estudio de prefactibilidad para el desarrollo del litio como
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Estudio de Prefactibilidad para el
Desarrollo del Litio como Elemento de
Transporte y Almacenamiento Térmico
de la Energía Solar
Informe Final
(corregido)
Mandante: CIFES-CORFO
Empresa: Inersus Ingeniería SpA Responsable: Gustavo Ernesto Cáceres Salazar
05 de junio del 2015
1
Índice
Resumen ejecutivo ................................................................................. 7
Estado del Arte: Almacenamiento térmico de la energía 7
Materiales TES y mecanismos de mejora ........................................................... 9
Patentes ......................................................................................................................... 14
Centros nacionales destacados en el área TES y HTF para Solar Térmico
.......................................................................................................................................... 15
Normativa de Uso del Litio .............................................................. 16
Uso de materiales térmicos a altas temperaturas como Li, KNO3, NaNO3
y otros relevantes al estudio ................................................................................. 16
Política Pública para el Litio ................................................................................... 17
Política Pública Energética ...................................................................................... 17
Proyecciones preliminares .............................................................. 18
Proyecciones del costo nivelado de la energía ............................................... 20
Lineamientos Centro de Excelencia ........................................... 28
Centros de Excelencia Referenciales .................................................................. 29
Establecimiento de áreas de investigación y objetivos principales de
trabajo ............................................................................................................................ 31
Tiempos y Resultados Esperados ........................................................................ 31
Transferencia Tecnológica ...................................................................................... 32
Propuesta de Modelo de Negocio ......................................................................... 32
Datos Relevantes y Costos Aproximados del Centro ................................... 33
Políticas Gubernamentales ..................................................................................... 34
Otras Aplicaciones de posible interés para la industria
solar ............................................................................................................... 35
Li como material de almacenamiento en baterías para FV ....................... 35
Sistemas de enfriamiento de baterías y paneles FV .................................... 35
Apoyo a posibles mejoras en la parte termodinámica del proceso de
producción del litio que conduzcan a ahorros potenciales ........................ 36
2
Impactos esperados y posibles beneficios para el país 37
Impacto potencial en la industria solar y del Li ............................................. 37
Impacto en otras industrias ................................................................................... 39
Relevancia a nivel de sustentabilidad país ...................................................... 40
Posicionamiento tecnológico a nivel mundial ................................................. 40
Comentarios e indicaciones ............................................................ 41
1 Introducción ...................................................................................... 44
2 Estado del arte ................................................................................. 46
2.1 Introducción ...................................................................................................... 46
2.2 Sistemas de Almacenamiento de Energía Térmica ............................ 46
2.2.1 Configuración de almacenamiento de energía térmica ......... 47
2.2.2 Aplicación en Plantas de Concentración Solar de Potencia .. 50
2.2.2.1 Sistemas solares térmicos de alta temperatura –
Tecnología CSP ................................................................................................... 50
2.2.2.2 Sistemas solares térmicos de baja temperatura ................. 56
2.3 Materiales para TES ....................................................................................... 60
2.3.1 Materiales de calor sensible ............................................................. 60
2.3.1.1 Sal solar ............................................................................................... 61
2.3.2 Materiales de calor termoquímico .................................................. 65
2.3.3 Materiales de calor latente ............................................................... 68
2.3.3.1 Clasificación de PCMs ..................................................................... 69
2.3.3.2 Criterio de selección de PCMs ..................................................... 71
2.3.4 Litio: Nuevo material con potencial para TES ........................... 73
2.3.4.1 Mercado del Litio .............................................................................. 77
2.3.4.2 Cadena de producción del litio ................................................... 80
2.4 Mecanismos para mejorar los materiales TES ..................................... 81
2.4.1 Aletas ........................................................................................................ 83
2.4.2 Lechos fluidizados ................................................................................ 85
2.4.3 Microencapsulación .............................................................................. 87
3
2.4.4 Macroencapsulación ............................................................................ 88
2.4.5 Matrices metálicas ............................................................................... 89
2.4.6 Compuestos de grafito ....................................................................... 93
2.4.7 Compuestos de concreto ................................................................... 95
2.5 Sistemas y fluidos de transporte (HTF) para Centrales
Termosolares ............................................................................................................... 96
2.5.1 Litio como material de transporte térmico aplicado a
Centrales Termosolares e industria en general ......................................... 99
2.6 Patentes ............................................................................................................ 101
2.7 Centros nacionales destacados en el área TES y HTF para Solar
Térmico ........................................................................................................................ 102
2.8 Referencias ...................................................................................................... 104
3 Estudio preliminar de regulación, normativas y
políticas vigentes en Chile ............................................................. 114
3.1 Uso de materiales térmicos a altas temperaturas como Li, KNO3,
NaNO3 y otros relevantes al estudio ............................................................... 114
3.2 Uso del Li en general ................................................................................... 115
3.2.1 Ley 16.319 ............................................................................................ 115
3.2.2 Decreto Ley 2886 ............................................................................... 115
3.2.3 Leyes 18.097 y 18.248 .................................................................... 117
3.2.4 Propuestas de política pública para el litio ............................... 118
3.2.5 Agenda de energía ............................................................................. 120
3.3 Referencias ...................................................................................................... 122
4 Proyecciones preliminares...................................................... 124
4.1 Composición de un sistema TES en plantas solares y
consideraciones para un cambio tecnológico ................................................ 124
4.2 Costos asociados al sistema TES y materiales de almacenamiento
127
4.2.1 Costos de sistema TES ..................................................................... 127
4.2.2 Costos de materiales de almacenamiento y HTF ................... 131
4.2.3 Cálculo y costo del recurso energético ...................................... 135
4
4.3 Proyecciones del costo nivelado de la energía .................................. 138
4.3.1 Metodología del costo nivelado de la energía (LCOE) ......... 138
4.3.2 LCOE de planta CSP con sistema TES de 2 tanques de calor
sensible utilizando sal solar y aceites como HTF ..................................... 139
4.3.3 LCOE de planta CSP utilizando sal solar en sistema TES de 2
tanques de calor sensible y como HTF ........................................................ 150
4.4 Análisis de las proyecciones preliminares ........................................... 162
4.5 Referencias ...................................................................................................... 164
5 Lineamientos Centro de Excelencia .................................. 168
5.1 Alcances de ciencias básicas, aplicadas e innovación y de un
Centro de Excelencia en el ámbito del litio con especial foco en su uso
en el transporte y almacenamiento térmico. ................................................ 168
5.2 Normativas y leyes en Chile ..................................................................... 173
5.3 Políticas gubernamentales de Chile ....................................................... 174
5.3.1 Políticas de innovación y competitividad .................................. 174
5.3.2 Instrumentos de política pública .................................................. 174
5.4 Descripción de algunos Centros de Excelencia que sean directa o
indirectamente referenciales en lo relacionado con el uso del litio para
almacenamiento y transporte de energía térmica y líneas de
investigación vigentes a nivel internacional. ................................................ 176
5.4.1 Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE ............. 176
5.4.2 Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie Solaire –
PROMES 178
5.4.3 Plataforma Solar de Almería - PSA ............................................. 181
5.4.4 Plataforma Solucar ............................................................................ 183
5.4.5 Instituto Aeroespacial de Alemania - DLR ................................ 184
5.4.6 Laboratorio Nacional de Energía Renovable de USA - NREL
185
5.4.7 Laboratorio Nacional Sandia (USA) ............................................. 185
5.5 Establecimiento de áreas de investigación y objetivos principales
de trabajo ................................................................................................................... 186
5.5.1 Materiales de transporte y/o almacenamiento ....................... 189
5
5.5.2 Componentes ....................................................................................... 192
5.5.3 Sistemas ................................................................................................ 192
5.5.4 Prototipos .............................................................................................. 193
5.6 Tiempos y resultados esperados ............................................................. 194
5.6.1 Objetivo general del proyecto ....................................................... 194
5.6.2 Etapas del proyecto ........................................................................... 194
5.7 Transferencia tecnológica .......................................................................... 195
5.8 Modelo de negocios y/o sustentabilidad económica del Centro . 197
5.8.1 Modelo de negocio propuesto para el Centro ......................... 197
5.8.2 Empresas de interés para el Centro ........................................... 199
5.8.3 Datos relevantes y costos aproximados del Centro ............. 200
5.9 Catastro de instituciones nacionales e internacionales de apoyo
y/o colaboración....................................................................................................... 202
5.10 Referencias ................................................................................................... 204
6 Otras Aplicaciones de posible interés para la industria
solar ............................................................................................................. 206
6.1 Li como material de almacenamiento en baterías para FV .......... 206
6.2 Sistemas de enfriamiento de baterías y paneles FV ....................... 206
6.3 Apoyo a posibles mejoras en la parte termodinámica del proceso
de producción del Litio que conduzcan a ahorros potenciales ............... 208
6.4 Referencias ...................................................................................................... 211
7 Impactos esperados y posibles beneficios para el país
212
7.1 Impacto potencial en la industria solar y del Li ................................ 212
7.2 Impacto en otras industrias ...................................................................... 215
7.3 Relevancia a nivel de sustentabilidad país .......................................... 217
7.4 Posicionamiento tecnológico a nivel mundial ..................................... 218
7.5 Referencias ...................................................................................................... 220
8 Comentarios e indicaciones ................................................... 221
ANEXO I: Actividades realizadas ............................................... 224
6
ANEXO II: Resumen de procesos productivos del Li ..... 226
Producción de carbonato de litio a partir de mineral de hectorita ......... 226
Producción de carbonato de litio a partir de Salmueras .......................... 229
Producción de nitrato de litio ...................................................................... 230
ANEXO III: Cálculo preliminar de la cantidad estimada
de uso de Li en centrales Termosolares ................................ 232
Estimación de la cantidad de nitrato de litio requerida por una planta CSP
tipo para una determinada potencia y horas de almacenamiento........... 232
Proyecciones del mercado energético mundial de tecnologías CSP ........ 236
Proyección de la demanda de carbonato de litio equivalente (LCE)
requerida para los proyectos CSP a nivel mundial ................................... 239
Proyecciones del mercado energético en chile ........................................... 241
7
Resumen ejecutivo
Estado del Arte: Almacenamiento térmico de la energía El almacenamiento térmico de energía (TES, por su sigla en inglés,
“Thermal Energy Storage”), es aquel mecanismo por el cual se almacena energía en forma de calor, con el fin de poder utilizarla posteriormente.
Ha sido aplicado en diferentes áreas, tales como en la industria minera o en las plantas de concentración solar de potencia (CSPP o CSP, por su
sigla en inglés “Concentrated Solar Power Plants”), entre otras.
Los sistemas TES pueden ser clasificados según diferentes parámetros, dos de los más comunes son:
Rango de temperatura: De acuerdo con el rango de temperatura
en el que el sistema trabaja, un TES puede ser clasificado como Almacenamiento de Energía Térmica de Baja Temperatura (LTTES
por su sigla en inglés “Low Temperature TES”), si no,
Almacenamiento Térmico de Alta Temperatura (HTTES por su sigla en inglés “High Temperature TES”). En este estudio se establece
200 °C como la temperatura divisoria entre ambos.
Mecanismo de almacenamiento energético: Esta clasificación considera la reacción del medio de almacenamiento de energía del
sistema TES hacia cambios de temperatura. Si el material no sufre un cambio de fase debido a la variación de temperatura, es llamado
almacenamiento de calor sensible (SHS por su sigla en inglés “sensible heat storage”). Es llamado almacenamiento de calor
latente (LHS por su sigla en inglés “Latent Heat Storage”) cuando el material absorbe o libera suficiente energía para reformar su
estructura y llevar a cabo un cambio fase, lo cual ocurre durante un proceso de fusión/solidificación o gasificación/condensación.
Finalmente, un sistema TES es clasificado como almacenamiento de
calor termoquímico (TCS por su sigla en inglés “Thermo-Chemical heat Storage”) si el medio de almacenamiento sufre reacciones
químicas endotérmicas reversibles.
Una de las aplicaciones emblemáticas que utilizan TES de altas temperaturas son las plantas CSP. Estas plantas producen energía térmica
o eléctrica gracias a la radiación solar, pero solo mientras esta esté presente (durante el día, y considerando que nubes no bloqueen la
radiación). En estas plantas, un sistema TES permite aumentar la cantidad de horas operativas disponibles (aumenta el factor de planta),
8
ya que todo el excedente de energía producida será almacenada en forma
de calor, y posteriormente utilizado en ausencia del recurso solar, como por ejemplo en la noche.
En la actualidad, ya son varias las plantas CSP existentes alrededor del mundo y que además cuentan con TES. En Chile, esta tecnología también
ha llegado y ya se están construyendo plantas sobre los 100 MW de potencia y 17,5 horas de almacenamiento térmico, como es el caso del
proyecto Cerro Dominador.
Tabla 1: Plantas solares de concentración de potencia
Nombre del
proyecto Ubicación
Capacidad de
turbina (MW)
Tecnología
Fluido de trasferencia
Sistema de almacenamiento
Temperatura de trabajo
Año de
inicio
Nevada Solar One (NSO)
Boulder City, Nevada. Estados Unidos.
72 PTC DOWTHERM A La capacidad de almacenamiento es de 0,5 horas.
318°C - 393°C
2007
Planta Solar 10 (PS10)
Sevilla, España.
11 SPT Agua La capacidad de almacenamiento es de 1 hora.
250°C - 300°C
2007
Solnova 1 Sevilla, España.
50 PTC Thermal oil - 393°C 2009
Archimede
Priolo Gargallo, (Sicily), Italia.
4,72 PTC Sales fundidas (60% NaNO3, 40% KNO3)
Tipo de almacenamiento directo de 2 tanques. La capacidad de almacenamiento es de 8 horas. Total de 1,580 toneladas de sales fundidas. 60% NaNO3, 40% KNO3.
290°C -550°C
2010
Gemasolar
Thermosolar Plant (Gemasolar)
Fuentes
de Andalucía, España.
19,9 SPT Sales fundidas (nitrato de sodio y de potasio)
Tipo de almacenamiento directo de 2 tanques, con una capacidad de almacenamiento de 15 horas.
290°C -565°C
2011
KVK Energy Solar Project
Askandra (Rajasthan), India
100 PTC Synthetic Oil
Tipo de almacenamiento directo de 2 tanques, con una capacidad de almacenamiento de 4 horas.
S.I. 2013
Genesis Solar Energy Project
Blythe (California), Estados Unidos
250 PTC Therminol VP-1 Sin almacenamiento
S.I. 2014
Mojave Solar Project
Harper Dry Lake (California), Estados Unidos
250 PTC Therminol VP-1 Sin Almacenamiento
S.I. 2014
9
Crescent Dunes Solar Energy Project (En construcción)
Tonopah (Nevada), Estados Unidos
110 SPT Sales fundidas
Tipo de almacenamiento directo de 2 tanques, con una capacidad de almacenamiento de 10 horas.
287,7°C - 565,5 °C
2015
Kaxu Solar One (en construcción)
Pofadder (Nothern Cape), Sudáfrica
100 PTC Thermal oil
Tipo de almacenamiento directo de 2 tanques, con una capacidad de almacenamiento de 2,5 horas.
S.I. 2015
Pedro de Valdivia (En desarrollo)
Antofagasta, Chile
360 PTC Thermal Oil
Tipo de almacenamiento directo de 2 tanques, con una capacidad de almacenamiento de 10,5 horas.
293°C- 393°C
2015
Copiapó Solar (en desarrollo)
Copiapó, Chile
260
SPT y paneles fotovoltaico
Sales fundidas
Tipo de almacenamiento directo de 2 tanques, con una capacidad de 14 horas.
280°C – 560°C
2018
Planta Solar Cerro Dominador (en construcción)
Calama, Chile
110 SPT Sales fundidas
Tipo de almacenamiento directo de 2 tanques, con una capacidad de almacenamiento de 17,5 horas.
300°C – 500°C
2018
Fuente: Elaboración propia a partir de información del National Renewable Energy
Laboratory de Estados Unidos; 2015.
El sistema TES principalmente utilizado para estas plantas, es aquel de dos tanques de calor sensible. Este mecanismo utiliza sales fundidas para
almacenar la energía térmica, las cuales fluyen desde un tanque de sales “frías” hacia otro de sales calientes en un proceso de carga energética, e
inversamente para un proceso de descarga energética (cuando se requiere la energía).
Las sales fundidas que se emplean en estos tanques suele ser la sal solar
compuesta por 60% nitrato de sodio y 40% nitrato de potasio.
Materiales TES y mecanismos de mejora Los materiales utilizados en sistemas TES, se diferencian tanto en nivel
de investigación, como en costo de los materiales y densidades energéticas. Aquellos más estudiados y baratos corresponden a los de
calor sensible, mientras que aquellos que producen las mayores densidades energéticas son los de calor termoquímico (ver Tabla 16).
10
Tabla 2: Resumen de los materiales usados para TES
Materiales según mecanismo
Sensible Latente Termoquímico
Nivel de
investigación Alta Media Baja
Costo de materiales Bajo Medio Alto
Densidad energética Baja Media Alta
Fuente: Elaboración propia.
En los últimos años se ha determinado que el litio y sus derivados son un
material con alto potencial para ser utilizado en sistemas TES, ya que proporciona altas densidades energéticas. Este material es principalmente
producido por Chile, quien a su vez es el segundo país con mayores reservas en el mundo.
Figura 1: Distribución mundial de las reservas de litio
Fuente: Mercado Internacional del Litio; Comisión Chilena del Cobre; Diciembre 2013.
11
Figura 2: Producción mundial de litio
Fuente: Mercado Internacional del Litio; Comisión Chilena del Cobre; Diciembre 2013
A continuación se presenta una tabla que resume los mecanismos en los cuales se ha investigado y aplicado este material, junto con los beneficios
que otorga.
Tabla 3: Principales aplicaciones del litio en sistemas de almacenamiento térmico
Tipo de mecanismo
Principales aplicaciones
Beneficios
Sensible
Se añade a los compuestos de sales para ser utilizados en TES de altas
temperaturas, y así mejorar propiedades.
Se reduce el punto de fusión de las sales, y por consecuencia se obtienen mayores rangos de
temperatura en la cual las sales pueden ser utilizadas. Se extiende la estabilidad térmica del material de almacenamiento.
Se espera que la disminución del punto de fusión de los materiales permita reducir costos operativos y de mantención de los sistemas TES.
Latente
Aplicaciones en edificios (climatización o agua caliente sanitaria) y TES de altas temperaturas.
Se pueden obtener mayores densidades energéticas y menores puntos de fusión versus materiales usualmente utilizados.
Termoquímico
Bombas de calor
termoquímico,
utilizadas, por ejemplo, en sistemas de climatización solar.
Fuente: Elaboración propia con información disponible en Lithium in thermal energy
storage: A state-of-the-art review; Luisa F. Cabeza, et al.;2015
Así como se han encontrado nuevos materiales con potencial para ser
utilizados en TES, también se han investigado variados mecanismos con
12
el fin de mejorar estos materiales, los cuáles se resumen en la tabla a
continuación, junto a sus principales beneficios.
Tabla 4: Mecanismos para mejorar materiales TES Mecanismo de
mejora
Descripción del
mecanismo
Principales beneficios
identificados en literatura
Aletas Agregar aletas al sistema de
almacenamiento, el lugar en
dónde sean ubicadas
dependerá del diseño del
sistema. El objetivo de
utilizarlas está enfocado en
aumentar la superficie de
transferencia de calor para el
medio de almacenamiento de
energía térmica
Disminuir tiempos de cambio
de fase en materiales de calor
latente.
Lecho fluidizado Mezcla de dos fases
compuesta de partículas de
material sólido y fluido.
Las propiedades más
importantes de los sólidos son
la las características de las
partículas, tales como la
densidad, radio, porosidad y
velocidad de caída libre, entre
otros.
Incrementar eficiencias de
sistema TES.
Disminuir tiempos para
alcanzar una cierta
temperatura deseada en el
material de almacenamiento.
Microencapsulación Proceso en el cual pequeñas
partículas o gotitas están
rodeadas por un
recubrimiento, o incrustados
en una matriz homogénea o
heterogénea, para producir
pequeñas cápsulas.
Los parámetros más
importantes de
microencapsulación son:
El espesor de la cáscara
La geometría de
encapsulación
El tamaño de la
encapsulación
Aumentar conductividad
térmica de los materiales de
almacenamiento.
Disminuir tiempos para
alcanzar una cierta
temperatura deseada en el
material de almacenamiento.
Prevención de fugas de
material de almacenamiento.
Macroencapsulación Se macroencapsula una
cantidad significante de un
material para almacenar
calor, cuyas unidades de
masa pueden variar entre
gramos a kilogramos.
Disminuir tiempos para
alcanzar una cierta
temperatura deseada en el
material de almacenamiento.
13
Mecanismo de
mejora
Descripción del
mecanismo
Principales beneficios
identificados en literatura
La forma de las
macrocápsulas varía de
paneles rectangulares a
esferas, a contenedores sin
una forma definida. La
selección de la forma
dependerá de las necesidades
y el diseño de cada aplicación
prevista.
Matrices metálicas Incluir junto al material de
almacenamiento energético
una matriz de metal, como
por ejemplo una matriz
porosa. Por lo general se
utilizan materiales de altas
conductividades térmicas
como el cobre y el aluminio.
Aumentar conductividad
térmica de los materiales de
almacenamiento.
Disminuir tiempos para
alcanzar una cierta
temperatura deseada en el
material de almacenamiento.
Nuevos compuestos Se desarrollan nuevos
compuestos para utilizar
como material de
almacenamiento de energía
térmica. Por ejemplo, se han
estudiado nuevos compuestos
con grafito y con concreto.
Uso de grafito permite mejorar
la tasa de transferencia de
calor del material de
almacenamiento.
Mezclas con hormigón y
materiales de cambio de fase
producen mejoran las
capacidades de
almacenamiento térmico.
Nuevos compuestos
- Litio
Se crean nuevas mezclas de
materiales para ser utilizados
como material de
almacenamiento, los cuales
incluyen derivados del lito.
Disminución del punto de
fusión de los materiales.
Aumento de la capacidad
energética.
Fuente: Elaboración propia
De los mecanismos presentados, se destaca la presencia del litio. Recientemente se ha descubierto e investigado que la creación de nuevos
compuestos con litio permiten mejorar las sales que actualmente son empleadas en los sistemas TES de las plantas CSP. Los principales
beneficios obtenidos de estos compuestos son: Disminución del punto de fusión de materiales, lo cual permite
incrementar el rango de temperatura de trabajo. Aumento de la capacidad energética en comparación a las sales
usualmente utilizadas.
14
Tabla 5: Costos de sales candidatas para ser utilizadas en las
CSPP
Fuente: Solar Energy Technologies Program; U.S. Department of Energy; 2010.
Patentes
El objetivo de la siguiente tabla es no sólo mostrar los avances de la
industria, sino aún más importante, demostrar que existe un gran interés por la misma en desarrollar productos relacionados con sistemas
materiales TES y HTF. Solo se presentan 4 patentes a modo de ejemplo.
Número
Fecha de
Publicación Título Aplicante Empresa
US2014202541A1
24 jul 2014 Encapsulaton Of High Temperature Molten Salts
SOUTHWEST RES INST [US]
SOUTHWEST RES INST [US]
US8703258B1 21 abr 2014
Nucleating agent for lithium nitrate trihydrate thermal energy storage medium
SHAMBERGER PATRICK [US],US AIR FORCE [US]
SHAMBERGER PATRICK [US],US AIR FORCE [US]
US2013180520A1
17 jul 2013 Thermal energy storage with molten salt
RAADE JUSTIN [US],ELKIN BENJAMIN [US],HALOTECHNICS INC [US]
HALOTECHNICS INC [US]
WO2013012907A2
24 ene 2013 Method of encapsulating a phase change material with a metal oxide
UNIV SOUTH FLORIDA [US],RAM MANOJ KUMAR [US],JOTSHI CHAND
K [US],STEFANAKOS
ELIAS K [US],GOSWAMI DHARENDRA YOGI [US]
UNIV SOUTH FLORIDA [US]
15
Centros nacionales destacados en el área TES y HTF para
Solar Térmico
1. Universidad Adolfo Ibáñez. Es una de las universidades que lleva
más tiempo en Latinoamérica realizando trabajos sobre TES y HTF para centrales CSP. Su mayor aporte está basado principalmente
en la teoría, modelos matemáticos y simulación de nuevos materiales. Además se agregan varios estudios en costos de
implementación de estas nuevas tecnologías en los sistemas, políticas públicas y determinación de costos de generación de
energía solar térmica y solar termoeléctrica (LCOE). Todo lo anterior
avalado por numerosas publicaciones tanto científicas como en prensa nacional, dos proyectos adjudicados Fondecyt (CONICYT),
participación en el SERC-Chile y mencionada como la única universidad latinoamericana en realizar un aporte para el área de
Almacenamiento Térmico por el IA-ECES de la IEA en su informe anual 2013 (http://www.iea-eces.org/). Durante el presente año
(2015) ha iniciado la creación del área prioritaria de innovación llamada ATEGIMICH (Almacenamiento y Transporte Energético para
Generación ERNC e Industria usando Minerales Estratégicos de Chile).
2. Universidad de Antofagasta. Es también una universidad con
trayectoria sobre todo en el campo de la caracterización de Nitratos y Li. Posee varias publicaciones científicas y se ha adjudicado dos
proyectos Fondecyt y un FIC regional. Posee además el Centro de
Estudios Avanzados del Litio y Minerales Industriales. El avance más relevante que tienen en el área de estudio, es el diseño y actual
construcción de un sistema experimental de un tanque TES para sales fundidas.
3. Solar Energy Research Center (SERC-Chile). Es un Proyecto
auspiciado por el CONICYT, en torno a temas de energía solar y donde su idea principal es crear capacidades humanas y bases
científicas-tecnológicas, para ayudar al desarrollo de las tecnologías solares en Chile. Es a grandes rasgos la unión de 6 universidades
nacionales (U. de Tarapacá, U. de Chile; U. de Antofagasta, U. de Concepción, U. Técnica Federico Santa María y Universidad Adolfo
Ibáñez) más la Fundación Chile, que posee 6 líneas de trabajo, donde la Línea No. 4, denominada “Almacenamiento de Energía
Solar” es la que toma en cuenta los temas TES y HTF desde hace
poco más de dos años (http://www.sercchile.cl). Su principal aporte ha sido en temas de política pública, difusión y desarrollo de ciencia
16
básica de las tecnologías y propuesta para la creación de la
Plataforma Solar de Atacama (PSDA).
Normativa de Uso del Litio
La Ley 16.319 declara el litio como material de interés nuclear, por lo que dispone que los actos jurídicos celebrados sobre el litio deben ser
autorizados por la Comisión Chilena de Energía Nuclear (CCHEN).
El Decreto Ley 2886 ratifica que la CCHEN juega un rol fundamental en el destino inmediato del litio extraído, ya que sólo bajo su autorización
previa podrá ejecutarse un acto jurídico en este sentido y en las
condiciones que ésta lo determine.
La Ley 18.097 Orgánica Constitucional sobre Concesiones Mineras dispone que el litio no es susceptible de concesión minera y, por su parte,
la Ley 18.248 establece que la exploración y explotación del litio podrá ejecutarse por el Estado o sus empresas, o bien, mediante concesiones
administrativas o contratos especiales de operación.
No existe una legislación que entregue la potestad de regular el volumen de extracción o producción de total de litio a institución alguna, por lo que
la regulación de las cuotas a ser explotadas sólo la realiza la CCHEN para cada acto individualmente.
Los antecedentes disponibles evidencian que si bien existen diferentes
criterios para interpretar la Ley, no obstante se mantiene el rol y
atribución de la CCHEN para celebrar actos jurídicos.
Uso de materiales térmicos a altas temperaturas como Li, KNO3, NaNO3 y otros relevantes al estudio Después de una exhaustiva revisión de normativas para el uso del Li y
nitratos en general como fluidos de transporte y almacenamiento térmico,
donde se revisaron bases de datos de instituciones gubernamentales de Chile, como el Ministerio de Energía, Ministerio de Minería, Ministerio de
Economía, CONICYT, Centro de Innovación del Li, además de reuniones con miembros de la Comisión Nacional del Litio, de la CCHEN y expertos
consultores en materia del Li, se concluye y determina que no existe normativa, ley o regulación en Chile referida al uso de estos materiales
como TES o HTF. Cabe remarcar que tampoco existe en Chile una normativa para la disposición de las sales fundidas luego de finalizada su
vida útil en centrales Termosolares. No obstante es sabido que una vez fundidas, las sales, usadas con las purezas actuales determinadas por el
17
diseño de las CSP, se mantienen inalterables durante la vida útil de la
planta. De ahí que la compañía propietaria no 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.
Política Pública para el Litio En enero de 2015 la Comisión Nacional del Litio, propuso una nueva
institucionalidad pública que deberá promover el conocimiento científico de los salares, en general, y del litio, en especial, y promover la
vinculación de la industria de los salares con otras con potencial creciente de consumo de litio, particularmente con fines energéticos
En relación con la energía solar, propuso: Buscar sinergias que permitan el almacenamiento de energía a través
de baterías y sales fundidas para plantas de concentración solar.
Realizar los estudios necesarios para vincular y dimensionar las relaciones entre el mercado de la energía solar y el mercado del litio.
Determinar el potencial aporte de los recursos de litio en las cadenas de valor, a través de soluciones tecnológicas y de I+D para la
competitividad de las empresas.
Política Pública Energética
La Ley 20.257 de 2008 establecía que todas las empresas eléctricas que comercializaban energía, capacidad instalada superior a 200 MW, debían
hacerlo con un porcentaje de ERNC, equivalente al 10% de sus retiros. El
aumento progresivo se realizaría mediante cuotas anuales hasta alcanzar un 10% el 2024.
Posteriormente, la Ley 20.698 de 2013 reemplazó “…, en el inciso
primero, el guarismo "10%" por "20%“”, por lo que se duplica la meta inicialmente establecida desde un 10% a un 20% para el año 2025, y es
también conocida como Ley 20/25.
En mayo de 2014, el Ministerio de Energía emitió la llamada “Agenda de Energía”, documento en que se describe la política energética que el
actual gobierno impulsará durante su administración. Entre las metas y objetivos que se formulan, destacan:
Levantar “las barreras existentes para las Energías Renovables No Convencionales (ERNC) del país”, para cumplir con la Ley 20/25.
Desarrollar un programa de I+D en energía solar con el propósito de
estimular “la innovación y el progreso industrial en energía solar mediante la consolidación de los centros de investigación en energía
18
solar ya en etapa de implementación en el país” así como “la promoción
de asociaciones entre la industria y centros de investigación. Adecuar “la normativa de la operación de los Sistemas Interconectados
para la incorporación eficiente y segura de las ERNC”.
Proyecciones preliminares El uso del litio y sus derivados en sistemas de almacenamiento térmico
ha sido, y está siendo objeto de estudios, de los cuáles algunos ya han llegado a conclusiones de los beneficios que proveen estos materiales,
tales como disminuir el punto de fusión de la sal solar utilizada en las
plantas CSP. Dado a estos beneficios, es que un aspecto clave que debe ser revisado es el posible impacto económico que produce este material
en los sistemas TES.
En reemplazo a la sal solar, en la literatura, es posible identificar estudios en donde se utilizan mezclas con derivados del litio, tales como el nitrato
y nitrito de litio, LiNO3 y LiNO2 respectivamente, en compuestos para sistemas TES. Estos cuentan con puntos de fusión más bajos y a la vez
con precios más baratos que la sal solar. Algunos de estos compuestos se presentan en la tabla a continuación.
Tabla 6: Compuestos de sales con derivados de litio y la sal solar
(2010)
Compuesto
Punto de
fusión
Capacidad
calorífica Densidad
Precio
de la
sal
(2010)
°C kJ/kg K Kg/m3 USD/kg
1. 40% KNO3 + 60% NaNO3 (sal
solar) 222 1,54 2192 1,08
2. 54,07% KNO3 + 25,94% LiNO3 +
20,01% NaNO3 117 2,32 1720 2,21
3. KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3 79 1,50 1780 1,93
4. KNO3 + LiNO3 + NaNO3 + MgK 101 1,58 1710 1,54
5. LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO3 99 1,56 1780 1,81
6. LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO2
+ KNO3 95,7 1,55 1780 1,80
Fuente: Solar Energy Technologies Program, U.S. Department of Energy (2010).
Complementariamente, otros compuestos son identificados en literatura, de los cuáles se manifiesta su composición, pero no la densidad de todos
(magnitud necesaria para calcular el volumen que ocupa cierta cantidad de masa). Estas son los presentados en la Tabla 7, donde “S.I.” significa
“Sin Información”. Con el porcentaje que contribuye cada material al
19
compuesto, y el costo del material por unidad de masa, es posible obtener
un valor estimado del precio del material.
Tabla 7: Otros compuestos estudiados
Compuesto
Punto de
fusión
Estabilidad
térmica
Capacida
d calórica Densidad
Precio
(2014)
°C °C kJ/kg K Kg/m3 USD/ton
Sal solar (60%
NaNO3 + 40% KNO3) 222 588.51 1,54 2.192 716,9
48% Ca(NO3)2 + 7%
NaNO3 + 45% KNO3 131 554.39 1,27 S.I. 619,2
20% LiNO3 + 52%
KNO3 + 28% NaNO3 130 600.05 1,09 S.I. 1468,9
30% LiNO3 + 60%
KNO3 + 10% Ca(NO3)2 132 567.18 1,40 S.I. 1528,2
25.92% LiNO3 +
20.01% NaNO3 +
54.07% KNO3
117 S.I 2,32 1720 1684,4
Fuente: Solar Energy Technologies Program, U.S. Department of Energy (2010); A.G.
Fernández, S. Ushak, H. Galleguillos, F.J. Pérez, Development of new molten salts with
LiNO3 and Ca(NO3)2 for energy storage in CSP plants (2014).
En la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. se presentan
as densidades energéticas de los compuestos de la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. y ¡Error! No se encuentra el
origen de la referencia. (de los cuales se identifica densidad de masa) en kWhth/m3 dada variaciones de 1°C, de los que se puede apreciar que
la combinación KNO3+LiNO3+NaNO3 es aquella que provee mayores valores.
Tabla 8: Comparación de densidades energéticas de materiales de calor sensible
20
Fuente: Elaboración propia con información del Departamento de Energía de Estados
Unidos (2010).
Luego, con los precios de los materiales es posible comparar entre ellos
el costo de almacenar un kWhth. En la ¡Error! No se encuentra el origen e la referencia. es presentada dicha comparación, tanto con los precios
identificados en el año 2010 como aquellos del año 2014 (la leyenda de
la figura se describe en la ¡Error! No se encuentra el origen de la eferencia.). Se aprecia en la figura que la sal solar es aquella que otorga
menores precios en ambos años.
Figura 3: Comparación USD/kWhth entre materiales
Fuente:
Elaboración propia con información de Solar Energy Technologies Program, U.S.
Department of Energy (2010); A.G. Fernández, S. Ushak, H. Galleguillos, F.J. Pérez,
Development of new molten salts with LiNO3 and Ca(NO3)2 for energy storage in CSP
plants (2014).
Tabla 9: Leyenda utilizada en Figura 2 Leyenda Compuesto
Sal solar 40%KNO3 + 60%NaNO3
1 54.07%KNO3 + 25.92%LiNO3 + 20.01%NaNO3
2 KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3
3 KNO3 + LiNO3 + NaNO3 + MgK
4 LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO3
5 LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO2 + KNO3
6 20%LiNO3 + 52%KNO3 + 28%NaNO3
7 30%LiNO3 + 60%KNO3 + 10%Ca(NO3)2
Fuente: Elaboración propia
Proyecciones del costo nivelado de la energía
21
Con los precios de los compuestos y sus densidades energéticas, ya es
posible llevar a cabo estimaciones económicas sobre el uso de ellos en CSP. Para ello, se seleccionaron dos plantas con almacenamiento térmico
de dos tanques de calor sensible, ubicadas en España. La primera es la
planta de tipo PTC, Extresol 3, la cual cuenta con una capacidad de 50 MWe, 7,5 horas de TES con sal solar fundida, y aceites para el sistema
HTF. La segunda, es la planta Gemasolar, de tipo SPT. Esta cuenta con una capacidad de 19,9 MWe, 15 horas de TES con sal solar fundida la que
a la vez es utilizada como HTF.
En ambas plantas se calculó el LCOE con los costos originales de la planta, para luego calcular el LCOE considera las otras mezclas en vez de sal
solar. Para cada nuevo LCOE, se descuenta el ahorro en costo de tanques dado los menores volúmenes de sales necesitadas, y se considera un
aumento de 2% en la producción neta de electricidad de la planta, con el fin de representar el menor gasto eléctrico para mantener las sales en
estado líquido, ya que las mezclas alternativas cuentan con puntos de fusión menores en hasta 100°C.
La mezcla de sales 54.07%KNO3 + 25.92%LiNO3 + 20.01%NaNO3
presentó mayores ahorros en volumen y menores LCOE en ambas
plantas. En las Tablas 10 y 11 se registra la reducción porcentual de volumen utilizado en comparación a la sal solar, el cual es un 62%. En la
Tabla 12 se presentan los LCOE obtenidos por el material en ambas plantas, en los que se evidencia que es posible reducirlo en 5,7% y 2,4%
para Extresol 3 y Gemasolar, respectivamente.
22
Tabla 10: Cantidad y costo de compuestos considerados para el
cálculo de LCOE de Extresol 3
Tipo de compuesto
Cantidad de
material
Variación de masa
versus sal solar
Volumen utilizado
Variación de
volumen versus sal
solar
Variación de
temperatura (Tmax –
Tmin) 1
Costo total de material para la planta, y variación en
comparación al costo de total de la sal solar
Ton. % m3 % °C
2010 2014
MM
USD %
MM
USD %2
40% KNO3 + 60% NaNO3
29.000 - 13.230 - 100 31,3 0% 20,8 0%
25.92% LiNO3 + 20.01% NaNO3 +
54.07% KNO3
8.677 70% 5.045 62% 206 19,1 38,
9% 14,6 29,7%
KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3
11.294 61% 6.345 52% 244 21,8 30,
5% - -
KNO3 + LiNO3 +
NaNO3 + MgK
11.832 59% 6.919 48% 222 18,2 41,
9% - -
LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO3
11.891 59% 6.680 50% 224 21,5 31,
3% - -
LiNO3 + NaNO2 +
NaNO3 + KNO2 + KNO3
11.805 59% 6.632 50% 227.3 21,2 32,
3% - -
20% LiNO3 + 52% KNO3 + 28% NaNO3
19.710 32% - - 193 - - 28,9 39,2%
30% LiNO3
+ 60% KNO3 + 10% Ca(NO3)2
15.576 46% - - 191 - - 23,8 14,5%
Fuente: Elaboración propia con información de Solar Energy Technologies Program,
U.S. Department of Energy (2010); A.G. Fernández, S. Ushak, H. Galleguillos, F.J.
Pérez, Development of new molten salts with LiNO3 and Ca(NO3)2 for energy storage in
CSP plants (2014).
1 Se refiere a la temperatura máxima y mínima a la que se expone cada compuesto, la que define el rango de
temperatura de trabajo de cada uno. 2 Los porcentajes en rojo significan que el costo total del material analizado es mayor en comparación al costo
total de la sal solar. Por ejemplo, la sal 20% LiNO3 + 52% KNO3 + 28% NaNO3 en el año 2014 es 39,2% más
cara que la sal solar en el mismo año.
23
Tabla 11: Cantidad y costo de compuestos considerados para el
cálculo de LCOE de Gemasolar
Tipo de compuesto
Cantidad de
material
Variación de masa
versus sal solar
Volumen utilizado
Variación de
volumen versus sal
solar
Variación de temperatura (Tmax – Tmin) 3
Costo total de material para la planta, y variación en
comparación al costo de total de la sal solar
Ton. % m3 % °C
2010 2014
MM USD
%4 MM USD
%5
40% KNO3 + 60% NaNO3
7.900 - 3.604 - 272 8,53 0,0% 5,66 0,0%
25.92% LiNO3 + 20.01% NaNO3 + 54.07% KNO3
3.504 56% 2.037 43% 378 7,73 9,4% 5,68 0,4%
KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3
4.909 38% 2.758 23% 416 9,46 10,9% - -
KNO3 + LiNO3 + NaNO3 + MgK
4.940 37% 2.889 20% 394 7,59 11,0% - -
LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO3
4.984 37% 2.800 22% 396 9,02 5,7% - -
LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO2 + KNO3
4.979 37% 2.797 22% 399,3 8,95 4,9% - -
20% LiNO3 + 52% KNO3 + 28% NaNO3
7.720 2% - - 364,85 - 11,34 100,4%
30% LiNO3 + 60% KNO3 + 10% Ca(NO3)2
6.071 23% - - 362,85 - 9,28 64,0%
Fuente: Elaboración propia con información de Solar Energy Technologies Program,
U.S. Department of Energy (2010); A.G. Fernández, S. Ushak, H. Galleguillos, F.J.
Pérez, Development of new molten salts with LiNO3 and Ca(NO3)2 for energy storage
in CSP plants (2014).
3 Se refiere a la temperatura máxima y mínima a la que se expone cada compuesto, la que define el rango de
temperatura de trabajo de cada uno. 4 Los porcentajes en rojo significan que el costo del material analizado es mayor en comparación al costo de la
sal solar. Por ejemplo, la sal KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3 en el año 2010 es 10,9% más cara que la sal
solar en el mismo año 5 Los porcentajes en rojo significan que el costo total del material analizado es mayor en comparación al costo
total de la sal solar. Por ejemplo, la sal 20% LiNO3 + 52% KNO3 + 28% NaNO3 es 100,4% mayor que la sal
solar en el mismo año, ya que se duplicó el costo.
24
Tabla 12: LCOE obtenidos con tasa de 7% para planta Extresol 3 y Gemasolar, utilizando el compuesto 25.92% LiNO3 + 20.01%
NaNO3 + 54.07% KNO3
Tipo de
compuesto
Costo
Total
planta
Tasa de 7%
LCOE (25 años) LCOE (30 años)
MMUSD USD/kWh Var. % USD/kWh Var. %
Extr
esol 3
LCOE1-
1
(2010)
Sal Solar 390,0 0,2268 0,00 0,2139 0,00
LCOE1-
2
(2010)
54.07%
KNO3 +
25.92%
LiNO3 +
20.01%
NaNO3
373,5 0,2138 5,72 0,2017 5,69
LCOE1-
1
(2014)
Sal Solar 379,5 0,2211 0,00 0,2085 0,00
LCOE1-
2
(2014)
54.07%
KNO3 +
25.92%
LiNO3 +
20.01%
NaNO3
367,1 0,2105 4,80 0,1986 4,78
Gem
asola
r
LCOE1-
1
(2010)
Sal Solar 299,0 0,2450 0,00 0,2308 0,00
LCOE1-
2
(2010)
54.07%
KNO3 +
25.92%
LiNO3 +
20.01%
NaNO3
297,4 0,2390 2,46 0,2251 2,46
LCOE1-
1
(2014)
Sal Solar 296,1 0,2428 0,00 0,2287 0,00
LCOE1-
2
(2014)
54.07%
KNO3 +
25.92%
LiNO3 +
20.01%
NaNO3
294,8 0,2376 2,14 0,2238 2,14
Fuente: Elaboración propia a partir de información de, National Renewable Energy
Laboratory de Estados Unidos, Torresol Energy.
Es importante destacar que, los valores de LCOE pueden llegar a disminuir
aún más si la planta se diseña en una ubicación con mayor radiación en
25
comparación a la original. Cáceres et al6, simularon una planta SPT con
las características de Gemasolar (tamaño y tipo de TES, y potencia de planta), y evaluaron la producción eléctrica de ella en distintas
ubicaciones dentro de Chile7, siendo una localidad de Calama en dónde
mayor producción pudieron obtener, con un valor de 135 GWh/año, lo cual es 15 GWh/año mayor de la actual producción de Gemasolar
(aproximadamente un 23% mayor).
Si, además del aumento en producción, se considera un escenario donde la compra al por mayor del nitrato de litio obtienen un descuento de un
5%, 10%, 15% o 20%, nuevos LCOE son obtenidos, los que se registran en la Figura 5. En ambas figuras es identificable que el LCOE del material
54.07% KNO3 + 25.92% LiNO3 + 20.01% NaNO3 decrece levemente, aproximadamente un 0,2% entre el nuevo LCOE sin descuento y aquel
con descuento de 20% en el nitrato de litio. Otras mejorías son el efecto de los ahorros en costos obtenidos por la
menor cantidad de sales y menor gasto en tanques que se observan en las Tablas 13 y 14.
6 G. Cáceres, N. Anrique, A. Girard, J. Degrève, J. Baeyens; Performance of molten salt solar power towers in
Chile; Journal Of Renewable And Sustainable Energy 5, 053142 (2013). 7 En Chile es posible obtener mayor radiación diaria y anual, lo cual permite ahorrar en campo solar (para
producir la misma cantidad de energía, son requeridos menor cantidad de estructura gracias al mayor recurso
solar) así como también se obtiene mayor producción de energía.
26
Tabla 13: Ahorros de tanques y sales en planta Extresol 3
Mezclas analizadas
Costo total
planta
Tanques Sales
Costo Tanques
% de ahorro versus
tanques de sal solar
% del costo
total de la
planta
Costo Sales
% de ahorro versus sal solar (año base 2010)
% del costo
total de la planta
MM USD MM USD % % MM USD % %
Sales con
precios 2010
Sal Solar 390,00 7,07 - 1,81% 31,32 - 8,03%
54.07% KNO3 + 25.92% LiNO3 + 20.01% NaNO3
373,45 2,70 61,87% 0,72% 19,14 38,88% 5,13%
KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3
376,78 3,39 52,04% 0,90% 21,78 30,47% 5,78%
KNO3 + LiNO3 + NaNO3 + MgK
373,49 3,70 47,70% 0,99% 18,19 41,94% 4,87%
LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO3
376,69 3,57 49,51% 0,95% 21,51 31,32% 5,71%
LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO2 + KNO3
376,37 3,54 49,87% 0,94% 21,21 32,27% 5,64%
Sales con
precios 2014
Sal Solar 379,47 7,07 - 1,86% 20,79 33,63% 5,48%
54.07% KNO3 + 25.92% LiNO3 + 20.01% NaNO3
368,92 2,70 61,87% 0,73% 14,62 53,33% 3,96%
Fuente: Elaboración propia
Tabla 14: Ahorros de tanques y sales en planta Gemasolar
Mezclas analizadas
Costo total
planta
Tanques Sales
Costo Tanques
% de ahorro versus
tanques de sal solar
% del costo
total de la
planta
Costo Sales
% de ahorro versus sal solar (año
base 2010)8
% del costo total
de la planta
MM USD MM USD % % MM USD % %
Sales con
precios 2010
Sal Solar 299,00 1,83 - 0,61% 8,53 - 2,85%
54.07% KNO3 + 25.92% LiNO3 + 20.01% NaNO3
297,40 1,03 43,48% 0,35% 7,73 9,40% 2,60%
KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3
299,50 1,40 23,48% 0,47% 9,46 10,92% 3,16%
KNO3 + LiNO3 + NaNO3 + MgK
297,70 1,47 19,85% 0,49% 7,59 11,01% 2,55%
LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO3
299,08 1,42 22,31% 0,48% 9,02 5,67% 3,01%
LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO2 + KNO3
299,01 1,42 22,38% 0,47% 8,95 4,87% 2,99%
Sales con
precios 2014
Sal Solar 296,13 1,83 - 0,62% 5,66 33,63% 1,91%
54.07% KNO3 + 25.92% LiNO3 + 20.01% NaNO3
295,57 1,03 43,48% 0,35% 5,90 30,82% 2,00%
Fuente: Elaboración propia
8 Los porcentajes en rojo significan que el costo total del material analizado es mayor en comparación al costo
total de la sal solar. Por ejemplo, la sal KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3es 10,92% mayor que la sal solar en
el año 2010.
27
Además, con la radiación de 135 GWh/año, es posible disminuir el LCOE2-
1 (2014) de 0,2428 USD/kWh hasta 0,1978 USD/kWh, equivalente a una reducción de 18% aproximadamente cuando la tasa es de 7%. El LCOE
de la mezcla con litio es reducido desde 0,2376 USD/kWh a 0,1935 con
una tasa de 7%, sin considerar el descuento, lo que equivale a una reducción de 18,7%.
Figura 4: LCOE obtenidos con tasa de 7% y 10% para planta
Gemasolar (25 años vida útil), considerando aumento de producción energética y posibles descuentos por venta de sales
Tasa de 7% Tasa de 10%
Fuente: Elaboración propia.
28
Lineamientos Centro de Excelencia
El conocimiento como factor fundamental para el desarrollo y competitividad de los países y, por tanto, del bienestar social, el cual se
genera principalmente en los centros de investigación, desarrollo e innovación, I+D+i.
Las ventajas competitivas de las empresas, en el marco de la sociedad
del conocimiento, se dan en términos de su capacidad de innovación, principalmente, por lo que para generar capacidades que permitan crear
organizaciones sustentadas en la creatividad, es necesario que exista una
estrecha interrelación entre la gestión de recursos humanos y la gestión del conocimiento.
El modelo de crecimiento basado en la exportación de productos de la
industria básica, especialmente de la minería del cobre, se está agotando por lo que el problema estratégico es cómo agregar mayor valor a los
productos, en especial aquellos derivados de materias primas nacionales, tal como podría suceder con el litio, y competir exitosamente en los
mercados mundiales, de manera sostenida.
El alto costo de la energía es uno de los problemas que debe enfrentar el país para aumentar su competitividad, asociado a la dependencia de los
combustibles fósiles importados, con precios incontrolables y efectos sobre el cambio climático.
Chile ha sido privilegiado por una fuente energética de importancia económica creciente, toda vez que es abundante en ciertas regiones y
cuyo acceso tiene un costo cero: la energía solar.
La generación de conocimiento y tecnología, mediante un encadenamiento productivo, puede posicionar el país en la vanguardia
internacional, engendrando una diversificación económica para el desarrollo nacional y comenzando a convertirlo en un exportador de know
how en la materia.
Para hacer factible la generación de energía cuando sea requerida, es necesario integrar el almacenamiento de alta temperatura en plantas de
energía termosolar, donde las sales fundidas son las más comúnmente utilizadas como el medio de almacenamiento.
La creación de un Centro de Excelencia en el ámbito del litio, con especial foco en su uso en el transporte y almacenamiento térmico, vendría a
29
cubrir un espacio en las actividades de I+D+i que está llamada a producir
importantes ventajas competitivas a la industria nacional.
El desarrollo de un Centro de Excelencia se debe basar en el logro de
importantes avances en las ciencias básicas y aplicadas que sustenten las respectivas innovaciones tecnológicas que resulten.
Centros de Excelencia Referenciales Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems – ISE: es un centro
de investigación alemán que declara estar comprometido con la promoción de sistemas de suministro de energía que sean sustentables,
económicos, seguros y socialmente justos.
Está organizado en dos estructuras paralelas mutuamente compatibles.
Una de ellas es el área de negocios y la otra la división científica.
Realiza investigaciones en el campo de la “Tecnología termosolar”, abarcando todo el mercado desde aplicaciones de baja temperatura a alta
temperatura, así como en el ámbito de las “Tecnologías de almacenamiento”, donde han abarcado diversas formas de energía como
la electricidad y el calor.
El Instituto se financia en un 90 por ciento mediante contratos de investigación aplicada, desarrollo y servicios de alta tecnología que, en
las mencionadas áreas de negocios, suscribe con clientes nacionales y extranjeros, con socios industriales, agencias públicas y científicos.
La división científica del Instituto es la responsable por la investigación y desarrollo en los laboratorios, en los proyectos y la concreción de la
organización de las tareas.
Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie Solaire – PROMES: es
una unidad de investigación francesa del CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) perteneciente al Instituto de Ingeniería y Ciencias
de Sistemas (INSIS) que opera bajo contrato con la Universidad de Perpignan (UPVD).
El personal del laboratorio incluye a 160 personas, entre los cuales 90 son
funcionarios permanentes, del CNRS y UPVD trabajando juntos sobre un tema común: desarrollo de la energía solar en todos los niveles.
Entre las áreas de I+D se encuentran las investigaciones que PROMES
desarrolla en los temas de: "Materiales a altas temperaturas“,
30
“Termofísica y flujos de fluidos”, y
“Almacenamiento por helioprocesos fotoquímicos y energéticos”
Plataforma Solar de Almería – PSA: es un centro público de
investigación del gobierno español, bajo el Ministerio de Economía y Competitividad, que pertenece al CIEMAT (Centro de Investigaciones
Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas), y forma parte de la red de Infraestructuras Científicas y Tecnológicas Singulares (ICTS) de
España. La estructura organizacional de la PSA está conformada por un Director y
Director Adjunto, al cabeza de la organización, de la cual dependen:
Departamento de Administración Unidades de I+D
Unidades de Gestión La Unidad de Sistemas Solares de Concentración está constituida por tres
Grupos de I+D: Tecnologías Solares de Media Temperatura,
Tecnologías Solares de Alta Concentración y Combustibles Solares y Procesos Industriales de Alta Temperatura
La PSA participa en numerosos proyectos de I+D relacionados con
sistemas de concentración solar, tanto nacionales como internacionales.
NREL: tiene un centro dedicado íntegramente a TES y HTF para CSP, el cual es denominado “Thermal Storage and Advanced Heat Transfer Fluids”
(Almacenamiento Térmico y Fluidos Avanzados de Transferencia de
Calor). El NREL evalúa las propiedades de los fluidos que almacenan y transfieren calor de la energía solar concentrada (CSP) para mejorar la
eficiencia térmica en electricidad y reducir el costo operativo de las plantas.
SANDIA: Sus responsabilidades y misiones únicas obedecen al programa
de armas nucleares (NW). Crean entonces una fundación para el apalancamiento de capacidades, que les permite resolver problemas de
seguridad nacional complejos.
A pesar de ser más orientados al área nuclear, Sandia también apoya temas de seguridad y sustentabilidad energética en general, realizando
grandes aportes a las tecnologías CSP y en particular a las áreas TES y HTF como por ejemplo:
Comisión Sandia-AREVA para Energía Solar Térmica/Sales Fundidas.
