“CENTRAL TÉRMICA SOLAR EN EL PERÚ”

Canales Soto Diego Andre

Junes Geronimo Jesús Hugo

Pacheco Aparcana Gustavo Augusto

Pariona Clemente Jose Miguel

Quintanilla Mayuri Cindy Meylin

Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica

Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

I - RESUMEN

La presente investigación tiene como objetivo analizar la incorporación de las

Centrales Térmicas Solares en el parque generador del Perú y que puedan considerarse

como una alternativa gestionable, y amigable con el medio ambiente.

Inicialmente se sustentan las razones que justificarían la inclusión de este tipo

de centrales, teniendo en consideración aspectos tales como el que con las nuevas

tecnologías emergentes, las energías renovables dejan de ser poco confiables e

inestables , específicamente las centrales termo solares, ya que con la aplicación de la

tecnología de almacenamiento de sales fundidas, con este sistema de almacenamiento,

permite continuar produciendo energía eléctrica durante 15 horas sin sol, quiere decir de

noche o con tiempo nublado.

Gracias a esta capacidad de almacenamiento, una fuente limpia como la energía solar se

puede convertir en gestionable, al ser capaz de suministrar a la red en función de la

demanda y con independencia de las condiciones climatológicas.

PALABRAS CLAVE: Central Solar, Almacenamiento en sales fundidas, Centrales

solares de tipo torre central.

II- INTRODUCCION

En el Perú, se vienen utilizando centrales termoeléctricas, tanto de diesel como de

gas natural en ciclo simple, centrales hidroeléctricas, para abastecer la demanda de

energía eléctrica en el Perú, en el presente trabajo nos centraremos en el estudio de la

central térmica solar.

LA ENERGÍA SOLAR es la energía obtenida a partir del aprovechamiento de la

radiación electromagnética procedente del Sol.

En la actualidad, el calor y la luz del Sol puede aprovecharse por medio de captadores

como células fotovoltaicas, helióstatos o colectores térmicos, que pueden transformarla

en energía eléctrica o térmica. Es una de las llamadas energías renovables o energías

limpias.

Pero posiblemente sus inconvenientes principales vengan por el lado económico y

tecnológico. Para poder aprovechar a gran escala la energía solar es preciso utilizar

sistemas de captación de grandes superficies por lo que la inversión inicial en un

aprovechamiento de energía solar resulta aún muy elevada y costosa.

Los Sistemas de Aprovechamiento de la Energía Solar

En la actualidad, la energía solar está siendo aprovechada para fines energéticos a través

de dos vías basadas en principios físicos diferentes.

Por un lado la vía térmica. Los sistemas que adoptan esta vía absorben la energía solar

y la transforman en calor.

Por otro lado, la vía fotovoltaica. Este permite la transformación directa de la energía

solar en energía eléctrica mediante las llamadas "células solares" o "células

fotovoltaicas". Dichas células hacen posible la producción de electricidad a partir de la

radiación solar merced al efecto fotovoltaico, un efecto por el que se transforma

directamente la energía luminosa en energía eléctrica y que se produce cuando la

radiación solar entra en contacto con un material semiconductor cristalino.

Los sistemas basados en la vía térmica también pueden hacer posible el

aprovechamiento de la energía solar en forma de energía eléctrica, pero siguiendo un

método que podríamos llamar "indirecto". En efecto, algunos de estos sistemas

absorben la energía solar en forma de calor mediante un captor térmico y después la

transforman en electricidad mediante una máquina termodinámica.

La Vía Térmica

Habitualmente, se suele dividir a los sistemas de aprovechamiento de energía solar por

vía térmica en dos grupos.

La utilización de la energía solar a baja y media temperatura

La utilización de energía solar a alta temperatura

Los sistemas de aprovechamiento de energía solar a alta temperatura

El aprovechamiento de energía solar, a alta temperatura, para producir electricidad

mediante vía termodinámica se basa en principios análogos a los que pueden

contemplarse en una central eléctrica convencional que quema carbón o petróleo. Se

consigue que la radiación solar caliente a alta temperatura un fluido primario (el fluido

caloportador). Este fluido transmite el calor a un circuito secundario por el que circula

un segundo fluido que, tras transformarse en vapor por la acción del calor, pone en

marcha una turbina acoplada a un alternador. En algunos casos, es el propio fluido

primario el que, convertido en vapor, acciona la turbina. Generalmente, todas estas

instalaciones solares tienen incorporado un dispositivo que permite almacenar una cierta

cantidad de energía en forma de calor para paliar en lo posible las fluctuaciones que

puede presentar la radiación solar.

