Energía solar concentrada - Concentrated solar power

El proyecto de energía solar de Crescent Dunes suspendido
Una torre de energía solar que concentra la luz a través de 10,000 heliostatos espejados que abarcan 13 millones de pies cuadrados (1.21 km 2 ).

Las tres torres de la planta de energía solar de Ivanpah
Parte del complejo solar SEGS de 354 MW en el norte del condado de San Bernardino, California
Vista de pájaro de Khi Solar One , Sudáfrica

Los sistemas de energía solar concentrada ( CSP , también conocida como energía solar de concentración , energía solar térmica concentrada ) generan energía solar mediante el uso de espejos o lentes para concentrar una gran área de luz solar en un receptor. La electricidad se genera cuando la luz concentrada se convierte en calor ( energía solar térmica ), que impulsa un motor térmico (generalmente una turbina de vapor ) conectado a un generador de energía eléctrica o alimenta una reacción termoquímica .

La CSP tenía una capacidad instalada total global de 5.500  MW en 2018, frente a los 354 MW de 2005. España representó casi la mitad de la capacidad mundial, con 2.300 MW, a pesar de que no hay nueva capacidad entrando en operación comercial en el país desde 2013. Estados Unidos le sigue con 1.740 MW. El interés también es notable en el norte de África y Oriente Medio, así como en India y China. El mercado mundial estuvo inicialmente dominado por plantas de cilindro parabólico, que representaron el 90% de las plantas de CSP en un momento. Desde aproximadamente 2010, la CSP de torres de energía central se ha visto favorecida en las nuevas plantas debido a su operación a temperaturas más altas, hasta 565 ° C (1.049 ° F) frente al máximo de 400 ° C (752 ° F) del canal, lo que promete una mayor eficiencia.

Entre los proyectos de CSP más grandes se encuentran la Planta de Energía Solar de Ivanpah (392 MW) en los Estados Unidos, que utiliza tecnología de torre de energía solar sin almacenamiento de energía térmica, y la Estación de Energía Solar de Ouarzazate en Marruecos, que combina tecnologías de canal y torre para un total de 510 MW con varias horas de almacenamiento de energía.

Como central generadora de energía térmica, la CSP tiene más en común con las centrales térmicas como las de carbón, gas o geotermia. Una planta termosolar puede incorporar almacenamiento de energía térmica , que almacena energía ya sea en forma de calor sensible o como calor latente (por ejemplo, utilizando sal fundida ), lo que permite que estas plantas sigan generando electricidad siempre que sea necesario, de día o de noche. Esto hace que la CSP sea una forma de energía solar distribuible . La energía renovable distribuible es particularmente valiosa en lugares donde ya existe una alta penetración de energía fotovoltaica (PV), como California porque la demanda de energía eléctrica alcanza su punto máximo cerca del atardecer justo cuando la capacidad fotovoltaica disminuye (un fenómeno conocido como curva de pato ).

La CSP a menudo se compara con la energía solar fotovoltaica (PV), ya que ambos utilizan energía solar. Si bien la energía solar fotovoltaica experimentó un gran crecimiento en los últimos años debido a la caída de los precios, el crecimiento de la CSP solar ha sido lento debido a las dificultades técnicas y los altos precios. En 2017, la CSP representó menos del 2% de la capacidad instalada mundial de plantas de energía solar. Sin embargo, la CSP puede almacenar energía más fácilmente durante la noche, lo que la hace más competitiva con los generadores despachables y las plantas de carga base.

El proyecto DEWA en Dubai, en construcción en 2019, mantuvo el récord mundial de precio más bajo de CSP en 2017 a US $ 73 por MWh para su proyecto combinado de canal y torre de 700 MW: 600 MW de canal, 100 MW de torre con 15 horas de energía térmica. almacenamiento de energía diario. La tarifa base de CSP en la región extremadamente seca de Atacama en Chile alcanzó menos de $ 50 / MWh en las subastas de 2017.

Historia

Motor de vapor solar para bombeo de agua, cerca de Los Ángeles, circa 1901

Una leyenda dice que Arquímedes usó un "vidrio ardiente" para concentrar la luz del sol en la flota romana invasora y repelerlos de Siracusa . En 1973, un científico griego, el Dr. Ioannis Sakkas, que tenía curiosidad por saber si Arquímedes podría haber destruido realmente la flota romana en el 212 a. C., alineó a casi 60 marineros griegos, cada uno sosteniendo un espejo alargado con la punta para captar los rayos del sol y dirigirlos hacia un alquitrán. silueta de madera contrachapada cubierta a 49 m (160 pies) de distancia. El barco se incendió después de unos minutos; sin embargo, los historiadores continúan dudando de la historia de Arquímedes.

En 1866, Auguste Mouchout utilizó un cilindro parabólico para producir vapor para la primera máquina de vapor solar. La primera patente para un colector solar fue obtenida por el italiano Alessandro Battaglia en Génova, Italia, en 1886. Durante los años siguientes, inventores como John Ericsson y Frank Shuman desarrollaron dispositivos de energía solar de concentración para riego, refrigeración y locomoción. En 1913, Shuman terminó una estación de energía termosolar parabólica de 55 caballos de fuerza (41 kW) en Maadi, Egipto para riego. El primer sistema de energía solar que utiliza un plato de espejo fue construido por el Dr. RH Goddard , quien ya era bien conocido por su investigación sobre cohetes de combustible líquido y escribió un artículo en 1929 en el que afirmaba que se habían abordado todos los obstáculos anteriores.

