Energía Eléctrica Energía Térmica Energía Mecánica

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1 Energía SOLAR

2 Energía Eléctrica Energía Térmica Energía Mecánica

3 Energía SOLAR La fuente de energía más constante con la que cuenta nuestro planeta es la proveniente del sol, que alcanza en promedio W/m2 [NASA, 2005] en la capa exterior de la atmósfera. La energía recibida en la superficie de la tierra se conoce como irradiancia, energía que depende de la hora del día, la inclinación de los rayos del sol y la cobertura de las nubes. La energía solar es el recurso energético más abundante en la tierra, la superficie del planeta en una hora recibe el equivalente al total de energía consumida por todos los humanos en un año. Ésta puede ser aprovechada de diversas maneras, tanto para generar electricidad (energía eléctrica) como calor (energía térmica), pero tiene el inconveniente de que sólo se recibe durante el día, por lo que se requiere la combinación con otras fuentes de energía o bien la inclusión de sistemas de almacenamiento, como por ejmplo baterías. La energía solar puede ser transformada directamente en energía eléctrica mediante sistemas fotovoltaicos, aprovechada como calor para generación eléctrica indirectamente, mediante sistemas de concentración solar de potencia o, utilizada para calentar agua a través de colectores solares. Tanto la tecnología fotovoltaica, como los colectores solares son modulares y escalables, desde pequeños sistemas para uso domiciliario hasta grandes instalaciones para fines industriales. Mientras que los sistemas de concentración solar de potencia (CSP), en general, requieren instalaciones de gran escala para ser viables, excepto tecnologías basadas en discos Stirling que también gozan de modularidad. El denominado Cinturón de Sol, que va desde los 35 N hasta los 35 S, alcanza a cubrir casi la mitad del país, posibilitando el desarrollo de tecnologías de energía solar en esta área, con un potencial prácticamente ilimitado desde el punto de vista del recurso [EPIA, 2010/Estela Solar]. Además, las zonas del desierto otorgan grandes extensiones de tierras disponibles. Se estima que el potencial bruto de capacidad instalable, que posee Chile para generación de energía eléctrica a partir de energía solar es de MW [USM, 2008]. A pesar de la existencia de sectores con gran cantidad de radiación solar incidente en el país, en la actualidad el desarrollo industrial de la energía solar en Chile es aún incipiente, siendo las aplicaciones de pequeña escala de sistemas fotovoltaicos y de colectores solares, las que se han posicionando como una alternativa utilizada. A diciembre de 2010 existen 9 grandes proyectos de generación, ingresados al sistema de evaluación de impacto ambiental [SEIA]. 2.

4 Fotovoltaica (PV) Energía eléctrica Los sistemas fotovoltaicos (PV por sus siglas en inglés) están constituidos basicamente por la celda PV, la cual está compuesta por un semiconductor capaz de convertir la energía solar en electricidad de corriente continua (CC). Mientras mayor sea la intensidad de la radiación solar incidente, mayor será el flujo de electricidad producido, pues representa el recurso esencial para la instalación de sistemas fotovoltaicos. La disponibilidad de radiación solar es oscilante a lo largo del año, aunque Chile se caracteriza por poseer una buena recepción de radiación, en general, en todo el país. Un sistema fotovoltaico no requiere necesariamente luz brillante directa para operar, sino que también es posible generar electricidad en días nublados. Gracias a la reflección de la luz, días ligeramente nublados pueden dar mejores resultados que días completamente despejados. Los módulos PV comerciales pueden ser divididos en dos grandes categorías: - Silicio Cristalino, estos representan entre un 85% y 90% del mercado mundial y se subdividen en dos grandes categorías, i) mono cristalinos y ii) policristalinos. - Thin Films, corresponden a entre un 10% y 15% de las ventas de módulos PV en el mundo y se subdividen en tres familias, i) Silicio amorfo y micromorfo, ii) Cadmium Telluride y iii) Copper-Indium-Diselenide. Existen también otras tecnologías emergentes como las siguientes: - Concentración fotovoltaica (CPV), basa su operación en el uso de un sistema de concentrador óptico el cual enfoca la radicación solar a una celda pequeña de alta eficiencia. En la actualidad se encuentran siendo 3. testeados en proyectos pilotos. - Celdas solares orgánicas: se encuentran por entrar al mercado en aplicaciones tipo nicho. - Además, existen otros conceptos novedosos con potenciales significativos dados su reducción de costo y mejora de desempeño. Estos últimos apuntan a lograr eficiencias ultra altas a través de la utilización de materiales avanzados y nuevos conceptos y procesos de conversión. Estos módulos, al ser combinados con componentes adicionales del sistema como inversores, baterías, componentes eléctricos y sistemas de montaje, componen los sistemas PV. Estos sistemas pueden ser unidos unos a otros para alcanzar capacidades desde algunos watts a decenas de megawatts (MW), lo que los hace altamente modulares. Los principales componentes auxiliares de los paneles fotovoltaicos son los sistemas de almacenamiento de energía, que permiten obtener electricidad en las horas de reducida o nula radiación, reguladores de carga y transformadores. El rango de potencia asociado a esta familia de tecnologías es bastante amplio, con potencias que permiten abastecer desde la demanda básica domiciliaria. Gracias a que los paneles pueden ser utilizados en paralelo, prácticamente sin limitación de número, es posible abastecer demandas mayores e incluso, conectarse a la red local de distribución, aunque requiriendo grandes extensiones deextensiones de suelo para su instalación. La ubicación de los paneles debe realizarse en zonas donde haya poca obstrucción a la radiación solar. Técnicamente, son pocos los requisitos, pues es una tecnología de instalación y mantención