Hay diversos tipos de centrales solares basadas en este principio; según las Tecnologías

de transformación solar termoeléctrica: Centrales de torre, Captadores cilindro

parabólicos,

Concentradores lineales Fresnel, Disco parabólico Stirling.

No obstante, las más extendidas son las centrales solares termoeléctricas de receptor

central. En ellas, la radiación solar incide en un "campo de heliostatos".

Este es una amplia superficie cubierta de grandes espejos (heliostatos) que concentran la

radiación solar captada en un receptor.

Los sistemas más comunes de este tipo tienen el receptor instalado en una torre, por lo

que reciben el nombre de centrales solares de tipo torre central. Los heliostatos

constan de una estructura soporte y de una superficie reflectante. Asimismo, tienen

incorporados unos mecanismos que permiten que la superficie reflectante se mueva

según dos ejes de giro, de modo que pueda captar de la mejor forma y en cada momento

la radiación solar y concentrarla en el receptor instalado en la torre. Para mover los

heliostatos, se utilizan medios electrónicos: cada espejo recibe periódicamente las

órdenes que emite un programa incorporado a un ordenador central. El receptor tiene

una serie de tubos por los que circula un fluido primario (agua, sodio, sales fundidas,

aire,..., depende de la instalación) que transmite la energía recibida a un fluido

secundario que, convertido en vapor, acciona una turbina.

III- MATERIALES Y METODOS:

1. ESTUDIO DE MERCADO:

1.1-Energía en el Perú

Demanda de Energía

La demanda de la energía en el Perú está creciendo, en promedio, a 9% por año, casi el

equivalente a poner en línea una nueva planta de generación de energía de 500 MW

cada año. En consecuencia, se ha estimado que desde el 2012 hasta el 2020 la capacidad

de energía total requerida aumente a 6,140 MW, requiriendo inversiones en el rango de

US$10,830 a US$13,320 millones, donde una parte de dicho monto deberá ser

financiado por el sector financiero privado. El Ministerio de Energía y Minas (MINEM)

ha fijado una meta de 33% para una parte de la energía renovable en la matriz

energética al 20214. Asimismo, el gobierno tiene una meta de 15% en ahorro de energía

para el periodo 2009-2018, relacionada a la demanda proyectada para el 2018 en los

siguientes sectores: residencial, industrial, servicios, público y transporte.

De acuerdo con los analistas especializados en energía, se espera que el precio de la

energía se eleve en el futuro. En la actualidad, el Perú se encuentra experimentando

precios artificialmente bajos para el gas natural, ya que el precio del lote actualmente en

uso (Lote 88 del proyecto de Camisea) no incluye los costos incurridos por concepto de

exploración, creando así distorsiones en el mercado además de barreras en la promoción

e implementación de proyectos de energía renovable y eficiencia energética. Cuando las

fuentes actuales se acaban (en aproximadamente 20-30 años a partir de 2011), el gas

natural de otros lotes alcanzará un precio mucho más alto que incluya el costo total de

exploración.

Políticas y Marco de trabajo regulatorio

El MINEM ha publicado una serie de dispositivos legales para promover la energía

sostenible, creando un marco legal que apunte a dar seguridad a los inversionistas del

sector. Las principales disposiciones son:

Ley sobre la promoción de la inversión para la generación de electricidad mediante el

uso de energías renovables (Decreto Legislativo 1002 de 2008): Establece la promoción

de la energía renovable como una prioridad nacional y fija objetivos por la contribución

porcentual de Recursos Energéticos Renovables (RER) al consumo doméstico total de

electricidad, dando prioridad al despacho de energía renovable en el sistema, contratos

de compraventa de electricidad de hasta 15 años, y una tasa firme de extracción que es

aplicable durante todo el periodo de vigencia de la concesión.

Regulaciones para la generación de electricidad a partir de energías renovables

(Decreto Supremo Nº 012-2011-EM): Regula las disposiciones del Decreto Legislativo

Nº 1002 (antes descrito) y establece el procedimiento administrativo para los postores

RER y para la adjudicación de concesiones en la generación de electricidad RER.