El profesor Giovanni Francia (1911-1980) diseñó y construyó la primera planta de energía solar concentrada, que entró en funcionamiento en Sant'Ilario, cerca de Génova, Italia en 1968. Esta planta tenía la arquitectura de las plantas de torre de energía actuales con un receptor solar en el centro de un campo de colectores solares. La planta pudo producir 1 MW con vapor sobrecalentado a 100 bar y 500 ° C. La torre de energía Solar One de 10 MW se desarrolló en el sur de California en 1981. Solar One se convirtió en Solar Two en 1995, implementando un nuevo diseño con una mezcla de sales fundidas (60% de nitrato de sodio, 40% de nitrato de potasio) como fluido de trabajo del receptor. y como medio de almacenamiento. El método de sales fundidas demostró ser eficaz y Solar Two operó con éxito hasta que se dio de baja en 1999. La tecnología cilindroparabólica de los cercanos Sistemas de Generación de Energía Solar (SEGS), iniciada en 1984, era más viable. La SEGS de 354 MW fue la planta de energía solar más grande del mundo, hasta 2014.

No se construyó ningún solar concentrado comercial desde 1990, cuando se completó SEGS, hasta 2006, cuando se construyó el sistema de reflector Fresnel lineal compacto en la central eléctrica de Liddell en Australia. Se construyeron pocas otras plantas con este diseño, aunque la Planta de Energía Solar Térmica Kimberlina de 5 MW se inauguró en 2009.

En 2007, se construyó Nevada Solar One de 75 MW, un diseño de canal y la primera gran planta desde SEGS. Entre 2009 y 2013, España construyó más de 40 sistemas cilindroparabólicos, estandarizados en bloques de 50 MW.

Debido al éxito de Solar Two, en 2011 se construyó en España una central eléctrica comercial, denominada Solar Tres Power Tower , que más tarde pasó a denominarse Planta Termosolar Gemasolar. Los resultados de Gemasolar allanaron el camino para otras plantas de este tipo. La instalación de energía solar de Ivanpah se construyó al mismo tiempo, pero sin almacenamiento térmico, utilizando gas natural para precalentar el agua cada mañana.

La mayoría de las plantas de energía solar concentrada utilizan el diseño de canal parabólico, en lugar de la torre de energía o los sistemas Fresnel. También ha habido variaciones de sistemas de colectores cilindro-parabólicos como el ciclo combinado solar integrado (ISCC) que combina colectores y sistemas convencionales de calor de combustibles fósiles.

La CSP se trató originalmente como un competidor de la energía fotovoltaica, e Ivanpah se construyó sin almacenamiento de energía, aunque Solar Two había incluido varias horas de almacenamiento térmico. En 2015, los precios de las plantas fotovoltaicas habían caído y potencia comercial PV se vendía a 1 / 3 de los contratos de CSP recientes. Sin embargo, cada vez más, la CSP se licitaba con entre 3 y 12 horas de almacenamiento de energía térmica, lo que hacía de la CSP una forma de energía solar distribuible. Como tal, se considera cada vez más que compite con el gas natural y la energía fotovoltaica con baterías para obtener energía flexible y distribuible.

Tecnología actual

La CSP se usa para producir electricidad (a veces llamada termoelectricidad solar, generalmente generada a través de vapor ). Los sistemas de tecnología solar concentrada utilizan espejos o lentes con sistemas de seguimiento para enfocar un área grande de luz solar en un área pequeña. La luz concentrada se utiliza luego como calor o como fuente de calor para una central eléctrica convencional (termoelectricidad solar). Los concentradores solares utilizados en los sistemas CSP a menudo también se pueden utilizar para proporcionar calefacción o refrigeración de procesos industriales, como en el aire acondicionado solar .

Existen tecnologías de concentración en cuatro tipos ópticos, a saber, colector cilindro parabólico , plato , reflector de Fresnel lineal de concentración y torre de energía solar . Los reflectores de Fresnel lineales de concentración y de cilindro parabólico se clasifican como tipos de colector de enfoque lineal, mientras que el plato y la torre solar son tipos de enfoque puntual. Los colectores de enfoque lineal logran factores de concentración medios (50 soles y más) y los colectores de enfoque puntual logran factores de concentración altos (más de 500 soles). Aunque simples, estos concentradores solares están bastante lejos de la concentración máxima teórica. Por ejemplo, la concentración de cilindro parabólico da aproximadamente 13 del máximo teórico para el ángulo de aceptación de diseño , es decir, para las mismas tolerancias generales para el sistema. La aproximación al máximo teórico se puede lograr utilizando concentradores más elaborados basados ​​en ópticas sin imágenes .

Los diferentes tipos de concentradores producen diferentes temperaturas máximas y eficiencias termodinámicas variables correspondientemente, debido a las diferencias en la forma en que siguen el sol y enfocan la luz. Las nuevas innovaciones en la tecnología CSP están haciendo que los sistemas sean cada vez más rentables.

Cilindro parabólico

Canal parabólico en una planta cerca de Harper Lake, California

Un cilindro parabólico consiste en un reflector parabólico lineal que concentra la luz en un receptor colocado a lo largo de la línea focal del reflector. El receptor es un tubo colocado en la línea focal longitudinal del espejo parabólico y lleno de un fluido de trabajo. El reflector sigue al sol durante las horas del día siguiendo un solo eje. Un fluido de trabajo (por ejemplo, sal fundida ) se calienta a 150–350 ° C (302–662 ° F) a medida que fluye a través del receptor y luego se utiliza como fuente de calor para un sistema de generación de energía. Los sistemas de canal son la tecnología CSP más desarrollada. Son representativas las plantas de Solar Energy Generating Systems (SEGS) en California, las primeras plantas de colectores cilindro-parabólicos comerciales del mundo, Nevada Solar One de Acciona cerca de Boulder City, Nevada , y Andasol , la primera planta comercial de colectores cilindro-parabólicos de Europa, junto con Plataforma Solar de Almería . Instalaciones de prueba SSPS-DCS en España .

Comedero cerrado

El diseño encapsula el sistema solar térmico dentro de un invernadero similar a un invernadero. El invernadero crea un ambiente protegido para resistir los elementos que pueden afectar negativamente la confiabilidad y eficiencia del sistema térmico solar. Espejos ligeros curvos que reflejan el sol están suspendidos del techo del invernadero mediante cables. Un sistema de seguimiento de un solo eje coloca los espejos para recuperar la cantidad óptima de luz solar. Los espejos concentran la luz solar y la enfocan en una red de tuberías de acero estacionarias, también suspendidas de la estructura del invernadero. El agua se transporta a lo largo de la tubería, que se hierve para generar vapor cuando se aplica una intensa radiación solar. Proteger los espejos del viento les permite alcanzar tasas de temperatura más altas y evita que se acumule polvo en los espejos.

GlassPoint Solar , la compañía que creó el diseño Enclosed Trough, afirma que su tecnología puede producir calor para la recuperación mejorada de petróleo (EOR) por alrededor de $ 5 por 290 kWh (1,000,000 BTU) en regiones soleadas, en comparación con entre $ 10 y $ 12 para otros sistemas solares térmicos convencionales. tecnologías.

Torre de energía solar

Ashalim Power Station , Israel, en su finalización, la torre solar más alta del mundo. Concentra la luz de más de 50.000 helióstatos.
La planta de energía solar PS10 en Andalucía , España, concentra la luz solar de un campo de heliostatos en una torre central de energía solar.

Una torre de energía solar consta de una serie de reflectores de seguimiento de doble eje ( heliostatos ) que concentran la luz solar en un receptor central en la cima de una torre; el receptor contiene un fluido caloportador, que puede consistir en vapor de agua o sal fundida . Ópticamente, una torre de energía solar es lo mismo que un reflector Fresnel circular. El fluido de trabajo en el receptor se calienta a 500–1000 ° C (773–1,273 K o 932–1,832 ° F) y luego se usa como fuente de calor para una generación de energía o un sistema de almacenamiento de energía. Una ventaja de la torre solar es que los reflectores se pueden ajustar en lugar de toda la torre. El desarrollo de torres de energía es menos avanzado que los sistemas de canal, pero ofrecen una mayor eficiencia y una mejor capacidad de almacenamiento de energía. La aplicación de la torre hacia abajo también es factible con helióstatos para calentar el fluido de trabajo.

El Solar Two en Daggett , California y el CESA-1 en la Plataforma Solar de Almería Almería, España, son las plantas de demostración más representativas. La Planta Solar 10 (PS10) en Sanlúcar la Mayor , España, es la primera torre de energía solar comercial a escala de servicios públicos del mundo. La instalación de energía solar Ivanpah de 377 MW , ubicada en el desierto de Mojave , es la instalación de CSP más grande del mundo y utiliza tres torres de energía. Ivanpah generó solo 0,652 TWh (63%) de su energía a partir de medios solares, y los otros 0,388 TWh (37%) se generaron mediante la quema de gas natural .

Reflectores de Fresnel

Los reflectores Fresnel están hechos de muchas tiras de espejo delgadas y planas para concentrar la luz solar en los tubos a través de los cuales se bombea el fluido de trabajo. Los espejos planos permiten más superficie reflectante en la misma cantidad de espacio que un reflector parabólico, capturando así más luz solar disponible, y son mucho más baratos que los reflectores parabólicos. Los reflectores de Fresnel se pueden utilizar en CSP de varios tamaños.

Los reflectores de Fresnel a veces se consideran una tecnología con un rendimiento peor que otros métodos. La rentabilidad de este modelo es lo que hace que algunos lo utilicen en lugar de otros con calificaciones de producción más altas. Se han comenzado a probar algunos modelos nuevos de reflectores Fresnel con capacidades de trazado de rayos y, en un principio, se ha demostrado que ofrecen un rendimiento más alto que la versión estándar.

