La Generación Directa de Vapor: ventajas e inconvenientes

[Autor: Eduardo Zarza-PSA-CIEMAT]

El gran desarrollo comercial que ha alcanzado la tecnología de captadores cilindroparabólicos se debe en gran medida a la empresa LUZ Industries y a las nueve centrales termosolares  SEGS (Solar Electric Generating Systems) que construyó entre los años 1984 y 1990, con una potencia total de 354,3 MWe, en el Estado de California (EEUU) [1]. Gracias a la existencia de las plantas SEGS, los inversores fueron menos reacios a participar en proyectos de centrales termosolares con esta tecnología cuando en España el RD661/2007 implantó un marco retributivo que convertía las centrales termosolares en proyectos rentables. Poder ver en funcionamiento las plantas SEGS era sin duda una prueba de fiabilidad tecnológica que pesó mucho en los inversores a la hora de decidir participar en proyectos de este tipo. En cambio, la no existencia de centrales termosolares comerciales con tecnología de receptor central, supuso para los inversores un obstáculo importante a la hora de comprometer su dinero en proyectos de centrales termosolares con esa tecnología. Este es básicamente el motivo principal por el que en España, y a nivel mundial, el número de centrales termosolares con captadores cilindroparabólicos es significativamente superior al de centrales con tecnología de receptor central. En España, de un total de 50 centrales termosolares, 45 son de captadores cilindroparabólicos, mientras que solo 3 son de receptor central. No obstante, se empieza a apreciar un cambio de tendencia tecnológica en los nuevos proyectos, siendo mayor el número de los que se basan en tecnología de receptor central.

Tanto por la presión que supone el creciente auge de la tecnología de receptor central, como por la necesidad global de las centrales termosolares de lograr una importante reducción de costes, el principal reto de la tecnología de captadores cilindroparabólicos actualmente es lograr una gran reducción de costes. Ya en el año 1988, la empresa LUZ tuvo clara la necesidad de dar un gran paso tecnológico en relación con los captadores cilindroparabólicos, y lanzo un ambicioso programa de I+D bajo las siglas ATS (Advanced Trough System) que tenía como objetivo principal sustituir el aceite térmico que se usa como fluido de trabajo en el campo solar de las centrales con captadores cilindroparabólicos, por la generación directa de vapor (GDV) en los propios captadores solares. Por desgracia, la desaparición de LUZ en el año 1991 interrumpió sus planes de mejora tecnológica [2].

Teniendo en cuenta las ventajas que conlleva la sustitución del aceite térmico (conocida internacionalmente mediante las siglas HTF, Heat Transfer Fluid) por la tecnología GDV, durante la última década del siglo XX y la primera del siglo XXI se desarrollaron diversos proyectos relacionados con la tecnología GDV (proyectos: HIPRESS, GUDE, DISS, DISTOR, REALDISS, etc..), los cuales fueron promovidos por diversas entidades europeas, como CIEMAT, DLR, SIEMENS, ZSW, …. Todos estos proyectos han permitido adquirir un mejor conocimiento de la tecnología GDV, y poder sopesar mejor sus ventajas e inconvenientes cuando se compara con la tecnología HTF. El proyecto DISS [3], promovido por el CIEMAT español y el DLR alemán, con el apoyo financiero de la Comisión Europea y con la participación de un buen número de entidades europeas, fue probablemente el más importante de todos esos proyectos, y se desarrolló entre los años 1996 y 2001.

Todos los proyectos llevados a cabo en relación con la tecnología GDV con captadores cilindroparabólicos han permitido corroborar que las principales ventajas e inconvenientes cuando se compara esta tecnología con la tecnología HTF son las siguientes:

Ventajas:

• Menor riesgo medioambiental en caso de fugas en el campo solar
• Posibilidad de conseguir mayores eficiencias globales en la central al aumentar la temperatura del vapor sobrecalentado enviado al bloque de potencia, y
• Menor coste de inversión

Inconvenientes:

• Necesidad de tuberías y elementos más robustos para el campo solar, pues deben soportar mayores presiones
• Requiere sistemas de control más complejos, debido al flujo bifásico existente en los tubos receptores
• Peligro de altos gradientes de temperatura en los tubos receptores cuando se produce la estratificación de la fase líquida del flujo bifásico que circula por el interior de dichos tubos
• No puede utilizar sistemas de almacenamiento térmico en calor sensible, ya que necesita almacenamiento de energía térmica mediante cambio de fase