Política energética nacional del Perú 2010-2040 (Decreto Supremo Nº 064-2010-EM):

Establece los objetivos de la política energética, incluyendo el plan para contar con una

matriz energética diversificada; promover la energía de fuentes renovables y eficiencia

energética, así como también desarrollar un sector energético con impacto mínimo en el

medio ambiente y bajas emisiones de carbono.

Reglamento de la ley de promoción del uso eficiente de la energía (Decreto Supremo

No. 053-2007-EM): Define un amplio rango de actividades, tales como (i) el aumento

de la conciencia sobre el uso eficiente de la energía en los sectores público y privado,

(ii) programas y actividades del sector para la eficiencia energética en los sectores:

residencial, industrial, servicios, público y transporte, (iii) estándares y calificación de

eficiencia energética, y (iv) difusión de prácticas de eficiencia energética.

El plan referencial del uso eficiente de la energía 2009-2018 (Resolución Ministerial

N° 46-2009-MEM/DM): Establece el 15% de ahorro de energía como objetivo para el

periodo 2009-2018, relacionado con el escenario de la demanda proyectada de

referencia al 2018, en los sectores: residencial, industrial, servicios, público y

transporte.

1.2 - Energía Renovable en el Perú

Los recursos energéticos renovables, tales como la energía solar, eólica, biomasa,

hidráulica y otros, tienen un importante potencial en el Perú. No obstante, sólo el 4.7%

del potencial de hidráulica, 0.65% del potencial eólico, 6.1% del potencial de biomasa,

y menos del 1% del potencial solar están siendo explotados actualmente. Por lo tanto,

existe un gran potencial para el incremento del uso de la energía renovable y para la

disminución de la dependencia de combustibles fósiles (en el 2010, 56% de la

generación de electricidad provenía de la energía hidráulica, y 44% del gas natural y

derivados del petróleo). Al hacerlo, se diversificará la matriz energética y se contribuirá

a la mitigación del cambio climático, para lo cual el Gobierno del Perú ha asumido

compromisos internacionales.

La energía renovable podría desempeñar también un papel importante en el esfuerzo por

cumplir con la demanda creciente de energía en el Perú, según se muestra en la tabla

que aparece a continuación.

El Perú posee una experiencia limitada en cuanto al financiamiento de inversión en energía

renovable. No obstante, las licitaciones de los RER fueron implementadas recientemente con

éxito por el MINEM (ver resultados en la Tabla 2), lo cual permitió a las instituciones

financieras locales, incluyendo al Scotiabank, Banco Interamericano de Finanzas (BIF) e

Interbank, involucrarse en estas nuevas oportunidades de inversión.

2. TAMAÑO DE LA PLANTA:

PLANTA TERMOSOLAR DE RECEPTOR CENTRAL DE 17 MW

3. LOCALIZACION:

Departamento: Arequipa

Provincia: Caylloma

Distrito: La Joya

Altitud: 1187 msnm

MAPA MACRO-LOCALIZACION:

MAPA DE MICRO-LOCALIZACION:

4. DISPONIBILIDAD DEL COMBUSTIBLE:

Radiación Anual (Fuente MINEM-Senamhi)

Grafico n°1 [1]

5. VIAS DE ACCESO

Acceso por la carretera Panamericana Sur, y vías auxiliares.

6. CONECCION:

En la barra de Repartición 138 kV.

7. RIESGO SISMICO:

Figura 1. Mapa de distribución de máximas intensidades sísmicas para el departamento de

Arequipa (Fuente CERESIS)

8. INGENIERÍA DEL PROYECTO:

PLANTA TERMOSOLAR DE RECEPTOR CENTRAL DE 17 MW

85 GWh/año, a lo que si se añade el 15% de hibridación de gas

natural, resulta una producción eléctrica anual de 100 GWh/año.

El campo solar de 185 Ha

El receptor en una torre de 140 m de altura

La isla de potencia y 2.647 heliostatos –cada uno de ellos de 120 m2- distribuidos en

anillos concéntricos alrededor de la torre.

Vida útil de 40 años.

