CENTRAL TÉRMICA TERMOSOLAR

Elizabeth Restrepo Mesa

Horacio Uribe ArbeláezDocente:

CENTRALES TÉRMICASCurso

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIAFACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICAMEDELLÍN

2010

 INTRODUCCIÓN

Una central térmica solar o central termosolar es una instalación industrial en la que, a partir del calentamiento de un fluido mediante radiación solar y su uso en un ciclo termodinámico convencional, se produce la potencia necesaria para mover un alternador para generación de energía eléctrica como en una central térmica clásica.

Una central de este tipo tiene varias ventajas importantes para el medio ambiente y la economía, debido a su naturaleza renovable y limpia es decir libre de polución, por ejemplo una planta con capacidad de 50 MW es capaz de producir energía limpia para el consumo anual de 37.000 hogares y evita la emisión de 70.000 toneladas de dióxido de carbono (CO2) al año. Supone, además, la creación de unos 500 empleos directos en su fase de construcción y de 50, en la fase de explotación, la tecnología termosolar presenta como valor añadido la capacidad de funcionar en combinación con otras energías renovables, como el biogás, o incluso funcionar cuando ya se ha puesto el sol. Se las consideran centrales gestionables, ya que se puede programar con antelación la energía que suministrarán, no obstante también tiene ciertas desventajas como que son viables solo en zonas secas y con altas temperaturas, la gran extensión territorial que ocupan y el alto costo de la instalación de una planta de este tipo.

La energía termosolar es una tecnología relativamente nueva que se ha mostrado muy prometedora. Con poco impacto ambiental ofrece una oportunidad a los países ubicados en la zona tórrida del mundo para desarrollar nuevas fuentes de generación de energía eléctrica. La Asociación Europea de la Energía Solar Termoeléctrica (ESTELA) y la Agencia Internacional de la Energía (AIE), estima que podría llegar a cubrir el 7% de la demanda eléctrica mundial en 2030 y más de la cuarta parte para 2050. Se ahorrarían miles de millones de toneladas anuales de CO2. Los responsables del informe señalan también el elevado potencial de esta tecnología: bastaría con una superficie equivalente al 0,5% de todos los desiertos, para producir toda la electricidad consumida en el mundo en la actualidad.

1. RADIACIÓN SOLAR

La radiación solar es el flujo de energía que recibimos del Sol en forma de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarroja y ultravioleta). Aproximadamente la mitad de las que recibimos, comprendidas entre 0.4μm y 0.7μm, pueden ser detectadas por el ojo humano, constituyendo lo que conocemos como luz visible. De la otra mitad, la mayoría se sitúa en la parte infrarroja del espectro y una pequeña parte en la ultravioleta.

La energía asociada al enorme flujo de radiación emitido por el sol y capturado por la tierra es el origen de la vida y lo que permite que se ésta se perpetúe. Casi todas las formas de energía, tienen su origen directa o indirectamente en el sol. En función de cómo reciben la radiación solar los objetos situados en la superficie terrestre, se pueden distinguir estos tipos de radiación:

Radiación Directa: Es aquella que llega directamente del Sol sin haber sufrido cambio alguno en su dirección. Este tipo de radiación se caracteriza por proyectar una sombra definida de los objetos opacos que la interceptan.

Radiación Difusa: Parte de la radiación que atraviesa la atmósfera es reflejada por las nubes o absorbida por éstas. Esta radiación, que se denomina difusa, va en todas direcciones, como consecuencia de las reflexiones y absorciones, no sólo de las nubes sino de las partículas de polvo atmosférico, montañas, árboles, edificios, el propio suelo, etc. Este tipo de radiación se caracteriza por no producir sombra alguna respecto a los objetos opacos interpuestos. Las superficies horizontales son las que más radiación difusa reciben, ya que ven toda la bóveda celeste, mientras que las verticales reciben menos porque sólo ven la mitad.

Radiación Reflejada: La radiación reflejada es, como su nombre indica, aquella reflejada por la superficie terrestre. La cantidad de radiación depende del coeficiente de reflexión de la superficie, también llamado albedo. Las superficies horizontales no reciben ninguna radiación reflejada, porque no ven ninguna superficie terrestre y las superficies verticales son las que más radiación reflejada reciben.

Radiación Global: Es la radiación total. Es la suma de las tres radiaciones.

En un día despejado, con cielo limpio, la radiación directa es preponderante sobre la radiación difusa. Por el contrario, en un día nublado no existe radiación directa y la totalidad de la radiación que incide es difusa.

Los distintos tipos de colectores solares aprovechan de forma distinta la radiación solar. Los colectores solares planos, por ejemplo, captan la radiación total (directa + difusa), sin embargo, los colectores de concentración sólo captan la radiación directa. Por esta razón, los colectores de concentración suelen situarse en zonas de muy poca nubosidad y con pocas brumas, en el interior, alejadas de las costas. Los colectores solares planos pueden colocarse en cualquier lugar, siempre que la insolación sea suficiente.La intensidad de la radiación solar se mide a través de dos parámetros físicos:

Insolación: Energía media diaria (kWh/m2 día)Radiación térmica: Potencia instantánea sobre superficie horizontal (kW/m2)

El 47% de la energía solar incidente alcanza la superficie terrestre, de forma que el 31% lo hace directamente y el otro 16% después de ser difundida por el polvo, vapor de agua y moléculas de aire.

El resto de la energía solar, el 53% no alcanza la superficie de la Tierra, ya que:

Un 15% es absorbida por la troposfera, (agua, ozono y nubes)Un 23% es reflejada por las nubesUn 7% es reflejada por el sueloUn 2% es absorbida por la estratosfera, principalmente por el ozonoEl 6% restante es la energía difundida por la atmósfera que se dirige hacia el cielo

En la Fig. 1 se presenta un esquema que resume lo analizado hasta el momento.

Fig. 1. Balance de radiación solar Fig. 2. Balance de radiación terrestre

1.1. Calidad termodinámica de la radiación solar

La radiación solar posee una elevada calidad termodinámica al ser el resultado de procesos que tienen lugar en la superficie del Sol a una temperatura equivalente de cuerpo negro visto desde la Tierra de 5.777 K. En las aplicaciones solares que utilizan la potencia incidente de la irradiación solar para su conversión a trabajo útil, como es el caso de las CET, resulta fundamental la medida de la calidad de esa energía incidente, expresada en términos de exergía, magnitud que como es sabido se utiliza para designar la parte de la energía que puede convertirse en trabajo mecánico en un proceso perfectamente reversible.

 

2. CENTRALES TERMOSOLARES

La generación de energía eléctrica por medios termosolares es similar a la generación por combustibles fósiles, la diferencia reside en la forma de obtener el vapor. En los sistemas termosolares la obtención de altas temperaturas se logra mediante la concentración de irradiación solar directa

Las centrales eléctricas termosolares se pueden diseñar para generación exclusivamente solar, ideal para satisfacer demanda diurna, pero con los sistemas de almacenamiento se puede extender su operación casi a requisitos de carga base.

Estas Centrales son sin duda una de las tecnologías energéticas renovables que pueden hacer un aporte considerable a la generación de electricidad no contaminante en el medio plazo. La tecnología solar termoeléctrica consiste en el empleo de la radiación solar incidente sobre la superficie terrestre para el calentamiento de un fluido que se hace pasar posteriormente por una etapa de turbina. Tras la etapa compuesta por los equipos propiamente solares, concentrador óptico y receptor solar, este esquema tiene muchas similitudes con las tecnologías termoeléctricas convencionales basadas en la conversión mecánica del calor.