Plato Stirling

Un disco Stirling o un sistema de motor de plato consiste en un reflector parabólico autónomo que concentra la luz en un receptor colocado en el punto focal del reflector. El reflector sigue al Sol a lo largo de dos ejes. El fluido de trabajo en el receptor se calienta a 250–700 ° C (482–1,292 ° F) y luego es usado por un motor Stirling para generar energía. Los sistemas de plato parabólico proporcionan una alta eficiencia de energía solar a eléctrica (entre 31% y 32%) y su naturaleza modular proporciona escalabilidad. Los platos de Stirling Energy Systems (SES), United Sun Systems (USS) y Science Applications International Corporation (SAIC) en UNLV , y el Big Dish de la Universidad Nacional Australiana en Canberra , Australia, son representativos de esta tecnología. Un récord mundial de eficiencia solar a eléctrica fue establecido en 31.25% por platos SES en la Instalación Nacional de Prueba Térmica Solar (NSTTF) en Nuevo México el 31 de enero de 2008, un día frío y brillante. Según su desarrollador, Ripasso Energy , una empresa sueca, en 2015 su sistema Dish Sterling que se estaba probando en el desierto de Kalahari en Sudáfrica mostró una eficiencia del 34%. La instalación de SES en Maricopa, Phoenix fue la instalación de energía de Stirling Dish más grande del mundo hasta que se vendió a United Sun Systems . Posteriormente, partes más grandes de la instalación se han trasladado a China como parte de la enorme demanda de energía.

Recuperación de petróleo mejorada mediante energía solar térmica

El calor del sol se puede usar para proporcionar vapor que se usa para hacer que el petróleo pesado sea menos viscoso y más fácil de bombear. La torre de energía solar y los colectores cilindro parabólicos se pueden utilizar para proporcionar el vapor que se utiliza directamente, por lo que no se requieren generadores y no se produce electricidad. La recuperación de petróleo mejorada mediante energía solar térmica puede prolongar la vida útil de los yacimientos petrolíferos con petróleo muy espeso que de otro modo no sería económico de bombear.

CSP con almacenamiento de energía térmica

En una planta de CSP que incluye almacenamiento, la energía solar se utiliza primero para calentar la sal fundida o el aceite sintético que se almacena proporcionando energía térmica / calorífica a alta temperatura en tanques aislados. Más tarde, la sal fundida caliente (o aceite) se utiliza en un generador de vapor para producir vapor para generar electricidad mediante un turbogenerador de vapor según los requisitos. Por lo tanto, la energía solar que está disponible solo a la luz del día se utiliza para generar electricidad las 24 horas del día a pedido como carga después de una planta de energía o una planta de pico solar. La capacidad de almacenamiento térmico se indica en horas de generación de energía a la capacidad de la placa de identificación . A diferencia de la energía solar fotovoltaica o termosolar sin almacenamiento, la generación de energía de las plantas de almacenamiento térmico solar se puede despachar y es autosostenible de manera similar a las plantas de energía de carbón / gas, pero sin la contaminación. La CSP con plantas de almacenamiento de energía térmica también se puede utilizar como plantas de cogeneración para suministrar electricidad y vapor de proceso durante todo el día. A diciembre de 2018, el costo de generación de CSP con plantas de almacenamiento de energía térmica ha oscilado entre 5 c € / kWh y 7 c € / kWh dependiendo de la radiación solar de buena a media recibida en una ubicación. A diferencia de las plantas solares fotovoltaicas, la CSP con plantas de almacenamiento de energía térmica también se puede utilizar económicamente durante todo el día para producir solo vapor de proceso que reemplaza la contaminación que emite combustibles fósiles . La planta de CSP también se puede integrar con energía solar fotovoltaica para una mejor sinergia.

La CSP con sistemas de almacenamiento térmico también está disponible utilizando el ciclo Brayton con aire en lugar de vapor para generar electricidad y / o vapor durante todo el día. Estas plantas de CSP están equipadas con turbinas de gas para generar electricidad. Estos también son de pequeña capacidad (<0,4 MW) con flexibilidad para instalar en un área de pocos acres. El calor residual de la planta de energía también se puede utilizar para la generación de vapor de proceso y las necesidades de HVAC . En caso de que la disponibilidad de terreno no sea una limitación, se puede instalar cualquier número de estos módulos hasta 1000 MW con RAMS y ventaja de costo, ya que el costo por MW de estas unidades es más barato que las estaciones termosolares de mayor tamaño.

La calefacción urbana centralizada las 24 horas del día también es factible con plantas de almacenamiento termosolar concentrado .

Producción de combustibles neutros en carbono

La producción de combustibles sintéticos neutros en carbono utilizando energía termosolar concentrada a una temperatura cercana a los 1500 ° C es viable desde el punto de vista técnico y comercial en un futuro próximo con la disminución de los costes de las plantas de CSP. También hidrógeno neutro de carbono puede ser producido con energía solar térmica (CSP) usando ciclo Azufre-yodo , ciclo del azufre híbrido , ciclo de óxido de hierro , ciclo de Cobre-cloro , ciclo de óxido de zinc-zinc , óxido de cerio-óxido de cerio (IV) (III) ciclo , etc.

Despliegue en todo el mundo

1.000
2.000
3000
4000
5,000
6.000
7.000
1984
1990
1995
2000
2005
2010
2015
Capacidad termosolar mundial desde 1984 en MW p
Capacidades nacionales de CSP en 2018 (MW p )
País Total Adicional
España 2,300 0
Estados Unidos 1,738 0
Sudáfrica 400 100
Marruecos 380 200
India 225 0
porcelana 210 200
Emiratos Árabes Unidos 100 0
Arabia Saudita 50 50
Argelia 25 0
Egipto 20 0
Australia 12 0
Tailandia 5 0
Fuente : Informe de estado global de REN21 , 2017 y 2018