ELEMENTOS DEL SISTEMA

Los principales elementos de los que consta una central termosolar de receptor central

son los

siguientes:

- El campo solar

. Campo de helióstatos

. Sistema de seguimiento solar

. Torre y receptor central

. Fluido de transferencia

- Sistema de almacenamiento

- Ciclo de vapor

. Generador

. Turbina

. Condensador

. Hibridación

- Sistema de conversión a la red

FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA:

La energía solar por concentración emplea la radiación solar directa: concentra los rayos

del sol mediante espejos en un punto por el que circula un fluido, sales fundidas, cuyo

calor sirve a su vez para generar vapor de agua que mueve una turbina. En las plantas de

torre central, los heliostatos (espejos planos) reflejan la radiación solar en un receptor

situado en lo alto de una torre por el que circulan las sales.

El sistema de sales fundidas, además de generar vapor, sirve también para almacenar el

excedente de calor en tanques de sales de nitrato fundidas. En la torre las sales se

empelan directamente como fluido de absorción calórica: circulan desde el tanque frío,

mediante bombeo, hasta el receptor en lo alto de la torre, donde se calientan hasta

alcanzar los 565°C y bajan así al intercambiador de calor, donde ceden ese calor al

agua, generando vapor. En momentos de sobre-energía, en los que la radiación calórica

recibida es más que suficiente para cubrir la demanda de la turbina, parte de esas sales

se almacenan en un tanque caliente capaz de conservar el calor para utilizarlo en

momentos de baja radiación solar, cuando no se recibe suficiente calor como para

generar directamente. Las sales almacenadas se encargan entonces de suministrar ese

calor y seguir generando vapor.

Esta tecnología, al contrario de otras energías renovables, permite independizar

completamente los procesos de “carga” del sistema de almacenamiento por medio de la

utilización del receptor solar del sistema de descarga del almacenamiento para producir

energía eléctrica. Podremos utilizar la energía almacenada para producir energía

eléctrica a las horas en las que la demanda de electricidad es más alta, con

independencia de que a esa hora el sol esté brillando sobre el campo solar o no.

Los tanques de almacenamiento

Existen dos grandes tanques de almacenamiento térmico con una capacidad de 800

MWh de energía, fabricados de acero inoxidable, para evitar su corrosión a

consecuencia de las altas temperaturas y aislados térmicamente, lo que hace posible el

almacenamiento de las sales en periodos de larga duración.

Los dos tanques van están asentados sobre una base con arlita, material resistente a altas

temperaturas.

Proceso clásico de ciclo Rankine

Cuando se inicia el proceso de generación eléctrica, que incluye la seguridad del

suministro y la gestión de la energía producida, deja de comportarse como una central

solar y se convierte en una planta térmica. La conversión de la energía térmica en

eléctrica sigue un proceso clásico de ciclo Rankine de vapor con extracciones

intermedias, similar al empleado en una planta tradicional de carbón o biocombustible.

Las sales calientes se envían a una batería de intercambiadores en la que, de forma

gradual, se transfiere la energía térmica al agua para producir un vapor sobrecalentado

de más de 100 bares de presión.

Siguiendo el proceso en el sentido del agua-vapor, el ciclo se inicia por el precalentado

del vapor condensado por la evaporización y se continúa con el aumento de la entalpía

hasta obtener el vapor sobrecalentado a muy alta temperatura. Este se manda a la

turbina de alta presión, que trabaja a presiones equivalentes a más de 1.000 metros de

columna de agua. El escape de la turbina de alta presión se sobrecalienta antes de

pasarlo a la turbina de baja presión y, a continuación, se envía al condensador, que es

donde se cierra el ciclo. Ese vapor que se turbina en dos etapas es el encargado de

producir la electricidad.

Una vez fundidas, las sales se mantienen inalterables durante la vida útil de la planta.

De ahí que no se contemple la necesidad de su reposición. En caso de que se decidiera

el desmantelamiento una vez expirado el ciclo vital, su gestión no entrañaría ningún

problema.

10. EVALUACION ECONOMICA:

CALCULO DE COSTOS

Potencia (kw): 17 000 kw

Inversión (US$): 420 205 000 US$

Costo fijo de Operación y Mantenimiento es de un 1% de la inversión.

