El futuro de la energía solar de concentración

Autor: Luis F. González Portillo, Grupo de Investigaciones Termoenergéticas, Universidad Politécnica de Madrid

Resumen

La energía termosolar de concentración es una pieza clave en el futuro del mix energético ya que permite generar electricidad sin emisiones de efecto invernadero cuando las fuentes renovables habituales, como el viento y el sol, no están disponibles. Si bien las centrales termosolares comerciales existentes permiten funcionar con almacenamiento energético a precio competitivo, la futura reducción de costes de las plantas de próxima generación hará este tipo de energía aún más atractiva. En estas centrales, los ciclos de CO₂ supercrítico sustituirán a los convencionales ciclos con turbina de vapor, y los receptores de partículas sustituirán a los actuales receptores con sales fundidas.

 Abstract

Concentrating solar power is essential in the future energy mix since it allows generating electricity without greenhouse effect emissions when other renewable sources, such as wind and sun, are not available. While commercial plants generate electricity at a competitive cost, the future cost reduction of next-generation plants will make this type of energy even more attractive. In these plants, the supercritical CO₂ cycles will replace the conventional steam turbine cycles, and the particulate receivers will replace the current receivers with molten salts.

Artículo de difusión

Uno de los grandes problemas que acecha desde hace años al mundo de las energías renovables es su escasa gestionabilidad. Hacer coincidir la producción eléctrica de las centrales de energía renovable y la demanda requiere un almacenamiento de energía adecuado y, hasta el momento, las principales tecnologías renovables, como son la fotovoltaica y la eólica, no han encontrado forma de almacenar la energía de una manera técnica y económicamente viable. Sin embargo, sí hay una tecnología que, pese a haber experimentado un menor desarrollo debido a diversos factores, es capaz de gestionar la energía, y lleva décadas probando la viabilidad de su capacidad de almacenamiento. Esta tecnología es la energía termosolar de concentración.

Las centrales termosolares de concentración generan electricidad de una manera muy similar a las centrales de carbón, pero sin emitir gases de efecto invernadero dado que utilizan el sol como fuente de energía. En las centrales termosolares actuales, un campo de espejos es el encargado de concentrar la energía del sol en lo alto de una torre de manera tal que el fluido que esté circulando dentro de ella absorba esta energía, lo que se traducirá en un aumento de temperatura. Esta energía es almacenada de forma sencilla y, posteriormente, es transformada en energía eléctrica a través de un ciclo convencional Rankine con turbina de vapor para convertir esa energía almacenada en energía eléctrica. Aumentar 275 °C la temperatura de 1 g de sal fundida equivale a bombear la misma masa hasta 43 km, lo cual refleja el gran potencial del almacenamiento de esta tecnología.

El principal problema de las centrales termosolares es el alto coste de inversión que requieren estos sistemas. Cierto es que el coste de una central termosolar no se debería de comparar con el de una central fotovoltaica dado que la primera integra almacenamiento de energía y la segunda no. Pero, aun así, la energía solar de concentración debe de reducir su coste de producción eléctrica si quiere competir en el mix energético contra combustibles fósiles o contra posibles métodos de almacenamiento que puedan surgir en el futuro como, por ejemplo, unas posibles baterías (que parecen no llegar nunca) más baratas y sin problemas de seguridad. Por ello, desde hace años se lleva trabajando en las llamadas plantas termosolares de próxima generación [1]. El objetivo de estas plantas es producir energía eléctrica a un precio muy por debajo del actual (llegando a 0.05 $/kWh), manteniendo la gran ventaja que la energía termosolar de concentración tiene con respecto a otras fuentes de energía renovable: el almacenamiento de energía a gran escala técnica y económicamente viable.

Para reducir el precio de la generación de electricidad, las centrales solares de concentración de próxima generación sustituyen los ciclos con turbina de vapor por unos novedosos ciclos de CO₂ supercrítico. Gracias a la mayor eficiencia de estos ciclos y al pequeño tamaño de sus turbomáquinas, los costes de generación de electricidad a los que aspiran estos nuevos ciclos son mucho menores que los de los ciclos Rankine. Por ello, estos ciclos no solo son estudiados en el campo de la energía termosolar, sino que otros tipos de energía, como la nuclear, también apuestan fuertemente por ellos [2]. Debido a las peculiares características de los fluidos supercríticos [3], cada fuente de energía requerirá una configuración del ciclo distinta. Un gran ejemplo de ello es la configuración multi-heating propuesta para centrales termosolares con aportes de calor a distintas temperatura [4,5], que puede incrementar la eficiencia del sistema hasta un 6%.