El despliegue comercial de plantas de CSP comenzó en 1984 en los EE. UU. Con las plantas de SEGS . La última planta de SEGS se completó en 1990. De 1991 a 2005, no se construyeron plantas de CSP en ningún lugar del mundo. La capacidad global de CSP instalada aumentó casi diez veces entre 2004 y 2013 y creció a una media del 50 por ciento anual durante los últimos cinco de esos años. En 2013, la capacidad instalada mundial aumentó un 36% o casi 0,9 gigavatios (GW) a más de 3,4 GW. España y Estados Unidos siguieron siendo los líderes mundiales, mientras que el número de países con CSP instalada estaba creciendo, pero la rápida disminución del precio de la energía solar fotovoltaica, los cambios de política y la crisis financiera mundial detuvieron la mayor parte del desarrollo en estos países. 2014 fue el mejor año para la CSP, pero fue seguido por un rápido declive con solo una planta importante terminada en el mundo en 2016. Hay una tendencia notable hacia países y regiones en desarrollo con alta radiación solar con varias plantas grandes en construcción en 2017.

Energía solar concentrada mundial (MW p )
Año 1984 1985 1989 1990 1991-2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019
Instalado 14 60 200 80 0 1 74 55 179 307 629 803 872 925 420 110 100 550 381
Acumulativo 14 74 274 354 354 355 429 484 663 969 1,598 2.553 3.425 4.335 4.705 4.815 4.915 5.465 6.451
Fuentes : REN21  · CSP-world.com  · IRENA  · HeliosCSP

Eficiencia

La eficiencia de un sistema de energía solar de concentración dependerá de la tecnología utilizada para convertir la energía solar en energía eléctrica, la temperatura de funcionamiento del receptor y el rechazo de calor, las pérdidas térmicas en el sistema y la presencia o ausencia de otras pérdidas del sistema; Además de la eficiencia de conversión, el sistema óptico que concentra la luz solar también agregará pérdidas adicionales.

Los sistemas del mundo real reclaman una eficiencia de conversión máxima del 23-35% para los sistemas de tipo "torre de energía", que operan a temperaturas de 250 a 565 ° C, con el número de eficiencia más alto asumiendo una turbina de ciclo combinado. Los sistemas Dish Stirling, que operan a temperaturas de 550-750 ° C, afirman una eficiencia de aproximadamente el 30%. Debido a la variación en la incidencia del sol durante el día, la eficiencia de conversión promedio lograda no es igual a estas eficiencias máximas, y las eficiencias anuales netas de energía solar a electricidad son del 7 al 20% para los sistemas de torres de energía piloto y del 12 al 25% para sistemas de plato Stirling a escala de demostración.

Teoría

La máxima eficiencia de conversión de cualquier sistema de energía térmica a eléctrica viene dada por la eficiencia de Carnot , que representa un límite teórico a la eficiencia que puede alcanzar cualquier sistema, establecido por las leyes de la termodinámica . Los sistemas del mundo real no logran la eficiencia de Carnot.

La eficiencia de conversión de la radiación solar incidente en trabajo mecánico depende de las propiedades de radiación térmica del receptor solar y del motor térmico ( por ejemplo, turbina de vapor). La irradiación solar se convierte primero en calor por el receptor solar con la eficiencia y, posteriormente, el calor se convierte en energía mecánica por el motor térmico con la eficiencia , utilizando el principio de Carnot . Luego, la energía mecánica se convierte en energía eléctrica mediante un generador. Para un receptor solar con un convertidor mecánico ( por ejemplo , una turbina), la eficiencia de conversión general se puede definir de la siguiente manera:

donde representa la fracción de luz incidente concentrada en el receptor, la fracción de luz incidente en el receptor que se convierte en energía térmica, la eficiencia de conversión de energía térmica en energía mecánica y la eficiencia de conversión de energía mecánica en energía eléctrica.

es:

con , , respectivamente, la entrada del flujo solar y los flujos absorbidos y perdieron por el receptor solar sistema.

La eficiencia de conversión es como máximo la eficiencia de Carnot, que está determinada por la temperatura del receptor y la temperatura del rechazo de calor ("temperatura del disipador de calor") ,

Las eficiencias del mundo real de los motores típicos alcanzan entre el 50% y como máximo el 70% de la eficiencia de Carnot debido a pérdidas como la pérdida de calor y el viento en las partes móviles.

Caso ideal

Para un flujo solar (por ejemplo ) tiempos concentrados con una eficiencia en el receptor solar del sistema con un área colectora y una absortividad :

,
,

En aras de la simplicidad, se puede suponer que las pérdidas son solo radiativas (una suposición justa para altas temperaturas), por lo que para un área de reradiación A y una emisividad aplicando la ley de Stefan-Boltzmann se obtiene:

Simplificando estas ecuaciones considerando ópticas perfectas ( = 1) y sin considerar el último paso de conversión en electricidad por un generador, recolectando y volviendo a irradiar áreas iguales y máximas de absortividad y emisividad ( = 1, = 1) y luego sustituyendo en la primera ecuación da

Eficiencia de concentración solar.png

El gráfico muestra que la eficiencia general no aumenta de manera constante con la temperatura del receptor. Aunque la eficiencia del motor térmico (Carnot) aumenta con una temperatura más alta, la eficiencia del receptor no lo hace. Por el contrario, la eficiencia del receptor está disminuyendo, ya que la cantidad de energía que no puede absorber (Q perdida ) aumenta en una cuarta potencia en función de la temperatura. Por tanto, existe una temperatura máxima alcanzable. Cuando la eficiencia del receptor es nula (curva azul en la figura siguiente), T max es:

Existe una temperatura T opta por la cual la eficiencia es máxima, es decir . cuando la derivada de eficiencia relativa a la temperatura del receptor es nula:

En consecuencia, esto nos lleva a la siguiente ecuación:

Resolver esta ecuación numéricamente nos permite obtener la temperatura de proceso óptima de acuerdo con el índice de concentración solar (curva roja en la figura siguiente)

C 500 1000 5000 10000 45000 (máx. Para la Tierra)
T max 1720 2050 3060 3640 5300
T optar 970 1100 1500 1720 2310

SolarConcentration max opt temperature.png

Dejando de lado las eficiencias teóricas, la experiencia del mundo real de la CSP revela un déficit del 25% al ​​60% en la producción proyectada, una buena parte de la cual se debe a las pérdidas prácticas del ciclo de Carnot no incluidas en el análisis anterior.

Costo

Ya en 2011, la rápida caída del precio de los sistemas fotovoltaicos llevó a proyecciones de que la CSP ya no será económicamente viable. A partir de 2020, las estaciones de energía solar concentrada a escala de servicios públicos menos costosas en los Estados Unidos y en todo el mundo son cinco veces más caras que las centrales fotovoltaicas a escala de servicios públicos , con un precio mínimo proyectado de 7 centavos por kilovatio-hora para la CSP más avanzada. estaciones contra mínimos históricos de 1,32 centavos por kWh para fotovoltaica a escala de servicios públicos. Esta diferencia de precio de cinco veces se ha mantenido desde 2018.

Aunque el despliegue general de CSP sigue siendo limitado, el costo nivelado de la energía de las plantas a escala comercial ha disminuido significativamente en los últimos años. Con una tasa de aprendizaje estimada en alrededor del 20% de reducción de costos por cada duplicación de la capacidad, el costo se acercaba al límite superior del rango de costos de combustibles fósiles a principios de la década de 2020 impulsado por esquemas de apoyo en varios países, incluidos España, EE. UU., Marruecos , Sudáfrica, China y los Emiratos Árabes Unidos:

LCOE de energía solar de concentración de 2006 a 2019]

El despliegue de CSP se ha ralentizado considerablemente ya que la mayoría de los mercados mencionados han cancelado su apoyo, ya que la tecnología resultó ser más cara por kWH que la energía solar fotovoltaica y eólica. Algunos esperan que la CSP en combinación con el almacenamiento de energía térmica (TES) sea más barata que la fotovoltaica con baterías de litio para duraciones de almacenamiento superiores a 4 horas por día, mientras que NREL espera que para 2030 la fotovoltaica con baterías de litio de almacenamiento de 10 horas cueste lo mismo que PV con almacenamiento de 4 horas solía costar en 2020.

Incentivos y Mercados

España

Central Solar Andasol en España.

En 2008, España lanzó el primer mercado de CSP a escala comercial en Europa. Hasta 2012, la generación de electricidad termosolar era inicialmente elegible para el pago de la tarifa de alimentación (art. 2 RD 661/2007), lo que llevó a la creación de la flota de CSP más grande del mundo, que con 2,3 GW de capacidad instalada aporta alrededor de 5 TWh de energía a la red española cada año. Los requisitos iniciales para las plantas en el FiT fueron:

  • Sistemas inscritos en el registro de sistemas antes del 29 de septiembre de 2008: 50 MW para sistemas termosolares.
  • Sistemas registrados después del 29 de septiembre de 2008 (solo PV).

Los límites de capacidad para los diferentes tipos de sistemas fueron redefinidos durante la revisión de las condiciones de aplicación cada trimestre (art. 5 RD 1578/2008, Anexo III RD 1578/2008). Previo al final de un período de solicitud, los límites de mercado especificados para cada tipo de sistema se publican en la página web del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio (art. 5 RD 1578/2008). Debido a preocupaciones por los costes, España ha detenido la aceptación de nuevos proyectos para la tarifa de alimentación el 27 de enero de 2012 Los proyectos ya aceptados se vieron afectados por un "impuesto solar" del 6% sobre las tarifas de alimentación, reduciendo efectivamente la tarifa de alimentación. arancel.

En este contexto, el Gobierno español promulgó en 2013 el Real Decreto-ley 9/2013, destinado a la adopción de medidas urgentes para garantizar la estabilidad económica y financiera del sistema eléctrico, sentando las bases de la nueva Ley 24/2013 del Sector eléctrico español. Este nuevo marco jurídico-económico retroactivo aplicado a todos los sistemas de energías renovables fue desarrollado en 2014 por el RD 413/2014, que derogó los antiguos marcos regulatorios establecidos por el RD 661/2007 y el RD 1578/2008 y definió un nuevo esquema retributivo para estos activos.

Después de una década perdida para la CSP en Europa, España anunció en su Plan Nacional de Energía y Clima la intención de agregar 5GW de capacidad CSP entre 2021 y 2030. Con este fin, se esperan subastas bianuales de 200 MW de capacidad CSP a partir de 2021. pero aún no se conocen los detalles.

