura 2. Tecnologa de receptor central.Figura 3. Tecnologa de canal parablico.Figura 4. Tecnologa de plato parablico.Tendencias tecnolgicas53abril-junio-08Estastrestecnologastermosolaressepuedenadecuarparaoperarenformahbrida,energa solar-combustiblefsiloincluirunsistemadealmacenamientotrmico.Conestasopciones seaumentaladisponibilidaddelastecnologas,permitindolesentregarenergaelctrica durantemayortiempo,aunenhorassinsol.Enlatabla1seenlistanalgunascaractersticas sobresalientes de cada una de las tecnologas.Tabla 1. Caractersticas tcnicas actuales de las tecnologas termosolares a concentracin.Caractersticas Canal Parablico Receptor Central Plato ParablicoPotencia (MW)Temperatura de operacin (C)Factor de planta anual (%)Efciencia pico, solar-elctrica (%)Efciencia neta anual(%)10-200395232211-1610-200250-100024237-205-25 (kW)750253012-25Estado comercial 11 plantas en operacinPrimeraplantacomercialen operacinPrototipos demostrativosRiesgo tecnolgicoAlmacenamiento disponibleDiseos hbridosBajoSSMedioSSAltoSSAplicaciones de las tecnologas termosolares a concentracin La concentracin es un concepto muy antiguo, que consiste en aumentar el nivel de la radia-cin disponible en la superfcie de la tierra para extender las posibilidades de aplicacin de la energasolarysuobjetivoesalcanzartemperaturasmselevadas.Lastrestecnologasque actualmentetienenunaltopotencialdeaplicacin,tuvieronsusorgenesendiversasaplica-ciones como el cocimiento de alimentos, el uso en hornos solares para experimentos con reac-ciones qumicas y hasta en la generacin de vapor para la produccin de energa mecnica y elctrica. Enelpresente,estastrestecnologasapuntansudesarrollohacialageneracindepotencia elctrica, no obstante, el avance tecnolgico que han alcanzado permite ampliar su aplicacin haciaotrasramasindustrialescomolageneracindecalordeproceso,calefaccin,refrigera-cin, desalinizacin de agua, entre otras. Canal parablicoSuaplicacinmsintensivaesenlageneracindepotenciaelctrica,susdesarrollosestn encaminadosalaconstruccindeplantasindividualesporencimadelos80MWe, ascomo a esquemas de acoplamiento a plantas de ciclo combinado de ms de 100 MWe. Para llegar a este punto de desarrollo, primero se dieron algunas aplicaciones de menor escala, tal es el caso de la planta de 500 kWe construida con fondos de la Agencia Internacional de Energa (AIE), a principios de la dcada de los ochenta en Espaa.A partir de dicho desarrollo se increment el inters en esta tecnologa. Hoy existen poco ms de350MWeinstaladosenlosEstadosUnidos,con9plantasdesde14MWehasta80MWe. Estasplantasestninterconectadasalaredelctricaytienenlacaractersticadeserhbridas (exceptolade14MWe),yaqueutilizangasnaturalcomorespaldoparasuoperacin.Las nueve plantas fueron instaladas entre los aos 1985 y 1990, pero fue hasta el ao 2004 cuando la tecnologa volvi a tener nuevos desarrollos. En ese ao se instal una planta de 1 MW en el estadodeNevada,EstadosUnidosyrecientementeseinstalotrade64MWconocidacomo Nevada Solar One (Fig. 3). Estos desarrollos permitieron que la tecnologa de canal parablico sea considerada como el mejor exponente comercial en la actualidad.Boletn IIETendencias tecnolgicas54EstatecnologatambinhatenidounfuerteresurgimientoenEspaa, atravsdeunaplantade50MW(AndasolI),lacualtieneunalmacena-miento de energa de 7.5 horas por medio de sales fundidas. Otra aplicacin que se viene gestando desde mediados de los noventas, est relacionada con laincorporacindeuncamposolaraunaplantadeciclocombinado,este