Se tiene una concentración fuerte de la radiación solar, una caldera o un intercambiador y la posibilidad de utilizar en modo térmico esa energía, lo cual permite almacenarla bien, o hibridar con otras renovables o con otros combustibles fósiles, añadiendo, de alguna manera, cierta fiabilidad al despacho eléctrico.

Uno de los componentes más críticos de las centrales de torre es el receptor, situado en lo alto de la misma. Debido a las altas temperaturas y gradientes que puede alcanzar, lo cual está además íntimamente ligado al rendimiento del ciclo termodinámico, los estudios actuales se centran básicamente en la elección de materiales y la disposición de estos de forma que existan las menores pérdidas de calor posibles, incrementando así no sólo la eficiencia global del ciclo sino la del receptor en sí. Existen receptores volumétricos, de tubos, abiertos, de cavidad, circulares, etc.

En cuanto al sistema óptico, éste es la principal característica que distingue a tecnología termosolar de otras convencionales de producción de electricidad. Debido a las grandes extensiones de superficie reflectante necesaria, una parte importante de los costes de una planta están ligados a los helióstatos, o los colectores cilindro parabólicos en su caso. El sistema de apunte es crítico a fin de optimizar el campo maximizando la radiación anual reflejada incidente en el receptor de la torre evitando gradientes en el mismo. El

seguimiento solar se lleva a cabo mediante un sistema de control automático que puede estar más o menos centralizado, el cual hace funcionar pequeños motores eléctricos que mueven la superficie reflectora con dos grados de libertad, esto son, dos ejes. Se están llevando a cabo también estudios de mejora del sistema de control, intentando reducir los costes totales de las plantas.

El sistema energético actual se caracteriza porque la mayor parte del consumo final de energía tiene lugar en forma de calor y trabajo, en muchos casos a través de electricidad como forma energética de alta calidad exergética y gran comodidad de transporte. Esto, unido a la importancia de la energía solar como fuente de energía renovable, hace que las centrales termosolares, como sistemas generadores de energía eléctrica, adquieran gran relevancia de cara a asegurar las necesidades energéticas de una sociedad respetuosa con el medio ambiente.

2.1. Principios generales de funcionamiento

En general, una central termoeléctrica es un sistema capaz de generar energía eléctrica a partir de energía térmica mediante lo que se conoce como ciclo de potencia, y para poder desarrollar este ciclo se necesita una fuente de energía primaria a partir de la cual obtener la energía térmica necesaria.

Si la fuente de energía primaria es la energía química de un combustible fósil (carbón, gas o fuel-oil), la central termoeléctrica se denomina central termoeléctrica convencional. Si la fuente de energía primaria es la radiación solar, la central termoeléctrica se denomina Central Energética Termosolar (CET).

Al contrario que una instalación fotovoltaica, una CET no genera electricidad directamente a partir de la radiación solar, sino que transforma esta radiación en energía térmica que es aportada a un ciclo de potencia convencional y este transforma esa energía térmica en energía mecánica. Posteriormente, mediante un generador eléctrico se transforma la energía mecánica en energía eléctrica, siendo ésta última la que se inyecta a la red eléctrica y llega a los puntos de consumo, siendo más específicos producir electricidad de la energía de los rayos del sol es un proceso relativamente sencillo, en la parte más alta de la torre se aloja el horno solar, donde se produce la conversión de energía radiante en energía térmica, el calor captado en la torre calienta un fluido portador que circula por un circuito cerrado. Este fluido puede ser vapor de agua sodio o sales fundidas, luego el fluido caliente pasa a un sistema de almacenamiento en aceite o sal derretida para que la turbina siga funcionando en la noche, mediante una bomba se lleva el fluido caliente hasta el intercambiador de calor donde eleva la temperatura del agua hasta evaporarla, el

vapor ingresa a la cámara de la turbina haciendo que se mueva y esta a su vez mueve el rotor del generador produciendo energía eléctrica.

Las CETS pueden incorporar un sistema de almacenamiento de energía, lo que permite seguir suministrando energía en ausencia de radiación solar. Dependiendo de la capacidad del sistema de almacenamiento, así será el intervalo de tiempo diario durante el cual se podrá seguir suministrando energía eléctrica.

Las CETs en las que la única fuente de energía es la radiación solar se califican como sistemas solo-solares. Si la radiación solar, como fuente de energía primaria, es complementada con el aporte energético de un combustible convencional, la central se denomina híbrida. En la Fig. 3, se representan los componentes básicos de una CET en la que se ha incluido un sistema de almacenamiento y un apoyo con combustible fósil. En realidad, únicamente el concentrador y el receptor son sistemas específicos de una CET y forman lo que se denomina campo solar, el resto son sistemas comunes para cualquier central termoeléctrica.

Fig. 3. Esquema básico de funcionamiento de una CET

El sistema concentrador está constituido por superficies reflectoras que se muestran en la Fig. 4 que interceptan, concentran y reflejan la radiación solar dirigiéndola hacia el receptor Fig. 5, que se encarga de captar esta radiación concentrada e introducirla en el sistema. Como el objetivo es concentrar los rayos solares sobre la superficie del receptor, el sistema concentrador debe disponer de un mecanismo de control que le permita seguir

la trayectoria del sol de modo que siempre se encuentre enfocado hacia él. Una vez que la radiación concentrada llega al receptor, éste la convierte en energía térmica mediante una transferencia de energía al fluido de trabajo. Por último, el sistema de conversión de energía térmica transforma esta energía en energía eléctrica.

Fig. 4. Superficies Reflectoras Fig. 5. Receptor

Una característica diferencial de los sistemas termosolares es que la concentración de la radiación la realizan mediante reflexiones especulares, esto hace que únicamente sea aprovechable la componente directa de la radiación solar.

2.2. Principales técnicas de conversión de la energía solar térmica

La tecnología solar térmica permite el aprovechamiento de la radiación solar para la producción de energía a través del calentamiento de un fluido sin residuos contaminantes.

Existen varias tecnologías para el aprovechamiento de la energía solar, pero las principales son:

La Circulación NaturalLa Circulación Forzada

La diferencia fundamental entre ambas es que en la primera (circulación natural) no hay elementos en el sistema de tipo electromecánico: el motor de la circulación natural es directamente la energía solar, mientras que en la segunda (circulación forzada), el fluido circula gracias a una bomba de circulación.

2.3. Sistemas solares de Circulación Natural

2.3.1. Características generales

Los sistemas de circulación natural son muy sencillos, requieren poca manutención y se pueden construir utilizando cualquier modelo de panel solar.

Todos los sistemas de circulación natural se basan en el principio por el que el fluido del circuito primario, calentado por el sol, disminuye su densidad, se vuelve más ligero y asciende, provocando un movimiento natural del fluido mismo.

En los sistemas de circulación natural el depósito de acumulación del agua tiene que estar siempre colocado más arriba del panel y a poca distancia del mismo, aunque también existen sistemas de circulación natural con el depósito colocado detrás del panel. Asimismo, las tuberías de enlace entre el panel y el depósito tienen que mantener la misma inclinación.

Entre las instalaciones de circulación natural se puede hacer otra distinción más entre sistemas de intercambio directo y sistemas de intercambio indirecto:

El principio de funcionamiento en ambos casos se puede resumir como se expone a continuación: cuando el agua o el fluido portador de calor se calienta en el colector solar, disminuye su densidad. Por ello, se vuelve más ligero y tiende a subir, mientras que el agua fría baja para ocupar el lugar dejado libre por el agua caliente. De esta forma, no son posibles circulaciones invertidas ya que el calor se queda cada vez más arriba o directo.