Australia

Hasta ahora no se ha encargado ningún proyecto de CSP a escala comercial en Australia, pero se sugirieron varios proyectos. En 2017, el desarrollador estadounidense de CSP, SolarReserve, ahora en bancarrota, recibió un PPA para realizar el Proyecto de energía solar térmica Aurora de 150MW en Australia del Sur a una tasa histórica baja de solo AUD $ 0.08 / kWh o cerca de USD $ 0.06 / kWh. Lamentablemente, la empresa no consiguió la financiación y el proyecto se canceló. Otra aplicación prometedora para la CSP en Australia son las minas que necesitan electricidad las 24 horas del día, los 7 días de la semana, pero que a menudo no tienen conexión a la red. Vast Solar, una empresa de nueva creación que tiene como objetivo comercializar un novedoso diseño de CSP modular de tercera generación, está buscando comenzar la construcción de una instalación de 50MW combina CSP y PV en Mt. Isa , en el noroeste de Queensland, en 2021.

A nivel federal, en virtud del Objetivo de energía renovable a gran escala (LRET), en funcionamiento en virtud de la Ley de electricidad de energía renovable de 2000, la generación de electricidad termosolar a gran escala a partir de centrales eléctricas RET acreditadas puede tener derecho a crear certificados de generación a gran escala (LGC) ). Estos certificados pueden luego venderse y transferirse a entidades responsables (generalmente minoristas de electricidad) para cumplir con sus obligaciones en virtud de este esquema de certificados negociables. Sin embargo, dado que esta legislación es tecnológicamente neutra en su funcionamiento, tiende a favorecer tecnologías de energía renovable más consolidadas con un coste de generación más nivelado, como la energía eólica terrestre a gran escala, en lugar de la termosolar y la CSP. A nivel estatal, las leyes de alimentación de energía renovable generalmente están limitadas por la capacidad máxima de generación en kWp, y están abiertas solo a la generación a escala micro o media y, en varios casos, solo están abiertas a la generación solar fotovoltaica (fotovoltaica). Esto significa que los proyectos de CSP a mayor escala no serían elegibles para el pago de incentivos de alimentación en muchas de las jurisdicciones estatales y territoriales.

porcelana

En 2016, China anunció su intención de construir un lote de 20 proyectos de demostración de CSP tecnológicamente diversos en el contexto del 13.o Plan Quinquenal , con la intención de construir una industria de CSP competitiva internacionalmente. Desde que se completaron las primeras plantas en 2018, la electricidad generada a partir de las plantas con almacenamiento térmico se respalda con un FiT establecido administrativamente de 1,5 RMB por kWh. A fines de 2020, China operó un total de 545 MW en 12 plantas de CSP, siete plantas (320 MW) son torres de sales fundidas; otras dos plantas (150MW) utilizan el diseño de colectores cilindroparabólicos Eurotrough 150, tres plantas (75 MW) utilizan colectores Fresnel de revestimiento. Los planes para construir un segundo lote de proyectos de demostración nunca se promulgaron y se desconoce el apoyo adicional de tecnología específica para CSP en el próximo 14º Plan Quinquenal . El soporte actual está establecido para los proyectos restantes del lote de demostración y se agotará a fines de 2021.

India

En marzo de 2020, SECI convocó licitaciones de 5000 MW que pueden ser una combinación de energía solar fotovoltaica, solar térmica con almacenamiento y energía a base de carbón (mínimo 51% de fuentes renovables) para suministrar energía las 24 horas con un mínimo del 80% de disponibilidad anual.

Futuro

Un estudio realizado por Greenpeace Internacional , la Asociación de Electricidad Solar Térmica Europea y la Agencia Internacional de la Energía 's SolarPACES grupo investigó el potencial y futuro de la energía solar concentrada. El estudio encontró que la energía solar concentrada podría representar hasta el 25% de las necesidades energéticas del mundo para 2050. El aumento de la inversión sería de 2 mil millones de euros en todo el mundo a 92,5 mil millones de euros en ese período de tiempo. España es líder en tecnología de energía solar por concentración, con más de 50 proyectos aprobados por el gobierno en proceso. Además, exporta su tecnología, lo que aumenta aún más la participación de la tecnología en energía en todo el mundo. Debido a que la tecnología funciona mejor con áreas de alta insolación (radiación solar), los expertos predicen el mayor crecimiento en lugares como África, México y el suroeste de Estados Unidos. Indica que los sistemas de almacenamiento térmico basados ​​en nitratos ( calcio , potasio , sodio , ...) harán que las plantas termosolares sean cada vez más rentables. El estudio examinó tres resultados diferentes para esta tecnología: ningún aumento en la tecnología CSP, la inversión continua como ha sido en España y EE. UU. Y, finalmente, el verdadero potencial de la CSP sin barreras para su crecimiento. Los resultados de la tercera parte se muestran en la siguiente tabla:

Año
Inversión anual

Capacidad acumulada
2015 21 mil millones de euros 4.755 MW
2050 174.000 millones de euros 1.500.000 MW

Por último, el estudio reconoció cómo la tecnología de la CSP estaba mejorando y cómo esto daría lugar a una disminución drástica de los precios para 2050. Predijo una caída del rango actual de 0,23–0,15 € / kWh a 0,14–0,10 € / kWh.