conceptoesconocidocomoIntegratedSolarCombined-CycleSystem(ISCCS, porsussiglaseningls).Enestetipodeplantas,elvapordeorigensolar puedeserincorporadoenelrecuperadordecalordelladodealtapresin, o directamente a la turbina de baja presin. El inters en este tipo de plantas sedebeaqueofreceunaformainnovadoradereducircostosymejorarla efciencia global solar-elctrica. Tabla 2. Plantas termosolares en construccin y negociaciones.Pas/Compaa Capacidad (MW) Tecnologa - StatusEspaa: Solar Millenium4 x 50MW con almacenamientoCanal Parablica Andasol 1 & 2 en construccin Espaa: Abengoa/Solucar 5 x 50MW Canal Parablica 1a. Planta en construccinEspaa: Abengoa/Solucar 11MW &20MWReceptor Central (vapor saturado) PS10 operacin / PS20 en construccinEspaa: SENER 17MWReceptor Central (Sales fundidas) Trminos del contrato en negociacinEspaa: varios PDProyectos en negociacin por hasta 500 MW y con posibilidad de hasta 1000 MWArgelia: Abener 150MW Integrated Solar Combined Cycle System (ISCCS) 25MW solarEgypt: PD 140MW ISCCS 25MW Solar, negociacin en cursoMexico: PD 530 MW ISCCS (20-40) MW solar, licitacin en cursoMarruecos: PD 230MW ISCCS 35 MW solarIsrael: Solel 2 x 125MW Canal Parablica En espera de aprobacinEUA: PD > 3000 MW Tecnologas varias Acuerdos, negociacionesNota: PD por defnirReceptor centralAprincipiosdelosochentasseobservenelmundo unfuertedesarrollodelatecnologaconpropsitosde generacinelctrica,pruebadeellofuelaconstruccin desieteplantaspilotoconpotenciasenelrangode 0.5MWhasta10MW.Algunasdeestasplantastodava seencuentranoperandocomoestacionesdeprueba paraeldesarrollodecomponentesavanzadosyotras yafuerondesmanteladas.Lospasesquemscontribu-yeronaestedesarrollofueronEstadosUnidos,Francia, Italia, Alemania, Espaa, Japn y la Unin Sovitica.Elproyectomsgrandedeestasplantasfueeldenomi-nadoSolarTwo,elcualfuepropuestoconbaseenlas leccionesaprendidasenlaoperacinyevaluacindel proyectoSolarOne.Eldesarrollotecnolgicodeeste proyecto estuvo enfocado a disear y probar helistatos de bajo costo y alto rendi miento, a desarrollar estrategias avanzadas de control del campo de espejos y a la optimi-zacin de la operacin y mantenimiento del receptor. El helistato representa entre el 40% y 50% de la inversin total en una planta, cuya economa mejora en la medida que el rea de su superfcie refejante se incremen te. En consecuencia, las tendencias ms sobresalientes del desa-rrollodehelistatoshansidolaconstruccindesuper-fcies refejantes de mayor tamao (100 m2), as como el usodematerialesmsligeros,duraderosydecaracte-rsticasconstructivasmssimples.Cabemencionarque el receptor o caldera solar es el componente cuyo desa-rrollo implica el ms alto riesgo tecnolgico. En la mayora de las instalaciones piloto donde han recu-rridoalusodeaguacomofuidotrmico,tambinse ha probado el sodio, el aire, las sales fundidas y algunos diseoscongas,sinembargo,latendenciaactuales hacialautilizacindesalesfundidas,yaqueelrestode losmaterialesprobadoshancausadolimitacionesque inducenproblemaseneldiseo,construccinyopera-cin del receptor. Actualmenteexistenvariaspropuestasdeproyectos apoyadasporelBancoMundial,atravsdelGlobal EnvironmentalFacility(GEF,porsussiglaseningls). Unadeellashasidoaprobadaconunasubvencin de200millonesdedlaresparacuatroproyectos ubicadosenEgipto,India,MarruecosyMxico,corres-pondiendoacadaunodeelloslacuartaparte.Enla tabla2seenlistanotrosproyectos,ademsdelosya mencionados,queestnenproyectooconstruccin, con potencias por encima de los 50 MW.Tendencias tecnolgicas55abril-junio-08Enelao2006,Espaaaprovechlaexperienciaquesetenaenelmanejo del agua como