2.4. Sistemas solares de circulación forzada

2.4.1. Características generales

El principio de funcionamiento de un sistema de circulación forzada se distingue del de circulación natural porque el fluido, contenido en el colector solar, fluye en el circuito cerrado por efecto del empuje de una bomba comandada por una centralita o termostato que se activa, a su vez, por sondas colocadas en el colector y en el depósito.

Es evidente que en un sistema de circulación forzada, el proyecto no se limita al cálculo de la superficie de los colectores solares, sino que es necesario dimensionar también los demás componentes del sistema.

2.5. Sistemas de circulación forzada de vacío

Los sistemas de circulación forzada de vacío son muy parecidos a los sistemas de circulación forzada tradicional y tienen prácticamente todos los componentes típicos de estos sistemas. Los sistemas de circulación forzada de vacío permiten solucionar algunos problemas típicos de los sistemas forzados tradicionales.

Uno de los principales problemas de la circulación forzada, si se soluciona en la fase de diseño, es la posibilidad de sobrecalentamiento del fluido portador del calor. De hecho, en el caso de que el calor producido por el sistema solar no fuera utilizado en un período de tiempo bastante largo, esto tendría como resultado un sobrecalentamiento del fluido anticongelante. En caso de estancamiento del fluido, éste puede alcanzar temperaturas muy altas.

2.6. Estado actual y perspectiva inmediata

Dentro de la electricidad de origen solar se dispone de dos sistemas básicamente: los sistemas fotovoltaicos y los sistemas térmicos. Dentro de éstos últimos básicamente se distinguen dos tipos: los campos solares y la tecnología de disco Stirling. Los campos solares, sean espejos o colectores, permiten producir vapor que se expansiona en turbinas de forma similar a como ocurre en una central térmica convencional. Un aspecto positivo es que se pueden diseñar para almacenar energía, pudiendo operar más horas al día. En cuanto a la tecnología de disco Stirling, que consiste básicamente en concentradores solares de diseño circular parabólico, donde se calienta un fluído y éste se expansiona en un motor de combustión externa.

Dentro de la generación solar termoeléctrica, la producción de electricidad mediante un ciclo térmico de vapor alimentado por energía solar, se piensa que es una de las alternativas de aprovechamiento de energías renovables que menor nivel de comercialización ha alcanzado hasta el momento. Dentro de las tecnologías de generación solar termoeléctrica existen dos: las de media temperatura y las de alta temperatura. Las de media temperatura están basadas en colectores de cilindros parabólicos, y las de alta temperatura son centrales de concentración y torre integradas por campos de espejos orientables.

2.7. Tecnología, costos y beneficios

Para producir electricidad a partir de la energía solar térmica se requieren cuatro elementos: concentrador, receptor, alguna forma de transporte del calor, almacenamiento y conversión de la energía, un equipo que es muy similar al de una planta de combustible fósil. Las tres tecnologías solares térmicas más prometedoras son el concentrador cilindro-parabólico (CCP), el receptor central o central de torre y el disco parabólico.

2.8. Barreras tecnológicas, económicas y sociales para la implantación de las CET

Como ya se ha descrito con anterioridad, las CET están llamadas a jugar un papel relevante en la producción de electricidad a gran escala. Las tres tecnologías de concentración solar, si bien presentan diferencias de costes en la primera fase de implantación, proyectan posteriormente costes de producción muy similares como se ilustra en la Fig. 6, dependiendo la selección de la tecnología sobre todo del tipo de aplicación y de despacho de la electricidad generada.

Fig. 6. Evolución prevista del coste de la electricidad en el periodo de 2000 – 2020 producida para las tres tecnologías de CET.

Fuente: [Agencia Internacional de la Energía Solar PACES]

Fig. 7. Estrategia de penetración en el mercado de las CETFuente: [Agencia Internacional de la Energía Solar PACES]

Las medidas para la implantación de las plantas CET y la consecución de los objetivos de costes fijados, conjugan iniciativas en los ámbitos tecnológico, económico y social, y pasan sin duda por la construcción en una primera etapa de una pequeña serie de unidades de demostración con operación en régimen comercial y potencias solares en el entorno de las decenas de MW.

Los desarrollos tecnológicos deben incidir por su parte en la mejora de las eficiencias de los distintos componentes, la búsqueda de esquemas óptimos de integración con el ciclo termodinámico, la reducción de costes y el aumento de su fiabilidad y durabilidad. En el caso de los colectores cilindro-parabólicos existe una importante limitación tecnológica asociada a la máxima temperatura de trabajo que se sitúa en los 400ºC. A esto se añaden las ineficiencias y costes asociados al uso de un aceite térmico como fluido de transferencia entre el receptor solar y el generador de vapor. Por este motivo los esfuerzos de desarrollo tecnológico se centran en la búsqueda de mejores medios de transferencia de calor que sustituyen al aceite. Un segundo problema es la inexistencia de soluciones eficientes y de bajo coste para el almacenamiento térmico de la energía, por lo que los factores de capacidad se ven seriamente limitados. A esto se añaden las mejoras necesarias en la durabilidad de los tubos absorbedores.

Para las centrales de torre el primer gran objetivo es demostrar en las primeras plantas comerciales los factores de capacidad y eficiencias predichas a partir de las experiencias en plantas piloto. Asimismo se deben verificar los objetivos de costes marcados por los componentes solares, y sobre todo para los helióstatos, al no existir hasta ahora experiencias de producción en serie. Para los receptores solares se han de demostrar además las eficiencias predichas en pequeños prototipos y la durabilidad del absorbedor. Las centrales de torre presentan todavía niveles relativamente bajos de automatización y de integración de los sistemas de control, lo que penaliza la operación de la planta, siendo éste otro aspecto que requiere mejoras tecnológicas.

Por último los sistemas disco-Stirling son, sin lugar a dudas, la tecnología con un mayor potencial a largo plazo, por sus altas eficiencias y su modularidad que los hacen extraordinariamente atractivos desde el punto de vista de la planificación de la inversión. La limitación en cuanto a su potencia unitaria (por debajo de 25 kW) es, no obstante, un

obstáculo para muchas aplicaciones que pretenden producción eléctrica a gran escala. Las experiencias de operación se restringen a unas pocas unidades por lo que el riesgo tecnológico es alto. También es limitada la experiencia sobre fiabilidad a partir del número de horas acumuladas de ensayo. Se trata además de un sistema que precisa establecer un sistema de producción en masa para reducir costes de utillajes, sobre todo en los motores, por lo que los costes de la inversión para las primeras plantas son altos y la incertidumbre en su reducción también más elevada, resultando ineludible una estrategia industrial que contemple la exportación hacia un mercado amplio para garantizar su viabilidad.

3. TIPOS DE CENTRALES TERMOSOLARES

Las centrales termosolares para producción de electricidad implican siempre diseños de sistemas de concentración que tratan de migrar a gran tamaño, y en condiciones reales de operación, geometrías que se aproximan a la del concentrador parabólico ideal. Habitualmente se usan concentradores solares por reflexión para alcanzar las temperaturas requeridas en la operación de los ciclos termodinámicos. Los tres conceptos de concentración solar más utilizados son:

3.1. Sistemas concentradores cilindro-parabólicos (CCP)

3.1.1. Desarrollos tecnológicos

Este concepto se contrapone al de receptor central. En vez de centenares de espejos enfocando hacia el colector central, el sistema térmico está disperso o distribuido. Se emplea un gran número de colectores llamados concentradores y cada concentrador enfoca la energía que recibe en su propio receptor, o calienta localmente a un sistema fluído de transporte térmico. Básicamente estos sistemas son de dos tipos: con foco lineal o con foco puntual.

Fig. 8. Colector cilindro parabólico

Se usan reflectores de espejo en forma de canal para concentrar la luz solar en los tubos del receptor térmicamente eficiente situados en la línea focal del canal. En estos tubos circula un fluido de transferencia del calor, como un aceite térmico sintético. Calentado a unos 400°C por los rayos solares concentrados, se bombea este aceite en una serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado. Este vapor se convierte en

energía eléctrica en un generador de turbina de gas convencional, que puede ser parte de un ciclo de vapor convencional o integrado en una turbina de ciclo combinado de vapor y gas.

Los concentradores cilindro-parabólicos (CCP) son la tecnología solar termoeléctrica más madura, con 354 MW conectados a la red del sur de California desde los años 80 y más de 2 millones de metros cuadrados de CCP operando con una disponibilidad a largo plazo superior al 99%. Suministrando 800 millones de kWh anuales a un coste de generación de unos 10-12 centavos de $ /kWh, estas centrales han mostrado un máximo de eficiencia estival del 21% en términos de conversión de la radiación solar directa en electricidad en la red.

Fig. 9. Movimiento del colector

Como cualquier otro captador de concentración, los CCP solo pueden aprovechar la radiación solar directa, lo que exige que el colector vaya modificando su posición durante el día. Este movimiento se consigue mediante el giro alrededor de un eje paralelo a su

línea focal, como se observa en la Fig. 9

Las nueve plantas SEGS (Solar Electricity Generating Systems) actualmente en operación en California, con sus más de 2,5 millones de metros cuadrados de CCP, son el mejor ejemplo del estado del arte de esta tecnología. Con una capacidad de producción en régimen comercial de 354 MWe, las plantas SEGS han acumulado una gran experiencia en el diseño e implementación de este tipo de CET. La Tabla 1 contiene un listado de las plantas termosolares con CCP, tanto experimentales como comerciales, que han sido implementadas en el mundo desde la década de los 80.

Tabla 1. Plantas de Colectores Cilindro Parabólicos en el mundoPlanta País Potenci

a [MWe]

Fluido de Trabajo Medio de Almacenamiento

Inicio de Operación

DCS España

0,5 Aceite (Santotherm 55) Aceite (Santotherm 55)

1981

SEGS-I EEUU 14 Aceite (ESSO 500) Aceite (ESSO 500) 1984SEGS-II EEUU 30 Aceite (Monsanto VP1) Sin almacenamiento 1985SEGS-III EEUU 30 Aceite (Monsanto VP1) Sin almacenamiento 1986SEGS-IV EEUU 30 Aceite (Monsanto VP1) Sin almacenamiento 1986SEGS-V EEUU 30 Aceite (Monsanto VP1) Sin almacenamiento 1987SEGS-VI EEUU 30 Aceite (Monsanto VP1) Sin almacenamiento 1988SEGS-VII EEUU 30 Aceite (Monsanto VP1) Sin almacenamiento 1988SEGS-VIII EEUU 80 Aceite (Monsanto VP1) Sin almacenamiento 1989SEGS-IX EEUU 80 Aceite (Monsanto VP1) Sin almacenamiento 1990

Hay que mencionar aquí que la planta DCS (Distributed Collector System) existente en la Plataforma Solar que el CIEMAT tiene en Almería fue pionera en el campo de las plantas termosolares con CCP. En las plantas SEGS, un campo solar compuesto por filas paralelas de colectores cilindro parabólicos conectados en serie convierte la radiación solar directa en energía térmica, calentando el aceite que circula por los tubos absorbentes de los colectores solares. El aceite así calentado, es posteriormente enviado a un intercambiador de calor aceite/agua donde se produce el vapor sobrecalentado requerido para accionar un turbo-alternador, generándose de este modo energía eléctrica mediante un ciclo termodinámico Rankine. Esta es la tecnología denominada Heat Transfer Fluid y conocida internacionalmente con las siglas HTF, ya que se basa en el uso de un medio calo portador (aceite sintético) para transportar la energía térmica desde el campo solar al bloque de potencia donde se genera la electricidad.

Tal y como muestra la Fig. 10, las plantas SEGS típicas carecen de almacenamiento térmico, pero cuentan con calderas de gas auxiliares que pueden ser usadas tanto como complemento del campo solar, como para generar electricidad en periodos en los que no existe radiación solar disponible (días nublados y durante la noche).

Fig. 10. Esquema simplificado de una planta SEGS típica

Las CET con CCP son las que presentan actualmente un menor coste para generar electricidad o producir vapor sobrecalentado a alta presión (375ºC/100bar). La tecnología de las plantas termosolares del tipo SEGS está totalmente disponible en la actualidad, aunque no resulta competitiva en la mayor parte de los mercados energéticos actuales si no disponen de algún tipo de incentivo fiscal o ayuda económica externa que tenga en cuenta sus buenas cualidades desde el punto de vista medioambiental y para la consecución de un desarrollo sostenible.

3.1.2. FuncionamientoEn la central solar de colector distribuido los rayos de sol son reflejados por espejos cilíndricos de curvatura parabólica, llamados colectores, y concentrados sobre un conducto por el que circula un fluido conductor (generalmente aceite). En este caso los espejos también se orientan automáticamente (en sentido vertical) para captar siempre la máxima radiación posible para cada posición del sol a lo largo del día. La forma parabólica de los espejos hace que los rayos de sol reflejados se concentren en un mismo punto, llamado foco, que es donde se coloca la tubería con el fluido conductor.

En el generador de vapor se produce el intercambio de calor entre el circuito del fluido conductor y el circuito de agua, produciéndose vapor de agua a presión.

El vapor a presión incide sobre los álabes de una turbina de vapor, haciéndola girar.

Después de accionar la turbina el vapor de agua pasa de nuevo a la fase líquida en el condensador. En este caso, el condensador puede estar refrigerado por aire o por agua, pero sin necesidad de utilizar una torre de refrigeración.

El eje de la turbina está unido al del alternador y por tanto le transmite su movimiento.

El alternador es capaz de producir electricidad a partir de su movimiento.

La corriente eléctrica es elevada de tensión en un transformador, para poder ser trasportada a través del tendido eléctrico con las menores pérdidas posibles.

3.2. Los sistemas de receptor central (central de torre)

3.2.1. Desarrollos tecnológicos

Concentrando luz solar hasta 600 veces, la tecnología de torre solar tiene la ventaja potencial de suministrar calor solar a alta temperatura en cantidades a escala comercial desde 500 °C para los ciclos de vapor y más allá de los 1.000 °C para las turbinas de gas y las centrales eléctricas de ciclo combinado.

Fig. 11. Esquema de una central tipo torre y campo de helióstatos

Consiste en un espejo dotado de helióstatos, que dirigen y concentran la energía del sol sobre un receptor central situado en lo alto de una torre. Los helióstatos se desplazan controladamente de forma individual o por grupos siguiendo al sol en la mayor parte de su movimiento diurno y, en el receptor, la energía se absorbe en un fluído circulante que puede ser agua u otro medio que pasa el calor a un ciclo de Rankine. El sistema puede incorporar almacenamiento térmico para las horas de noche o donde haya predominio de

nubes. Responden básicamente a un esquema del tipo reflejado en la Fig. 12

Fig. 12. Central solar de alta temperatura

Aunque se considera que las centrales de torre están más lejos de la comercialización que los CCP, las torres solares tienen buenas perspectivas a largo plazo por su alta eficiencia de conversión. Hay proyectos en varias fases de desarrollo (de la evaluación a la puesta en marcha) en España, Sudáfrica, y los EEUU. En el futuro, los proyectos de centrales de torre se beneficiarán de reducciones de costes similares a los que se esperan en las centrales de colectores cilíndrico parabólicos. En la Tabla 2 se recoge un listado de algunos proyectos finalizados o que está en operación.

Tabla 2. Torres de potencia experimentales en el mundoProyecto País Potencia

[MWe]Fluido de Transferencia

TérmicaMedio de

AlmacenamientoInicio de

OperaciónSSPS España 0,5 Sodio Líquido Sodio 1981EURELIOS Italia 1 Vapor Sal Nitrato / Agua 1981SUNSHINE Japón 1 Vapor Sal Nitrato / Agua 1981Solar One EEUU 10 Vapor Aceite / Roca 1982CESA-1 España 1 Vapor Sal Nitrato 1982MSEE/Cat B EEUU 1 Nitrato Fundido Sal Nitrato 1983THEMIS Francia 2,5 Sal de Alta Tecnología Sal de Alta Tecnología 1984SPP-5 Rusia 5 Vapor Agua / Vapor 1986TSA España 1 Aire Cerámico 1993Solar Two EEUU 10 Nitrato Fundido Sal Nitrato 1996

Tal y como se observa se caracterizan por ser sistemas de demostración de pequeño tamaño, entre 0,5 y 10 MW, y en su mayoría tuvieron su periodo de operaciones en los años ochenta, con la excepción de las plantas TSA y Solar Two, cuya experiencia operacional se llevó a cabo en la década de los noventa. Cabría destacar el hecho de que tres de estos sistemas se han localizado en España, dentro de las instalaciones que CIEMAT tiene en la Plataforma Solar de Almería. Los fluidos térmicos utilizados en el

receptor han sido sodio líquido, vapor saturado o sobrecalentado, sales de nitratos fundidas y aire.

3.2.2. FuncionamientoEn la central solar de torre central los rayos de sol son reflejados por espejos planos, llamados helióstatos, y concentrados en la parte superior de la torre, en donde se encuentra la caldera, formada por unos conductos a través de los cuales circula un fluido conductor (generalmente aceite) que absorbe el calor de la radiación solar. Puesto que el sol va cambiando su posición a lo largo del día, los espejos deben reorientarse continuamente y de forma precisa, con objeto de que los rayos de sol se reflejen siempre en el lugar adecuado.

En el generador de vapor se produce el intercambio de calor entre el circuito del fluido conductor y el circuito de agua, produciéndose vapor de agua a presión.

El vapor a presión incide sobre los álabes de una turbina de vapor, haciéndola girar.

Después de accionar la turbina el vapor de agua pasa de nuevo a la fase líquida en el condensador. En este caso, el condensador puede estar refrigerado por aire o por agua, pero sin necesidad de utilizar una torre de refrigeración.

El eje de la turbina está unido al del alternador y por tanto le transmite su movimiento.

El alternador es capaz de producir electricidad a partir de su movimiento.

La corriente eléctrica es elevada de tensión en un transformador, para poder ser trasportada a través del tendido eléctrico con las menores pérdidas posibles.

3.3. Disco parabólico

3.3.1. Estado tecnológico

Los concentradores de disco parabólico son unidades comparativamente pequeñas con un moto generador en el punto focal del reflector. Los tamaños típicos oscilan de 5 a 15

metros de diámetro y 5 - 50kW de producción eléctrica. Como todos los sistemas de concentradores, pueden ser alimentados adicionalmente por gas natural o biogás, proporcionando una capacidad firme en todo momento.

Por su óptica parabólica ideal de enfoque en un punto y su control de trayectoria de doble eje, los concentradores de disco consiguen máxima concentración de flujo solar y por tanto el mejor rendimiento de todos los tipos de concentradores. Por razones económicas, la capacidad unitaria de los discos está actualmente restringida a unos 25 kWe, pero se pueden usar disposiciones con discos múltiples para aumentar la producción eléctrica al rango de MWe. Debido a su tamaño, el futuro de la tecnología de disco está sobre todo en el suministro eléctrico descentralizado y remoto, con sistemas eléctricos independientes.

Varios sistemas eléctricos pequeños no conectados a la red con unidades de disco parabólico de 5 - 50 kWe han probado su viabilidad técnica en proyectos experimentales en todo el mundo desde los 70. En particular, los sistemas disco/motor Stirling tienen un excelente potencial para altas eficiencias de conversión debido al rendimiento del ciclo empleado. El rendimiento energético récord hasta la fecha ha sido el de un sistema disco/motor Stirling de 25kWe en EE.UU. con una eficiencia solar-eléctrica máxima del 30%.

Fig. 13. Disco parabólico

En España se tiene varios prototipos en operación desde 1992, inicialmente de 3 unidades de disco parabólico de 7,5 metros de diámetro capaces de recoger hasta 40 kWt de

energía, con un motor Stirling1 SOLO V160 capaz de generar hasta 9 kWe situado en su zona focal.El prototipo de concentrador se construyó aplicando la tecnología de membrana tensionada, la cual mantiene la forma parabólica mediante una pequeña bomba de vacío. Su reflectividad es del 94% y es capaz de concentrar la luz solar hasta 12.000 veces en el centro de su foco de 12 cm de diámetro. Su distancia focal es de 4,5 metros y el sistema de seguimiento es polar.

4. TIPOLOGÍA DE COLECTORES SOLARES TÉRMICOS

Un colector solar consta de una placa captadora que, gracias a su geometría y a las características de su superficie, absorbe energía solar y la convierte en calor (conversión foto térmica). Esta energía es enviada a un fluido portador del calor que circula dentro del colector mismo o tubo térmico.

La característica principal que identifica la calidad de un colector solar es su eficiencia, entendida como capacidad de conversión de la energía solar incidente en energía térmica. Fundamentalmente existen tres tipos de colectores solares: planos, de vacío y de concentración. Los primeros se dividen en otras dos categorías: planos con cubierta y planos sin cubierta.

4.1. Colectores solares planos

Los colectores solares planos son el tipo más común actualmente. Los colectores planos con cubierta están compuestos esencialmente por una cubierta de vidrio, una placa captadora aislada térmicamente en la parte inferior y están lateralmente contenidos en una caja de metal o plástico.

Los colectores planos sin cubierta normalmente son de material plástico y están directamente expuestos a la radiación solar. La utilización de estos últimos se limita al calentamiento del agua de las piscinas.

1 Motor de combustión externa, es decir, el aporte energético puede realizarse mediante la luz solar recogida por el disco parabólico y concentrada en su zona focal. Es un ciclo de alto rendimiento termodinámico.

4.2. Colectores solares de vacío

Están proyectados para reducir las dispersiones de calor hacia el exterior. El calor captado por cada elemento (tubo de vacío) es transferido a la placa, generalmente de cobre, que está dentro del tubo. De esta manera, el líquido portador del calor se calienta y, gracias al vacío, se reduce al mínimo la dispersión de calor hacia el exterior.

En su interior la presión del aire es muy reducida, de forma que impide la cesión de calor por conducción. En la fase de montaje, el aire entre el absorbedor y el vidrio de la cubierta es aspirado y hay que asegurar una hermeticidad perfecta y perdurable en el tiempo.

4.3. Colectores solares de concentración

Los colectores solares de concentración son colectores cóncavos proyectados para optimizar la concentración de la energía solar en un punto bien determinado. Son eficaces sólo con luz solar directa, ya que tienen que seguir el movimiento del sol.

Este modelo de colector, que puede alcanzar altas temperaturas, es una elección lógica para generadores solares o para hornos de altísimas temperaturas (más de 4.000°C). El coste y la realización del equipo de seguimiento del sol y su construcción determina que sea poco práctico.

4.4. Principales características de un colector solar térmico

4.4.1. Eficiencia

La eficiencia de un colector solar se define como la relación entre la energía absorbida (densidad de energía) por el fluido portador del calor y la energía incidente (densidad de energía solar) sobre su superficie.

4.4.2. Selectividad

Los colectores solares de placa selectiva han sido tratados electro-químicamente, con la finalidad de que tengan una superficie con alto coeficiente de absorción y bajo coeficiente de reflexión hasta una temperatura de 250°C.

El tratamiento electro-químico consiste generalmente en una capa de cromo negro sobre níquel, ambos sobre la placa captadora (generalmente de cobre-cobre, de cobre-aluminio

o de acero). Este tratamiento permite aumentar notablemente las prestaciones del colector solar.

 

5. AHORRO ENERGÉTICO Y CONSIDERACIONES MEDIOAMBIENTALES

El rendimiento de un sistema solar térmico depende de varios factores: condiciones climáticas locales, área y tipo de colector solar, carga térmica, etc. también la temperatura del ambiente influye de forma notable sobre el rendimiento del sistema. Por consiguiente, las prestaciones de un sistema pueden variar mucho en función de la zona de instalación.

Para realizar un cálculo del ahorro que se puede obtener con la instalación de un sistema solar, es necesario calcular la cantidad de combustible requerida para obtener la misma producción térmica obtenida con la energía solar. Es evidente, por tanto, que un cálculo de amortización de un sistema tiene que tener en cuenta también las características de la zona de instalación, además de las prestaciones típicas del sistema solar. Esto pone en evidencia el hecho de que cálculos de este tipo son bastante complejos y tienen que tener en cuenta todas las variables que influyen sobre la producción solar.

Es necesario, además, considerar el impacto ambiental de los materiales utilizados en la producción de los sistemas solares térmicos. Los materiales más adecuados y menos contaminantes para la construcción del panel solar son el acero, el aluminio y el cobre.

 

5.1. Beneficios medioambientales

La electricidad solar térmica carece de las emisiones contaminantes o de las preocupaciones de seguridad medioambiental asociadas con las tecnologías de generación convencional. No hay contaminación en forma de gases de combustión o ruido durante la operación. Desmantelar una central no crea problemas.

Lo que es más importante en términos medioambientales más amplios, durante la operación de una central solar termoeléctrica no hay emisiones de CO2 - el gas de mayor responsabilidad en el cambio climático global (ver cuadro "Cambio climático y elección de combustible"). Aunque hay emisiones indirectas de CO2 en otras etapas del ciclo de vida (construcción y desmantelamiento), éstas son significativamente menores que las emisiones evitadas.

La electricidad solar puede por tanto contribuir sustancialmente a los compromisos internacionales de reducción del constante aumento en el nivel de los gases de efecto invernadero y su contribución al cambio climático.

5.2. Cambio climático y elección de combustible

El dióxido de carbono es responsable de más del 50% del efecto invernadero producido por el ser humano, y el mayor contribuyente al cambio climático. Se produce sobre todo al quemar combustibles fósiles. El gas natural es el menos sucio de los combustibles fósiles ya que produce aproximadamente la mitad de CO2 que el carbón, y menos cantidad de otros gases contaminantes. La energía nuclear produce muy poco CO2, pero tienen otros problemas de polución mayores asociados a su operación y residuos.

Las consecuencias del cambio climático que ya son visibles hoy en día incluyen:

La proporción de CO2 en la atmósfera ha aumentado en un 30% desde el inicio de la industrialización.

El número de desastres naturales se ha triplicado desde los 60. El daño económico causado se ha multiplicado por 8,5 veces.

Los siete años más calurosos de los últimos 130 se han registrado en los últimos 11 años.

La masa de glaciares se ha reducido a la mitad desde que comenzó la industrialización.

La pluviosidad y temperatura de latitudes norte ha aumentado un 5% desde 1950. La velocidad media del viento también ha aumentado significativamente.

El nivel del mar se ha elevado 10-20 centímetros en los últimos 100 años, 9-12 cm de los cuales en los últimos cincuenta.

Por el tiempo que transcurre entre emisiones y efectos, todas las consecuencias del desarrollo del cambio climático deben todavía surgir en las próximas décadas, con mayor peligro para la estabilidad de ecosistemas, economía y estilos de vida mundiales.

Para frenar el efecto invernadero, las emisiones de CO2 deben por tanto reducirse enormemente. Los científicos creen que sólo debería permitirse quemar la cuarta parte de las reservas de combustibles fósiles que se pueden explotar comercialmente en la actualidad para que los ecosistemas no vayan más allá del punto al que son capaces de adaptarse.

5.3. El imperativo del cambio climático

La creciente amenaza de cambio climático global por acumulación de gases invernadero en la atmósfera terrestre ha forzado a actuar a los organismos nacionales e internacionales. Desde el acuerdo del Convenio de Río sobre cambio climático en la Cumbre de la Tierra en 1992, se han establecido una serie de objetivos para reducir las emisiones de gases invernadero y se han incitado medidas nacionales y regionales para aumentar el uso de las energías renovables, incluyendo la electricidad solar.

El Protocolo de Kyoto de 1997, con la mediación de Naciones Unidas, comprometió a los países industrializados a reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero en una media del 5% de su nivel de 1990. La mayoría de las naciones industrializadas han aceptado este reto.

La UE tiene el objetivo de duplicar la proporción de energía proveniente de fuentes renovables en sus 15 estados miembros para 2010, alcanzando así el 12% de la energía primaria. Se está debatiendo un objetivo específico para las centrales eléctricas termosolares.

6. VENTAJAS, DESVENTAJAS Y ANOTACIONES DE LAS CENTRALES TERMOSOLARES

Las centrales termosolares son capaces de producir electricidad a partir de un recurso inagotable como es el Sol, sin emitir contaminantes. Las principales ventajas de este tipo de centrales frente a las convencionales se indican a continuación:

A lo largo de la vida útil de una central termoeléctrica se producen emisiones de gases contaminantes asociados a las diferentes actividades relacionas con la misma, siendo la más evidente las emisiones derivadas de su propio funcionamiento. En este sentido las centrales termosolares (sin hibridación) al emplear como fuente de energía primaria la radiación solar carecen de emisiones y liberan de emisiones contaminantes a la atmósfera. Este panorama es muy distinto al que presentan las centrales termoeléctricas que emplean combustibles fósiles de carbón o derivados del petróleo.

Los objetivos ratificados por el gobierno español y por la Junta de Andalucía en su planificación energética respecto al protocolo de Kyoto, implican políticas favorecedoras de tecnologías que reduzcan la emisión de gases de efecto invernadero, entre las que destaca la promoción de implantación de las centrales termosolares. A nivel andaluz, esto ya se ha traducido en hechos.

