Programa SOLGEMAC: Aprovechamiento Térmico de la Energía Solar de manera Gestionable, Eficiente y Modular en Sistemas de Alta Concentración

El Programa “SOLGEMAC” es una propuesta aprobada, de la convocatoria de 2009 de la Comunidad de Madrid para ayudas a programas de actividades de I +D en Tecnologías para grupos de investigación de esta Comunidad, cofinanciada con el Fondo Social Europeo. Este Programa, comenzó en enero de 2010  y se desarrollará durante los próximos 4 años, su objetivo fundamental es sentar las bases científicas y tecnológicas que permitan abordar el desarrollo de nuevos sistemas de aprovechamiento térmico y químico de la energía solar concentrada de forma más eficiente, gestionable y modular.

Autor: [Carmen García Gonzalo-INTA]

 Al igual que todos los países del planeta, España se enfrenta a desafíos energéticos y medioambientales considerables: crecimiento constante de la demanda mundial de energía, volatilidad de los precios, aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero responsables del cambio climático, y falta de seguridad del suministro de petróleo y de gas, cuyas reservas se concentran en algunos países de elevada inestabilidad política, siendo utilizados con frecuencia como un instrumento con fines políticos y estratégicos. En el caso de España, la dependencia externa en términos de abastecimiento de energía primaria es de un 80%, lo que supone asumir un alto riesgo y un elevado coste económico, por mucho que intentemos diversificar los países que nos suministran las materias primas energéticas. Por todo ello, el sector energético desempeña un papel de importancia fundamental en el desarrollo económico y social y es clave para el desarrollo sostenible así como en la lucha contra el cambio climático. Las medidas en el campo de la energía deben ser compatibles con los tres principios fundamentales: competitividad, seguridad de abastecimiento y protección medioambiental, buscando siempre un crecimiento sostenible.

El sistema energético actual, basado principalmente en los combustibles fósiles, es un sistema insostenible, se impone un cambio radical en nuestro modelo energético, disminuyendo la contribución de los combustibles fósiles, promoviendo el uso de otras fuentes energéticas, evitando o reduciendo emisiones de gases de efecto invernadero y aumentando la eficiencia energética. Todo ello configura lo que cada vez más se considera una auténtica revolución energética y la tecnología energética tiene un papel fundamental para la consecución de todo ello.

El Programa SOLGEMAC supone un eslabón que contribuye a la solución de los retos a los que se enfrenta el sector energético, como son la demanda creciente de energía en el largo plazo y el hacerlo de una forma segura y eficiente en costes y medioambientalmente sostenible. El objetivo fundamental del Programa es sentar las bases científicas y tecnológicas que permitan abordar el desarrollo de nuevos sistemas de aprovechamiento térmico y químico de la energía solar concentrada de forma más eficiente, gestionable y modular, dibujando el esquema de lo que serían las centrales termosolares de segunda generación. Para ello se focalizará la investigación en la búsqueda de opciones tecnológicas que permitan desarrollar una futura generación de centrales y sistemas termosolares que abran el abanico de aplicaciones a nuevos ciclos termodinámicos y máquinas térmicas más eficientes y a procesos químicos endotérmicos a alta temperatura, haciendo uso de una concepción más modular que permita la generación distribuida en emplazamientos semi-urbanos con un menor impacto ambiental y una mayor gestionabilidad de la energía térmica producida mediante sistemas de almacenamiento y producción de combustibles solares. El Programa se fundamenta en cuatro pilares básicos, la modularidad de diseño, la alta eficiencia en el aprovechamiento térmico, la gestionabilidad de la energía térmica producida mediante sistemas de almacenamiento y la integración óptima de los sistemas desarrollados. A continuación, se describen las líneas fundamentales que se abordaran a lo largo de la ejecución del Proyecto:

 Modularidad: La aproximación de SOLGEMAC se basa en el uso de pequeños sistemas de generación distribuida, que permitirían una mejor integración en territorios de alta urbanización como la Comunidad de Madrid, sin consumo de agua, con un menor impacto en el terreno y mayor capacidad de hibridación con combustibles alternativos como el hidrógeno.