Instalación Nacional de Prueba para energía Solar Térmica
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Protocolo para la medición uniforme y expresión el rendimiento de
Sistemas de Almacenamiento de Energía.
De Sandia se puede rescatar y aprovechar en Chile, gracias al centro
propuesto, el concepto de dar soporte a la seguridad y sustentabilidad energética país.
Establecimiento de áreas de investigación y objetivos principales de
trabajo
Visto desde un punto de vista macro, las grandes áreas de desarrollo se
podrían dividir en:
1. Materiales 2. Componentes
3. Sistemas 4. Diseño y Ensayos de prototipos Industriales.
Se pueden mencionar algunos ejemplos, de manera resumida, de temas
más específicos que este este Centro podría desarrollar: 1. Nuevos materiales de Transporte y Almacenamiento Térmico. Se
pueden considerar nuevas mezclas de materiales Nitratos y Litio. Además se podría dar apoyo a temas como reciclaje de Desechos
Mineros del Cobre, uso de Tierras Raras, etc. 2. Innovación en los sistemas de intercambiadores de calor debido a
la creciente incorporación de Nitratos y Li como fluidos térmicos.
3. Desarrollo de otros componentes tales bombas, tuberías, receptores solares, estructuras, etc.
4. Mediciones de Flujos de Fluidos y Energía Térmica 5. Aplicación de sistemas con calor sensible, cambio de fase y
termoquímico para almacenamiento y transporte térmico solar de alta, media y baja temperatura.
2. Evaluaciones técnico-económicas al introducir estas nuevas tecnologías en la industria.
3. Desarrollo de protocolos de instalación, operación y mantención de equipos.
4. Certificación de componentes y sistemas. 5. Construcción de prototipos y sistemas demostrativos.
Tiempos y Resultados Esperados
El tiempo necesario para desarrollar las actividades requeridas para obtener los resultados esperados, dependerá de los recursos disponibles,
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principalmente financieros, humanos y físicos, así como de la capacidad
de gestión de la dirección del proyecto.
Las etapas que debería considerarse para seguir avanzando en el proyecto
son:
Etapa 1. Estudio de Factibilidad Técnica-Económica del Centro de Excelencia.
Etapa 2. Desarrollo de la Ingeniería Básica y de Detalle del proyecto.
Etapa 3. Proceso de Adquisición de Equipamiento y Construcción de las
instalaciones.
Etapa 4. Puesta en Marcha del Centro de Excelencia.
Transferencia Tecnológica La promoción de nuevos usos del litio en la energía solar debe estar
estrechamente ligada con las necesidades de las empresas del sector, sean nacionales o extranjeras, a través de procesos de transferencia
tecnológica desde el centro de excelencia que le signifiquen adquirir conocimientos que permitan innovar sus productos y procesos.
La transferencia de tecnología se puede plasmar mediante diversas
modalidades: Trabajar asociadamente en proyectos de ciencia y tecnología en
innovación. Comercialización de los derechos de propiedad intelectual de las
innovaciones resultantes.
Propuesta de Modelo de Negocio Si bien una parte importante del financiamiento del centro de excelencia
tendrá que provenir de aportes del Estado, se pretende que el centro tenga la capacidad de financiar una cada vez más creciente porción de
sus actividades.
El diseño de un modelo de negocio para el centro requerirá, en términos generales, identificar los potenciales clientes, conocer cuáles son sus
necesidades, cómo las está satisfaciendo el mercado y cuáles son las
insatisfacciones con los actuales oferentes.
33
Para sistematizar el diseño, se empleará una herramienta denominada
modelo Canvas, entre cuyos aspectos principales se encuentra:
Segmentos de clientes. Los potenciales clientes del centro, tanto a nivel
nacional como internacional, serán: Empresas del sector energía, especialmente solar.
Empresas vinculadas al sector de energía solar (consumidoras, proveedoras, etc.)
Centros de I+D. Universidades.
Científicos.
Propuestas de valor. Aprovechando sus ventajas competitivas, el centro ofrecerá a sus clientes los siguientes servicios y productos:
Arriendo de equipamiento e instalaciones para realizar actividades de I+D, en el ámbito del uso del litio en plantas de energía solar, tanto
para el transporte como el almacenamiento de energía. Licencias por el uso derechos de propiedad intelectual del centro, sean
estas patentes de invención, diseños industriales u otras.
Certificaciones de procesos de transporte y almacenamiento térmico, mediante el uso de litio.
Fuentes de ingresos. Los ingresos serán producto de:
Venta de productos y servicios contratados. Pago de licencias.
Fondos concursables nacionales e internacionales.
Datos Relevantes y Costos Aproximados del Centro
Se realizaron visitas y reuniones con 4 de los centros más reconocidos a
nivel mundial en las áreas de HTF y TES relacionados con la energía solar.
Los centros fueron los siguientes: Fraunhofer Institut for Solar Energy System ISE (Freiburg, Alemania),
Laboratorio PROMES (Odeillo, Francia), PSA (Almería, España), y
Plataforma Solar Solucar (Sevilla, España)
De estas vistas se pudieron obtener cifras claves para el desarrollo del CETASOLi durante los 5 primeros años, las cuales fueron entregadas y
validadas por las mismas instituciones visitadas.
Costos: Para los primeros 5 años:
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o Entre 25 a 35 MMUS$ de inversión. Incluye construcción de
infraestructura, sueldo de personal, operación, mantención y maquinaria o equipos de laboratorio básicos.
o Entre un 30% a 35% del costo se asigna al pago del personal,
un 30% en equipamiento y el resto en construcción o Luego de 5 años, en general, se requieren unos 6 MMUS$/año
para cubrir costos de O&M y personal
Personal: Los 2 primeros años debería haber entre 15-30 personas y a los 5
años unas 70-100 personas trabajando. Esto considera personal administrativo, técnico y especialistas.
Al menos del 30% a 40% del personal serían profesionales de alto nivel.
Sustentabilidad y desarrollo:
Para que un centro sea reconocido como de excelencia internacionalmente, deben pasar unos 10 años de existencia.
Según estándares europeos, un centro es exitoso si logra tener un 50%
de financiamiento estatal y otro 50% por industria o fondos diferentes a los gubernamentales.
Se considera correcto que, después de al menos 5 años de funcionamiento (al menos 5), el centro logre sacar entre 3 y 5 patentes
anuales. Es necesario indagar las necesidades de la industria al inicio, no
obstante, es necesario tener en cuenta que si se trabaja un 100% para la industria, se queda restringido únicamente a sus necesidades y se
pierde libertad de creación y toma de decisiones
Infraestructura: El área construida debe estar en alrededor de unos 1.000 m2.
Aproximadamente, a cada persona se le deben destinar al menos 8 m2 y por cada 100 m2 de personas se deben destinar unos 200
m2 para equipos.
Políticas Gubernamentales
El Consejo Nacional de Innovación para la Competitividad, constituido en noviembre de 2005, elaboró la “Agenda Innovación y Competitividad
2010-2020”.
Posteriormente, el Comité de Ministros de Innovación para la Competitividad emitió el documento denominado “Política Nacional de
Innovación 2010 2014”.
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En dicho documento se reconoce el rol de la I+D en la innovación, por lo que se plantea la necesidad de duplicar en 2014 la inversión realizada el
2008 en este ámbito, considerando que Chile estaba muy por debajo del
promedio de la OCDE y se plantea que “para que la creación de conocimiento e ideas a través de la I+D se transformen en creación de
valor en la economía es necesario que haya transferencia y difusión tecnológica”.
Los gobiernos en Chile han implementado una serie de instrumentos de
política pública destinados a fomentar y fortalecer los centros de investigación, a través del CONICYT y CORFO, como una manera de
contribuir a la investigación de excelencia en áreas de interés nacional, entre los que cabe mencionar:
El Programa de Financiamiento Basal para Centros Científicos y Tecnológicos de Excelencia, perteneciente al Programa de
Investigación Asociativa del CONICYT El Fondo de Financiamiento de Centros de Investigación en Áreas
Prioritarias, a través del FONDAP
El Programa de Atracción de Centros de Excelencia Internacional en I+D, de la CORFO
Otras Aplicaciones de posible interés para la industria solar
Li como material de almacenamiento en baterías para FV
La ventaja de las baterías de Litio, en comparación con otras baterías tradicionales, radica en que se cargan más rápido y tienen una alta
densidad energética ofreciendo una batería más liviana con una duración
dentro de los estándares industriales. Las desventajas de las baterías de Litio son su alto costo y problemas de sobrecalentamiento.
Debido a que el centro tendría un gran conocimiento sobre el Li y
almacenamiento energético, podría ser de gran apoyo en esta área de desarrollo.
Sistemas de enfriamiento de baterías y paneles FV
Existen algunos diseños y sistemas solar híbrido fotovoltaico/térmico y que tienen dos aplicaciones; una fundamental que es de incrementar la
eficiencia eléctrica del panel FV manteniendo sus temperaturas bajas y la otra es aprovechar el exceso de calor para usos domésticos a través de
un sistema de refrigeración. Es un hecho que los paneles fotovoltaicos no
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soportan muy bien el calor. La eficiencia de las células cae al aumentar la
temperatura, reduciendo la potencia del panel. Muchos parámetros y materiales se pueden utilizar en el diseño del sistema, por ejemplo fluidos
(agua u otro), el sistema de tuberías puede ser hecho de cobre u otro
material con aislamiento externo y el tanque TES podría ser de calor sensible con agua o Termoquímico donde se podría añadir Li.
De manera similar a los paneles FV, las baterías ion-Li o pilas a
combustibles o cualquier otro tipo de batería eléctrica, está afecta a una baja de rendimiento por sobrecalentamiento o por fatiga térmica. Por
ejemplo en las pilas a combustibles se diseñan sistemas de enfriamiento por convección utilizando algún líquido especial, ya que la batería debe
mantenerse a una temperatura constante. Si pensamos además que para una gran central FV, el sistema de almacenamiento más probable es por
medio de baterías, el tema del ciclo de vida y rendimiento de la batería pasa a ser muy importante y en la operación, el control de su temperatura
es clave.
Se puede concluir entonces, que finalmente las tecnologías FV, incluidas
las baterías, tienen una fuerte dependencia de las variaciones térmicas, cuya gestión aún es cara y tiene una gran área para la innovación. En
conclusión, esta es otra área interesante donde el centro podría participar.
Apoyo a posibles mejoras en la parte termodinámica del proceso de producción del litio que conduzcan a ahorros potenciales
Una alternativa a la mejora del proceso podría ser el incorporar una etapa
previa de evaporadores donde por medio de vacío, se permitieran acelerar ese proceso de extracción de la humedad de la salmuera.
Con el fin de realizar un sencillo análisis de un potencial beneficio
económico derivado de una reducción de tiempos de proceso, a continuación se simplifica el proceso a solo 2 etapas:
Figura 5. Diagrama simplificado del proceso
Fuente: Elaboración propia
Buffer
Pozas evaporación
Buffer
Extracción Boro
Purificación Salmuera
Carbonatación /Filtración/
Secado
tevap
14-15 días
Proceso planta
Salmuera 0.2% Li2CO3
tplanta
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Figura 6. Diagrama simplificado del proceso mejorado con
evaporación por vacío.
Fuente: Elaboración propia. Basado en: a) La industria del Litio en Chile. Pedro
Pavlovic, 2014 y b) Comisión Chilena del Litio; Litio: Una fuente de energía, una
oportunidad para Chile, Informe final 2015
El objetivo es naturalmente aumentar la productividad al impactar el paso del proceso que demora más tiempo y que limita por lo tanto todo el
proceso productivo.
Tener la capacidad de producir más cantidad en menos tiempo, aumenta la probabilidad de satisfacer más demanda y por lo tanto aumentar el
volumen de ventas, teniendo finalmente un impacto positivo en el mercado del producto.
Impactos esperados y posibles beneficios para el país
Impacto potencial en la industria solar y del Li
En la medida que se profundice la investigación científica y tecnológica, relacionada con la utilización de sales de litio como componente de las
sales de uso solar, será posible posicionarlo como un factor relevante en
la disminución del LCOE de las plantas CSP.
Es necesario aprovechar las ventajas competitivas de la situación del país, ya que existen otros países que podrían adelantarse y cubrir este ámbito,
con lo que se estaría desaprovechando la enorme oportunidad que se está abriendo a nivel mundial.
Una estimación preliminar de la posible cantidad de Nitrato de Litio
que podría ser requerido por la industria Termosolar, únicamente de producción eléctrica, a nivel mundial y nacional, fue desarrollada en el
anexo III del presente trabajo. Al ser el alcance de este trabajo solo una estimación preliminar, lo más importante no es la precisión de los datos
sino los órdenes de magnitud de los posibles requerimientos de sales con Litio. Si se desean cifras más precisas, se deberá hacer
un estudio de mercado, más profundo y exhaustivo, del Li
relacionado con su integración en la industria Termosolar. Por lo tanto se aconseja utilizar estas cifras con cautela. De manera resumida,
Buffer
Evap. por vacío
Pozas evaporación
Buffer
Extracción Boro
Purificación Salmuera
Carbonatación /Filtración/
Secado
tevap
15*(1-R) días
Proceso planta
Salmuera 0.2% Li2CO3
tplanta
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se puede estimar, con cierta certeza, que para el año 2020 habría un
incremento mundial de alrededor de 80 - 85 GW de capacidad instalada de centrales CSP que utilicen TES con sales estimados así:
Potencia instalada en CSP al 2015: 5,5GW
Potencia proyectada en CSP al 2020: 147GW Proporciones proyectos futuros a iniciar operaciones entre 2016 a
2018 registrados en NREL (anexo III), considerando ÚNICAMENTE las 2 tecnologías predominantes, Parabolic trough y Power tower:
60% con TES y 40% sin TES, aproximadamente.
Se consideran solo los proyectos que poseen TES con sales solares, ya que sería la proyección más realista, los otros proyectos tendrían back-
up con gas u otra tecnología de fuentes fósiles. Como resultado del estudio del anexo III, se estimaría que mundialmente se necesitarían al
menos alrededor de 6.000.000 Ton de LiNO3 para energía Termosolar mundial al 2020, si las tecnologías trabajaran con las
sales ternarias (LiNO3, NaNO3 y KNO3), cantidad estimada considerando lo siguiente:
Uso de mezcla ternaria eutéctica con composición 54,07% KNO3 + 25,92%LiNO3 + 20,01%NaNO3 al ser considerada como una de las
óptimas entre diversas composiciones analizadas por la literatura.
Razones aproximadas de 96 y 47 (Ton LiNO3/MW) para las tecnologías cilindro parabólico y torre solar de potencia,
respectivamente, y TES de 15 hrs en ambos casos. Estas proporciones obtenidas según cálculos utilizando como referencia
datos de las plantas Extresol 3 y Termesol 50 (ambas España) para el caso de la tecnología de cilindro parabólico, y datos de la planta
Cerro Dominador a construir (Chile), para el caso de la tecnología de torre solar de potencia.
Proporciones por tipo de tecnología de proyectos futuros CSP con
TES a iniciar operaciones entre 2016 a 2018 registrados en NREL
(anexo III), considerando ÚNICAMENTE las 2 tecnologías predominantes, Parabolic trough y Power tower: 46% cilindro
parabólico y 54% torre solar de potencia.
De lo anterior, se deduce que la cantidad carbonato de litio equivalente
(LCE) correspondería aproximadamente a 3.200.000 Ton, o una
producción promedio anual de 640.000 Ton (2015 - 2020), de la cual Chile
podría aportar hoy un 14% aproximadamente (91.000 Ton), y un 15% en
39
el 2020 (96.000 Ton), considerando un crecimiento de producción del
5,5% a dicho año respecto al 2015.
Si tomamos en cuenta proyecciones realizadas para capacidad instalada
Termosolar en el mundo al año 2030 por la AIE e IRENA, nos daremos
cuenta que no coinciden exactamente en las cifras pero si en los órdenes de magnitud. Por esta razón decidimos dar un rango aceptable de entre
150 GW a 300 GW instalados al 2030. Si consideramos el rango menor, en un análisis simplificado y considerando lo establecido en el anexo III,
podríamos decir que se necesitarían al menos alrededor de 11.000.000 Ton de LiNO3 para energía Termosolar mundial al
2030, si las tecnologías trabajaran con las sales ternarias. Esta última estimación es menos precisa que para el 2020, ya que no sabe con
exactitud cómo van a ser los proyectos Termosolares en ese horizonte. En un escenario más optimista, se podría considerar que esta cifra sería
mayor si las tecnologías evolucionan todas a la utilización también de sales como HTF.
Para Chile podríamos estimar lo proyectado al 2025 por tener más
información tal como se presenta en el anexo III. La estimación para
capacidad instalada Termosolar en Chile sería de alrededor de 1 GW y la cantidad de LiNO3 podría estar en torno a las 55.000 Ton considerando la
proporción aproximada de 5.350 Ton LiNO3/100MW*17 hrs TES para tecnología de Torre solar de potencia.
Los resultados de recientes investigaciones configuran un escenario
auspicioso para el desarrollo de este ámbito científico y tecnológico, que tenga como apoyo para la industria un centro de excelencia del Li, de
primer nivel mundial.
Impacto en otras industrias Son muchos los aspectos que involucra el desarrollo de tecnologías
competitivas de transporte y almacenamiento térmico.
Existe evidencia de esfuerzos en I+D orientados a mejorar los materiales utilizados para dichas funciones, desde las tuberías, bombas,
intercambiadores de calor, recipientes, etc., cada uno de los cuales debe cumplir con estrictas especificaciones técnicas.
En el país existen varias empresas que fabrican componentes similares a
los antes mencionados, las cuales se encuentran en diversas etapas de avance tecnológico y de potencial de desarrollo.
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Impactos positivos en variados ámbitos de la industria, con innegables
beneficios para la economía nacional, ya que estos minerales no se exportarán como meras materias primas, sino que podrán ser requeridas
producto de las tecnologías que se han desarrollado para su aplicación.
Relevancia a nivel de sustentabilidad país El desarrollo de la industria Termosolar con almacenamiento térmico en
el país, puede significar un campo de especialidad en los diversos ámbitos de la ingeniería, desde la concepción de las plantas hasta su puesta en
marcha, que requerirán recursos humanos de diversas especialidades y niveles, así como esfuerzos en la formación de capital humano para la
industria.
El país puede lograr un desarrollo científico y tecnológico más sustentable
en el tiempo, al disponer de una masa crítica que esté en condiciones de investigar y desarrollar continuamente tecnologías en este ámbito.
La incorporación creciente de generación de energía Termosolar,
incrementando sustantivamente su peso relativo en la matriz energética nacional, proporcionaría un mayor grado de sustentabilidad
medioambiental al desarrollo del país.
Posicionamiento tecnológico a nivel mundial
La creación de un centro de excelencia en I+D, que se ocupe de
desarrollar tecnologías que permitan mejorar el desempeño de las sales fundidas, como material de transporte y almacenamiento de energía,
mediante la adición de sales de litio, dará la posibilidad de posicionar progresivamente al país como un referente, en un principio, a nivel
latinoamericano y, posteriormente, a nivel mundial.
La inexistencia de una iniciativa similar en la región de Latinoamérica y que los países más industrializados este tipo de tecnologías se encuentran
en etapas primarias de investigación, constituye una gran oportunidad para el posicionamiento internacional.
Las visitas y entrevistas llevadas a efecto con diferentes centros de I+D
y empresas líderes mundiales, quienes han expresado interés por hacerse partícipes de los avances tecnológicos que se puedan logran mediante la
incorporación del litio en la producción de energía Termosolar en Chile,
constituyen una prueba fehaciente de la fortaleza del país en el desarrollo de esta área a través de alianzas estratégicas son dichas organizaciones.
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Comentarios e indicaciones
Estamos en un mundo globalizado donde las decisiones deben tomarse de forma rápida e inteligente si se quiere ser competitivo en cualquier
mercado, principalmente si hablamos de tecnologías. Por consecuencia, la idea de esta sección es complementar con ideas concretas y resumir de
alguna forma algunos conceptos claves que pueden ayudar a una mejor toma de decisiones. Se mencionarán las ideas o conceptos, a modo de
titulares, sin grandes explicaciones, ya que estos y sus cifras, han sido explicados largamente en el texto de este documento:
1. Es muy recomendable que un centro de excelencia en Transferencia y Almacenamiento Térmico que entregue valor
agregado a nuestros minerales sea creado. En particular un Centro de Excelencia que incorpore el uso del Litio en la
Energía Termosolar es una gran oportunidad de progreso para el país, el cual cuenta con los dos recursos naturales básicos
en abundancia, ya que presenta un gran potencial para traducirse en:
a. La formación de capital humano en áreas que tienen un avance reciente, por lo que aún queda mucho por realizar en
el ámbito del I+D+i, y en diversos niveles de cualificaciones requeridos para desarrollar esta industria nacional e
internacionalmente.
b. La creación de una industria de componentes para
tecnologías Termosolares, aprovechando la experiencia específica de algunas empresas en el área manufacturera y
de la ingeniería desarrollada, especialmente, en el ámbito minero, la cual también presenta un buen pronóstico de
exportación.
2. La incorporación de Li a temas térmicos demuestra una gran
mejora en la eficiencia desempeño de los sistemas. Los costos indican una tendencia a la baja.
3. El centro puede dar soporte a la seguridad y sustentabilidad
energética país.
4. El centro podría designar los recursos de la siguiente forma: 30%
estudios relacionados con el Li térmico, 40% trabajos tecnologías Termosolares, 20% ayuda a la mejora de
procesos mineros donde intervenga la energía Térmica y un
42
10% en apoyo a nuevos mercados y tecnologías, diferentes
a la térmica, que utilicen sales y Li.
5. Ningún centro tecnológico exitoso en el mundo es estático, son más
bien dinámicos, capaces de adaptarse a los cambios, incluso son
ellos mismo los que inducen cambios, es entre otras cosas su misión. En este contexto, Chile debería tener un punto de
partida para su progreso en la industria y tecnologías Térmicas que tiene tan poco desarrollado. El punto de
partida para este desarrollo podría ser este centro.
6. El centro ayudaría a hacer desarrollo e innovación con muy bajas
emisiones de carbono en sus trabajos debido a que tendría la fuente principal de energía que es el sol chileno.
7. La localización del centro debe ser en algún lugar que cumpla con al menos estos dos requisitos:
a. Encontrarse a una distancia que no demorara más de 30 o 40 min llegar en auto desde el centro de alguna ciudad
consolidada. Una estimación podría ser no más de 20 km de algún centro urbano relevante con acceso expedito
o dentro de la misma ciudad. Esto influye sobre todo en la
actividad cotidiana de los trabajadores del mismo, temas de difusión (seminarios, congresos, charlas, demostraciones,
etc.), interacción con los verdaderos tomadores de decisiones de la industria, el gobierno y los científicos.
b. El lugar debería contar con más de 1.500 kWh/m2/año, para que justifique su espíritu Solar Térmico.
8. El centro debe plantearse de carácter mundial, ser competitivo y posicionarse entre los mejores.
9. Si nosotros no damos valor agregados a nuestros productos y tecnologías ¿Quién más lo hará por nosotros de la forma
óptima? Este punto es clave, ya que Chile tuvo la gran suerte de entrar a un mercado nuevo de Nitratos (sales solares), sin haber
realizado el menor esfuerzo. Cabe destacar que primero fueron los franceses con el proyecto Themis y luego los Estadounidenses con
Solar Two los que nos abrieron estas nuevas posibilidades de
desarrollo con el ya muy conocido NaNO3/KNO3. Pero no debemos confiarnos, ya que industrias alemanas como BASF y Chinas como
Guangzhou Yijia Chemical ya están entrando fuerte a este mercado e incluso nos lo podrían simplemente quitar si nosotros no
empezamos a generar mejoras y nuevos productos pronto. Todo el terreno que habríamos ganado con poco esfuerzo, pero que nos
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posicionó sin querer como líderes de mercado, lo podríamos perder
en corto plazo.
a. ¿Seguiremos esperando que otro país desarrollado
tenga una gran idea que nos favorezca?
b. ¿Qué pasa si esto no ocurre?
En resumen, tenemos la materia prima competitiva en el mercado
térmico, poseemos la radiación solar suficiente y el presente estudio avala la posibilidad de desarrollo de un centro de Transferencia y
Almacenamiento térmico en Chile, solo falta tomar una decisión rápida reflexionando bien los pasos a seguir (que también están planteados en
este informe) para continuar con el progreso.
44
1 Introducción
En este informe final del estudio solicitado por CIFES titulado “Estudio de
Prefactibilidad para el Desarrollo del Litio como Elemento de Transporte y Almacenamiento Térmico de la Energía Solar”, se incluye totalmente
finalizado lo acordado en la cláusula cuatro del contrato del 5 de Enero de 2015 entre CIFES-CORFO e INERSUS. El índice del presente informe
establece los contenidos solicitados que son: Estado del arte, Estudio preliminar de regulación, normativas y políticas vigentes en Chile,
Proyecciones Preliminares, Lineamientos Centro de Excelencia, Otras Aplicaciones de posible interés para la industria solar, Impactos
esperados, posibles beneficios para el país y un capítulo extra denominado Comentarios e Indicaciones.
La hipótesis que se desea comprobar, al final del estudio, es
principalmente la pre-factibilidad de crear un Centro de excelencia tecnológico de Almacenamiento y Transporte Térmico aplicado a la
industria solar en el cual se incorpore el Litio como principal material
térmico a desarrollar. Lo anterior no excluye que el Centro pueda trabajar con otros minerales chilenos de gran producción como el Cobre y los
Nitratos en general, además materiales que se encuentran en menos cantidad, pero con un alto impacto en la industria como por ejemplo las
tierras raras. El porcentaje de trabajo o recursos que el Centro deberá dedicar al Litio para almacenamiento y transferencia térmica, será una de
las conclusiones significativas de este trabajo dependiendo de su impacto en la industria.
En segundo lugar y no menos relevante, este estudio también explica la
importancia de la creación de un Centro de desarrollo tecnológico en temáticas claves para el desarrollo de la industria solar como son el
Almacenamiento y Transporte energético. Principalmente el almacenamiento térmico es considerado un elemento clave para el
surgimiento de las tecnologías CSP en el mundo, ya que este le
proporciona gestionabilidad y estabilidad al suministro energético. Algunas instituciones internacionales, de alto nivel, que avalan esta idea
son por ejemplo IRENA, IEA, DOE (USA), SANDIA (USA), NREL (USA), PROMES (Francia), DLR (Alemania), Fraunhofer (Alemania), PSA
(España), University of Cambridge (UK), University of Warwick (UK), UAI (Chile), U. de Antofagasta (Chile), Fundación Chile y Centro de
Innovación del Litio (Chile).
Es importante agregar y remarcar que, las ideas de desarrollo tecnológico también están basadas en saber darle valor agregado a los productos
naturales que posee Chile, para dejar de ser un país simplemente
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extractivo, ya que este tipo de economías no son sustentables en el largo
plazo. Por ejemplo, los países que desarrollan tecnologías basadas en petróleo y sus derivados, es porque poseen grandes fuentes de
explotación de este recurso y no necesariamente porque las tecnologías
sean mejores y más baratas. Estos países obligan entonces a comprar sus tecnologías y la materia prima que las hace funcionar, o sea, generan la
necesidad y luego venden la solución. Chile debería entonces seguir estos ejemplos y darle valor a sus productos, no solo para vender la materia
prima, sino para vender la tecnología asociada a ella.
Chile tiene la gran oportunidad de volverse un referente mundial en el desarrollo de tecnologías solares, especialmente térmicas. Dada su
ubicación espacial, Chile, tiene zonas de alta radiación solar en la Zona Norte del país, más cercana a los trópicos, y disminuye paulatinamente
hacia el Sur. Las condiciones para el uso de este recurso se dan de forma excepcional en el desierto de Atacama, que cuenta con uno de los índices
de radiación más elevados de la tierra. Las condiciones de irradiación actuales permiten a Chile desarrollar todas las tecnologías de generación
eléctrica mediante energía solar de forma privilegiada en comparación con
países europeos y norteamericanos en los cuales se encuentran grandes plantas instaladas y generando. Esto nos permite tener grandes ventajas
comparativas en este ámbito en relación con otros países más desarrollados. Sumado a lo anterior, Chile es el mayor productor y posee
las más grandes reservas de Nitratos que son actualmente materiales claves para la industria Termosolar, además del Litio y Cobre cuya
aplicación tiene un gran potencial como veremos en el desarrollo de este trabajo.
Finalmente se debe señalar que en el contenido del presente documento
se agregaron informaciones y análisis más allá del alcance solicitado al estudio, con la finalidad se establecer y ayudar al gobierno de Chile a
tomar las mejores decisiones en cuanto a la materia estudiada.
46
2 Estado del arte
2.1 Introducción El almacenamiento de energía térmica (TES, por su sigla en inglés
“Thermal Energy Storage”), es una herramienta útil para guardar energía
para un uso posterior. Este mecanismo de almacenamiento ha sido aplicado en diferentes áreas, tales como en la industria minera o en las
plantas de concentración solar de potencia (CSPP, por su sigla en inglés “Concentrated Solar Power Plants”), entre otras. Para las CSPP, un TES
ayuda incrementar su factor de planta gracias a que permite almacenar los excedentes de energía térmica obtenida desde el sol durante las horas
de luz, y luego utilizarla cuando el recurso solar no está disponible. Las CSPP, sin el apoyo de un sistema TES, tienen factores de planta entre
20% a 28%, mientras que aquellas que cuentan con TES de 6 a 7,5 horas logran duplicar dichas cifras logrando rangos entre 40 – 50% [1]. Existe
un caso particular en Chile, de una futura CSPP de 110 MW la cual considera un módulo de TES de 17,5 horas, lo cual se estima producirá
un factor de planta sobre 80% [2].
Debido a los beneficios de usar TES en industrias y distintas aplicaciones,
el interés de científicos por mejorar este mecanismo de almacenamiento de energía ha incrementado. Es así como investigaciones han sido
desarrolladas y financiadas con el fin de encontrar nuevos materiales, diseños y configuraciones para mejorar las características de los sistemas
TES, tales como conductividades térmicas, densidades energéticas o rangos de temperatura de trabajo. En el presente trabajo, se lleva a cabo
una revisión sobre los mecanismos TES, incluyendo una revisión sobre distintos materiales y mecanismos para mejorar sus desempeños.
2.2 Sistemas de Almacenamiento de Energía Térmica El almacenamiento de energía térmica, también llamado TES por su sigla
en inglés (Thermal Energy Storage), es un mecanismo que funciona calentando un medio que almacenará la energía térmica (proceso de
carga), para luego liberar este calor cuando la energía es necesitada (proceso de descarga) [3]. Puede ayudar a incrementar la eficiencia
energética de un sistema y es comúnmente usado para compensar el desajuste de oferta y demanda energética [4]. Ha sido utilizado en
distintas aplicaciones e industrias, dentro de las cuáles se encuentran: Procesos de construcción térmica [5].
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Aplicaciones solares como cocinas, calderas solares de agua,
sistema de aire caliente, invernaderos y plantas de energía solar concentrada (CSP) [6], [7], [8] y [9].
Minería y metalurgia [10], [11].
Los sistemas TES pueden ser clasificados según diferentes parámetros,
dos de los más comunes son:
Rango de temperatura: De acuerdo con el rango de temperatura en el que el sistema trabaja, un TES puede ser clasificado como
Almacenamiento de Energía Térmica de Baja Temperatura (LTTES por su sigla en inglés “Low Temperature TES”), si no,
Almacenamiento Térmico de Alta Temperatura (HTTES por su sigla en inglés “High Temperature TES”) [3]. En este estudio se establece
200 °C como la temperatura divisoria entre ambos.
Mecanismo de almacenamiento energético: Esta clasificación considera la reacción del medio de almacenamiento de energía del
sistema TES hacia cambios de temperatura. Si el material no sufre
un cambio de fase debido a la variación de temperatura, es llamado almacenamiento de calor sensible (SHS por su sigla en inglés
“sensible heat storage”). Es llamado almacenamiento de calor latente (LHS por su sigla en inglés “Latent Heat Storage”) cuando
el material absorbe o libera suficiente energía para reformar su estructura y llevar a cabo un cambio fase, lo cual ocurre durante un
proceso de fusión/solidificación o gasificación/condensación. Finalmente, un sistema TES es clasificado como almacenamiento de
calor termoquímico (TCS por su sigla en inglés “Thermo-Chemical heat Storage”) si el medio de almacenamiento sufre reacciones
químicas endotérmicas reversibles [4].
Otra clasificación de estos sistemas es respecto a la configuración de su sistema de almacenamiento, que será explicado a continuación.
2.2.1 Configuración de almacenamiento de energía térmica
Dado a las diferencias en los diseños conceptuales de TES, estos son clasificados según la ubicación del medio de almacenamiento en el
sistema TES y en cómo se traslada la energía hasta él. Luego, puede ser clasificado como almacenamiento activo, pasivo o híbrido [4], [12] (ver
Figura 5):
Almacenamiento activo: En este sistema, el medio de almacenamiento circula a través de un intercambiador de calor (que
48
también puede ser un receptor solar o un generador de vapor) y es
cargado o descargado energéticamente por una transferencia de calor por convección forzada. Los sistemas de almacenamiento
activo pueden ser dividido en sistemas directos e indirectos.
o Los sistemas directos utilizan el medio de almacenamiento para almacenar energía así como también para transportar la
energía térmica por el sistema TES. Cuando es utilizado como medio de transporte, se le denomina fluido de transferencia
de calor (HTF por su sigla en inglés “Heat Transfer Fluid”), y cumple la función de transportar el calor desde la fuente
energética hacia los distintos sectores del sistema, tales como el módulo de almacenamiento. Una ventaja de este sistema
es que no es necesario incluir intercambiadores de calor, obteniendo una reducción en sus costos. En plantas solares
que lo aplican, tienen la desventaja que el material de almacenamiento comúnmente utilizado se solidifica a
temperaturas bajo los 200 °C. Dado que el material es utilizado en estado líquido para transportar la energía, tienen
que invertir en un mecanismo para mantenerlo en el rango de
temperatura adecuada, lo cual incrementa los costos operacionales y de mantención.
o Los sistemas indirectos utilizan un medio para almacenar y otro para transportar la energía térmica. La mayoría de las
plantas solares de concentración de potencia registradas en [13] usan esta configuración de almacenamiento. En ellas el
HTF adquiere calor en el campo solar, luego es dirigido a un intercambiador de calor en donde transmite la energía térmica
transportada al medio de almacenamiento. En un ciclo de carga, el medio de almacenamiento (en estado líquido)
proveniente de un tanque especial para contener el medio “descargado” (denominado tanque frío), se dirige al
intercambiador de calor donde es “cargado” (es calentado) por el HTF, y finalmente se dirige al tanque de
almacenamiento (denominado tanque caliente) donde se
mantiene hasta que la energía térmica es necesitada. En un ciclo de descarga, el medio de almacenamiento realiza el
recorrido inverso. Debido a la existencia de los dos tanques, frío y caliente, este concepto de diseño es denominado
“sistema indirecto de 2 tanques”
Almacenamiento pasivo: Al contrario del activo, en el pasivo el medio de almacenamiento no circula a través del sistema, este se
mantiene en el mismo contenedor siempre. El fluido de transferencia de calor es el responsable de trasladar la energía a
49
través del sistema. En un ciclo de carga, el HTF transporta la energía
recibida desde la fuente de calor hacia el contenedor del medio de almacenamiento, y luego, en un ciclo de descarga recibe energía
desde el medio de almacenamiento para transportarla hasta el lugar
que la necesita. Este tipo de configuración usa principalmente medios de almacenamiento sólidos, tales como concreto y PCMs
Almacenamiento híbrido: Este método combina el activo y pasivo
tratando de mejorar las características de los sistemas de almacenamiento.
Figura 5: Esquema de clasificación de los diferentes sistemas
según el concepto de almacenamiento.
Fuente: Optimized Industrial Process Heat and Power Generation with Thermal Energy
Storage, Final Report; International Energy Agency Energy Conservation Through
Energy Storage Program; Rainer Tamme; July 2010.
Hoy en día, la mayoría de las plantas de CSP existentes utilizan
almacenamiento de calor sensible en sus sistemas TES. De las plantas CSP existentes y en desarrollo registradas en [13] un 61.1% de las que
están equipadas con TES utilizan el sistema indirecto de 2-tanques. Mientras que el 38,9 % restante de las plantas que cuentan con TES, no
se identifica el tipo de sistema utilizado.
Acorde a la Agencia Internacional de la Energía (IEA, por su sigla en inglés “International Energy Agency”) desde el año 2006 que en las plantas CSP
se ha construido módulos TES casi exclusivamente con sistemas de calor
sensible, lo que produce, por consecuencia, que la mayoría de las CSP existentes con módulo TES utilicen este tipo de almacenamiento. En
España, desde el año 2006 que más del 50% de las plantas cuentan con almacenamiento térmico de dos tanques de calor sensible, de 7 horas de
almacenamiento, y en el caso de Estados Unidos, el uso de esta tecnología está en crecimiento [14]. Ya en el 2013, de las plantas CSP existentes y
en desarrollo en el mundo registradas en el estudio “A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications” [13]
un 61,1% de las que están equipadas con TES utilizan el sistema indirecto
50
de 2-tanques. Mientras que el 38,9 % restante de las plantas que cuentan
con TES, no se identifica el tipo de sistema utilizado.
2.2.2 Aplicación en Plantas de Concentración Solar de Potencia
La radiación solar es la más grande fuente de energía carbono-neutral
disponible, la cual proporciona a la Tierra con más energía en una hora que la energía demandada en un año en el planeta [3]. A modo de hacer
uso de esa energía, variados sistemas se han desarrollado, los cuales pueden ser clasificados según el rango de la temperatura de trabajo en la
cual funcionan. En la Figura 6 se presenta un esquema de la clasificación de estos sistemas, así como también los distintos procesos en los cuales
pueden ser empleados.
Figura 6: Temperaturas proporcionadas por diferentes sistemas solares térmicos [15]
Fuente: Observatorio de Energía Renovable para América Latina y Caribe, Energía
Solar Térmica; Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial;
Septiembre 2013.
2.2.2.1 Sistemas solares térmicos de alta temperatura –
Tecnología CSP
Un caso emblemático de industria que utiliza TES es la de las Plantas de Concentración Solar de Potencia (CSPP, por su sigla en inglés
“Concentrated Solar Power Plants”). En ella, TES es aplicado como un mecanismo de apoyo para la generación de energía, el cual les permite
51
almacenar el exceso de energía térmica producida durante el día y luego
disponer de ella en momentos de escases de luz solar, como lo es en la noche. Gracias a ello, ha sido posible reducir el costo de producción
energética de estas plantas ya que el TES permite aumentar su factor de
planta. A continuación se describe a este tipo de plantas junto con el mecanismo de almacenamiento que utilizan.
La Tecnología CSP concentra en un área pequeña la irradiación normal
directa (DNI, por su sigla en inglés “Direct Normal Irradiance”) proveniente del sol y luego, después de una conversión termodinámica,
produce electricidad. Para ello, esta tecnología utiliza espejos para
reflejar la luz solar a un receptor donde el calor es recogido por un portador térmico de energía, HTF, que puede ser utilizado para alimentar
una turbina y generar electricidad. Hoy en día hay cuatro tecnologías CSP en el mercado [1], [16]: Colector Cilíndrico Parabólico (PTC por su sigla
en inglés “Parabolic Trough Collector”), Torre Solar (SPT por su sigla en inglés “Solar Power Tower”), Colector Lineal Fresnel (LFC por su sigla en
inglés “Linear Fresnel Collector”) y Sistemas Disco Parabólicos (PDS por su sigla en inglés “Parabolic Dish Systems”). Estos tipos de tecnologías se
muestran en la Figura 7.
Figura 7: Tipos de tecnologías CSP [17]
Fuente: Concentrating Solar Power Technology Brief; International Renewable Energy
Agency; Enero 2013.
52
De acuerdo al estudio de Renewable Energy Policy Network for the 21st Century (REN 21) [18] la capacidad global de las plantas CSP ha ido en
aumento. A finales del año 2012 se contabilizaron un total de 2,5 GW,
mientras que el año 2013 un total de 3,4 GW (un 36% mayor), siendo España y Estados Unidos los líderes del mercado. De acuerdo a estudio
de la empresa CSP Today [19], hasta el año 2013, en el mundo había 8,5 GW CSPP en proyecto o en desarrollo y 7,5 GW instalados o en
construcción. De estos, España tenía la mayoría de las instalaciones, seguido de Estados Unidos. Tian y Zhao [13] hicieron una investigación
de las centrales térmicas solares existentes, en la cual el 71,0% correspondió a la tecnología de PTC como se muestra en la Figura 8. El
rango de capacidad instalada para cada una de estas plantas varía entre 0,25 MW a 354 MW, las que en conjunto suman un total de 1.845,65 MW.
El fluido de transferencia de calor utilizado en sus sistemas incluye aceites, agua, sales fundidas y orgánicos tales como la mezcla eutéctica
entre óxido de bifenilo y difenilo. Sus temperaturas de trabajo oscilan entre 93 ° C a 700 ° C [13] y en las plantas que utilizan sistemas TES,
cerámicas y sales fundidas son los medios de almacenamiento preferidos.
Sus almacenamientos oscilan entre 0,5 h a 8 h. El gas natural ha sido utilizado ampliamente en las centrales eléctricas sin una unidad de
almacenamiento.
Los próximos proyectos en estas tecnologías son mucho más ambiciosos sobre TES como medio de respaldo. Recientemente, en enero de 2014, el
proyecto para la próxima planta termosolar más grande de América Latina se anunció en Chile. Esta planta constará de 110 MW producidos con
tecnología SPT y con un módulo de TES de 17,5 horas de sales fundida. Gracias a TES, la planta debería alcanzar un factor de planta mayor a
80%. Este proyecto será ubicado en la Región de Antofagasta de Chile, y necesitará una inversión aproximada de 1.000 MM USD [2].
53
Figura 8: Tipos de plantas de energía solar por concentración
instalados en el mundo [13]
Fuente: Elaboración propia a partir de información de “A review of solar collectors and
thermal energy storage in solar thermal applications”; Y. Tian, C.Y. Zhao; 2013.
Así como TES, las CSPP también pueden clasificarse según su rango de
temperatura. La mayoría de estas plantas utilizadas para la generación de electricidad, están dentro de la categoría de CSP de alta temperatura,
debido a que sus rangos de temperatura de trabajo son superiores a 200 °C. En la siguiente tabla se enumeran algunas de estas plantas, en las
cuales se pone en evidencia plantas en Chile a partir del año 2015.
Tabla 15: Plantas solares de concentración de potencia [20]
Nombre del
proyecto
Ubicación
Capacidad de
turbina (MW)
Tecnología
Fluido de trasferencia
Sistema de almacenamiento
Temperatura de
trabajo
Año de
inicio
Nevada Solar One (NSO)
Boulder City, Nevada. Estados Unidos.
72 PTC DOWTHERM A La capacidad de almacenamiento es de 0,5 horas.
318°C - 393°C
2007
Planta Solar 10 (PS10)
Sevilla, España.
11 SPT Agua La capacidad de almacenamiento es de 1 hora.
250°C - 300°C
2007
Solnova 1 Sevilla, España.
50 PTC Thermal oil - 393°C 2009
Archimede
Priolo Gargallo, (Sicily), Italia.
4,72 PTC Sales fundidas (60% NaNO3, 40% KNO3)
Tipo de almacenamiento directo de 2 tanques. La capacidad de almacenamiento es de 8 horas. Total de 1,580 toneladas de sales fundidas. 60% NaNO3, 40% KNO3.
290°C -550°C
2010
54
Gemasolar Thermosolar Plant (Gemasolar)
Fuentes de Andalucía, España.
19,9 SPT Sales fundidas (nitrato de sodio y de potasio)
Tipo de almacenamiento directo de 2 tanques, con una capacidad de almacenamiento de 15 horas.
290°C -565°C
2011
KVK Energy Solar Project
Askandra (Rajasthan), India
100 PTC Synthetic Oil
Tipo de almacenamiento directo de 2 tanques, con una capacidad de almacenamiento de 4 horas.
S.I. 2013
Genesis Solar Energy Project
Blythe (California), Estados Unidos
250 PTC Therminol VP-1 Sin almacenamiento
S.I. 2014
Mojave Solar Project
Harper
Dry Lake (California), Estados Unidos
250 PTC Therminol VP-1 Sin Almacenamiento
S.I. 2014
Crescent Dunes Solar Energy Project (En construcción)
Tonopah (Nevada), Estados Unidos
110 SPT Sales fundidas
Tipo de almacenamiento directo de 2 tanques, con una capacidad de almacenamiento de 10 horas.
287,7°C - 565,5 °C
2015
Kaxu Solar One (en construcción)
Pofadder (Nothern Cape), Sudáfrica
100 PTC Thermal oil
Tipo de almacenamiento directo de 2 tanques, con una capacidad de almacenamiento de 2,5 horas.
S.I. 2015
Pedro de Valdivia (En desarrollo)
Antofagasta, Chile
360 PTC Thermal Oil
Tipo de almacenamiento directo de 2 tanques, con una
capacidad de almacenamiento de 10,5 horas.
293°C- 393°C
2015
Copiapó Solar (en desarrollo)
Copiapó, Chile
260
SPT y paneles fotovoltaico
Sales fundidas
Tipo de almacenamiento directo de 2 tanques, con una capacidad de 14 horas.
280°C – 560°C
2018
Planta Solar Cerro Dominador (en construcción)
Calama, Chile
110 SPT Sales fundidas
Tipo de almacenamiento directo de 2 tanques, con una capacidad de almacenamiento de 17,5 horas.
300°C – 500°C
2018
Fuente: Elaboración propia a partir de información de National Renewable Energy
Laboratory de Estados Unidos; 2015.
En cuanto a la estructura de costos de estas plantas, puede variar en
función de la tecnología que utilicen. La Figura 9 y Figura 10 muestran
55
las distribuciones de costos de plantas SPT y PTC, respectivamente, las
que difieren en más de un aspecto tales como la cuota de TES donde el PTC (18%) es el doble del SPT (9%). A pesar de que las estructuras de
costos son diferentes, el porcentaje contribuido por TES se mantiene entre
los tres primeros. Se destaca en la Figura 10 que el sistema de fluidos de transporte de calor (sistema HTF) representa un 9% posicionándose en la
cuarta mayoría.
Figura 9: Estructura de costos de una planta SPT con 9 horas de
TES [19]
Figura 10: Estructura de costos de una planta PTC con 9 horas de
TES [19]
Fuente: CSP Benchmarking International 2013; Astrom Technical Advisors, S.L, CSP
Today; 2013.
Otro punto económico de
comparación entre plantas
es el costo de inversión por kW de la planta y el
costo nivelado de la energía (aquel precio al
cual debe ser vendida la energía para que el
proyecto comience a ser rentable, considerando su
ciclo de vida, costos y producción energética).
En la Figura 11, se identifican estos
parámetros para distintos tipos de plantas CSP, en
dónde a la vez es posible
apreciar que aquellas con mayores horas de
Figura 11: Comparación de costos de las CSP (2013)
Fuente: Reporte Semestral Antena Tecnológica
CSP; Centro Nacional para la Innovación y Fomento
de las Energías Sustentables, año 2014
56
almacenamiento térmico producen menores costos nivelados de la
energía y mayores factores de planta.
2.2.2.1.1 Sistema TES de las CSP
Las horas de funcionamiento de las CSPPs dependen del recurso solar
disponible en un lugar dado, el cual es una fuente de energía no constante por lo que sistemas de apoyo (BS, por su sigla en inglés “Backup
Systems”) son necesarios para aumentar el rango de horas productivas de estas plantas.
Las CSPP son comúnmente equipadas con BS a base de combustibles para
regular la producción de electricidad cuando no hay luz solar y garantizar una generación casi constante. Mientras que con TES, las CSPP almacenan
el excedente de calor que se obtiene del campo solar para su uso posterior, por lo que apoyan al sistema sin la necesidad de incorporar otra
fuente de energía, como en el caso de BS con combustible. Del total de la energía térmica almacenada es posible recuperar hasta 98%, lo cual
ayuda a incrementar el rango de horas productivas de la planta y, por
consecuencia, un aumento en su factor de planta. Los CSPP sin BS tienen un factor de planta en el rango de 20% - 28%, mientras que aquellas
que cuentan con TES de 6 a 7,5 horas llegan a rangos entre 40% - 50% [1]. En la ya mencionada planta CSP de 110 MW a ser construida en Chile,
se ha estimado que con 17,5 horas de TES se puede obtener un factor de planta por encima de 80% [2].
La cantidad de horas que un sistema TES puede apoyar a una CSPP, va a
depender de distintos parámetros, tales como el diseño de la planta, sus necesidades y presupuestos. A pesar que los gastos de inversión de la
planta aumentan al incluir un sistema TES, con este es posible disminuir el costo por unidad energética dado a que ayuda a incrementar el factor
de planta y obtener un mayor uso del bloque de potencia. Además, el almacenamiento aumenta la comerciabilidad de la tecnología, ya que las
generadoras de energía pueden despachar electricidad para satisfacer la
demanda incluso durante la noche [1].
2.2.2.2 Sistemas solares térmicos de baja temperatura
De igual manera que los sistemas solares térmicos de alta temperatura, los de baja utilizan la radiación solar para producir energía térmica. Estos
pueden clasificarse en categorías según el tipo de colector que utilizan para captar la energía solar [15]:
57
Captadores planos sin cubierta: Son captadores formados por
una serie de tubos de caucho, los cuales expuestos al sol absorben la radiación solar y se la transmiten al fluido que atraviesa su
interior. En general son utilizados para la climatización de piscinas
[15]. El agua de la piscina se pasa al sistema de filtración, luego el agua se envía a los captadores solares, en donde se calienta y
vuelve a ser enviada a la piscina.
Captadores planos con cubierta: Son captadores planos con cubierta a los cuales se les incluye un sistema de aislamiento con el
fin de reducir la pérdida térmica al exterior. Para ello se instala una cubierta la cual debe ser transparente en la zona sobre la que incide
la radiación solar y puede ser opaco en el resto. Sus componentes principales son la placa absolvedora o superficie de absorción, que
recoge la energía procedente del sol y se la transfiere al fluido caloportador que circula por un serpentín o batería de tubos
interiores, la cubierta transparente de vidrio o plástico que provecha el efecto invernadero y la caja en la que se integra el conjunto. Las
principales aplicaciones son producción de ACS (Agua Caliente
Sanitaria), climatización de piscinas cubiertas, calefacción, refrigeración solar y procesos industriales [22].
Captadores de tubo vacío: Similares a los captadores planos con
cubierta, esta tecnología innova en los tubos del sistema de tal manera de disminuir aún más las pérdidas de calor. Estos tubos
están constituidos por un tubo de vidrio transparente en cuyo interior se sitúa la lámina captadora, eliminando el aire para hacer
el vacío y consiguiendo, en consecuencia, que las pérdidas caloríficas sean despreciables al carecer de medio de transmisión.
Su principal característica es que se pueden instalar totalmente horizontal contando con una inclinación de la placa de al menos 25
grados, lo cual facilita la integración arquitectónica en algunas viviendas [22]. Estos tubos se clasifican en:
o Heat Pipe: el calor se transfiere al fluido caloportador
mediante un proceso de evaporación-condensación de un alcohol, calentado por el absolvedor. Sus aplicaciones
principales son procesos industriales de temperatura en torno a 100 °C , ACS, calefacción, refrigeración solar, etc [22].
o Flujo directo: el flujo caloportador se introduce en el tubo, y el intercambio de calor se lleva a cabo por conducción desde
el absolvedor al conducto por el que este circula. Sus aplicaciones más comunes son procesos industriales de
temperatura en torno a 100 ºC, ACS, calefacción, refrigeración solar, etc[22].
58
A continuación se presentan algunas investigaciones, aplicaciones y ejemplos del uso de sistemas solares térmicos de baja temperatura:
Climate Well CW10 [23], es un equipo de almacenamiento de energía que puede ser utilizada para aire acondicionado solar
térmico y/o agua caliente sanitaria (Figura 12). Esta ha sido aplicada para suministrar tanto frío como calor, a nivel industrial,
comercial y residencial, siendo una solución sustentable para disminuir el consumo de energía eléctrica. Una máquina CW10 y 30
m2 de paneles térmicos pueden suplir la demanda de refrigeración de una vivienda de 150 m2. El sistema alterna un ciclo de tres
estados sólidos, líquidos y gaseosos utilizando agua y cloruro de litio LiCl como material de almacenamiento de energía química
siendo capaz de cargar y descargar simultáneamente la energía.
Figura 12: Proceso de funcionamiento Climate Well CW10 [23]
Fuente: Climate Well CW10; Ecopotencia; Febrero de 2015.
Aníbal Luna et al. [24] estudiaron la climatización de viviendas en
México utilizando un sistema de enfriamiento por absorción de LiBr-H2O mediante energía solar y gas natural, analizando
principalmente el comportamiento horario, diario y mensual en el periodo de verano. Encontrando que se necesitan un mínimo de 287
m2 de colectores que aportarían un 90% de la energía, siendo necesario solo un 10% de gas natural lo cual lo hace un sistema
factible en lugares con abundante radiación solar.
Veera Gnaneswar Gude et al. [25] realizó un estudio de
desalinización de agua utilizando colectores solares de placa plana
59
y almacenamiento de energía térmica. Su estudio concluyó que para
producir 100 L/día de agua dulce es necesario utilizar 18m2 de colectores solares y un almacenamiento de 3 m2 para suplir las
fluctuaciones climáticas. Además se confirmó que TES tiene un rol
preponderante en la gestión de los recursos y mejorar el rendimiento del sistema.
K. Edem N’Tsoukpoe et al.[26], estudió un almacenamiento de
energía solar térmica a largo plazo basado en la absorción de agua por una solución acuosa de bromuro de litio para ser utilizado para
suministrar calor a un edificio. Señala que uno de los puntos más importantes a evaluar es el caudal en el periodo de carga
concluyendo que con un menor caudal se obtienen menores ganancias de energía solar y se genera y almacena menor cantidad
de agua. En los procesos de descarga el caudal debe ser lo más bajo posible pero suficiente para suministrar la potencia necesaria.
