Partículas como fluido caloportador almacenable en sistemas solares de receptor central

En los últimos años, la generación de electricidad a través de fuentes renovables ha experimentado un crecimiento impresionante en España. Las tecnologías punteras son la eólica, seguida de la fotovoltaica y los solares de concentración, éstos últimos dominados por los Canales Parabólicos. La tecnología de plantas de receptor central, a pesar de su buen potencial, todavía se ha instalado muy poco. Esto es debido principalmente a la falta de experiencia de operación de larga duración y con plantas de gran tamaño, algo que en el caso de los Canales Parabólicos se ha conseguido en EEUU en los años 80 y 90 con las plantas SEGS en California. Hasta la fecha, sólo dos plantas (PS10 y PS20) están en operación y una planta (Gemasolar) está en construcción.

 [Autor: Thorsten Denk, PSA-Ciemat]

 Los sistemas de receptor central utilizan una gran cantidad de espejos, denominados helióstatos, para concentrar la radiación procedente del sol al extremo de una torre, donde se encuentra el componente clave del sistema, el receptor. La tarea del receptor es traspasar la energía de la radiación solar a un fluido caloportador. Ese fluido caloportador luego se utiliza para generar vapor, que a su vez acciona a una turbina acoplada a un alternador. Es la característica principal para clasificar a un sistema de receptor central. Destacan como los más usados el agua/vapor, el aire atmosférico, el aire de presión y las sales fundidas. Las dos plantas operativas en la actualidad (PS10 y PS20) utilizan ambas agua/vapor saturado como fluido caloportador.

 La crítica más importante que reciben las centrales eléctricas de energías renovables, aparte del elevado coste, es la producción fluctuante con alta dependencia de las condiciones meteorológicas. Eso es valido en particular para las eólicas y la fotovoltaica, donde no existen opciones para incluir a un sistema inherente de almacenamiento de energía. Los sistemas solares de concentración tienen en este punto sus ventajas, más o menos notables en función del fluido caloportador que utilizan. El aceite que calientan los Canales Parabólicos en principio se deja almacenar fácilmente y a gran cantidad, sin embargo su elevado coste y el riesgo de fuego descartan esta opción. En su lugar, hoy en día se utilizan sistemas secundarios de sales fundidas para esta tarea. Las plantas PS10 y PS20 de vapor saturado tienen tanques de presión para almacenar este vapor, pero está claro que es un concepto que sólo es aplicable a bajas potencias y para poco tiempo de almacenamiento. Lo mismo vale para posibles plantas futuras de Canales Parabólicos con generación directa de vapor. Las plantas con receptor de aire atmosférico tienen ya ciertas ventajas, porque a través del aire se pueden cargar y descargar tanques grandes de sólidos baratos, como bolitas de cerámica o placas de hormigón. Con esta tecnología, un sistema de almacenamiento para varias horas es posible.

 Pero sin duda el mayor potencial bajo el aspecto de almacenamiento de la energía solar lo tiene actualmente la tecnología de los receptores de sales fundidas. En estas plantas, se utiliza como fluido caloportador una mezcla de sales de nitratos, ajustada de tal manera que sus propiedades sean optimizadas para el uso en una planta solar. En principio es posible desacoplar del todo la producción de energía en la torre solar de la producción de electricidad. Mientras que hay sol, se carga un tanque enorme con sales fundidas calientes, y cuando hay demanda de electricidad, se descarga este tanque para generarla. Es la tecnología que se aplicará en la planta Gemasolar en Sevilla, y será interesante ver a una planta solar operando 24 horas al día. Hay que mencionar que en las plantas de sales de torre se aprovecha mucho mejor la capacidad térmica de las sales que en los sistemas que actualmente se añaden a las plantas de Canales Parabólicos, porque se puede aprovechar el rango entero de 300°C que es posible, mientras que los CP sólo pueden utilizar alrededor de 100°C.