Tasa de interés: 12% (Según Ley de Concesiones Eléctricas)

Años de vida: 40 años

Factor de Planta: fp (mide la capacidad de la potencia central)

FP= 0.67

Inversión Anual US$/kW:

Inv =

Inv=

Inv=24717.94US$/kW

Costo Medio=Costo Fijo (U$$)/ (KW) + Costo Variable (U$$ /(Kwh) (1)

Costo fijo =

Costo fijo total=

Costo fijo total=552.98US$/MWh (2)

Costo variable seria: 1.08 U$$/MWh (3)

La ecuación 2 y 3 en 1

Costo Medio=552.98US$/MWh + 1.08 U$$/MWh

Costo Medio=554.06 U$$/MWh (Costo medio de la central termosolar)

kw 000 17

US$000 205 420)(

$$)(

KwPotencia

UInversion

var8760)()(

1)1(

)1(

ChxPotenciaxfp

OyMfn

Inv

i

iin

hxKWx

Ux

8760)17000()67.0(

$$)(000 205 420%140

000 205 420

1)12.01(

)12.01(12.040

ANALISIS ECONOMICO: Inversión estimada

Costos del campo solar

Inversión realizada en el sistema de almacenamiento de sales:

Inversión realizada en la isla de potencia:

Inversión Total realizada en la planta:

IV. RESULTADOS

Se propone instalar una central termosolar, solución para abastecer de energía que se

solicita.

Después de haber realizado los cálculos de costo se obtuvo el costo medio de la

central termosolar.

V. DISCUSION:

En una planta sin almacenamiento, el funcionamiento de la turbina debe ajustarse a las

condiciones medioambientales.

Por ser una tecnología en desarrollo todavía es muy costosa en comparación con las

tecnologías convencionales.

Las ventajas de la central con almacenamiento:

- Capacidad de almacenamiento de alta temperatura.

- Bajo riesgo operacional

- Un ciclo de mayor eficiencia.

CONCLUSIONES

1. Nuestra conclusión es dar un enfoque de los costos de una central termosolar,

dar una solución a la demanda energética que se presenta en nuestro país.

2. En la relación de información para los costos, para este tipo de proyecto, en el

estudio son referenciales sobre la base de la información del MINEM.

3. Lo más resaltante es saber usar nuestros recursos energéticos para nuestro

consumo o demanda que requiere nuestro país.

4. Los planes de expansión de la generación y transmisión del SEIN han sido

formulados bajo una metodología de planeamiento y de satisfacción de poder

dar una solución de lo ya mencionado.

VI. LITERATURA CITADA:

REFERENCIAS Y WEBGRAFIA

http://dger.minem.gob.pe/atlassolar/ATLAS_SOLAR.pdf [1]

http://www.ifc.org/wps/wcm/connect/d2b7a280496b628ab1e1bd849537832d/SEF-

Market+Assessment+Peru-Resumen+Ejecutivo-Final.pdf?MOD=AJPERES

http://www.copasa.gob.pe/proyectos/pr_ejecutados/pgrd/estudio_sistem/analisis_riesgo_sis

mico.doc

http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo6.html

http://www.jenijos.com/CENTRALESSOLARES/centrales_solares.htm

http://e-

archivo.uc3m.es/bitstream/10016/11785/1/PFC%20planta%20termosolar%20de%20re

ceptor%20central.pdf

http://www.suelosolar.es/newsolares/newsol.asp?id=7483

http://www.sc.ehu.es/sbweb/energias-

renovables/temas/termoelectrica/revision/revision.html

http://www.energias-renovables.com/articulo/gemasolar-la-catedral-del-sol

http://www.termosolar.renovetec.com/almacenamientotermico.html

http://www.torresolenergy.com/EPORTAL_DOCS/GENERAL/SENERV2/DOC-

cw4e88b3bb57c8f/folleto-gemasolar.pdf

http://www.torresolenergy.com/TORRESOL/planta-gemasolar/es

http://www.fenercom.com/pdf/publicaciones/Guia-tecnica-de-la-energia-solar-

termoelectrica-fenercom-2012.pdf

http://www20.gencat.cat/portal/site/territori/menuitem.bd76c203a0da08645f13ae92

b0c0e1a0/?vgnextoid=5c1bc3be04fbb210VgnVCM1000008d0c1e0aRCRD&vgnextchan

nel=5c1bc3be04fbb210VgnVCM1000008d0c1e0aRCRD&vgnextfmt=detall2&contentid

=6bc21fee24276310VgnVCM1000008d0c1e0aRCRD&newLang=es_ES

http://www.neoteo.com/gemasolar-energia-solar-24-horas