fuido de trabajo e inici operaciones de una planta de 10 MW (PS10), con 624 helistatos y un receptor de cavidad (Fig. 2). Recientemente inicilaconstruccindeunanuevaplantade20MW(PS20)adyacenteala PS10 y se espera que dicha planta inicie operaciones a fnales de 2008 (Fig. 5).Figura 5. Planta de receptor central de 20 MW en Espaa.Figura 6. Tipos de platos parablicos desarrollados.Costos de las tecnologasAlolargodepocomsdedosdcadasydesdeel punto de vista tcnico, se considera que las tecnologas termosolares han alcanzado un alto grado de madurez. Sinembargo,loscostosdeinversinporkWinstalado yloscostosdeenerga,enalgunoscasos,sontodava altos. Por otro lado, no es posible conocer con precisin loscostosdeinversin,operacinymantenimientoy los costos de la energa generada, ya que an no existen sufcientesinstalaciones.Latabla3muestraunpano-ramadeloscostosdeinversinydegeneracin.Los costosquesemuestranparaplantasdecanalparab-licoseobtuvierondedatosdeplantascomerciales.En el caso de receptor central y plato parablico, los datos estn basados en plantas piloto o de demostracin.Plato parablicoElplatoparablicoesunatecnologamodularcon unidadesrelativamentepequeas,siselecompara con receptor central y canal parablico. Estas unidades estnsiendodesarrolladasparaaplicacionesenla produccindeenergaelctricaconpotenciasque vandesde5kWea25kWeyhandemostradoaltas efciencias tanto en diseo como en produccin anual, mayores a las que ofrecen las otras dos tecnologas. Hastalafechasehanprobadovariasunidadesen pocomsdedosdcadas,principalmenteenEstados Unidos,AlemaniayEspaa(laFig.6muestraalgunos de los desarrollos ms recientes de estos pases). Dos o msunidadesdecadatipodeplatoparablicoquese muestran en la fgura 6, han estado operando por miles de horas en los diferentes sitios de prueba. En la actua-lidad, son siete las unidades Eurodish de 10 kW (ltima de la Fig. 6) que estn operando en pases como Espaa, Italia,Alemania,FranciaeIndia.Cabemencionarque esposibleintegrarvariasunidadesparaconformarun sistemadegeneracindepotenciaelctricadevarios megawatts, interconectado a la red elctrica.Boletn IIETendencias tecnolgicas56Tabla3.Costosdeinversinygeneracindelastecnologastermosolaresa concentracin.Canal ParablicoReceptor Central Plato ParablicoCostos de inver-sin (USD$/kW)Costos de la energa generada (USD$/kWh)2,800 3,2000.12 - 0.154,000 5,0000.15 - 0.2010,000 12,0000.20 - 0.25Las tecnologas termosolares en MxicoA pesar de que el recurso solar en el pas es abundante, no se tienen aplicaciones de estas tecnologas, excepto poralgunospequeosdesarrollosenelInstitutode IngenierayelCentrodeInvestigacindeEnerga (CIE)delaUniversidadNacionalAutnomadeMxico (UNAM). Por su parte, el rea de Energas No Convencionales del InstitutodeInvestigacionesElctricas(IIE)harealizado estudios que indican la tendencia actual de estas tecno-logas,cuyopotencialessufcienteparacontribuiren las prximas dcadas, de una manera signifcativa, en la produccin de energa elctrica y calor de proceso para usos industriales. En aos recientes, el IIE ha realizado esfuerzos encami-nadoshaciaeldesarrollodelastecnologasdeplato parablicoparalageneracindeelectricidadyde canal parablico para la generacin de calor de proceso industrial. Para el plato parablico se desarroll ingeniera concep-tual y de detalle de un concentrador parablico de 8m dedimetro.Loselementosestructuralesysuperf-ciesrefejantesseconstruyeronenconjuntoconuna empresalocal.Adems,comoresultadodelconvenio de colaboracin con el Centro de Investigaciones Ener-gticas,Medioambientalesy