Centrales termosolares híbridas de Ciclo Combinado

La mayoría de las formas de producción de energía que se utilizan actualmente no son sostenibles, ya sea porque agotan los recursos del planeta o porque afectan al clima. Estas consecuencias, que resultan inaceptables, se agudizarán con el aumento general de la demanda de energía. Por esta razón, necesitamos formas más eficientes y limpias de dar respuesta a estas necesidades energéticas. Es vital, avanzar en los proyectos de investigación y desarrollo que versen sobre las tecnologías emergentes  que se necesitan para lograr estos objetivos. La solar es una de las energías más infrautilizadas, aunque presenta un gran número de opciones tecnológicas con desarrollos que hay que potenciar como el de la energía solar termoeléctrica de concentración y sus posibilidades de hibridación con Ciclos Combinados.

[Carmen García Gonzalo-INTA]

La mayoría de las formas de producción de energía que se utilizan actualmente no son sostenibles, ya sea porque agotan los recursos del planeta o porque afectan al clima. Estas consecuencias, que resultan inaceptables, se agudizarán con el aumento general de la demanda de energía. Por esta razón, necesitamos formas más eficientes y limpias de dar respuesta a estas necesidades energéticas. Es vital, avanzar en los proyectos de investigación y desarrollo que versen sobre las tecnologías emergentes  que se necesitan para lograr estos objetivos. La solar es una de las energías más infrautilizadas, aunque presenta un gran número de opciones tecnológicas con desarrollos que hay que potenciar como el de la energía solar termoeléctrica de concentración y sus posibilidades de hibridación con Ciclos Combinados.

Las Centrales Solares Termoeléctricas o también llamadas Centrales Termosolares, producen electricidad de forma bastante similar a las centrales convencionales. La diferencia es que obtienen su energía, concentrando la radiación solar y convirtiéndola en vapor o gas a alta temperatura para accionar una turbina o un motor. Así, estos sistemas de energía solar térmica de concentración producen calor o electricidad mediante el uso de cientos de espejos de gran tamaño que concentran la luz solar en una línea o en un punto a unas temperaturas que oscilan entre 400 y 1.000º C. Existe una gran variedad de formas de espejos, métodos de seguimiento solar y de generar energía útil (torres, cilindro-parabólicas, Fresnel, disco parabólico), pero todos ellos funcionan bajo el mismo principio que es el calentamiento de un fluido que al evaporarse hace moverse a una turbina de vapor o de gas o un motor Stirling. En la actualidad, una central de energía solar térmica de concentración tiene una potencia entre 50 y 280 MW.

Las plantas solares termoeléctricas se están percibiendo en muchos países del mundo como una alternativa real para la generación eléctrica a medio plazo. Según estimaciones de la Asociación Europea de la Energía Solar Termoeléctrica (ESTELA), la capacidad instalada en Europa de las plantas solares termoeléctricas va a crecer rápidamente alcanzando más de 62.000 MW en el año 2030.

A continuación, se muestra un gráfico en el que se representan estas estimaciones sobre la capacidad de instalación de plantas solares termoeléctricas en Europa. (Fuente: ESTELA)

España ha logrado apuntarse como un referente en la materia, pues hoy es líder mundial en energía termosolar, generando una potencia instalada de 432 megavatios (MW). Los planes del Gobierno (Plan de Acción Nacional de Energías Renovables de España: Paner) prevén que para el año 2020 haya en España 5.100 MW termosolares operativos.

Pese a haber limitado el número de instalaciones previstas y restringido las primas que recibirán las fuentes de energía renovable, el sector  prevé que España disponga de 60 plantas termosolares en el año 2013.

La utilización combinada de la energía solar térmica de alta-media temperatura y un combustible fósil o renovable como la biomasa, forma parte de las posibles alternativas de obtención de energía eléctrica de forma más eficiente y con menores consecuencias medioambientales, considerando un futuro a medio-largo plazo. Esta hibridación aporta una serie de ventajas para la instalación solar, como son: una mayor gestionabilidad de la energía, adaptación de la generación a la demanda de electricidad, estabilidad de la producción en los transitorios, apoyo en arranques y mayor utilización de los equipos de generación eléctrica.

