Energía solar termoeléctrica

A las diferentes tecnologías que utilizan la energía solar para producir energía térmica de alta temperatura, mediante el empleo de concentradores basados en espejos o en lentes, y esta a su vez para generar electricidad, por medio de turbinas, se les conoce como sistemas termosolares de concentración (STSC).

Un STSC tipo se compone de:

1. Sistema captador: recibe la radiación solar y la redirige y concentra sobre el receptor.

2. Absorbedor o receptor: es donde se produce la transformación de la radiación solar en energía térmica por medio del calentamiento de un fluido caloportador.

3. Sistema de conversión de potencia: el potencial térmico se transfiere a un líquido (agua por lo general) que se convierte en vapor, obteniéndose el trabajo que luego se transforma en electricidad.

4. Sistema de almacenamiento y/o de apoyo: permiten aportar energía en el ciclo de potencia en momentos en que no hay radiación solar, ya sea por medio de las reservas o del empleo de combustibles adicionales (fósiles o renovables). Este tipo de plantas con almacenamiento térmico y/o caldera adicional permiten generar electricidad en función de la demanda, con los consiguientes beneficios para el conjunto del sistema eléctrico.

Así, los STSC redirigen la radiación solar que llega a sus superficies de captación (espejos), contra una superficie de absorción que tiene un menor tamaño, por la que circula un fluido térmico que sube de temperatura con motivo de la concentración de los rayos solares sobre ese lugar. Por último el elevado calor transportado por ese fluido se cede a otro que se evapora más fácilmente (agua por lo general) y este vapor a su vez hace girar unas turbinas que conectadas a un generador producen electricidad.

Esta forma de transformar el calor en electricidad es muy similar en todas las centrales termoeléctricas, incluidas las convencionales que emplean combustibles fósiles (el carbón por ejemplo) como fuente de energía. Así, los sistemas híbridos que combinan la radiación solar con otra fuente energética, como pueden ser combustibles fósiles o biomasa, y los sistemas de almacenamiento, abren un camino a la integración de estas instalaciones en el sistema energético actual.

Al alcanzar temperaturas más elevadas, los STSC alcanzan rendimientos termodinámicos superiores a los sistemas solares que carecen de concentración y cuyos fines, por este motivo, suelen ser exclusivamente térmicos.

Las pérdidas por radiación infrarroja en el receptor aumentan con la temperatura que se alcance en el mismo, por lo que (paradójicamente) el rendimiento del STSC disminuirá con el aumento de temperatura (según la ley de Stefan-Boltzmann derivada de la ley de Planck).

Estas pérdidas además serán más cuantiosas cuanto mayores sean la superficie absorbedora y la emisividad de los materiales que la forman, por lo que para una misma temperatura de operación, el rendimiento real será mayor cuanto menor sea el área del absorbedor (mayor razón de concentración) y cuanto menor sea la emisividad de los materiales del receptor en las longitudes de onda correspondientes a su temperatura de trabajo.

El rendimiento de los STSC en su conjunto depende de los rendimientos de cada uno de sus componentes, suponiendo que estos permanecen constantes y que sólo se varía el tipo de receptor, a medida que se aumenta la razón de concentración mayor es la temperatura óptima de operación.

Como muestra la siguiente figura, existen en la actualidad cuatro tipos principales de STSC que destacan por su alto nivel de desarrollo, aunque algunos cuentan aún con una implantación más incipiente que otros.

A continuación se van a ver uno a uno ordenados de mayor a menor grado de implantación:

1. Canales Parabólicos (CP): Formados por colectores de espejo curvados (cóncavos) que a modo de canal reflejan la radiación sobre un tubo de vacío situado en la línea focal, que contiene un fluido caloportador (normalmente aceite) que eleva su temperatura (hasta unos 400º C) que luego se emplea para producir el vapor que alimentará a las turbinas. Posiblemente sea el más extendido de los STSC ya que, desde las plantas de CP construidas en la década de los ochenta en el desierto de Mojave (California, USA), estos sistemas se han desarrollado muchísimo y multitud de países cuentan actualmente con este tipo de instalaciones.

2. Sistemas de receptor central (RC): En este caso el absorbedor (o receptor central) se sitúa en la parte alta de una torre por lo que también se conoce a estos como sistemas “de torre”. Se compone de un campo de helióstatos (espejos) fijos o móviles que reflejan la radiación sobre el receptor. Esta tecnología es capaz de alcanzar mayores rendimientos que las de CP al trabajar con temperaturas más elevadas (el fluido caloportador alcanza unos 600º C). Por ello, está recibiendo en la actualidad un fuerte impulso con la construcción de plantas de este tipo en todo el mundo, aunque se requiere un considerable esfuerzo (sobre todo económico) para poder aprovechar masivamente el fuerte potencial que alberga.

3. Discos parabólicos (DP): Un gran espejo en forma de disco parabólico concentran la radiación solar sobre un punto, en el que se sitúa el correspondiente absorbedor o receptor por el que circula el fluido caloportador que alcanza hasta 750º C, y que actúa como foco caliente de un motor Stirling (situado en ese mismo punto) acoplado a un generador eléctrico. Esta tecnología está en fase de transición desde la fabricación artesanal a la industrial, por lo que aún no tiene una implantación demasiado extendida aunque está muy cerca de su comercialización a nivel internacional. Las principales ventajas de estos sistemas son su modularidad, alto rendimiento y el hecho de no necesitar agua para la refrigeración.

4. Concentradores lineales de Fresnel (CLF): Del mismo modo que los CP concentran la radiación sobre una línea donde se coloca el correspondiente absorbedor. Varias filas de helióstatos realizan un seguimiento solar en un eje y concentran la radiación solar sobre un tubo de vacío suspendido sobre el conjunto, por el que circula el fluido térmico. Es la tecnología de más reciente aparición de cuantas se han visto y se encuentra en una etapa de demostración tecnológica, pero tiene mucho futuro, especialmente por su potencial en cuanto a reducción de costes, por su simplicidad y por las otras posibles aplicaciones que tiene (climatización, calor de proceso…). Ya existen algunas plantas comerciales operativas.

Aunque actualmente los STSC se están usando principalmente para producir electricidad, lo ideal (desde el punto de vista del rendimiento de la planta) sería que las instalaciones fueran de cogeneración (producción simultánea de energía eléctrica y calor). Aún así, la puesta en marcha de centrales eléctricas termosolares (CETS) representa actualmente la mejor alternativa potencial a los combustibles fósiles en zonas con buenos niveles de radiación solar directa y especialmente en aquellas del llamado “cinturón solar” (franja de tierra que queda entre las latitudes de ± 35° con respecto al ecuador), donde presenta posibilidades de implantación masiva, incluso para exportar energía a otros lugares con menores niveles de radiación.