5 sencilla c uando s e trata de e scalas pequeñas como e l abastecimiento de e lectricidad a n ivel doméstico. En términos generales, e l factor de planta varía entre 1 1 y 30% dependiendo d e los niveles de r adiación [IEA 2010, T ech. R oadmap] y s u eficiencia d e conversión entre varía según el tipo de tecnología y se encuentra en valores entre 6% y 25%. [MIT, 2008]. Actualmente, los costos d e inversión asociados b ordean los USD por k W instalado para e l sector d e servicios [IEA 2010, Tech. Roadmap], sin embargo, las proyecciones son auspiciosas. Para el año 2020 se prevé una reducción a USD y para el 2050, USD 800 [IEA, 2010]. En términos de operación y mantenimiento, anualmente se estima en un 1% de la inversión [IEA 2010, Tech. Roadmap]. Al año 2010 se cuentaba con una capacidad total de 27 GW de paneles fotovoltaicos instalados en el mundo, lo que corresponde tan solo al 1% de la energía generada [IEA, 2010]. En Chile sólo existen aplicaciones a menor escala, no conectadas a la red. A continuación se describen las p rincipales tecnologías d e aprovechamiento de energía solar para la generación de electricidad. 4.

6 Paneles de silicio cristalino El p rincipio d e funcionamiento d e estas tecnologías e s la c onversión de r adiación solar e n electricidad por medio de c eldas fotosensibles colocadas f ormando p aneles, los que capturan la radiación del sol y generan un flujo d e electrones que e s transportado a través de u n material s emiconductor. L as tecnologías que u tilizan p aneles d e silicio cristalino se clasifican e n las que u san sólo una c apa (monocristalinos) y las que utilizan 2 o más capas (policristalinos). Entre el 85%-90% d e los módulos d e paneles solares están basados en cristales de silicio, y se espera que se mantenga esta tendencia al menos hasta el año 2020 [IEA, 2008]. los costos d e fabricación y la cantidad d e silicio ( grs/w) contenido e n ellos. A ún así s e puede encontrar para uso comercial en Chile, con diversas a plicaciones p rincipalmente a pequeña escala. A gran escala, actualmente se está c onstruyendo u n complejo q ue p royecta un factor de planta de aproximadamente 31% [Solarpack, 2010] el que incorpora sistemas de seguimiento del sol. Corresponde a una t ecnología con elevado nivel de m adurez por l o que puede ser encontrada a n ivel comercial. S in e mbargo, aún se e stán d esarrollando modelos nuevos de p aneles p ara mejorar e ficiencia, d isminuir 5.

7 Silicio monocristalino Los paneles monocristalinos se fabrican a partir de rebanadas finas cortadas de un solo cristal de silicio. La potencia de los paneles es escalable y o scila entre 80 y 200 Wp ( Watt p eak) por panel. L os costos de i nversión d el sistema fotovoltaico, incluyendo estructuras de montaje, inversores, cables, e tc., e stán e ntre U SD/KWp y 6.250, y l os c ostos d e operación y mantenimiento para e sta tecnología corresponden a proximadamente al 1% d e la inversión [IEA 2010, Tech. Roadmap]. telecomunicaciones, d esarrollo social, electrificación rural y responsabilidad social en el norte grande. Hoy en día el valor del W peak (Wp) se está e quiparando con policristalinos y otras tecnologías solares. En c oncreto, e n Chile encontramos este t ipo de tecnología en el proyecto Pica Solar, actualmente en ingeniería de detalle. Usualmente, alcanzan un f actor de p lanta entre un 11% y un 30% [NREL, 2010], con una eficiencia de c onversión actual d e entre 15%-19% [IEA, 2010 T ech. R oadmap], proyectada para el período de 21%, mientras para el 2020 y 2050 es de 23% y 25%, respectivamente [IEA 2010, Tech. Roadmap]. En C hile e stá presente e n aplicaciones d e pequeña escala y s istemas eléctricos a islados (off-grid), d estacando proyectos de 6.