El grado de hibridación puede ser muy variable: desde plantas que sólo recurren al combustible fósil para eliminar o reducir al mínimo imprescindible el almacenamiento térmico y cuya función principal es absorber los transitorios producidos por variaciones más o menos bruscas de la radiación solar y garantizar la producción, hasta ciclos combinados convencionales apoyados por energía solar, en los que el aporte de esta última fuente energética está entre el 10 % y el 20 % de la producción.

Las plantas mixtas solar termoeléctrica–biomasa constituyen una excelente oportunidad para mejorar la despachabilidad de la generación solar sin perder su carácter totalmente renovable. Este tipo de plantas híbridas es para muchos expertos la opción más renovable y sostenible que puede presentar la termosolar.

El rendimiento global de una central termosolar de generación de electricidad está en el rango del 16-20%. Los fluidos y ciclos termodinámicos escogidos en las configuraciones experimentales que se han ensayado, así como los motores que implican, son variados, y van desde el ciclo Rankine (centrales nucleares, térmicas de carbón) hasta el ciclo Brayton (centrales de gas natural) pasando por muchas otras variedades como el motor de Stirling, siendo las más utilizadas las que combinan la energía termosolar con el gas natural.

La tecnología de la hibridación de las Centrales Solares Termoeléctricas es un desarrollo relativamente nuevo que ha evolucionado desde sólo cinco o seis proyectos hace un par de años hasta cerca de 15 en todo el mundo, en la actualidad. El concepto de hibridación se basa en el empleo de la radiación solar incidente sobre la superficie terrestre para el calentamiento de un fluido que se hace pasar posteriormente por una etapa de turbina. Tras la etapa compuesta por los equipos propiamente solares, concentrador óptico y receptor solar, este esquema tiene muchas similitudes con las tecnologías termoeléctricas convencionales basadas en la conversión mecánica del calor, y posteriormente la generación eléctrica, en un alternador a partir de un movimiento mecánico rotativo.

En concreto, la idea es combinar los beneficios medioambientales de la energía solar con las ventajas operativas de una planta “convencional” de ciclo combinado con turbina de vapor y turbina de gas. Básicamente, se beneficia de una infraestructura existente en una central de energía térmica convencional, que incluye la conexión de las líneas de transmisión energética a la red de suministro. Esto hace que la hibridación sea rentable y también proporciona un camino hacia la generación de energía convencional menos contaminante.

Existen diferentes posibilidades de configuración en modo hibridación ya sea con turbinas de vapor, turbinas de gas, con motor Stirling, Ciclos Combinados, etc. Así, una planta convencional de ciclo combinado, está formada por una turbina de gas, un recuperador de calor y una turbina de vapor. En el caso de una planta híbrida de ciclo combinado-solar, el funcionamiento, es semejante al de una planta de ciclo combinado convencional, el combustible  se quema normalmente en la cámara de combustión de la turbina de gas. A los gases de escape que se dirigen al recuperador de calor, se les añade el calor proveniente del campo solar, dando lugar a un aumento en la capacidad de generación de vapor con el consiguiente ahorro de combustible y una disminución de las emisiones, así como, a una reducción de costes de operación y de costes globales de la electricidad solar térmica. Gracias a esta combinación se aúnan las ventajas de las térmicas de combustibles de poder producir energía de forma constante y de las térmicas solares, coste del combustible cero.

A modo de ejemplo, el siguiente esquema es representativo de una planta termosolar de receptor central de torre con receptor volumétrico presurizado integrado con un ciclo combinado de turbina de gas y un ciclo de turbina de vapor.

En el siguiente esquema, se muestra una Central Termosolar con tecnología de colectores cilindro-parabólicos: (Fuente: Proyecto ISCC Hassi R’Mel)