Hussain H. Al-Kayiem et al [27], analizó los resultados de un
colector solar con almacenamiento de energía térmica aplicando
tres casos de estudio: sin utilizar PCM, con PCM de cera de parafina de 1% de peso y por último PCM y cobre de 20 nm de diámetro.
Luego de 24 horas de operación las temperaturas alcanzadas fueron de 35,1°C, 40,1°C y 40,7°C respectivamente, lo cual demostró que
existe una importante mejora en la utilización de materiales de cambio de fase pero que la incorporación de cobre al
almacenamiento no genera grandes diferencias.
En adición a los anteriores, también es posible encontrar CSPP de bajas temperaturas utilizadas en procesos industriales, cuyos rangos de
temperatura se ubiquen bajo los 200 °C como es el caso de la industria minera. Por ejemplo, en la minera chilena, "El Tesoro", se construyó una
CSPP cilindro parabólico de 10 MWth para calentar agua hasta los 150 °C, la cual será utilizada en la extracción electrolítica del cobre.
Originalmente, la mina "El Tesoro" tenía un sistema dependiente diesel
para el proceso, que requiere grandes cantidades de combustible todos los días. Con la planta CSP, se espera sustituir más de 55% del consumo
de diesel. Para ello, la planta considera 1280 módulos de colectores solares térmicos PT-1, y cuenta con un rendimiento energético estimado
de 24.845 MWhth/año [28].
60
2.3 Materiales para TES
Los materiales para almacenar calor utilizados en TES, también son conocidos como los "medios de almacenamiento" del sistema. Así como
los mecanismos TES, sus materiales pueden ser clasificados dentro de la tres categorías de almacenamiento: SHS, LHS y TCS. Estos materiales
difieren en más de un aspecto, como en nivel de investigación, costo de los materiales y densidades energéticas tal como muestra la Tabla 16.
Tabla 16: Resumen de los materiales usados para TES
Materiales según mecanismo
Sensible Latente Termoquímico
Nivel de
investigación Alta Media Baja
Costo de materiales
Bajo Medio Alto
Densidad
energética Baja Media Alta
Fuente: Elaboración propia.
Los materiales de calor sensible son los más investigados, los más baratos
y a la vez los que otorgan menores densidades energéticas, mientras que
los materiales de calor termoquímico son los menos investigados y los más costosos, pero a la vez los que producen mayores densidades
energéticas. A continuación, estos materiales serán descritos en mayor detalle.
2.3.1 Materiales de calor sensible
Los materiales para el almacenamiento de calor sensible son los más
estudiados, son los que tienen menores costos, pero al mismo tiempo son los que producen menores densidades energéticas en comparación a
materiales de calor latente y termoquímico. El rango de precios de los materiales comúnmente usados para almacenamiento en estado sólido
varían entre 0,05 USD / kg y 5 USD/ kg, los cuales son más económicos que los precios de los materiales de calor latente, que por lo general varían entre 4,28 USD / kg a 334,00 USD / kg [29]. Los materiales de
calor sensible tienen excelentes conductividades térmicas: 1,0 W/(m·K) a
7,0 W/(m·K) para minerales como la arena-roca, el hormigón y los ladrillos refractarios, mientras que para los materiales de ferroaleaciones
varían entre 37,0 W/(m·K) – 40,0 W/(m·K) [4]. Su mayor desventaja va relacionada con su calor especifico el cual varía desde 0,56 kJ / (kg·°C)
61
hasta 1,3 kJ/(kg·°C), y produce que la unidad de almacenamiento sea
más grande que en calor latente[13].
A variaciones de 1 °C en la temperatura de un material SHS, la energía
almacenada puede ser hasta 2 órdenes de magnitud menor en comparación a la energía almacenada por el mismo material después de
un proceso de cambio de fase, como se puede apreciar para algunos materiales en la Tabla 17. En la tabla se muestra para 3 materiales las
densidades energéticas obtenidas a partir de mecanismos de calor sensible (en su estado líquido) y cambio de fase (cuando cambian de
sólido a líquido), de las cuales es posible apreciar que en los 3 casos difieren en 2 órdenes de magnitud.
Tabla 17: Densidades energéticas de materiales SHS y LHS
SHS LHS (fusión)
Material
Calor
específic
o
(kJ/kg·°
C)
Densidad de
energía
(kJ/m3·°C)
Temperat
ura de
fusión
(°C)
Calor
latente
(kJ/kg)
Densidad
energética
(kJ/m3)
Agua (líquido)
[30] 4,2 4.200 0 335 307.195
60% NaNO3 - 40% KNO3 [31]
1,5 3.144 223 105 230.160
Parafina [30] 1,92 1.593,6 32 251 208.330
Fuente: Elaboración propia a partir de “A review of materials, heat transfer and phase
change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems
(LHTESS)”, 2010; “Thermo-mechanical analysis of ceramic encapsulated phase-
change-material (PCM) particles”, 2011.
2.3.1.1 Sal solar
De las CSPP que han incorporado los mecanismos de SHS, el medio de almacenamiento energético comúnmente utilizado es la sal eutéctica
compuesta por 60% NaNO3 y 40% KNO3, también conocida como "Sal Solar" (o Solar Salt por su nombre en inglés). Esta sal compuesta se
utiliza en fase líquida, a una temperatura por encima de su temperatura de fusión: 223 °C (más propiedades de esta sal se muestran en la Figura
13). Se produce un gran problema cuando la sal se solidifica en el sistema
de TES, ya que bloquea las tuberías del sistema y por ende el flujo de la energía se verá obstaculizado. Entonces, para evitar la solidificación, el
diseño del TES debe incluir tecnología específica para mantener a la sal en el rango adecuado de temperatura y no correr el riesgo que se
solidifique.
62
Figura 13: Propiedades de la sal eutéctica compuesta por 60%
NaNO3 y 40% KNO3 [31]
Fuente: Thermo-mechanical analysis of ceramic encapsulated phase-change-material
(PCM) particles; F. Pitié, et al; 2011.
Las ventajas del uso de esta sal en las CSPP son [32]: Baja tasa de corrosión con los materiales de las tuberías. En estas
sales, las impurezas que estén presentes en sus mezclas son las responsables de producir corrosión dentro del sistema TES, por lo
que a mayores purezas se disminuye este riesgo. Cabe destacar que, cuando estos materiales se encontraban en etapa de
investigación, en laboratorios se realizaban pruebas con sales de alta pureza por lo que no se evidenció con claridad el efecto de
corrosión. Luego, al construir sistemas de almacenamiento de mayor escala, se utilizaron sales comerciales las que no cumplían
con el mismo grado de pureza que las de laboratorios, por lo que se evidenció el efecto de las impurezas en el sistema, tales como
corrosión o emisión de gases a altas temperaturas. Impurezas tales
como Cl, Mg, Fe, humedad y otras, pueden afectar de manera negativa el ciclo de vida, la seguridad del sistema y los costes de
O&M por cambios obligados de componentes. Su estabilidad térmica en el rango de temperatura superior
requerida para ciclos de vapor Rankine. Bajas presiones de vapor
Son de fácil acceso y relativamente económicas.
En el mundo existen dos principales distribuidores: la empresa chilena "Sociedad Química y Minera de Chile" (también conocido como SQM o
SOQUIMICH) y la compañía química más grande de Alemania, “BASF”.
63
Una estimación del precio de estas sales puede ser obtenida a partir del precio de sus nitratos en relación con su proporción de masa: 60% de
nitrato de sodio y 40% de nitrato de potasio. Para llevar a cabo dicho
cálculo se utiliza los precios de exportación del país con mayor participación, entre 45% - 50% del total global [33], en el mercado de
estas sales: Chile. En la Figura 14 se ilustran los precios FOB de exportación de la mezcla de las sales durante los últimos 20 años, los
cuales son obtenidos a partir de información proporcionada por la "Comisión Chilena del Cobre" (Comisión Chilena del Cobre ", COCHILCO")
del Ministerio de Minas de Chile. Se identifica en la figura que hay un aumento en el precio en los últimos años, y el cual se ha mantenido en
torno a los 0,7 M USD/tonelada métrica en los últimos 4 años.
Con el fin de comparar los precios chilenos, se calculó un precio promedio a partir de precios informados por proveedores internacionales. Para ello,
primero se calculó precio promedio de nitrato de sodio y posteriormente el de nitrato de potasio, cuyos valores son 526 USD/ton y 1003,125 USD/ton respectivamente (ver Tabla 18 y Tabla 19).
Figura 14: Precio de la mezcla de 60% nitrato de sodio y 40% nitrato de potasio a partir de precios de exportación chilenos
[34]
Fuente: Elaboración propia con información de la Comisión Chilena del Cobre;
Noviembre 2014.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Pri
ce (M
US
D F
OB
/ M
etr
ic t
on
)
Year
Mixture of 60%NaNO3 + 40%KNO3
64
Tabla 18: Precios del nitrato de sodio, correspondientes al
segundo semestre del año 2014
Compañía Pureza de las sales
Nitrato de Sodio[USD/ton]
Promedio [USD/ton]
Qingao Yuanrun Chemical Co.9 99,0% 560 590 575
Shangai Homore Industrial Co.10 98,5% 400 452 426
Shandong Hailan Chemical Industry Co.11 99,5% 500 530 515
Shouguang Yujing Business & Trade Co.12 99,5% 490 520 505
F-Aluminium Import And Export Trade13 Co.
- 620 640 630
Xiangyang Zedong Chemical Group Co.14 99,3% 490 520 505
Precio Promedio 526
Fuente: Elaboración propia a partir de precios y purezas publicados por cada compañía
en el link especificado en cada nota al pie.
Tabla 19: Precios del nitrato de potasio, correspondientes al segundo semestre del año 2014
Compañía Pureza Nitrato de Potasio
[USD/ton] Media
[USD/ton]
Shanxi Tianxi Trade Co.15 99,8% 1040 1080 1060
Weifang Yuanhua Chemical Industry Co.16 99,4% 1000 1000 1000
Qingdao Yuanrun Chemical Co.17 99,8% 820 840 830
Zouping Runzi Chemical Industry Co.18 99,4% 1095 1150 1122,5
Precio Promedio 1003,125
Fuente: Elaboración propia a partir de precios y purezas publicados por cada compañía
en el link especificado en cada nota al pie.
9 Datos obtenidos durante el segundo semestre de 2014 en la página http://yuanrunchem.en.alibaba.com/. 10 Datos obtenidos durante el segundo semestre de 2014 en la página
http://company.pakuya.com/sellco/shicl26.html 11 Datos obtenidos durante el segundo semestre de 2014 en la página
http://sdhlchem.en.alibaba.com/featureproductlist.html
12 Datos obtenidos durante el segundo semestre de 2014 en la página
http://www.trade.gov.cn/company/9298.html 13 Datos obtenidos durante el segundo semestre de 2014 en la página http://www.mbendi.com/company/f-
aluminum-import-and-export-trade-co-ltd-1470211 14 Datos obtenidos durante el segundo semestre de 2014 en la página
http://zdchemical.en.alibaba.com/product/838684725-212793323/industry_sodium_nitrate.html 15 Datos obtenidos durante el segundo semestre de 2014 en la página
http://sxtianxi.en.alibaba.com/product/928164882-212181348/nitrate_potassium.html 16 Datos obtenidos durante el segundo semestre de 2014 en la página
http://yuanhuahuaxue.company.weiku.com/item/Potassium-nitrate-producer-14872733.html 17 Datos obtenidos durante el segundo semestre de 2014 en la página http://yuanrunchem.en.alibaba.com/ 18 Datos obtenidos durante el segundo semestre de 2014 en la página
http://www.runzichem.cn/productgrouplist-215734482/Potassium_Nitrate.html
65
Finalmente, con una contribución del 40% de nitrato de potasio y 60% de
nitrato de sodio, el precio de la mezcla de sal obtenida fue de 716,85 USD/ton, que se mantiene en el rango de los 700 USD/ton registrado en
Chile. Teniendo en cuenta los precios más altos y más bajos de la Tabla 18 y Tabla 19 se podría obtener un rango de 587,6 a 802 USD/Ton para
la mezcla. Es importante notar que la pureza de estas sales está en el intervalo de 98 a 99%, por lo tanto, con ellas habría una baja probabilidad
de corrosión en un sistema TES.
2.3.2 Materiales de calor termoquímico
Los Materiales de almacenamiento de calor termoquímico tienen la mayor capacidad de almacenamiento, produciendo densidades de energía
en el orden de GJ/m3 las que superan a las de materiales de calor latente
que están en el orden de MJ/m3 [13]. Debido a sus altas densidades de energía, el uso de estos materiales es especialmente beneficioso en
lugares donde el espacio es limitado. En la Tabla 20 se registran las densidades energéticas de algunos materiales de TCS, las cuáles son al
menos un orden de magnitud mayores que los registrados en la Tabla 17. Sin embargo, el almacenamiento de calor termoquímico no ha sido
ampliamente investigado y tiene tres principales desventajas: baja durabilidad a largo plazo, débil estabilidad química y requiere complicados
reactores para reacciones químicas específicas [13].
Tabla 20: Reacciones que han sido investigadas para ser usadas para TCS y sus densidades energéticas [4]
Fuente: State of the art on high temperature thermal energy storage for power
generation. Part 1-Concepts, materials and modellization; Antoni Gil, et al; 2010
Dentro de TCS, la energía térmica puede ser almacenada el proceso de absorción o de reacciones químicas. Estos dos se describen por Abedin y
Rosen como sigue [35]:
Los procesos de sorción implican procesos químicos que se pueden clasificar en adsorción o absorción:
66
o La adsorción se produce cuando átomos, iones o moléculas
son acumuladas en la superficie de un material adsorbente y da forma a una capa molecular o atómica. La adsorción puede
ser en un líquido o en un gas, mientras que el adsorbente
puede ser un sólido o líquido. o La absorción se produce cuando una sustancia se distribuye
en un líquido o sólido y forma una solución.
Las reacciones químicas almacenan energía después de una reacción de disociación y luego se recuperan por una reacción
química inversa. Este mecanismo de almacenamiento es particularmente apropiado para aplicaciones de almacenamiento a
largo plazo, tales como el almacenamiento estacional de calor solar, dado que el proceso casi no experimenta pérdidas de energía
durante el periodo de almacenamiento el cual se realiza generalmente a temperatura ambiente.
Las reacciones y materiales más estudiado y relevantes para TCS y CSP
son las de óxido de metal/metal (SnOx/Sn) y el amoníaco. Según Foster,
[36] la reacción de óxido de metal/metal son posibles y técnicamente factible según la siguiente reacción:
SnO2 + 2CH4 + calor Sn + 2CO +
4H2 (1)
Sn + 2 H2O SnO2 + 2H2 + calor (2)
Los CSP pueden utilizar estas reacciones con el fin de producir y
almacenar energía. Para ello, con la energía solar se incrementa la
temperatura del reactor. Cuando se alcanza los 980 K, la reacción (1) lleva a cabo la reducción de SnO2 con CH4 y la producción de Sn (líquido)
que se almacena en un tanque (ciclo de carga). Con el fin de utilizar la energía almacenada, el Sn caliente se conduce a través de un
intercambiador de calor. Entonces, ya enfriado el Sn va a un tanque donde se añade H2O (vapor), y la reacción (2) se lleva a cabo recuperando el
SnO2 [4]. A pesar de este mecanismo se considera técnicamente factible, no está totalmente desarrollado y la investigación sigue siendo necesaria
[36].
La reacción usando amoníaco, implica una reacción química endotérmica para disociar amoníaco en estado líquido (NH3) con el fin de almacenar
energía. Como se ilustra en la reacción (3), el amoníaco absorbe el calor producido con energía solar por la CSP (almacenando energía térmica).
Más tarde, durante un ciclo de descarga, la reacción (4) tiene lugar donde
el nitrógeno (N2) y el hidrógeno (H2) reaccionan produciendo el amoniaco
67
y la liberación de calor [4]. Un esquema simplificado de este se presenta
en la Figura 15.
2NH3 + calor N2 + 3H2 (3)
N2 + 3H2 2NH3 + calor (4)
Figura 15: Esquema simplificado del proceso de almacenamiento de energía con amoníaco [37]
Fuente: Developing ammonia based thermochemical energy storage for dish power
plants; Lovegrove K, et al; 2004
El “Solar Thermal Group” (Grupo Solar Térmico) de la “Australian National University” (Universidad Nacional Australiana, ANU), ha investigado por
más de 20 años la disociación de amoníaco utilizando CSP.
68
Como parte de su investigación,
desarrollaron un piloto a escala de un sistema cerrado de almacenamiento
termoquímico a base de amoníaco y
con energía solar (una imagen del modelo es mostrada en la Figura 16).
El sistema utilizaba un receptor de cavidad que contiene 20 tubos de
reactor llenados con un material catalizador en base a hierro. Por
medio de un colector solar de disco de 20 m2 concentra la radiación
solar, la cual es recibida por un reactor solar de disociación de
amoníaco de 15 kWsol, Este reactor ha sido operado a presiones de hasta
20 MPa y a temperaturas de hasta 750 °C en la superficie de los tubos,
bajo condiciones de radiación solar
uniforme e intermitente [37]. Con esta investigación se concluyó que los reactores/receptores de la disociación de amoníaco son adecuados para
la operación de la síntesis de amoníaco con energía solar. Los reactores de recuperación de calor son capaces de un funcionamiento estable y
predecible con recuperación de calor a temperaturas adecuadas para la producción de vapor sobrecalentado de alta calidad. Además, para
sistemas de amoníaco con presiones de hasta 30 MPa, el almacenamiento y manipulación del reactivo puede ser logrado usando componentes y
técnicas de fabricación estándares [37].
2.3.3 Materiales de calor latente
Los materiales para almacenamiento de calor latente, también llamados materiales de cambio de fase (PCM, por su sigla en inglés “Phase Change
Materials”), tienen alta capacidad de almacenamiento energético el cual
produce unidades más pequeñas para el almacenamiento de energía en comparación con SHS. También, el proceso de LHS es estable a diferencia
de los materiales TCS y tienen una baja variación de temperatura durante los ciclos de carga y descarga [38]. La principal desventaja de los PCM es
el bajo rango de conductividad térmica el cuál varía entre 0,2 W/(m·K) – 0,6 W/(m·K) [39], siendo estos menores a los de los materiales de SHS.
Por lo tanto, aumentando la conductividad térmica en los sistemas LHS se mejoría los procesos de carga y descarga de la energía almacena [3]
en sistemas TES.
Figura 16: Reactor de 15 kWsol de disociación de
amoníaco en operación [37]
Fuente: Developing ammonia based
thermochemical energy storage for
dish power plants; Lovegrove K, et
al;2004
69
2.3.3.1 Clasificación de PCMs
Los PCM son generalmente clasificados dependiendo de su temperatura
de fusión y composición de materiales. La temperatura de fusión puede
dividirse en dos grupos principales: temperatura baja (<200ºC) y temperatura alta (>200ºC). Las categorías para la composición de
materiales son principalmente tres (ver Figura 17) denominados compuestos orgánicos, inorgánicos y eutécticos [6]:
Los materiales orgánicos pueden congelarse y derretirse
repetidamente sin segregaciones de fase y son usualmente no-corrosivos. Pueden ser divididos en dos subgrupos llamados
“compuestos de parafina” y “compuestos sin parafina”. o Los compuestos de parafina son formados por
hidrocarburos saturados clasificados en la fórmula general CnH2n+2. EL compuesto de parafina más usado es cera de
parafina, la cual es una combinación de diferentes hidrocarburos obtenidos de la destilación del petróleo. Es
utilizada en los sistemas TES de baja temperatura, donde es
conocida como una alternativa segura, fiable, predecible, menos costosa y no corrosiva. Sin embargo, la cera de
parafina tiene propiedades indeseables, como una baja conductividad térmica y moderada inflamabilidad.
o El grupo de compuestos sin parafina está constituido por diferentes ésteres, ácidos grasos, alcoholes y glicoles. Son
materiales inflamables y difieren en sus propiedades, las que se pueden encontrar en la literatura. Algunas de las
características de este grupo son su alto calor de fusión, baja conductividad térmica y la inestabilidad a altas temperaturas.
Los materiales inorgánicos también están divididos en dos
grupos llamados “sales hidratas” y “metálicos”. o Las sales hidratadas son aleaciones de sales inorgánicas y
agua, formando un sólido cristalino típico de formula general
AB nH2O. En el punto de fusión los cristales hidratados se separan en sal anhidra y agua, o en un hidrato inferior y agua.
Este tipo de material es usado como PCM debido a su alto calor latente de fusión por unidad de volumen, una
conductividad térmica relativamente alta (casi el doble de la conductividad térmica de la parafina) y pequeñas variaciones
de volumen dada la fusión. El mayor problema de las sales hidratadas es que la mayoría de ellas tienen una fusión
incongruente, lo que significa que la sal no es totalmente soluble en agua de hidratación en el punto de fusión. El
70
resultado es una fusión-congelación irreversible y una
reducción de sal hidratada disponible en cada ciclo de carga-descarga.
o El grupo de metálicos incluyen metales de baja fusión y
metales eutécticos. A pesar que ellos aún no han sido seriamente considerados como PCM debido a sanciones por
peso, son utilizados cuando hay restricciones de volumen ya que cuentan con altos valores de calor latente por unidad de
volumen. Otras características de estos materiales son su alta conductividad térmica y presión de vapor relativamente baja.
Los eutécticos son un compuesto con mínimo punto de fusión
entre dos o más componentes, que se funden y se congelan congruentemente formando una mezcla de cristales del
componente durante la cristalización. Debido a la cristalización, los materiales tienen pocas posibilidades de separación. Dependiendo
de la naturaleza de la composición del material, estos se pueden dividir en: orgánico-orgánico, inorgánico-inorgánico y orgánico-
inorgánico. En las CSPP, el medio de almacenamiento de calor más
utilizado es la sal eutéctica conocida como "sal solar". Esta es una combinación de 60% de nitrato de sodio y nitrato de potasio 40%.
Figura 17: Clasificación de PCMs considerando la composición del
material [6]
Fuente: Review on thermal energy storage with phase change materials and
application, Renewable and Sustainable En Rev, A.Sharma, V.V. Tyagi et al.; 2009.
Los PCM de baja temperatura (orgánicos, inorgánicos o eutécticos) se
utilizan principalmente en los sistemas de recuperación de calor residual y edificios, mientras que los PCM de alta temperatura (inorgánicos o
71
eutécticos) se pueden utilizar en plantas de energía solar y otras
aplicaciones de alta temperatura [40].
2.3.3.2 Criterio de selección de PCMs
Cuando se desarrolla un sistema TES la selección de un PCM es una tarea
importante, ya que el PCM seleccionado debe encajar con los requisitos del sistema. Zalba et al en [39], Abhat en [41] y Jegadheeswaran et al.
en [42] mencionan los principales criterios que gobiernan la selección de PCM, los cuales se pueden clasificar en propiedades térmicas, físicas,
químicas y económicas:
Propiedades térmicas: o Un punto de fusión en el rango de temperatura de trabajo
deseada (intervalo de temperatura funcionamiento de la aplicación).
o Un alto calor latente por unidad de masa, de tal forma que menos material almacene una misma cantidad de energía.
o Un alto calor específico para proveer adicionalmente efectos
significativos por almacenamiento de calor sensible. o Una alta conductividad térmica, de modo de tener pequeños
gradientes de temperatura durante los ciclos de cargar y descargar del material de almacenamiento.
Propiedades físicas:
o Baja variación volumétrica durante los cambios de fase del material, de tal forma que sea posible utilizar un contenedor del
material e intercambiadores de calor sencillos. o Alta densidad.
o Mostrar poco o ningún sub-enfriamiento durante la congelación. o Baja presión de vapor a fin de evitar tensiones y problemas con
el contenedor y los intercambiadores de calor necesarios.
Propiedades químicas:
o Deben tener estabilidad química, no descomponerse químicamente y resistencia a la corrosión de los materiales de
construcción del sistema TES donde serían utilizados. o No experimentar separación en fases.
o No deben contener compuestos/elementos tóxicos, inflamables y explosivos.
Propiedades económicas:
o Disponible en grandes cantidades y a bajo costo.
72
En la medida de nuestro conocimiento, no hay ningún módulo HTTES
comercial para almacenar PCM, sólo se han construido y analizado módulos experimentales. Según un estudio reciente realizado por la
Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA, por su sigla en
inglés “International Renewable Energy Agency”) [43], el estado del mercado de módulos de HTTES está en 0%. Toda la inversión en esta
área se ha centrado en la investigación y el desarrollo. Un módulo de prueba PCM registrado en literatura es aquel desarrollado dentro del
contexto del proyecto DISTOR.
El Instituto de Termodinámica Técnica del Centro Aeroespacial Alemán (DLR, por su sigla en alemán) ha desarrollado el proyecto DISTOR19, el
cual se enfoca en el desarrollo de sistemas de almacenamiento térmico utilizando PCMs en el rango de temperatura de 230 °C a 330 °C, para
sistemas que utilizan vapor entre 30-100 bar. En este contexto, este proyecto ha desarrollado innovadores PCMs y conceptos de transferencia
de calor para superar sus desventajas.
Como resultado de su investigación, se concluyó que un diseño de tubos
con aletas es el concepto más prometedor y técnicamente viable [12], [44] para almacenar PCM a altas temperaturas. Luego, se decidió
construir un módulo de prueba basado en dicho diseño. Este era un módulo de prueba para PCMs de 200 kW que considera la sal eutéctica
compuesta por NaNO3 y KNO3 como PCM (Figura 18). El costo estimado de inversión del módulo PCM fue de 45 €/kWhth [45].
Figura 18: Módulo de prueba para PCM con diseño de tubos con
aletas [12]
19 Su nombre en inglés es “Energy Storage for Direct Steam Solar Power Plants “ (Almacenamiento de Energía
para Plantas Solares por medio de Generación Directa de Vapor)
73
Fuente: Optimized Industrial Process Heat and Power Generation with Thermal Energy
Storage, Final Report; International Energy Agency Energy Conservation Through
Energy Storage Programme; Rainer Tamme; Julio 2010.
2.3.4 Litio: Nuevo material con potencial para TES
Con el fin de mejorar los sistemas de TES, diferentes campos de investigación han sido desarrollados, tales como la búsqueda de nuevos
materiales para ser utilizados como medios de almacenamientos o mejoras en el diseño, entre otros. Hoy en día, un material que ha sido
identificado con potencial de ser utilizado para TES es el Litio, el cual ha
sido probado para diferentes mecanismos:
Litio para SHS: El litio ha sido usado para mejorar las propiedades de las sales fundidas que se utilizan en las CSPP añadiéndolo a su
composición. En la Figura 19 se muestran nuevas composiciones del litio en comparación con la sal compuesta por 34% KNO3 y 66%
NaNO3% (en peso). De la figura se observa que las sales tienen capacidades caloríficas casi similares, a excepción de uno, por lo
que tienen densidades energéticas similares. Los beneficios de la adición del litio a las sales solares se aprecian en la temperatura de
fusión de la composición, la cual es reducida. El rango de temperatura de trabajo se extiende y también la estabilidad térmica
[46]. Debido a las bajas temperaturas, se espera que los costos operativos y los de mantenimiento de las CSPPs se reduzcan, por lo
tanto, ahorros deberían ser obtenidos [46]. En términos de costos,
el Departamento de Energía de Estados Unidos realizó una comparación entre las sales utilizadas para las CSPP, incluyendo la
sal solar (40% KNO3 y el 60% NaNO3), y el costo de almacenamiento de energía con cada uno de ellos en un sistema de
dos tanques [47]. Los resultados se muestran en la Tabla 21, donde se observa que a pesar del alto precio de las sales con nitrato de
litio, estas produjeron menores costos por kWth almacenado lo que se puede atribuir a: sus mayores densidades de energía y el ahorro
en la tecnología para mantener las sales fundidas dado el menor punto de fusión.
74
Figura 19: Comparación entre capacidad calorífica y temperatura
de fusión de compuestos que contienen litio y son utilizados en CSPP [46]
Fuente: Lithium in thermal energy storage: A state-of-the-art review; Luisa F.
Cabeza, et al.;2015.
Tabla 21: Costos de sales candidatas para ser utilizadas en las CSPP [47]
Fuente: Solar Energy Technologies Program; U.S. Department of Energy; 2010.
Litio para LHS: Se ha descubierto que los PCMs que incluyen litio tienen potencial para ser utilizados en aplicaciones de edificios y
TES de altas temperaturas. Hay diferentes compuestos de litio para ser utilizados en aplicaciones de edificios los cuáles son comparados
por los bien conocidos octadecano y sal de Glauber en la Figura 20. Se puede observar en la figura que las temperaturas de fusión de
los compuestos de litio son alrededor de 10 °C, 30-35 °C y 70-80 °C las cuales son útiles para sistemas de refrigeración, comparables
75
con la sal de Glauber y útiles para agua caliente sanitaria,
respectivamente [46]. En cuanto a su calor de fusión, los compuestos de litio con 100 kJ/kg son considerados los más bajos
para ser comercialmente viables y aquel con 300 kJ/kg es
considerado un valor muy alto para una sal [46]. Los compuestos con litio para HTTES son comparados con la sal solar en la Figura
21. Se puede apreciar que los compuestos con litio tienen mayor calor de fusión las que producen mayores densidades de energía
para un sistema.
Figura 20: Compuestos de litio utilizadas en aplicaciones de edificios [46]
Fuente: Lithium in thermal energy storage: A state-of-the-art review; Luisa F.
Cabeza, et al.; 2015.
Figura 21: Compuestos con litio comparados con la bien conocida sal solar y utilizados en aplicaciones solares de refrigeración
[46]
Fuente: Lithium in thermal energy storage: A state-of-the-art review; Luisa F.
Cabeza, et al.; 2015.
76
Litio para TCS: Los compuestos con litio para TCS, han sido
estudiados principalmente para ser utilizados en bombas de calor químico. Una aplicación en dónde se ocupa esta tecnología es en
sistemas de climatización solar para viviendas. En ellos, se utilizan
derivados higroscópicos del litio, tales como el bromuro de litio-agua (LiBr-H2O), los que son sometidos a un proceso termoquímico
de absorción (el derivado de litio actúa como un absorbente de agua, y esta última actúa como refrigerante) [24]. La radiación
solar, es utilizada para proveer de energía al sistema, la que calienta un HTF que transporta la energía térmica hacía el
contenedor en donde se encuentra el derivado de litio. En la Figura 22, se muestra un esquema de estos sistemas. Luego, en la Tabla
22 se presenta una lista de otros compuestos de litio utilizadas en las bombas de calor químico.
Figura 22: Sistema de enfriamiento solar con bromuro de litio-
agua [24]
Fuente: Aire Acondicionado Solar, para Conjunto de Viviendas en Mexicali, México;
Aníbal Luna, et al.; 2008.
Tabla 22: Compuestos con litio que han sido estudiados para TCS
[46]
Fuente: Lithium in thermal energy storage: A state-of-the-art review; Luisa F.
Cabeza, et al.; 2015.
En la tabla a continuación se resumen las aplicaciones en donde se ha
estudiado el uso del litio, según el mecanismo de almacenamiento de energía, y los beneficios obtenidos establecidos en la literatura.
77
Tabla 23: Principales aplicaciones del litio en sistemas de
almacenamiento térmico Tipo de
mecanismo Principales
aplicaciones Beneficios
Sensible
Se añade a los
compuestos de sales
para ser utilizados en
TES de altas
temperaturas, y así
mejorar propiedades.
Se reduce el punto de fusión de las sales,
y por consecuencia se obtienen mayores
rangos de temperatura en la cual las sales
pueden ser utilizadas.
Se extiende la estabilidad térmica del
material de almacenamiento.
Se espera que la disminución del punto de
fusión de los materiales permita reducir
costos operativos y de mantención de los
sistemas TES.
Latente
Aplicaciones en
edificios
(climatización o agua
caliente sanitaria) y
TES de altas
temperaturas.
Se pueden obtener mayores densidades
energéticas y menores puntos de fusión
versus materiales usualmente utilizados.
Termoquímico
Bombas de calor
termoquímico,
utilizadas, por
ejemplo, en sistemas
de climatización
solar.
Fuente: Elaboración propia con información disponible en Lithium in thermal energy
storage: A state-of-the-art review; Luisa F. Cabeza, et al.; 2015
2.3.4.1 Mercado del Litio
Como se ha descubierto el potencial del litio para su uso en TES, futuros campos de negocios pueden ser desarrollados para este material, por lo
que es interesante identificar su mercado. En primer lugar, es importante analizar la disponibilidad del metal. De acuerdo con un estudio realizado
por la "Comisión Chilena del Cobre" (también conocida como COCHILCO), se estima que hay 36,72 millones de toneladas de reservas de litio en el
mundo, de las cuales Bolivia, Chile, Argentina y China son los países con mayores reservas, con 8,9, 8,04, 7,09 y 5,15 millones de toneladas
respectivamente [48]. La contribución porcentual de estos y otros países es presentada en la Figura 23.
78
Figura 23: Distribución mundial de las reservas de litio [48]
Fuente: Mercado Internacional del Litio; Comisión Chilena del Cobre; Diciembre 2013.
Hoy en día, el salar más importante del mundo que produce litio es el
"Salar de Atacama", situado en el desierto de Atacama en Chile, con una superficie de 3.000 km2 [48]. Históricamente, Chile ha sido el principal
productor mundial de litio, pero en los últimos años Australia ha sido capaz de producir cantidades similares llegando a ser el principal producto
entre los años 2009 y 2012 [48]. La producción mundial en 2012 se estimó en 178,420 toneladas de carbonato de litio equivalente (LCE) [48],
en la cual Chile y Australia producen alrededor del 30 - 40% [49], como
se puede ver en la siguiente figura.
Figura 24: Producción mundial de litio [48]
Fuente: Mercado Internacional del Litio; Comisión Chilena del Cobre; Diciembre 2013.
79
En la actualidad, el litio se utiliza en muchas aplicaciones las que se
pueden dividir en dos principales grupos [49]:
Aplicaciones químicas: Estas se refieren a las aplicaciones que
utilizan derivados químicos del litio, tales como el carbonato de litio, bromuro de litio, cloruro de litio, butil-litio e hidróxido de litio. La
mayor parte de estos derivados se utilizan en la industria de las baterías (no recargables o primaria, y recargables o secundarias),
la que incluye baterías para teléfonos celulares, computadoras portátiles, vehículos eléctricos, entre otros. Además, los productos
químicos del litio se utilizan como lubricantes, en fundición de aluminio, tratamiento de aire o los productos farmacéuticos [49].
Aplicaciones técnicas: Estas se refieren a aplicaciones donde los
productos de litio son utilizados directamente, como en la producción de vidrio o cerámica. Los vidrios que contiene litio
pueden ser diseñados para tener una mayor durabilidad, resistencia a la corrosión, o para su uso en altas temperaturas donde la
resistencia al choque térmico es importante. En cerámicas, el litio
reduce las temperaturas de cocción y la expansión térmica; también aumenta la resistencia de los cuerpos cerámicos. Cuando este metal
se añade en esmaltes, se mejora la viscosidad para el recubrimiento, así como la mejora del color del esmalte, le otorga
resistencia y brillo [49].
De las aplicaciones mencionadas, la que tiene mayor participación en el mercado del litio es la industria de las baterías, como se puede apreciar
en la Figura 25. Luego, esta industria es la principal consumidora de este metal y, en un futuro, la principal competencia de las aplicaciones TES
que utilicen litio para el almacenamiento de energía en el futuro.
80
Figura 25: Aplicaciones del litio (2013) [48]
Fuente: Mercado Internacional del Litio; Comisión Chilena del Cobre; Diciembre 2013.
2.3.4.2 Cadena de producción del litio
La cadena de producción de los diferentes derivados del litio, tiene dos fuentes (i) Minerales de litio en rocas pegmaticas y (ii) Sales disueltas en
salmueras de salares [48]. En el primer caso se explota la roca y mediante los diferentes procesos de chancado, molienda y flotación diferencial se
logra obtener espodumeno o la petalita los cuales son concentrados del mineral que contiene el litio, a partir de este concentrado son elaborados
el carbonato y el hidróxido de litio. En el segundo caso se extraen
soluciones de cloruro de litio desde los salares produciendo posteriormente carbonato de litio e hidróxido de litio [48], en la Figura 26
se presenta el proceso productivo de la empresa SQM en el salar de Atacama en el norte de Chile, el cual se inicia con la extracción de la
salmuera, la cual se utiliza para la producción de directa de cloruro de potasio y carbonato de litio, este último además se utiliza para la
producción de hidróxido de litio en la planta ubicada en el Salar del Carmen [50].
81
Figura 26: Proceso productivo de los derivados del litio [50]
Fuente: Proceso productivo, Sociedad Química y Minera de Chile
Más información sobre procesos productivos del Li se puede revisar en el
Anexo II.
2.4 Mecanismos para mejorar los materiales TES
Los sistemas TES han probado ser una tecnología útil para varias aplicaciones, por lo que científicos han estado investigando nuevos
mecanismos para mejorar sus materiales. En los últimos años, los PCMs han acaparado la atención de los estudios ya que son considerados una
mejor alternativa para la ingeniería [51] dado a que producen mayores densidades energéticas, y requieren menores volúmenes de material en
comparación a los materiales de SHS, además son más baratos y estables que los materiales de TCS [42]. Una de las desventajas de los PCMs son
sus bajas conductividades térmicas, razón por la cual necesitan mayores tiempos para almacenar una cierta cantidad de energía en comparación a
los materiales de SHS. Esta situación, ha enfocado a investigadores a probar diferentes mecanismos y materiales con el fin de superar las
desventajas de los materiales de cambio de fase. En la Tabla 24 se
presenta un resumen de distintos mecanismos encontrados en la literatura, de los cuales se pueden obtener distintos beneficios los que se
resumen en:
Aumentar la conductividad térmica de los materiales de almacenamiento térmico, lo cual ayuda a disminuir los tiempos
necesarios para almacenar la energía térmica. Incrementar las eficiencias de los sistemas.
82
Prevención de fugas de material.
Incrementar las densidades energéticas.
Como ya se mencionó en el capítulo 2.3.4 Litio: Nuevo material con
potencial para TES, el litio también ha sido estudiado para mejorar los materiales de almacenamiento térmico, principalmente produciendo
nuevos compuestos. De estos estos estudios se identifican los siguientes beneficios obtenidos gracias al uso de derivados del litio:
Menores puntos de fusión.
Mayores densidades energéticas
Cabe destacar que, los mecanismos que involucran la creación de nuevos compuestos, como es el caso del litio, pueden llegar a ser
complementados con aquellos que involucran añadir nuevas estructuras al sistema, como esponjas metálicas. No obstante, el beneficio de utilizar
más de un mecanismo a la vez requiere de investigación para ser identificado y cuantificado.
Tabla 24: Mecanismos para mejorar materiales TES Mecanismo
de mejora
Descripción del mecanismo Principales beneficios
identificados en literatura
Aletas Agregar aletas al sistema de
almacenamiento, el lugar en dónde
sean ubicadas dependerá del diseño
del sistema. El objetivo de utilizarlas
está enfocado en aumentar la
superficie de transferencia de calor
para el medio de almacenamiento de
energía térmica
Disminuir tiempos de cambio
de fase en materiales de calor
latente.
Lecho
fluidizado
Mezcla de dos fases compuesta de
partículas de material sólido y fluido.
Las propiedades más importantes de
los sólidos son la las características
de las partículas, tales como la
densidad, radio, porosidad y
velocidad de caída libre, entre otros.
Incrementar eficiencias de
sistema TES.
Disminuir tiempos para
alcanzar una cierta
temperatura deseada en el
material de almacenamiento.
Microencapsu
lación
Proceso en el cual pequeñas
partículas o gotitas están rodeadas
por un recubrimiento, o incrustados
en una matriz homogénea o
heterogénea, para producir pequeñas
cápsulas.
Los parámetros más importantes de
microencapsulación son:
El espesor de la cáscara
La geometría de encapsulación
Aumentar conductividad
térmica de los materiales de
almacenamiento.
Disminuir tiempos para
alcanzar una cierta
temperatura deseada en el
material de almacenamiento.
Prevención de fugas de
material de almacenamiento.
83
Mecanismo
de mejora
Descripción del mecanismo Principales beneficios
identificados en literatura
El tamaño de la encapsulación
Macroencaps
ulación
Se macroencapsula una cantidad
significante de un material para
almacenar calor, cuyas unidades de
masa pueden variar entre gramos a
kilogramos.
La forma de las macrocápsulas varía
de paneles rectangulares a esferas, a
contenedores sin una forma definida.
La selección de la forma dependerá
de las necesidades y el diseño de
cada aplicación prevista.
Disminuir tiempos para
alcanzar una cierta
temperatura deseada en el
material de almacenamiento.
Matrices
metálicas
Incluir junto al material de
almacenamiento energético una
matriz de metal, como por ejemplo
una matriz porosa. Por lo general se
utilizan materiales de altas
conductividades térmicas como el
cobre y el aluminio.
Aumentar conductividad
térmica de los materiales de
almacenamiento.
Disminuir tiempos para
alcanzar una cierta
temperatura deseada en el
material de almacenamiento.
Nuevos
compuestos
Se desarrollan nuevos compuestos
para utilizar como material de
almacenamiento de energía térmica.
Por ejemplo, se han estudiado
nuevos compuestos con grafito y con
concreto.
Uso de grafito permite mejorar
la tasa de transferencia de
calor del material de
almacenamiento.
Mezclas con hormigón y
materiales de cambio de fase
producen mejoran las
capacidades de
almacenamiento térmico.
Nuevos
compuestos -
Litio
Se crean nuevas mezclas de
materiales para ser utilizados como
material de almacenamiento, los
cuales incluyen derivados del lito.
Disminución del punto de
fusión de los materiales.
Aumento de la capacidad
energética.
Fuente: Elaboración propia
La selección de un mecanismo versus otro para mejorar los sistemas TES,
va a depender de los requerimientos de diseño del proyecto, los presupuestos, especificaciones de los materiales, entre otros. En los
siguientes subcapítulos se describen en mayor detalle estos mecanismos.
2.4.1 Aletas
El uso de aletas está enfocado en aumentar la superficie de transferencia de calor para el medio de almacenamiento de energía térmica [53], y por
lo tanto mejorar la razón con la que la energía térmica es distribuida en
84
él. Las aletas pueden ser axiales o radiales y usualmente están unidas a
tubos [54]. Dependiendo de su forma y configuración dentro del tanque que contiene al medio de almacenamiento energético este mecanismo
tiene distintos resultados. Por ejemplo, de acuerdo a Zhang y Faghri [55],
para tubos con aletas internas, la fracción de volumen fundido puede ser significativamente incrementada añadiendo más aletas, y además
aumentando su grosor y altura.
Castell et al. [54] experimentó añadiendo a aletas longitudinales de grafito a PCMs (trihidrato de acetato de sodio, cuya temperatura de fusión
es de 58 °C), y probó si estas podrían disminuir el tiempo de solidificación. Ellos concluyeron, que a pesar que las aletas alteran la convección natural
dentro del PCM y no mejoran el coeficiente de transferencia de calor, fue posible disminuir el tiempo de solidificación. Dos casos fueron analizados:
PCMs con aletas pequeñas y PCMs con aletas largas. Ambos fueron comparados con un caso base que consistía en un módulo de
almacenamiento pero sin aletas. En el primer caso, fue necesaria una diferencia de temperatura menor para obtener el mismo coeficiente de
transferencia de calor que en el caso base. Dado a ello, disminuyó el
tiempo necesario para solidificar el PCM. En el segundo caso, se obtuvo un coeficiente de transferencia de calor menor en comparación al caso
base sin aletas. Ello se atribuyó al ancho de las aletas que debían estar interfiriendo con la convección natural en el PCM. A pesar que el
coeficiente de transferencia disminuyó, es importante destacar que en este caso el tiempo de solidificación también fue menor.
Lamberg [56] analizó el problema de dos fases de solidificación en un
sistema LTTES para PCM y con aletas (el PCM utilizado fue parafina y las aletas eran de aluminio) utilizando un modelo analítico aproximado. Es
importante notar que la geometría del módulo de almacenamiento tiene una gran influencia en la precisión del modelo analítico. Por medio de este
análisis, se concluyó que durante el proceso de solidificación domina la conducción, mientras que la convección natural se manifestaba sólo
durante el inicio, por lo que comparativamente esta última es
despreciable.
Erek et al. [53] investigó numérica y experimentalmente un Sistema de LTTES con material de cambio de fase alrededor de un tubo radial con
aletas. Los resultados mostraron que la energía almacenada aumenta al incrementar el radio y disminuir el espacio de las aletas, respectivamente.
Velraj et al. [57] investigaron la solidificación de PCM en un tubo vertical
cilíndrico con aletas radiales internas. Se concluyó que esta configuración
85
de aletas, las cuales formaban una envolvente para el PCM en forma de
V, otorga el máximo beneficio al arreglo de aletas.
Con una condición de borde impuesta de flujo constante, Talati et al.
[58],[59] estudiaron analítica y experimentalmente la solidificación de PCMs en un contendor rectangular con aletas (el PCM utilizado fue ClimSel
C23, y las aletas de aluminio). Los resultados mostraron que cuando la razón entre el largo de la aleta y alto del contenedor es menor a uno, el
PCM se solidifica más rápido.
En el marco del proyecto DISTOR, fue analizado un prototipo de módulo de almacenamiento de PCM con aletas de grafito para sistemas de HTTES
(ver Figura 27). Con este diseño fue posible incrementar el área de trasferencia de calor del PCM, gracias a las aletas de grafito las que, a su
vez, estaban adheridas a tubos por donde fluía un medio bifásico [60] [61]. Se concluyó del estudio que, para la misma cantidad de PCM, área
y material de metal, la transferencia de calor fue ejecutada de mejor manera gracias al uso de aletas [62].
Figura 27: Aletas de grafito en el Proyecto DISTOR [63]
Fuente: Prediseño de un módulo de almacenamiento térmico para plantas
termosolares con generación directa de vapor, Centro de investigaciones energéticas,
medio ambientales y tecnologías (Ciemat), Universidad Complutense de Madrid; Esther
Rivas Ramos; 2011.
2.4.2 Lechos fluidizados
Un lecho fluidizado es un estado de una mezcla de dos fases compuesta
de partículas de material sólido y fluido. Es ampliamente utilizado en tecnologías modernas para implementación eficiente de varios procesos
físicos y químicos. Algunos procesos donde se utiliza son: reactores de lecho fluidizado (tipos de reactores químicos), craqueo catalítico,
combustión de lecho fluidizado, transferencia de masa o calor, o modificación de interfaz, tales como aplicar un revestimiento sobre
artículos sólidos. El término “lecho fluidizado” está inevitablemente
conectado al término “material sólido particulado”, el cual es una mezcla mecánicas de multitudes de partículas sólidas [64], [65] y [66]. Las
propiedades geométricas, físicas y aerodinámicas de los materiales
86
sólidos particulados afectan el inicio de la fluidización, así como también
sus características, comportamiento y sus principales parámetros. Las propiedades más importantes de los sólidos son la las características de
las partículas, tales como la densidad, radio, porosidad y velocidad de
caída libre, entre otros.
Recientemente, esta tecnología ha sido utilizada para almacenar energía por medio de PCMs. Izquierdo-Barrientos et al. [65] estudiaron el
desempeño de un sistema de almacenamiento térmico con un lecho fluidizado de aire con PCM micro encapsulado, y lo compararon con un
lecho fluidizado de arena y un lecho fijo de arena con PCM. Concluyeron que el PCM es un material alternativo que puede ser aplicado para
incrementar la eficiencia de almacenar energía térmica usando LHS en sistemas de lecho fluidizado. Bajo las condiciones experimentales
probadas en el estudio, mejores eficiencias de carga son observadas para el PCM que en el lecho de arena fluidizado y fijo. Además, cuando la
eficiencia de carga es estabilizada, el PCM muestra resultados similares para ambos lechos. Un análisis realizado a la influencia de la tasa de flujo
demostró que mayores tasas permiten alcanzar en menor tiempo la
temperatura deseada, así como también tasas diferentes producen eficiencias similares en los procesos de carga del sistema. También se
estudió los efectos que sufre el PCM dada la repetición de ciclos de carga y descarga energética (se analizaron 75 horas de operación continua del
sistema, periodo en el cual se ejecutaron 15 ciclos de carga y descarga energética) cuyos resultados indicaron que el PCM sufre de desgaste
durante el proceso de fluidización, a pesar que no se observa pérdida de PCM bajo las condiciones experimentales evaluadas en el estudio.
F. Pitié et al. [67] estudiaron a los PCMs y su potencial de ser aplicados
para la obtención y almacenamiento de energía en sistemas HTTES, utilizando como medio de transferencia y almacenamiento un lecho
fluidizado circulante (CFB, por su sigla en inglés “Circulating fluidized bed”). Las condiciones térmicas del sistemas determinaron el rango
óptimo del tamaño de las partículas aplicadas (< 400µm) cuando la
transferencia de calor por convección domina. En el diseño de un colector de calor CFB, un importante parámetro es el coeficiente de transferencia
de calor entre la pared vertical y la suspensión que fluye, ya que determinará el área requerida de la superficie de intercambio de calor.
H. Peng et al. [68] predijeron el comportamiento térmico de un lecho
compacto de almacenamiento térmico de calor latente con cápsulas de PCM, utilizando un modelo de dispersión concéntrico. En la predicción fue
considerada la transferencia de calor radial y las pérdidas de calor por las paredes. Dentro del estudio, se investigó en los procesos de carga el
87
efecto producido por el diámetro de las cápsulas de PCM, la velocidad de
fluido de entrada y la altura del tanque de almacenamiento sobre los perfiles de temperatura y la eficiencia en el lecho compacto. De los
resultados obtenidos se destacan:
La transferencia de calor entre las cápsulas de PCM y la sal fundida
puede ser significativamente influenciada por el diámetro de las partículas. A menores diámetros, la temperatura de sal fundida
demora más en comenzar a aumentar y el tiempo de tiempo efectivo de carga disminuye, en consecuencia es incrementada la
eficiencia de carga. La velocidad de entrada del fluido tiene produce una pequeña
influencia en el proceso de carga. Cuando esta aumenta, se obtiene una disminución de la eficiencia de carga.
Un mayor tanque de almacenamiento térmico es beneficioso para una mayor eficiencia en el proceso de carga energética.
Se establece que el modelo numérico de dispersión concéntrica puede obtener una predicción exitosa del comportamiento térmico
al considerar la transferencia de calor radial y las pérdidas de calor
por las paredes.
2.4.3 Microencapsulación
La microencapsulación se define como un proceso en el cual pequeñas partículas o gotitas están rodeadas por un recubrimiento, o incrustados
en una matriz homogénea o heterogénea, para producir pequeñas cápsulas con varias propiedades útiles [69]. A menos que la matriz que
encapsula el PCM tenga una alta conductividad térmica, el sistema de microencapsulación sufre una baja velocidad de transferencia de calor. La
rigidez de la matriz interfiere en las corrientes convectivas y los obliga a producir toda la transferencia de calor por conducción. Esto puede reducir
seriamente las tasas de transferencia de calor, especialmente en el proceso de carga. Los parámetros más importantes de
microencapsulación son [70]:
El espesor de la cáscara
La geometría de encapsulación El tamaño de la encapsulación
En el caso de microencapsulación de los materiales de cambio de fase
(MEPCMs, por su sigla en inglés “Microencapsulation of Phase Change Materials”), se refiere a una técnica en la que un gran número de
pequeñas partículas de PCM están contenidos dentro de una matriz continua sellada que varían en tamaño desde menos de 1 mm a más de
88
300 mm [71]. Hoy en día el costo del sistema de microencapsulación es
alto en comparación con otros métodos de almacenamiento, y se utiliza solamente en las aplicaciones de control térmico [72]. La
microencapsulación de PCM es una manera eficaz de aumentar su
conductividad térmica y la prevención de posible interacción con el entorno y las fugas durante el proceso de fusión. Este método se clasifica
en tres categorías: física, físico-químicas y métodos químicos [73].
Min Li[51] estudió la mejora de la conductividad térmica de los PCM (parafina) con Nano-grafito (NG). Se demostró que el NG se puede
preparar fácilmente a partir de grafito exfoliado y de grafito expandido. Además, el precio del NG es bajo, mientras que el efecto de mejora de
NG para la conductividad térmica es notable. Los resultados mostraron que la conductividad térmica de los PCM compuestos con 1% y 10% de
NG es 2,89 y 7,41 veces mayor que de la de parafina, respectivamente. Por lo tanto, la temperatura de cambio de fase de la parafina fue
ligeramente influenciada por el contenido de NG, la cual fue ligeramente menor. A medida que aumentaba el contenido de NG, la conductividad
térmica del compuesto NG/parafina aumentó, mientras que el calor
latente disminuyó gradualmente.
Parrado et al. [74] llevaron a cabo un estudio numérico a altas temperaturas de un encapsulado esférico deformable de cobre que
contiene sal solar. El análisis termo-mecánico se realizó en el proceso de carga y descarga, entregando el resultado de que la expansión
volumétrica y el aumento de presión están más allá de las propiedades mecánicas aceptables del cobre y se espera que no quiebren el
encapsulado.
2.4.4 Macroencapsulación
Este mecanismo refiere a la macroencapsulación de una cantidad significante de un medio para almacenar calor, cuyas unidades de masa
pueden variar entre gramos a kilogramos [75]. Mediante una selección
cuidadosa de la geometría y material de la cápsula, la macroencapsulación puede ser utilizada para una amplia variedad de
necesidades de almacenamiento de energía [75]. La forma de las macrocápsulas varía de paneles rectangulares a esferas, a contenedores
sin una forma definida [75]. La selección de la forma dependerá de las necesidades y el diseño de cada aplicación prevista. Según Félix Regin et
al. [75] los envases más costo-efectivos son las botellas de plástico (botellas de polietileno y polipropileno de alta y baja densidad), latas de
metal estañado y latas de acero dulce.
89
Para el proyecto DISTOR con el fin de
aumentar la superficie de intercambio de calor con material de cambio de fase y
grafito expandido, fue evaluada la
macroencapsulación de materiales de cambio de fase (Figura 28). A partir del
experimento se concluyó que el volumen adicional que se requiere en este proceso
basado en la expansión térmica de PCM debido a los cambios de temperatura,
reduce drásticamente la capacidad de almacenamiento volumétrico [76]. Este
diseño se comparó con el experimento con aletas de grafito mencionados
anteriormente. Los resultados mostraron que la transferencia de calor es más eficaz
en el diseño de aletas, considerando la misma cantidad de PCM, la misma área y
material para el intercambio de calor.
Mathur [77] estaba interesado por el uso de sales inorgánicas
encapsuladas con arcilla y cubiertas de níquel, en un dispositivo de almacenamiento térmico. La mezcla de sales con diferentes puntos de
fusión dentro de cápsulas porosas, están situadas en diferentes niveles del sistema dependiendo de su punto de fusión. En la parte inferior
quedan aquellas con menores temperaturas, lo cual hace que el cambio de fase disminuya. Mathur mostró que era posible almacenar 50% más
de energía por unidad de volumen que el sistema convencional utilizando dos tanques.
2.4.5 Matrices metálicas
Las matrices metálicas, como por ejemplo una matriz porosa, se han
utilizado para mejorar la capacidad de transferencia de calor en TES. Una
matriz porosa es caracterizada por dos parámetros: la porosidad y el tamaño del poro. Estos se refieren al porcentaje de volumen que será
ocupado por PCM y el tamaño del poro expresado en poros por pulgada (PPI, por su sigla en inglés, “Pores Per Inch”), respectivamente. Para el
primer parámetro, Mesalhy et al. [78] indicaron que la mejora del desempeño depende de: la porosidad de la matriz y su conductividad. Los
valores bajos de porosidad conducen a una conductividad térmica efectiva más elevada; por lo tanto, debe haber un aumento en la mejora en el
rendimiento. Sin embargo, una disminución en la porosidad provoca una disminución en el efecto de mejora, debido a la baja porosidad de la
Figura 28: Macroencapsulación en
Proyecto DISTOR [63]
Fuente: Prediseno de un módulo
de almacenamiento térmico para
plantas termosolares con
generación directa de vapor,
Centro de investigaciones
energéticas, medio ambientales
y tecnologías (Ciemat),
Universidad Complutense de
Madrid; Esther Rivas Ramos;
2011.
90
matriz atenúa el movimiento del PCM líquido y la convección natural. Para
el segundo parámetro, Elgafy et al. [79] mostraron como el tamaño promedio de los poros de los aditivos puede ser de crucial importancia en
el desempeño del sistema. Si es demasiado pequeño, el movimiento
molecular del PCM se verá obstaculizado, por lo tanto será muy difícil para impregnar los medios porosos con el PCM, afectando negativamente la
capacidad de almacenamiento de calor latente.
Los metales con las mayores conductividades térmicas son la plata, cobre, oro y aluminio, las cuales son 429 W/(m∙K), 401 W/(m∙K), 318
W/(m∙K) y 237 W/(m∙K) respectivamente [80], lo que los convierte en una opción deseable para la producción de una matriz metálica para los
sistemas TES de calor latente. De ellos, el cobre y el aluminio son una alternativa comúnmente utilizada debido a sus precios bajos en
comparación al oro y la plata (como se muestra en la Tabla 25). En adición a ellos, el níquel también ha sido utilizado y estudiado.
Tabla 25: Metales con altas conductividades térmicas
Metal
Conductividad
térmica Densidad
Calor
específico
Punto de
fusión
W/(m∙K) kg/m3 J/(kg∙K) °C
Plata [80] 429 10490 237 961,9
Oro [80] 401 19300 129 1064,4
Cobre [81] [82] 387,6 8978 381 1084,6
Aluminio [81] 237 2800 910 660,2
Níquel [83] 90,3 8910 440 1450
Fuente: Elaboración propia en base a información de empresa Goodfellow, Metal –
Thermal Catalogue, 2014; Revista Solar Energy, año 2014, Volumen 99; Revista Solar
Energy Materials and Solar Cells, Septiembre 2014, Volumen 128; Revista Inte. J.
Applied Thermal Engineering, año 2013, Vol. 61.
Numerosas investigaciones han estudiado el uso de matrices metálicas
para TES. Algunos estudios sobre el cobre, aluminio y níquel encontrados
en la literatura son:
Estudios del Cobre Zhao et al. [40] experimentalmente investigaron la mejora de la
transferencia de calor en LTTES incorporando esponjas metálicas en parafina RT58. Las conclusiones expresaron que la adición de
esponjas metálicas de 10 PPI y porosidad de 95%, pueden aumentar la tasa global de transferencia de calor entre 3 y 10 veces.
Además, dependiendo de los parámetros de la esponja metálica utilizada, a pequeñas porosidades y densidades de poro se producen
mejores desempeños de la transferencia de calor.
91
Pathik Vadwala [84] estudió para LTTES un método para mejorar la
conductividad térmica de la cera de parafina, haciendo uso de esponjas de metal de poros abiertos de alta porosidad. Se demostró
que mediante la adición de esponjas metálicas, la conductividad
térmica equivalente de un compuesto esponja-cera era de 3,8 W/(m∙K), siendo 18 veces mayor que la de cera de parafina pura
que es 0,21 W/(m∙K). Además, una esponja de cobre redujo el tiempo requerido para fundir aproximadamente la misma cantidad
de cera en un 36%, en comparación a no usar la esponja. Finalmente, la adición de esponjas metálicas a la parafina, ayudó a
aumentar de manera significativa la transferencia de calor durante la fusión.
Li et al. [73] mostraron que en HTTES una matriz de cobre puede
aumentar el coeficiente de transferencia de calor. Estudiaron numéricamente la matriz de cobre, con gran área superficial y
buenas propiedades mecánicas, utilizada como esqueleto metálico con nitrato de sodio (NaNO3) como PCM. Los resultados mostraron
que la transferencia de calor con la matriz de cobre en el sistema
TES, puede aumentar significativamente hasta 28,1 veces por conducción de calor cuando PCM se encuentra en fase sólida, y
hasta 3,1 veces por la combinación de convección natural y la conducción de calor cuando el PCM está en fase líquida. Por lo tanto
los tiempos de fusión y solidificación se acortan sustancialmente. Además, se concluyó que la porosidad juega un papel más
importante que la densidad de poros para mejorar de la eficiencia de transferencia de calor en el sistema de TES.
Estudios de aluminio
Bauer et al [86] estudió un compuesto para LTTES desarrollado con conductores térmicos en forma de placa de aluminio y penta-
glicerina como PCM. Al considerar los elementos del compuesto para ser resistencias térmicas y la construcción de un aparato de
conductividad térmica de placa plana, la conductividad térmica
efectiva de placa a placa es determinada. La conductividad térmica efectiva del material compuesto se compone principalmente por la
conductividad térmica de la esponja de aluminio, la cual es reducida por el efecto de la resistencia de la unión entre la esponja y placa
de aluminio. El flujo de calor a través del PCM aumenta ligeramente la conductividad térmica efectiva. Un aumento en una fracción de la
esponja metálica de aluminio resulta en un aumento en la conductividad térmica efectiva del compuesto, ya que sólo
aproximadamente el 2% del flujo de calor es a través del PCM, y la resistencia de enlace de la interfase disminuye debido al aumento
92
del área de contacto. La desventaja es que a medida que hay un
aumento en la fracción de esponja metálica de aluminio, el volumen de calor latente desciende; en consecuencia, se reduce el tiempo de
almacenamiento.
Figura 29: Placas delgadas de aluminio están unidas a esponja
de aluminio [86]
Fuente: Thermal characteristics of a compact, Passive thermal energy storage device,
in Proceedings of the 2000 ASME IMECE, Orlando, Florida, USA; Bauer.C.A, Wirtz.R.A;
2000.
Tong et al demostraron un aumento en la tasa de transferencia de calor durante la fusión y la congelación de un PCM con una baja
conductividad térmica mediante la inserción de una matriz de aluminio de alta porosidad en el PCM. Para el estudio fue utilizado
un espacio anular vertical homogéneamente llenado con agua y una matriz de aluminio. Las tasas de transferencia de calor para casos
mejorados muestran un aumento de un orden de magnitud en comparación con el caso base, donde no se inserta una matriz
metálica.
Estudios del níquel Xiao et al. [88] investigaron el uso de los compuestos a base de
PCM de parafina/esponja de níquel y parafina/esponja de cobre, para LTTES. A través de los resultados, se demostró que la
conductividad térmica del material compuesto de parafina/esponja
de níquel fue cerca de tres veces mayor que el de parafina pura, 1,2 y 0,4 W/(m∙K), respectivamente. Por último, la presencia de la
esponja metálica porosa, hizo que la temperatura de cambio de fase variara levemente. Por ejemplo, las desviaciones de las
temperaturas pico de fusión del compuesto de parafina/esponja de
93
níquel y el compuesto de parafina/esponja de cobre en comparación
a la parafina pura, fueron 0,55 ° C y 0,40 ° C, respectivamente.
Comparación entre el cobre, aluminio y níquel
Xiao et al. [88] compararon las matrices de cobre y níquel a través de diferentes modelos. Los resultados indicaron que las
conductividades térmicas de los compuestos con PCM de parafina/esponja de níquel son casi tres veces mayor que de
parafina pura, mientras que las conductividades térmicas de los compuestos con PCM de parafina/esponja de cobre son casi 15
veces más grande que la de parafina pura (Figura 30 y Figura 31).
Figura 30: Muestras de
matrices de níquel con distintas densidades de poro
[88]
Figura 31: Muestras de
matrices de cobre con distintas densidades de poro
[88]
Fuente: Preparation and thermal characterization of paraffin/metal foam composite
phase change material, Int. J. Applied Energy; X. Xiao, P. Zhang, M. Li; 2013.
Fiedler et al. [89] compararon las matrices de cobre y aluminio en
relación a su capacidad de aumentar la conductividad térmica de parafina, de las cuales se identificó que aquellas de cobre lo logran
en un 80% más en comparación a las de aluminio. Además, se
identificó que un incremento adicional es posible utilizando matrices de cobre con recubrimiento de diamante. Luego, con las obras de
Xiao et al. [88] y Fiedler et al. [89] se concluyó que el cobre tiene mejores resultados aumentando la conductividad térmica de PCM, en
comparación con el níquel y el aluminio.
2.4.6 Compuestos de grafito
Otra alternativa para mejorar los materiales de los TES es producir un nuevo compuesto con el medio de almacenamiento. Para mejorar la
conductividad térmica de las PCM, el uso de grafito permite mejorar la
94
tasa de transferencia de calor lo que ha sido investigado por numerosos
investigadores.
Mehling et al. [90] demostraron que los compuestos de PCM/grafito
muestran una mejora significativa en la transferencia de calor dentro de los materiales de almacenamiento de calor latente. Estudiaron dos tipos
de PCM: la sal eutéctica MgNO3 /LiNO3·6H2O y la parafina RT50. La conductividad térmica en el material compuesto resultó ser hasta 100
veces mayor que en la PCM pura.
Py et al. [91] experimentaron un nuevo PCM, hecho de parafina impregnado en una matriz de grafito natural expandido comprimido
(CENG, por su sigla en inglés “Compressed Expanded Natural Graphite”). Se obtuvo altas cargas de parafina: entre 65% a 95% en peso
dependiendo de la densidad de la matriz de grafito a granel. Identificaron que las conductividades térmicas del compuesto PCM/CENG son
equivalentes a las matrices de grafito solo, en el rango de 4-70 W/(m∙K) en lugar del 0,24 W/(m∙K) de la parafina pura. La potencia y capacidad
térmica del compuesto son teóricamente comparadas con los sistemas
convencionales en el caso de dos geometrías externas: tubos y nódulos huecos esféricos. El CENG indujo una disminución en el tiempo total de
solidificación y una estabilización de la potencia de almacenamiento térmico.
Cabeza et al. [92] investigaron tres métodos para mejorar la
conductividad térmica del PCM agua/hielo. Estos métodos involucraron añadir piezas de acero inoxidable, piezas de cobre, y una matriz de grafito
impregnado con el PCM. El uso de compuesto de grafito permite un aumento aún mayor en la transferencia de calor que con el cobre y el
acero.
López et al. [93] estudiaron el comportamiento de grafito con poros cerrados y abiertos, hechos con sal como un PCM. Se realizó un análisis
de poro-termo-elástico en donde se concluyó que las variaciones en los
volúmenes de expansión debido a la fusión, están limitadas por la matriz de grafito, lo cual provoca un aumento de la presión en los poros.
Presiones más alta provocan un aumento progresivo en la temperatura de fusión de la sal y una disminución gradual del calor latente. Esto
implica que una parte significativa de la energía suministrada al material es utilizado para calentarlo (calor sensible en lugar de calor latente).
Zhao et al. [52] estudiaron añadir a sal solar un material con alta
conductividad térmica compuesto por grafito natural expandido tratado con ácido sulfúrico (ENG-TSA, por su sigla en inglés “natural graphite
95
treated with sulfuric acid”), con el fin de mejorar la conductividad térmica
de los nitratos cuando se utiliza como PCM. Se evaluaron diferentes muestras de este compuesto. Los resultados mostraron que la mayor
conductividad térmica efectiva de PCM compuesto era 50,78 W/(m∙K), lo
cual es 110 veces mayor que la de la sal en polvo. Además, se concluyó que la adición de ENG-TSA provoca una disminución de calor latente, pero
no hay ninguna variación notable de la temperatura cuando se produce un cambio de fase.
2.4.7 Compuestos de concreto
El Hormigón, el cual es una mezcla de roca, arena, agua, aditivos y
cemento, se utiliza como material de construcción para edificios residenciales y comerciales en todo el mundo. Por su parte, la tecnología
de PCMs tiene gran potencial para el desarrollo de productos de concreto energéticamente eficientes para ser usados con el fin de comodidad
térmica en edificios.
Debido a la elevada masa térmica del hormigón, puede almacenar energía
térmica durante el día y liberarla durante la noche, lo que reduce la demanda de refrigeración y calefacción. La incorporación de PCM en el
Hormigón puede mejorar aún más las capacidades de almacenamiento térmico [94].
Eddhahak-Ouni et al [95] investigaron los PCM y PCM-Hormigón (el PCM
fue Micronal DS 5001 X). Sus resultados mostraron que la capacidad de almacenamiento de calor del PCM-Hormigón, es mejorado
significativamente con la incorporación del PCM. Sin embargo, una pérdida de la resistencia a la compresión se observó con la adición de
PCM, y un mayor análisis debe llevarse a cabo para estudiar los efectos del PCM sobre la cinética de hidratación del cemento. Por otra parte, la
conductividad térmica no parece estar afectada por la adición del PCM, probablemente debido a las pequeñas cantidades de PCM incorporadas en
el hormigón y también por su baja conductividad térmica. Además, el
PCM-hormigón con mayor tiempo desde su aplicación, mostró respuestas térmicas similares en comparación con un PCM-hormigón recién aplicado,
lo que permitió deducir un comportamiento térmico estabilizado del hormigón modificado a largo plazo.
96
2.5 Sistemas y fluidos de transporte (HTF) para Centrales
Termosolares Las plantas de concentración solar de potencia equipadas con
almacenamiento térmico de energía, y que además producen electricidad, pueden dividirse en tres bloques: el campo solar (Solar field),
Almacenamiento térmico (Thermal storage) y el bloque de potencia (Power block), los cuales son presentados en la siguiente figura.
Figura 32: Esquema de planta cilindro parabólica [96]
Fuente: Technology Roadmap, Concentrating Solar Power; Agencia Internacional de la
Energía; año 2010.
El HTF cumple un rol fundamental en estas plantas ya que es el encargado de transportar el calor entre los tres bloques antes mencionados y, de
esta manera, permitir que ocurra el proceso de generación eléctrica o el de almacenamiento energético. Teniendo en consideración una planta
CSP que utilice un sistema de almacenamiento térmico de dos tanques de calor sensible con sales fundidas a modo de TES, la manera en que actúa
el HTF es la siguiente:
Producción de electricidad: El HTF transporta el calor obtenido en el campo solar hacia el bloque de potencia, en donde va a fluir
por un intercambiador de calor para calentar agua hasta alcanzar su punto de ebullición, con el fin de transformarla en vapor.
Posteriormente, el vapor de agua producido, será utilizado en un ciclo termodinámico (ciclo de Rankine, Brayton o Stirling,
principalmente) [97] para producir electricidad. Ya que la energía
térmica es un recurso fundamental para la generación de
97
electricidad en estas plantas, el desempeño del HTF tendrá impacto
directo sobre el rendimiento de la turbina de vapor [98].
Almacenamiento de energía térmica: Para almacenar la energía
obtenida desde el campo solar, el HTF calentado tendrá que ir hacia el intercambiador de calor, perteneciente al bloque de
almacenamiento térmico, al cual al mismo tiempo se envía sal “fría”20 desde el tanque de almacenamiento frío. Luego, en el
intercambiador de calor, el HTF calentará esta sal fría, la que posteriormente será dirigida al tanque “caliente” en donde se
almacenará, hasta que sea necesario usar la energía térmica. Para utilizar la energía almacenada, se realiza el proceso inverso, en
donde esta vez la sal caliente calentará el HTF en el intercambiador de calor, y posteriormente será depositada en el tanque de frío.
Dado el rol que cumple el HTF en los procesos mencionados, no cabe duda
de la importancia de este material para las centrales de concentración solar. Para seleccionar el material que cumpla este papel son evaluados
distintos aspectos del proyecto y de los candidatos. Entre los principales
se identifican: rango de temperatura al cual trabajará el proyecto (a altas temperatura, sobre 200 °C, o a bajas temperaturas, bajo los 200 °C);
propiedades de transferencia de calor, entre las cuales se considera conductividad térmica, viscosidad, calor especifico, compatibilidad con los
materiales de tubos transportadores; y su corrosión y costos [99]. Algunas de las propiedades de los fluidos se presentan en la Figura 33.
Figura 33: Principales características de los fluidos de
transferencia de calor [4]
Fuente: State of the art on high temperature thermal energy storage for power
generation. Part 1-Concepts, materials and modellization; Antoni Gil, et al;
2010.
Dependiendo del rango de temperatura de trabajo de un sistema, hay
tendencia a utilizar cierto tipo de fluidos:
20 Se menciona que la sal está fría en comparación a aquella sal que es calentada por el HTF. No obstante lo
anterior, es importante recordar que la sal fría está a temperaturas mayores a los 230 °C.
98
Fluidos para Alta temperatura
Los principales fluidos utilizados a alta temperatura son: o Sales fundidas como la Sal solar [100]
o Aire u otro gas
o Aceites o siliconas sintéticos. Por ejemplo 26.5% de óxido de difenilo y 73,5 de bifenilo [101]
o Líquidos iónicos como el C9H18F6N2O4S2 [102]
Uno de los HTF utilizados en plantas de concentración solar son los aceites sintéticos principalmente mezclas de difenilo y bifenilo
[103], siendo considerados por su bajo punto de congelación de 12°C, las desventajas se centran principalmente en su punto de
degradación de 400°C lo cual limita el ciclo termodinámico [104], además de ser inflamables y tóxicos. Este tipo de aceite no puede
ser usado para el almacenamiento de energía térmica por su alta presión de vapor [105].
Actualmente existe un aumento en la utilización de sales fundidas,
su principal desventaja es su alta temperatura de congelación de
220°C [106] lo cual obliga a mantener la temperatura dentro de los tubos transportadores sobre los niveles de congelación tanto de
día como de noche, además de tener una baja conductividad térmica 1W/mK. Su principal ventaja es que pueden llegar a altas
temperaturas sobre los 500°C, lo cual aumenta la eficiencia de la planta, por lo que no es necesaria la utilización de intercambiadores
de calor y puede ser usado como material directo en el almacenamiento de energía térmica [107]. Este tipo de fluido de
transferencia de calor tiene una alta estabilidad química, no es tóxico ni inflamable.
Un ejemplo en la utilización de sales fundidas, concretamente sal
solar [108], que corresponde a 60% NaNO3 y 40% KNO3 como flujo de transferencia de calor, es la planta de concentración solar
de potencia a cargo de la empresa Abengoa que se encuentra en
construcción (2014-2017) en el norte de Chile (Antofagasta-1), considerada el mayor proyecto termosolar de Sudamérica [109].
Los líquidos iónicos se caracterizan por estar en estado líquido a
temperatura ambiente (menor a 100°C), tienen una alta estabilidad térmica, presión de vapor despreciable y baja
volatilidad, bajo punto de fusión, no inflamables y alta conductividad iónicas [102]
99
Fluidos para Baja temperatura
Los fluidos utilizados a baja temperatura principalmente son: o Agua desmineralizada
o Etilenglicol
Los sistemas que utilizan agua como flujo de transporte de calor
generan, en el proceso de absorción de energía en el campo solar, vapor sobre calentado, el cual es utilizado directamente en el ciclo
de Rankine para la producción de electricidad, sin la necesidad de un intercambiador de calor.
Un ejemplo en el uso de agua desmineralizada como HTF es la
primera planta hibrida solar CSP y geotérmica de la empresa Enel Green Power. La planta cilindro parabólica de 3 GWh al año utiliza
agua desmineralizada a presión [110].
2.5.1 Litio como material de transporte térmico aplicado a Centrales Termosolares e industria en general
Como ya se ha mencionado en la sección 2.3.4, los derivados del litio ya están siendo investigados para utilizarlos en sistemas de almacenamiento
térmico de altas temperaturas, y particularmente para plantas CSP. Una de las ventajas de usar estos materiales en compuestos para
almacenamiento térmico, es que permiten disminuir el punto de fusión del medio que almacena la energía, lo cual permite disminuir costos por
mantener el material en estado líquido. Adicionalmente, incrementa el interés por identificar la factibilidad de utilizar estos compuestos como
fluido para el transporte de calor en el sistema de una planta CSP, y así utilizar un solo material tanto para almacenar energía como para
transportarla. Algunos estudios en torno a estos materiales siendo empleados como HTF, así como características importantes para su uso
como HTF:
Fernández et al [111], estudiaron la adición de y
para disminuir el punto de fusión de la sal solar, lo cual es aproximadamente 130 °C. Esto representa una reducción
considerable en el mantenimiento y los costos operativos asociados con la tecnología solar actual, lo cual muestra que los fluidos
mencionados anteriormente son potenciales candidatos para el uso directo través de tubos colectores en centros de energías que
emplean tecnología parabólica y el almacenamiento de energía solar sin la necesidad de aceite sintético, tales como los que son
actualmente empleados. La estabilidad térmica de las sales fue determinada para ser similar al de las sales solares que se utilizan
100
actualmente para formulaciones con , estableciendo un
amplio rango de trabajo entre 130,15 y 586,32 °C. La adición
individual de y , muestran buenos resultados para
las tecnologías CSP del tipo colectores parabólicos y torre solar.
Además, se observó que los resultados de estos dos aditivos
incorporados en la proporción 30% + 10% + 60%
tiene un rango de trabajo entre 132 y 571°C y una capacidad de calor más alta de las mezclas analizadas en el estudio, 1.395
J/g° C, lo cual hace que la mezcla resultante potencialmente interesante para su aplicación en los dos tipos de plantas solares
mencionados anteriormente. Finalmente, el nuevo diseño de este fluido de transporte de calor
no presentó problemas de la viscosidad, dado que fluían adecuadamente en el rango de temperaturas. En general, es
importante tener en cuenta que los valores la viscosidad que se
obtuvieron de 30% + 10% + 60% fueron
inferiores a los que se obtuvo para la adición individuales de
y , que es otro hecho importante que hay que
tener en cuenta en la futura aplicación de nuevos fluidos para el almacenamiento térmico.
Uno de los aditivos más estudiados para el almacenamiento de
energía térmica es el Nitrato de Litio. Gradshaw y Siegel [112]
destacaron sus características en la mejora en la gama de estabilidad térmica de las sales utilizadas para la transferencia de
calor, aunque el problema principal asociado con este aditivo es su precio. Sin asumir un mayor coste para los otros aditivos que se
han estudiado, como y [113], el Nitrato de Litio es más caro que el potasio, calcio y nitrato de sodio. Cordaro et al.
[114] estableció el siguiente orden de costo: Li> K> Na> Ca. A pesar del mayor costo de operación de este fluido que se le
generaría a las plantas, a corto plazo esto puede ser rentable. Debido que a la variabilidad de la utilización de estas mezclas en
predeterminadas proporciones, se han considerado que la adición del litio es una mejora para el rendimiento de las sales fundidas, lo
cual es un beneficio no menor para las plantas.
Bradshaw y Meeker [115] estableció que las mezclas que contienen
nitrato de litio pueden producir concentraciones más altas de iones de óxido en temperaturas más altas que las sales binarias. El
contenido de litio no solo contribuye a un mejor punto de fusión sino que también reduce el poder corrosivo de la correspondiente
sal, debido a las altas concentraciones de iones de óxido. El
101
aumento de esta especie de óxido con el contenido de nitrato de
litio en la sal es completamente independiente de la temperatura.
2.6 Patentes
En esta sección se presentarán, algunas patentes relacionadas directamente con el tema del presente estudio. El objetivo de la siguiente
tabla es no sólo mostrar los avances de la industria, sino aún más
importante, demostrar que existe un gran interés por la misma en desarrollar productos relacionados con sistemas materiales TES y HTF.
Número
Fecha de Publicació
n Título Aplicante Empresa
US2014202541
A1
24 jul
2014
Encapsulaton Of High
Temperature Molten
Salts
SOUTHWEST RES
INST [US]
SOUTHWEST
RES INST [US]
US8703258B1 21 abr
2014
Nucleating agent for
lithium nitrate trihydrate
thermal energy storage
medium
SHAMBERGER
PATRICK [US],US
AIR FORCE [US]
SHAMBERGER
PATRICK
[US],US AIR
FORCE [US]
US2013180520
A1
17 jul
2013
Thermal energy storage
with molten salt
RAADE JUSTIN
[US],ELKIN
BENJAMIN
[US],HALOTECHN
ICS INC [US]
HALOTECHNIC
S INC [US]
WO201301290
7A2
24 ene
2013
Method of encapsulating
a phase change material
with a metal oxide
UNIV SOUTH
FLORIDA
[US],RAM MANOJ
KUMAR
[US],JOTSHI
CHAND K
[US],STEFANAKO
S ELIAS K
[US],GOSWAMI
DHARENDRA YOGI
[US]
UNIV SOUTH
FLORIDA [US]
WO201213028
5A1
03 oct
2012
Thermal energy storage
medium with carbonate
salts and use of the
thermal energy storage
medium
SIEMENS AG
[DE],SIEMENS
CONCENTRATED
SOLAR POWER
LTD
[IL],BINYAMINI
SHAI [IL],KOTLER
ZVI [IL],LIPMAN
ELI [IL]
SIEMENS AG
[DE],SIEMENS
CONCENTRATE
D SOLAR
POWER LTD
[IL]
WO201211843
7A1
06 sep
2012
Salt coated with
nanoparticles
CLIMATEWELL AB
PUBL [SE],BOLIN
GOERAN
CLIMATEWELL
AB PUBL [SE]
102
[SE],GLEBOV
DMITRI [SE]
WO201210783
4A1
15 ago
2012
Mixture of inorganic
nitrate salts
ENI SPA
[IT],LAZZARI
CARLA
[IT],PASSERA
TAMARA
[IT],CARNELLI
LINO [IT]
ENI SPA [IT]
US2011163259
A1
06 jul
2011
Heat transfer fluids and
heat storage fluids for
extremely high
temperatures based on
polysulfides
BASF SE [DE] BASF SE [DE]
US2009250189
A1
07 oct
2009 Heat storage devices
DOW GLOBAL
TECHNOLOGIES
INC [US]
DOW GLOBAL
TECHNOLOGIE
S INC [US]
WO200910564
3A2
26 ago
2009 Heat storage devices
DOW GLOBAL
TECHNOLOGIES
INC [US],BANK
DAVID H
[US],SOUKHOJAK
ANDREY N
[US],SEHANOBIS
H KALYAN [US]
DOW GLOBAL
TECHNOLOGIE
S INC [US]
US2008289793
A1
27 nov
2008
Thermal energy storage
systems and methods
GEIKEN
GERALD,FLYNN
BRIAN J
No companies
available
US2008276616
A1
13 nov
2008
Thermal energy storage
systems and methods
FLYNN BRIAN
J,GEIKEN GERALD
No companies
available
WO200710299
4A2
12 sep
2007
Systems and methods for
hydrogen storage and
generation from water
using lithium based
materials
UNIV UTAH RES
FOUND
[US],FANG
ZHIGANG ZAK
[US],LU JUN
[US],SOHN HONG
YONG [US]
UNIV UTAH RES
FOUND [US]
US2007044494
A1
01 mar
2007
Super Energy Saver Heat
Pump with Dynamic
Hybrid Phase Change
Material
UT BATTELLE LLC
[US]
UT BATTELLE
LLC [US]
2.7 Centros nacionales destacados en el área TES y HTF para
Solar Térmico En esta sección se mencionarán los centros más destacados en el área de
Almacenamiento y Transporte Térmico a nivel nacional. Cabe aclarar que no se hace mención de los centros internacionales, ya que estos están
muy bien detallados en la sección 5.2 e indicados también en la sección 5.9 del presente documento como posibles colaboradores.
103
Los centros nacionales más destacados serían:
1. Universidad Adolfo Ibáñez. Es una de las universidades que lleva
más tiempo ininterrumpido y más antigüedad en el trabajo sobre TES y HTF para centrales CSP. Su mayor aporte está basado
principalmente en la teoría, modelos matemáticos y simulación de nuevos materiales. Además se agregan varios estudios en costos de
implementación de estas nuevas tecnologías en los sistemas, políticas públicas y determinación de costos de generación de
energía solar térmica y solar termoeléctrica (LCOE). Todo lo anterior avalado por numerosas publicaciones tanto científicas como en
prensa nacional, dos proyectos adjudicados Fondecyt (CONICYT) y mencionada como la única universidad latinoamericana en realizar
un aporte para el área de Almacenamiento Térmico por el IA-ECES de la IEA en su informe anual 2013 (http://www.iea-eces.org/).
Durante el presente año (2015) ha iniciado la creación del área prioritaria de innovación llamada ATEGIMICH (Almacenamiento y
Transporte Energético para Generación ERNC e Industria usando
Minerales Estratégicos de Chile).
2. Universidad de Antofagasta. Es también una universidad con trayectoria sobre todo en el campo de la caracterización de Nitratos
y Li. Posee varias publicaciones científicas y se ha adjudicado dos proyectos Fondecyt y un FIC regional. Posee además el Centro de
Estudios Avanzados del Litio y Minerales Industriales. El avance más relevante que tienen en el área de estudio, es el diseño y actual
construcción de un sistema experimental de un tanque TES para sales fundidas.
3. Solar Energy Research Center (SERC-Chile). Es un Proyecto
auspiciado por el CONICYT, en torno a temas de energía solar y donde su idea principal es crear capacidades humanas y bases
científicas-tecnológicas, para ayudar al desarrollo de las tecnologías
solares en Chile. Es a grandes rasgos la unión de 6 universidades nacionales (U. de Tarapacá, U. de Chile; U. de Antofagasta, U. de
Concepción, U. Técnica Federico Santa María y Universidad Adolfo Ibáñez) más la Fundación Chile, que posee 6 líneas de trabajo,
donde la Línea No. 4, denominada “Almacenamiento de Energía Solar” es la que toma en cuenta los temas TES y HTF desde hace
poco más de dos años (http://www.sercchile.cl). Su principal aporte ha sido en temas de política pública, difusión y desarrollo de ciencias
básicas de las tecnologías y propuesta para la creación de la Plataforma Solar de Atacama (PSDA).
104
2.8 Referencias
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114
3 Estudio preliminar de regulación, normativas y
políticas vigentes en Chile
3.1 Uso de materiales térmicos a altas temperaturas como Li,
KNO3, NaNO3 y otros relevantes al estudio
Después de una exhaustiva revisión de normativas para el uso del Li y nitratos en general como fluidos de transporte y almacenamiento térmico,
donde se revisaron bases de datos de instituciones gubernamentales de
Chile, como el Ministerio de Energía, Ministerio de Minería, Ministerio de Economía, CONICYT, Centro de Innovación del Li, además de reuniones
con miembros de la Comisión Nacional del Litio, de la CCHEN, expertos consultores en materia del Li y otros que solicitaron confidencialidad, se
concluye y determina que no existe normativa, ley o regulación en Chile referida al uso de estos materiales.
Cabe destacar que en Chile no existe una legislación clara para la
disposición de las sales solares fundidas una vez finalizada su vida útil en las centrales Termosolares. Esto no sería un gran problema ya que es
sabido que una vez fundidas, las sales, usadas con las purezas actuales determinadas por el diseño de las CSP, se mantienen inalterables durante
la vida útil de la planta [1-5]. De ahí que la compañía propietaria no 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. Podrían ser tratadas fácilmente y vendidas como fertilizante. Esto es debido a que sus rangos de temperaturas de trabajo,
sobre todo la temperatura alta, se encuentran generalmente lejanos a la temperatura de degradación. Normalmente estiman que estas sales,
sufren una degradación muy despreciable de no más de un 2% a 3% de sus propiedades en un rango de 30 años (vida útil estimada de la planta).
En cuanto a los nitratos en general, se encuentra normado su uso para
aplicaciones alimentarias, agrícolas (fertilizantes), medicinales y su manipulación como explosivo. No se detallan estas normas en el presente
documento, ya que no pertenecen al alcance y objetivo de este estudio.
En cuanto al caso particular del Li, es todo lo legal está referido en general a su explotación y venta. Por lo tanto las normativas que se pueden
señalar, serán mencionadas en la siguiente sección.
115
3.2 Uso del Li en general
3.2.1 Ley 16.319
La Ley 16.319, del Ministerio de Economía, Fomento y Reconstrucción, promulgada el 14 de septiembre de 1965, que crea la Comisión Chilena
de Energía Nuclear, en su Artículo 8° establece:
“Por exigirlo el interés nacional, los materiales atómicos naturales y el litio extraídos, y los concentrados, derivados y compuestos de aquéllos y éste,
no podrán ser objeto de ninguna clase de actos jurídicos sino cuando ellos se ejecuten o celebren por la Comisión Chilena de Energía Nuclear, con
ésta o con su autorización previa. Si la Comisión estimare conveniente otorgar la autorización, determinará a la vez las condiciones en que ella
se concede. Salvo por causa prevista en el acto de otorgamiento, dicha
autorización no podrá ser modificada o extinguida por la Comisión ni renunciada por el interesado.”
De esta manera, esta ley declara el litio como material de interés nuclear,
por lo que dispone que los actos jurídicos celebrados sobre el litio deben ser autorizados por la Comisión Chilena de Energía Nuclear (CCHEN).
En resumen según este artículo se necesita autorización de la CCHEN para
adquirir, acopiar y usar litio por ser éste un material de interés nuclear y si bien no establece restricciones específicas al uso científico y tecnológico
ello no obsta a que se requiere autorización de la CCHEN como para todo acto jurídico relativo al litio, en el marco que sea.
3.2.2 Decreto Ley 2886
El Decreto Ley 2886, del Ministerio de Minería, promulgado el 22 de
octubre de 1979, constituye una normativa básica para la exploración y explotación del litio en Chile. Esto queda de manifiesto cuando en sus
considerando plantea “que el interés nacional exige, …, reservar para el
Estado el litio, con las excepciones necesarias para resguardar debidamente los derechos de los particulares”, añadiendo “que lo anterior
hace necesario modificar el Código de Minería y otros preceptos legales sobre la materia, vigentes al 16 de Julio de 1971”.
En consecuencia, en su Artículo 5°, el DL 2886 establece:
“Por exigirlo el interés nacional, desde la fecha de vigencia de este decreto
ley, el litio queda reservado al Estado. Se exceptúa de lo dispuesto en el inciso anterior solamente:
116
a) El litio existente en pertenencias constituidas, sobre litio o sobre
cualquiera de las sustancias del inciso primero del artículo 3° del Código de Minería, que, a la fecha de publicación de este decreto ley en el Diario
Oficial, tuvieren su acta de mensura inscrita, se hallaren vigentes, y cuya
manifestación, a su vez, haya quedado inscrita antes del 1° de Enero de 1979.
b) El litio existente en pertenencias que, a la fecha de publicación de este decreto ley en el Diario Oficial, estuvieren en trámite y que lleguen
a constituirse sobre litio o sobre cualquiera de las sustancias del inciso primero del artículo 3° del Código de Minería, siempre que el proceso de
constitución de tales pertenencias se hubiere originado en una manifestación que haya quedado inscrita antes del 1° de Enero de 1979.
Una ley regulará la forma en que el Estado ejercerá los derechos que le corresponden sobre el litio que se le reserva en virtud de este artículo.”
Por su parte, en su Artículo 6° se establece que:
“Por exigirlo el interés nacional, los materiales atómicos naturales y el litio
extraídos y los concentrados, derivados y compuestos de aquéllos y éste,
no podrán ser objeto de ninguna clase de actos jurídicos sino cuando ellos se ejecuten o celebren por la Comisión Chilena de Energía Nuclear, con
ésta o con su autorización previa. Si la Comisión estimare conveniente otorgar la autorización, determinará a la vez las condiciones en que ella
se concede. Salvo por causa prevista en el acto de otorgamiento, dicha autorización no podrá ser modificada o extinguida por la Comisión ni
renunciada por el interesado".
De esta manera, se ratifica que la CCHEN juega un rol fundamental en el destino inmediato del litio extraído, ya que sólo bajo su autorización
previa podrá ejecutarse un acto jurídico en este sentido y en las condiciones que ésta lo determine.
La autorización que otorga la CCHEN a cada uno de los interesados que
individualmente la soliciten, considera no sólo el propósito sino también
la producción y venta del litio extraído bajo determinadas condiciones que están dadas, principalmente, por la cantidad o cuota máxima que
puede ser explotada, pudiendo fijar el periodo durante la cual estará vigente, reservándose la facultad de fiscalizar el cumplimiento de las
condiciones que rigen la autorización.
Además, la CCHEN exige que, en virtud de su facultad de autorizar previamente los actos jurídicos que se celebren sobre litio extraído, sus
concentrados, derivados o compuestos, el interesado debe comunicarle anticipadamente sobre el volumen y características técnicas, el precio
117
así como el comprador y uso final, que consideren los contratos de
venta u otro tipo de acto jurídico.
En cuanto a la regulación del volumen de extracción o producción de total
de litio, no existe una legislación que entregue esa potestad a institución alguna, por lo que la regulación de las cuotas a ser explotadas sólo se
realiza para cada acto individualmente.
3.2.3 Leyes 18.097 y 18.248
La Ley 18.097, Orgánica Constitucional sobre Concesiones Mineras, del Ministerio de Minería, promulgada el 7 de enero de 1982, dispuso que el
litio no es susceptible de concesión minera, ya que en su Título I, Artículo 3°, inciso 4°, establece que “no son susceptibles de concesión minera los
hidrocarburos líquidos o gaseosos, el litio, los yacimientos de cualquier especie existentes en las aguas marítimas sometidas a la jurisdicción
nacional ni los yacimientos de cualquier especie situados, en todo o en parte, en zonas que conforme a la ley, se determinen como de
importancia para la seguridad nacional con efectos mineros, sin perjuicio
de las concesiones mineras válidamente constituidas con anterioridad a la correspondiente declaración de no concesibilidad o de importancia para
la seguridad nacional.”
Por su parte, la Ley 18.248, del Ministerio de Minería, promulgada el 26 de septiembre de 1983, que modificó el Código de Minería, en su Artículo
7° ratifica que el litio no es susceptible de concesión minera, y en su Artículo 8º estableció que la exploración y explotación del litio podrá
ejecutarse por el Estado o sus empresas, o bien, mediante concesiones administrativas o contratos especiales de operación:
“Artículo 7°.- No son susceptibles de concesión minera los hidrocarburos
líquidos o gaseosos, el litio, los yacimientos de cualquier especie existente en las aguas marítimas sometidas a la jurisdicción nacional ni los
yacimientos de cualquier especie situados, en todo o en parte, en zonas
que, conforme a la ley, se determinen como de importancia para la seguridad nacional con efectos mineros, sin perjuicio de las concesiones
mineras válidamente constituidas con anterioridad a la correspondiente declaración de no concesibilidad o de importancia para la seguridad
nacional.
Artículo 8°.- La exploración o la explotación de las sustancias que, conforme al artículo anterior, no son susceptibles de concesión minera,
podrán ejecutarse directamente por el Estado o por sus empresas, o por medio de concesiones administrativas o de contratos especiales de
118
operación, con los requisitos y bajo las condiciones que el Presidente de
la República fije, para cada caso, por decreto supremo.”
De conformidad con lo establecido en el citado Artículo 8º del Código de
Minería, el Estado a través del Ministerio de Minería redactó el Decreto Supremo Nº16, con fecha 2 de abril de 2012, para licitar la
comercialización del litio mediante contratos especiales de operación para la exploración, explotación y beneficios de yacimientos de litio.
Para los efectos, el Ministerio de Minería recibió la autorización de la
CCHEN para comercializar el litio extraído en dichos contratos especiales de operación, a través del Acuerdo Nº1960/12 fechado el 27 de abril de
2012, mediante el cual se acordó “autorizar, al Contratista que suscriba con el Estado de Chile, representado por el Ministerio de Minería, un
Contrato Especial de Operación para la Exploración, Explotación y Beneficio de Yacimientos de Litio, en los términos y condiciones que
establezca el Decreto Supremo N° 16, de Minería, de 2 de abril de 2012 y de los demás actos que se ejecuten como consecuencia del mismo, …
hasta un máximo de 100.000 toneladas de litio metálico equivalente por
un plazo máximo de 20 años”.
Sin embargo, en julio de 2012 se presentó un recurso de nulidad para invalidar el proceso de licitación del litio, ante el Séptimo Juzgado Civil de
Santiago, por parte de algunos senadores junto con dirigentes sindicales de la minería. Finalmente, con fecha 1 de octubre de 2012, el Gobierno
invalidó el proceso licitatorio del litio al determinar que SQM, la empresa que se había adjudicado dichos contratos, incumplió las bases de
licitación. Los antecedentes anteriores si bien evidencian la existencia de diferentes criterios para interpretar la Ley, no obstante se mantiene el rol
y atribución de la CCHEN para celebrar actos jurídicos.
Recientemente se han formulado diversas políticas públicas orientadas a una explotación más sustentable del litio, junto con una mayor presencia
del Estado es estas actividades, así como para incorporar a la matriz
energética las energías renovables no convencionales, donde destacan las generadas por la radiación solar.
3.2.4 Propuestas de política pública para el litio
En el caso del litio, en junio de 2014 el Ministerio de Minería creó una
comisión asesora ministerial denominada Comisión Nacional del Litio, cuyo objetivo fue elaborar un informe en el que propusiera una política
pública para el litio, cuya versión final fue emitida en enero de 2015 [6].
119
En dicho informe, en primer lugar, se elaboró un diagnóstico de la
situación actual del litio, en la que se releva la condición de Chile como líder en la producción de carbonato de litio a partir de salmueras por las
ventajas en costos que tiene en el Salar de Atacama con respecto a China,
así como el pequeño tamaño de la industria del litio en comparación con otros minerales, aunque señala que es interesante su potencial ya que el
uso en aparatos electrónico podrá significar un aumento de hasta un 10% en la demanda.
A continuación se formula una visión estratégica para una política nacional
para este mineral en la que la gobernanza sustentable se define como un principio inspirador de la política pública del litio. Para los efectos, se
propone una nueva institucionalidad pública que permita armonizar los objetivos económicos privados y públicos con la necesaria sustentabilidad,
reconociéndole al Estado un rol económico en la gobernanza de los salares.
Entre las funciones que tendría esta nueva institucionalidad pública,
destacan las de promover el conocimiento científico de los salares, en
general, y del litio, en especial, así como la de promover la vinculación de la industria de los salares con otras con potencial creciente de consumo
de litio, particularmente con fines energéticos.
Finalmente, la nueva visión plantea que es fundamental la competitividad de Chile en esta industria, no sólo a niveles primarios sino basada en
encadenamientos productivos posteriores a la extracción del recurso, para que se pueda lograr maximizar la renta en beneficio nacional.
En relación con el marco legal, considerando la fragilidad del ecosistémica
y las condiciones de explotación de la salmuera, la Comisión sugiere que se mantenga el estatus de no concesibilidad del litio y elevarla a rango
constitucional. En la actualidad, si bien es una sustancia no concesible, en virtud de la ley orgánica constitucional de concesiones mineras y el Código
de Minería, no está explicitado en la Constitución Política de la República
ya que, en su Artículo 19 Nº24, esta solamente se encarga de otorgar el carácter de no concesible, de un modo directo y literal, a los hidrocarburos
líquidos y gaseosos.
Entre las propuestas de la Comisión se encuentran [6]:
la reafirmación del carácter estratégico del litio, dado su alto potencial
de uso en aplicaciones energéticas;
120
la necesidad de generar políticas para incentivar la investigación y
desarrollo tecnológico de sus múltiples usos, entre los cuales se encuentra la acumulación de energía en plantas de energía renovables
como las solares.
la generación de un clúster asociado al litio que permita el fortalecimiento de centros de investigación e innovación asociados a
universidades y/o industrias.
En especial, es necesario destacar la propuesta de política pública que plantea “dado el crecimiento y enorme potencial de Chile en la generación
de energía solar, se abren oportunidades en la búsqueda de sinergias que permitan el almacenamiento de energía a través de baterías y sales
fundidas para plantas de concentración solar. Para ello, la Comisión propone realizar los estudios necesarios para vincular y dimensionar las
relaciones entre el mercado de la energía solar y el mercado del litio, en el corto y mediano plazo, en los distintos segmentos de la cadena de
valor, determinando el potencial aporte de los recursos de litio e identificando oportunidades para agregar valor, a través de soluciones
tecnológicas, y de I+D que permitan un desarrollo industrial competitivo.”
3.2.5 Agenda de energía
En marzo de 2008 se promulgó la Ley 20.257, del Ministerio de Economía,
Fomento y Reconstrucción, que “Introduce Modificaciones a la Ley General de Servicios Eléctricos Respecto de la Generación de Energía
Eléctrica con Fuentes de Energías Renovables No Convencionales”, en la cual se establecía que todas las empresas eléctricas que comercializaban
energía debían hacerlo con un porcentaje de ERNC, esto es, que cada empresa eléctrica del SING o SIC con “capacidad instalada superior a 200
megawatts para comercializarla con distribuidoras o con clientes finales, estén o no sujetos a regulación de precios, deberá acreditar ante la
Dirección de Peajes del CDEC respectivo, que una cantidad de energía equivalente al 10% de sus retiros en cada año calendario haya sido
inyectada a cualquiera de dichos sistemas, por medios de generación
renovables no convencionales, propios o contratados.”
Esta política de incentivos a las ERNC, detallaba las cuotas obligatorias de aumento progresivo, estipulando que “la obligación aludida en el inciso
primero será del 5% para los años 2010 a 2014, aumentándose en el 0,5% anual a partir del año 2015. Este aumento progresivo se aplicará
de tal manera que los retiros afectos a la obligación al año 2015 deberán cumplir con el 5,5%, los del año 2016 con el 6% y así sucesivamente
hasta alcanzar el año 2024 el 10%”.
121
Esta ley fue posteriormente modificada por la modificada por la Ley
20.698, del Ministerio de Energía, promulgada en octubre de 2013, que “Propicia la Ampliación de la Matriz Energética, Mediante Fuentes
Renovables No Convencionales”, más conocida como Ley 20/25, la cual
en su Artículo 1° establece que se reemplaza “…, en el inciso primero, el guarismo "10%" por "20%"”.
De esta manera la meta se vuelve exigente ya que duplica la inicialmente
establecida desde un 10% a un 20% para el año 2025 y, en consecuencia, las cuotas de aumento gradual también fueron modificadas.
En mayo de 2014, el Ministerio de Energía emitió la llamada “Agenda de
Energía”, documento en que se describe la política energética que el actual gobierno impulsará durante su administración [7].
Dicha política se basa en que el Estado asume un nuevo rol en la
planificación, regulación y gestión del sector, planteándose que le desafío del país es disponer de “energía que sea confiable, sustentable, inclusiva
y de precios razonables, con una matriz eléctrica diversificada, equilibrada
y que garantice al país mayores niveles de soberanía en sus requerimientos de energía.”
En el diagnóstico que realiza se reconocen el carácter estratégico y
fundamental del sector energético para el buen funcionamiento la sociedad y la vida de las personas, junto con la dependencia energética
del país, el cual importa el 60% de su energía primaria, lo que sumado a la alta volatilidad de sus precios y posibles restricciones en el suministro,
configuran un problema preocupante, que es necesario abordar tanto desde la perspectiva de la oferta como de la demanda, con un Estado que
juegue un rol más activo “en la planificación estratégica de largo plazo del sector, conciliando objetivos económicos, ambientales y sociales, en pro
del bien común de todos los chilenos y chilenas.”
Entre las metas y objetivos que se formulan, destaca el que se levanten
“las barreras existentes para las Energías Renovables No Convencionales (ERNC) del país, comprometiendo que un 45% de la capacidad de
generación eléctrica que se instalará en el país entre los años 2014 a 2025 provenga de este tipo de fuentes, cumpliendo de esta manera la meta de
un 20% de inyección de ERNC en nuestro sistema eléctrico para el año 2025, conforme a la ley vigente.”
Como una de las líneas de acción y metas, dentro del nuevo rol del Estado,
se encuentra el potenciamiento del capital humano, la ciencia e innovación, para lo cual se incluye desarrollar un programa de I+D en
122
energía solar con el propósito de estimular “la innovación y el progreso
industrial en energía solar, mediante la consolidación de los centros de investigación en energía solar ya en etapa de implementación en el país;
la promoción de asociaciones entre la industria y centros de investigación,
y un cluster enfocado al desarrollo de proveedores de bienes y servicios.”
En el impulso del desarrollo de recursos energéticos propios, en el ámbito de las ERNC, la Agenda propone “estimular la integración de las ERNC en
cumplimiento a la Ley de Fomento de las ERNC (20/25)”, para cuyos efectos será necesario enfrentar las barreras que limitan una mayor
participación de las ERNC en el mercado eléctrico, por una parte, considerando las particularidades de las ERNC en las acciones
contempladas en la Agenda, y, por la otra, reimpulsando los instrumentos de apoyo a la pre-inversión y de acceso a financiamiento para los
proyectos ERNC que estén orientados a la generación integrada al mercado eléctrico y en aquellas etapas que presenten más dificultades.
En cuanto al mejoramiento de la conectividad para el desarrollo
energético, se establece como una de sus líneas de acción y metas la
“adecuación la normativa de la operación de los Sistemas Interconectados para la incorporación eficiente y segura de las ERNC” con el objetivo de
“dotarlos de mayor flexibilidad para la incorporación eficiente y segura de ERNC a los sistemas eléctricos”, para lo cual “se revisarán se encuentran
los parámetros definidos para el despacho de centrales térmicas, el control automático de generación y el pronóstico de generación ERNC.”
3.3 Referencias
[1] Heath G, Turchi C, Burkhardt J, Kutscher C, Decker T. Life Cycle
assessment of thermal energy storage: two-tank indirect and thermocline, in the American Society of Mechanical Engineers (ASME). 3rd
International Conference on Energy Sustainability; 2009 [California].
[2] Piemonte V, Falco MD, Tarquini P, Giaconia A. Life cycle assessment of a high temperature molten salt concentrated solar power plant, 20th
European Symposium on Computer Aided Process Engineering-ESCAPE20. Elsevier B.V; 2010.
[3] Lechón Y, de la Rua C, Sáez R. Life cycle environmental impacts of
electricity production by solarthermal power plants in Spain. SolarPACES; 2006. B5-S5.
123
[4] Eduard Oró, Antoni Gil, Alvaro de Gracia, Dieter Boer, Luisa F. Cabeza.
Comparative life cycle assessment of thermal energy storage systems for solar power plants, Renewable Energy 44 (2012) 166-173.
[5] Craig S. Turchi and Garvin A. Heath. Molten Salt Power Tower Cost Model for the System Advisor Model (SAM), National Renewable Energy
Laboratory, 2013.
[6] Ministerio de Minería, Comisión Nacional del Litio. ”Litio: Una fuente de energía una oportunidad para Chile”. 2015.
[7] Ministerio de Energía. “Agenda de Energía – Un desafío país, Progreso
para todos”. 2014.
124
4 Proyecciones preliminares
Hoy en día, es indudable que el uso de sistemas de almacenamiento
térmico puede ser beneficioso en procesos industriales, y particularmente en las plantas CSP. Según la Concentrating Solar Power Alliance, las CSPP
con módulos de TES pueden llegar a otorgar beneficios económicos mayores en un rango de 30 - 60 USD/MWh en comparación a los
otorgados por CSP sin TES y plantas solares fotovoltaicas [1].
En la actualidad, los sistemas TES de las CSPP usan principalmente sal solar en estado líquido como medio de almacenamiento. Si las sales se
solidifican dentro del sistema, el cambio volumétrico de estas debido al
cambio de fase puede llegar a fisurar las tuberías por donde fluyen, además de obstaculizar el transporte de energía térmica, dificultad que
afectara el desempeño del TES. Dado lo anterior, y considerando que el punto de fusión de la sal solar es 222 °C, es necesario que el sistema TES
cuente con tecnología para mantener a las sales en estado líquido, como por ejemplo mecanismos en base a gas [2], y así disminuir el riesgo de
falla. Como ya se ha mencionado en el capítulo 2.3.4, ha sido descubierto que derivados del litio permiten disminuir la temperatura de fusión del
medio de almacenamiento energético, lo cual extiende el rango de temperatura de trabajo21 y también la estabilidad térmica. Gracias a ello
sería posible ahorrar en tecnología para evitar el riesgo de falla mencionado, así como también ahorrar en energía para el mismo fin dado
al menor punto de fusión.
A partir de los beneficios identificados del litio, a continuación, se presenta
una evaluación preliminar sobre el efecto económico que implicaría utilizar este material en el sistema TES de una CSPP, y de esta manera contar
con una primera aproximación de dicho efecto.