Andalucía ha sido pionera a nivel europeo al albergar la puesta en funcionamiento de la primera central termosolar a nivel comercial. Se trata de una central de tecnología de torre de 11 MW ubicada en Sanlúcar la Mayor, Sevilla.

Al ser el Sol la fuente de energía primaria de las centrales termosolares, no existe una extracción de recurso ni un transporte del mismo, realizándose su acondicionamiento en la propia central, de ahí que suelan ocupar grandes extensiones de terreno en el que se ubican los espejos que concentran la radiación solar sobre el receptor para que éste sea capaz de transformar la energía solar en energía térmica. En este sentido, en el caso de las centrales termoeléctricas convencionales, el uso de la fuente energética implica una extracción del recurso que suele tener lugar en yacimientos geológicos de otros lugares o países. Posteriormente se requiere su transporte para que llegue a la central. Además el recurso debe ser acondicionado para que alcance las características exigidas por la central. Las dos primeras actividades conllevan unos costes sociales (sobreexplotación laboral, etc.), medioambientales (residuos radiactivos, etc.) además de unos riesgos medioambientales (catástrofes de vertidos por hundimiento de barcos, etc.). Por otra parte el acondicionamiento del recurso suele llevarse a cabo en instalaciones adicionales

siendo el impacto ambiental de dichas instalaciones elevados, así como el de las infraestructuras de distribución asociadas. Todos estos costes no se computan a la hora de considerar diferencias entre centrales, cuestión ésta que se debería tener en cuenta a la hora de evaluar centrales termoeléctricas desde el punto de vista de un sistema energético responsable que conduzca hacia un desarrollo sostenible.

La tecnología termosolar ofrece unas posibilidades de liderazgo tecnológico por parte de empresas andaluzas. Las condiciones climáticas y geográficas, estado de desarrollo industrial y económico, y el marco legislativo español, hacen de Andalucía el lugar ideal para ser líder y referente a nivel mundial. Además la industria andaluza se encuentra en un lugar privilegiado a nivel internacional gracias, en su mayor parte, a las actividades de I+D+i desarrolladas en la Plataforma Solar de Almería, en la que han participado empresas andaluzas y que ha servido como campo de formación de consumados especialistas en este sector, y a los proyectos de investigación desarrollados en algunas universidades andaluzas. Además, cabe destacar las iniciativas de empresas andaluzas que han apostado por la inversión en la investigación y desarrollo de estas tecnologías, principalmente en la tecnología de colectores cilindro parabólicos, y en la de torre, investigaciones que están originando como resultado la construcción de centrales comerciales con tecnología andaluza.

La industria andaluza, por tanto, es capaz de liderar la fabricación de una tecnología con un mercado potencial más que interesante que ya se está haciendo realidad en Andalucía, mercado cuya potencialidad se incrementa sobretodo en los países que reúnen las características de radiación adecuadas para su implantación (los denominados países del cinturón solar), países en los que se prevé un aumento intenso de la demanda de energía eléctrica en los próximos años como consecuencia de su desarrollo al pretender equipararse con países que disponen de unas infraestructuras y niveles de industrialización ya consolidados.

Existe una dependencia evidente de Andalucía respecto a las fuentes energéticas convencionales. La generación de energía eléctrica mediante centrales termosolares paliaría la dependencia del exterior reduciendo las importaciones de combustible fósiles de otros países.

Además, la implantación de centrales termosolares en Andalucía, contribuye a que, al menos el 50% de los costes de inversión repercutan en la industria andaluza, aumentando este porcentaje hasta un 100% en caso de que los equipos termosolares fueran de fabricación propia.

Otro aspecto a destacar es que la realización de las centrales termosolares, normalmente, se realiza en lugares en los que el coste del terreno es bajo, que tradicionalmente coinciden con zonas económicamente desfavorecidas. Por tanto, sería un canal de activación económica para su emplazamiento.

También se debe reflexionar sobre la existencia de los costes económicos externos asociados al uso de centrales termoeléctricas que usan combustible fósiles y las centrales de carbón que normalmente no se plantean como pueden ser sus costes sanitarios (problemas respiratorios de la población), costes de transporte y eliminación de residuos así como los vertidos que puedan derivar de esta actividad. El coste de una central temosolar en estos aspectos sería nulo.

La construcción de una central termosolar significa un aumento del empleo en su emplazamiento debido a:

Necesidad de empleo local directo durante su construcción. Se estima un número mínimo de 10 empleos por año y por MW de potencia nominal de la central. Por ejemplo, para una central termosolar basada en la tecnología cilindro parabólica de potencia nominal de 50 MW, se generarían 500 empleos directos al año durante su construcción.

Activación de empleos indirectos en la zona: Existe una necesidad de servicios asociados a la construcción de la central que se ha de cubrir por empresas locales y que conlleva nuevos puestos de trabajos.

Mantenimiento durante la vida útil de la central. Las labores de mantenimiento en este tipo de central implican empleados que realicen esta función. En este sentido, se estima como mínimo 1 empleo al año por MW nominal de la central termosolar.

Creación de empleos en industrias fabricantes de equipos y tecnología de centrales termosolares.

Existen diversos ejemplos que ponen de manifiesto el rechazo social que supone la construcción de una central termoeléctrica convencional en una zona puesto que la población, en general, las concibe como una amenaza medioambiental y una fuente de residuos que altera el ecosistema y acaba afectando a su entorno de manera negativa.

La percepción general por parte de la sociedad de la bondad de las energías renovables junto a la nula emisión de gases por parte de una central termosolar supondría un completo giro a esta problemática por su elevada aceptación social.

El sistema actual de generación de energía eléctrica es fuertemente centralizado. El uso de centrales termosolares permite esquemas descentralizados de generación de energía eléctrica que conseguirían evitar pérdidas en el transporte de energía ya que se conseguiría aproximar espacial y temporalmente la producción al consumo. Adicionalmente se aumenta la posibilidad de permitir la cogeneración y, por consiguiente, existiría un aumento en la eficiencia del sistema energético.

Paralelamente un esquema descentralizado de producción eléctrica supondría que las centrales se encontraran más cerca de los usuarios finales concienciándolo en la importancia del ahorro de energía eléctrica, evitando así el actual despilfarro energético. 

7. DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR EN COLOMBIA

Antes de iniciar comentaremos algo de historia, las aplicaciones térmicas en Colombia datan de mediados del siglo pasado, cuando en Santa Marta fueron instalados calentadores solares en las casas de los empleados de las bananeras, calentadores que aún existen aunque no operan. Más tarde, hacia los años sesenta, en la Universidad Industrial de Santander – UIS, se instalaron calentadores solares domésticos de origen Israelí para estudiar su comportamiento. Posteriormente, hacia finales de los setenta y estimulados por la crisis del petróleo de 1973, instituciones universitarias (la Universidad de los Andes, la Universidad Nacional en Bogotá, la Universidad del Valle, entre otras) y fundaciones (como el Centro Las Gaviotas) sentaron las bases para instalar calentadores solares domésticos y grandes sistemas de calentamiento de agua para uso en centros de servicios comunitarios (como hospitales y cafeterías).

Algunos desarrollos resultaron bastante innovadores. Sin embargo, se adoptó finalmente el sistema convencional que consta de uno o varios colectores solares y de su respectivo tanque de almacenamiento. El colector empleaba una parrilla de tubería de cobre y, como absorbedor, láminas de cobre o de aluminio. Como película absorbedora se empleaba pintura corriente o con aditivos, y otros absorbedores selectivos. La cubierta exterior era vidrio corriente o templado y el aislamiento fibra de vidrio, icopor o poliuretano. El tanque generalmente era metálico en sistemas presurizados o de asbesto cemento en sistemas abiertos.

Estos desarrollos tuvieron su máxima expresión a mediados de los ochenta en la aplicación masiva de calentadores en urbanizaciones en Medellín (Villa Valle de Aburrá) y Bogotá (Ciudad Tunal, Ciudad Salitre) en donde fueron instalados miles de calentadores, desarrollados y fabricados por el Centro Las Gaviotas; el Palacio de Nariño, en Bogotá, también tuvo uno de estos grandes calentadores. A mediados de los ochenta surgieron varias compañías nacionales en Bogotá, Manizales y Medellín que fabricaron e instalaron miles de calentadores solares de diversas capacidades en esas ciudades. Muchas instituciones religiosas montaron calentadores solares en sus conventos y también alguna cadena hotelera (Hoteles Dann).

Hacia finales de los 80, el programa PESENCA (Programa Especial de Energía de la Costa Atlántica), un proyecto realizado por CORELCA (Corporación de Energía Eléctrica de la Costa Atlántica), el ICA (Instituto Colombiano Agropecuario) y la GTZ (Sociedad Alemana de Cooperación Técnica), introdujo calentadores solares en la Costa Atlántica y desarrolló

un campo experimental en Turipaná, Córdoba, en donde se realizaron pruebas y ensayos para determinar la eficiencia de estos sistemas. Este momento puede considerarse el origen de las normas sobre calentadores solares, iniciativa que siguió su desarrollo por parte del ICONTEC (Instituto Colombiano de Normas Técnicas) y que ha dado origen a las normas existentes en el país sobre tales dispositivos.

Hasta el momento en Colombia, el único acercamiento que se ha tenido, es el de calentar agua para uso domestico – residencial. Es importante anotar que nuestro país carece de una buena regulación en cuanto al impulso de implementación de industrias con fuentes renovables, ya que no ofrece incentivos a las industrias para hacer el montaje y puesta en marcha de la electricidad generada por medio de estas fuentes, según el ministerio de educación nacional, Colombia tiene un gran potencia para el desarrollo de energías alternativas entre las que se destacan la energía solar térmica, en ciudades como La Guajira, San Andrés y Providencia y en algunas zonas del magdalena, si hablamos por ejemplo de San Andrés una ciudad que por su ubicación geográfica y su topología es una ciudad donde su fuente principal de generación es el diesel, este tipo de tecnología sería muy beneficioso para sus habitantes, sin embargo hay que tener en cuenta que la isla no tiene una gran extensión por lo que se dificulta su implementación, sin embargo en zonas del magdalena éste no sería un problema, ya que por ejemplo en el magdalena medio tenemos grandes extensiones de tierra y sol constante desperdiciándose.

La radiación solar ultravioleta o radiación UV, es una parte de la energía radiante (o energía de radiación) del sol, se transmite en forma de ondas electromagnéticas en cantidad casi constante (constante solar), su longitud de onda fluctúa entre 100 y 400 nm y constituye la porción más energética del espectro electromagnético que incide sobre la superficie terrestre. La radiación UV desempeña un papel importante en la determinación de las condiciones climáticas, el balance energético y el equilibrio natural del planeta. La medición continua de este parámetro permite estudiar su comportamiento y relación con el estado de la biosfera y la salud humana, teniendo en cuenta la definición de la radiación solar se puede analiza algunas zonas donde se puede implementar energía solar en Colombia.

Los índices UV, son valores adimensionales en una escala de 1 a 15, que describen la

capacidad de radiación ultravioleta a la tierra, la tabla 3, muestra estos índices. Y la Fig. 14

muestra las zonas donde la radiación UV es mayor.

Tabla 3. Niveles de exposición UVEscala de índices

Exposición del Sol

0 – 2 Mínimo3 – 4 Bajo5 – 6 Moderado7 – 9 Alto+10 Muy Alto

La disponibilidad promedio anual de energía solar en Colombia se muestra en la tabla 4. Donde se puede apreciar que la Guajira es un ente principal para el uso de las energía renovables en Colombia, luego le sigue como es de esperarse la costa atlántica.

Es importante resaltar que en regiones de la Orinoquía y Amazonia tenemos un valor significativo para la implementación de este tipo de tecnologías en esta zona del país, y el proyecto sería mucho más importante ya que esta zona tiene partes que no están integradas al Sistema Interconectado Nacional. Algo parecido se presenta en la costa pacífica donde en muchas partes de ella, carecen del recurso energético.

Tabla 4. Disponiblidad promedio anual de energía solar en ColombiaRegión kWh/m2 / Año

Guajira 2,190Costa Atlantica 1,825

Orinoquia 1,643Amazonía 1,551

Andina 1,643Costa Pacífica 1,278

En la Fig. 15 se aprecia que la zona central de nuestro país tiene bueno recurso energético para la implementación de esta tecnología, recordando que el recurso es renovable y sin costo (El Sol), las zonas donde más kW/m2 día se pueden aprovechar están la zona de los llanos orientales y Boyacá, también se tiene un porcentaje importante en Ibagué y Manizales

Fig. 14. Radiación Ultravioleta en Colombia

Fig. 15. Potencia por metro cuadrado día en la zona centro de Colombia

CONCLUSIONES

Las tecnologías del concentrado cilindro parabólico, y de Receptor Central se encuentran ya suficientemente maduras para la realización de los primeros proyectos comerciales en tamaños de 10-50 MW. Resulta por tanto prioritario clarificar su situación legislativa, con ayudas a la inversión en los primeros proyectos y un marco estable de primas a la producción. La aceptación de ciertos porcentajes de hibridación facilitaría una más rápida introducción en el mercado.

Debido a los costos tan altos de la tecnología y además de algunos factores como por ejemplo, el hecho de tener una gran reserva de energía hidráulica, no favorece la implementación a corto plazo y mediano plazo de estas tecnologías (Centrales Termosolares) en Colombia.

Al observar el Atlas de radiación solar de Colombia, los puntos que tienen más posibilidad de aprovechamiento de estas tecnologías están en las regiones del Caribe (Cartagena, Guajira, Santa Marta y otros) y la región de los llanos orientales.

En general, Colombia tiene un buen potencial energético solar en todo el territorio, con un promedio multianual cercano a 4,5 KWh/m2 destacándose la península de la Guajira, con un valor promedio a 6,0 KWh/m2 y la Orinoquía con un valor un tanto menor, propicio para un adecuado aprovechamiento.

Con esta consulta se demuestra una vez más el gran potencial energético que tiene la Guajira, y sin lugar a duda, dejará de ser un rincón olvidado de Colombia para convertirse en el foco principal de muchos inversionistas del sector energético.

Para que la implementación de energías alternativas tome fuerza en Colombia, es necesario primero una regulación fuerte, que traiga buenos incentivos a los que las empresas implementen, de tal modo que les brinde seguridad al momento de operación y mantenimiento de la misma para que su inversión sea recompensada. Si no se tiene la ayuda del estado, no existirá empresa que se incorpore con energías renovables de gran potencia en nuestro país.

 

BIBLIOGRAFÍA

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FERNÁNDEZ DÍEZ, Pedro. “Procesos termosolares en baja, media y alta temperatura” Universidad de Cantabria. Departamento de ingeniería eléctrica y energética