Hornos solares: usos y aplicaciones en I+D en España

En la sociedad actual, las instalaciones comerciales de energía solar termoeléctrica están surgiendo con fuerza; sin embargo, hay otras instalaciones solares de concentración no comerciales apenas conocidas en las que se hace uso de la radiación solar concentrada para aplicaciones distintas a la producción de electricidad.

[Inmaculada Cañadas Martínez – Plataforma Solar de Almería - CIEMAT]

Para los conocedores de las renovables y de la energía solar concentrada en particular, e incluso para los expertos en tratamientos de materiales, los hornos solares son instalaciones conocidas. Para los neófitos, intentamos presentarlas.

Los hornos solares son instalaciones de energía solar concentrada que no están destinadas a la producción de electricidad como estamos acostumbrados, sino que tienen como principales aplicaciones la investigación en tratamiento de materiales y la síntesis de productos químicos. Debido a su diseño, son concentradores de foto puntual de elevada calidad óptica, son las instalaciones solares de concentración donde se consiguen los niveles más altos de concentración solar,  y por tanto, sus aplicaciones suelen estar enfocadas a procesos de alta temperatura o en ocasiones, a aquellos que reacciones que necesiten hacer uso del espectro solar altamente concentrado, como reacciones fotolíticas.

Los hornos solares son instalaciones singulares. Actualmente existen apenas una decena de centros a nivel internacional que poseen este tipo de instalación, entre ellos España a través de la Plataforma Solar de Almería del CIEMAT. Consta básicamente de un campo de helióstatos planos que es el encargado de seguir al sol y redirigir los fotones solares, la radiación solar, hasta un disco parabólico estático (concentrador) situado normalmente dentro de una nave que lo protege de las inclemencias meteorológicas y de factores externos que pueden provocar su deterioro o ensuciamiento, y que además permite albergar todo el equipamiento e instrumentación necesario para su operación. Este disco parabólico, recoge la radiación solar y la concentra en su foco, y es en la zona focal donde es posible investigar, concentrando el sol, las diferentes aplicaciones del uso de la radiación solar concentrada en una de las instalaciones más versátiles de los sistemas solares de concentración. Esta versatilidad de aplicaciones y de condiciones de ensayo alcanzables no sería posible sin el atenuador de flujo, que es una persiana veneciana que permite controlar en todo momento, según su apertura, el flujo en la zona focal, es decir, el aporte energético solar para los diferentes procesos. 

   

Figura 1: a) Vista exterior del Horno Solar de la Plataforma Solar de Almería. b) Vista interior del Horno Solar en operación.

Como el resto de instalaciones solares de concentración, los hornos solares concentran los fotones solares y en este caso, con elevadas densidades de flujo, por lo que podemos pensar en el Horno Solar como en un concentrador fotónico. En principio, las aplicaciones podrían ser similares a las del resto de concentradores fotónicos, como los láseres o las lámparas de arco eléctrico, con la ventaja de que trabajaríamos en el visible, zona en la que la mayoría de los materiales, sobretodo los metálicos, absorben mejor. Pero independientemente de las características de su espectro, también podemos pensar en los hornos solares como instalaciones que permite aportar la energía térmica necesaria para determinados tratamientos y procesos industriales hasta altos niveles de concentración. Es por ello, y por su versatilidad, que su campo de aplicaciones es muy variado, centrándose a nivel internacional en el campo de la química y en el tratamiento de materiales.

A nivel nacional, el uso de los hornos solares se ha centrado en los últimos años en cuatro líneas de investigación principales:

- El tratamiento de materiales, tanto superficial si hacemos uso de la radiación solar concentrada como un concentrador fotónico aplicado sobre la superficie de un material, o bien en volumen, si se diseñan y emplean prototipos o dispositivos que permitan obtener un flujo de calor aplicable de manera uniforme al tratamiento del material.

- La generación de energía térmica de alta temperatura para la industria en forma de calor de proceso solar. Así, se está investigando en estas instalaciones, a partir del diseño de prototipos de cámaras o reactores, la posibilidad de obtener la energía térmica necesaria para la industria y para procesos industriales que se desarrollan en ella, destacando principalmente los procesos que se desarrollan en los sectores industriales de altos requerimientos energéticos y que son aquellos que por lo general implican procesos de síntesis, obtención y tratamiento de materiales, residuos o productos químicos de alta temperatura.

- El almacenamiento y transporte de energía a través de la síntesis de combustibles solares como el hidrógeno mediante ciclos termoquímicos.

- El ensayo y caracterización de células fotovoltaicas de concentración, siendo el Horno Solar de la PSA la primera instalación a nivel internacional en la que se concentró mil veces la radiación solar sobre células fotovoltaicas de concentración de arseniuro de galio a través del proyecto europeo HiConPV.

Pero, ¿por qué se plantea el uso de una renovable como la energía solar de concentración y en concreto de los hornos solares en otro tipo de aplicaciones distintas de la producción de electricidad?

Además de por la importancia de la demanda de energía térmica de alta temperatura en la industria, la energía solar térmica es la energía renovable que, por sus características, están en condiciones de adquirir un parel relevante en el sector industrial, ya que permite la obtención de forma directa o mediante su transferencia a un fluido o a un material absorbedor, de la energía térmica necesaria para muchos procesos industriales. Las diferentes tecnologías de concentración de la radicación solar permiten proporcionar energía térmica a diferentes niveles de temperatura, pero son los Hornos solares, por su diseño y características, los más adecuados para demostrar la viabilidad técnica de los procesos de alta temperatura.

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Comentarios

[...] En la sociedad actual, las instalaciones comerciales de energía solar termoeléctrica están surgiendo con fuerza; sin embargo, hay otras instalaciones solares de concentración no comerciales apenas conocidas en las que se hace uso de la radiación solar concentrada para aplicaciones distintas a la producción de electricidad. Compromiso social por la ciencia Master Site Feed Posts [...]

La energia solar termica en sus variantes de baja, media y alta temperatura en nuestro país tienen que ser una alternativa real y usada de forma general por todos.

Muy bueno el articulo. Estoy elaborando apuntes para mis alumnos de 4º ESO y necesitaba hablar de estos hornos solares. Después de buscar mucho, he dado con este artículo donde con un lenguaje sencillo y claro he podido entender su funcionamiento pudiendo extraer la información necesaria posteriormente.
Un saludo

Buenas Javier, un artículo sin duda muy interesante. Me gustaría intentar hacerte una entrevista (online o en persona) sobre los hornos solares ya que en la actualidad estoy realizando un proyecto de investigación sobre dicho temario. Espero una respuesta. Muchas gracias.

Soy profesor de ESO y estoy preparando hacer una práctica que consiste en un horno solar con una caja de zapatos, y este artículo me ha venido como anillo al dedo para explicar la parte teórica, sobretodo las cuatro líneas de investigación principales. Gracias por tu trabajo.

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