Solar Termoeléctrica de receptor central (RC), lento pero prometedor despliegue comercial

Autor: [Félix Téllez Sufrategui-SSC-CIEMAT]

Los sistemas de receptor central, después de la fase de escalado y demostración del concepto, se encuentran hoy en día en su primera etapa de explotación comercial, con las dos primeras plantas operando en España desde 2007-2009. Aunque esta opción tecnológica es actualmente menos elegida para su implementación dentro del RD 661/2007 español que la de Canales Parabólicos (CP), con solo una planta en construcción, los proyectos internacionales (principalmente en EE.UU.) en contratación si equiparan ambas tecnologías (con alrededor de 5.5 Gwe en proyectos de CP y unos 3.5 en proyectos de RC). La razón principal es la mayor percepción de riesgo tecnológico asociada a la menor experiencia comercial de los RC frente a los CP. Este aspecto se compensa con el mayor potencial de reducción de costes y la mayor eficiencia global de planta de RC frente a CP.

 El ensayo de más de 10 pequeñas instalaciones experimentales de este tipo (0,5‑10 MW), principalmente en los años 80 del pasado siglo, sirvió para demostrar la viabilidad técnica del concepto y su capacidad para operar con grandes sistemas de almacenamiento térmico.

Los distintos proyectos de desarrollo tecnológico que han tenido lugar desde entonces han permitido mejorar progresivamente componentes y procedimientos, y con ellos el rendimiento de la conversión de energía solar a eléctrica. Esto ha permitido la reciente puesta en marcha de las primeras plantas comerciales conectadas a red, competitivas en las condiciones del mercado energético actual, así como la construcción y próxima explotación de nuevas plantas principalmente en España y Estados Unidos.

1.1. PROYECTOS EXPERIMENTALES

A finales de los años 70 y principio de los 80 tuvo lugar la construcción de un total de ocho centrales solares de torre distribuidas en distintos países, con potencias en el rango de 0,5 a 10 MWe y cuyo fin primordial fue la experimentación. Estas plantas fueron ensayadas a comienzos de los años 80 (Tabla 1). Cinco de ellas utilizaban sistemas agua/vapor, dos sales fundidas, y una utilizaba sodio. Si bien dichas centrales demostraron la viabilidad del proceso para la producción de electricidad, se trataba de plantas pequeñas, los rendimientos obtenidos en todos los casos estuvieron por debajo de las expectativas de diseño y los costes fueron superiores al umbral de comercialidad. De estas centrales, la planta Solar One ha sido la única que consiguió completar campañas anuales de producción con resultados fiables aunque inferiores a los esperados.

Tras la finalización de los primeros proyectos de ensayo entre 1986 y 1988, varias de estas plantas fueron desmanteladas mientras que otras permanecen todavía activas como centros de experimentación, siendo las instalaciones de la Plataforma Solar de Almería las que más actividad han desarrollado desde entonces.

A mediados de los 90, y después de un periodo de más de 10 años sin que entrase en funcionamiento ninguna nueva planta experimental, comenzó a operar la planta Solar Two sobre el mismo campo de helióstatos y torre de Solar One, hasta que fue paralizada en 1999.

A partir del año 2000, coincidiendo con el renovado interés por las tecnologías de generación  eléctrica mediante energías renovables, se han puesto en marcha numerosas plantas en varios países distintos. De ellas, hay cuatro de que son instalaciones experimentales pertenecientes a centros de investigación (Weizmann, Jülich, CSIRO y Dahan). El resto son o bien plantas comerciales o bien plantas de demostración que sirven como paso previo a la instalación de centrales comerciales a mayor escala.

En la Tabla 1 se presenta el listado de todas las centrales de torre que han existido hasta la fecha a nivel experimental, para posteriormente detallar en profundidad cada uno de estos proyectos. 

1.2. PROYECTOS COMERCIALES O PRECOMERCIALES

La experiencia acumulada en los distintos proyectos de desarrollo tecnológico que han tenido lugar en los últimos años, junto con los sistemas de incentivos y otras medidas de fomentos de las energías renovables en los mercados eléctricos internacionales, ha permitido que por primera vez en la historia se plantee la construcción de las plantas comerciales de receptor central. En la Tabla 2 se enumeran los proyectos de centrales de torre comerciales o precomerciales que existen en la actualidad en el mundo, tanto en operación como en construcción.

Tabla 2. Centrales de torre operativas, en construcción y en proyecto en España.

1.2.1.   PS10 y PS20

La PS10 es la primera planta solar térmica de torre a escala mundial que produce electricidad de una forma estable y comercial. La empresa Solúcar del Grupo Abengoa es la promotora y propietaria de esta central que se encuentra operativa desde Marzo del 2007, en Sanlúcar la Mayor, Sevilla.

Es destacable la eficiencia total anual esperada de la central, cuyo cálculo aproximado resulta en un 16,30%.

La central solar PS10, tiene un sistema de almacenamiento de 30 minutos y está preparada para quemar entre un 12% y un 15% de gas natural bajo condiciones de baja irradiación. Solúcar ha estimado una capacidad de generación anual de 24,3 GWh.

Los primeros meses desde la conexión a red de la planta sirvieron para adquirir experiencia en su operación y solventar algunos problemas técnicos. Los datos monitorizados a partir de Julio de 2007 confirman el correcto funcionamiento de la planta, aunque por debajo de las previsiones. Ya en 2008 la generación eléctrica se adaptó con mayor precisión a las estimaciones, al menos hasta la fecha de la que se tiene constancia (Figura 2).

1.2.1.1.      PS20

La central PS20, tras su entrada en servicio en periodo de pruebas desde abril de 2009 fue oficialmente inaugurada en septiembre de 2009, convirtiéndose así en la segunda central de torre comercial operativa en el mundo.

La PS20 tiene un funcionamiento similar a la PS10, pero con casi el doble de potencia, 20 MW, por lo que es actualmente la planta de receptor central con mayor potencia nominal del mundo. El campo de helióstatos cuenta con 1.255 unidades de 120 m2, con una ocupación de terreno de 95 Ha. La torre tiene una altura de 160 metros.

Respecto a PS10, se han introducido varias mejoras. Entre las más importante, se ha mejorado la eficiencia del receptor y se han reducido los autoconsumos.

1.2.1.2.    Gemasolar

La planta Gemasolar, antes denominada Solar Tres, de 17 MW de potencia nominal eléctrica, será a su finalización la primera central de receptor central de sales fundidas comercial en el mundo. Después de la experiencia de Solar Two, la tecnología de sales fundidas se posicionó como la mejor desarrollada dentro de la tecnología de torre, aunque en la actualidad, tras los proyectos PS10 y PS20, la tecnología agua-vapor está más demostrada a nivel comercial.

Para el desarrollo de la planta se fundó la empresa Torresol propiedad al 60% de SENER y 40% de Masdar. La ingeniería vasca tiene una amplia experiencia en proyectos termosolares, tanto en el diseño de componentes (helióstatos, captadores cilindro-parabólicos, sistemas de almacenamiento) como en la modelización y simulación de centrales termosolares. En el proyecto Gemasolar, SENER se encarga del diseño básico de la planta y la mayor parte de sus elementos. Parte de la financiación de la planta proviene de los fondos FP5 de la Unión Europea. Por su parte, Masdar (the Abu Dhabi Future Energy Company) es una compañía establecida en 2006 y situada en la ciudad de Masdar (Abu Dhabi), dedicada al desarrollo, comercialización y despliegue de soluciones en energía renovables y tecnologías limpias.

El concepto tecnológico esta basado en las experiencias de Solar One y Solar Two, aunque escala el proyecto a un nivel superior, en concreto, el tamaño del campo de helióstatos es aproximadamente tres veces mayor. La turbina es tan sólo un poco más grande que la de la planta Solar Two, pero el mayor campo de helióstatos y el sistema de almacenamiento térmico, permitirá a la planta funcionar 24h al día en verano y alcanzar un factor de capacidad anual del 65%.

Se espera que la planta Gemasolar entre en funcionamiento en el tercer trimestre de 2011. El estado de la construcción en Noviembre de 2009 presentaba el aspecto que se puede ver en las imágenes de la Figura 4.

1.2.1.3.   Otros proyectos

Además de las tres plantas comerciales construidas en España, y los dos proyectos de demostración precomerciales, de Israel y EEUU, existen otros proyectos de centrales de receptor central en diferente nivel de desarrollo.

En el caso de EEUU, se está apostando fuerte por la energía solar termoeléctrica, con una aparente estrategia de apostar por tecnolog´ñias de mayor riesgo (menores precedentes comerciales o curvas de aprendizaje menos desarrolladas), pero con mayores potencialidades a medio plazo (en prestaciones tecnico-económicas). Así de un total de unos 10 Gigavatios en proyectos Solares termoeléctricos, unos 5.6 eran cde Canales parabólicos, 3,5 de Receptor Central y 1,7 de Disco-stirling. Dos promotores acaparan casi todos los proyectos de Receptor Central en EE.UU.: eSolar y de Brightsource ambos han elegido agua-vapor sobrecalentado como fluido caloportador, pero con diferente paradigma de diseño. Así, mientras Brigthsource ha optado por ir a mayores escalas (de planta) con una o muy pocas torres en el diseño del campo solar, eSolar ha optado por la modularidad como paradigma de diseño.

En el caso de eSolar, recientemente ha anunciado varios PPAs (power purchase agreements) y el inicio de los proyectos para desarrollar y construir varias plantas comerciales en colaboración con NRG Energy (500 MW  en el suroeste de EEUU). El primer proyecto conjunto será una instalación de 92 MW (compuesta de dos plantas gemelas de 46 MW) situada en Santa Teresa (Nuevo Mexico) y cuya producción será adquirida por El Paso Electric según el correspondiente PPA. El inicio de la construcción está previsto para mediados de 2010. Más adelante se desarrollarán 245 MW en California según el acuerdo con Southern California Edison y otros 92 MW adicionales en el marco del PPA con Pacific Gas & Electric (PG&E).

Por su parte, BrightSource está actualemente desarrollando su primer proyecto comercial: el Ivanpah Solar Power Complex en el desierto de Mojave (California). El complejo estará formado por tres plantas separadas que sumarán un total de 400 MW y proveerán de electricidad a PG&E and Southern California Edison. La construcción comenzará el segundo semestre de este año 2010, después de la revisión de todos los permisos por la California Energy Commission y el Department of Interior’s Bureau of Land Management. Está previsto que la primera planta se conecte a la red a mediados de 2010.

Otra empresa estadounidense que tiene previsto construir centrales de torre a corto plazo es Solar Reserve. El tipo de planta que promueve Solar Reserve tiene una configuración basada en la experiencia de Solar Two, con sales fundidas como fluido de trabajo. La temperatura de operación de las plantas será alrededor de 537ºC y dispondrán de sistemas de almacenamiento térmico. Por el momento, Solar Reserve ha firmado PPAs con las compañías eléctricas NV Energy y PG&E.