 Vista del Campo solar de la planta experimental DISS instalada en la Plataforma Solar de Almería

Cuando se analizan en profundidad estas ventajas e inconvenientes, se llega a la conclusión que la tecnología GDV puede lograr un 10% de reducción del coste de la electricidad producida en plantas de captadores cilindroparabólicos [4]. Pero para ello es necesario desarrollar un sistema de almacenamiento térmico mediante cambio de fase cuyo coste de inversión no sea superior a los 50€/kWh de capacidad

El reto de conseguir un sistema de almacenamiento térmico de gran capacidad mediante cambio de fase con un coste igual o inferior a los 50€/kWh de capacidad es realmente importante, y hoy en día aún no se sabe a ciencia cierta cómo conseguirlo. Es por este motivo que hay muchos centros de I+D trabajando actualmente en este reto, pues de su consecución depende en gran medida el futuro comercial de grandes centrales termosolares con GDV. El reto del almacenamiento térmico mediante cambio de fase es mucho menor cuando se trata de sistemas de pequeña y mediana capacidad (del orden de varios MWh), y de hecho ya se han probado con éxito varios prototipos que han llegado hasta 1 MWh de capacidad [5]. 

Las grandes ventajas que conlleva la Generación Directa de Vapor frente a la tecnología HTF, junto con el hecho que resultan mucho más factibles los sistemas de almacenamiento térmico mediante cambio de fase para pequeña y mediana capacidad, hace pensar que esta tecnología tiene un prometedor futuro dentro del mercado de las Aplicaciones a Calor de Proceso, en el que el tamaño de los sistemas es mucho más pequeño que las centrales termosolares y los costes no son tan restrictivos. Puesto que el conocimiento necesario para diseñar campos solares con GDV ya se tiene, y existen sistemas de almacenamiento mediante cambio de fase para pequeña y mediana capacidad, es el momento de promover desde el sector privado, y apoyar desde la Administración, las primeras plantas pilotos de Aplicaciones a Calor de Proceso con captadores cilindroparabólicos y generación directa de vapor. Este tipo de sistemas solares posee unas características que los hace especialmente adecuados para la pequeña y mediana empresa, que es la que realmente dinamiza la economía de un País como España. Estamos ante una tecnología que puede dar muchos y buenos resultados a España, pues tenemos centros de I+D y empresas con suficiente conocimiento, experiencia y capacidad para acometer este tipo de instalaciones solares. Esta fue una de las conclusiones principales del I Simposio sobre Tecnologías Termosolares de Concentración, celebrado en Sevilla los días 3 y 4 de noviembre, en el que han participado en torno a las 100 personas procedentes del sector industrial y de la I+D+i.

Referencias:

[1]      COHEN, G.E.; FRIER, S.D. “Ten years of solar power plant operation in the Mojave Desert”. In: CAMPBELL-HOWE, R.; WILKINS-CROWDER, B. eds. Proceedings of the 1997 American Solar Energy Society annual conference. Washington, EEUU, 1997. Boulder (Colorado), American Solar Energy Society, 1997: pp. 77-81.

[2]      LOTKER, M. “Barriers to Commercialization of Large-scale Solar Electricity: Lessons Learned from LUZ Experience”. Informe técnico SAND91-7014. Albuquerque, EEUU, Sandia National Laboratories, 1991

[3]      ZARZA, E.; VALENZUELA, L.; LEÓN, J.; WEYERS, D.-H.; EICKHOFF, M.; ECK, M.; HENNECKE, K. “The DISS Project: Direct Steam Generation in Parabolic Trough Systems. Operation&Maintenance Experience and Update on Project Status”. In: Davidson, J. (eds.). Journal of Solar Energy Engineering. American Society of Mechanical Engineers, Nueva York (USA), 2002.. Vol.124, número 2, pp. 126-133

[4] FABIAN, J.; SCHMITZ, K., MARKUS ECK, M.; LAING, D.; ORTIZ-VIVES, F.; SCHNATBAUM-LAUMAN, L.; SCHULTE-FISCHEDICK, J. “Comparative System Analysis of Parabolic Trough Power Plants with DSG and Oil using Integrated Thermal Energy Storage”. Proceeding of the SolarPACES 2011 Conference. Granada (Spain), September 2011.

[5]      http://www.flagsol.com/flagsol/english/technology/research-development/direct-steam-generation-/real-diss/real-diss.html