4.1 Composición de un sistema TES en plantas solares y
consideraciones para un cambio tecnológico
Anterior a llevar a cabo la evaluación económica, es relevante revisar los componentes de las plantas solares y su sistema TES. El sistema de
almacenamiento de energía térmica para planta CSP tiene diversos componentes esenciales para su funcionamiento desde el punto de vista
técnico y constructivo. Es importante mencionar que, para cada tecnología y tipo de sistema de almacenamiento ya sea directo, indirecto 21 El rango de temperatura de trabajo de las CSPP con TES que utilizan sal solar suele ser desde 293 °C hasta
los 393 °C. La temperatura máxima va a depender de las características técnicas del sistema, así como también
de los otros materiales que sea utilizados, como el tipo de HTF.
125
con un tanque, indirecto con dos tanques, etc., existen diversas
variaciones de los componentes [3]. A pesar de ello, cualquier tipo de sistema que se esté empleando necesita de un HTF que sea calentado en
el campo solar, y que posteriormente sea dirigido al sistema de
almacenamiento donde el calor es transferido al material de almacenamiento térmico, o al bloque de potencia para iniciar el proceso
de generación de electricidad. A continuación se presentan los elementos comúnmente empleados [3]:
Tanques de almacenamiento: contiene el material que se utiliza
para almacenar energía. Cuando la tecnología utilizada es de dos tanques con sales fundidas, el tanque de sales fría se mantiene a
temperatura entre los 230 y 280 °C y el tanque de sales calientes alcanza temperaturas de 380°C [6]. Desde el punto de vista técnico
de construcción los tanque de sales frías son fabricados con acero de carbono, mientras que el tanque con sales calientes debe ser
de acero inoxidable [7] para evitar la corrosión y aislados térmicamente, ubicándolo sobre una base de Arlita resistente a
altas temperatura la cual evita que se deforme el terreno debajo
de los tanques [6]. o Bombas al interior de los tanques: Son utilizadas bombas
centrifuga verticales en la parte inferior del tanque unida por un eje al motor eléctrico ubicado en la parte superior del
tanque. Este sistema es utilizado para hacer circular el fluido desde el interior de los tanques hacia el intercambiador de
calor, las propiedades de los fluidos, como su viscosidad, temperatura de congelación y sus características abrasivas
hacen imposible el diseño e instalación de sello de estanqueidad, por lo cual es imposible utilizar la bomba fuera
del tanque [6]. o Sistema de drenaje: Cumple la función de drenar las
tuberías que unen ambos tanques cuando el sistema no está en funcionamiento [6].
o Calentadores inmersos en los tanques: Evitan la
solidificación de las sales cuando existen perdidas térmicas en el interior de los tanques de almacenamiento.
Intercambiadores de calor: Es utilizado en todo sistema de
almacenamiento donde el medio de almacenamiento es diferente al fluido de transferencia de calor. El intercambiador puede ser de
carcasa la cual es de mayor valor y tubos de menor valor, para sistemas indirecto o banco de tubos cuando el sistema es
almacenamiento sensible en módulos de hormigón. La presión de HTF al ingresar al intercambiador de calor debe ser de 20 bares
126
aproximadamente. A diferencia de la presión del material de
almacenamiento como son las sales, la cual es menor a 1Pa, haciendo de esta presión la mínima necesaria para la circulación de
las sales, por lo cual se recomienda que las sales de nitrato sean
utilizadas en la carcasa y el aceite (HTF) circule por los tubos [4], por lo tanto es recomendable que el fluido con mayor presión
circule por los tubos al igual que el de mayor corrosión y mayor temperatura [5], y que la corriente con menor flujo deba circular
por la carcasa [5].
Bombas y válvulas: son utilizadas en la circulación de las sales y el diseño de esta es de importancia para evitar problemas de
solidificación, paradas del sistema y disminuir las operaciones de mantenimiento.
Sistema de aislamiento: Es indispensable para evitar caídas en
el rendimiento del sistema a raíz de las pérdidas térmicas. En el caso de que la temperatura de trabajo sea superior a 400°C es
recomendado el uso de acero inoxidable, en cambio si las
temperaturas de trabajo son inferiores a 400°C es posible la utilización de acero de carbono.
Traceado eléctrico para el calentamiento de las tuberías: Es
utilizado en todas las tuberías y equipos por los que fluyen las sales fundidas para evitar que la temperatura de estas descienda los
290°C y se solidifiquen. En tuberías con menor diámetro una temperatura uniforme es más complejo por lo cual se recomienda
tuberías con un diámetro superior a 4”.
Instrumentación y dispositivos de control: Aseguran el correcto funcionamiento del sistema.
Fluido de transferencia de calor: Encargado de transportar el
calor desde el campo solar hacia los tanques de almacenamiento.
El rango de temperatura de trabajo variará según el material utilizado, aquellos mayoritariamente utilizados trabajan entre
290°C y 390°C, pero sus características químicas no permiten utilizarlo sobre los 400°C ya que las reacciones de degradación
aumentan exponencialmente de velocidad, originándose hidrocarburos volátiles y pesados que modifican el comportamiento
de la planta, y que además pueden afectar la seguridad.
127
4.2 Costos asociados al sistema TES y materiales de
almacenamiento 4.2.1 Costos de sistema TES
Los costos asociados a un sistema TES variarán de proyecto en proyecto.
Acorde a un estudio de IRENA, en los años 2013 y 2014 el costo de instalación de las plantas CSP estuvo en el rango de 3550 a 8760
USD/kW. La variación de estos valores depende de varios factores, tales como tipo de tecnología utilizada, la disponibilidad de radiación solar, el
tamaño de la planta, los tipos de materiales, si cuenta con
almacenamiento térmico, entre otros. En la Figura 1 es presentada la distribución de los costos de cuatro plantas, 3 PTC y una SPT, donde se
evidencia la variación en la estructura. Cabe destacar que, en las plantas PTC el costo del campo solar es aquel componente que mayor inversión
demanda.
Figura 1: Distribución de costos de plantas CSP [8]
Fuente: Agencia Internacional de Energías Renovables; Renewable Power Generation
Costs in 2014; Enero 2015.
Si bien actualmente la mayoría de los nuevos proyectos están utilizando receptor de torre, dado que a la fecha las plantas del tipo PTC han sido
más desarrolladas que el resto de las CSP (constituyen alrededor del 85% de la capacidad instalada de este tipo de plantas solares [8]), es posible
128
encontrar mayor información referente a sus costos. En la Tabla 1, se
presenta el detalle de un proyecto CSP de tecnología PTC de 50 MW llave en mano, con 7,5 horas de almacenamiento térmico, similar a la planta
Andasol en España. El costo de esta planta se estima en 364 millones de dólares (280 millones de euros), los que producen 7280 USD/kW [9], de
los cuales un 38,5% son destinados al bloque de campo solar y sistema de transporte energético de la planta. En este bloque, los mayores costos
se concentran en la estructura metálica, los receptores y los espejos, con un 10,7%, 7,1% y 6,4%, respectivamente. Los costos del sistema de
transporte de calor se dividen en dos, el fluido caloportador (HTF) y el sistema por el cual fluye este material los cuales contribuyen con 2,1% y
5,4% respectivamente.
El módulo de almacenamiento térmico, el cual corresponde a un sistema TES de dos tanques de calor sensible, representa un 10,5% del costo total
de la planta. Al descomponerlo, se identifica que las sales utilizadas, seguido de los tanques y el intercambiador de calor son los elementos
más costosos del sistema los cuales comprometen un 48,5%, 17,2% y 13,3% de la inversión total del bloque de almacenamiento,
respectivamente.
129
Tabla 1: Estructura de costos de una CSPP de cilindros
parabólicos de 50 MW y 7,5 horas de almacenamiento térmico (2010) [9]
Fuente: Agencia Internacional de las Energías Renovables; Renewable Energy
Technologies: Cost Analysis Series, Concentrating Solar Power; Junio 2012.
En el caso de los costos de las plantas de tipo SPT, a pesar de contar con menor cantidad de proyectos desarrollados en comparación a las plantas
del tipo PTC, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL, por su sigla en inglés, National Renewable Energy Laboratory) llevó a cabo la
descripción de la estructura de costos de una planta de tipo SPT para ser
130
utilizada con el programa computacional SAM (Solar Advisor Model)22 [A].
Esta planta referencial considera una potencia neta de 100 MWe y sales fundidas a modo de HTF y medio de almacenamiento de energía en el
módulo TES, el que consiste en un diseño directo de 2 tanques de calor
sensible de 10 horas. Los costos considerados se presentan en la Tabla 2, en la cual se puede apreciar que el módulo TES compromete un 11% del
total de la inversión.
Tabla 2: Costos de planta referencial de tipo SPT [10]
Costos directos de la planta Total (USD) %
Campo de heliostatos $ 233.500.000 35%
Bloque de potencia $ 138.050.000 21%
Receptor $ 97.020.000 15%
TES $ 73.600.000 11%
Contingencia $ 43.570.000 7%
Balance of Plant $ 40.770.000 6%
Torre $ 28.500.000 4%
Mejoras al sitio $ 10.994.540 2%
Fossil Backup (no considera) $ - 0%
Costs Directos Totales $ 666.004.540 100%
Fuente: Turchi, Garvin A. Heath, National Renewable Energy Laboratory; Molten Salt
Power Tower Cost Model for the System Advisor Model (SAM); Febrero 2013
La descomposición de los costos del bloque TES se presenta en la Tabla
3, de los cuales de identifica que el medio de almacenamiento (las sales)
es el que abarca el mayor porcentaje de la inversión total en almacenamiento térmico, 58,7%, seguido por el costo de los tanques con
un 26%.
Tabla 3: Descomposición de costos del bloque TES de planta referencial SPT [10]
Ítem Total (USD) %
Medio de almacenamiento (sales) $ 43.170.000 58.7%
Tanques $ 19.160.000 26.0%
Cimientos y estructuras de soporte $ 5.410.000 7.4%
Tuberías, aislamiento, válvulas y fittings $ 4.960.000 6.7%
Instrumentación y controles $ 900.000 1.2%
Total $ 73.600.000 100%
Fuente: Turchi, Garvin A. Heath, National Renewable Energy Laboratory; Molten Salt
Power Tower Cost Model for the System Advisor Model (SAM); Febrero 2013
22 El programa SAM, consiste en un modelo financiero y de desempeño diseñado para facilitar la toma de
decisiones para gente involucrada en la industria de energías renovables. Mayor información se puede encontrar
en la página web del modelo https://sam.nrel.gov/cost .
131
Un costo no mencionado en la Tabla 1 y en la Tabla 2 corresponde al del
sistema anti solidificación de las sales fundidas, el cual es parte de los tanques. Acorde a la empresa AKOTRACE [11], el costo por inversión de
este sistema en plantas PTC varía en torno al 0,5% de la inversión total de la planta, pero este variará dependiendo de las dimensiones de sistema
de almacenamiento y la cantidad de sales empleadas para ello. Su mayor impacto va en relación a la energía consumida para mantener las sales
en estado líquido, el cual puede llegar a alcanzar el 10% de la producción de electricidad anual de la planta [12]. Este porcentaje varía dependiendo
de varios parámetros, tales como del tipo y la cantidad de material para almacenar la energía o el tipo de material utilizado como HTF.
Adicionalmente a los costos de instalación de las plantas, existen los
costos de operación y mantención (O&M). Así como los elementos de
la estructura de costos de las CSP mencionados en los párrafos anteriores, los O&M varían según cada proyecto, y la información pública disponible
sobre ellos es escasa. Algunas estimaciones realizadas en Estados Unidos para las plantas PTC que incluyen TES entre 6 y 12 horas de
almacenamiento, estiman este costo en torno a los 0,015 USD/kWh los que comprometen costos fijos de 70 USD/kW/año y costos variables de
0,003 USD/KWh. Para plantas SPT, se estimó 65 USD/kW/año. En ambos tipos de plantas, las estimaciones se consideran robustas ya que no
incluyen la totalidad de componentes que constituyen este costo, como por ejemplo el gasto por seguros [8].
En los párrafos anteriores se mencionaron los costos de las plantas CSP
considerando un sistema TES de calor sensible. Este tipo de almacenamiento es el ampliamente utilizado en las plantas CSP, mientras
que módulos de calor latente y termoquímico aún están en fase
experimental, por lo que la información sobre sus costos es escasa. A pesar de lo anterior, en el caso de un módulo de calor latente, está
disponible el costo del módulo experimental del proyecto DISTOR, mencionado en el Estado del Arte del presente informe. En dicho proyecto
fue estudiado un módulo de calor latente de 200 kW, el cuál considera sal solar como material de almacenamiento. En la literatura se identifica que
el costo de inversión de este módulo experimental es de 45 €/kWhth
(~48 US$/kWhth), lo cual permite realizar estimaciones de cuánto
podría llegar a costar un módulo más grande de este tipo.
4.2.2 Costos de materiales de almacenamiento y HTF
Con el fin de poder comparar el uso del litio y sus derivados para almacenamiento térmico, un punto fundamental es el costo de estos
materiales. En Chile, el Servicio Nacional de Aduanas (SNA) publica las
132
exportaciones de derivados de litio que realiza el país. Estas están
compuestas por los 4 siguientes productos: Carbonato de litio
Salmueras
Hidróxido de litio Cloruro de litio
De todos ellos, el que domina las exportaciones es el carbonato de litio, como se puede apreciar en la Tabla 4, la cual presenta las cantidades y
valorización de exportaciones de derivados del litio en el país.
Tabla 4: Cantidades y valores de exportaciones Chilenas de los derivados de litio [13]
Exportaciones físicas (toneladas)
2010 2011 2012 2013
CARBONATO LITIO 40,896 48,248 55,899 47,594
SALMUERAS 9,222 19,812 19,800 25,131
HIDRÓXIDO LITIO 5,184 4,923 5,303 3,900
CLORURO LITIO 3,471 4,183 4,505 3,591
Exportaciones valoradas (miles de USD FOB)
2010 2011 2012 2013
CARBONATO LITIO 174,315 204,161 247,020 225,917
SALMUERAS 8,023 13,630 16,189 23,369
HIDRÓXIDO LITIO 25,647 25,993 28,469 21,743
CLORURO LITIO 7,558 10,503 13,787 11,908
Exportaciones (miles de USD/Toneladas)
2010 2011 2012 2013
CARBONATO LITIO 4.26 4.23 4.42 4.75
SALMUERAS 0.87 0.69 0.82 0.93
HIDRÓXIDO LITIO 4.95 5.28 5.37 5.57
CLORURO LITIO 2.18 2.51 3.06 3.32
Fuente: COCHILCO y SNA; Estadísticas de la Minería No Metálica; Febrero 2015
Las propiedades térmicas de estos derivados y del litio, se presentan en
la Tabla 5, en la cual se aprecia que todos cuentan con mayores puntos de fusión y calor latente que el litio y que la sal solar. En relación al calor
sensible, todos son menores al litio. Cabe destacar que, dado al alto punto de fusión del carbonato e hidróxido de litio, en primera instancia no son
una opción viable para ser estudiada para TES de calor sensible en plantas CSP. No obstante, es posible identificar en la literatura, investigaciones
133
recientes en las que se consideran mezclas que incluyen carbonato de
litio, las cuales tienen una temperatura de fusión de 400°C y se descomponen cerca de los 800 – 850°C [14].
Tabla 5: Propiedades del litio y derivados, en comparación con la sal solar
Material Fórmula
Calor
específico
Calor
latente Densidad
Punto de
fusión
kJ/kg·K kJ/kg kg/m3 °C
Sal solar KNO3 - NaNO3 1,43 105 2192 223
Litio Li 3,57 422 535 180,54
Carbonato de
litio Li2CO3 1,32 509 2110 723
Hidroxido de
litio LiOH 2,07 875 1460 462
Cloruro de
litio LiCl 1,13 416 2070 610
Fuente: Pradyot Patnaik, “Handbook of Inorganic Chemicals”
En la literatura, es posible identificar estudios en donde se utilizan otros
derivados del litio, tales como el nitrato y nitrito de litio, LiNO3 y LiNO2 respectivamente. En ellos, son estudiados compuestos que incluyen estos
materiales, los cuales cuentan con puntos de fusión más bajos y a la vez con precios más altos que la sal solar. Algunos de estos compuestos se
presentan en la Tabla 6, cabe destacar que no se encuentra disponible la composición de todos ellos, no obstante es de interés tenerlos en
consideración ya que se cuenta con información referente a su punto de fusión, capacidad calorífica, densidad y precio correspondiente al año
2010, lo cual permite llevar a cabo estimaciones para el análisis económico que se realiza más adelante en este mismo capítulo. .
Tabla 6: Compuestos de sales con derivados de litio y la sal solar (2010) [17], [18]
Compuesto
Punto de fusión
Capacidad calorífica
Densidad Precio de la sal (2010)
°C kJ/kg K Kg/m3 USD/kg
1. 40% KNO3 + 60% NaNO3 (sal
solar) 222 1,54 2.192 1,08
2. 54,07% KNO3 + 25,94% LiNO3 + 20,01% NaNO3
117 2,32 1.720 2,21
3. KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3 79 1,50 1.780 1,93
4. KNO3 + LiNO3 + NaNO3 + MgK 101 1,58 1.710 1,54
5. LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO3 99 1,56 1.780 1,81
6. LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO2 + KNO3
95,7 1,55 1.780 1,80
Fuente: Solar Energy Technologies Program, U.S. Department of Energy (2010).
134
Complementariamente, otros compuestos son identificados en literatura,
de los cuales se manifiesta su composición, pero no la densidad de todos (magnitud necesaria para calcular el volumen que ocupa cierta cantidad de masa). Estos son los presentados en la Tabla 7, donde “S.I.” significa
“Sin Información”. Con el porcentaje que contribuye cada material al
compuesto, y el costo del material por unidad de masa, es posible obtener un valor estimado del precio. Es así como se calculan los precios en la columna “precio” de la Tabla 7. En total se necesitaron los precios de 4
tipos de materiales:
Nitrato de sodio (NaNO3) y nitrato de potasio (KNO3): Para
ambos se utilizaron los precios presentados en la sección 2.3.1.1, los cuales son 526 USD/ton y 1.003,125 USD/ton respectivamente.
Nitrato de litio (LiNO3): Obtener un precio promedio de este
material, es una tarea compleja dada la variabilidad de precios, formatos, purezas, etc., los cuales varían entre los proveedores. No
obstante lo anterior, acorde al informe “Uso potencial del Nitrato de Litio en Plantas de Concentración Solar de Potencia (CSP)”,
preparado por Pedro Pavlovic para la Comisión Nacional del Litio en noviembre de 2014 [20], SQM está en las mejores condiciones para
producir el nitrato de litio, y este tendría un valor tentativo entre 4.000 y 5.000 USD/ton. Dada la importancia de SQM, en el cálculo
de los compuestos se utilizará el rango mencionado, y considerando que la compra de grandes volúmenes de este material (como sería
el caso en una planta solar) tiene oportunidad de descuentos,
debido a negociaciones entre los desarrolladores de proyectos y proveedores, es utilizado el menor valor del rango (4.000 USD/ton).
Nitrato de calcio (Ca(NO3)2): El precio utilizado para este nitrato
fue 272.875 USD/ton, el cual se obtuvo al calcular el precio promedio de 4 proveedores chinos, los que se presentan en la Tabla
8 y corresponden a marzo de 2015.
Tabla 7: Otros compuestos estudiados y su composición
porcentual [17], [19]
Compuesto
Punto de
fusión
Estabilida
d térmica
Capacida
d calórica Densidad
Precio
(2014)
°C °C kJ/kg K Kg/m3 USD/ton
Sal solar (60% NaNO3
+ 40% KNO3) 222 588,51 1,54 2.192 716,9
48% Ca(NO3)2 + 7%
NaNO3 + 45% KNO3 131 554,39 1,27 S.I. 619,2
20% LiNO3 + 52% KNO3
+ 28% NaNO3 130 600,05 1,09 S.I. 1.468,9
135
Compuesto
Punto de
fusión
Estabilida
d térmica
Capacida
d calórica Densidad
Precio
(2014)
°C °C kJ/kg K Kg/m3 USD/ton
30% LiNO3 + 60% KNO3
+ 10% Ca(NO3)2 132 567,18 1,40 S.I. 1.528,2
25.92% LiNO3 +
20.01% NaNO3 +
54.07% KNO3
117 S.I. 2,32 1720 1.684,4
Fuente: Solar Energy Technologies Program, U.S. Department of Energy (2010); A.G.
Fernández, S. Ushak, H. Galleguillos, F.J. Pérez, Development of new molten salts with
LiNO3 and Ca(NO3)2 for energy storage in CSP plants (2014).
Tabla 8: Precios de nitrato de calcio (2015)
Empresa País Unidad Precio Promedio
(min-max) Pureza
Min Max
Changsha Choice
Chemicals Ltd.23 China USD/ton 250 320 285 99%24
Shanxi Tianxi Trade Co.,
Ltd.25 China USD/ton 280 300 290 99.0%
Tianjin Crown Champion
Industrial Co., Ltd.26 China USD/ton 230 250 240 99%27
Hebei Monband Water
Soluble Fertilizer Co., Ltd.28 China USD/ton 261 292 276.5 99%29
Promedio total (USD/ton) 272.875
Fuente: Elaboración propia a partir de precios y purezas publicados por cada compañía
en el link especificado en cada nota al pie.
Con los datos de la sales presentados en las Tabla 6 y Tabla 7, es posible
llevar a cabo proyecciones preliminares del efecto económico que estas
podrían llegar a producir en una planta CSP.
4.2.3 Cálculo y costo del recurso energético
Un proceso importante en el diseño de una planta CSP es calcular la
cantidad de material necesario que almacenará energía. Para ello es
fundamental el uso de la ecuación del calor:
23 Datos obtenidos en marzo de 2015 desde la página http://choice-chem.en.alibaba.com/product/60129496176-
214354025/Calcium_Nitrate_Granular.html 24 La pureza informada por el proveedor es 99% mínima, sin definir decimales. 25 Datos obtenidos en marzo de 2015 desde la página http://www.alibaba.com/product-detail/molecular-weight-
calcium-nitrate_930150142.html?s=p. 26 Datos obtenidos en marzo de 2015 desde la página http://www.alibaba.com/product-detail/formula-calcium-
nitrate-tetrahydrate_60149085217.html?s=p. 27 La pureza informada por el proveedor es 99% mínima, sin definir decimales. 28 Datos obtenidos en marzo de 2015 desde la página http://www.alibaba.com/product-detail/Calcium-Nitrate-
Granular-liquid-fertilizer-manufacturer_60194722426.html?s=p 29 La pureza informada por el proveedor es 99% , sin definir decimales.
136
En esta ecuación representa la masa del medio de almacenamiento de calor seleccionado. , y representan la temperatura inicial, la
temperatura de fusión y la temperatura final del medio de almacenamiento de calor, respectivamente. En CSP, y son las
temperaturas mínima y máxima del rango de temperatura en la planta.
representa el calor específico del material, es la fracción derretida
y es el calor de fusión por unidad de masa (J/kg). Las integrales de la fórmula calculan la energía obtenida a partir de sólo calentar el medio
de almacenamiento de calor sin que este cambie de fase, mientras que el término medio de la fórmula calcula la energía del proceso de cambio de
fase.
Con esta ecuación es posible calcular teóricamente la cantidad de energía
que almacena un material, al considerar variaciones de temperatura en la masa. También permite llevar a cabo comparaciones entre materiales.
Por ejemplo, al calcular la energía almacenada dada una variación de 1°C en un metro cúbico (sin considerar un cambio de fase), indicará la
densidad energética correspondiente debido a calor sensible. Para dicho cálculo es necesario contar con la información sobre la densidad de los
materiales, por lo que se llevó a cabo el cálculo con aquellas sales de la Tabla 6. En la Tabla 9 se presentan las densidades energéticas de los
compuestos de la Tabla 6 en kWhth/m3 dada variaciones de 1°C, de los que se puede apreciar que la combinación KNO3+LiNO3+NaNO3 (la cual
hace referencia al compuesto 25.92% LiNO3 + 20.01% NaNO3 + 54.07% KNO3) es aquella que provee mayores valores.
Tabla 9: Comparación de densidades energéticas de materiales de calor sensible [17]
Fuente: Elaboración propia con información del Departamento de Energía de Estados
Unidos (2010).
(5)
137
Luego, con los precios de los materiales de las Tabla 6 y Tabla 7 es posible
comparar el costo de almacenar un kWhth entre ellos. En la Figura 2 es presentada dicha comparación, tanto con los precios identificados en el
año 2010 como aquellos del año 2014 (la leyenda de la figura se describe en la Tabla 10, y el detalle de los costos se presentan en la Tabla 11). Se
aprecia en la figura que la sal solar es aquella que otorga menores precios
en ambos años.
Figura 2: Comparación USD/kWhth entre materiales [17], [19]
Fuente: Elaboración propia con información de Solar Energy Technologies Program,
U.S. Department of Energy (2010); A.G. Fernández, S. Ushak, H. Galleguillos, F.J.
Pérez, Development of new molten salts with LiNO3 and Ca(NO3)2 for energy storage
in CSP plants (2014).
Tabla 10: Leyenda utilizada en Figura 2 Leyenda Compuesto
Sal solar 40%KNO3 + 60%NaNO3
1 54.07%KNO3 + 25.92%LiNO3 + 20.01%NaNO3
2 KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3
3 KNO3 + LiNO3 + NaNO3 + MgK
4 LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO3
5 LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO2 + KNO3
6 20%LiNO3 + 52%KNO3 + 28%NaNO3
7 30%LiNO3 + 60%KNO3 + 10%Ca(NO3)2
Fuente: Elaboración propia
138
Tabla 11: Detalle del costo de almacenar 1 kWhth por compuesto
Orden para Gráfico
Compuestos
con precios
2010
Compuestos
con precios
2014
USD/kWhth USD/kWhth
40%KNO3 + 60%NaNO3 2527,8 1677,8
25.92%LiNO3 + 20.01%NaNO3 + 54.07%KNO3 3423,1 2613,8
KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3 4612,4 -
KNO3 + LiNO3 + NaNO3 + MgK 3504,7 -
LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO3 4182,9 -
LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO2 + KNO3 4185,8 -
20%LiNO3 + 52%KNO3 + 28%NaNO3 - 4847,0
30%LiNO3 + 60%KNO3 + 10%Ca(NO3)2 - 3943,8
Fuente: Elaboración propia
4.3 Proyecciones del costo nivelado de la energía
En esta sección se presenta la metodología utilizada para evaluar económicamente el uso de derivados de litio en sistemas TES de plantas
CSP para, posteriormente, llevar a cabo proyecciones y tener una primera aproximación del impacto económico que puede producir el uso de este
material en dos tipos de plantas:
Planta 1: Planta CSP del tipo PTC, que cuenta con sistema de almacenamiento térmico de dos tanques de calor sensible utilizando
sal solar como medio de almacenamiento. Esta considera aceites como HTF.
Planta 2: Planta CSP del tipo SPT, la cual considera sal solar para el sistema de TES de dos tanques de calor sensible y como HTF.
4.3.1 Metodología del costo nivelado de la energía (LCOE)
El instrumento comúnmente utilizado para evaluar económicamente las
plantas solares es el costo nivelado de la energía (LCOE, por su sigla en inglés, “Levelized Cost Of Electricity”), también conocido como "Costo
Nivelado de la Generación Eléctrica" [22], [9]. Este instrumento permite la comparación de las diferentes tecnologías de generación de energía
sobre la base de costos medios ponderados [22]. Calculando el LCOE de una tecnología específica, se obtiene el precio por unidad de energía
producida y, entonces, al comparar entre los diferentes mecanismos de generación de energía se puede concluir cuáles son los más baratos.
139
La fórmula de LCOE es la siguiente [23]:
Donde es la inversión inicial, son los costos totales anuales para el
año , es la producción de energía para el año , es la tasa de
descuento y es el período de análisis [22].
En las siguientes secciones se procede a calcular el LCOE en las plantas 1 y 2, en las cuales se evaluará preliminarmente el uso de derivados de
mezclas de sales que incluyen derivados de litio. Para ello la metodología a utilizar es:
6. Seleccionar una planta CSP del tipo correspondiente al análisis a
realizar (planta 1 o planta 2). Para la selección, se prioriza el acceso
a información económica y técnica de la planta. 7. Calcular el LCOE base de la planta seleccionada, teniendo en
consideración los datos económicos y técnicos de ella. 8. Calcular el requerimiento energético térmico teórico de la planta
otorgado por el medio de almacenamiento térmico (sal solar) utilizando la ecuación del calor, para luego calcular la masa de
material compuesto con derivados de litio necesario para cumplir con el mismo requerimiento energético.
9. Comparar cantidades de material necesario y estimar ahorros en tamaños de tanques y traceado eléctrico
10. Calcular el nuevo LCOE de la planta seleccionada considerando el material compuesto con derivados de litio, y
compararlo con el LCOE base.
4.3.2 LCOE de planta CSP con sistema TES de 2 tanques de calor
sensible utilizando sal solar y aceites como HTF
Para el análisis de la planta tipo “planta 1” es seleccionado de referencia el proyecto “Extresol 3”. Este consiste en una CSP del tipo PTC de 50 MW
y con un costo de inversión de 300 millones de euros [26], construida en Torre Miguel de Sesmero (providencia de Badajoz) en España,
desarrollada por Grupo COBRA, y puesta en marcha en el año 2012. Cuenta con un módulo TES de dos tanques de calor sensible de 7,5 horas
de almacenamiento, lo que equivale a 1.010 MWhth, y para lo cual utilizan 28.500 toneladas de sal solar. Para transportar dichas sales, de acuerdo
a [28], se necesitaron alrededor de 1.100 camiones, y para poner en
(6)
140
marcha los tanques de almacenamiento se requirieron dos meses para
fundir el total de las sales, a una tasa de 500 toneladas por día. El sistema HTF para el transporte de energía, cuenta con 2.200 toneladas del fluido
óxido de bifenilo y difenilo (Diphenyl/Biphenyl oxide), el cual fluye dentro
del sistema gracias a 3 bombas principales [28].
En la Tabla 12, se pueden identificar otras características de la planta.
Tabla 12: Características de la planta Extresol-3 [26], [28], [29], [31]
Costo Inversión total 300.000.000 euros (390.000.000 USD)30
TES
Capacidad TES 7,5 horas (1010 MWhth)
Tipo de sal sal solar (60% NaNO3 + 40%
KNO3) Cantidad de sales 28.500 toneladas Dimensiones tanques para TES
38 m de diámetro y 14 m de alto
Campo solar Superficie reflectante del campo solar
1.530.360 m2
Recurso Solar anual 2.168 kWh/m2/año Bloque de potencia
Generación anual eléctrica 158.000 MWhe Horas de operación al año 3.584 horas de plena carga
HTF Cantidad de HTF 2.200 Toneladas. Tipo de HTF Diphenyl/Biphenyl oxide
Temperatura de trabajo
Mínima 293°C Máxima 393°C
Fuente: Elaboración propia a partir de información de Comisión Europea (2013),
National Renewable Energy Laboratory de Estados Unidos (2015), Energy News (2012)
y CSP World (2015).
Se selecciona Extresol 3 para el análisis debido a la disponibilidad de
información, así como también a la posibilidad de utilizar la estructura de costos presentada en la Tabla 1, dadas las similitudes en inversión total,
capacidad, tipo y cantidad de almacenamiento (horas), entre otros.
El LCOE es calculado para los siguientes escenarios:
LCOE1-1: LCOE de la planta CSP con sistema TES de dos tanques
de calor sensible, utilizando sal solar y HTF original del diseño de la planta.
30 Tasa de cambio utilizada: 1 euro igual a 1.3 dólares, tasa utilizada en documento de referencia de la Comisión
Europea.
141
LCOE1-2: Listado de LCOE de la planta, reemplazando la sal solar
como medio de almacenamiento por compuestos que contienen derivados de litio presentados en la Tabla 6. Se seleccionan estos
derivados, ya que son los que se encuentran presentes en la
literatura. Además, se informa de su capacidad calorífica, densidad punto de fusión y precio, parámetros fundamentales para poder
llevar a cabo este análisis. Cabe destacar que, todas estas sales aún están en investigación, y aún no son consideradas comerciales ya
que todavía faltan análisis por ser realizados, tales como sobre la corrosión que pudieran llegar a producir al ser utilizadas en el
sistema. Es posible que en un futuro sean identificadas otras mezclas con derivados de litio, con distintas proporciones de
materiales que produzcan mayores beneficios para la planta CSP. En relación al HTF considerado, es el original del diseño de la
planta. Luego, el LCOE es calculado teniendo en consideración las siguientes observaciones:
o Debido a que hay composiciones con litio que producen menores puntos de fusión en comparación a la sal solar, se
modificará en cada caso el rango de temperatura de trabajo.
Cada nuevo rango tiene de máximo 393 °C, dado por el tipo de aceite utilizado como HTF. Si aumenta sobre este valor, el
aceite comienza a degradarse. El mínimo estará dado por el punto de fusión del material más 71°C, cifra que es utilizada
como temperatura de seguridad en la planta base. Esta se obtiene al restar al rango mínimo original de la planta, 293
°C, el punto de fusión de la sal solar, 222°C. Cabe destacar, a falta de información sobre el uso de los compuestos con litio
en las CSP, es que se utiliza como referencia este valor. o En términos de costos, el intercambio de sal solar por sales
con litio será realizado basado en la cantidad de energía térmica que almacena el módulo TES, 1010 MWhth. Utilizando
la ecuación del calor, el calor específico de cada compuesto con litio y el rango de temperatura se obtiene la cantidad de
masa necesaria para cumplir con los requerimientos
energéticos. Luego, la masa calculada se multiplicaría por su precio para obtener el costo total. En la Tabla 13 se listan los
compuestos considerados, la cantidad utilizada y el costo total estimado para cada uno. Se destaca que el uso de las sales
estudiadas, teóricamente permite reducir entre un 33 y 70% la masa utilizada en comparación a la sal solar. En términos
de volumen de aquellos compuestos de los cuales se cuenta con la densidad, se reduce entre 48 y 62%. Respecto al costo
total por material para almacenamiento, con los precios del año 2010 se estima un ahorro en el rango de 30,5 – 41,9%,
142
mientras que con los costos en el año 2014 por un lado se
obtiene un ahorro de 29% con la sal 25.92% LiNO3 + 20.01% NaNO3 + 54.07% KNO3, pero con las otras sales se
incrementa el costo en el rango 14,5 – 39,2%. A partir de los
datos de la Tabla 13, considerando el requerimiento energético de la planta, y el rango de temperatura de trabajo
de las sales, es calculado el costo por kWhth dado por el costo total de los compuestos para la planta, los cuales se grafican
en la Figura 3. En dicha figura, se identifica que el compuesto 1 (54.07%KNO3 + 25.92%LiNO3 + 20.01%NaNO3) y 2 (KNO3
+ NaNO2 + LiNO2 + NaNO3), son aquellos que producen el kWhth más barato con los precios del año 2010, mientras que
con los precios del año 2014 sólo el compuesto 1. o Los ahorros volumétricos de material permiten cuantificar el
ahorro en tanques de almacenamiento. Para ello, primero es estimado el costo de los tanques multiplicando el costo total
de la planta por 1,8% (contribución de los tanques a la inversión total de la planta acorde a la Tabla 1). Luego, acorde
a la variación volumétrica de cada tipo de sal, se disminuye
proporcionalmente el costo de los tanques original, y de esta manera obtener el costo de tanques correspondiente a la sal
en cuestión. o Con el cambio de sales, y a causa de los menores puntos de
fusión de las mezclas con litio en comparación a la sal solar, en el sistema de traceado eléctrico de la planta se producirá
un ahorro debido a un menor consumo de energía. Al ser menor el punto de fusión, la planta necesitará destinar menor
cantidad de su producción energética a mantener las sales en estado líquido, por lo que su producción neta anual
aumentará. Para calcular el efecto en el autoconsumo debido a la menor temperatura de fusión hay que tener en
consideración principalmente: Tipo de aislamiento utilizado en los tanques y sistemas
de tuberías.
Tamaño y calidad de los tanques. Dimensiones de las tuberías del sistema (estas varían
según sistema). Pérdidas energéticas por el intercambiador de calor y
por las bombas, las cuáles son informadas por cada fabricante.
Condiciones ambientales del lugar en donde está instalada la planta, ya que el autoconsumo no es el
mismo en un lugar. La diferencia de temperatura ambiente con la del tanque puede aumentar o disminuir
143
las pérdidas de calor. Por ejemplo, el autoconsumo no
es el mismo en el día y en la noche debido a las variaciones de temperatura.
Velocidad de transferencia de calor del material mismo
o la mezcla. Una mezcla de sales que se enfría más rápido que otra, requiere un uso mayor del traceado
eléctrico.
En base a la experiencia del equipo consultor, tomando de referencia datos pertenecientes a proyectos confidenciales,
sería posible obtener un aumento máximo en torno al 2% en la energía neta producida anualmente en la planta debido a
la disminución en el gasto energético para mantener las sales en estado líquido. Luego, para reflejar el efecto de la
disminución del autoconsumo a causa al menor punto de fusión de cada una de las sales analizadas en este estudio
preliminar, se considerará un aumento de 2% en la energía neta producida en comparación al caso base. Es importante
destacar que, este 2% es un estimado y que puede ser menor
o mayor dependiendo de las condiciones de cada planta antes mencionadas. Si se desea obtener una cifra más exacta y
precisa, para el caso estudiado, se necesita llevar a cabo un estudio más extenso y detallado.
144
Tabla 13: Cantidad y costo de compuestos considerados para el
cálculo de LCOE de Extresol 3
Tipo de compuesto
Cantidad de
material
Variación de masa versus
sal solar
Volumen
utilizado
Variación de
volumen versus
sal solar
Variación de
temperatura (Tmax – Tmin) 31
Costo total de material para
la planta, y variación en
comparación al costo de
total de la sal solar
Ton. % m3 % °C
2010 2014
MM USD
% MM USD
%32
40% KNO3 + 60%
NaNO3
29.000 - 13.230 - 100 31,3 0% 20,8
0%
25.92% LiNO3 +
20.01% NaNO3 +
54.07% KNO3
8.677 70% 5.045 62% 206 19,1 38,9% 14,6
29,7%
KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3
11.294 61% 6.345 52% 244 21,8 30,5% - -
KNO3 + LiNO3 + NaNO3 + MgK
11.832 59% 6.919 48% 222 18,2 41,9% - -
LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 +
KNO3
11.891 59% 6.680 50% 224 21,5 31,3% - -
LiNO3 + NaNO2 +
NaNO3 + KNO2 + KNO3
11.805 59% 6.632 50% 227.3 21,2 32,3% - -
20% LiNO3 + 52%
KNO3 + 28% NaNO3
19.710 32% - - 193 - - 28,9
39,2%
30% LiNO3 + 60% KNO3 +
10% Ca(NO3)2
15.576 46% - - 191 - - 23,8
14,5%
Fuente: Elaboración propia con información de Solar Energy Technologies Program, U.S. Department of Energy (2010); A.G. Fernández, S. Ushak, H. Galleguillos, F.J. Pérez,
Development of new molten salts with LiNO3 and Ca(NO3)2 for energy storage in CSP plants
(2014).
31 Se refiere a la temperatura máxima y mínima a la que se expone cada compuesto, la que define el rango de
temperatura de trabajo de cada uno. 32 Los porcentajes en rojo significan que el costo total del material analizado es mayor en comparación al costo
total de la sal solar. Por ejemplo, la sal 20% LiNO3 + 52% KNO3 + 28% NaNO3 en el año 2014 es 39,2% más
cara que la sal solar en el mismo año.
145
Figura 3: Costo de sales por kWhth almacenado para planta Extresol 3
Fuente: Elaboración propia con información de Solar Energy Technologies Program,
U.S. Department of Energy (2010); A.G. Fernández, S. Ushak, H. Galleguillos, F.J.
Pérez, Development of new molten salts with LiNO3 and Ca(NO3)2 for energy storage
in CSP plants (2014).
Tabla 14: Leyenda utilizada en Figura 3
Leyenda Compuesto
Sal solar 40%KNO3 + 60%NaNO3
1 54.07%KNO3 + 25.92%LiNO3 + 20.01%NaNO3
2 KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3
3 KNO3 + LiNO3 + NaNO3 + MgK
4 LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO3
5 LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO2 + KNO3
6 20%LiNO3 + 52%KNO3 + 28%NaNO3
7 30%LiNO3 + 60%KNO3 + 10%Ca(NO3)2
Fuente: Elaboración propia
El cálculo de los LCOE tendrá en consideración un total de 25 y 30 años
de vida útil de la planta, y una tasa de descuento de 7,5 % y 10%. Es evaluado con la primera tasa, 7,5%, para llevar a cabo comparaciones
con las tendencias identificadas por IRENA en el estudio “Renewable
Power Generation Costs in 2014”. Para el cálculo de los costos anuales, se utiliza el valor referencial para plantas referenciales del tipo PTC que
utilizan aceites sintéticos como HTEF y cuentan entre 6 a 12 horas de almacenamiento con sales fundidas, dicho valor es de 0,015 USD/kWh
anuales identificado en IRENA [8], [27].Este costo es multiplicado por la producción anual de energía de la planta para obtener el costo anual de
O&M. En la tabla a continuación se identifican los parámetros utilizados para calcular el LCOE con la ecuación (6).
146
Tabla 15: Parámetros utilizados para calcular LCOE en planta Extresol 3 [26]-[28]-[29]
Ítem Unidad Valor utilizado
Inversión Inicial (Io) USD 390.000.000
Costos anuales (Cn) USD 2.370.000
Producción anual (Qn) kWh 158.000.000
Periodo de análisis (N) Años 25 y 30
Tasa de descuento (d) % 7 y 10 Fuente: Elaboración propia con datos de Comisión Europea (2013), National Renewable
Energy Laboratory de Estados Unidos (2015) y Energy News (2012).
Resultados del LCOE
En la Tabla 16 se presentan los resultados obtenidos luego de calcular los LCOE propuestos. Se destaca que, en una primera aproximación, utilizar
litio en compuestos para material de almacenamiento térmico produce menores LCOE en comparación con la sal solar, logrando reducirlo hasta
en 5,79% (caso de la mezcla 54,07% KNO3 + 25,92% LiNO3 + 20,01% NaNO3 con tasa de 10% y vida útil de 30 años). Todas las sales analizadas
producen disminuciones del indicador económico, y la sal 54,07% KNO3
+ 25,92% LiNO3 + 20,01% NaNO3 es aquella que entrega los menores LCOE. Estas mejorías en el indicador son el efecto de los ahorros en costos
obtenidos por la menor cantidad de sales y menor gasto en tanques (ver Tabla 17), así como también a la mayor cantidad de energía disponible
gracias a un menor uso del traceado eléctrico de los tanques. En la planta original la energía neta producida es de 158.000.000 kWhe por año,
mientras que en los casos que consideran las sales con litio esta cifra aumenta a 161.160.000 kWhe (un 2% superior). Como ya se ha
mencionado, este incremento estimado se justifica en el menor consumo energético que realizaría el traceado eléctrico para mantener las sales en
estado líquido, ya que se solidifican a menores temperaturas que la sal solar.
147
Tabla 16: Listado de LCOE obtenidos con tasa de 7% y 10% para
planta Extresol 3
Tipo de
compuesto
Costo Total planta
Tasa de 7% Tasa de 10%
LCOE (25 años) LCOE (30 años) LCOE (25 años) LCOE (30 años)
MMUS
D USD/kWh Var. % USD/kWh
Var. %
USD/kWh Var. %
USD/kWh Var. %
LCOE1-1 (2010)
Sal Solar 390,0 0,2268 0,00 0,2139 0,00 0,2869 0,00 0,2768 0,00
LCOE1-2 (2010)
54.07% KNO3 + 25.92% LiNO3 +
20.01% NaNO3
373,5 0,2138 5,72 0,2017 5,69 0,2703 5,80 0,2608 5,79
KNO3 +
NaNO2 + LiNO2 + NaNO3
376,8 0,2156 4,94 0,2034 4,91 0,2726 5,01 0,2630 5,00
KNO3 + LiNO3 + NaNO3 + MgK
373,5 0,2139 5,71 0,2018 5,68 0,2703 5,79 0,2608 5,78
LiNO3 + NaNO2 +
NaNO3 +
KNO3
376,7 0,2156 4,96 0,2034 4,93 0,2725 5,03 0,2629 5,02
LiNO3 +
NaNO2 + NaNO3 + KNO2 + KNO3
376,4 0,2154 5,03 0,2032 5,01 0,2723 5,11 0,2627 5,10
LCOE1-1
(2014) Sal Solar 379,5 0,2211 0,00 0,2085 0,00 0,2796 0,00 0,2698 0,00
LCOE1-2
(2014)
54.07% KNO3 + 25.92%
LiNO3 + 20.01% NaNO3
367,1 0,2105 4,80 0,1986 4,78 0,2660 4,87 0,2566 4,86
Fuente: Elaboración propia con información de Solar Energy Technologies Program,
U.S. Department of Energy (2010); A.G. Fernández, S. Ushak, H. Galleguillos, F.J.
Pérez, Development of new molten salts with LiNO3 and Ca(NO3)2 for energy storage
in CSP plants (2014).
148
Tabla 17: Ahorros de tanques y sales en planta Extresol 3
Mezclas analizadas
Costo
total planta
Tanques Sales
Costo Tanques
% de ahorro versus
tanques de
sal solar
% del costo total de la
planta
Costo Sales
% de ahorro
versus sal solar (año
base 2010)
% del costo total de la
planta
MM USD MM USD % % MM USD % %
Sales
con precios 2010
Sal Solar 390,00 7,07 - 1,81% 31,32 - 8,03%
54.07% KNO3 + 25.92% LiNO3 + 20.01% NaNO3
373,45 2,70 61,87% 0,72% 19,14 38,88% 5,13%
KNO3 + NaNO2
+ LiNO2 + NaNO3
376,78 3,39 52,04% 0,90% 21,78 30,47% 5,78%
KNO3 + LiNO3 + NaNO3 + MgK
373,49 3,70 47,70% 0,99% 18,19 41,94% 4,87%
LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO3
376,69 3,57 49,51% 0,95% 21,51 31,32% 5,71%
LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO2 + KNO3
376,37 3,54 49,87% 0,94% 21,21 32,27% 5,64%
Sales con
precios 2014
Sal Solar 379,47 7,07 - 1,86% 20,79 33,63% 5,48%
54.07% KNO3 + 25.92% LiNO3 + 20.01% NaNO3
368,92 2,70 61,87% 0,73% 14,62 53,33% 3,96%
Fuente: Elaboración propia
Se destaca que, los LCOE obtenidos se ubican dentro de las tendencias
presentadas por la IRENA, los cuales se muestran en la tabla a
continuación.
Tabla 18: Tendencias de los costos de las CSP [8]
Fuente: Agencia Internacional de Energías Renovables; Renewable Power Generation
Costs in 2014; Enero 2015.
149
A modo de validar los LCOE obtenidos, se comparan con los registrados en el documento “Australian Energy Technology Assessment 2013”
desarrollado por el Bureau of Resources and Energy Economics del
Gobierno de Australia, donde se realizan estimaciones de LCOE de varias plantas, entre ellas Extresol 1 y 2, las cuales son las plantas precedoras
de Extresol 3, de la misma capacidad, tipo y tamaño de TES, así como también de costo similar. Se puede apreciar en la Tabla 19, el listado de
plantas a las cuales se les estimó el LCOE en el año 2012, en donde se identifica que Extresol 1 y 2 registran 0,35 dólares austalianos por kWh [30]. Este cálculo se raliza para un período de 30 años, con una tasa de
10%. Al transformar este valor a dólares estadounidenses, considerando una tasa de cambio de 1 dólar australiando igual a 0,8 dólares
estadounidenses, se obtiene un LCOE de 0,28 USD/kWh lo cual se
encuetra muy cercano a los 0,27 USD/kWh obtenidos con un periodo de 30 años y tasa de descuento de 10% en la Tabla 16.
Tabla 19: LCOE estimados de plantas CSP de tipo PTC y SPT (2013) [30]33
Fuente: Bureau of Resources and Energy Economics, Australian Government;
Australian Energy Technology Assessment 2013 Model Update, 2013,
33 Los valores de la tabla se encuentran en dólares australianos.
150
4.3.3 LCOE de planta CSP utilizando sal solar en sistema TES de 2
tanques de calor sensible y como HTF
Aquellas plantas CSP que utilizan un mismo fluido tanto para transportar
la energía térmica como para almacenarla, son minoría en comparación a
aquellas que utilizan materiales distintos. Entre ellas es posible identificar la primera planta comercial de este tipo, Gemasolar34, la cual es una CSP
de tipo SPT que inició operaciones en abril de 2011 y está ubicada en Fuentes de Andalucía, Sevilla, España [32]. Cuenta con una turbina de
capacidad neta de 19,9 MWe y produce anualmente 110 GWhe [29], [33]. A modo de respaldo, tiene incorporado un módulo TES directo de dos
tanques de calor sensible el cual provee 15 horas de generación eléctrica sin la presencia del recurso solar, y para lo cual utiliza 7.900 toneladas
de sal solar [35]. Para calentar las sales y de esta manera almacenar energía térmica en el tanque caliente, la sal es enviada desde el tanque
de frío hacia el receptor solar (en la torre), en dicho lugar es calentada y posteriormente enviada al tanque caliente. De esta manera, la sal solar
es utilizada para almacenar energía así como también para transportarla por el sistema. El rango de temperatura de trabajo de la planta tiene un
mínimo de 290°C, como el común de las plantas CSP que utilizan sal solar,
mientras que el máximo es de 565°C. Ya que el HTF es la misma sal, es posible llegar a mayores temperaturas en comparación a las plantas que
utilizan aceites. En la tabla a continuación se presenta un resumen de las características de Gemasolar.
34 Los dueños de la planta son la empresa Sener (60%) y MASDAR (40%).
151
Tabla 20: Características de la planta Gemasolar [29], [32], [33]
Costo Inversión total 230.000.000 euros
(299.000.000 USD)35
TES
Capacidad TES 15 horas
Tipo de sal sal solar (60% NaNO3 +
40% KNO3)
Cantidad de sales 7.900 toneladas
Dimensiones tanques
para TES
23 m de diámetro y 10,5 m
de alto
Campo solar
Superficie reflectante del
campo solar 301.750 m2
Cantidad de heliostatos 2.650
Altura de torre 140 m
Recurso solar anual 2.172 kWh/m2/año
Bloque de potencia
Generación anual eléctrica
110.000 MWhe
HTF Tipo de HTF sal solar (60% NaNO3 + 40% KNO3)
Temperatura
de trabajo
Mínima 290°C
Máxima 565°C Fuente: Elaboración propia a partir de información de, National Renewable Energy
Laboratory de Estados Unidos y Torresol Energy.
Con los datos de la planta se calcularon los siguientes LCOE:
LCOE2-1: LCOE de la planta CSP con sistema TES de dos tanques de calor sensible, utilizando sal solar y HTF original del diseño de la
planta.
LCOE2-2: Listado de LCOE de la planta, reemplazando la sal solar por compuestos que contienen derivados de litio presentados en la Tabla
6. o Debido a que hay composiciones con litio que producen
menores puntos de fusión en comparación a la sal solar, se modificará en cada caso el rango de temperatura de trabajo.
Cada nuevo rango mantendrá el máximo de 565 °C, mientras que el mínimo estará dado por el punto de fusión del material
más 71°C, cifra que es utilizada como temperatura de
seguridad en la planta base. Esta se obtiene al restar al rango mínimo original de la planta, 293 °C, el punto de fusión de la
sal solar, 222°C.
35 Tasa de cambio utilizada: 1 euro igual a 1,3 dólares.
152
o En términos de costos, el intercambio de sal solar por sales
con litio será realizado basado en la cantidad de energía térmica que almacena las 7.900 toneladas de sal solar a
565°C. Utilizando la ecuación del calor, el calor específico de
cada compuesto con litio y el rango de temperatura se obtiene la cantidad de masa necesaria para cumplir con los
requerimientos energéticos. Luego, la masa calculada se multiplicaría por su precio para obtener el costo total. Se
destaca que, el uso de las sales estudiadas, teóricamente permite reducir entre un 2 y 56% la masa utilizada en
comparación a la sal solar. En términos de volumen de aquellos compuestos de los cuales se cuenta con la densidad,
se reduce entre 20 y 43% el volumen utilizado en compuestos. A partir de los datos de la tabla, considerando el
requerimiento energético de la planta, y el rango de temperatura de trabajo de las sales, es calculado el costo por
kWhth, dado por el costo total de los compuestos para la planta, los cuales se grafican en la Figura 4. De ella se
identifica que la sal 1 (54.07%KNO3 + 25.92%LiNO3 +
20.01%NaNO3) y la sal 3 (KNO3 + LiNO3 + NaNO3 + MgK) generan los menores costos por kWhth con los precios del año
2010. En cambio, con los precios del año 2014, la sal solar es aquel compuesto que otorga los menores costos, seguida del
compuesto 1 o El costo de los tanques se obtiene al multiplicar el volumen
de sales por 507,62 USD/m3, valor correspondiente a almacenar un m3 de sales en estado líquido en los tanques de
Extresol 3. Se utiliza este valor como referencia ya que Extresol 3 y Gemasolar utilizan el mismo tipo de sistema TES
y sales fundidas. o De igual manera que para el proyecto Extresol 3, se estima
que con el cambio de sales, las cuales cuentan con un menor punto de fusión, haya una disminución en la demanda de
energía para mantener las sales en estado líquido. Este ahorro
en autoconsumo, se manifestará en la energía neta producida, la cual aumentará debido al menor gasto
energético para evitar la solidificación. Con el fin de registrar este efecto en el cálculo del LCOE, y de igual manera que con
el caso de la planta PTC, en cada caso de las sales con derivados del litio analizadas se considerará una energía neta
producida un 2% mayor que la del caso base. Este 2% es una cifra estimada en base a la experiencia del consultor, y sólo
estima el efecto por ahorro energético en los tanques de almacenamiento. Se considera prudente utilizar la misma
153
cifra que en el caso de Extresol 3 ya que ambos tipos de
plantas utilizan el sistema de doble tanque de calor sensible y sal solar para el almacenamiento térmico. Cabe recordar
que, este porcentaje es un estimado, el cual puede ser mayor
o menor dependiendo de varios parámetros de cada planta. Para identificar en qué magnitud varía, es necesario un
estudio más extenso que analice en profundidad como afectan los distintos parámetros de la sal, así como las propiedades y
características del sistema de almacenamiento, en el consumo energético para mantener las mezclas de sales en
estado líquido.
