¿Groucho Marx tenía razón? Plantas termosolares de menor dimensión

Él ya dijo que la felicidad estaba hecha de “pequeñas cosas”. Todos hemos visto las imágenes de los extensos y brillantes campos de espejos rodeando una gran torre que recibe sus rayos para producir electricidad. ¿Y si se pudieran hacer a menor escala de forma que generen la energía necesaria para que funcione el hospital de su ciudad o produzcan la electricidad y agua caliente para un centro comercial o para una remota aldea africana? Puede que debamos acostumbrarnos a esta otra visión más cercana de la energía solar de concentración.

 Autora: Elena Díaz-Instituto IMDEA Energía

El pasado 27 de abril se firmó por parte del Ayuntamiento de Móstoles la cesión de uso al instituto IMDEA Energía de una parcela aneja que acogerá actividades de investigación del proyecto Sun-to-Liquid (Síntesis integrada solar-termoquímica de hidrocarburos líquidos), dentro del programa marco de investigación europeo Horizonte2020. La citada parcela será el emplazamiento para la planta piloto experimental que llenará un hueco en la cadena necesaria para desarrollar las tecnologías de concentración solar del futuro (Figura 1), consistente en un campo solar de heliostatos de 250 kW y una torre donde se ubicará el receptor. Se estima que la inauguración se producirá a lo largo del próximo otoño, funcionando hasta 2019 dentro del marco del proyecto. Aunque el diseño, la construcción y la operación de esta instalación están enmarcadas en el proyecto Sun-to-Liquid con el objetivo de estudiar la producción de queroseno limpio para aviación a partir de CO₂ (producto de deshecho y parcialmente responsable del efecto invernadero) y agua, podrá ser utilizada posteriormente para otras aplicaciones dentro de las líneas de investigación de IMDEA Energía. Podrá albergar bancos de ensayos para estudiar numerosos procesos, también a alta temperatura, como ensayos de materiales, captación del calor mediante absorbedores, ciclos de almacenamiento termoquímico,  síntesis de otros combustibles o producción de electricidad a pequeña escala.

Figura 1: Ejemplo de las diferentes escalas de capacidades de las tecnologías termosolares de concentración

Existen centrales termosolares de torre para producción de electricidad que están en funcionamiento, tres de ellas en España. Sin embargo, se trata de instalaciones de gran envergadura formadas por heliostatos de gran tamaño, alrededor de los 120 m², que llegan a ocupar extensiones cercanas al kilómetro cuadrado. Las temperaturas típicas son del orden de los 600 ºC, para lo que son necesarios flujos de 600 kW/m². En cambio, la planta piloto poseerá características y requisitos de funcionamiento únicos en su género: ocupará unos 500 m² y estará constituida por 169 pequeños heliostatos de tan solo 3 m² de superficie y una torre de 15 m de altura, lo que supone un impacto visual mínimo. Este diseño específico permite obtener concentraciones de 2.500 kW/m² para alcanzar en el receptor temperaturas de operación de hasta 1.400 ºC. Estas peculiaridades permiten su posible aplicación al estudio de centrales termosolares a pequeña escala.

El concepto de estas plantas, de menor tamaño que las comerciales, surge como consecuencia de los inconvenientes  respecto a costes y tiempos de construcción que tienen las de gran escala, que son mejorados debido a la simpleza de las estructuras de los heliostatos por su menor superficie y al uso de elementos prefabricados con instalación automatizada y de fácil sustitución. También se reducen las pérdidas energéticas con una mayor eficiencia óptica, al situarse el receptor a menor distancia de los heliostatos. Por otra parte, se deben solucionar algunos obstáculos como el escalado de los generadores y turbinas o la gestión del almacenamiento energético. La misma idea de centrales de poca envergadura puede aplicarse para formar sistemas de altas capacidades modulares o para generación distribuida.

Mientras que en la zona oeste de EE.UU., en el continente africano y en Chile el número de plantas termosolares a escala comercial está creciendo, en otras zonas, con un recurso solar igualmente apropiado tales como Australia, Asia Central y Oriente Medio, son los enfoques modulares los que están abriendo el mercado termosolar. La empresa eSolar cuenta con una planta de 5MW en California (Sierra SunTower), con heliostatos de un metro cuadrado y dos torres con generación directa de vapor, que es efectiva para generar electricidad cuando hay sol disponible. No obstante, se hace demasiado costoso integrar un sistema de almacenamiento, por lo que han diseñado una segunda planta con módulos de 50MW recorridos por sales fundidas que contaría con un solo bloque central de generación. Como colaboración entre Doosan Skoda Power y la start-up de tecnología termosolar Vast Solar  se está construyendo una planta en Jemalong, Nueva Gales del Sur (Australia), que cuenta con 5 torres y un bloque de potencia, con una escala de aplicación en el rango de 20 a 50MWe. Una parte importante en ese desarrollo ha sido el diseño por parte de Doosan Skoda Power de los turbogeneradores de vapor dedicados a funcionar en un rango de 20 a 300MW. La aplicación termosolar requiere turbogrupos de menor tamaño, con alta flexibilidad operativa y aptos para funcionar en condiciones ambientales muy específicas. El diseño ha tenido que sortear, entre otros, obstáculos como:

• Los frecuentes arranques y paradas inherentes a la operación de este tipo de centrales.
• Esfuerzos térmicos locales sobre rotor, carcasa y álabes, y la falta de coincidencia térmica entre los componentes de la turbina motivados por los rápidos cambios de potencia.
• Caídas rápidas de temperatura y corrosión por la entrada de oxígeno del aire, que pueden ocurrir durante las paradas nocturnas.
• Fuerzas sísmicas adicionales, al existir gran actividad sísmica en algunas de las ubicaciones con intensidades de radiación interesantes.

Otra forma de aplicar esta misma concepción de las plantas termosolares es orientarlas hacia la generación distribuida, es decir, sistemas de pequeña escala y próximos al consumidor, aplicables a bloques de edificios, áreas residenciales, centros comerciales, hospitales, áreas de ocio, parques ecológicos… Esta distribución hace que la generación sea más equilibrada, mejorando la fiabilidad y calidad del sistema eléctrico y reduciendo la dependencia de las grandes centrales, además de suponer menores pérdidas en la red al verse disminuidas las distancias de transporte. Un punto importante de estas instalaciones es el uso de energías renovables, siendo la energía solar una de las principales fuentes, actualmente aprovechada mediante paneles fotovoltaicos. Con los campos de heliostatos de bajas capacidades se pretende introducir también el aprovechamiento de la solar térmica. Existen numerosos estudios sobre su diseño y optimización, tanto de la parte óptica como de la termodinámica. Normalmente se tiende a sistemas turbinas de gas o cogeneración con combustibles de apoyo, existiendo la posibilidad de que se usen biocarburantes, y que, además, aprovechan el calor residual para calefacción o refrigeración.

Aora Solar cuenta con una planta de 100 kW en Samar (Israel) que aporta miles de kilovatios a la red nacional israelí cada año desde 2009. En 2012 se inauguró su segunda planta en la Plataforma Solar de Almería (PSA). Además de producir electricidad, gracias a una turbina de gas híbrida de 100 kW situada en la torre, se generan 170 kW de calor residual para hacer funcionar una planta de desalinización. Estas plantas requieren menos extensión de terreno y menos agua, a la vez que generan más energía eléctrica útil y más energía térmica que otros sistemas solares. La aplicación de esta idea es especialmente interesante cuando existen núcleos rurales muy alejados, como ocurre en África, donde solo el 43% de sus habitantes tiene acceso a electricidad. Recientemente se ha firmado un acuerdo preliminar entre Aora Solar y el gobierno de Etiopía como parte del plan nacional para hacer neutral el balance de emisiones de CO₂ del país para 2025. Se trataría de una colaboración entre el gobierno etíope, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Addis Ababa, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Adama y la Universidad del estado de Arizona para construir plantas termosolares y mejorar así la calidad de vida de sus habitantes.

Figura 2: Izquierda: Diseño modular hexagonal de eSolar. Centro: Planta termosolar de Doosan Skoda y Vast Solar con 5 torres, en Jemalong, Nueva Gales del Sur (Australia). Derecha: Planta solar de Aora Solar en Tabernas, Almería

El uso de la tecnología termosolar en centrales de torre de menor escala supone diversas ventajas, pero está aún en proceso de desarrollo para poder optimizar su funcionamiento, lo cual sería uno de los posibles objetivos a futuro de las próximas infraestructuras con las que contará IMDEA Energía.

Más información:

• IMDEA Energía (28/04/2016). Cesión de uso de parcela en el Parque Tecnológico de Móstoles para instalación solar experimental de la Fundación IMDEA Energía (http://www.energia.imdea.org/).
• Qué! Móstoles (27/04/2016). Móstoles Tecnológico acogerá el nuevo instituto de IMDEA (http://www.que.es/mostoles).
• Sun-to-liquid (http://cordis.europa.eu/project/rcn/199438_en.html).
• eSolar (http://www.esolar.com/).
• Aora Solar (http://aora-solar.com/).
• Romero et al. (1999). Distributed power from solar tower systems: a MIUS approach.
• Israel21c (27/10/2015). Aora Tulip to ‘grow’ over Ethiopia for solar power. (http://es.israel21c.org/).

• Energías renovables (22/07/2014). Aora Solar prepara ya la quinta generación de su receptor termosolar (http://www.energias-renovables.com/).