¿Resistirá un receptor solar los 25 años de vida útil de una planta termosolar?

Autor: [Jesús Fernández Reche-CIEMAT]

Las plantas solares termoeléctricas de receptor central comienzan a implantarse poco a poco en el mercado español: a las dos plantas de vapor saturado, PS10 y PS20, promovidas por ABENGOA; hay que añadir GEMASOLAR, refrigerada con sales fundidas y que, promovida por TORRESOL ENERGY, tiene previsto comenzar su operación en el primer trimestre de 2011; y algunos proyectos de SOLAR RESERVE que se encuentran en fase administrativa.

Uno de los principales retos de la tecnología de receptor central es el de reducir el riesgo asociado a la durabilidad de uno de sus componentes principales: el receptor solar. Estos componentes son los encargados de absorber la radiación solar concentrada por el campo de heliostatos y transferir la energía térmica al fluido caloportador (vapor saturado/sobrecalentado, sales fundidas, aire,…). Dependiendo del fluido de trabajo mencionado, el flujo solar incidente en el receptor puede alcanzar picos de hasta 1,5 MW/m2 y, al mismo tiempo, soportar temperaturas de entre 300 y 1200OC.

A este hecho hay que añadir que estos receptores se encuentran sometidos, como mínimo, a ciclos diarios de calentamiento y enfriamiento:

  • en la mañana el receptor se calienta desde temperatura ambiente hasta la temperatura nominal de operación.
  • a la tarde, el receptor vuelve a enfriarse hasta temperatura ambiente.

Remarcamos “como mínimo”, ya que a este ciclo más o menos controlado de arranque y parada diario del sistema, hay que añadir los posibles enfriamientos y calentamientos bruscos que puede sufrir debido a la caída de la radiación solar incidente durante la operación del receptor por posible paso de nubes, problemas con el campo de heliostatos, etc. Estos ciclos incontrolados pueden llegar a suponer enfriamientos y calentamientos de hasta 300-350OC/min.

Además, alguno fluidos caloportadores, como por ejemplo las sales fundidas, pueden presentar  corrosión en algunos materiales.

Por todo esto, se hace necesaria una adecuada elección (comportamiento/optimización de coste) de los materiales de los que va a estar fabricado el receptor y, especialmente, de la durabilidad de estos materiales bajo condiciones reales de operación. Teniendo siempre presente que el ciclo de vida del receptor, y de la planta en su conjunto, ronda los 20-25 años.

Como resulta evidente, no se puede esperar 25 años para analizar el comportamiento de estos materiales durante su ciclo de vida, por lo que existe un consenso entre la comunidad internacional para el desarrollo de metodologías para el ciclado térmico y el envejecimiento acelerado de materiales, de las que se pueda inferir el ciclo de vida útil y la degradación de las propiedades ópticas y térmicas, no solo del material, sino de los recubrimientos selectivos o tratamientos superficiales del mismo.

El punto de partida de estas metodologías de envejecimiento acelerado pasa por comprender el fenómeno físico relacionado con la degradación y la rotura de los materiales sometidos a radiación solar concentrada junto con altas temperaturas de operación.

Por todo esto, en la Plataforma Solar de Almería y con el apoyo económico, entre otros, de los proyectos SOLGEMAC (Comunidad de Madrid) y SFERA (Unión Europea-VII programa marco), se está poniendo a punto una plataforma de ensayos para ciclado térmico de materiales a alta frecuencia y envejecimiento acelerado. Esta infraestructura consta de cuatro discos parabólicos equipados con sistemas para realizar ciclos de calentamiento-enfriamiento de probetas de materiales bajo radiación solar concentrada. Además, se dispone de un laboratorio equipado con un pequeño simulador solar, hornos mufla y de muy alta temperatura. Por último el laboratorio metalográfico de la PSA se emplea para el análisis de las muestras.

El objetivo final consiste, en un primer paso, establecer metodologías de envejecimiento acelerado de materiales que nos permitan inducir a partir de ellas la vida útil de los mismos para, en un segundo paso, poder ofrecer soporte a las empresas promotoras de centrales solares termoeléctricas, las cuales comienzan a demandar estudios de vida útil de componentes, entre ellos receptores; y de diseño de estos componentes que maximicen su vida útil minimizando los problemas asociados a los ciclos que sufren los mismos.  

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