La Unión Europea estudió el desarrollo de una red de plantas de energía solar por valor de 400.000 millones de euros (774.000 millones de dólares estadounidenses) con base en la región del Sahara utilizando tecnología CSP que se conocerá como Desertec , para crear "una nueva red libre de carbono que vincule a Europa, Oriente Medio y África del Norte". El plan fue respaldado principalmente por industriales alemanes y predijo una producción del 15% de la energía de Europa para 2050. Marruecos era un socio importante en Desertec y como apenas tiene el 1% del consumo de electricidad de la UE, podría producir energía más que suficiente para todo el país con un gran excedente energético para entregar a Europa. Argelia tiene la mayor área de desierto, y la empresa privada argelina Cevital se inscribió en Desertec. Con su extenso desierto (el mayor potencial de CSP en las regiones del Mediterráneo y Medio Oriente ~ alrededor de 170 TWh / año) y su ubicación geográfica estratégica cerca de Europa, Argelia es uno de los países clave para asegurar el éxito del proyecto Desertec. Además, con la abundante reserva de gas natural en el desierto argelino, esto fortalecerá el potencial técnico de Argelia en la adquisición de Centrales Híbridas Solar-Gas para la generación de electricidad las 24 horas. La mayoría de los participantes se retiraron del esfuerzo a finales de 2014.

La experiencia con las primeras plantas de CSP de su tipo en los EE. UU. Fue mixta. Solana en Arizona e Ivanpah en California indican grandes déficits de producción en la generación de electricidad entre el 25% y el 40% en los primeros años de operación. Los productores culpan a las nubes y al clima tormentoso, pero los críticos parecen pensar que hay problemas tecnológicos. Estos problemas están provocando que las empresas de servicios públicos paguen precios inflados por la electricidad al por mayor y amenazan la viabilidad a largo plazo de la tecnología. A medida que los costos fotovoltaicos continúan cayendo en picado, muchos piensan que la CSP tiene un futuro limitado en la producción de electricidad a escala de servicios públicos. En otros países, especialmente en España y Sudáfrica, las plantas de CSP han cumplido con los parámetros diseñados.

La CSP tiene otros usos además de la electricidad. Los investigadores están investigando los reactores solares térmicos para la producción de combustibles solares, haciendo de la energía solar una forma de energía totalmente transportable en el futuro. Estos investigadores utilizan el calor solar de la CSP como catalizador de la termoquímica para romper moléculas de H 2 O, para crear hidrógeno (H 2 ) a partir de energía solar sin emisiones de carbono. Al dividir tanto el H 2 O como el CO 2 , otros hidrocarburos muy utilizados, por ejemplo, el combustible de aviación utilizado para volar aviones comerciales, también podrían crearse con energía solar en lugar de con combustibles fósiles.

Plantas de energía solar a muy gran escala

Ha habido varias propuestas para plantas de energía solar a muy gran escala de un tamaño de gigavatios. Incluyen la propuesta Euromediterránea Desertec y el Proyecto Helios en Grecia (10 GW), ambos ahora cancelados. Un estudio de 2003 concluyó que el mundo podría generar 2.357.840 TWh cada año a partir de plantas de energía solar a gran escala utilizando el 1% de cada uno de los desiertos del mundo. El consumo total en todo el mundo fue de 15.223 TWh / año (en 2003). Los proyectos de tamaño de gigavatios habrían sido conjuntos de plantas individuales de tamaño estándar. En 2012, el BLM puso a disposición 97,921,069 acres (39,627,251 hectáreas) de tierra en el suroeste de los Estados Unidos para proyectos solares, suficiente para entre 10,000 y 20,000 GW. La planta individual más grande en funcionamiento es la estación de energía solar Noor de 510 MW . En 2022, la cuarta fase de CSP de 700 MW del parque solar Mohammed bin Rashid Al Maktoum de 5GW en Dubai se convertirá en el mayor complejo solar con CSP.

Sitios adecuados

Los lugares con mayor irradiancia directa son secos, a gran altitud y ubicados en los trópicos . Estas ubicaciones tienen un mayor potencial de CSP que las áreas con menos sol.

Las minas a cielo abierto abandonadas , las pendientes moderadas de las colinas y las depresiones de los cráteres pueden ser ventajosas en el caso de la CSP de la torre de energía, ya que la torre de energía se puede ubicar en el suelo integral con el tanque de almacenamiento de sales fundidas.

Efectos ambientales

La CSP tiene una serie de efectos ambientales, particularmente en el uso del agua, el uso de la tierra y el uso de materiales peligrosos. El agua se usa generalmente para enfriar y limpiar espejos. Algunos proyectos están estudiando varios enfoques para reducir el uso de agua y agentes de limpieza, incluido el uso de barreras, revestimientos antiadherentes en espejos, sistemas de nebulización de agua y otros.

Efectos sobre la vida silvestre

Curruca muerta quemada en el aire por una planta de energía solar térmica

Los insectos pueden ser atraídos por la luz brillante causada por la tecnología solar concentrada y, como resultado, las aves que los cazan pueden morir quemadas si vuelan cerca del punto donde se enfoca la luz. Esto también puede afectar a las aves rapaces que cazan aves. Los opositores citaron a los funcionarios federales de vida silvestre que llamaron a las torres de energía de Ivanpah "mega trampas" para la vida silvestre.

Según informes rigurosos, en más de seis meses, se contaron 133 aves chamuscadas. Al enfocar no más de cuatro espejos en cualquier lugar en el aire durante el modo de espera, en Crescent Dunes Solar Energy Project , en tres meses, la tasa de mortalidad cayó a cero. Aparte de en los EE. UU., No se han reportado muertes de aves en plantas de CSP a nivel internacional.

Ver también

Referencias

enlaces externos