Tecnolgicas(CIEMAT)de Espaa,secuentacondosmquinastipoStirling,con capacidad de generacin de 10kW elctricos cada una. En el presente, el proyecto se encuentra en proceso de integracindecomponentes(Fig.7)ysuobjetivoes transferir la tecnologa al sector industrial nacional para sucomercializacinyaplicacin.Estatecnologadesa-rrolladalocalmenterepresentaotrasventajas,como mejorarlacompetitividaddeproductoresenzonas remotas,ahorrarenergticosconvencionalesycrear oportunidades de negocio para empresas nacionales.Figura 7. Plato parablico en desarrollo en el IIE.Figura 8. Canal parablico desarrollado en el IIE.Para la tecnologa de canal parablico se construyeron dos prototipos experimentales, compuestos por un concen-trador solar de 2m de apertura y 7m de largo, equipo complementario (tanque de almacenamiento, bombas, tube-ras y accesorios) y el desarrollo del software de control para el seguimiento del sol. Uno de los sistemas est insta-lado en una lavandera industrial en la ciudad de Torren, Coahuila y el otro en los terrenos del IIE, en la ciudad de Cuernavaca, Morelos (Fig. 8) y ambos sirvieron como cama de prueba para caracterizar la tecnologa. Estos proyectos han demostrado que las tecnologas estn al alcance de la industria metal-mecnica nacional, por loquesuinmersinenelmercadorepresentaoportunidadesparalasempresasusuariasyproveedoras.Aslo demuestra la tecnologa de canal parablico que el IIE vendi a la industria privada (Nissan Mexicana), la cual est operando con resultados satisfactorios, generando calor de proceso con propsitos de calentamiento de agua de usosanitario.CabedestacarquelatecnologadecanalparablicoestsiendocontempladaporlaCFE,dentro de su esquema de generacin, de ah que en el ao 2005 contratara al IIE para realizar un estudio de factibilidad tcnico-econmico, relacionado con una planta de ciclo combinado. Actualmente se est negociando el fnancia-miento del Banco Mundial, para la construccin de un campo solar integrado a esa planta.Tendencias tecnolgicas57abril-junio-08ReferenciasCARLOS RAMOS BERUMEN [cramos@iie.org.mx]IngenieroIndustrialMecnico,egresadodelInstitutoTecnolgicodela Laguna. Obtuvo el grado de Maestro en Energas Renovables por la Univer-sidadInternacionaldeAndaluca,Espaa.Desde1980esinvestigadoren el Instituto de Investigaciones Elctricas. Se ha especializado en el anlisis desistemasdeplantastermosolaresdereceptorcentral.En1981realiz unaespecializacintcnicaenreceptoressolaresenAlemania.En1984 fuecomisionadoporelIIEparaparticiparenlaspruebasdediseo,cons-truccinyoperacindeunreceptorcentralenfriadoporaire,enAlmera, Espaa.En1987realizunaestanciasobrelaoperacinymantenimiento M.Geyer,M.Mark,A.Meier,R.Meyer,C.Richter,W.Weiss, SolarPACESAnnualReport2006,InternationalEnergyAgency, April 2007.T.Mancini,Heller,P.Helloetal,DishStirlingSystems:Anover-viewofdevelopmentandstatus,JournalofSolarEnergy Egineering, vol. 125.C. Ramos et al, Transferencia de la Tecnologa de Plato Parablico para Generacin de Electricidad, Informe Anual IIE/01/14/11775/I003/F, Mxico, Diciembre 2002.C.Ramosetal,SistemaTermosolaraConcentracindeCanal ParablicaparaGeneracindeCalordeProceso,InformeAnual IIE/01/14/11774/I003/F, Mxico, Diciembre 2002.J.Aguirre,J.I. Villar,L.Avendao,C.Ramos,StructuralConsiderationsintheDesignof a Parabolic Dish For Power Generation in Mexico, 12th International Symposium Solar-PACES, Mxico, Octubre 2004.C. Ramos et al, Design and construction of a parabolic dish in Mexico, ISEC2004-65045, International Solar Energy Conference, EUA, July 2004.T. Keck, W. Schiel, B. Rainer, P. Heller, EuroDish-an Innovative Dish /Stirling System, 11th International Symposium SolarPACES, Switzerland, September 2002.R.Ramrez,C.Ramos,J.Lagunas,DesarrolloyaplicacindelaTecnologadecanal parablica en Mxico, CIINDET-AMIME-IIE, Mxico.C. Ramos et al, Parabolic Trough Development in Mexico, 13th International Symposium SolarPACES, Spain, June 2006.C.Ramos,R.Ramrez,J.Lagunas,J.Huacuz,ParabolicDishDevelopmentinMexico, 14th International Symposium SolarPACES, EUA, March 2008.de un estanque solar en la Universidad de Texas, EEUU. HaimpartidocursosdeenergasolartantoenMxico comoenelextranjeroyhaorganizadoeventosde carcterinternacionalrepresentandoalIIE.Actual-mente se desempea como jefe de proyecto en tecno-loga termosolar del rea de Energas No Convecionales. TambinesrepresentantedeMxicoanteel acuerdo de implementacin Solar PACES, de la Agencia Interna-cional de Energa.JUAN RAFAEL RAMREZ BENTEZ [rramirez@iie.org.mx]IngenieroIndustrialMecnicoconopcinenTrmica,porelInstituto Tecnolgico de Puebla en 1994. Obtuvo el grado de Maestro en Ciencias en IngenieraMecnicaconopcinenEnergticaporelInstitutoPolitcnico Nacional en 1998. En ese mismo ao realiz su tesis de Maestra en el rea decombustindelaGerenciadeProcesosTrmicosdelIIE.Entre1999y 2001 trabaj como profesor-investigador en la Universidad Tecnolgica de Puebla.Apartirde2001ingresalIIEenelreadeEnergasNoConven-cionales, especializndose en energa termosolar, donde ha participado en actividadesrelacionadasconproyectosparalademostracindelatecno-loga de canal parablico, para produccin de calor de proceso y la tecno-logadeplatoparablicoparageneracindeelectricidad.Haparticipado en la identifcacin de las caractersticas tcnicas nece-sarias para la implementacin de sistemas fotovoltaicos interconectadosalared.Cuentaconexperienciaprc-tica en la operacin de equipos termosolares, mediante laparticipacinenproyectosdecolaboracincon otrospasescomoFrancia.Haparticipadoendiversos congresosnacionalesyesmiembrodelaAsociacin Nacional de Energa Solar (ANES) de Mxico. Ha dictado diversasconferenciasenuniversidadesytecnolgicos del pas, y ha participado en la organizacin de eventos internacionales. JAVIER LAGUNAS MENDOZA [jlagunas@iie.org.mx]IngenieroMecnicoElectricistaconespecialidadenElctricayElectrnica, por la Facultad de Ingeniera de la Universidad Nacional Autnoma de Mxico en 1991. En 2004 obtuvo el grado de Maestra en Ciencias con especialidad enControl,enelCentroNacionaldeInvestigacinyDesarrollo Tecnolgico (CENIDET). Desde 1991 se desempea como investigador y jefe de proyecto dentrodelreadeEnergasNoConvencionales.Sureadeespecialidades instrumentacinycontroldeequiposconversoresdeenergaymonitoreo remoto. Ha desarrollado el control para el seguimiento de un canal parab-licoyhaparticipadoeneldesarrollodelcontrolparaunplatoparablico. Tambinhadesarrolladolainstrumentacinparaelmonitoreodeplantas fotovoltaicas, sistemas aislados de electrifcacin rural, sistemas termosolares y aerogeneradores, entre otros. Desde 2003 ha dirigido varios proyectos para la modernizacin de estaciones hidromtricas y climatolgicas en diferentes cuencasdelpasyparasumonitoreoremotovasatlite.Hapresentado algunos artculos en congresos internacionales, y ha publicado algunos art-culos en revistas nacionales. Ha sido miembro de la Asociacin Nacional de Energa Solar (ANES) de Mxico y ha dictado algunas conferencias en univer-sidadesytecnolgicosdelpas.DurantesutrayectoriaenelIIErecibila distincin al Desempeo Extraordinario en 1994.