154
Tabla 21: Cantidad y costo de compuestos considerados para el
cálculo de LCOE de Gemasolar
Tipo de compuesto
Cantidad de
material
Variación de masa
versus sal solar
Volumen utilizado
Variación de
volumen versus sal
solar
Variación de temperatura
(Tmax – Tmin) 36
Costo total de material para la planta, y variación en
comparación al costo de total de la sal solar
Ton. % m3 % °C
2010 2014
MM USD
%37 MM USD
%38
40% KNO3 + 60% NaNO3
7.900 - 3.604 - 272 8,53 0,0% 5,66 0,0%
25.92% LiNO3 + 20.01% NaNO3 + 54.07% KNO3
3.504 56% 2.037 43% 378 7,73 9,4% 5,68 0,4%
KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3
4.909 38% 2.758 23% 416 9,46 10,9% - -
KNO3 + LiNO3 + NaNO3 + MgK
4.940 37% 2.889 20% 394 7,59 11,0% - -
LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO3
4.984 37% 2.800 22% 396 9,02 5,7% - -
LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO2 + KNO3
4.979 37% 2.797 22% 399,3 8,95 4,9% - -
20% LiNO3 + 52% KNO3 + 28% NaNO3
7.720 2% - - 364,85 - 11,34 100,4%
30% LiNO3 + 60% KNO3 + 10% Ca(NO3)2
6.071 23% - - 362,85 - 9,28 64,0%
Fuente: Elaboración propia con información de Solar Energy Technologies Program,
U.S. Department of Energy (2010); A.G. Fernández, S. Ushak, H. Galleguillos, F.J.
Pérez, Development of new molten salts with LiNO3 and Ca(NO3)2 for energy storage
in CSP plants (2014).
36 Se refiere a la temperatura máxima y mínima a la que se expone cada compuesto, la que define el rango de
temperatura de trabajo de cada uno. 37 Los porcentajes en rojo significan que el costo del material analizado es mayor en comparación al costo de
la sal solar. Por ejemplo, la sal KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3 en el año 2010 es 10,9% más cara que la sal
solar en el mismo año 38 Los porcentajes en rojo significan que el costo total del material analizado es mayor en comparación al costo
total de la sal solar. Por ejemplo, la sal 20% LiNO3 + 52% KNO3 + 28% NaNO3 es 100,4% mayor que la sal
solar en el mismo año, ya que se duplicó el costo.
155
Figura 4: Costo de sales por kWhth almacenado para planta
Gemasolar
Fuente: Elaboración propia con información de Solar Energy Technologies Program,
U.S. Department of Energy (2010); A.G. Fernández, S. Ushak, H. Galleguillos, F.J.
Pérez, Development of new molten salts with LiNO3 and Ca(NO3)2 for energy storage
in CSP plants (2014).
Tabla 22: Leyenda utilizada en Figura 4
Leyenda Compuesto
Sal solar 40%KNO3 + 60%NaNO3
1 54.07%KNO3 + 25.92%LiNO3 + 20.01%NaNO3
2 KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3
3 KNO3 + LiNO3 + NaNO3 + MgK
4 LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO3
5 LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO2 + KNO3
6 20%LiNO3 + 52%KNO3 + 28%NaNO3
7 30%LiNO3 + 60%KNO3 + 10%Ca(NO3)2
Fuente: Elaboración propia
El cálculo de los LCOE tendrá en consideración un total de 25 y 30 años
de vida útil de la planta, y una tasa de descuento de 7,5 % y 10%. Es evaluado con la primera tasa, 7,5%, para llevar a cabo comparaciones
con las tendencias identificadas por IRENA en el estudio “Renewable Power Generation Costs in 2014”. Cabe destacar que, en relación a los
costos de operación y mantención anuales, se utiliza el valor referencial mencionado por Turchi [34] e IRENA [8] para plantas SPT que utilizan
sales fundidas como HTF, y cuentan con sistema TES de dos tanques de calor sensible en el rango entre las 6 y 12 horas de almacenamiento. Este
valor corresponde a 65 USD/kW por año, y es seleccionado dado a que no se dispone del valor exacto correspondiente a Gemasolar. Luego, este
costo por kW es multiplicado por la capacidad de la planta para obtener
el costo anual estimado de O&M de la planta (1.293.500 USD/año). En la
156
tabla a continuación se resumen los parámetros utilizados para calcular el LCOE con la ecuación (6).
Tabla 23: Parámetros utilizados para calcular LCOE en planta Gemasolar [29], [32], [33]
Ítem Unidad Valor utilizado
Inversión Inicial (Io) USD 299.000.000
Costos anuales (Cn) USD 1.293.500
Producción anual (Qn) kWh 110.000.000
Periodo de análisis (N) Años 25 y 30
Tasa de descuento (d) % 7 y 10 Fuente: Elaboración propia a partir de información de, National Renewable Energy
Laboratory de Estados Unidos y Torresol Energy.
Resultados del LCOE
A continuación, en la Tabla 24, son presentados los resultados obtenidos
luego de calcular los LCOE propuestos. Se destaca que, al igual que en el
caso de Extresol 3, en una primera aproximación utilizar litio en compuestos para material de almacenamiento térmico puede producir
menores LCOE en comparación con la sal solar. Nuevamente, tanto en las sales con precios del año 2010 como en aquellas actualizadas, la mezcla
de 54.07% KNO3 + 25.92% LiNO3 + 20.01% NaNO3 es aquella que provee menores LCOE. De igual manera que en Extresol 3, estas mejorías en el
indicador son el efecto de los ahorros en costos obtenidos por la menor cantidad de sales y menor gasto en tanques (ver Tabla 25), combinado
con la mayor cantidad de energía disponible gracias a un menor uso del traceado eléctrico de los tanques. En la planta original la energía neta
producida es de 110.000.000 kWhe por año, mientras que en los casos que consideran las sales con litio esta cifra aumenta a 112.200.000 kWhe
(un 2% superior). Como ya se ha mencionado, este incremento estimado se justifica en el menor consumo energético que realizaría el traceado
eléctrico para mantener las sales en estado líquido, ya que se solidifican
a menores temperaturas que la sal solar.
157
Tabla 24: Listado de LCOE obtenidos con tasa de 7% y 10% para
planta Gemasolar
Tipo de compuesto
Costo Total
planta
Tasa de 7% Tasa de 10%
LCOE (25 años) LCOE (30 años) LCOE (25 años) LCOE (30 años)
MMUSD USD/kWh Var. %
USD/kWh
Var. %
USD/kWh
Var. %
USD/kWh
Var. %
LCOE1-1
(2010) Sal Solar 299,0 0,2450 0,00 0,2308 0,00 0,3112 0,00 0,3001 0,00
LCOE1-2 (2010)
54.07% KNO3 +
25.92% LiNO3 +
20.01% NaNO3
297,4 0,2390 2,46 0,2251 2,46 0,3035 2,46 0,2927 2,46
KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3
299,5 0,2406 1,80 0,2266 1,80 0,3056 1,80 0,2947 1,80
KNO3 +
LiNO3 + NaNO3 + MgK
297,7 0,2392 2,37 0,2253 2,37 0,3038 2,37 0,2930 2,37
LiNO3 +
NaNO2 + NaNO3 + KNO3
299,1 0,2403 1,94 0,2263 1,94 0,3052 1,94 0,2943 1,94
LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 +
KNO2 + KNO3
299,0 0,2402 1,96 0,2263 1,96 0,3051 1,96 0,2942 1,96
LCOE1-1 (2014)
Sal Solar 296,1 0,2428 0,00 0,2287 0,00 0,3083 0,00 0,2973 0,00
LCOE1-2 (2014)
54.07% KNO3 +
25.92% LiNO3 + 20.01% NaNO3
294,8 0,2376 2,14 0,2238 2,14 0,3018 2,14 0,2910 2,14
Fuente: Elaboración propia a partir de información de, National Renewable Energy
Laboratory de Estados Unidos, Torresol Energy.
158
Tabla 25: Ahorros de tanques y sales en planta Gemasolar
Mezclas analizadas
Costo total
planta
Tanques Sales
Costo Tanques
% de
ahorro versus
tanques de sal solar
% del
costo total de la planta
Costo Sales
% de ahorro
versus sal solar (año
base
2010)39
% del costo
total de la planta
MM USD MM USD % % MM USD % %
Sales con
precios 2010
Sal Solar 299,00 1,83 - 0,61% 8,53 - 2,85%
54.07% KNO3 + 25.92%
LiNO3 + 20.01% NaNO3
297,40 1,03 43,48% 0,35% 7,73 9,40% 2,60%
KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3
299,50 1,40 23,48% 0,47% 9,46 10,92% 3,16%
KNO3 + LiNO3 + NaNO3 + MgK
297,70 1,47 19,85% 0,49% 7,59 11,01% 2,55%
LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 +
KNO3
299,08 1,42 22,31% 0,48% 9,02 5,67% 3,01%
LiNO3 + NaNO2 + NaNO3 + KNO2 + KNO3
299,01 1,42 22,38% 0,47% 8,95 4,87% 2,99%
Sales con
precios
2014
Sal Solar 296,13 1,83 - 0,62% 5,66 33,63% 1,91%
54.07% KNO3 + 25.92%
LiNO3 + 20.01% NaNO3
295,57 1,03 43,48% 0,35% 5,90 30,82% 2,00%
Fuente: Elaboración propia
Comparativamente, la variación de LCOE obtenidos en el caso de Gemasolar es menor versus a los obtenidos con Extresol 3, esto se debe
a la diferencia en la estructura de costos de ambas plantas ya que en la
planta de tipo SPT la cantidad de sales involucra una inversión menor de la inversión total de la planta como se aprecia en la Tabla 26, luego
variaciones en el precio producen impacto menor en el LCOE. Complementariamente, en Gemasolar, la variación de masa de las
mezclas con litio versus la sal solar es menor en comparación con Extresol 3, lo cual se debe a los mayores rangos de temperatura de trabajo.
39 Los porcentajes en rojo significan que el costo total del material analizado es mayor en comparación al costo
total de la sal solar. Por ejemplo, la sal KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO3es 10,92% mayor que la sal solar en
el año 2010.
159
Tabla 26: Comparación del costo de sales versus costo total de
las planta para Gemasolar y Extresol3
Mezclas
Gemasolar Extresol 3
Costo
sales
Costo
total
planta
costo sales
versus
inversión
total
inversión
sales
Inversión
total
costo
sales
versus
inversión
total
MM
USD MM USD % MM USD MM USD %
20
10
Sal Solar 8.53 299 2.85% 31.3 390 8.03%
54.07% KNO3 +
25.92% LiNO3 +
20.01% NaNO3
7.73 297.4 2.60% 19.1 373.5 5.11%
KNO3 + NaNO2
+ LiNO2 +
NaNO3
9.46 299.5 2.58% 21.8 376.8 5.79%
KNO3 + LiNO3 +
NaNO3 + MgK 7.59 297.7 2.55% 18.2 373.5 4.87%
LiNO3 + NaNO2
+ NaNO3 +
KNO3
9.02 299.1 3.02% 21.5 376.7 5.71%
LiNO3 + NaNO2
+ NaNO3 +
KNO2 + KNO3
8.95 299 2.99% 21.2 376.4 5.63%
20
14
Sal Solar 5.66 296.1 1.91% 20.8 379.5 5.48%
54.07% KNO3 +
25.92% LiNO3 +
20.01% NaNO3
5.68 294.8 1.93% 14.6 367.1 3.98%
Fuente: Elaboración propia
Es importante destacar que, los valores de LCOE en la tabla anterior pueden llegar a disminuir aún más si la planta se diseña en una ubicación
con mayor radiación en comparación a la ubicación original. Cáceres et al
[32], simularon una planta SPT con las características de Gemasolar (tamaño y tipo de TES, y potencia de planta), y evaluaron la producción
eléctrica de ella en distintas ubicaciones dentro de Chile40, siendo una localidad de Calama en dónde mayor producción lograron obtener, con un
valor de 135 GWh/año, lo cual es 15 GWh/año mayor de la actual producción de Gemasolar (aproximadamente un 23%). Con este nuevo
valor para la producción energética de la planta, fue calculado el LCOE para las mezclas con los precios actualizados al año 2014. Los resultados
son presentados en la Tabla 27, en dónde se aprecia que efectivamente
40 En Chile es posible obtener mayor radiación diaria y anual, lo cual permite ahorrar en campo solar (para
producir la misma cantidad de energía, son requeridos menor cantidad de estructura gracias al mayor recurso
solar) así como también se obtiene mayor producción de energía.
160
el LCOE disminuye y en un en 18,5% en todos los casos, lo cual se debe
a que la variación en la generación no afecta a los costos de la planta ya que solo se consideró una nueva radiación.
Tabla 27: LCOE de Gemasolar, escenario con radiación chilena
Mezcla
7%
25 años 30 años
Caso
base
Radiación
chilena Variación
Caso
base
Radiación
chilena Variación
40% KNO3 +
60% NaNO3 0.2428 0.1978 18.5% 0.2287 0.1864 18.5%
25.92% LiNO3 +
20.01 % NaNO3
+ 54.07 %
KNO3
0.2376 0.1936 18.5% 0.2238 0.1824 18.5%
Mezcla
10%
25 años 30 años
Caso
base
Radiación
chilena Variación
Caso
base
Radiación
chilena Variación
40% KNO3 +
60% NaNO3 0.3083 0.2512 18.5% 0.2973 0.2423 18.5%
25.92% LiNO3 +
20.01 % NaNO3
+ 54.07 %
KNO3
0.3018 0.2459 18.5% 0.2910 0.2371 18.5%
Fuente: Elaboración propia
Adicionalmente, si además del aumento en producción se considera un
escenario donde la compra al por mayor del nitrato de litio obtienen un descuento de un 5%, 10%, 15% o 20%, nuevos LCOE son obtenidos, los
que se registran en la Figura 5 para aquellos compuestos los cuales se cuenta con su proporción de composición. En ambas figuras es
identificable que el LCOE del material 54.07% KNO3 + 25.92% LiNO3 +
20.01% NaNO3 decrece levemente, aproximadamente un 0,2% entre el nuevo LCOE sin descuento y aquel con descuento de 20% en el nitrato de
litio.
161
Figura 5: LCOE obtenidos con tasa de 7% y 10% para planta
Gemasolar (25 años vida útil), considerando aumento de producción energética y posibles descuentos por venta de sales
Tasa de 7% Tasa de 10%
Fuente: Elaboración propia.
Otra estrategia para obtener un aún menor LCOE, la cual pueden llegar a
utilizar algunas empresas con el fin de obtener ingreso al mercado y/o posicionamiento de marca, es reducir la tasa de descuento con la cual
evalúan su proyecto energético. En la Tabla 28, se presenta el LCOE de la planta Gemasolar con la radiación chilena y una disminución del 20%
en el costo de las sales, evaluado con distintas tasas de descuento. De ella es posible identificar que se pueden llegar a valores de hasta 0,13 o
0,11 USD/kWh con una tasa de 3%.
162
Tabla 28: Efecto en el LCOE de Gemasolar considerando
radiación chilena y una disminución de 20% en el costo del nitrato de litio
Tasa
LCOE (25 años) LCOE (30 años)
Sal solar
25.92% LiNO3 +
20.01% NaNO3 +
54.07% KNO3
Sal solar
25.92% LiNO3 +
20.01% NaNO3 +
54.07% KNO3
USD/kWh USD/kWh USD/kWh USD/kWh
10% 0,2463 0,2459 0,2375 0,2371
7% 0,1939 0,1936 0,1827 0,1824
5% 0,1620 0,1617 0,1493 0,1490
3% 0,1329 0,1327 0,1191 0,1189
0% 0,0954 0,0953 0,0811 0,0809
Fuente: elaboración propia
4.4 Análisis de las proyecciones preliminares Por medio de las evaluaciones económicas preliminares tanto para la
planta PTC como SPT es posible identificar, en una primera aproximación,
que las mezclas de sales con derivados de litio logran un impacto positivo en el LCOE de las plantas estudiadas. Si bien la disminución del indicador
económico no supera el 6% y 3% en Extresol 3 y Gemasolar respectivamente, es posible obtener ahorros en masa y volumen en el
rango de 2% – 70% y 20% - 62% respectivamente. Mayores reducciones del LCOE es posible con mejores radiaciones solares, tal es el caso
analizado en Gemasolar, en la cual fue posible aminorar el LCOE en un 18,5% más debido a un aumento de 23% en la producción neta anual, al
tener en cuenta la radiación chilena versus la original de la planta en España.
Si se considera el caso de una planta futura a gran escala como la SPT
“Cerro Dominador” (u otra a nivel internacional) la cual se estima necesitará cerca de 50.000 toneladas de sal solar para 17,5 horas de
almacenamiento térmico [36], el reemplazo de la sal solar por otra mezcla
como 25.92% LiNO3 + 20.01 % NaNO3 + 54.07 % KNO3 proveería un ahorro tanto en masa como en volumen de sales. Teniendo en
consideración los porcentajes de ahorro obtenidos en Gemasolar, se estima posible disminuir, aproximadamente y bajo el supuesto de que las
proporciones se mantienen, en torno a los 50% las toneladas de sales y en un 40% el volumen de estas. Lo cual implica un ahorro en espacio y
volumen de tanques, así como también, de viajes necesarios para trasladarlas y menor tiempo para poner en marcha el módulo de
almacenamiento de la planta debido a la menor cantidad de sal y el menor punto de fusión de la misma. En relación a la cantidad de traslados, y a
163
la menor cantidad de sales necesarias, es importante mencionar que ello
ayudaría a aminorar el impacto ambiental que involucra construir la planta.
Es relevante recordar que, las mezclas de sales compuestas con derivados de litio siguen en investigación. Aún quedan temas por analizar tales como
la posible corrosión provocada por las sales en los materiales del sistema de almacenamiento debido a las altas temperaturas, cómo varía la
viscosidad de la mezcla y cuál es su efecto en el sistema TES, o cuáles son las mejores mezclas para utilizar en sistemas TES de altas
temperaturas, entre otros. Si bien la mayoría de las sales vistas en este análisis preliminar utilizan nitrato de litio, no significa que sea el único
derivado de este metal útil para este tipo de sistemas, sino que es uno de los más presentes en la literatura. Existen algunos estudios en los que se
está mencionando al carbonato de litio como un posible candidato para mejorar la estabilidad térmica de las sales fundidas, pero aún se
encuentra en análisis. Adicionalmente, también es necesario un estudio con mayor detalle respecto al efecto en el tamaño en los intercambiadores
de calor dado a un cambio de sales, ya que se estima que estos deben
ser de menor, lo cual implicaría un menor costo de inversión.
En relación al costo de la sales, y en un escenario en dónde el nitrato de litio comience a ser utilizado en las nuevas mezclas comerciales para TES,
este nitrato vería una gran oportunidad de desarrollo y Chile estaría en una posición privilegiada para su comercialización ya que cuenta con la
materia prima para su producción. Actualmente el nitrato de litio no cuenta con un gran mercado establecido, pero al iniciar su uso en
almacenamiento térmico, tendría una demanda por miles de toneladas por planta CSP que incluya almacenamiento térmico (lo cual variará según
la cantidad de horas de almacenamiento según el diseño de cada planta). Dado a una gran demanda, es de esperar que el precio sea más
negociable, logrando reducciones para los grandes proyectos de plantas CSP y de esta manera sea una opción más económica.
164
4.5 Referencias
[1] Concentrating Solar Power Alliance; The Economic and Reliability
Benefits of CSP with Thermal Energy Storage: Literature Review and
Research Needs, Technical Report; Septiembre 2014.
[2] Energy news; Extresol 3, Recurso controlado; Octubre de 2012.
[3] David Almagro Cabrera; Almacenamiento térmico en aplicaciones
solares de concentración de alta temperatura; Sevilla, febrero 2012.
[4] Herrmann U, Kelly B, Price H. Two-tank molten salt storage for
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[36] Comision Chilena del Litio; Litio: Una fuente de energía, una
oportunidad para Chile, Informe final 2015.
168
5 Lineamientos Centro de Excelencia
5.1 Alcances de ciencias básicas, aplicadas e innovación y de
un Centro de Excelencia en el ámbito del litio con especial
foco en su uso en el transporte y almacenamiento térmico.
“Invertir en conocimientos siempre produce los mejores beneficios”
(Benjamin Franklin)
La globalización de la economía ha obligado a las naciones a reconocer
que el conocimiento que generen, la forma en que lo apliquen y la velocidad con que lo hagan permite que se construyan cada vez mejores
estadios de competitividad y nuevas oportunidades para los sectores productivos. El conocimiento ha sido el factor fundamental para el
desarrollo y competitividad de los países y, por tanto, del bienestar social, el cual se genera principalmente en los centros de investigación,
desarrollo e innovación, I+D+i, tanto de universidades como independientes, públicos o privados.
La ciencia y la tecnología, fruto de la actividad de centros de investigación,
tanto públicos como privados, así como de los incorporados a instituciones de educación superior, son un factor determinante para el progreso de las
naciones, y su contribución a la competitividad de las empresas es
estratégica para el país, por lo que resulta indispensable mejorar la eficiencia y la eficacia de sus actores, a fin de detonar un ciclo virtuoso
que permita incrementar la inversión en ciencia y tecnología, y se cumpla a cabalidad la razón de ser de los centros de I+D+i: proveer productos
de alto valor agregado para aumentar la competitividad de las empresas [1].
Es decir, las ventajas competitivas de las empresas, en el marco de la
sociedad del conocimiento, se dan en términos de su capacidad de innovación, principalmente, por lo que sus esfuerzos deben canalizarse
hacia la generación de capacidades que le permitan crear organizaciones sustentadas en la creatividad, para lo cual es necesario que exista una
estrecha interrelación entre la gestión de recursos humanos y la gestión del conocimiento [2].
La gestión del conocimiento se fundamenta en evaluar, cambiar y mejorar las competencias y/o comportamientos humanos, ya sea a nivel individual
u organizacional [3]. Este punto de vista ha sido expuesto por Gary Becker [4], premio Nobel de economía de 1992, quien ha relevado la
169
importancia del capital humano para las empresas, como factor crucial
para el incremento de la productividad en las economías modernas, basadas en la creación, difusión y utilización del saber
En el caso de Chile, la economía ha basado su crecimiento en la exportación de productos de la industria básica, especialmente de la
minería del cobre. En estas últimas décadas, el sector acuícola, representado por la salmonicultura, el hortofrutícola y el vitivinícola, han
ido tomando una significativa importancia, potenciado por la utilización de innovadores procesos productivos basados en los avances
experimentados por las biotecnologías, quedando de manifiesto que la matriz productiva fundamental descansa en la producción primaria [5].
En consecuencia, el crecimiento de la economía requerirá de una nueva
matriz productiva que tenga su fundamento en productos con mayor valor agregado. Por lo tanto, el problema estratégico será resolver cómo se le
puede agregar mayor valor a los productos, en especial aquellos derivados de materias primas nacionales, tal como podría suceder con los
nuevos usos del litio, y competir exitosamente en los mercados
mundiales, de manera sostenida.
Por otra parte, es indesmentible que el alto costo de la energía es uno de los problemas que debe enfrentar Chile para aumentar sus posibilidades
de vencer los desafíos de competitividad que permanentemente están tensionando a las empresas, en general, y al sector productivo, en
particular. La dependencia de los combustibles fósiles, precios dependen de las contingencias del mercado y sobre las cuales no se tiene incidencia,
hace imperiosa la necesidad de emprender acciones que permitan una progresiva independencia de fuentes de generación energéticas externas.
Si a ello se suma los efectos severos que el uso de los combustibles fósiles tiene sobre el cambio climático, se llega a la conclusión que el escenario
futuro para el país no es para nada auspicioso de persistir la actual situación.
Una mirada hacia las fuentes que dispone Chile es indispensable. El país ha sido privilegiado por una fuente energética que está llamada a adquirir
una importancia económica creciente, toda vez que es abundante en ciertas regiones y cuyo acceso tiene un costo cero: la energía solar.
Al mismo tiempo, el fomento del uso de la energía solar en el país
contribuirá de manera importante en el cumplimiento de los compromisos de lograr un 20% de ERNC en la matriz eléctrica para el año 2025 [6] y
disminuir en un 20% las emisiones de gases de efecto invernadero para el año 2020, de acuerdo al compromiso voluntario de Chile en el marco
170
del acuerdo alcanzado durante la 15 Conferencia de las Partes sobre
Cambio Climático de las Naciones Unidas, realizada en Copenhague en agosto de 2010.
No obstante, el desafío de lograr una progresiva transformación del actual sistema energético, dominado por los combustibles fósiles, hacia una
participación creciente de las energías renovables, está sujeto a la superación de importantes limitaciones dadas, principalmente, por la
fluctuación temporal en la disponibilidad de fuentes de energía renovables, que no puede ser controlada y sólo en un grado limitado se
puede predecir. Una forma de superar estas dificultades, especialmente en el caso de la energía solar, es desarrollar sistemas de almacenamientos
de energía, eficientes y económicamente rentables, que permitan un suministro más estable de energía, como lo demandan importantes
sectores productivos y permitir una estrategia de 24 horas de despacho de energía solar.
De este modo, para hacer factible la generación de energía cuando sea
requerida, es necesario integrar el almacenamiento de alta temperatura
en plantas de energía termosolar, donde las sales fundidas son las más comúnmente utilizadas como el medio de almacenamiento, cubriendo las
necesidades de energía térmica de las plantas generadoras durante periodos de ausencia de energía solar.
El almacenamiento de energía mediante sales fundidas en plantas de
concentración solar, incluso tiene ventajas sobre la generación fotovoltaica, aparentemente más económica, ya que el empleo de
almacenamiento en baterías es mucho más caro en la red para cubrir la curva de demanda en ausencia de radiación solar [7].
En el caso de que las proyecciones preliminares de cómo el litio podría
impactar técnico-económicamente las plantas termo solares y su potencial impacto a nivel industrial resulten viables, la creación de un
Centro de Excelencia en el ámbito del litio, con especial foco en su uso en
el transporte y almacenamiento térmico, vendría a cubrir un espacio en las actividades de I+D+i que está llamada a producir importantes
ventajas competitivas a la industria nacional, fortaleciendo el uso de la energía solar, en condiciones que la vuelven altamente pertinentes con
los requerimientos energéticos de las principales empresas, especialmente de los sectores mineros, logrando un alto factor de planta.
La posibilidad de emplear sales fundidas para almacenamiento térmico,
utilizando sales de litio, de las cuales Chile se sitúa en la vanguardia como proveedor, a lo cual se suma que posee el mejor laboratorio natural del
171
mundo para el trabajo en energía solar, hace factible que Chile pueda
tornarse en un polo mundial de desarrollo tecnológico y de conocimiento, así como un referente mundial en este ámbito.
En la actualidad las exportaciones de Chile están dadas por el carbonato, hidróxido y cloruro de litio, que son los tres compuestos más usados en
la industria, junto con los concentrados de espodumeno, que Chile no produce.
Es así como podría convertirse en un objetivo estratégico del país el
desarrollo de conocimientos y transferencia de tecnologías en la innovación de tecnologías y procesos de generación sustentable
aprovechando las energías termosolares, cuya generación esté apoyada por el uso del litio como material de transmisión y almacenamiento
térmico, posicionando el país en la vanguardia internacional a través de la producción de conocimiento y tecnología que, mediante un
encadenamiento productivo, engendre una diversificación económica para el desarrollo nacional y lo comience a convertir en un exportador de know
how en la materia.
Figura 1: Producción mundial de litio expresada en toneladas de
carbonato de litio equivalente
Fuente: El Desarrollo del Litio en Chile: 1984‐2012, Gustavo Lagos C.C. [8]
Sin embargo, es posible pensar que, debido al tamaño del mercado
mundial y los volúmenes de producción esperados en Chile, un modelo de explotación basado en la extracción y comercialización, será marginal en
términos de generación de valor. En este sentido, desarrollar tecnologías para usos innovadores del litio, vinculadas a una política energética que
aproveche la energía más abundante en el país y que, a la vez, permita
172
sustituir la dependencia de fuentes fósiles, puede contribuir a dar un giro
a la actual matriz productiva y comenzar a transitar por un camino en que se incorpora más conocimiento en un área productiva en la que existen
evidentes ventajas frente al mudo.
Lo anterior potenciaría el uso del litio en la energía termosolar,
considerando que ya hay quienes vislumbran la posibilidad de que Chile pudiese convertirse en un exportador de energía eléctrica mediante
generación solar, especialmente a países vecinos como Brasil y Argentina, debido a las altas irradiaciones solares presentes en el norte del país,
como muestra la Figura 2. En el caso del primero, porque requiere inyectar grandes cantidades de energía eléctrica a su matriz para
mantener los niveles de crecimiento y donde la energía solar tiene un techo cercano con las actuales tecnologías. Argentina, por su parte, no
tiene un gran desarrollo solar y existe la ventaja de aprovechar las líneas de conexión del Norte Grande con la provincia de Salta [9].
Figura 2: Mapa de irradiación promedio diaria de Chile
Fuente: NREL
El desarrollo de un Centro de Excelencia que promueva el uso del litio
para el potenciamiento de la energía solar, se debe basar en el logro de importantes avances en las ciencias básicas y aplicadas que sustenten las
respectivas innovaciones tecnológicas que resulten.
173
Las investigaciones sobre las propiedades físico-químicas del Litio son fundamentales para optimizar su uso como material de transporte y
almacenamiento térmico, en especial aquellas que buscarían mejorar su
el rendimiento sobre otro tipo de sales utilizados en estos procesos, considerando los resultados del presente estudio.
Para estas aplicaciones, es necesario investigar, desarrollar, medir,
evaluar y optimizar los conceptos de almacenamiento mediante sales fundidas, que se diseñan para temperaturas de 200 °C a 600 °C. En
consecuencia, las actividades de I+D+i deben orientarse hacia la optimización del diseño de materiales y sistemas de almacenamiento.
La investigación sobre los materiales, tanto en ciencias básicas como
aplicadas, debe incluir toda la cadena de transformación de energía, esto es, desde la captación, absorción, transporte y almacenamiento,
considerando las diversas tecnologías que comúnmente se utilizan en plantas de generación termosolar, es decir, cilindro parabólica, de torre u
otra.
5.2 Normativas y leyes en Chile
Dentro de la normativa nacional se encuentra la Ley 20.241 que Establece un Incentivo Tributario a la Inversión en Investigación y Desarrollo, del
Ministerio de Hacienda, promulgada en enero de 2008, la cual define en su Artículo 1° los centros de investigación como “entidades que formen
parte integrante o dependan de una universidad, o las entidades que formen parte de personas jurídicas constituidas en Chile, o las personas
jurídicas constituidas en Chile; que realicen labores de investigación y
desarrollo.”
Adicionalmente, en su Artículo 2° que para que un centro de investigación pueda acceder al incentivo tributario debe estar registrado como tal en la
CORFO y cumplir una serie de condiciones, entre las cuales se encuentran el “contar en el país con una organización y medios, tanto personales
como materiales, suficientes para realizar actividades de investigación o desarrollo” así como “haberse encontrado en funcionamiento, ejerciendo
actividades de investigación y desarrollo, durante al menos los seis meses anteriores a la solicitud de inscripción en el Registro.”
En el Artículo 5° se especifica el incentivo tributario, estableciendo que
“los contribuyentes del impuesto de primera categoría de la Ley sobre Impuesto a la Renta, que declaren su renta efectiva determinada según
174
contabilidad completa, tendrán derecho a un crédito contra el impuesto
de primera categoría del ejercicio, equivalente al 35% del total de los pagos en dinero efectuados conforme a los contratos de investigación y
desarrollo debidamente certificados, celebrados con centros de
investigación y desarrollo registrados.”
5.3 Políticas gubernamentales de Chile 5.3.1 Políticas de innovación y competitividad
El Consejo Nacional de innovación para la Competitividad, constituido en
noviembre de 2005, elaboró la “Agenda Innovación y Competitividad 2010-2020”, en la cual se identifican los ejes para la innovación para la
década junto con proponer orientaciones a largo plazo para el
mejoramiento continuo del sistema de innovación. Su objetivo era que la innovación se constituyera en un factor clave para el aumento de la
productividad total de los factores y así retomar la senda del crecimiento del país.
Posteriormente, el Comité de Ministros de Innovación para la
Competitividad emitió el documento denominado “Política Nacional de Innovación 2010 2014”, en el cual se plantearon 4 pilares para lograr ser
un país desarrollado: el capital humano, la inversión en ciencia y tecnología, la promoción de mercados y sociedades más competitivos,
dinámicos y flexibles, y el fomento a la innovación y al emprendimiento.
En este documento se reconoce el rol de la I+D en la innovación, por lo que se plantea la necesidad de duplicar en 2014 la inversión realizada el
2008 en este ámbito, considerando que Chile estaba muy por debajo del
promedio de la OCDE, así como fortalecer los centros de excelencia científicos y tecnológicos nacionales, entre otras medidas.
Por otra parte, planteaba que “para que la creación de conocimiento e
ideas a través de la I+D se transformen en creación de valor en la economía es necesario que haya transferencia y difusión tecnológica”. Al
respecto, se enfatizaba en la importancia de atraer y formar capacidades de intermediación para que el conocimiento y desarrollo chileno se
pudiera llevar al mercado en formas tales como patentes y licencias.
5.3.2 Instrumentos de política pública
Los gobiernos en Chile han implementado una serie de instrumentos de política pública destinados a fomentar y fortalecer los centros de
175
investigación, a través del CONICYT y CORFO, como una manera de
contribuir a la investigación de excelencia en áreas de interés nacional.
Entre estos instrumentos cabe mencionar:
El Programa de Financiamiento Basal para Centros Científicos y
Tecnológicos de Excelencia, perteneciente al Programa de Investigación Asociativa del CONICYT [16], que tiene como objetivo
principal potenciar el desarrollo económico nacional mediante un financiamiento sustancial y de largo plazo en centros donde se realice
investigación básica asociada a la investigación aplicada, en áreas vinculadas con los desafíos del país conectadas al mundo y sector
productivo. Entre sus objetivos específicos está el mejoramiento de la calidad y pertinencia de la investigación así como el fortalecimiento y
ampliación de los centros de excelencia que desarrollen investigación en áreas estratégicas para el desarrollo nacional.
El Fondo de Financiamiento de Centros de Investigación en Áreas
Prioritarias, a través del FONDAP [17], cuyo objetivo es fomentar el
desarrollo de Centros de Investigación científica de excelencia y alto impacto, posibilitando que puedan desarrollar investigaciones que
vayan más allá de las que puedan ser financiadas mediante fuentes convencionales. Se pretende que estos centros puedan insertarse en
redes mundiales reconocidas.
El Programa de Atracción de Centros de Excelencia Internacional en I+D, de la CORFO [18], en las modalidades de Competitividad
Institucionales como Empresariales, que tiene como objetivo apoyar el establecimiento de centros de excelencia en I+D internacionales que
puedan realizar investigación y desarrollo, transferencia tecnológica y comercialización en áreas de la frontera tecnológica, con alto impacto
nacional e internacional, junto con fortalecer las capacidades de I+D nacionales. Tiene como objetivos específicos, entre otros, contribuir a
incrementar la competitividad de las empresas a través de la
transferencia tecnológica y posicionar al país como un polo de innovación regional.
176
5.4 Descripción de algunos Centros de Excelencia que sean
directa o indirectamente referenciales en lo relacionado
con el uso del litio para almacenamiento y transporte de energía térmica y líneas de investigación vigentes a nivel
internacional. 5.4.1 Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE
El Instituto Franunhofer ISE es un Centro de investigación alemán que
declara estar comprometido con la promoción de sistemas de suministro de energía que sean sustentables, económicos, seguros y socialmente
justos [10].
Está organizado en dos estructuras paralelas mutuamente compatibles.
Una de ellas es el área de negocios y la otra la división científica.
La organización está estructurada como sigue:
Director del Instituto Directores Adjuntos
Jefe de Oficina de Finanzas Prensa y Relaciones Públicas
Planificación Estratégica Política Energética
Coordinación Fotovoltaica Coordinación Universidades
División Científica: o Sistemas Térmicos y Edificaciones
o Térmica Solar y Óptica
o Materiales – Celdas Solares y Tecnologías o Tecnologías de Producción PV y Aseguramiento de Calidad
o Módulos Fotovoltaicos, Sistemas y Fiabilidad o Sistemas de Energía Eléctrica
o Tecnología Energética
Su planificación estratégica considera las siguientes doce áreas de negocios, focalizadas en almacenamiento de energía, conversión de
energía, distribución de energía y eficiencia energética, que reflejan los principales los campos de I+D del Instituto:
Eficiencia Energética en Edificaciones
Silicio Fotovoltaico III-V y Concentrador Fotovoltaico
Celdas Solares de Tintes, Orgánicas y Novedosas
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Módulos Fotovoltaicos y Plantas Generadoras
Tecnología Termosolar Tecnología de Celdas de Combustible e Hidrógeno
Sistemas Integrados y Mallas – Electricidad, Calor, Gas
Eficiencia Energética en Electrónica de Potencia Movilidad Cero-Emisiones
Tecnología de Almacenamiento Análisis de Sistemas de Energía
La investigación en el campo de la “Tecnología termosolar” abarca todo el
mercado desde aplicaciones de baja temperatura a alta temperatura, desde agua caliente sanitaria y sistemas de calefacción solar, a través de
enfriamiento y refrigeración, al desarrollo de componentes y sistemas para grandes plantas de energía solar térmicas. También están incluidos,
entre los temas de investigación centrales, el calor de proceso solar para aplicaciones industriales y de purificación descentralizada de agua.
En el ámbito de las “Tecnologías de almacenamiento”, los temas de
investigación han abarcado diversas formas de energía como la
electricidad y el calor, desde sus inicios. Actualmente, el trabajo de I+D sobre tecnologías de almacenamiento oscila entre las baterías de iones de
litio y redox-flow, mediante tecnología de electrólisis e hidrógeno, hasta contenedores para plantas termosolares y materiales de cambio de
materiales de construcción inteligente y almacenamiento en frío.
El Instituto se financia en un 90 por ciento mediante contratos de investigación aplicada, desarrollo y servicios de alta tecnología que, en
las mencionadas áreas de negocios, suscribe con clientes nacionales y extranjeros, con socios industriales, agencias públicas y científicos.
Por su parte, la división científica del Instituto es la responsable por la
investigación y desarrollo en los laboratorios, en los proyectos y la concreción de la organización de las tareas. Su quehacer científico se
aplica en once áreas de expertise, aunque también ofrece sus laboratorios
para procedimientos de pruebas y certificaciones.
El Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE es un miembro de la Fraunhofer-Gesellschaft, la organización líder para la investigación
aplicada en Europa. Además, Fraunhofer ISE integra una red de cooperación nacional e internacional tal como el ForschungsVerbund
Erneuerbare Energien (FVVE – Asociación Alemana de Investigación de Energías Renovables) y la Agencia Europea de Centros de Energía
Renovable (EUREC).
178
Su centro de operaciones se encuentra ubicado en la ciudad de Freiburg,
no obstante, tiene vínculos de cooperación con otros laboratorios en Alemania, algunos pertenecientes a la Fraunhofer-Gesellschaft, así como
en el exterior, como es el caso del Fraunhofer Center for Sustainable
Energy Systems, ubicado en Boston, en cooperación con el Massachusetts Institute of Technology MIT, y el CFV Solar Test Laboratory, junto con la
Canadian Standards Association, en Albuquerque, New Mexico.
5.4.2 Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie Solaire – PROMES
PROMES es una unidad de investigación francesa del CNRS (Centre
National de la Recherche Scientifique) perteneciente al Instituto de Ingeniería y Ciencias de Sistemas (INSIS) que opera bajo contrato con la
Universidad de Perpignan (UPVD). El laboratorio está ubicado en tres lugares: Odeillo-Font Romeu, Targasonne y Perpignan, donde se ubica
Tecnosud. CNRS y UPVD han creado la unidad IN'SOL dedicado a las innovaciones solares que es apoyado por PROMES en Tecnosud [11].
Asimismo, PROMES es el líder del laboratorio de excelencia SOLSTICE (SOLaire: Sciences, Technologies, Innovations pour la Conversion
d’Energie)) cuyos socios son la Universidad de Perpignan, CNRS, Universidad de Montpellier 2 (Laboratorio de IES) y l’Ecole des Mines
d’Albi (Laboratorio RAPSODEE). También lidera el equipo de excelencia SOCRATE.
El personal del laboratorio incluye a 160 personas, entre los cuales 90 son
funcionarios permanentes, del CNRS y UPVD trabajando juntos sobre un tema común: desarrollo de la energía solar en todos los niveles. PROMES
es miembro fundador de la Federación de investigación en energía solar del CNRS, FEDESOL, que es administrado por un miembro de laboratorio.
El Laboratorio PROMES está organizado de la siguiente manera:
Equipo de Dirección: o Director,
o Director Adjunto, y o Administrador
Equipo de Investigadores divididos en dos campos principales: o Materiales bajo condiciones extremas:
Sistemas spin a escala nanométrica Fotovoltaico, plasmas y películas delgadas
Materiales a altas temperaturas y carburantes solares o Conversión, almacenamiento y transporte de energía solar:
179
Radiación y centrales solares
Termofísica y flujos de fluidos Termodinámica, energía y sistemas reactivos
Almacenamiento por helioprocesos fotoquímicos y
energéticos Electrónica, control automático y sistemas
Departamentos de Servicios: o Apoyo técnico a la investigación
o Administración y finanzas o Instalaciones solares y equipos asociados
o Análisis y caracterización de interfaces o Equipos computacionales
Una de las misiones originales de PROMES es desarrollar investigaciones
mediante las instalaciones de concentración a gran escala del CNRS en Font Romeu (particularmente hornos solares) y del Consejo "Pyrénées
Orientales" en Targasonne (Torre solar de Themis). Estas investigaciones pueden ser llevadas hasta el nivel de demostración, como se ha hecho
para el proyecto PEGASE. Por otra parte, el laboratorio está a cargo del
desarrollo de la Plataforma Nacional de concentración solar gracias al "equipo de excelencia" del proyecto SOCRATE (Solaire Concentré:
Recherches Avancées et Technologies Energétiques).
PROMES abrió sus servicios a la comunidad europea de la investigación a través del proyecto SFERA y contribuye a la reflexión sobre la creación de
un gran dispositivo europeo en red bajo la iniciativa ESFRI a través del proyecto EU-SOLARIS. Es también un miembro activo de la EERA-CSP
(European Energy Research Alliance-Concentrated Solar Power) y SolarPACES (Solar Power And Chemical Energy Systems) un anexo en la
Agencia Internacional de la Energía.
La investigación del laboratorio cubre un espectro muy amplio de escalas pertinentes, para desarrollar nuevas formas de valorización de la energía
solar. En la nanoescala, los trabajos comienzan sobre la interacción de
fotones-nanopartículas, en estrecha relación con la investigación sobre las capas antirreflejos, películas delgadas fotovoltaicas y multicapas
selectivas. En una escala ligeramente más alta se sitúan los desarrollos relativos a la resistencia físico-químicas de los materiales en ambientes
extremos. Las investigaciones sobre la convección turbulenta, las transferencias acopladas a reactores termoquímicos y los mecanismos de
envejecimiento de materiales se sitúan en la microescala. La mesoescala es el campo de trabajo sobre los componentes y situaciones tales como
los elementos de almacenamiento de alta temperatura mediante recuperación de desechos mineral, los micro-receptores solares y
180
transferencias radiativas, los fotocatalizadores apoyados, los sistemas de
conversión fotovoltaicos bajo concentración, los componentes electrónicos. La escala macro es aquella de los receptores y reactores.
Finalmente, la escala de sistemas completos es estudiada por los equipos
de RCS (Rayonnement et Centrales Solaires) y ELIAUS (Electronique, Automatique et Systèmes).
La investigación que PROMES desarrolla en el tema de "Materiales a altas
temperaturas" por un lado se interesa en el estudio – numérico y experimental - del comportamiento físico y químico de materiales
portadores a temperaturas muy altas (2500 K) en un entorno específico gaseoso (plasma de aire, CO2 o flujos iónicos de energía media (keV),
gas neutro, radiación VUV...) y para el estudio del efecto sinérgico debido al acoplamiento de estas limitaciones en los materiales y, por otra parte,
a las mediciones in situ de temperaturas muy elevadas y de las propiedades termo-radiativas de los materiales en estos entornos
severos. La investigación también concierne el desarrollo de nanomateriales por vía solar - óxidos o carburos - para obtener
interesantes propiedades (fotocatalización, luminiscencia, aplicaciones
médicas para los óxidos; dureza, resistencia a la corrosión para los carburos).
El objetivo del equipo de investigación en “Termofísica y flujos de fluidos”
es la optimización de la transferencia de calor dentro de los receptores solares a altas temperaturas y el desarrollo de conocimientos relacionados
con el envejecimiento de materiales sometidos a altos flujos térmicos. La optimización de los captadores solares pasa por mejorar el intercambio
de calor con el fluido de trabajo y por la reducción de pérdidas de carga durante su paso por el receptor. El rendimiento de los receptores está
fuertemente relacionado a su arquitectura interna. Por otro lado, los receptores solares se someten a agresiones térmicas violentas y cíclicas.
Estas condiciones extremas en las que trabajan son responsables de la degradación prematura de sus capacidades térmicas y mecánicas. En
particular, afecta su capacidad para absorber óptimamente la energía
solar, mediante la transmisión a un fluido de trabajo.
En el área de los flujos de fluidos y transferencia, las cuestiones científicas claves son:
comprender como los gradientes térmicos modifican la estructura del
flujo (turbulento y altamente anisotérmico) definir y evaluar la geometría notablemente parietal de los sistemas,
para obtener la mejor eficiencia energética
181
estudiar el potencial de los materiales para cumplir mejor con las
especificaciones de temperatura y presión del proceso.
Uno de los objetivos de la investigación en el ámbito del “Almacenamiento
por helioprocesos fotoquímicos y energéticos” consiste en proporcionar nuevos usos a materiales reciclados en procesos solares, mejorando así
su impacto energético global. En esta perspectiva, la integración de medios de almacenamiento en simbiosis con el principio de la
recuperación de residuos, constituye un camino de desarrollo privilegiado. Ya sea se trate de almacenamiento de energía o material, esta
funcionalidad permite, en efecto, liberarse de la discontinuidad del recurso solar, hacerlo confiable, seguro y muy a menudo mejorar la eficiencia de
los procesos solares reduciendo al mínimo el uso de energía fósil de complemento.
Considerando que diversos procesos energéticos requieren el uso de las
unidades de almacenamiento térmico de gran tamaño, junto con la gran cantidad de materiales involucrados que impactan fuertemente en el
análisis de ciclo de vida de estos procesos, obligó al equipo investigador
a crear una nueva filial basada en la implementación de almacenamiento de calor sensible mediante cerámica refractaria obtenida del tratamiento
de residuos industriales.
5.4.3 Plataforma Solar de Almería - PSA
La Plataforma Solar de Almería (PSA) es un Centro público de investigación del gobierno español, bajo el Ministerio de Economía y
Competitividad, ubicado en el desierto de Tabernas (Almería, sudeste de la península Ibérica) que pertenece al CIEMAT (Centro de Investigaciones
Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas), organismo de referencia en temas de energía y medioambiente. La PSA forma parte también de la
red de Infraestructuras Científicas y Tecnológicas Singulares (ICTS) de España [12].
La PSA es y siempre ha sido, desde su concepción, el centro de referencia por excelencia en relación con las tecnologías de concentración solar. Su
germen inicial fue el proyecto SSPS (Small Solar Power Systems) lanzado por la Agencia Internacional de la Energía (AIE) en la segunda mitad de
la década de los 70 y exitosamente atraído hacia España por las autoridades de la época. Dicho proyecto SSPS fue una de las respuestas
de la AIE a la crisis energética de 1973 y pretendía determinar el potencial de las tecnologías termosolares, sin apenas precedente alguno en aquel
momento, para la producción de electricidad [13].
182
La inauguración formal de las instalaciones tuvo lugar en 1981, con el hito
histórico de ser la primera vez que se inyectaba en la red electricidad termosolar. El proyecto internacional SSPS duró hasta 1985, año en el
que las instalaciones se unieron a las adyacentes del proyecto nacional
CESA-1 creando la actual PSA. Como continuación del proyecto SSPS se decidió lanzar un nuevo proyecto que se denominó SolarPACES (Solar
Power and Chemical Energy Systems), que aún continua vigente en la actualidad y posiblemente con mayor vigor que en cualquiera de las
múltiples etapas que ha tenido en los 30 años transcurridos.
Especialmente notable fue el periodo entre 1998 y 2006 en el que se llevó a cabo una intensa transferencia tecnológica hacia las principales
empresas de ingeniería españolas (Abengoa, Sener, Iberinco, Acciona, etc) que posibilitó que estuvieran en condiciones de abordar los primeros
proyectos comerciales cuando estos comenzaban a ser ya económicamente viables, gracias a las primeras “feed-in tariffs” y otros
mecanismos de apoyo que fueron implementados en algunos países del mundo.
La estructura organizacional de la PSA está conformada por un Director y Director Adjunto, al cabeza de la organización, de la cual dependen:
Departamento de Administración
Unidades de I+D: o Sistemas Solares de Concentración
o Aplicaciones Medioambientales de la Energía Solar o Tratamientos Solares del Agua
Unidades de Gestión: o Mantención
o Operación o Instrumentación
o Ingeniería Civil o Informática y Comunicaciones
La Unidad de Sistemas Solares de Concentración está constituida por tres Grupos de I+D:
Tecnologías Solares de Media Temperatura,
Tecnologías Solares de Alta Concentración y Combustibles Solares y Procesos Industriales de Alta Temperatura
Las líneas de investigación prioritarias para esta unidad son:
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Desarrollo y evaluación de nuevos componentes para sistemas de
captación cilindro-parabólicos y de torre. Nuevos fluidos de trabajo, operando a altas temperaturas y bajo
impacto ambiental.
Sistemas de almacenamiento térmico. Nuevos procesos de producción de hidrógeno con energía solar y
optimización de reactores solares para estos procesos.
Debido al alto número de plantas termosolares en operación en España, a través de la unidad de Sistemas Solares de Concentración, la PSA
mantiene una estrecha colaboración con el sector eléctrico termosolar. Así también, participa en numerosos proyectos de I+D relacionados con
sistemas de concentración solar, tanto nacionales como internacionales.
Paralelamente desarrolla otras dos importantes actividades:
Capacitación y difusión de conocimiento, a través de la participación en seminarios, cursos de Master y congresos en el área.
Actividades de estandarización en el sector eléctrico termosolar,
participando en todos los foros y grupos de trabajo para estos propósitos, tales como el comité de estandarización ASME PTC-52
creado en USA y el subcomité AEN/CTN 206/SC “Sistemas de Energía Solar Termoeléctrica” creado en España.
5.4.4 Plataforma Solucar
La Plataforma Solúcar es la mayor plataforma solar de Europa y está
situada en el entorno de Sanlúcar la Mayor, Sevilla. En este complejo de plantas Abengoa Solar opera comercialmente 183 MW.
Actualmente, la Plataforma produce anualmente energía equivalente a
94.000 hogares, y evita la emisión de más de 114.000 toneladas anuales de CO2.
El proyecto ocupa una extensión superior a las 1.000 hectáreas y supondrá la creación de 1.000 puestos de trabajo asociados a la fase de
fabricación y construcción; cerca de 300, para la operación de las plantas; y otros 50, relacionados con la investigación y el desarrollo.
Desde que empezó su construcción, la Plataforma Solúcar está
potenciando el desarrollo de la industria local y de empresas de servicio y ha supuesto un impulso de la inversión tecnológica en la comarca así
como el nacimiento del turismo científico que ha surgido con la puesta en marcha de la PS10, PS20, Solnovas, Sevilla PV y Casaquemada PV.
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Además, la plataforma cuenta con un área de investigación y desarrollo
donde se encuentran varias plantas de demostración de nuevas tecnologías.
5.4.5 Instituto Aeroespacial de Alemania - DLR
El DLR tiene un área exclusiva de desarrollo TES en su centro de Ingeniería Termodinámica.
Esta área de investigación tiene como objetivo desarrollar
almacenamiento de energía térmica a altas temperaturas para plantas de energía solar térmica y convencional, y para aplicaciones de calor para
procesos industriales. Actualmente, se están desarrollando sistemas de almacenamiento para las temperaturas de funcionamiento que van desde
200 ° C a 600 ° C. El agua/vapor es de importancia excepcional como un fluido de transferencia de calor en este sistema.
Por lo tanto, se centra en el desarrollo de almacenamientos de calor
latente para los sistemas de evaporador. Están llevando a cabo nuevos
conceptos materiales, así como nuevos enfoques para un mejor diseño e integración de sistemas. Se prestará más atención a la sección de
sobrecalentamiento entre 300 ° C y 600 ° C, necesaria para lograr alta eficiencia del sistema en general. Una vez más, se están desarrollando
nuevos conceptos materiales y enfoques adaptados para la integración de sistemas.
Para aplicaciones en las que existen grandes diferencias de temperatura,
distintos almacenamientos térmicos sensibles están siendo diseñados y probados. Dentro de los proyectos conjuntos con socios industriales, se
ha desarrollado un mercado de almacenamiento de hormigón preparado. Además de esto, los aspectos innovadores de sistemas de
almacenamiento de sales fundidas se han identificado como un tema de investigación más.
Sus áreas de investigación más relevantes y actuales son:
Desarrollo de almacenamiento para la generación directa de vapor en plantas de energía solar térmica
Almacenamiento de calor latente de calor para procesos industriales y la energía solar
Sistemas de almacenamiento en sales fundidas Desarrollo de materiales de almacenamiento sensible y latente.
Análisis de material y determinación de las propiedades del material termofísicas.
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Análisis de la integración de sistemas de almacenamiento.
Sólidos regenerativos para plantas de energía solar térmica Diseño, construcción y operación de prototipos de almacenamiento
y la infraestructura que los acompaña
5.4.6 Laboratorio Nacional de Energía Renovable de USA - NREL
El NREL tiene un centro dedicado íntegramente a TES y HTF para CSP, el
cual es denominado “Thermal Storage and Advanced Heat Transfer Fluids” (Almacenamiento Térmico y Fluidos Avanzados de Transferencia de
Calor). Según datos obtenidos de su propia página web (http://www.nrel.gov/csp/), el NREL evalúa las propiedades de los fluidos
que almacenan y transfieren calor de la energía solar concentrada (CSP) para mejorar la eficiencia térmica en electricidad y reducir el costo
operativo de las plantas.
Tradicionalmente, las plantas CSP han utilizado aceites sintéticos como fluidos de transferencia de calor y sales fundidas para almacenamiento de
energía térmica. En el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, se
están mejorando estos materiales, así como el desarrollo y la caracterización nanofluidos avanzados y materiales de cambio de fase
(PCMs) para aplicaciones de almacenamiento térmico.
Sus capacidades en el centro de almacenamiento térmico y fluidos avanzados de transferencia de calor, principalmente están en torno a las
tres áreas siguientes:
Medidas de Propiedades Termofísicas Medidas de Flujos de Fluidos y Transferencia de Calor
Simulaciones de Flujos de Fluidos y Energía Térmica
5.4.7 Laboratorio Nacional Sandia (USA)
Sus responsabilidades y misiones únicas obedecen al programa de armas
nucleares (NW). Crean entonces una fundación para el apalancamiento de capacidades, que les permite resolver problemas de seguridad nacional
complejos.
Como un laboratorio nacional multidisciplinario y con fondos federales centro de investigación y desarrollo (FFRDC), Sandia realiza tareas que
son parte integral de la misión y el funcionamiento de sus organismos patrocinadores, como:
Anticipar y resolver los nuevos problemas de seguridad nacional.
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Innovar y descubrir nuevas tecnologías para fortalecer la
superioridad tecnológica de la nación. Creación de valor a través de productos y servicios que resolver
importantes problemas de seguridad nacional.
Informar al debate nacional, donde la política tecnológica es fundamental para preservar la seguridad y la libertad en todo el
mundo.
Como FFRDC para la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA), tienen una relación a largo plazo con su patrocinador. Esto crea
un ambiente que apoya sus campos de experiencia, les permite mantener su objetividad e independencia, y les permite estar familiarizado con la
misión del patrocinador. Traen la cultura FFRDC a todos sus patrocinadores federales para proporcionar apoyo a largo plazo,
soluciones a los problemas existentes y las amenazas emergentes y capacidades de respuesta rápida. Como objetivo, independiente y asesor
de confianza, es sacar de su alta experiencia en ciencia e ingeniería para anticipar, innovar, crear y alimentar el debate de políticas para los
tomadores de decisiones.
A pesar de ser más orientados al área nuclear, Sandia también apoya
temas de seguridad y sustentabilidad energética en general, realizando grandes aportes a las tecnologías CSP y en particular a las áreas TES y
HTF como por ejemplo:
Comisión Sandia-AREVA para Energía Solar Térmica/Sales Fundidas.
Instalación Nacional de Prueba para energía Solar Térmica Protocolo para la medición uniforme y expresión el rendimiento de
Sistemas de Almacenamiento de Energía.
De Sandia se puede rescatar y aprovechar en Chile, gracias al centro propuesto, el concepto de dar soporte a la seguridad y sustentabilidad
energética país.
5.5 Establecimiento de áreas de investigación y objetivos principales de trabajo
Primero que nada debemos dejar claro que para las áreas de investigación
se pueden revisar los objetivos desde un punto de vista de transporte o
transferencia térmica y desde el punto de vista del almacenamiento térmico.
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En las secciones precedentes se explicaron ampliamente ambos
conceptos, no obstante, en esta sección en particular, se realizará un resumen de ambos, que permita una mejor comprensión de las áreas a
desarrollar.
A. Almacenamiento Térmico
Para que las tecnologías renovables, en particular la solar, sean
gestionables, estables y con altos factores de planta, el componente principal que se debe desarrollar son sus Sistemas de Almacenamiento
Energético. El concepto general de Almacenamiento Energético, se basa en el principio de guardar energía en un módulo, tanque o batería, para
luego ser usada en cualquier instante que sea necesaria por problemas de déficit en la fuente principal de energía (ej. Día muy nublado de baja
radiación incidente o la noche donde no hay sol). Se basa siempre en una acción de Carga seguida de una Descarga.
Existen dos grandes tipos de Almacenamiento Energético si se miran las
tecnologías solares, las cuales son las Batería Fotovoltaicas y los sistemas
de Almacenamiento Térmico de altas y bajas temperaturas.
El concepto de almacenamiento térmico en energía solar, es muy similar al de las baterías eléctricas, la gran diferencia es que en este caso la
energía almacenada es calor. Este calor entonces es almacenado en un material con gran calor sensible o latente y densidad. La multiplicación de
las dos variables anteriormente mencionadas, da la característica principal de capacidad de almacenamiento de estos materiales (existen
otros parámetros, pero estos son los más relevantes). Este material se encuentra a su vez “almacenado” o contenido en un Módulo o Tanque de
almacenamiento. Existen TES de alta temperatura (ej: usado para sistemas solares de generación eléctrica), mediana temperatura (ej:
sistemas solar para calor industrial) y baja temperatura (ej: calor residencial, agua sanitaria, etc.).
Existen tres formas de TES, las cuales serán enumeradas de menor a mayor según su capacidad de almacenamiento o densidad energética:
1. Calor Sensible: Almacena en un material que se encuentra en una sola
fase sólido, líquido o gas. Por su estabilidad, este es el sistema más comúnmente usado en la industria solar.
2. Calor Latente: Puede usar la capacidad de almacenamiento del
sensible, pero le agrega la energía de cambio de fase (o calor latente). Por ejemplo cambios de fase sólido-líquido, líquido-gas, etc. Tiene un
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desarrollo bastante avanzado y se estima que podría ser pronto la
tecnología a ser utilizada en mediano plazo.
3. Termoquímico: Es el que tienen más densidad energética y aprovecha
las reacciones químicas para absorber o entregar calor. Es el más inestable por el momento y por eso se estima su aplicación en un
horizonte más lejano.
Teniendo claro los conceptos anteriores, el país tiene el potencial de desarrollar y ponerse a la vanguardia en dos de las tres tecnologías
anteriores, que serían TES por calor sensible y por Latente.
Chile posee las instituciones con capacidad tecnológica y los materiales más comúnmente usados en estos sistemas, como son los Nitratos (es el
mayor productor mundial).
B Transporte o transferencia térmica
Cuando se habla de transporte solar, se refiere a los fenómenos de
transporte o transferencia energética, con énfasis en el transporte de calor o de energía térmica, que tienen como fuente primaria el sol y que
generalmente son necesarios y/u ocurren dentro de las tecnologías solares de generación térmica o eléctrica. El transporte de energía térmica
en las centrales CSP se obtiene principalmente usando materiales en su estado líquido como aceites térmicos, agua líquida o sales fundidas. Solo
en muy pocas centrales se trabaja con gases como el vapor o el aire. A estos fluidos se les conoce principalmente como “fluidos caloportadores”
o por sus siglas en inglés “HTF” (Heat Transfer Fluids). Su misión, como bien dice el enunciado, es transferir calor de un lado a otro del sistema o
central Termosolar.
Algunos fluidos, como los aceites térmicos, pueden ser de elevado costo. Otros son delicados en su operación o mantención, como el agua y sales
fundidas, por problemas de cambios de fase (ej. Solido-líquido o líquido-
gas) lo que también repercute en un encarecimiento del costo del sistema.
Por lo anterior, se hace muy necesario encontrar nuevos HTF que tengan rangos de operación más grandes, sean de poco riesgo, no requieran gran
autoconsumo, no aumenten las dimensiones o la cantidad de componentes del sistema, etc.
A modo genérico, las áreas que este este Centro podría desarrollar
serían las siguientes:
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1. Nuevos materiales de Transporte y Almacenamiento Térmico. Se
pueden considerar nuevas mezclas de materiales Nitratos y Litio. Además se podría dar apoyo a temas como reciclaje de Desechos
Mineros del Cobre, uso de Tierras Raras, etc.
2. Innovación en los sistemas de intercambiadores de calor debido a la
creciente incorporación de Nitratos y Li como fluidos térmicos.
3. Desarrollo de otros componentes tales bombas, tuberías, receptores solares, estructuras, etc., que cumplan exigencias de los nuevos
materiales.
4. Mediciones de Flujos de Fluidos y Energía Térmica
5. Aplicación de sistemas con calor sensible, cambio de fase y termoquímico para almacenamiento y transporte térmico solar de
media y baja temperatura.
6. Evaluaciones técnico-económicas de introducir estas nuevas
tecnologías en la industria.
7. Construcción de prototipos y sistemas demostrativos.
8. Desarrollo de protocolos de instalación, operación y mantención de equipos.
9. Certificación de componentes y sistemas.
Habiendo dejado en claro ambos conceptos, TES y HTF, además de una
visión general de los posibles desarrollos a realizar, a continuación se pueden proponer algunas áreas u objetivos de investigación.
Cabe destacar que, lo que se presentará a continuación, son sólo ejemplos
del potencial de desarrollo en cada área. No se presentan todos los
estudios posibles, ni explicaciones detalladas de cada ítem, debido a que eso sería parte del diseño conceptual de un centro o proyecto y eso no
pertenece al alcance del presente trabajo.
5.5.1 Materiales de transporte y/o almacenamiento
Esta es quizás una de las áreas de investigación e innovación con más
potencial de aplicación en la industria, no solo en la solar, sino también en cualquier industria que desee gestionar su energía térmica. Para
simplificar la lectura, cuando mencionemos algún material que sirva para
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transporte y almacenamiento al mismo tiempo, este será denominado
MTA (Material de Transporte y Almacenamiento).
Algunos desarrollos que se pueden realizar son los siguientes:
1. Selección de mezclas de sales que cumplan los requisitos para la
transferencia y el almacenamiento térmico definido según diferentes condiciones de operación. Este desarrollo permite proporcionar
conocimientos e información útil para mejorar el litio con sales fundidas y determinar su comportamiento y rutas de elaboración.
También podrá garantizar la coherencia entre los análisis de física y el diseño conceptual del sistema de transporte y almacenamiento de
energía. Parte de los datos de entrada requeridos por la industria, serán proporcionados por esta tarea. Para cualquier formulación con
propiedades térmicas y químicas deseables, también se llevará a cabo análisis de coste en términos de peso, volumen y kWh.
2. Caracterización de sistemas y MTA: Caracterización de transferencia
térmica es el objetivo principal. Su objetivo es apoyar la optimización
global de materiales a base de sales fundidas de litio mediante el suministro de información térmica local relevante para el aumento de
escala. Interés: 1) las sales fundidas caracterizadas térmicamente; 2) Desarrollo de métodos para el análisis térmico y fluidos con
aumento de escala, de microscópica a la del componente (macroscópica); 3) análisis numérico. Los aspectos clave de este
estudio son para obtener la máxima densidad de energía por unidad de volumen y por unidad de peso, sin comprometer la buena
transferencia de calor entre la sal fundida y el fluido de transferencia de calor. La reversibilidad del sistema sal fundida seleccionada
durante la carga y descarga se maximizará la vez que minimiza las pérdidas térmicas. Con el fin de conseguir las propiedades óptimas,
la formulación de la composición de sal fundida se puede abordar desde un punto de vista fundamental, con el uso de los mejores
modelos termofísicos y termo-químicos disponibles en el proceso de
selección inicial. Diagramas de fase binarios, ternarios, cuaternarios serán investigados a fin de poder tabular. Caracterización térmica
fluidos en la escala micro significa estimación de fluidos térmicos-propiedades relacionadas con las fases y las interfaces de materiales
(sal/metal y sal/resistencias térmicas de la sal y de interacción fluido). Esta tarea tiene como objetivo conseguir propiedades de
termo-fluidos mapas de las sales fundidas utilizando los resultados experimentales obtenidos antes. Se trata de una investigación teórica
con miras al desarrollo métodos para la estimación de las propiedades locales de observaciones. Esto implica el modelado de
191
transferencia de calor y el desarrollo de técnicas de inversión
eficientes, así como métodos específicos de procesamiento de datos. Se espera finalmente la mejora de los materiales de elaboración.
3. Análisis de degradación a altas temperaturas: Este punto se refiere a la degradación de las sales estudiadas debido a los ciclos térmicos.
Su objetivo es la caracterización de la degradación de las sales fundidas con litio. Los estudios de degradación de sales plantean
desafíos considerables debido a su gama alta temperatura donde se produce la degradación térmica. no permite el uso de métodos
experimentales estándar, tales como análisis termogravimétrico (TG) y la calorimetría diferencial de barrido (DSC). Esto es debido a
procesos de degradación que serían enmascarados por la vaporización. Un método para medir la degradación continua de sales
fundidas, que permita controlar el efecto que la operación y el tiempo se podría desarrollará. Controlar continuamente los parámetros
indicativos de la degradación durante el funcionamiento, sería interesante de realizar entre otras actividades.
4. Corrosión entre los MTA y los componentes. Si bien la estabilidad mecánica, física y química de las sales fundidas puede ser modelado
y experimentalmente evaluada, igualmente importante serán investigaciones relativas a la compatibilidad química entre las sales
fundidas, intercambiadores de calor, y tanques de almacenamiento. Sales fundidas son productos químicos agresivos, especialmente los
que contienen sales de litio. Estos pueden reaccionar con materiales que se utilizan en el sistema de almacenamiento y transporte
térmico. Estudios de corrosión calientes pueden ofrecer una idea de todos los mecanismos de degradación y también nos ayudará en la
búsqueda de minimizar la corrosión en caliente mediante la selección de contención y transporte de materiales adecuados y capas
protectoras.
5. Modelos de microestructura y modelamiento físico. Se refiere a
modelos matemáticos y simulaciones numéricas.
6. Materiales aislantes térmicos para recubrir partes del sistema con pérdidas de calor.
7. Materiales PCM para TES Latente.
8. Mezclas de Materiales para almacenamiento Termoquímico
192
5.5.2 Componentes
Algunos desarrollos que se pueden realizar son los siguientes:
1. Tubos absorbedores para colectores cilindro-parabólicos.
2. Nuevos diseños de ball-joints o junturas tipo mangueras flexibles
(flex-hoses) para conectar colectores cilindro-parabólicos.
3. Estudios de acoplamientos Termo-fluido-mecánicos entre los fluidos o MTA y los componentes del sistema. Este desarrollo se refiere el
análisis termo-fluido-mecánico de los materiales a base de sales fundidas de litio o sales en general. Su objetivo es mejorar sus
actuaciones. El objetivo es evitar o reducir en lo posible los problemas termo-hidro-mecánicos que pueden ocurrir dentro de los
componentes de CSP. El trabajo principal debe implica: 1) caracterización termomecánica de materiales a base de sales
fundidas de litio; 2) analiza numérico termo-fluido-mecánico; 3) intentos de mejora de diseño de materiales de los componentes; 4)
desarrollo de dispositivos experimentales específicos. Es necesaria
una caracterización teórica termo-mecánico de los materiales de sales fundidas de litio. El objetivo de esta tarea es crear una base de
datos de propiedades termo-mecánicas de los materiales. Obtendremos: Propiedades térmicas a nivel local y en las escalas de
la muestra y las propiedades mecánicas de los materiales componentes. Las actividades de modelado aspiran a: a) la
identificación de los principales parámetros de diseño para mejorar el comportamiento de los materiales; b) el suministro de
herramientas matemáticas para futuras investigaciones. La modelización se acerca tanto a micro-escala y la escala macro se
desarrollará: Se requieren modelos micro-escala para el análisis de las interacciones entre los componentes de los materiales de sales
fundidas de litio; modelización macroscópica es más apropiado para evaluar materiales actuaciones.
4. Diseño de válvulas de acuerdo a las condiciones de trabajo y los nuevos MTA.
5. Evaluación de duración y confiabilidad de receptores, ball-joints, flex-
hoses, seguidores solares y componentes en general.
5.5.3 Sistemas
Se pueden mencionar los siguientes:
193
1. Nuevos sistemas de colectores cilindro parabólicos.
2. Diseños de campos solares donde participe el fluido HTF.
3. Sistemas de control y procedimientos de operación de centrales
térmicas.
4. Sistemas de adquisición de datos más eficientes.
5. Evaluación de eficiencia energética del sistema.
6. Mejoras a los diseños actuales de TES sensible.
7. Sistemas en cascada comerciales para el futuro cercano del HTTES con cambio de fase.
8. Identificaciones de opciones económicamente competitivas para
diferentes sistemas TES como Termocline, PCM, doble tanque, etc.
5.5.4 Prototipos
En este ámbito se pueden mencionar:
1. Diseño conceptual e implementación de una planta de ciclos. Se trata del diseño y construcción de una planta de proceso a escala de
laboratorio/semi-piloto para simular las condiciones de los procesos industriales, que estudiará la degradación térmica de los fluidos a
diferentes ciclos de calentamiento-enfriamiento, condiciones de flujo/agitación, presión, gases, etc.
2. Nuevos lazos de testeo de fluidos con gases presurizados para testear
diferentes condiciones de trabajo.
3. Sistemas de control y procedimientos de operación de centrales.
4. Módulos o tanques para TES con PCM a altas temperaturas.
5. Reactores químicos para TES Termoquímico para medias y altas
temperaturas.
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5.6 Tiempos y resultados esperados
La creación de un Centro de Excelencia requiere de un esfuerzo acotado en el tiempo, cuyo final se dará por alcanzado cuando se hayan logrado
los objetivos previamente definidos, lo cual significa que deberá ser tratada como el resultado de un proyecto.
El tiempo necesario para desarrollar las actividades requeridas para
obtener los resultados esperados, en forma de productos entregables, dependerá de los recursos disponibles, principalmente financieros,
humanos y físicos, así como de la capacidad de gestión de la dirección del proyecto la cual deberá, entre otros desafíos, enfrentar los riesgos
asociados al desarrollo de las actividades involucradas.
5.6.1 Objetivo general del proyecto
Para alcanzar el objetivo general y objetivos específicos que se definan
para el Centro, se requerirá planificar, programar e implementar una serie de actividades, agrupadas en etapas para su mejor gestión, que se
desarrollarán gradualmente desde el estudio de factibilidad hasta la puesta en marcha del proyecto. Cada una de las etapas tendrá un objetivo
específico, cuyo cumplimiento es verificará en base a los resultados esperados para cada una de ellas, las cuales deberán contribuir al logro
del objetivo general definido.
5.6.2 Etapas del proyecto
A continuación se detallan las etapas que se deben considerar si luego del estudio de prefactibilidad se considera seguir avanzando en el proyecto.
Etapa 1. Estudio de Factibilidad Técnica-Económica del Centro de Excelencia, que tendrá como objetivo seleccionar la mejor alternativa,
mediante un proceso de evaluación de viabilidad técnica económica, entre todas aquellas que se formulen para la creación de un Centro de
Excelencia y que cumplan con las características definidas en el objetivo general.
Esta etapa deberá incluir la definición de la estructura organizativa junto
con los procesos y procedimientos para el funcionamiento integral de la organización así como la definición de perfiles del personal idóneo para
realizar las diversas funciones definidas, tanto en el ámbito de I+D como de la gestión de los procesos administrativos de apoyo a dichas
actividades.
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Etapa 2. Desarrollo de la Ingeniería Básica y de Detalle del proyecto, la
cual tendrá como objetivo contar con las especificaciones técnicas y los planos para construcción, sean estos de obras civiles, eléctricas,
mecánicas e instrumentación, que permitan la adquisición de
equipamiento y construcción de la infraestructura, que satisfagan el objetivo general del Centro de Excelencia.
Etapa 3. Proceso de Adquisición de Equipamiento y Construcción de las
Instalaciones, la cual tendrá como objetivo disponer, oportunamente y dentro de los costos presupuestados, de la infraestructura física y equipos
requeridos para el adecuado funcionamiento del Centro de Excelencia.
Etapa 4. Puesta en Marcha del Centro de Excelencia, cuyo objetivo estará dado por la verificación del funcionamiento correcto de todas las
instalaciones y equipos para que pueden ser utilizadas según los requerimientos especificados.
Para realizar las anteriores etapas, será necesario constituir un equipo
responsable de la gestión del proyecto, que tenga como principales
funciones la planificación, dirección, seguimiento y control de las actividades que se realicen, velando por el cumplimiento de las
actividades en cada una de las etapas, tanto en calidad como en plazo.
El Centro se consideraría que ha entrado en régimen de funcionamiento, cuando las distintas unidades o departamentos tengan la dotación básica
de personal y se encuentren realizando las actividades que den cumplimiento a sus respectivos objetivos específicos, para lograr el
objetivo general del Centro. Para tales efectos, las unidades de I+D y de gestión de apoyo, deberán trabajar coordinadamente e implementar sus
actividades de manera integrada.
5.7 Transferencia tecnológica
Uno de los aspectos que resalta la OCDE es la importancia de la I+D pública en los sistemas de innovación de los países, donde los gobiernos
juegan un rol clave en su dinamización y orientación, influenciando las condiciones para su desarrollo y formulando las respectivas políticas
públicas. Al mismo tiempo, también resalta la tendencia observada en la aplicación de recientes políticas públicas más integradas y estratégicas
que “han alentado el apoyo subsiguiente para la comercialización de resultados de investigación con financiamiento público, al mejorar y
profesionalizar oficinas de transferencia de tecnología e involucrar a los estudiantes en la comercialización” [14].
196
De este modo, la OCDE plantea su inquietud por los mecanismos de financiamiento de la I+D pública, los cuales progresivamente deben
incorporar la comercialización de sus resultados, además, del necesario
financiamiento público. La experiencia de estos últimos años ha demostrado que, esta forma combinada de financiamiento junto con
traducirse en un mayor grado de autosustentabilidad de los centros públicos de I+D también ha redundado en un aumento de la calidad y
pertinencia de la investigación que realizan.
En este sentido, la promoción de nuevos usos del litio en la energía solar debe estar estrechamente ligada con las necesidades de las empresas del
sector, a través de procesos de transferencia tecnológica desde el Centro de Excelencia que le signifiquen a dichas empresas, sean nacionales o
extranjeras, adquirir conocimientos que les permitan innovar sus productos y procesos, mejorando sus ventajas competitivas en las
cadenas globales de valor. Es importante tener en cuenta que el fenómeno de la globalización tiene una fuerte presencia en la I+D+i, ya
que la relación con empresas y centros extranjeros trae consigo una serie
de ventajas para los centros de excelencia nacionales, posibilitando compartir recursos, costos para acelerar la obtención de resultados.
La transferencia de tecnología se puede plasmar mediante diversas
modalidades, no obstante, una de las que está siendo más utilizada es la de trabajar asociadamente en proyectos de ciencia, tecnología en
innovación, utilizando las apropiadas instalaciones para la I+D y el apoyo del personal científico y técnico altamente calificado del Centro de
Excelencia, recursos que no están usualmente disponibles en las empresas, debido a los altos volúmenes de inversión requeridos para su
implementación.
Otra modalidad consiste en la comercialización de los derechos de propiedad intelectual de las innovaciones, resultantes de las actividades
de I+D que desarrolla el Centro, con las empresas interesadas en
incorporar estas innovaciones a sus procesos y productos, las cuales estén amparadas por la Ley19.039 de Propiedad Industrial.
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5.8 Modelo de negocios y/o sustentabilidad económica del
Centro 5.8.1 Modelo de negocio propuesto para el Centro
Si bien una parte importante del financiamiento del Centro de Excelencia
tendrá que provenir de aportes del Estado, se pretende que el Centro tenga la capacidad de financiar una cada vez más creciente porción de
sus actividades, para lo cual se requiere adoptar un modelo de negocio inicial, el cual podrá modificarse con el tiempo, atendiendo a los cambios
que se produzcan en el entorno.
En este sentido, definir un modelo de negocio para un centro de
excelencia de I+D+i, significa que será necesario considerarlo como un emprendimiento que debe aprovechar sus ventajas para competir en un
determinado entorno económico, posibilitando así su sustentabilidad económica.
El diseño de un modelo de negocio para el Centro requerirá, en términos
generales, identificar los potenciales clientes, conocer cuáles son sus necesidades, cómo las está satisfaciendo el mercado y cuáles son las
insatisfacciones con los actuales oferentes.
Para sistematizar el diseño, se empleará una herramienta denominada modelo Canvas [15] que permite detectar sistemáticamente los
elementos que generan valor al negocio, dividiendo el proyecto en nueve
bloques que explicarán cómo el Centro podrá generar ingresos propios.
1. Segmentos de clientes. Los potenciales clientes del Centro, tanto a nivel nacional como internacional, serán:
Empresas del sector energía, especialmente solar.
Empresas vinculadas al sector de energía solar (consumidoras, proveedoras, etc.)
Centros de I+D. Universidades.
Científicos
2. Propuestas de valor. Aprovechando sus ventajas competitivas, el Centro ofrecerá a sus clientes los siguientes servicios y productos:
Arriendo de equipamiento e instalaciones para realizar actividades de I+D, en el ámbito del uso del litio en plantas de energía solar, tanto
198
para el transporte como el almacenamiento de energía, en un entorno
natural y tecnológico privilegiado. Licencias por el uso derechos de propiedad intelectual del Centro, sean
estas patentes de invención, diseños industriales u otras.
Certificaciones de procesos de transporte y almacenamiento térmico, mediante el uso de litio.
3. Canales. Los clientes podrán acceder a los servicios y productos a
través de:
Contratos de servicios Convenios de colaboración o alianzas interinstitucionales
Fondos concursables nacionales e internacionales
4. Relación con los clientes. El Centro desarrollará diversas actividades para mantener una estrecha relación con los clientes, tales como:
Visitas a clientes y charlas de difusión
Organización y participación en Seminarios
Invitaciones para visitar el Centro
5. Fuentes de ingresos. Los ingresos que reciba el Centro serán producto de:
Venta de productos y servicios contratados
Pago de licencias
6. Recursos claves. Para cubrir adecuadamente las necesidades de los potenciales clientes, el Centro deberá disponer de, al menos, los
siguientes recursos claves, según sean los requerimientos de las líneas de investigación por definir:
Laboratorios equipados para realizar actividades de I+D a nivel
mundial
Personal de alto nivel que apoye los servicios que entregue el Centro Brindar la mejor atención a los clientes, otorgando todas las facilidades
que permitan su plena satisfacción.
7. Actividades claves. Para entregar la oferta, el Centro deberá realizar las siguientes actividades claves:
Mantención adecuada de las instalaciones, de manera que siempre
estén en condiciones de prestar un óptimo servicio.
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Promoción de los servicios y productos que ofrece el Centro, tanto en
el país como en el extranjero. Disponibilidad de soporte informático oportuno.
8. Alianzas claves. Los socios claves del Centro, tanto nacionales como extranjeros, serán:
Asociaciones de empresas de energía, especialmente solar.
Centros de excelencia mundial de I+D. Asociaciones de universidades.
Agencias gubernamentales de energía.
9. Estructura de costos. Los costos principales para la implementación del modelo de negocio serán los requeridos en:
Personal:
o Directivo. o Unidad de I+D.
o Unidad de Negocios
o Administración y Finanzas o Técnico de Apoyo.
Insumos y materiales de Laboratorio. Mantención de equipamiento e infraestructura.
Promoción y Difusión
Este modelo de negocio permitirá, junto con disponer de una fuente de ingreso para la sustentabilidad económica del Centro, promover el uso del
litio en plantas de energía solar a nivel mundial, entregando soluciones innovadoras a los problemas que deben enfrentar las plantas generadoras
termosolares, para mantener un suministro de energía durante las 24 horas del día.
5.8.2 Empresas de interés para el Centro
Entre las principales empresas que son de interés para el desarrollo del Centro de Excelencia, de acuerdo con el modelo de negocios propuesto,
se pueden mencionar las siguientes:
1. Industria de generación energética (de preferencia solar), tales como: Abengoa, Enel Green Power, AS Gener, GDF-Suez, EDF, Ibereólica,
Brightsource, Solar Reserve, Sener y Alstom.
2. Empresas de fabricación de piezas o productos, entre las cuales cabe mencionar: Terrafore (USA, materiales de transporte y
200
almacenamiento térmico), Shott (Alemania, tubos receptores solares),
Dowterm (fluidos térmicos), Dupont (materiales térmicos y PCM), BASF (nitratos sintéticos), Durferrit (hornos de sales fundidas) y
Rioglass (tubos receptores solares).
3. Industria minera o productores de materia prima, por ejemplo: SQM
(nitratos), HAIFA y Rockwood (Litio).
4. Consumidores de energía térmica y/o eléctrica, como: Fuerzas Armadas, FACH, instituciones gubernamentales, industria minera
(CODELCO, BHP Billiton, Angloamérica, AMSA, etc.) y ENAP.
5. Industria en general con gran interés en el tema, entre ellas: TOTAL, Euromed, Saint Gobain y Bustek. Además, se debe destacar que, la
industria Aeroespacial (v.g. NASA en cambios bruscos de temperaturas en satélites, sistemas de pre-calentamiento, refrigeración, etc.) y
Militar (testeo de materiales resistentes a altas temperaturas para incendios, materiales resistentes a laser, flash térmico, etc.), siempre
están interesados y colaboran en los desarrollos de este tipo de
centros, sobre todo en temas de alta temperatura.
5.8.3 Datos relevantes y costos aproximados del Centro
Se realizaron visitas y reuniones con 4 de los centros más reconocidos a nivel mundial en las áreas de HTF y TES relacionados con la energía solar.
Los centros fueron los siguientes:
Fraunhofer Institut for Solar Energy System ISE (Freiburg, Alemania), Laboratorio PROMES (Odeillo, Francia),
PSA (Almería, España), Plataforma Solar Solucar (Sevilla, España).
Luego de estas vistas se pudieron obtener cifras claves para el desarrollo
de un Centro con foco en transporte y almacenamiento térmico solar
durante los 5 primeros años, las cuales fueron entregadas y validadas por las mismas instituciones visitadas. Los datos o valores que se entregan a
continuación, son válidos y comprenden el alcance del Centro de Excelencia objeto del presente estudio.
Los rangos o datos aproximados, estimados por los principales directivos
de las instituciones serían:
201
1) Costos:
a. Para un centro de excelencia mundial en esta área se necesitan al menos entre 25 a 35 MMUS$ de inversión para los 5 primeros
años. Este costo incluye construcción de infraestructura, sueldo
de personal (administrativo, técnico, especialistas, etc.), operación, mantención y maquinaria o equipos de laboratorio
básicos. b. Los primeros 5 años, generalmente entre un 30% a 35% del
costo se asigna al pago del personal, un 30% en equipamiento y el resto en construcción.
c. Luego de 5 años, en general, se requieren unos 6 MMUS$/año para cubrir costos de O&M y personal.
2) Personal:
a. Los 2 primeros años debería haber entre 15-30 personas y a los 5 años unas 70-100 personas trabajando. Esto considera
personal administrativo, técnico y especialistas. b. Al menos del 30% a 40% del personal serían profesionales de
alto nivel.
c. Los primeros años es muy importante crear capacidad y experticia local. Este proceso tiende a demorar alrededor de 5 o
6 años. Luego de esto surgen los primeros líderes que pueden conseguir y llevar adelante proyectos relevantes o de gran
envergadura. d. Para acelerar este proceso, a unos 3 o 4 años plazo, se debería
contratar los mejores especialistas de nivel mundial que, en un inicio, son los que efectivamente logran posicionar el centro y
conseguir los mejores proyectos. Normalmente esta cantidad de especialistas es alrededor de 3 los que deben además liderar
áreas del Centro.
3) Sustentabilidad y desarrollo:
a. Para que un centro sea reconocido como de excelencia
internacionalmente, deben pasar unos 10 años de existencia. b. Según estándares europeos, se considera un centro exitoso
aquel que logra tener un 50% de financiamiento estatal y otro 50% por industria o fondos diferentes a los gubernamentales,
como los provenientes de la industria, fondos europeos, colaboraciones con otras instituciones, etc. En general, los
centros que tienen una larga vida de trabajo, suelen funcionar con un aporte basal estatal (después de unos 10 años) alrededor
de un 60% del coste total. Existen casos muy exitosos y particulares, como la PSA o PROMES, donde actualmente el
202
aporte estatal es solo de un 30%, pero se debe aclarar que son
centros con más de 10 años de existencia y reconocidos por ser los mejores a nivel mundial.
c. Se considera correcto que, después de algunos años de
funcionamiento (al menos 5), el centro logre sacar entre 3 y 5 patentes al año.
d. En general los centros realizan evaluaciones internas anualmente, pero el Estado los evalúa en períodos de 2 a 5 años,
dependiendo del país y las políticas que rigen. e. Los centros buscan necesidades de la industria o crean algún
producto, de forma autónoma, que luego transfieren a la industria.
f. Es necesario indagar las necesidades de la industria al inicio, no obstante, es necesario tener en cuenta que si se trabaja un
100% para la industria, se queda restringido únicamente a sus necesidades y se pierde libertad de creación y toma de
decisiones. Por lo tanto, el aporte estatal debe siempre estar presente y ser finalmente un centro gestionado por el gobierno,
pero admitiendo aportes privados (centro público-privado).
(Solucar no es parte de esta afirmación por ser una plataforma 100% privada).
4) Infraestructura:
a. El área construida debe estar en alrededor de unos 1.000 m2. Se hace una estimación muy aproximada de que a cada persona se
le deben destinar al menos 8 m2 y que por cada 100 m2 de personas se deben destinar unos 200 m2 para equipos.
b. Se deben tener en cuenta lo sistemas de seguridad, vías de escape, salida de humos, seguros de accidentes e incendios, etc.
Todos los centros visitados están absolutamente de acuerdo en realizar
colaboraciones y trabajos asociados con el futuro Centro, en el caso de que este se creara.
5.9 Catastro de instituciones nacionales e internacionales de
apoyo y/o colaboración.
Algunas instituciones y asociaciones que pueden colaborar o apoyar el proyecto de creación de este Centro son mencionadas a continuación:
203
Nacionales:
1. Asociaciones:
a. ACESOL
b. ACERA 2. Centros:
a. Centro de Innovación del Litio b. Fraunhofer Chile
c. Laborelec GDF-Suez (Chile) d. SERC-Chile
3. Instituciones: a. Fundación Chile
b. Fuerzas Armadas 4. Universidades:
a. Universidad Adolfo Ibáñez b. Universidad de Antofagasta
c. Universidad de Santiago de Chile
Extranjeras:
1. Centros:
a. Cambridge Cleantech y Centro de Transferencia Tecnológica de Cambridge (UK).
b. CENER (España) c. Centro de Cambio Climático de Universidad de Cambridge (UK)
d. Centro de Energía de Holanda (Holanda) e. Laboratorio PROMES (Francia)
f. NREL (USA) g. Plataforma Solar de Almería PSA (España)
h. SANDIA National Laboratories (USA) 2. Agencias:
a. Agencia Internacional de Energías Renovables b. Agencia Internacional de la Energía
3. Institutos:
a. DLR (Alemania) b. Instituto Fraunhofer (Alemania)
c. Instituto de Mecánica e Ingeniería (Francia) 4. Universidades:
a. Universidad de Leuven (Bélgica) b. Universidad de Warwick (UK)
c. Universidad de Cambridge (UK) d. Universidad de Perpignan (Francia)
e. Universidad de Bordeaux (Francia) f. Universidad de Lleida (España)
204
5.10 Referencias
[1] Rubio Castillo, Felipe. “La estructura organizacional en centros de investigación, desarrollo e innovación, una perspectiva internacional”.
Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial CIDESI, México, 2010.
[2] Macías Gelabert, Carlos y Allan Aguilera Martinez (2012). “Contribución de la gestión de recursos humanos a la gestión del
conocimiento”, Estudios Gerenciales, Vol. 28, N° 123, abril-junio, pp. 133-148.
[3] Sveiby, Karl Erik (1997). “The New Organizational Wealth: Managing
& Measuring Knowledge-Based Assets”, San Francisco, Berrett-Koehler.
[4] Becker, Gary (1993). “Human Capital: A Theoretical and Empirical
Analysis, with Special Reference to Education (Paperback)”, Third Edition, University of Chicago Press.
[5] Katz, Jorge (1999). “Cambios estructurales y evolución de la
productividad laboral en la industria latinoamericana en el período 1970-1996”, Serie Reformas Económicas, Nº 14, CEPAL.
[6] Ley 20.698, Ministerio de Energía, promulgada en octubre de 2013,
“Propicia la Ampliación de la Matriz Energética, Mediante Fuentes Renovables No Convencionales”.
[7] CSP Today. “¿Cómo diseñar contratos que valoren el almacenamiento
de la CSP?”, 2015.
[8] Lagos C.C., Gustavo (2012). “El Desarrollo del Litio en
Chile:19842012”. Pontificia Universidad Católica de Chile.
[9] Reyes, Claudio. América economía. http://www.americaeconomia.com/negocios-industrias/insolacion-
exportable-chile-podria-abastecer-10-20-de-toda-la-energia-electrica. 2015.
[10] Fraunhofer ISE. Annual Report 2013/14.
[11] PROMES. Rapport Scientific 2010-2011-2012.
[12] Plataforma Solar de Almería. Folleto PSA 2013.
205
[13] Blanco, Julián (2015). “La Energía Solar de Concentración como
Ejemplo de Transferencia Exitosa de Conocimiento: El Caso de la Plataforma Solar de Almería (PSA)”. En imprenta.
[14] OECD. Science, Technology and Industry Outlook 2014.
[15] Osterwalder, Alexander and Yves Pigneur (2010). “Business Model Generation: A Handbook for Visionaries, Game Changers, and
Challengers”, John Wiley & Sons, New Jersey.
[16] CONICYT. http://www.conicyt.cl/pia/sobre-pia/lineas-accion/centros-cientificos-y-tecnologicos-de-excelencia-programa-de-
financiamiento-basal/
[17] CONICYT. http://www.conicyt.cl/fondap/2014/12/09/sexto-concurso-nacional-de-centros-en-investigacion-en-areas-prioritarias-
%E2%80%93-fondap/
[18] CORFO. http://www.corfo.cl/programas-y-
concursos/programas/atraccion-de-centros-de-excelencia-internacional-en-id
206
6 Otras Aplicaciones de posible interés para la industria
solar
6.1 Li como material de almacenamiento en baterías para FV Las baterías fotovoltaicas, son generalmente las conocidas baterías
eléctricas. Se denomina batería eléctrica, acumulador eléctrico o simplemente acumulador, al dispositivo que consiste en una o más celdas
electroquímicas que pueden convertir la energía química almacenada en electricidad. Cada celda consta de un electrodo positivo, o ánodo y un
electrodo negativo, o cátodo y electrolitos que permiten que los iones se muevan entre los electrodos, facilitando que la corriente fluya fuera de la
batería para llevar a cabo su función.
Aunque sea una tecnología muy avanzada, Chile debería invertir en
desarrollar esta área. La razón es que posee uno de los materiales energéticos claves para estas tecnologías que es el LITIO.
La ventaja de las baterías de Litio, en comparación con otras baterías
tradicionales, radica en que se cargan más rápido y tienen una alta densidad energética ofreciendo una batería más liviana con una duración
dentro de los estándares industriales. El ciclo de vida, no es necesariamente una ventaja o una desventaja, simplemente tienen un
ciclo de vida similar a las otras baterías.
Las desventajas de las baterías de Litio son su alto costo y problemas de sobrecalentamiento.
Debido a que el centro tendría un gran conocimiento sobre el Li y almacenamiento energético, podría ser de gran apoyo en esta área de
desarrollo.
6.2 Sistemas de enfriamiento de baterías y paneles FV
En esta sección se darán algunas ideas donde las tecnologías Fotovoltaicas y Térmicas pueden ser compatibles y el centro podría dar
un gran soporte.
Existen algunos diseños y sistemas solar híbrido fotovoltaico/térmico y que tienen dos aplicaciones; una fundamental que es de incrementar la
eficiencia eléctrica del panel FV manteniendo sus temperaturas bajas y la otra es aprovechar el exceso de calor para usos domésticos a través de
207
un sistema de refrigeración. Es un hecho que los paneles fotovoltaicos no
soportan muy bien el calor, como se ve claramente en las hojas de características de los fabricantes, la potencia del panel esta especificada
en base a unas condiciones de prueba estándar. En la vida real, la
temperatura de la célula es muchísimo más elevada, con lo cual la eficiencia de las células cae al aumentar la temperatura, reduciendo la
potencia del panel aproximadamente un 15%.
Existe el Panel Solar Híbrido, que es un panel que integra la energía solar fotovoltaica y Térmica en un único Panel Solar. En el Panel Solar Híbrido,
utilizado en edificaciones, el calor existente en las células fotovoltaicas, que era un problema, es transferido a un absorbedor de temperatura
integrado en su parte posterior, el serpentín o similar del absorbedor es recorrido por un fluido caloportador. Dicho fluido llega al intercambiador
de calor del acumulador de agua caliente, donde cede su energía solar térmica para ser usada en A.C.S. u otros usos. Con este sistema se
consigue aumentar la producción de electricidad y reducir el espacio necesario para instalar ambos sistemas, ya que obtenemos una
cogeneración, mediante la cual se obtiene simultáneamente energía
eléctrica y energía solar térmica útil. Este sistema también consta de un tanque de almacenamiento térmico y una bomba para distribuir el fluido
(en general es agua). La energía solar es recibida por el área del panel fotovoltaico en donde una parte de esta energía solar es aprovechada en
energía eléctrica y otra atraviesa el panel FV, en forma de calor, para ser absorbido por el sistema de refrigeración. Muchos parámetros y
materiales se pueden utilizar en el diseño del sistema, por ejemplo fluidos (agua u otro), el sistema de tuberías puede ser hecho de cobre u otro
material con aislamiento externo y el tanque TES podría ser de calor sensible con agua o Termoquímico donde se podría añadir Li.
De manera similar a los paneles FV, las baterías ion-Li o pilas a
combustibles o cualquier otro tipo de batería eléctrica, está afecta a una baja de rendimiento por sobrecalentamiento o por fatiga térmica. Por
ejemplo en las pilas a combustibles se diseñan sistemas de enfriamiento
por convección utilizando algún líquido especial, ya que la batería debe mantenerse a una temperatura constante. Si pensamos además que para
una gran central FV, el sistema de almacenamiento más probable es por medio de baterías, el tema del ciclo de vida y rendimiento de la batería
pasa a ser muy importante y en la operación, el control de su temperatura es clave.
Se puede concluir entonces, que finalmente las tecnologías FV, incluidas
las baterías, tienen una fuerte dependencia de las variaciones térmicas, cuya gestión aún es cara y tiene una gran área para la innovación.
208
6.3 Apoyo a posibles mejoras en la parte termodinámica del
proceso de producción del Litio que conduzcan a ahorros
potenciales
Esta sección trata sobre el apoyo a posibles mejoras en la parte
termodinámica del proceso de producción del litio que conduzcan a
ahorros potenciales económicos, de volúmenes de producción y tiempo. Para ilustrar de manera simple y efectiva el objetivo, se propondrá un
ejemplo de un proceso productivo del Li, que con pequeñas e innovadoras mejoras en su parte termodinámica, podría tener incrementos
interesantes al menos en los volúmenes de producción.
Habiendo identificado que la producción de Carbonato de Litio es el proceso base (bien sea directamente éste el producto principal o el
subproducto) y analizado específicamente la obtención a partir de las salmueras con las que cuenta Chile, se identifica que un aspecto
sobresaliente del proceso productivo es el largo período de tiempo (14 a 15 meses) que demanda la evaporación que permite aumentar la
concentración de litio en la salmuera (0.2 a 6%, ver Anexo II). Una alternativa podría ser el incorporar una etapa previa de evaporadores
donde por medio de vacío, se permitieran acelerar ese proceso de
extracción de la humedad de la salmuera. Tal proceso se ilustra de forma esquemática en la figura 1 a continuación.
Figura 1. Adición de una etapa de evaporación por vacío previa a
las pozas de secado. [1]
Fuente: La industria del Litio en Chile. Pedro Pavlovic, 2014
209
Con el fin de realizar un sencillo análisis de un potencial beneficio
económico derivado de una reducción de tiempos de proceso, a continuación se simplifica el proceso a solo 2 etapas (Figura 2):
Evaporación-Concentración
Proceso planta Química
Figura 2. Diagrama simplificado del proceso
Fuente: Elaboración propia
Figura 3. Diagrama simplificado del proceso mejorado con evaporación por vacío. [1-2]
Fuente: Elaboración propia. Basado en: a) La industria del Litio en Chile. Pedro
Pavlovic, 2014 y b) Comision Chilena del Litio; Litio: Una fuente de energía, una
oportunidad para Chile, Informe final 2015
De igual manera, en la plantilla simplificada a continuación se muestran
la forma en la que se impactaría la capacidad de producción que podría
resultar de la mejora sugerida, bajo los supuestos indicados al final de la tabla.
Buffer
Pozas evaporación
Buffer
Extracción Boro
Purificación Salmuera
Carbonatación /Filtración/
Secado
tevap
14-15 días
Proceso planta
Salmuera 0.2% Li2CO3
tplanta
Buffer
Evap. por vacío
Pozas evaporación
Buffer
Extracción Boro
Purificación Salmuera
Carbonatación /Filtración/
Secado
tevap
15*(1-R) días
Proceso planta
Salmuera 0.2% Li2CO3
tplanta
210
Tabla 1. Proceso simplificado actual y mejorado de carbonato de
Li
Fuente: Elaboración propia.
Supuestos
1) Capacidad de extracción de Salmuera de los pozos es mucho
mayor a Q1 2) Q1,2= Vol. Std. De producción (ej, 2000 ton)
3) Q2 >> Q1 4) tplanta << tevap
El objetivo es naturalmente aumentar la productividad al impactar el paso
del proceso que demora más tiempo y que limita por lo tanto todo el proceso productivo.
Aunque es un supuesto razonable, naturalmente el aumento de la
productividad per sé no es garantía de reducción de costos, pues se
deberían considerar otros aspectos como la mayor cantidad insumos que se consumirían en planta química vs eventuales menores costos fijos de
las pozas de evaporación por kg de salmuera procesado y el costo operativo adicional de los sistemas de evaporación al vacío.
No obstante lo anterior, tener la capacidad de producir más cantidad en
menos tiempo, aumenta la probabilidad de satisfacer más demanda y por lo tanto aumentar el volumen de ventas, teniendo finalmente un impacto
positivo en el mercado del producto.
PROCESO ACTUAL
PROCESO
CAPACIDAD (unidades
producidas / unid tiempo)
TIEMPO DE CICLO (días/unidad
producida)
TIEMPO PROCESO (días)
PRODUCCIÓN EN 15 DÍAS
Evap-Concentración
Q1/15 15/Q1 15 Q1 <-- Proceso crítico (Cuello de botella)
Planta química Q2/15 15/Q2 tplanta Q1
<-- Limitado por proceso evap.-concentración
PROCESO MEJORADO: Evap. Por vacío reduce el tiempo de proceso en una tasa R (0< R < 1)
PROCESO CAPACIDAD (unidades
producidas / unid tiempo)
TIEMPO DE CICLO (días/unidad
producida)
TIEMPO PROCESO (días)
PRODUCCIÓN EN 15 DÍAS
Evap. x Vacío-Evap Solar-
Concentración Q1/15*(1-R) 15*(1-R)/Q1 15*(1-R) Q1 *(1/1-R)
<-- Se reduce el cuello de botella
Planta química Q2/15 15/Q2 tplanta Q1 *(1/1-R)
211
6.4 Referencias
[1] Pedro Pavlovic (2014). “La industria del Litio en Chile”.
(http://comision.minmineria.cl/download/estudios/Art%C3%ADculo%20
Litio_Revista%20Ingenieros.pdf)
[2] Comision Chilena del Litio; Litio: Una fuente de energía, una
oportunidad para Chile, Informe final 2015
212
7 Impactos esperados y posibles beneficios para el país
7.1 Impacto potencial en la industria solar y del Li
La industria solar, especialmente aquella relacionada con la generación energía Termosolar, requiere que se realicen mejoras sustantivas en los
procesos de transporte y almacenamiento de calor para poder competir con otras formas de generación energética que, si bien son más baratas
en la actualidad, producen efectos contaminantes que atentan contra la salud de la población así como contra la preservación de la flora y fauna
del país.
Al respecto, es necesario reconocer que, en los últimos años se han realizado importantes avances científicos y tecnológicos que han
producido importantes disminuciones en los costos de producción de energía Termosolar. No obstante, aún queda bastante camino por
recorrer, tal como se ha demostrado en este estudio, donde la
incorporación del litio como material de transporte y almacenamiento térmico está llamada a jugar un rol de gran importancia, debido a que
mejora las propiedades de las sales comúnmente utilizadas para esos fines.
Una estimación preliminar de la posible cantidad de Nitrato de Litio
que podría ser requerido por la industria Termosolar, únicamente de producción eléctrica, a nivel mundial y nacional, fue desarrollada en el
anexo III del presente trabajo. Al ser el alcance de este trabajo solo una estimación preliminar, lo más importante no es la precisión de los datos
sino los órdenes de magnitud de los posibles requerimientos de sales con Litio. Si se desean cifras más precisas, se deberá hacer
un estudio de mercado, más profundo y exhaustivo, del Li relacionado con su integración en la industria Termosolar. Por lo
tanto se aconseja utilizar estas cifras con cautela. De manera resumida,
se puede estimar, con cierta certeza, que para el año 2020 habría un incremento mundial de alrededor de 80 - 85 GW de capacidad instalada
de centrales CSP que utilicen TES con sales estimados así: Potencia instalada en CSP al 2015: 5,5GW [1]
Potencia proyectada en CSP al 2020: 147GW [2] Proporciones proyectos futuros a iniciar operaciones entre 2016 a
2018 registrados en NREL [3] (anexo III), considerando ÚNICAMENTE las 2 tecnologías predominantes, Parabolic trough y
Power tower: 60% con TES y 40% sin TES, aproximadamente.
213
Se consideran solo los proyectos que poseen TES con sales solares, ya
que sería la proyección más realista, los otros proyectos tendrían back-up con gas u otra tecnología de fuentes fósiles. Como resultado del
estudio del anexo III, se estimaría que mundialmente se necesitarían al
menos alrededor de 6.000.000 Ton de LiNO3 para energía Termosolar mundial al 2020, si las tecnologías trabajaran con las
sales ternarias (LiNO3, NaNO3 y KNO3), cantidad estimada considerando lo siguiente:
Uso de mezcla ternaria eutéctica con composición 54,07% KNO3 +
25,92%LiNO3 + 20,01%NaNO3 al ser considerada como una de las óptimas entre diversas composiciones analizadas por la literatura.
Razones aproximadas de 96 y 47 (Ton LiNO3/MW) para las tecnologías cilindro parabólico y torre solar de potencia,
respectivamente, y TES de 15 hrs en ambos casos. Estas proporciones obtenidas según cálculos utilizando como referencia
datos de las plantas Extresol 3 y Termesol 50 (ambas España) para el caso de la tecnología de cilindro parabólico, y datos de la planta
Cerro Dominador a construir (Chile), para el caso de la tecnología
de torre solar de potencia. Proporciones por tipo de tecnología de proyectos futuros CSP con
TES a iniciar operaciones entre 2016 a 2018 registrados en NREL [3] (anexo III), considerando ÚNICAMENTE las 2 tecnologías
predominantes, Parabolic trough y Power tower: 46% cilindro parabólico y 54% torre solar de potencia.
De lo anterior, se deduce que la cantidad carbonato de litio equivalente
(LCE) correspondería aproximadamente a 3.200.000 Ton, o una
producción promedio anual de 640.000 Ton (2015 - 2020), de la cual Chile
podría aportar hoy un 14% aproximadamente (91.000 Ton), y un 15% en
el 2020 (96.000 Ton), considerando un crecimiento de producción del
5,5% a dicho año respecto al 2015.
Si tomamos en cuenta proyecciones realizadas para capacidad instalada
Termosolar en el mundo al año 2030 por la AIE e IRENA [4-5], nos daremos cuenta que no coinciden exactamente en las cifras pero si en los
órdenes de magnitud. Por esta razón decidimos dar un rango aceptable
de entre 150 GW a 300 GW instalados al 2030. Si consideramos el rango menor, en un análisis simplificado y considerando lo establecido en el
anexo III, podríamos decir que se necesitarían al menos alrededor de 11.000.000 Ton de LiNO3 para energía Termosolar mundial al
2030, si las tecnologías trabajaran con las sales ternarias. Esta última estimación es menos precisa que para el 2020, ya que no sabe con
214
exactitud cómo van a ser los proyectos Termosolares en ese horizonte.
En un escenario más optimista, se podría considerar que esta cifra sería mayor si las tecnologías evolucionan todas a la utilización también de
sales como HTF.
Para Chile podríamos estimar lo proyectado al 2025 por tener más
información tal como se presenta en el anexo III. La estimación para capacidad instalada Termosolar en Chile sería de alrededor de 1 GW y la
cantidad de LiNO3 podría estar en torno a las 55.000 Ton considerando la proporción aproximada de 5.350 Ton LiNO3/100MW*17 hrs TES para
tecnología de Torre solar de potencia.
En la medida que se profundice la investigación científica y tecnológica, relacionada con la utilización de sales de litio como componente de las
sales de uso solar, será posible posicionarlo como un factor relevante en la disminución del LCOE de las plantas CSP. Para ello, es preciso que
existan los medios necesarios que ayuden a los investigadores a realizar esta tarea, siendo muy pertinente que lo haga un país que disponga en
abundancia del recurso, con experiencia en la explotación de este mineral
y que, además, cuente con amplias zonas territoriales donde existan las mayores radiaciones solares del mundo.
De esta manera, se posibilitaría entregar un mayor valor agregado a la
explotación tradicional del litio, ya que esta iría asociada a un conocimiento sobre su empleo en un ámbito que se irá transformado en
un factor cada vez más crítico en el desarrollo de la humanidad, como es el caso de la generación de energías limpias.
Es necesario aprovechar las ventajas competitivas de la situación del país,
ya que existen otros países que podrían adelantarse y cubrir este ámbito, con lo que se estaría desaprovechando la enorme oportunidad que se está
abriendo a nivel mundial.
Las investigaciones han ido demostrando que la utilización de algunos
tipos de las sales de litio permite ampliar el rango de temperatura de operación, ya que producen una disminución en la temperatura de fusión
de las sales donde están presentes. Esta sola situación constituye una gran importancia, ya que produce una disminución en los costos de
traceado para mantener las temperaturas mínimas en el sistema y mejora el rendimiento de las plantas de vapor.
A lo anterior, es necesario agregar que, las sales de litio se están
estudiando como un aditivo que reduce la corrosión, característica que también debe ser muy valorada ya que, por la naturaleza propia, las sales
215
fundidas constituyen un agente corrosivo que genera costos relevantes
por la calidad de los materiales que deben utilizarse para contenerlas.
Para la industria de explotación o extracción del Litio, en un escenario en
dónde se produjeran mezclas de sales con nitrato de litio para almacenamiento térmico de altas temperaturas, Chile estaría en una
posición privilegiada. Si bien actualmente Chile no cuenta con oferta de nitrato de litio, ya que no lo produce industrialmente, tiene la materia
prima para su producción. Si bien el procedimiento tradicional de obtención del nitrato de litio es con carbonato de litio y ácido nítrico,
existe un método alternativo que utiliza cloruro de litio y nitrato de sodio, el cual puede ser desarrollado por cualquier empresa del
rubro (ej: SQM, Rockwood, etc.) y obtener precios competitivos y más baratos que los actuales en el mercado. Luego, Chile tendría
una ventaja internacional en el desarrollo de esta industria.
De esta manera se configura un escenario auspicioso para el desarrollo de este ámbito científico y tecnológico, que tenga como apoyo para la
industria un centro de excelencia de primer nivel mundial, donde las
empresas, tanto nacionales como extranjeras, tengan la posibilidad cierta de realizar sus proyectos de I+D y así lograr mejorar el rendimiento de
diversos componentes de plantas termosolares, incrementando la viabilidad de los proyectos de generación mediante plantas de CSP.
7.2 Impacto en otras industrias Son muchos los aspectos que involucra el desarrollo de tecnologías
competitivas de transporte y almacenamiento térmico. Tal como se ha mencionado anteriormente, hay evidencia de esfuerzos en I+D orientados
a mejorar los materiales utilizados para dichas funciones, desde las tuberías, bombas, intercambiadores de calor, recipientes, etc., cada uno
de los cuales debe cumplir con estrictas especificaciones técnicas, tales como aquellas que le permitan resistir la agresividad que tiene un fluido
constituido por sales fundidas, por ejemplo.
En el país existen varias empresas que fabrican componentes similares a los antes mencionados, las cuales se encuentran en diversas etapas de
avance tecnológico, entre las cuales cabe mencionar [6]:
Intercal S.A. fabrica intercambiadores de calor enfocados,
principalmente, al ámbito de la refrigeración industrial.
216
Manufacturas Acero Cobre Ltda. maestranza de calderería y
estructuras, que fabrica intercambiadores de calor y estanques metálicos
Aceros Chile S.A. fabrica bombas y accesorios para minería.
Industria Mecánica Vogt S.A., fabrica variados tipos de bombas, entre las cuales destacan de alta presión y pozo profundo.
Industrias Metalúrgicas Sorena S.A., fabrica partes de bronce para bombas y tubos de aleaciones de cobre.
Fundición Vulco Ltda., fabrica aleaciones especiales, inoxidables y refractarias, así como fittings y repuestos para bombas.
Alejandro Sezacqua Salvado, fabrica estanques de acero inoxidable y de presión, junto con equipos de procesos.
Cuevas Castillo y Cia Ltda., fabrica piping y reactores de acero inoxidable.
Tersainox S.A., fabrica estanques, piping, y otros componentes en acero inoxidable para la minería, así como estanques de grandes
dimensiones en acero inoxidable para área celulosa e industrial. Vapor Industrial S.A., fabrica calderas industriales y recipientes de
presión.
Edyce Metalúrgica S.A., fabrica estructuras metálicas y calderas. Maestranza Maipú S.A., fabrica productos metálicos de uso estructural
y estanques. Danús Conexiones Ltda., fabrica componentes de pipinmg, entre los
cuales se encuentran tubos de cobres revestidos en PVC, de poliuretano, espirales y flexibles de polietileno y nylon.
Industria Metalúrgica Ltda., fabrica tubos y cañerías de acero. ThyssenKrupp Aceros y Servicios S.A., fabrica barras y perfiles de
acero, planchas de acero estructural de alta resistencia y tubos de acero
La fabricación de bombas y estanques es la que presenta el mejor nivel
de avance tecnológico por lo que tiene un buen potencial de desarrollo de este tipo de componentes para el sector termosolar. En cuanto a la
fabricación de piping, sería necesario realizar esfuerzos más importantes,
debido a las exigentes especificaciones técnicas requeridas, aprovechando la experiencia en el ámbito minero. La fabricación de
intercambiadores de calor es el ámbito que se percibe con mayor debilidad, aunque es posible que la industria pueda incorporase como
proveedor luego de realizar las adaptaciones tecnológicas correspondientes.
Asimismo, las tecnologías que emplean plantas de CSP, necesitan mejorar
la capacidad de los materiales para captar una mayor radiación solar,
217
como una manera de optimizar los procesos y disminuir los costos de
generación de energía.
Las tecnologías de transporte y almacenamiento térmico, empleando
sales de litio, pueden tener un gran potencial de exportación, debido a las disminuciones del LCOE que se puede obtener en las plantas de CSP. Esto
se evidencia por el creciente interés de centros de I+D de países industrialmente desarrollados, en investigar las propiedades de las sales
de litio, así como el progresivo incremento que han experimentado los proyectos de inversión en plantas de energía termosolar, durante estos
último años.
Es posible vaticinar que, el impulso en la producción de innovadoras tecnologías para la utilización de sales de litio tendrá, por tanto,
importantes impactos positivos en variados ámbitos de la industria, con innegables beneficios para la economía nacional, ya que estos minerales
no se exportarán como meras materias primas, sino que podrán ser requeridas producto de las tecnologías que se han desarrollado para su
aplicación.
El potenciamiento del uso del litio no debería limitarse sólo al área
termosolar, ya que existen muchos otras formas de emplearlo en diversas industrias. En este sentido, la investigación del litio debería servir para
potenciar su producción y explotación en sectores industriales tales como la aeronáutica. En dicha industria, el litio se utiliza como aleación
metálica, destacando las aleaciones Al-Li, donde al aluminio se le ha añadido un porcentaje de litio para incrementar sus propiedades
mecánicas y disminuir su densidad, al mismo tiempo que proporciona una mayor resistencia a temperaturas extremas [7]. Las principales empresas
demandantes son la Boeing, Airbus y SAC (Shenyanng Aircraft Corp. en China).
En cuanto al desarrollo de materiales y sistemas térmicos de alta
temperatura, la industria militar es otro buen aliado que posee grandes
intereses en estos temas, sobre todo en materia de defensa y seguridad nacional, como control de incendios, análisis de espectros térmicos,
materiales de recubrimiento para edificaciones o componentes sensibles a la temperatura, etc.
7.3 Relevancia a nivel de sustentabilidad país El desarrollo de la industria termosolar con almacenamiento térmico en el
país, puede significar un campo de especialidad en los diversos ámbitos
218
de la ingeniería, desde la concepción de las plantas hasta su puesta en
marcha, pasando por la ingeniería de detalle y construcción, donde se requerirán recursos humanos de diversas especialidades y niveles, lo cual
requerirá de especiales esfuerzos en la formación de capital humano para
la industria.
Su calidad de mayor productor mundial de litio, le permitiría al país establecer estrategias de investigación, producción y mercadeo en
excelentes condiciones y establecer alianzas con otras naciones para potenciar el uso del litio tanto en la industria termosolar como en otras
industrias, donde su uso también puede generar importantes ventajas competitivas.
De esta manera, el país puede lograr un desarrollo científico y tecnológico
más sustentable en el tiempo, al disponer de una masa crítica que esté en condiciones de investigar y desarrollar continuamente tecnologías para
disminuir los costos de la energía producida mediante plantas de CSP.
La incorporación creciente de generación de energía termosolar,
incrementando sustantivamente su peso relativo en la matriz energética nacional, proporcionaría un mayor grado de sustentabilidad
medioambiental al desarrollo del país, convirtiéndose en un factor relevante para lograr la disminución de gases de efecto invernadero, con
los beneficiosos efectos económicos que esto ocasionaría en el futuro, incluyendo las externalidades positivas que produciría en las
exportaciones.
Del ejemplo de Sandia se puede rescatar y aprovechar en Chile, gracias al centro propuesto, el concepto de dar soporte a la seguridad y
sustentabilidad energética país.
7.4 Posicionamiento tecnológico a nivel mundial
No son muchos los ámbitos de la tecnología en que el país se ha posicionado mundialmente. Por esa razón, así como por la necesidad de
traspasar la frontera de una economía exportadora de productos con discreto valor agregado, es que Chile no debe desaprovechar la
oportunidad de posicionarse a nivel mundial en un área tecnológica que se encuentra en una etapa incipiente de desarrollo y, para el cual, tiene
indudables ventajas naturales.
La creación de un centro de excelencia en I+D, que se ocupe de
desarrollar tecnologías que permitan mejorar el desempeño de las sales
219
fundidas, como material de transporte y almacenamiento de energía,
mediante la adición de sales de litio, dará la posibilidad de posicionar progresivamente al país como un referente, en un principio, a nivel
latinoamericano y, posteriormente, a nivel mundial.
Lo anterior se potencia por el hecho de que no existe una iniciativa similar
en la región de Latinoamérica y, porque en los países más industrializados este tipo de tecnologías se encuentran en etapas primarias de
investigación.
Muchos de estos países que presentan avances en este tipo de investigaciones, verían con interés el poder acceder a las instalaciones de
un centro especializado en el área, lo cual redundaría en avances más sustantivos, que permitieran en plazos razonables implementar
innovaciones tecnológicas en plantas de CSP.
A través de un centro de I+D+i, orientado a producir mejoras sustanciales en los procesos de transporte y almacenamiento térmico mediante el uso
del litio, se podrían desarrollar diversos programas con el objetivo de
aumentar la eficiencia en la generación termoeléctrica mediante energía termosolar conjuntamente con la disminución de contaminación
ambiental, evitando la importante huella de carbono producida por las centrales termoeléctricas tradicionales. Este tipo de proyectos se podrían
desarrollar en vinculación con empresas nacionales productoras de litio y en colaboración con centros de I+D de excelencia mundial en el área,
tales como el PROMES de Francia y el Instituto Fraunhofer de Alemania.
La serie de actividades realizadas durante el desarrollo de este estudio, tales como visitas y entrevistas llevadas a efecto con diferentes centros
de I+D y empresas líderes mundiales, las cuales han expresado interés por hacerse partícipes de los avances tecnológicos que se puedan logran
mediante la incorporación del litio en la producción de energía termosolar en Chile, constituyen una prueba fehaciente de la fortaleza del país en el
desarrollo de esta área a través de alianzas estratégicas son dichas
organizaciones.
Por tratarse de un área de I+D+i relativamente reciente, el posicionamiento tecnológico del país requerirá de un esfuerzo especial en
la promoción y difusión de las innovaciones logradas como consecuencia de la investigación y desarrollo, como una manera de construir una
imagen mundial que consolide el país en la vanguardia tecnológica mundial en el transporte y almacenamiento térmico a través de la
utilización del litio.
220
7.5 Referencias [1] IRENA; Renewable Power Generation Costs in 2014; 2014
[2] IRENA; Renewable Energy Technologies: cost analysis series,
concentrating solar power; 2012
[3] www.nrel.gov/csp/solarpaces/project_detail.cfm/projectID=221
[4] International Energy Agency; Technology Roadmap, Solar Thermal Electricity; 2014
[5] IEA-ETSAP and IRENA; Technology Brief E10, Concentrating
Solar Power; 2013
[6] http://www.asimet.cl/asimet.htm
[7] http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/101138-
Materiales-metalicos-de-uso-frecuente-en-aeronautica-aleaciones-ligeras-Al-Li.html
221
8 Comentarios e indicaciones
Estamos en un mundo globalizado donde las decisiones deben tomarse de forma rápida e inteligente si se quiere ser competitivo en cualquier
mercado, principalmente si hablamos de tecnologías. Por consecuencia, la idea de esta sección es complementar con ideas concretas y resumir de
alguna forma algunos conceptos claves que pueden ayudar a una mejor toma de decisiones. Se mencionarán las ideas o conceptos, a modo de
titulares, sin grandes explicaciones, ya que estos y sus cifras, han sido explicados largamente en el texto de este documento:
1. Es muy recomendable que un centro de excelencia en Transferencia y Almacenamiento Térmico que entregue valor
agregado a nuestros minerales sea creado. En particular un Centro de Excelencia que incorpore el uso del Litio en la
Energía Termosolar es una gran oportunidad de progreso para el país, el cual cuenta con los dos recursos naturales básicos
en abundancia, ya que presenta un gran potencial para traducirse en:
a. La formación de capital humano en áreas que tienen un avance reciente, por lo que aún queda mucho por realizar en
el ámbito del I+D+i, y en diversos niveles de cualificaciones requeridos para desarrollar esta industria nacional e
internacionalmente.
b. La creación de una industria de componentes para
tecnologías Termosolares, aprovechando la experiencia específica de algunas empresas en el área manufacturera y
de la ingeniería desarrollada, especialmente, en el ámbito minero, la cual también presenta un buen pronóstico de
exportación.
2. La incorporación de Li a temas térmicos demuestra una gran
mejora en la eficiencia desempeño de los sistemas. Los costos indican una tendencia a la baja.
3. El centro puede dar soporte a la seguridad y sustentabilidad
energética país.
4. El centro podría designar los recursos de la siguiente forma: 30%
estudios relacionados con el Li térmico, 40% trabajos tecnologías Termosolares, 20% ayuda a la mejora de
procesos mineros donde intervenga la energía Térmica y un
222
10% en apoyo a nuevos mercados y tecnologías, diferentes
a la térmica, que utilicen sales y Li.
5. Ningún centro tecnológico exitoso en el mundo es estático, son más
bien dinámicos, capaces de adaptarse a los cambios, incluso son
ellos mismo los que inducen cambios, es entre otras cosas su misión. En este contexto, Chile debería tener un punto de
partida para su progreso en la industria y tecnologías Térmicas que tiene tan poco desarrollado. El punto de
partida para este desarrollo podría ser este centro.
6. El centro ayudaría a hacer desarrollo e innovación con muy bajas
emisiones de carbono en sus trabajos debido a que tendría la fuente principal de energía que es el sol chileno.
7. La localización del centro debe ser en algún lugar que cumpla con al menos estos dos requisitos:
a. Encontrarse a una distancia que no demorara más de 30 o 40 min llegar en auto desde el centro de alguna ciudad
consolidada. Una estimación podría ser no más de 20 km de algún centro urbano relevante con acceso expedito
o dentro de la misma ciudad. Esto influye sobre todo en la
actividad cotidiana de los trabajadores del mismo, temas de difusión (seminarios, congresos, charlas, demostraciones,
etc.), interacción con los verdaderos tomadores de decisiones de la industria, el gobierno y los científicos.
b. El lugar debería contar con más de 1.500 kWh/m2/año, para que justifique su espíritu Solar Térmico.
8. El centro debe plantearse de carácter mundial, ser competitivo y posicionarse entre los mejores.
9. Si nosotros no damos valor agregados a nuestros productos y tecnologías ¿Quién más lo hará por nosotros de la forma
óptima? Este punto es clave, ya que Chile tuvo la gran suerte de entrar a un mercado nuevo de Nitratos (sales solares), sin haber
realizado el menor esfuerzo. Cabe destacar que primero fueron los franceses con el proyecto Themis y luego los Estadounidenses con
Solar Two los que nos abrieron estas nuevas posibilidades de
desarrollo con el ya muy conocido NaNO3/KNO3. Pero no debemos confiarnos, ya que industrias alemanas como BASF, chinas como
Guangzhou Yijia Chemical ya están entrando fuerte a este mercado e incluso nos lo podrían simplemente quitar si nosotros no
empezamos a generar mejoras y nuevos productos pronto. Todo el terreno que habríamos ganado con poco esfuerzo, pero que nos
223
posicionó sin querer como líderes de mercado, lo podríamos perder
en corto plazo.
a. ¿Seguiremos esperando que otro país desarrollado
tenga una gran idea que nos favorezca?
b. ¿Qué pasa si esto no ocurre?
En resumen, tenemos la materia prima competitiva en el mercado
térmico, poseemos la radiación solar suficiente y el presente estudio avala la posibilidad de desarrollo de un centro de Transferencia y
Almacenamiento térmico en Chile, solo falta tomar una decisión rápida reflexionando bien los pasos a seguir (que también están planteados en
este informe) para continuar con el progreso.
224
ANEXO I: Actividades realizadas
Las actividades realizadas hasta para el presente documento son las
siguientes:
1. Revisión de más de 180 documentos y trabajos, relacionados con Energía Termosolar, Litio, Transporte y Almacenamiento Térmico y
Centros de Excelencia.
2. Revisión de las leyes para la utilización del Li en Chile.
3. Conversaciones con miembros de la “Comisión Nacional del Litio”
(Chile) para revisar el potencial del uso del Litio en las tecnologías solares y de almacenamiento térmico.
4. Reunión con el presidente de la Comisión de Minería y Energía del
Senado de Chile, Senador Alejandro Guillier. Se conversó sobre las diferentes formas en que un centro de las características del Centro de
Excelencia puede ayudar al desarrollo del país y particularmente de su zona norte.
5. Entrevistas con expertos internacionales para el desarrollo de Centros
Tecnológicos de Excelencia.
6. Con el fin de obtener información de primer nivel relacionada con la estructura, organización, costos, temas de estudio, modelos de
negocios, equipamiento, tiempos de desarrollo e impacto para la
tecnología y países de los centros de excelencia, similares al Centro de Excelencia, se realizaron vistas y reuniones en 4 de los centros
tecnológicos actualmente más relevantes e importantes, a nivel mundial, en el desarrollo de Almacenamiento Térmico (TES), Fluidos
de Transferencia (HTF) y Energía Termosolar en general. Los centros visitados y las personas con que se realizaron las reuniones, se
enumeran a continuación: a. Fraunhofer Institut for Solar Energy System ISE (Freiburg,
Alemania). Reunión efectuada con: Director Departamento Solar y Optico, Dr. Werner Platzer.
b. Laboratorio PROMES (Font Romeu-Odeillo, Francia). Reunión efectuada con: i) Director General PROMES, Dr. Gilles Flamant y
ii) Director sitio Themis (PROMES), Dr. Alain Ferrier. c. PSA (Almería, España). Reunión efectuada con: i) Director PSA
(Dr. Sixto Malato) y ii) Director Adjunto PSA (Dr. Julian Blanco).
d. Plataforma Solar Solucar de ABENGOA (Sevilla, España). Reunión efectuada con: i) Exdirector de ASNT (Abengoa) y actual
225
consultor de Abengoa Solar (Rafael Osuna), ii) Responsable de
nuevas sales Caloportadores de Abengoa Research (Salvador Valenzuela) y iii) Responsable de Transferencia Tecnológica de
Abengoa Research (Juan Pablo Nuñez).
7. Selección de dos plantas CSP que actualmente utilizan sistema TES de
dos tanques de calor sensible con sal solar, para calcular el LCOE preliminar que produciría el uso de compuestos con derivados con litio
en vez de la sal binaria original.
8. Dos reuniones con Pedro Pavlovic. Consultor Senior en Li. Colaborador del Centro de Innovación del Litio y participó en la Comisión Nacional
del Litio.
9. Reunión con ALSTOM: Ghislain Nicolas (Director de Desarrollo Estratégico y Negocios).
10. Reunión con Sr. Rosamel Muñoz, jefe de la oficina de Difusión y
Extensión, CCHEN.
11. Reunión con ASIMET: Ignacio Canales (Departamento de Estudios)
226
ANEXO II: Resumen de procesos productivos del Li Producción de carbonato de litio a partir de mineral de hectorita
Este proceso consta de las siguientes etapas:
a) Reducción de tamaño y Granulado: En esta etapa, el mineral
proveniente de la mina es ingresado directamente al proceso o almacenado para posterior uso. Seguidamente el mineral es
triturado y molido hasta un tamaño de aproximadamente 150 μm por medio de un desintegrador y un molino.
Figura 1
Paralelamente, un mineral llamado Danalita es preparado por aparte reduciéndole al mismo micraje, para ser posteriormente
utilizado en reacciones con el mineral que contiene el litio.
Luego ambos minerales son mezclados por medio del granulador (Fig. 2) y posteriormente los gránulos obtenidos son secados con
gas caliente, previo a ser calcinados.
Figura 2
b) Calcinado: En este proceso, por medio de un horno los metales
alcalinos presentes en el mineral (Li, Na, K) son convertidos, a aproximadamente a 1000◦C, en sulfatos solubles en agua por medio
de un horno rotativo (Fig. 3)
227
Figura 3
El producto resultante es seguidamente enfriado al aire en un
intercambiador especial. Los gases calientes del calcinador se
utilizan para producir vapor que será utilizado en etapas posteriores de evaporación y secado del producto.
c) Precipitado: En esta etapa son disueltos el litio, potasio y el sodio,
junto con algunas trazas de Magnesio y calcio, mientras que otras impurezas se mantienen insolubles. La solución precipitada es
reprocesada para maximizar la concentración de litio. Se logran tasas de recuperación de alrededor de 90% para el litio y 80% para
el potasio. (Fig. 4)
Figura 4
d) Evaporación y cristalización: En esta etapa y antes de iniciar la
evaporación, la solución clarificada previamente obtenida es
mezclada soluciones reprocesadas para luego pasar al evaporador donde la concentración del sulfato de litio es aumentada aún más.
Por medio de enfriamiento, la solución es cristalizada (Fig. 5) con lo que se logra separar sólidos y líquidos. Tras dicha separación, los
líquidos se bombean al proceso de recuperación de litio.
228
Figura 5
e) Recuperación: En esta etapa, los líquidos son descompuestos con
agua, de donde se obtiene sulfato de potasio cristalizado, que luego es separado por medio de filtros centrífugos, secado y empacado
(Fig. 6), dejándolo así listo, es decir, comercialmente apto para ser vendido.
Figura 6
f) La solución es ahora retornada desde el circuito de descomposición
hacia la sección de evaporadores. Aquí son precipitados los carbonatos calcio y magnesio y son removidos del concentrado por
precipitación y por medio de resinas. (Fig. 7) El carbonato de Litio es precipitado al agregar carbonato de sodio.
(Fig. 8). Posteriormente el material es filtrado y se obtiene como subproducto sulfato de sodio, que puede ser comercializado como
tal, y paralelamente carbonato de litio, el cual es lavado
completamente con agua caliente y luego secado. De esta manera el producto ya queda listo para empacado y comercialización.
229
Figura 7 Figura 8
Producción de carbonato de litio a partir de Salmueras Este proceso reviste especial importancia para Chile por varias razones41:
Varios estudios estiman que la mayor fuente de las reservas
mundiales de litio proviene de depósitos de salmueras, y en mucha menor medida de depósitos minerales.
Chile cuenta con una apabullante mayoría de dichas reservas, aproximadamente 39%, ubicadas hacia el norte del país, en el salar
de Atacama.
La obtención del litio a partir de salmueras tiene costos de producción más bajos que la obtención a partir de minerales.
El proceso para obtener carbonato de Litio a partir de Salmueras,
específicamente salmueras del Salar de atacama, consta de las siguientes fases:
Bombear las salmueras desde los pozos de extracción a pozas de
evaporación solar donde gradualmente se va subiendo la concentración de litio (de 0.2% a 6%) a lo largo de un período
considerable de tiempo (14 a 15 meses) Pasado el tiempo estipulado, la salmuera concentrada es tratada
químicamente: o Remoción del Boro mediante solventes.
o Remoción del Magnesio, en forma de MgCO3 y MgOH.
Por medio de la adición de NaCO3, precipitación del Li2CO3 o Filtrado, lavado y secado.
El proceso descrito obtiene además como subproducto, KCl (cloruro
potasio) y se ilustra en la figura 9 a continuación.
41 Chochilco. Antecedentes para una Política Pública en Minerales Estratégicos: Litio. Abril 2015, http://goo.gl/0GQPXL
230
Figura 9. Diagrama de Flujo del Proceso de Producción de Carbonato de Litio
Producción de nitrato de litio
El nitrato de litio (LiNO3) es una sal inorgánica, altamente soluble en agua y se suele obtener a partir del carbonato de litio (Li2CO3) y ácido nítrico
(HNO3), por lo que en esencia el proceso para obtener el nitrato de litio partiría del resultado de alguno de los procesos anteriormente descritos.
Una ecuación que describe la obtención del LiNO3 medio de la síntesis descrita anteriormente sería:
Li2CO3 + 2HNO3 2LiNO3 + H2O + CO2
La sal de litio resultante, tiene por desventaja el hecho que es hidratada
y por la alta solubilidad del nitrato, requerirá posteriormente de una considerable evaporación para deshidratarla.
Otro modelo42 parece solventar esta situación al considerar la obtención
del nitrato de litio en estado fundido(235 °C):
Li2CO3 + 2NH4NO3 2LiNO3 + 2NH3 + CO2 + H2O
El proceso se puede resumir en los siguientes pasos:
a) Mezclado mecánico del carbonato de litio y el nitrato de amonio en un alimentador de tornillo (6)
42 Este proceso se encuentra descrito en la patente #2.959.463 Proceso de manufactura de nitrato de litio, de la Oficina de Patentes de los
Estados Unidos, reconocida a David Stern. http://goo.gl/k0a7JP
231
b) La mezcla fundida (entre 230 y 250◦C) ingresa al reactor (7), donde
se liberan NH3, CO2 y H2O. c) El nitrato de litio formado cae en los molinos (8) (que se mantienen
a 100◦C) y posteriormente en una mezcladora (9) donde se reduce
su tamaño. El producto es entonces filtrado (screened) en (10), y retornado al molino el que excede las dimensiones requeridas.
d) El producto continúa al reactor. Gases calientes pasan a través de un depurador o scrubber, (11), que contiene hidróxido de litio, y
donde selectivamente se remueve el CO2 en forma de Li2CO3 por medio de la línea (12) y de ahí pasa la centrífuga (14)
e) Los sólidos que salen de la centrífuga son secados en los secadores flash (16) y retornados como Li2CO3 de reposición, mientras que los
líquidos que salen de la centrífuga (LiOH con algunas impurezas aún de carbonatos) son enviados al disolvente (17).
f) El flujo de LiOH es bombeado (18) hacia el filtro (19) y de ahí al depurador o scrubber (11).
Figura 10
.
232
ANEXO III: Cálculo preliminar de la cantidad estimada
de uso de Li en centrales Termosolares
Estimación de la cantidad de nitrato de litio requerida por una planta CSP tipo para una determinada potencia y horas de almacenamiento. Para realizar la estimación de la cantidad de Nitrato de Litio,
primeramente se recopiló la información de algunos proyectos CSP con sistema de almacenamiento térmico (TES). Valga mencionar que se
incluyeron proyectos para los cuales se dispone del dato de la cantidad de Sal Solar (40%KNO3 + 60%NaNO3) del sistema, el cual no se
encuentra disponible en la mayoría de los casos.
Tabla 1. Algunos Proyectos CSP
A partir de la información anterior, en la tabla 2 se calculan relaciones
entre la cantidad de sal Solar, las horas de almacenamiento de energía, y la potencia de la planta como valores referentes para la estimación
posterior de la cantidad de nitrato de litio.
Nombre del proyecto --> Extresol-3 (EX-3)Gemasolar
Thermosolar PlantTermesol 50 (Valle 2) Archimede
Cerro Dominador(proyectada para iniciar
operaciones en 2017-2018)
Locacion Espana Espana Espana Italia Chile
Potencia (MW) 50 19.9 49.9 4.72 110
Tipo Tecnologia Cilindro Parabolico Torre solar de potencia Cilindro Parabolico Cilindro Parabolico Torre solar de potencia
Capacidad TES (hr) 7.5 15 7.5 8 17.5
Tipo de Sal 40%KNO3 + 60%NaNO3
(Sal Solar)
40%KNO3 + 60%NaNO3
(Sal Solar)
40%KNO3 + 60%NaNO3
(Sal Solar)
40%KNO3 + 60%NaNO3
(Sal Solar)
40%KNO3 + 60%NaNO3
(Sal Solar)
Cantidad Sal (Tons) 28,500 7,900 (2) 28,500 1,580 50,000 (3)
Entrada al campo solar (◦C) 293 290 293 290 300
Salida del campo solar (◦C) 393 565 393 550 550
DT (◦C) 100 275 100 260 250
Fuentes
(1) : Datos tomados del National Renewable Energy Laboratory (NREL)
(2) : Datos tomados de Presentacion Torresol -Energy Evaluating effectiveness of Molten sa l t tower plant GA Azcarraga
(3) : Datos tomados de informe Pedro Pavlovic Zuvic para la Comis ión Nacional del Li tio, Noviembre 17, 2014
ALGUNOS PROYECTOS EN DATOS (1)
233
Tabla 2. Cálculo de relación entre Masa de sal por número de
horas TES y MW
En las tablas 3 y 4 se estiman entonces proporciones entre la cantidad de sal solar requerida y la cantidad correspondiente de sal ternaria de litio
que, gracias a sus distintas propiedades físico-químicas, se requiere en menor cantidad. Conociendo a su vez la composición en peso de la sal
de litio, es posible entonces estimar directamente la cantidad de Nitrato de Litio.
Dado que en los proyectos de tecnología de Torre Solar de potencia se
trabaja con un mayor rango de temperatura, se obtienen cantidades de sal de litio (y por ende, de nitrato de litio) menores, como se muestra en
la tabla 4.
Tecnología --> Cilindro ParabólicoTorre Solar de
potencia
Torre Solar de
potencia.
Potencia (MW) 50 19.9 110
Proyectos de referenciaExtresol 3 , Temesol 50
(España)
Gemasolar Thermosolar
Plant (España)
Cerro Dominador (Chile)(proyectada para iniciar
operaciones en 2017-2018)
Capacidad TES (hrs) 7.5 15 17.5
Cantidad Sal (Tons) 28,500 7,900 50,000
Razón Masa_Sal Solar / TES
(ton/h* MW)76.0 26.5 26.0
TES 7.5
Razón Masa_Sal Solar/MW (ton/ MW)570.0 198.5 194.8
TES 11.25
Razón Masa_Sal Solar/MW (ton/ MW)855.0 297.7 292.2
TES 15
Razón Masa_Sal Solar/MW (ton/ MW)1140.0 397.0 389.6
Fuente: Elaboración propia a parti r de datos tomados del National Renewable Energy Laboratory (NREL)
Cálculo de la relación de Masa de Sal solar por número de horas TES por MW
3 Escenarios TES de almacenamiento 7.5 hrs, 11.25 hrs y 15 hrs, utilizando Sal Solar
234
Tabla 3. Estimación de la cantidad de Nitrato de Litio
Compuesto Sal Solar Sal Litio
Propiedades y cálculo 40%KNO3 + 60%NaNO3
54.07% KNO3 +
25.92%LiNO3 +
20.01%NaNO3
Densidad (kg/m3) (2) 1750 1720
Capacidad calorífica (kJ/kg*K) (2) 1.54 2.32
Temperatura de fusión (◦C) (2) 222 117
Temp Entrada al campo solar (◦C) 293 188
Temp Salida al campo solar (◦C) 393 393
DT (◦C ) 100 205
Masa (Ton) (3) 28500 9228
Energía (GJ) 4389 4389
Proporción másica
Sal Solar: Sal Litio3.09 : 1
Fracción Nitrato Litio (LiNO3) - 25.92%
Masa LiNO3 (Ton) - 2392
Proporción másica
Sal Solar: LiNO311.91 : 1
Estimacion de cantidad de NITRATO de LITIO (LiNO3) requerida
Tecnología Cilindro Parabólico ( 1)
(1) : Se toman como referencia las plantas Extresol 3 y Temesol 50 (ambas España) para los
datos de temp. entrada y sa l ida a l campo solar y el dato de la masa de Sa l Solar
(2) : Datos tomados del estudio "Novel Molten Sa l ts Thermal Energy Storage for Concentrating
Solar Power Generation" de la Univers idad de Alabama.
(3): Para el caso de la Sa l de Li tio, esta masa es despejada a parti r del dato de energia y las
propiedades de dicha sa l , cons iderando ademas el DT mayor que la sa l de l i tio permite
gracias a su menor punto de fus ion
235
Tabla 4. Estimación de la cantidad de Nitrato de Litio
En la tabla 5 se realizan las estimaciones de la cantidad de carbonato de
litio (Li2CO3) requerido, a partir del conocimiento de la proporción existente entre Carbonato de litio y Nitrato de litio (por balanceo o
estequiometria de la reacción) y, dado que se conoce la proporción entre éste último y la cantidad de sal solar.
Juntando lo anterior con la información previa de los escenarios de horas TES, se estima finalmente la cantidad de Li2CO3) para una determinada
potencia, y tipo de tecnología.
Compuesto Sal Solar Sal Litio
Propiedades y cálculo 40%KNO3 + 60%NaNO3
54.07% KNO3 +
25.92%LiNO3 +
20.01%NaNO3
Densidad (kg/m3) (2) 1750 1720
Capacidad calorífica (kJ/kg*K) (2) 1.54 2.32
Temperatura de fusión (◦C) (2) 222 117
Temp Entrada al campo solar (◦C) 300 195
Temp Salida al campo solar (◦C) 550 550
DT (◦C ) 250 355
Masa (Ton) (3) 50000 23373
Energía (GJ) 19250 19250
Proporción másica
Sal Solar: Sal Litio2.14 : 1
Fracción Nitrato Litio (LiNO3) - 25.92%
Masa LiNO3 (Ton) - 6058
Proporción másica
Sal Solar: LiNO38.25 : 1
Estimacion de cantidad de NITRATO DE LITIO (LiNO3) requerida
Torre Solar de potencia ( 1)
(1) : Se toman como referencia la planta Cerro Dominador ( AÚN POR CONSTRUIR, en Chi le) para
los datos de temp. entrada y sa l ida a l campo solar y el dato de la masa de Sa l Solar
(2) : Datos tomados del estudio "Novel Molten Sa l ts Thermal Energy Storage for Concentrating
Solar Power Generation" de la Univers idad de Alabama.
(3): Para el caso de la Sa l de Li tio, esta masa es despejada a parti r del dato de energia y las
propiedades de dicha sa l , cons iderando ademas el DT mayor que la sa l de l i tio permite
gracias a su menor punto de fus ion
236
Tabla 5. Estimación de la cantidad de Carbonato de litio.
Estimación de cantidad de CARBONATO de LITIO (Li2CO3) (1)
requerida según horas TES
Masa de Li2CO3 inicial (g) (1) 1
Masa de LiNO3 resultante (g) (1) 1.86
Tecnología Cilindro Parabólico (2)
Proporción másica
Sal Solar: LiNO3 11.91 : 1
Proporción másica
Sal Solar: Li2CO3 22.16
Tecnología Torre Solar de
potencia (3)
Proporción másica
Sal Solar: LiNO3 8.25 : 1
Proporción másica
Sal Solar: Li2CO3 15.35
Escenario Tecnología Cil.
Parabólico (2)
Tecnología Torre
Solar potencia (3)
TES 7.5
Razon Li2CO3/MW (ton/ MW) 25.72 12.69
TES 11.25
Razon Li2CO3/MW (ton/ MW) 38.58 19.04
TES 15
Razon Li2CO3/MW (ton/ MW) 51.44 25.38
Fuente: Elaboración previa a partir de los datos de las dos tablas anteriores
NOTAS:
(1) Por estequiometría de la reacción Li2CO3 + 2HNO3 -> 2LiNO3 +
H2O + CO2
(2) : Proporciones obtenidas según cálculos utilizando como referencia
datos de las plantas Extresol 3 y Temesol 50 (ambas España)
(3) : Proporciones obtenidas según cálculos utilizando como referencia
datos de la planta Cerro Dominador (AÚN POR CONSTRUIR, en Chile)
Proyecciones del mercado energético mundial de tecnologías CSP
Para determinar el incremento en la capacidad de los sistemas CSP instalados a nivel mundial, es preciso primero determinar cuál es la
capacidad instalada actualmente. En la figura 1 se muestra cantidad de
MW totales en CSP al 2013.
237
Figura 1. Capacidad acumulada de los sistemas CSP a nivel
mundial al 2013.
Fuente: Informe “Renewables Global Status Report 2014”
Figura 2. Capacidad acumulada de los sistemas CSP a nivel mundial al 2014.
Fuente: Technology Road Map 2014 edition. International Energy Agency (IEA)
Adicionalmente, en la tabla 6, se muestra un extracto de información del National Renewable Energy Laboratory (NREL) que da una referencia de
aproximadamente 4.45 GW instalados en sistemas CSP (con y sin sistema TES), para las 2 principales tecnologías para finales del 2014 dato
bastante aproximado a los 5GW indicados en el reporte “RENEWABLE POWER GENERATION COSTS
238
IN 2014”, del IRENA, como el total de generación CSP al final del 2014.
Tabla 6. Resumen de Potencias y número de proyectos CSP
PROYECTOS CSP POR TIPO DE TECNOLOGIA. (NREL)
Tipo Tecnologia -->
Parabolic
Trough
Power
tower
Parabolic
Trough
Power
tower
Entre los años 2016 2016
2018 2018
Sal Solar (TES)? SI NO
POTENCIA TOTAL (MW) 560 260 100 432
CONTADOR DE PROYECTOS 5 2 1 5
CON TES SIN TES
Totales y proporciones
por MW totales con y sin
TES
820 532
60.7% 39.3%
Totales y proporciones
por # de proyectos
Parabolic Trough Power tower
6 7
A partir de la información mostrada en las 3 fuentes anteriores, un valor entre 5 y 5.5GW se considera un punto de partida razonable para estimar
la capacidad total instalada en sistemas CSP en la actualidad (2015), considerando que cada vez más es mayor el número de proyectos de este
tipo de tecnología.
Para efectos de estimar ahora el aumento en capacidad instalada, se
utilizan las tendencias globales de mercado en tecnologías CSP, indicadas en el informe “RENEWABLE ENERGY TECHNOLOGIES: COST ANALYSIS
SERIES, Concentrating Solar Power” del IRENA, donde observa un incremento bastante considerable, como se muestra en la tabla 7.
239
Tabla 7. Proyecciones en CSP al 2020
Proyección de la demanda de carbonato de litio equivalente (LCE) requerida para los proyectos CSP a nivel mundial
Para determinar la esta demanda, es muy importante diferenciar de alguna manera, que proporción de los futuros proyectos CSP incluyen
almacenamiento térmico (TES). En la tabla 8 se hace este cálculo a partir de la información del NREL, que si bien es cierto, no es exhaustiva en
cuanto a abarcar todos los proyectos que darían origen al notorio aumento de capacidad CSP instalada al 2020, si marca una tendencia razonable
en cuanto a las proporciones de los proyectos que incluyen TES y los que no.
Adicionalmente, es importante diferenciar también por las proporciones de cada una de las diferentes tecnologías, a saber, Cilindro parabólico
(Parabolic Trough) y Torre Solar de potencia (Power Tower). Se observa que esta segunda proporción muestra tendencia a cantidades más
similares de proyectos de cada uno de estos dos tipos de tecnologías,
mientras que en años anteriores era mucho mayor la proporción de proyectos de tecnología de cilindro parabólico.
Región
Capacidad
instalada
(GW) al 2020
Capacidad
instalada
(GW) al 2015
Norte Am. 50
Medio Este 23
Africa 23
Europa 30
Otros 21
TOTALES 147 5.5
Diferencia (GW) 141.5
Fuente: Elaboración propia a partir del informe "RENEWABLE ENERGY
TECHNOLOGIES: COST ANALYSIS SERIES, Concentrating Solar Power,
June of 2012" del IRENA
PROYECCIONES EN TECNOLOGÍAS CSP
5.5
240
Tabla 8. Proporción de proyectos CSP con TES y por tipo de
tecnología
PROYECTOS CSP POR TIPO DE TECNOLOGIA. (NREL)
Tipo Tecnologia -->
Parabolic
Trough
Power
tower
Parabolic
Trough
Power
tower
Entre los años 2016 2016
2018 2018
Sal Solar (TES)? SI NO
POTENCIA TOTAL (MW) 560 260 100 432
CONTADOR DE PROYECTOS 5 2 1 5
CON TES SIN TES
Totales y proporciones
por MW totales con y sin
TES
820 532
60.7% 39.3%
Totales y proporciones
por # de proyectos
Parabolic Trough Power tower
6 7
46.2% 53.8%
Fuente: Elaboración propia a partir datos
del NREL
En la tabla 9, se estima entonces la cantidad de GW con tecnologías CSP
y TES a generar según las proporciones anteriormente mencionadas y el dato de la generación CSP proyectada al 2020.
Tabla 9. GW de generación CSP por tipo de Tecnología
PROYECCIONES AL 2020 DE PROYECTOS CSP
CON TES Y SIN TES (EN BASE A PROPORCIONES
DE LOS PROYECTOS DEL 2016-2018 SEGÚN
NREL)
GW A INSTALAR %
CON TES 85.8 60.7%
SIN TES 55.7 39.3%
TOTAL 141.5 100%
Por tipo de tecnología
GW A INSTALAR %
Parabolic Trough 39.6 46.2%
Power tower 46.2 53.8%
TOTAL 85.8 100%
241
Con base a las razones de Li2CO3 mostradas en la tabla 5 para cada escenario de horas TES, se estima finalmente a continuación la cantidad
de carbonato de Litio (LCE) que se requerirá para cumplir la demanda que
los nuevos proyectos CSP con TES demandarían.
Tabla 10. Estimación de cantidades de Litio
Tomando además como un supuesto razonable, que los proyectos CSP tiendan hacia mayores cantidades de almacenamiento en horas TES, se
estimaría finalmente la cantidad de carbonato de Litio para TES de 15 hrs,
para ambas tecnologías, lo que daría como resultado un requerimiento total de 3,210,608 Ton de Li2CO3 ( = 2,037,683 + 1,172,926) o su
equivalente estequiometrico (según la ecuación Li2CO3 + 2HNO3 -> 2LiNO3 + H2O + CO2 ) de 5,971,732 Ton de LiNO3.
Proyecciones del mercado energético en chile
En la tabla 11 se muestra la capacidad instalada en las redes eléctricas de Chile, SIC y SING, a marzo 2014.
En la tabla 12, por su parte, la capacidad que se proyecta tener instalada
a enero del año 2025.
Estimaciones de cantidades de Li2CO3 requeridas para cumplir demanda energética mundial de CSP
proyectada al 2020
Tecnología Cil. Parabólico Tecnología Torre Solar potencia
TES 7.5 TES 11.25 TES 15 TES 7.5 TES 11.25 TES 15
Ratio
Li2CO3/MW
(ton/ MW)
Ratio
Li2CO3/MW
(ton/ MW)
Ratio
Li2CO3/MW
(ton/ MW)
Ratio
Li2CO3/MW
(ton/ MW)
Ratio
Li2CO3/MW
(ton/ MW)
Ratio
Li2CO3/MW
(ton/
MW)
25.72 38.58 51.44 12.69 19.04 25.38
TONELADAS DE Li2CO3 requeridas para cada escenario PARA EL TOTAL DE 85.8 GW con tecnología CSP
-TES AL 2020)
1,018,841 1,528,262 2,037,683 586,463 879,694 1,172,926
Fuente: Elaboración propia a partir de razones de masa /MW para las diferentes TES y la estimación de
GW de generación CPS con TES al 2020
242
Tabla 11. Capacidad instalada del parque de generación de Chile
en Marzo 2014.
Tipo tecnologia SIC % SIC SING % SINGTotal SIC +
SING (MW)%
Hidráulica Embalse 3709.3 26.07% 0.00% 3709.3 20.51%
Gas Natural 2560.7 18.00% 1441.2 37.37% 4001.9 22.13%
Petróleo Diesel 2335.1 16.41% 174.2 4.52% 2509.3 13.88%
Hidráulica Pasada 2299.6 16.16% 0.00% 2299.6 12.72%
Carbón 1608.6 11.31% 1932.6 50.11% 3541.2 19.58%
Carbón Petcoke 561.9 3.95% 0.00% 561.9 3.11%
Biomasa 342.4 2.41% 0.00% 342.4 1.89%
Eólica 325.7 2.29% 90 2.33% 415.7 2.30%
Mini Hidráulica Pasada 280.7 1.97% 14.9 0.39% 295.6 1.63%
Biomasa-Petróleo N°6 88 0.62% 0.00% 88 0.49%
Petcoke 63 0.44% 0.00% 63 0.35%
BioGas 43 0.30% 0.00% 43 0.24%
Solar 8.4 0.06% 8.9 0.23% 17.3 0.10%
Fuel Oil Nro. 6 0 0.00% 177.6 4.60% 177.6 0.98%
Geotermia 0 0.00% 0.00% 0 0.00%
Otros 0 0.00% 17.5 0.45% 17.5 0.10%
Potencia Total Instalada 14226.4 100.00% 3856.9 100.00% 18083.3 100%
Fuente: AgendaEnergiaMAYO2014_FINAL
Capacidad instalada, Marzo 2014.SIC SING CONSOLIDADO
243
Tabla 12. Capacidad PROYECTADA del parque de generación de Chile al 2025.
Con la información de las dos tablas anteriores, se calcula una tasa uniforme de crecimiento de la generación solar, lo cual constituye
naturalmente una simplificación bastante extrema con respecto a la forma en la que eventualmente se iría incrementando realmente la generación.
Tabla 13. Crecimiento anual uniforme.
Proyección Crecimiento Energía Solar
Año Inicial 2014
Capacidad Solar Instalada (MW) 17.3
Año Final 2025
Capacidad Solar
Proyectada (MW) 1150
Crecimiento Anual (MW) 103.0 Fuente: Elaboración propia a partir de los datos del parque de
generación a marzo 2014, y el esperado a 2025
Tipo tecnologia SIC % SIC SING % SINGTotal SIC +
SING (MW)%
Hidráulica Embalse 3709 20.1% 0 0.0% 3709 15.2%
Gas Natural 2886 15.6% 1958 33.3% 4844 19.9%
Petróleo Diesel 2335 12.6% 177 3.0% 2512 10.3%
Hidráulica Pasada 3605 19.5% 0 0.0% 3605 14.8%
Carbón 2446 13.2% 2405 40.9% 4851 19.9%
Carbón Petcoke 562 3.0% 0 0.0% 562 2.3%
Biomasa 408 2.2% 0 0.0% 408 1.7%
Eólica 1289 7.0% 340 5.8% 1629 6.7%
Mini Hidráulica Pasada 450 2.4% 15 0.3% 465 1.9%
Biomasa-Petróleo N°6 88 0.5% 0 0.0% 88 0.4%
Petcoke 63 0.3% 0 0.0% 63 0.3%
BioGas 43 0.2% 0 0.0% 43 0.2%
Solar 451 2.4% 699 11.9% 1150 4.7%
Fuel Oil Nro. 6 0 0.0% 178 3.0% 178 0.7%
Geotermia 160 0.9% 90 1.5% 250 1.0%
Otros 0 0.0% 18 0.3% 18 0.1%
Potencia Total Instalada 18495 100.00% 5880 100.00% 24375 100.00%
Fuente: AgendaEnergiaMAYO2014_FINAL
SING CONSOLIDADOSIC
Parque de Generación Esperada a Enero de 2025
244
PROYECCIÓN DE LA DEMANDA DE CARBONATO DE LITIO EQUIVALENTE (LCE) PARA CHILE.
Del dato anterior del crecimiento de la capacidad solar instalada y bajo el supuesto que dicho crecimiento de supliera a partir de tecnologías CSP
con almacenamiento (TES), a continuación se calculan las cantidades requeridas de carbonato de litio que se requerirían para cumplir con la
demanda del mercado energético chileno bajo 6 escenarios distintos. Las cantidades serían anuales bajo la simplificación que el crecimiento se
diese de manera uniforme entre 2015 y 2025.
Tabla 14. Demanda proyectada de Carbonato de Litio
Estimaciones de cantidades de Li2CO3 requeridas para cumplir demanda energética
Tecnología Cil. Parabólico (2) Tecnología Torre Solar potencia (3)
TES 7.5 TES 11.25 TES 15 TES 7.5 TES 11.25 TES 15
Ratio
Li2CO3/MW
(ton/ MW)
Ratio
Li2CO3/MW
(ton/ MW)
Ratio
Li2CO3/MW
(ton/ MW)
Ratio
Li2CO3/MW
(ton/ MW)
Ratio
Li2CO3/MW
(ton/ MW)
Ratio
Li2CO3/MW
(ton/ MW)
25.72 38.58 51.44 12.69 19.04 25.38
TONELADAS DE Li2CO3 requeridas para cada escenario y POR CADA AÑO (2015-2025)
(Bajo Crecimiento Uniforme de la capacidad solar instalada)
2648.7 3973.0 5297.3 1306.8 1960.2 2613.6
Fuente: Elaboración propia a partir de razones de masa /MW para las diferentes TES
Según la tabla 11, el crecimiento de la generación solar en Chile, de
marzo de 2014 a enero de 2025, es de 1132 MW. Tomando como
referente el proyecto cerro dominador que actualmente se encuentra en desarrollo, y suponiendo que el desarrollo futuro de los proyectos CSP en
Chile mantuviese esta misma ingeniería en cuanto a la tecnología empleada (Torre solar de potencia y TES de 17,5 horas) la cantidad total
de toneladas de carbonato de litio requeridas para satisfacer la demanda de estos eventuales proyectos sería de; 28750 Ton de Carbonato de Litio,
que equivaldría a 53475 Ton de Nitrato de Litio, según la proporción estequiométrica descrita en la tabla 5.
Ahora, vale recalcar que el Carbonato de Litio no es usado directamente en las plantas de CSP, ya que estas trabajan directamente con sales
fundidas, como son la Sal Solar (40%KN03+60%NaNO3) y la Sal Litio (54,07%KNO3+25,92%LiNO3+20,01%NaNO3), siendo ésta última la que
mejores características físico-químicas (por composición eutéctica; punto de fusión más bajo) ofrece.
245
Relación de los requerimientos de litio (LCE) para las tecnologías
CSP con la capacidad industrial actual de chile
Capacidades de producción de LCE.
El creciente interés por el Litio estos últimos años, ha significado que se
desarrollen mayores capacidades de producción de este mismo material a nivel mundial.
En la actualidad, la producción mundial de Litio utiliza solo 58% de la capacidad instalada, aunque Chile que ha liderado la producción de Litio
desde ya hace dos décadas, solo utiliza el 86% de su capacidad instalada. A un mediano y largo plazo, se estima que desarrollos tecnológicos,
permitan explotar nuevos y abundantes recursos minerales. Se espera que las aplicaciones tradicionales del Litio, vayan reduciendo
paulatinamente en los próximos años y se incremente las novedosas aplicaciones relacionadas al almacenamiento de energía.
Ahora, vale recalcar que el uso del Litio como un material fundamental para el desarrollo de los reactores de fusión nuclear podría estrechar aún
más la oferta de este material en el mercado, siempre y cuando las
investigaciones que se realizan concluyan que es una fuente viable de energía para el consumo masivo.
Prácticamente la mitad de la producción mundial de Litio se obtiene a partir de las salmueras extraídas de salares (Chile, Argentina, China y
EEUU). La parte restante de la producción de Litio se obtiene a partir de
concentrados de minerales pegmatíticos, siendo el mineral más importante el spodumeno. El mayor productor de este cincuenta %
restante de Litio es Australia acompañado de China en menor proporción.
Proyección de la producción de LCE (Carbonato de Litio Equivalente)
Para poder estimar si los niveles de requerimiento de Energía a generar proyectados por el crecimiento de la demanda serán soportados por los
niveles actuales de producción de Carbonato de Litio, se realiza la
siguiente aproximación.
246
Tabla 15: Producción de LCE (Carbonato de Litio Equivalente) al
2015
Fuente: Elaboración propia con base a datos de la dirección Chilena de cobre, dirección
de estudios
Tabla 16: Proyección Mundial de LCE al 2025
Fuente: Elaboración propia con base a un porcentaje de crecimiento investigado por el
Signum Box
Figura 3 Crecimiento de la Demanda de LCE (Carbonato de Litio
Equivalente)
Fuente: Elaboración propia con base a un porcentaje de crecimiento investigado por el
Signum Box
(http://www.signumbox.com/central/Litio,%20Potencial%20por%20explorar.pdf)
Asumiendo que las exportaciones del LCE (exportaciones de Litio destinados al uso en otro rubro que no sea la generación de energía) se
247
mantuviesen en su máximo histórico de los últimos 17 años durante toda
la proyección del crecimiento de la producción de Carbonato de Litio, restaremos el valor de 70213 Toneladas a cada uno de las cantidades
proyectadas desde el 2016.
Figura 4 Crecimiento de la Demanda de LCE (Carbonato de Litio
Equivalente)
Fuente: Pavlovic Zuvic Pedro, Articulo, La industria del Litio en Chile, Marzo 20, 2014E
De la misma manera obtenemos el siguiente cálculo de la proyección discriminando el actual consumo de la industria (uso del Litio de manera
tradicional), para poder estimar de mejor manera si el crecimiento proyectado del carbonato de litio, abastecerá los requerimientos de
carbonato de Litio por parte de las generadoras de Energía a 2025.
Tabla 17: Proyección Real (sin demanda de Industria tradicional)
de LCE al 2025 Proyección de LCE Chile (Ton)
Año
Producción
en ton
Consumo
Otra
industria
Proyección
real
2016 96000 70213 25787
2017 96000 70213 25787
2018 96000 70213 25787
2019 96000 70213 25787
2020 96000 70213 25787
2021 102240 70213 32027
2022 108886 70213 38673
2023 115963 70213 45750
2024 123501 70213 53288
2025 131528 70213 61315
Fuente: Elaboración propia con datos proyectados
248
Figura 5 Proyección Real (sin demanda de Industria tradicional)
LCE al 2025
Fuente: Elaboración propia con datos proyectados
Comparando la gráfica con el requerimiento calculado de Energía y la cantidad requerida de Carbonato de Litio mostrados en las tablas 8 y 9,
respectivamente, por la implementación de nuevos proyectos en Chile hasta el 2025, podemos concluir que la actual capacidad instalada de Chile
soportará un requerimiento adicional.