 Sin embargo, también los sistemas de sales fundidas tienen que enfrentarse a varios problemas. Uno de ellos es el peligro de congelación de las sales en la tubería, que requiere para ser evitado un traceado eléctrico en toda la tubería, que aumenta de manera significante el consumo parasítico de la central y que limita la longitud de los conductos. Otro posible problema del futuro es, si muchas empresas optan por esta tecnología, que hay que temer una subida importante del precio de las sales.

 Ya desde hace varias décadas existe otra propuesta para el medio caloportador, el uso de partículas sólidas. La idea original a menudo se encuentra bajo la denominación “absorción directa”, porque la ventaja principal, como se pensaba en su día, es que no hace falta ningún dispositivo absorbedor, sino que el fluido mismo actúa como tal. Así se evitan problemas de picos de temperatura y se esperan mejoras en la eficiencia de absorción. Sin embargo, hasta hoy no había mucho trabajo en este campo, posiblemente porque el manejo de las partículas en un receptor solar no es una cosa sencilla.

 Pero considerando partículas como medio caloportador bajo el punto de vista de almacenamiento de calor, se vuelven de nuevo bastante atractivos. Las ventajas pueden ser enormes: Permiten un muy alto rango de temperatura de operación, que puede ser de ambiental hasta 1000°C e incluso más, no hay peligro de congelación, no son ni venenosos ni explosivos ni constituyen otro peligro para el medio ambiente, y finalmente están disponibles en gran cantidad a precio bajo. Tampoco presentan límites con respecto al tamaño de una planta, porque se dejan fácilmente integrar en un sistema multi-torre que consiste en varios campos de helióstatos, cada uno con su torre y su receptor, pero un único sistema centralizado de almacenamiento y generación de electricidad. El transporte de las partículas, tanto calientes como frías, puede ser mediante un sistema mecánico con contenedores aislados, como ascensores en las torres y ferrocarriles en el suelo.

 

Izq.: Cortina de partículas. Dcha.: Ejemplo de partículas inertes.

 El reto principal es el diseño del mismo receptor de partículas. El concepto más común es el de la cortina de partículas abierta al ambiente, donde caen las partículas como una catarata a través del foco del campo de helióstatos sin utilización de una ventana. Los problemas son la geometría de la irradiación (que no puede ser perpendicular a la cortina de partículas), la estabilidad de la cortina (por aceleración de las partículas a lo largo de su caída), la influencia del viento, y la operación a carga parcial. En general se puede decir que hace falta un sistema de recirculación para adaptar el caudal y las temperaturas de las partículas a la oferta de radiación solar.

 Además existen también conceptos más avanzados y complejos, que como característica común utilizan una ventana de cuarzo para aislar el interior del receptor del entorno, y que son interesantes sobre todo para aplicaciones de química solar. A parte del concepto de la cortina de partículas, se puede pensar en cualquier otro concepto conocido de la tecnología de reactores químicos, como por ejemplo los lechos fluidizados o los con flujo arrastrado. La ventana ofrece la ventaja de que se puede operar prácticamente con cualquier sustancia, tanto sólidos como gases, e incluso a presiones distintas de la ambiental No obstante tiene la desventaja, además de la elevada complejidad y costes, de que siempre está en peligro de ensuciarse, algo que requiere medidas constructivas especiales. Otras ventajas del uso de partículas en reactores solar químicos, comparado por ejemplo con conceptos con absorbedor fijo, son la potencialmente gran superficie de las partículas y la asociada buena cinética de las reacciones, así como la posibilidad de sustituirlas fácilmente cuando sus propiedades se empiezan a degradar, algo que tiene mucha importancia sobre todo en aplicaciones como catalizador para la producción de hidrógeno solar.

 Hasta la fecha todavía no existe ninguna planta solar comercial que utilice partículas como medio caloportador, ni hay planes para eso. Pero si con el futuro crecimiento del mercado de la energía solar el tema del almacenamiento fiable y previsible se hace cada vez más urgente, es muy posible que esta tecnología vuelva a emerger.

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Comentarios

¿De que material estarían formadas estas partículas caloportadoras? ¿Seria fácil mantener estas partículas a temperaturas tan altas (>1000ºC) sin que se fusionen y se adhieran unas a otras?

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