8 Silicio policristalino Los paneles policristalinos se fabrican a partir de un solo bloque de cristales, que incluyen no sólo silicio. La eficiencia de conversión de este tipo de paneles fluctúa entre u n 14% 20% [IEA 2010, T ech. Roadmap]. Usualmente, alcanzan u n factor d e planta c ercano al 20% [NREL, 2010]. La p otencia d e los paneles es escalable y oscila entre 5 y 300 Wp (Watt peak) por unidad. Los costos de inversión del sistema fotovoltaico, incluyendo e structuras de montaje, inversores, cables, e tc., e stán entre USD/KWp y 6.250, y l os c ostos de operación y mantenimiento p ara esta tecnología corresponden aproximadamente al 1% de la inversión [IEA 2010, Tech. Roadmap]. A pesar d e que n o se utiliza e n proyectos arquitectónicos como f achadas, s u implementación es a decuada para instalaciones r esidenciales o, cuando el espacio no es un factor limitante. Hasta el año 2003, gran parte de los proyectos PV p resentes e n sistemas eléctricos aislados (off-grid) desarrollados en Chile, corresponden a tecnología policristalinos. El costo medio de la energía se encuentra en el orden de los 23,3 a 36,3 centavos USD por kwh. El proyecto completo tiene un costo de entre y U SD/KWp, y los costos de operación y mantenimiento p ara esta tecnología corresponden a proximadamente a 400 U SD/sitio/año, asociados, principalmente, a labores de revisión y limpieza. Es una tecnología más antigua que requiere de mayor superficie y e s menos e ficiente, p ero es d e menor c osto que l a monocristalina. 7.

9 Thin Film Esta tecnología se aplica para obtener electricidad, con un rango de potencia variable, desde sistemas muy simples hasta grandes sistemas de electrificación. Estos paneles se encuentran usualmente en rollos, los que equivalen a varios paneles unidos longitudinalmente. Los Thin Film se construyen depositando capas muy delgadas de materiales fotovoltaicos sobre un soporte de bajo costo, tal como vidrio, acero inoxidable o plástico, lo que resulta en menores costos de producción en comparación con la tecnología de cristalinos. Sin embargo, estos menores costos de producción se compensan con las tasas de eficiencia más bajas que se obtienen con esta tecnología. Comercialmente, los materiales utilizados en la fabricación de estos paneles son: el Silicio amorfo (a-si, la estructura no sigue una configuración cristalina), Cadmium Telluride (CdTe, Cadmio Telurio), Copper Indium/Gallium Diselenide/Disulphide (CIS, CIGS) y Multi junction cells (a-si/m-si). Los Thin Films más utilizados en la actualidad son los producidos con Silicio amorfo. La potencia de los paneles es escalable y oscila entre 20 y 200 Wp (Watt peak) por panel y, usualmente, tienen un factor de planta promedio de 20%, normalmente entre 11% y 30% [NREL, 2010], con una eficiencia de conversión de entre 6% y 12% [IEA 2010, Tech. Roadmap]. Al se espera que la eficiencia llegue a estar entre 15% y 18%. Los costos de inversión del sistema fotovoltaico, incluyendo estructuras de montaje, inversores, cables, etc., están entre USD/KWp y 2.250, y los costos de operación y mantenimiento para esta tecnología corresponden aproximadamente al 1% de la inversión [IEA 2010, Tech. Roadmap]. Para un proyecto completo, los costos de inversión están entre y USD/KWp, incluyendo el requerimiento de mano de obra especializada. Si bien las eficiencias logradas con esta tecnología aún son bajas, el alto nivel de automatización que pueden alcanzar en su operación, la escasa sensibilidad al sobrecalentamiento (en general los paneles disminuyen su desempeño al elevarse su temperatura), su mejor apariencia y factibilidad de ser colocados en edificios, los ha hecho ver aumentada su demanda. Se espera desarrollar la tecnología que permita el aumento en los rendimientos de estos paneles y disminuir los costos de fabricación, pues aún se pueden ahorrar costos por concepto de construcción y requerimientos de espacio. Se puede encontrar a nivel comercial, pero la tecnología sigue bajo estudio y mejora permanente, teniendo como foco principal aumentar la eficiencia. Hoy en día se encuentran en aplicaciones especiales como fachadas, techos solares, reemplazo de vidrios, entre otros. 8.