Para poder aprovechar al máximo el potencial de los ciclos de CO₂ supercrítico es necesario alcanzar temperaturas por encima de 700 ºC a la entrada de la turbina, lo cual requiere un aporte de calor a temperaturas por encima de los 720 ºC. Dado que las centrales termosolares de torre central actuales no pueden superar los 600 ºC debido a limitaciones impuestas por el fluido (sales fundidas), es necesario cambiar de fluido en las centrales de próxima generación. Hay varias opciones encima de la mesa: partículas, sodio + sales fundidas, y gases [1,6]. Pero últimamente, parece que el uso de partículas como fluido calor-portador empieza a destacar sobre el resto. Estas partículas pueden llegar a más de 1000 ºC sin ningún problema, lo que supone un gran potencial para el aumento de eficiencia de los ciclos de CO₂ supercrítico y, a su vez, para la reducción del coste de generación electricidad. El uso de partículas fabricadas con materiales de alta absortividad y durabilidad, como las partículas de bauxita sinterizadas de CARBO Ceramics, compiten con el uso de partículas de área que, pese a tener peores propiedades térmicas, su bajo coste hace que sean una opción a tener cuenta [7]. A día de hoy, países como EEUU y Arabia Saudí, quienes llevan muchos años investigando esta tecnología, ya están construyendo las primeras centrales de este tipo a escala precomercial [8]. Los últimos estudios tecno-económicos apuntan a que las plantas termosolares con receptor de partículas podrían generar electricidad a un coste por debajo de los 0.06 $/kWh [9,10]. La figura 1 muestra un esquema de una planta de energía solar de concentración con receptor de partículas y ciclo de CO₂ supercrítico.

Figura 1: Esquema de una planta de energía solar de concentración con receptor de partículas y ciclo de CO₂ supercrítico [1]

Referencias

[1] M. Mehos, C. Turchi, J. Vidal, M. Wagner, Z. Ma, C. Ho, W. Kolb, C. Andraka, A. Kruizenga, Concentrating Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap, NREL/TP-5500-67464. (2017).

[2] M.-J. Li, H.-H. Zhu, J.-Q. Guo, K. Wang, W.-Q. Tao, The development technology and applications of supercritical CO2 power cycle in nuclear energy, solar energy and other energy industries, Appl. Therm. Eng. 126 (2017) 255–275. https://doi.org/10.1016/J.APPLTHERMALENG.2017.07.173.

[3] L.F. González-Portillo, J. Muñoz-Antón, J.M. Martínez-Val, Thermodynamic mapping of power cycles working around the critical point, Energy Convers. Manag. 192 (2019) 359–373. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.04.022.

[4] L.F. González-Portillo, J. Muñoz-Antón, J.M. Martínez-Val, Supercritical carbon dioxide cycles with multi-heating in Concentrating Solar Power plants, Sol. Energy. 207 (2020) 144–156. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.06.066.

[5] L.F. González-Portillo, J. Muñoz-Antón, J.M. Martínez-Val, Thermodynamic analysis of multi-heating cycles working around the critical point, Appl. Therm. Eng. 174 (2020) 115292. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115292.

[6] C. Turchi, S. Gage, J. Martinek, S. Jape, K. Armijo, J. Coventry, J. Pye, C.-A. Asselineau, F. Venn, W. Logie, A. Fontalvo, S. Wang, R. Mcnaughton, D. Potter, T. Steinberg, G. Will, CSP Gen3: Liquid-Phase Pathway to SunShot, (2021). www.nrel.gov/publications.

[7] L.F. González-Portillo, R. Abbas, K. Albrecht, C. Ho, Analysis of optical properties in particle curtains, Sol. Energy. 213 (2021) 211–224. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.11.012.

[8] C.K. Ho, J. Sment, K. Albrecht, B. Mills, N. Schroeder, H. Laubscher, L.F. Gonzalez-Portillo, C. Libby, J. Pye, P.G. Gan, Y. Wang, Gen 3 Particle Pilot Plant (G3P3) – High-Temperature Particle System for Concentrating Solar Power (Phases 1 and 2), SAND2021-14614. (2021).

[9] L.F. González-Portillo, K. Albrecht, C.K. Ho, Techno-Economic Optimization of CSP Plants with Free-Falling Particle Receivers, Entropy. 23 (2021) 76. https://doi.org/10.3390/e23010076.

[10] L.F. González-Portillo, K. Albrecht, C.K. Ho, J. Sment, B. Mills, Sensitivity Analysis of the Levelized Cost of Electricity for a Particle-Based CSP System, J. Sol. Energy Eng. (2021) 1–19. https://doi.org/10.1115/1.4053167.

Contacto

Luis F. González Portillo, Investigador del grupo UPM-GIT del Programa ACES2030-CM – lf.gonzalez@upm.es

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía.