{"id":135024,"date":"2021-12-21T09:58:18","date_gmt":"2021-12-21T08:58:18","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=135024"},"modified":"2021-12-21T09:58:18","modified_gmt":"2021-12-21T08:58:18","slug":"el-futuro-de-la-energia-solar-de-concentracion","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2021\/12\/21\/135024","title":{"rendered":"El futuro de la energ\u00eda solar de concentraci\u00f3n"},"content":{"rendered":"

Autor:\u00a0Luis F. Gonz\u00e1lez Portillo,\u00a0Grupo de Investigaciones Termoenerg\u00e9ticas, Universidad Polit\u00e9cnica de Madrid<\/em><\/strong><\/p>\n

Resumen<\/strong><\/span><\/p>\n

La energ\u00eda termosolar de concentraci\u00f3n es una pieza clave en el futuro del mix energ\u00e9tico ya que permite generar electricidad sin emisiones de efecto invernadero cuando las fuentes renovables habituales, como el viento y el sol, no est\u00e1n disponibles. Si bien las centrales termosolares comerciales existentes permiten funcionar con almacenamiento energ\u00e9tico a precio competitivo, la futura reducci\u00f3n de costes de las plantas de pr\u00f3xima generaci\u00f3n har\u00e1 este tipo de energ\u00eda a\u00fan m\u00e1s atractiva. En estas centrales, los ciclos de CO2<\/sub> supercr\u00edtico sustituir\u00e1n a los convencionales ciclos con turbina de vapor, y los receptores de part\u00edculas sustituir\u00e1n a los actuales receptores con sales fundidas.<\/span><\/p>\n

\u00a0Abstract<\/strong><\/span><\/p>\n

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<\/sub> cycles will replace the conventional steam turbine cycles, and the particulate receivers will replace the current receivers with molten salts.<\/span><\/p>\n

Art\u00edculo de difusi\u00f3n<\/strong><\/span><\/p>\n

Uno de los grandes problemas que acecha desde hace a\u00f1os al mundo de las energ\u00edas renovables es su escasa gestionabilidad. Hacer coincidir la producci\u00f3n el\u00e9ctrica de las centrales de energ\u00eda renovable y la demanda requiere un almacenamiento de energ\u00eda adecuado y, hasta el momento, las principales tecnolog\u00edas renovables, como son la fotovoltaica y la e\u00f3lica, no han encontrado forma de almacenar la energ\u00eda de una manera t\u00e9cnica y econ\u00f3micamente viable. Sin embargo, s\u00ed hay una tecnolog\u00eda que, pese a haber experimentado un menor desarrollo debido a diversos factores, es capaz de gestionar la energ\u00eda, y lleva d\u00e9cadas probando la viabilidad de su capacidad de almacenamiento. Esta tecnolog\u00eda es la energ\u00eda termosolar de concentraci\u00f3n.<\/span><\/p>\n

Las centrales termosolares de concentraci\u00f3n generan electricidad de una manera muy similar a las centrales de carb\u00f3n, pero sin emitir gases de efecto invernadero dado que utilizan el sol como fuente de energ\u00eda. En las centrales termosolares actuales, un campo de espejos es el encargado de concentrar la energ\u00eda del sol en lo alto de una torre de manera tal que el fluido que est\u00e9 circulando dentro de ella absorba esta energ\u00eda, lo que se traducir\u00e1 en un aumento de temperatura. Esta energ\u00eda es almacenada de forma sencilla y, posteriormente, es transformada en energ\u00eda el\u00e9ctrica a trav\u00e9s de un ciclo convencional Rankine con turbina de vapor para convertir esa energ\u00eda almacenada en energ\u00eda el\u00e9ctrica. Aumentar 275 \u00b0C 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 tecnolog\u00eda.<\/span><\/p>\n

El principal problema de las centrales termosolares es el alto coste de inversi\u00f3n que requieren estos sistemas. Cierto es que el coste de una central termosolar no se deber\u00eda de comparar con el de una central fotovoltaica dado que la primera integra almacenamiento de energ\u00eda y la segunda no. Pero, aun as\u00ed, la energ\u00eda solar de concentraci\u00f3n debe de reducir su coste de producci\u00f3n el\u00e9ctrica si quiere competir en el mix energ\u00e9tico contra combustibles f\u00f3siles o contra posibles m\u00e9todos de almacenamiento que puedan surgir en el futuro como, por ejemplo, unas posibles bater\u00edas (que parecen no llegar nunca) m\u00e1s baratas y sin problemas de seguridad. Por ello, desde hace a\u00f1os se lleva trabajando en las llamadas plantas termosolares de pr\u00f3xima generaci\u00f3n [1]. El objetivo de estas plantas es producir energ\u00eda el\u00e9ctrica a un precio muy por debajo del actual (llegando a 0.05 $\/kWh), manteniendo la gran ventaja que la energ\u00eda termosolar de concentraci\u00f3n tiene con respecto a otras fuentes de energ\u00eda renovable: el almacenamiento de energ\u00eda a gran escala t\u00e9cnica y econ\u00f3micamente viable.<\/span><\/p>\n