10 Silicio Amorfo (a-si) Los paneles solares de silicio amorfo (a-si) se forman mediante e l depósito de d iferentes tipos d e silicio t ratado s obre u n substrato de vidrio. En p rimer l ugar, u n óxido conductor transparente ( TCO) se a plica a u n sustrato de vidrio s eguido d e un t razado con láser para e stablecer los límites d e las c eldas. A continuación, las c apas silicio tipo p-i-n, se depositan e n el T CO. Esta c apas tipo p-i-n permiten que l os fotones actúen para excitar a los pares electrón-hueco. L as c apas de silicio son nuevamente trazadas y, finalmente, se i ncorporan los contactos que c onectan las celdas recién formadas. Esta t ecnología utiliza silicio d e menor calidad y s u eficiencia d isminuye con el aumento de la temperatura. Está disponible en formato de módulos, tiene baja eficiencia pero a la vez, menor costo. Es el más utilizado y se encuentra e n diversas a plicaciones, desde calculadoras h asta p royectos d e generación eléctrica. La p otencia e n este tipo de t ecnología oscila entre 0,1 y 150 W p (Watt peak) y la eficiencia d e conversión de e ste tipo de paneles e s de entre 6 % y 9%. Los costos de inversión del sistema fotovoltaico, incluyendo estructuras de montaje, inversores, cables, etc., están entre USD/KWp y 2.250, y los costos de operación y mantenimiento para esta tecnología corresponden aproximadamente al 1% de la inversión [IEA 2010, Tech. Roadmap]. En Chile e stá presente a n ivel de proyectos sociales, e lectrificación rural y proyectos residenciales. C omo r eferencia s e puede mencionar una planta de 250 MW que se p retende i nstalar e n Chile [ SEIA, 2011]. El costo medio de la energía se encuentra en el orden de los 23,3 a 36,3 centavos USD por kwh. 9.

11 Concentración Fotovoltáica (CPV) Esta tecnología utiliza un elemento óptico para concentrar la luz del sol entre veces, utilizando sólo 1 cm2 de celdas por unidad, llegando a 1/1000 de la cantidad de material de celdas solares utilizadas en sistemas fotovoltaicos tradicionales. Es por esto que la eficiencia de este sistema se aproxima al 40% y su rendimiento no se ve afectado por el aumento de la temperatura. El factor de planta es del orden de 11 a 30%. Es de diseño robusto, originalmente, concebido para el exigente entorno de los satélites en el espacio, utilizando materiales inmunes a la degradación UV de largo plazo, totalmente cerrado sin espejos expuestos, refrigeración pasiva para la alta confiabilidad y bajo costo, y el rango de capacidad es escalable en cientos de kw hasta instalaciones superiores a los 50 MW. Debido a que en esencia la óptica de concentración corresponde a telescopios, los CPV sólo ven una pequeña parte del cielo, por lo que deben permanecer en línea con el sol con el fin de proporcionar el beneficio para concentrarse. Cuanto mayor sea el nivel de concentración, más estrecho es el ángulo de captación solar y, por ende, aquellos concentradores por encima de 3 veces, requieren de sistema de seguimiento en uno o dos ejes. Se estima que el costo medio de inversión es de USD/kW, con un costo de operación de sólo 9 USD/kW al año. El costo medio de la energía es cercano a 26,6 centavos USD por kwh. Esta tecnología está en etapa de investigación y desarrollo desde los años 70s, a pesar de que desde hace algunos años es posible encontrarla en etapa comercial. Existen algunas instalaciones en países como EEUU, México, España, Italia, Grecia y Australia [SolFocus, 2011]. 10.

12 Concentración Solar de Potencia (CSP) Energía eléctrica y térmica Las Centrales Solares T ermoeléctricas, comúnmente c onocidas como p lantas de CSP ( Concentrated Solar Power ), generan energía eléctrica mediante e l uso de espejos p ara concentrar la energía s olar, de modo de calentar u n fluido calor portador que posteriormente genera vapor que ingresa a una turbina (CIEMAT, 2009). TIPO DE FOCOS Actualmente, las t ecnologías d e generación eléctrica mediante C SP pueden agruparse en cuatro c ategorías p rincipales, dependiendo de l a manera e n que enfocan l os r ayos solares y la tecnología empleada para recibir la energía s olar: R eflectores lineales de F resnel (FLR); C olectores Cilindro Parabólicos (CCP); Torres C entrales (CRS); y Discos Parabólicos (PD). Estas familias d e tecnologías a s u vez pueden s er clasificadas s egún e l tipo de f oco y movilidad d e sus receptores, tal como s e muestra en l a Tabla 1, a daptada del CSP Technology R oadmap d e la IEA (OECD/IEA, 2010). Tipo de Receptor Receptor Fijo Receptor queda fijo mientras concentradores siguen el sol Receptor Móvil Receptor se mueve solidariamente con concentrador Foco Lineal Colectores siguen el sol en un eje. Concentran sobre un receptor lineal Reflectores lineales de Fresnel Cilindro Parabólicos Foco Puntual Colectores siguen al sol en dos ejes. Concentran sobre un receptor puntual Torres centrales Discos Parabólicos 11.

13 Existen además aplicaciones en procesos de desalinización de agua. Para dar flexibilidad a la producción de energía, los sistemas CSP comúnmente se combinan con sistemas de almacenamiento de energía térmica, que utilizan sales fundidas; o, con sistemas de respaldo para obtención de energía basados en combustibles o fuentes tales como viento, biomasa, entre otros. Además del requerimiento de radiación solar que presenta esta familia tecnológica, se hace necesaria también la disponibilidad de agua, tanto para enfriamiento como para limpieza de espejos. En algunos sitios pueden utilizarse sistemas de enfriamiento por aire, los que pueden disminuir considerablemente el consumo de agua reduciendo ligeramente la eficiencia. El rango de potencia es variable en estas tecnologías, existiendo sistemas que pueden generar desde 10 kw de potencia hasta proyectos sobre los 200 MW [EREC], permitiendo abastecer una amplia gama de demandas y hasta conectarse a la red local de distribución. El factor de planta en la actualidad es cercano al 30% [NREL, 2010], con posibilidades de duplicarlos mediante sistemas de almacenamiento térmico. Respecto de la eficiencia de conversión, esta se encuentra entre 15% y 35% dependiendo de la tecnología específica de que se trate [IEA 2010, Tech. Roadmap]. Las principales barreras que deben enfrentar las tecnologías CSP tienen relación con el bajo costo de los combustibles fósiles - en especial en países que, por medio de subsidios, mantienen valores de estos combustibles menores a los globales - la escasez de agua, los permisos y acceso a la red, pues muchas veces los lugares óptimos que cuentan con agua y radiación solar se encuentran alejados de los puntos de consumo. En particular, en Chile la mayor cantidad de radiación solar incidente se produce en el desierto. Además, cabe destacar que el norte de Chile presenta una serie de condiciones particularmente favorables para la introducción de tecnologías de concentración solar termoeléctrica (CSP): 1.- Goza de una de las mayores intensidades de irradiación solar en el mundo, con cielos despejados durante la gran mayoría del año, lo que permitiría diseñar plantas de generación eléctrica con menor cantidad de metros cuadrados de campos solares por MW a generar, el que se traduciría en una reducción del costo unitario de inversión. 12.

14 2.- En la misma zona geográfica (norte grande de Chile) se concentran grandes centros de consumo energético, tanto eléctrico como térmico, producto de la actividad económica del sector. Dado lo anterior, se podría contar con centrales de generación localizadas cercanamente a los puntos de consumo, evitando los sobre-costos y pérdidas por transmisión de la energía a través de las largas distancias. 3.- La existencia de una actividad industrial asentada en la zona -con sus respectivos servicios auxiliares e infraestructura vial desarrollada facilita la instalación de proyectos solares de generación de energía. 4.- Por último, Chile es el principal exportador de sales para almacenamiento térmico, actualmente en desarrollo para las plantas de CSP, por lo que pueden encontrarse nichos similares en los demás servicios auxiliares que esta industria requiere. En este sentido, el impacto económico y social (PIB, generación de empleo, formación de capital humano, sectores productivos, entre otros) es otro beneficio a considerar, sobre todo al momento de evaluar el costo neto que tendrían para el país los eventuales subsidios para la penetración de estas tecnologías. A partir del año 2006, España y EEUU se han transformado en países líderes en estas materias, implementando proyectos de gran escala. Si bien hoy no existen estas aplicaciones en nuestro país, el potencial de obtención de energía es prácticamente ilimitado desde el punto de vista de la disponibilidad del recurso. Chile cuenta con el desierto de Atacama en el norte del país que tiene uno de los niveles de radiación solar incidente más alto del mundo (sobre kwh/m2), lo que permite maximizar la eficiencia de estos sistemas. 13.

15 Cilindro parabólico Esta tecnología se aplica para obtener electricidad y energía térmica y posee un rango de potencia entre 50 y 300 MW [Estela Solar]. Consiste en un semi cilindro de espejos que concentran los rayos solares sobre una tubería central por la cual circula un fluido que transporta el calor, frecuentemente aceite sintético. Para la acumulación de la energía se utilizan sales fundidas. Sus principales componentes son los espejos, el sistema de conversión de energía, el sistema de enfriamiento y el fluido de trabajo. Se encuentra en etapa comercial y es la tecnología más madura y común de los CSP disponibles en la actualidad, en muchos casos con grandes sistemas de almacenamiento, aunque se sigue desarrollando para lograr mejoras en su rendimiento. Permiten ofrecer temperaturas máximas de 400 C [Estela Solar], eficiencia solar-térmica de 60% y solar-eléctrica de 15% [IEA 2010, Tech. Roadmap]. El factor de planta puede alcanzar un 40%, aunque se proyecta que pueda ser más alto en el futuro [SolarPaces]. Para funcionar sólo se requiere cielos despejados y alta radiación solar. Respecto del requerimiento de agua, éstos necesitan alrededor de L/MWh [IEA 2010, Tech. Roadmap]. Se esperan mejoras en la generación directa (vapor), en los materiales y en los sistemas de almacenamiento, lo que provocaría aumento en la eficiencia de conversión de energía. Los costos actuales para este tipo de tecnología se encuentran entre y USD por kw instalado [IEA, 2010], USD/kW sin almacenamiento, y USD/kW con almacenamiento, mientras los costos de operación y mantenimiento se estiman en alrededor de 70 a 140 USD/kW al año [Abengoa Solar, 2011]. El costo medio de la energía es cercano a 18,5 centavos USD/kWh. En EEUU hay diversas plantas que utilizan esta tecnología, como por ejemplo en California, operando desde la década de 1980 con una capacidad de 354 MW, y en Kramer Junction, planta que consiste de 5 parques con un potencial total de 150MW. En Chile no se cuenta con este tipo de instalaciones por ahora. 14.

16 Imagen: Base de imágenes CER Lineal Fresnel Esta tecnología se aplica para obtener electricidad y, en algunos casos, energía térmica. Las plantas desarrolladas con este sistema son principalmente pilotos de hasta 6 MW, aunque hay algunas más grandes en desarrollo de hasta sobre 150 MW [Estela Solar]. Este tipo de sistemas se aproximan a la forma parabólica de los sistemas de cilindro pero utilizando largas filas de espejos planos, o levemente curvos, de manera de reflejar los rayos solares en un receptor linear fijo. Un diseño reciente conocido como Compact Lineal Fresnel Reflectors (CLFRs), utiliza dos receptores paralelos por cada fila de espejos lo que lo hace requerir menos superficie que los cilindros parabólicos para producir una cierta cantidad de energía. La principal ventaja de este tipo de sistemas es que su simple diseño de espejos curvos flexibles y receptores fijos requiere menores costos de inversión y facilita la generación directa de vapor, eliminando de esta forma la necesidad y costos de fluidos de transferencia e intercambiadores de calor. Las plantas de este tipo son, sin embargo, menos eficientes que los cilindros parabólicos en convertir la 15. energía solar en eléctrica, además de resultar más complejo el incorporar capacidad de almacenamiento en su diseño. Se basa en la concentración de los rayos solares utilizando espejos ligeramente curvos que se orientan hacia un reflector secundario al cual se reflejan los rayos del sol hasta un absorbedor en el cual circula un fluido de trabajo, generando directamente vapor saturado. Los costos de inversión por superficie de espejo son menores que las otras tecnologías, pero su eficiencia no es muy alta. Los costos actuales para este tipo de tecnología se encuentran en USD/kWp [Solar- Paces]. El principio de funcionamiento es el mismo que el del cilindro parabólico, el factor de planta se puede estimar en 50%, mientras que la eficiencia en conversión de energía ronda el 30% [SolarPaces]. Los costos de operación y mantenimiento incluyen, gastos en agua de consumo y refrigeración, gastos de mantenimiento, y gastos de combustible en el caso de hibridación o respaldo. Una típica planta de 50 MW requiere alrededor de 30 empleados para la operación y 10 para mantenimiento en terreno. Los costos por este concepto se han evaluado desde 60 hasta 70 USD/MW/año. A medida que aumente el tamaño de la planta, los costos de operación y mantenimiento se hacen menores [OECD/AIE, 2010]. El costo medio de la energía se encuentra entre 42 y 46 centavos USD/kWh. Reflectores del tipo Linear Fresnel son una tecnología naciente con muchas posibilidades de mejora. La mayor ventaja es el diseño relativamente simple de los espejos, lo que puede implicar costos más bajos. Es uno de los conceptos más recientemente surgidos, por lo que no se ha alcanzado su pleno estado de madurez, aunque es posible encontrar aplicaciones de uso comercial. Surge como una alternativa para obtención de energía de forma eficiente en ciudades soleadas. A la vez, debido a su baja madurez no es posible aún obtener mejores rendimientos en el aprovechamiento de la energía, lo que impacta en el aumento en los costos porgeneración de electricidad. Algunos países líderes en la tecnología son EEUU, Alemania y Australia.

17 Torre de Concentración Esta tecnología se aplica para obtener electricidad y energía térmica, con un rango de potencia estimado entre 10 y 50 MW [Estela Solar]. Las torres solares, o sistemas de recepción central (CRS por sus siglas en inglés), utilizan cientos de miles de reflectores pequeños para concentrar los rayos solares en un receptor central ubicado en lo alto de una torre fija. Algunas plantas de torre comerciales en operación utilizan generación directa de vapor en sus receptores, mientras que otras utilizan sales molten como el fluido de transferencia de calor y el medio de almacenamiento. El poder de concentración del concepto de torre alcanza temperaturas sumamente altas, aumentando así la eficiencia por la cual el calor es convertido en electricidad y reduciendo los costos de almacenamiento térmico. Además, el diseño es altamente flexible, permitiendo a diseñadores escoger entre una gran variedad de helióstatos, receptores, fluidos de transferencia y bloques de poder. Algunas plantas cuentan con varias torres que alimentan un bloque de potencia. Funciona a través de la concentración de los rayos solares en la parte superior de una torre fija, lo que permite mayores temperaturas y eficiencias que los sistemas lineales. Pueden generar vapor saturado o sobresaturado directamente o utilizar sales fundidas, aire u otro fluido. Hoy en día, los campos solares de miles de pequeños heliostatos son una alternativa de menor costo para el diseño de campos, aunque cuentan con la complejidad adicional asociada al sistema de seguimiento de espejos y los sistemas de emergencia para los cambios de temperatura del receptor. El mantenimiento del sistema puede producir algunos residuos menores o cambios en condiciones naturales de escurrimientos de agua. Las partes básicas que conforman el sistema son los espejos, la torre de concentración, el sistema de conversión de energía térmica en eléctrica, el sistema de enfriamiento y el fluido de trabajo. El factor de planta se proyecta cercano al 60% [SolarPaces] para casos de almacenamiento térmico, y entre 35% a 38% sin almacenamiento, mientras la eficiencia en la conversión en la actualidad se encuentra del orden de 20% a 35% [IEA 2010, Tech. Roadmap]. Las torres que alimentan con aire a turbinas a gas en una planta de ciclo combinado pueden ofrecer eficiencias del orden del 35% [SolarPaces]. El capital necesario para instalar una torre se puede considerar aproximadamente USD/kW con almacenamiento mínimo y USD/kW con mayor nivel de almacenamiento y factor de planta de 70%. En términos de operación y mantenimiento, según datos del año 2008, los costos son de 66 USD/kW/año [EPA, 2008]. El costo medio de la energía es cercano a 17,4 centavos USD/kWh. Actualmente, existen una serie de diseños diferentes, en particular para el fluido de transferencia de calor, conservación de éste y ciclos termodinámicos. Las perspectivas a futuro indican que los principales diseños están siendo propuestos considerando una o varias torres y alternativas de diseños de receptores, así como diversas opciones de fluidos transportadores de calor y sistemas de almacenamiento. La tecnología aún no alcanza la madurez que permita obtener mejores rendimientos en el aprovechamiento de la energía, lo que impactaen el aumento en los costos por generaciónde electricidad. 16.