En este bloque se contemplan tres líneas de interés, los sistemas disco-Stirling, los sistemas modulares multitorre y la solarización de microturbinas de gas.

 Eficiencia: La modularidad en la generación lleva necesariamente asociada la obligatoriedad de utilización de sistemas más eficientes en el aprovechamiento de la radiación solar concentrada, para lo cual es necesario, desarrollar receptores y reactores capaces de operar con mayores flujos de radiación solar concentrada para reducir las pérdidas por radiación y temperaturas más elevadas para poder integrar la radiación solar en ciclos termodinámicos más eficientes y en procesos termoquímicos endotérmicos.

En este bloque se desarrollarán cuatro líneas principales: Receptores volumétricos metálicos, Receptores volumétricos cerámicos, Receptores de partículas y Materiales.

 Gestionabilidad: Considerando los sistemas actuales en los cuales o bien se carece de sistemas de almacenamiento o se consideran sistemas de almacenamiento térmico con sales fundidas de nitratos con las desventajas que conllevan, como instalaciones de grandes dimensiones, complejas de operar, con limitación de horas de operación e imposibilidad de transporte de la energía almacenada, el Programa SOLGEMAC enfoca su actividad en la optimización de la gestión de despacho de energía para su uso final, mediante el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía acordes con las características de los sistemas modulares de alta concentración y alta temperatura como los discos/Stirling y las minitorres que permitan adaptar el suministro a la demanda.

Este bloque contempla el desarrollo de cuatro líneas: Producción de Hidrógeno con Ciclos Termoquímicos, Almacenamiento de Hidrógeno con Materiales organometálicos tipo MOF (Metal Organic Framework), Almacenamiento Electroquímico y Uso de Hidrógeno en Microturbinas de Gas.

 Integración: Considerada como una línea trasversal del Programa, necesaria para poder identificar el grado de compatibilidad y las prestaciones en conjunto, de los desarrollos acometidos en discos-Stirling y plantas MTSA (Multi Tower Solar Array), así como en los diferentes diseños de receptores solares, los dispositivos de generación, almacenamiento y utilización del hidrógeno producido, y de almacenamiento electroquímico en baterías avanzadas. A lo largo de la ejecución del Proyecto, se realizará una comparativa de opciones tecnológicas en cuanto a grado de desarrollo, madurez y potencial de las mismas, un estudio sobre el potencial de integración de la energía solar térmica de alta concentración en territorios de alta urbanización con un menor impacto ambiental, teniendo en cuenta distintos escenarios temporales en función de los grados de madurez de las distintas tecnologías estudiadas y por último, un Análisis de Ciclo de Vida (ACV) según la estructura general de las normas ISO 14040 para determinar la conveniencia de la integración de sistemas de generación distribuida frente a los de generación centralizada, elaborando un análisis detallado de su impacto medioambiental, económico y social. Estos estudios de ACV incluirán todas las etapas del ciclo de vida de estas tecnologías así como todos los impactos posibles sin límite geográfico, funcional o temporal.

A continuación en la Figura 1, se muestra una gráfica explicativa del ámbito de trabajo y el alcance incluidos en el programa de I+D de SOLGEMAC. Como se puede apreciar la tecnología actual cubre un rango de temperaturas de operación inferior a los 500ºC (400ºC en aplicaciones comerciales), haciendo uso de aceite mineral, agua/vapor y sales de nitratos como principales fluidos térmicos. La estrategia propuesta en SOLGEMAC permite abordar el uso de nuevos fluidos térmicos como aire atmosférico y presurizado y otros gases.

Figura 1.- Rango de temperaturas y aplicaciones incluidas dentro del programa de trabajo del proyecto SOLGEMAC

El coordinador del Programa SOLGEMAC es el Dr. Manuel Romero Álvarez, Director Adjunto de la Fundación IMDEA Energía (Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Energía), involucrando a un consorcio formado por 6 grupos de investigación pertenecientes a diversos organismos: IMDEA-Energía, URJC, CIEMAT, UAM e INTA y dos empresas colaboradoras: TORRESOL Energy Investment y Hynergreen Technologies.