Para reducir el precio de la generaci\u00f3n de electricidad, las centrales solares de concentraci\u00f3n de pr\u00f3xima generaci\u00f3n sustituyen los ciclos con turbina de vapor por unos novedosos ciclos de CO2<\/sub> supercr\u00edtico. Gracias a la mayor eficiencia de estos ciclos y al peque\u00f1o tama\u00f1o de sus turbom\u00e1quinas, los costes de generaci\u00f3n 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 energ\u00eda termosolar, sino que otros tipos de energ\u00eda, como la nuclear, tambi\u00e9n apuestan fuertemente por ellos [2]. Debido a las peculiares caracter\u00edsticas de los fluidos supercr\u00edticos [3], cada fuente de energ\u00eda requerir\u00e1 una configuraci\u00f3n del ciclo distinta. Un gran ejemplo de ello es la configuraci\u00f3n 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%.<\/span><\/p>\n

Para poder aprovechar al m\u00e1ximo el potencial de los ciclos de CO2<\/sub> supercr\u00edtico es necesario alcanzar temperaturas por encima de 700 \u00baC a la entrada de la turbina, lo cual requiere un aporte de calor a temperaturas por encima de los 720 \u00baC. Dado que las centrales termosolares de torre central actuales no pueden superar los 600 \u00baC debido a limitaciones impuestas por el fluido (sales fundidas), es necesario cambiar de fluido en las centrales de pr\u00f3xima generaci\u00f3n. Hay varias opciones encima de la mesa: part\u00edculas, sodio + sales fundidas, y gases [1,6]. Pero \u00faltimamente, parece que el uso de part\u00edculas como fluido calor-portador empieza a destacar sobre el resto. Estas part\u00edculas pueden llegar a m\u00e1s de 1000 \u00baC sin ning\u00fan problema, lo que supone un gran potencial para el aumento de eficiencia de los ciclos de CO2<\/sub> supercr\u00edtico y, a su vez, para la reducci\u00f3n del coste de generaci\u00f3n electricidad. El uso de part\u00edculas fabricadas con materiales de alta absortividad y durabilidad, como las part\u00edculas de bauxita sinterizadas de CARBO Ceramics, compiten con el uso de part\u00edculas de \u00e1rea que, pese a tener peores propiedades t\u00e9rmicas, su bajo coste hace que sean una opci\u00f3n a tener cuenta [7]. A d\u00eda de hoy, pa\u00edses como EEUU y Arabia Saud\u00ed, quienes llevan muchos a\u00f1os investigando esta tecnolog\u00eda, ya est\u00e1n construyendo las primeras centrales de este tipo a escala precomercial [8]. Los \u00faltimos estudios tecno-econ\u00f3micos apuntan a que las plantas termosolares con receptor de part\u00edculas podr\u00edan generar electricidad a un coste por debajo de los 0.06 $\/kWh [9,10]. La figura 1 muestra un esquema de una planta de energ\u00eda solar de concentraci\u00f3n con receptor de part\u00edculas y ciclo de CO2<\/sub> supercr\u00edtico.<\/span><\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Figura 1:\u00a0Esquema de una planta de energ\u00eda solar de concentraci\u00f3n con receptor de part\u00edculas y ciclo de CO2<\/sub> supercr\u00edtico [1]<\/em><\/p>\n

Referencias<\/strong><\/p>\n

[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).<\/p>\n

[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\u2013275. https:\/\/doi.org\/10.1016\/J.APPLTHERMALENG.2017.07.173.<\/p>\n

[3] L.F. Gonz\u00e1lez-Portillo, J. Mu\u00f1oz-Ant\u00f3n, J.M. Mart\u00ednez-Val, Thermodynamic mapping of power cycles working around the critical point, Energy Convers. Manag. 192 (2019) 359\u2013373. https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.enconman.2019.04.022.<\/p>\n

[4] L.F. Gonz\u00e1lez-Portillo, J. Mu\u00f1oz-Ant\u00f3n, J.M. Mart\u00ednez-Val, Supercritical carbon dioxide cycles with multi-heating in Concentrating Solar Power plants, Sol. Energy. 207 (2020) 144\u2013156. https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.solener.2020.06.066.<\/p>\n

[5] L.F. Gonz\u00e1lez-Portillo, J. Mu\u00f1oz-Ant\u00f3n, J.M. Mart\u00ednez-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.<\/p>\n

[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.<\/p>\n

[7] L.F. Gonz\u00e1lez-Portillo, R. Abbas, K. Albrecht, C. Ho, Analysis of optical properties in particle curtains, Sol. Energy. 213 (2021) 211\u2013224. https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.solener.2020.11.012.<\/p>\n

[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) \u2013 High-Temperature Particle System for Concentrating Solar Power (Phases 1 and 2), SAND2021-14614. (2021).<\/p>\n

[9] L.F. Gonz\u00e1lez-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.<\/p>\n

[10] L.F. Gonz\u00e1lez-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\u201319. https:\/\/doi.org\/10.1115\/1.4053167.<\/p>\n

Contacto<\/strong><\/p>\n

Luis F. Gonz\u00e1lez Portillo, Investigador del grupo UPM-GIT\u00a0del Programa ACES2030-CM –\u00a0lf.gonzalez@upm.es<\/a><\/p>\n

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero \u00c1lvarez. IMDEA Energ\u00eda.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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