TORRES CENTRALES
R a f a e l E . C a b a n i l l a s L p e z
Se le suma la alta dependencia de gas natural de
bsicamente funcionan con gas natural importado
Para Mxico y para el mundo existe la imperiosa necesidad de
iniciar la migracin de un sistema energtico basado en el petrleo
a esquemas de produccin y consumo de energticos ms limpios
y perdurables.
Los problemas ocasionados por el consumo de hidrocarburos para
mantener la demanda creciente de energa que la sociedad actual
requiere, estn en continua fase de agudizamiento
Dependiendo del tipo de ptica utilizadapara la concentracin, se han desarro-llado cuatro tipos de tecnologas para laproduccin de energa elctrica:a) Canal parablico,b) Disco parablicoc) Fresnel lineald) Torre central.
Concentracin solar para la produccin de energa elctrica
Tecnologa de Torre Central
GENERACIN ELCTRICA
La aplicacin fundamental para la que se han concebido los sistemas de receptor central
es la generacin solar de potencia elctrica. Una planta solar termoelctrica de torre
central utiliza el calor solar concentrado para producir vapor y con esto generar
electricidad a travs de una turbina de vapor en un ciclo Rankine convencional. Tambin
se pueden usar turbinas alimentadas por aire caliente, en lugar de vapor, en un ciclo
Brayton. Existen tres plantas comerciales en operacin en Espaa bajo este concepto y
una planta piloto en los Estados Unidos.
Plantas de Torre Central en el mundo
SANDIA NATIONAL LABS
En Espaa se construyeron dos plantas de prueba en la Plataforma Solar de
Almera.
Las experiencias adquiridas en estas anteriores plantas, dieron como origen la
primera planta solar de torre central comercial, la PS10 o Solar Tres, inaugurada el
30 de marzo del 2007 tiene una capacidad de 11 MW y se encuentra localizada en
las cercanas de la ciudad de Sevilla, en el municipio de Sanlcar la Mayor.
La PS10 cuenta con 624 heliostatos de 120m2 cada uno y, una torre de 115 metros
de altura donde se encuentra instalado el receptor solar y la turbina.
La PS20 tiene el doble de capacidad (20 MW), con 1,255 heliostatos de igual rea
de reflexin que los utilizados en la PS10 es decir de 120m2 cada uno, en este
caso la torre es de 160 metros de altura.
Estas plantas forman parte de una plataforma de generacin de 300MW con
diferentes tecnologas solares, el cual se proyecta terminar para el ao de 2013
GemaSolarGemasolar es la primera planta comercial de energa solar trmica con tecnologa de receptor central de torre y
sistema de almacenamiento en sales fundidas. Se trata de un campo solar de 185 Ha que alberga el receptor en
una torre de 140 m de altura, la isla de potencia y 2.650 heliostatos cada uno de ellos de 120 m2- distribuidos en anillos concntricos alrededor de la torre.
Los aspectos ms innovadores de esta planta, propiedad de la empresa Torresol Energy, son el receptor de sales
fundidas, el mecanismo de apunte de heliostatos y el sistema de control; adems, el sistema de almacenamiento
permite producir electricidad durante 15 horas sin sol (por la noche o en das nublados). Gracias a esta capacidad
de almacenamiento, la energa solar pasa a ser gestionable y puede ser suministrada en funcin de la demanda. La
planta ya ha alcanzado un da completo1 de suministro ininterrumpido a la red mediante la tecnologa de
transferencia trmica desarrollada por SENER.
Gemasolar, de 19.9 MW de potencia, es capaz de suministrar 110 GWh al ao, con lo que se puede abastecer
energa a 27.500 hogares. Esta planta est operativa desde mayo de 2011. La inauguracin oficial se celebr en
octubre de 2011.
El campo de heliostatos con un 43%
El receptor con un 18%
Sistema de generacin elctrica (13%)
Sistema de almacenamiento trmico (8%)
y el sistema de generacin de vapor (2%)
Costos Generales de una Planta de Torre Central (PTC)
Heliostatos
Jacobs Gravesande, quien
alrededor del ao 1720 logr
obtener un instrumento funcional.
Los heliostatos eran utilizados en
laboratorios de investigacin con
varios propsitos: como la
iluminacin de microscopios, el
estudios de la luz polarizada,
espectroscopia, etc.
Heliostatos modernos
Tomando como base las plantas de torre central construidas, podemos observar
que los heliostatos han ido creciendo sustancialmente buscando el punto de
equilibrio econmico de costo-factibilidad, en la planta Solar-One se us un
tamao de 40 m2, en la PS-10 de 120m2
Efecto del costo del heliostato sobre el precio del kwh producido
Precios en dlares
Costos de heliostatos e instalacin %
Superficie reflectora 25
Motores 20
Estructura de soporte 14
Pedestal 13
Control 2
Costos directos 75
Overhead 15
Precio total de fabricacin 90
Cableado del campo 6
Cimentacin 2
Alineacin y pruebas 2
Concepto %
Superficie reflectora 25
Motores 20
Estructura de soporte 14
Pedestal 13
Control 2
Costos directos 75
Overhead 15
Precio total de fabricacin 90
Cableado del campo 6
Cimentacin 2
Alineacin y pruebas 2
En un campo de heliostatos, la distribucin
de los mismos sobre el terreno es
resultado de un complicado estudio
geomtrico de posicin, donde intervienen
variables tales como el efecto coseno, el
sombreado y el bloqueo
Ventajas de la aplicacin de la tecnologa de PTC en Mxico
Radiacin Solar
Se tienen valores de irradiacin ms
elevados, se presentan valores de
Radiacin Solar Global en, se puede
observar que Mxico se encuentra en la
franja de 1700 a ms de 2100 kWh/m2,
que son de los valores ms altos del
mundo. Si se comparan los valores
anteriores, por ejemplo con los valores de
los pases europeos, se tienen mnimo el
25% de mayor cantidad de radiacin solar
disponible.
El territorio mexicano se encuentra comprendido entre los
paralelos 15 N y 30 N, esto permite utilizar campos de
heliostatos que tengan menor rea debido al factor coseno
(que se explico anteriormente), con un anlisis simple se
puede concluir que el uso de suelo puede ser mejorado
entre un 5 a un 20%, comparado con las plantas existentes
las cuales han sido construidas por arriba del paralelo 37 N.
Esto afecta positivamente el tamao de los campos de
heliostatos, ya que esto significa que para una potencia
dada, el terreno ocupado por el campo de heliostatos ser
menor que el utilizado en regiones que se encuentren en
paralelos ms alejados del ecuador.
Ubicacin
Grandes extensiones de tierra sin uso productivo
En los estados del norte y noroeste se tienen extensiones
de terrenos sin un uso productivo por falta de agua y por
el clima extremo, estas reas son susceptibles a ser
usadas sin afectar el ambiente o actividades productivas
(como en el caso de las presas).
Actualmente se est desarrollando el proyecto
denominado Laboratorio Nacional de Concentracin y
Qumica Solar, el cual es liderado por la UNAM y donde
co-participa la Universidad de Sonora. Con fondos de
CONACYT y de estas dos instituciones el monto de la
primera etapa terminada a finales del 2010 fue de 44M, la
segunda etapa ya se encuentra aprobada por CONACYT
y tendr un presupuesto cercano a los 38 M.
Bajo la direccin del Dr. Claudio Estrada Gasca del Centro
de Investigacin en Energa (CIE-UNAM), alrededor de 30
investigadores de ambas universidades participan en lo
que viene a ser el esfuerzo coordinado ms importante en
el impulso de tecnologas de concentracin solar en
nuestro pas.
Laboratorios Nacionales de Sistemas de Concentracin y Qumica Solar
Laboratorios Nacionales de Sistemas de Concentracin y Qumica Solar
El proyecto de Laboratorio Nacional est dividido
en tres subproyectos principales:
1. Horno Solar de Alta Temperatura
2. Planta de Destoxificacin Solar
3. Campo de Prueba de Heliostatos (CPH)
Campo de Pruebas de Heliostatos (CPH), Radiacin Solar Anual Promedio Diaria en KW-h/m2
San Luis Rio Colorado
Agua PrietaNogalesPuerto Peasco
AltarCaborca
Hermosillo
Empalme
Obregn
Yecora
Navojoa Alamos
Nacozari
Santa Ana
Campo de Pruebas de HelistatosOBJETIVO:
Desarrollado por la UNAM y la UNISON, dentro del Laboratorio Nacional
de Sistemas de Concentracin y Qumica Solar, es la primera instalacin en su tipo en Amrica Latina y busca consolidar una red de grupos de investigacin para el desarrollo de la tecnologa solar de generacin elctrica, promover la generacin de conocimiento y la formacin de
recursos humanos de alto nivel.
INFRAESTRUCTURA:
- Campo para 82 helistatos de 36m2 (23 prototipos instalados actualmente)
- Torre central de 32 m de altura- Potencia Trmica Pico Esperada: 2MW - Concentracin esperada: 1000 soles
- Sistemas de adquisicin de datos e imgenes para pruebas de helistatos
- Cabina de experimentacin 6m x 6m- Receptor Lambertiano (8m x 6m)
- Placa receptora (1m x 1m) - Cuarto de control
INVESTIGACION:
- Tecnologa de helistatos- Metodologas de evaluacin y estandarizacin de helistatos-Desarrollo de componentes de tecnologa de receptor central
-Generacin termosolar de electricidad-Aplicaciones de de las tecnologas
- de receptor central
El CPH es una instalacin dedicada a la generacin de conocimiento en
la lnea de tecnologas de torre central.
La finalidad es hacer pruebas de desarrollo tecnolgico para las distintas
partes que conforman los heliostatos, desde los mecanismos de
seguimiento, las estructuras de soporte y cimentacin, hasta pruebas de
optimizacin ptica.
Se pretende contar con la instrumentacin necesaria para el
perfeccionamiento de los procesos de instalacin, alineacin, calibracin
y operacin de los heliostatos. As mismo en la parte de receptores
solares de alto flujo radiativo se podr contar con una torre verstil que
permita la instalacin de distintos tipos de equipos para medir eficiencia
de reflexin y de distribucin de flujo radiativo.
Campo de Prueba de Heliostatos (CPH),
PROCESOS QUMICOS Y METALRGICOS Existen una variedad de procesos qumicos y de tratamiento de materiales a alta temperatura,
que tienen un alto consumo de energa y son susceptibles de llevarse a cabo mediante la
tecnologa de receptor central, por su rango de temperaturas entre 700 y 1500C:
Produccin solar de hidrgeno y otros combustibles.
Reduccin trmica y carbotrmica de xidos metlicos.
Calcinacin de piedra caliza y otros materiales (industria cementera).
Sinterizado de metales y cermicos.
Este tipo de aplicaciones pueden requerir de sistemas de torre en configuracin beam down,
donde se utiliza un espejo secundario, para redirigir la energa solar concentrada a un
receptor.
Figura 2. Sistema beam down para reduccin de xidos metlicos en el Weizmann Institute of
Science, Israel.
CALOR DE PROCESOS A ALTA TEMPERATURA Las aplicaciones a calor de procesos pueden llevarse a cabo bajo un esquema de cogeneracin:
el calor residual del proceso de generacin elctrica en una planta de receptor central, puede
estar en rangos de 300 a 800C, los cuales pueden ser tiles en particular para dos procesos
altamente consumidores de energa como son la refrigeracin trmica y la desalacin solar.
Adems de esto es posible considerar aplicaciones de produccin de vapor para procesos
industriales a diferentes temperaturas y presiones. Este tipo de aplicaciones requieren
evaluaciones especficas de factibilidad.
Se encuentra un contexto mundial propicio para la aplicacin de fuentes renovables de energa generado por el alza constante del costo del petrleo y por la inevitable sustitucin de los combustibles fsiles para evitar los impactos al medio ambiente.
La generacin de electricidad por medio de la concentracin solar trmica es una de las tecnologas ms prometedoras.
En base a la informacin mostrada se observa que la tecnologa de PTC se encuentra en su fase de emergente pero con aplicaciones ya en el mercado energtico mundial como lo muestra las plantas espaolas PS10-PS20 y Gemasolar.
La tecnologa de torre central tiene una distribucin de costos en la que aparece el campo de heliostatos como el componente con mayor inversin (43%), seguido por el receptor trmico (18%) y por el sistema de generacin elctrica (13%), entre otros. Esto sugiere que tanto los heliostatos como el receptor trmico son susceptibles de ser optimizados para bajar sus costos actuales y hacer ms competitiva esta tecnologa.
CONCLUSIONES GENERALES
El precio del kWh elctrico producido en las Plantas de Torre Central es especialmente sensible al costo del heliostato. Estudios econmicos sealan que un precio cercano a 100 dlares/m2, hacen aun ms viable la utilizacin masiva de la tecnologa de PTC, el precio actual es de 140 $/m2 por lo que mayor investigacin y desarrollo en la construccin de heliostatos es requerida para lograr esta meta.
Mxico presenta ventajas importantes para la aplicacin de la tecnologa de PTC que pueden ser clasificadas como: geogrficas al estar cerca del ecuador y recibir con menor inclinacin los rayos solares, abundancia de recurso solar al poseer valores de irradiacin solar de los mayores del mundo y de poseer una masa crtica de recurso humano.
La infraestructura nacional es apta para iniciar la produccin en masa de partes y componentes de las PTC. Entre las que destacan la construccin de campos de heliostatos.
Se observan retos tecnolgicos donde la ingeniera mexicana puede contribuir en hacer de las PTC una forma de obtencin de energa sustentable y robustecer el sistema energtico nacional. Para lo cual se requiere de una poltica de estado para el impulso del aprovechamiento de las fuentes renovables en especial de la energa solar .
CONCLUSIONES GENERALES (2)
Subproyecto: Laboratorio de TermoQumica Solar (LTQS)
Utilizar el HSAFR como instrumento base para el LTQS.
Complementar la infraestructura del Horno Solar de Alto Flujo Radiativo con
capacidades de anlisis qumico para
evaluar diferentes procesos.
Contribuir al desarrollo de las tecnologas de almacenamiento de la
energa trmica solar por mtodos
termoqumicos.
Disear y poner en operacin reactores solares en el HSAFR para llevar a cabo
ciclos termoqumicos de produccin de
Hidrgeno.
Objetivos por subproyecto
Campo Experimental de Torre Central (CEToC)Hermosillo, Sonora
Objetivos por subproyecto
Subproyecto: Campo Experimental de Torre Central (CEToC)
Perspectiva
LNSCSQS 2 Etapa
Subproyecto: Laboratorio de Sistemas Fotovoltaicos con Concentracin
(LSFVC)
Crear infraestructura
para el
desarrollo,
modelacin y
caracterizacin
de sistemas
fotovoltaicos
con
concentracin
solar aplicando
tecnologa
actual y
emergente.
Objetivos por subproyecto
Subproyecto: Laboratorio de Sistemas Fotovoltaicos con Concentracin
(LSFVC)
Disear y fabricar un sistema fotovoltaico de
concentracin que cuenten
con sistemas de
recuperacin del calor.
Disear un planta piloto de paneles FV con concentracin conectad a la
red elctrica.
Objetivos por subproyecto
Descripcin del grupo de trabajo y vinculacin
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