18 Un país líder es España, por sus dos plantas de Sevilla: el PS10 de 11 MW y el PS20 de 20 MW. Otros proyectos mayores se están desarrollando en Sudáfrica, Israel y el oeste de EEUU. En Chile no se cuenta con instalaciones de este tipo, sin embargo, hay perspectivas para construir una torre en el desierto en el Norte de Chile por sus niveles de radiación. Disco Parabólico Esta tecnología se aplica para obtener electricidad y energía térmica, con un rango de potencia estimado entre 10 y 25 kw por unidad [Estela Solar]. Los discos parabólicos concentran los rayos solares hacia un punto focal ubicado en sus centro. El aparato completo sigue al sol, con el disco y el receptor moviéndose en conjunto ofreciendo la mayor eficiencia en sistemas de baja capacidad de generación (decenas de kw). El calor es absorbido en un motor termodinámico que produce electricidad a partir de él, tipo Stirling de alta eficiencia con Hidrógeno o Helio y que cuenta con un sistema de enfriamiento que usa un fluido que trabaja en ciclo cerrado. La mayoría de los discos cuentan con un motor/generador 17. independiente en el punto focal. Este diseño elimina la necesidad de un fluido de transferencia y de agua de enfriamiento. Los discos ofrecen el mejor desempeño de conversión solar a electricidad de cualquier sistema CSP. Una serie de características, como su tamaño compacto, ausencia de agua de enfriamiento, entre otras, los ponen en competencia con módulos PV, así como también con otras tecnologías CSP. La producción en masa permite ser una tecnología competitiva con sistemas de mayor capacidad, con el beneficio de las economías de escala. Para su instalación requiere superficies de tierras entre 1,2 y 1,6 ha/mw. No necesita agua, salvo para lavar los espejos. No hay piezas que se utilicen únicamente para esta tecnología, y como cualquier diseño, requiere analizar aspectos como instalación, manufactura, ubicación de espejos, soportes, algoritmos de control, entre otros. El factor de planta se proyecta en 50-60% en el corto plazo [SolarPaces], mientras que la eficiencia en la conversión se encuentra alrededor de 25-30% [IEA 2010, Tech. Roadmap]. El costo de inversión de una planta de este tipo es de alrededor de USD/kW, [IEA ETP, 2008] con un costo de operación y mantenimiento estimado en 48,2 USD/kW al año [SolarPaces, 2011]. El costo medio de la energía es cercano a 28,3 centavos USD por kwh. La introducción de tuberías receptoras de calor independiente para cada unidad supone un aumento en la eficiencia estimada en

19 alrededor d e 10 [ SolarPaces]. E s una tecnología que s e encuentra e n etapa de desarrollo y mejoramiento, y tiene prácticamente e n funcionamiento s ólo plantas piloto, aunque algunos sistemas llevan 2 0 años e n pruebas sin g randes pérdidas en su rendimiento. Algunos p aíses, c omo EEUU y otros países de Europa, poseen p lantas piloto e n operación, como l a de S andia National Laboratories en Nuevo México. Hay una p lanta d e generación c omercial e n Maricopa, Arizona, con 60 discos que generan 1.5 MW. También en Odeillo, Francia, existe un disco parabólico de 52 k Wh. Actualmente e n Chile n o se c uenta con proyectos de este tipo. 18.

20 Energía Solar Térmica (Agua Caliente Sanitaria, ACS) rgía térmica Un sistema solar térmico transforma la energía radiante emitida por el sol en energía térmica y la acumula, en forma de agua caliente, para pasar al sistema de apoyo antes de su posterior consumo. El sistema de apoyo, por su parte, es el encargado de cubrir las diferencias térmicas que el aporte solar no alcance a proveer al sistema. En general, son proyectos que pueden aplicarse desde una escala residencial, comercial hasta industrial, con potencias del orden de 700 W/m2 [EREC, 2010]. Dado que la energía térmica no se puede transportar eficientemente a través de grandes distancias, este tipo de tecnologías son especialmente adecuadas en áreas donde se concentra la demanda, por ejemplo empresas, casas, edificios, industrias, etc. Los principales componentes de estos sistemas son el sistema de captación de energía solar, el sistema de almacenamiento de agua, el sistema de intercambio, sistema de apoyo, la red hidráulica y el sistema eléctrico y de control. El Factor de planta que alcanzan estos sistemas térmicos está entre 24% y 50% [NREL, 2010], mientras que la eficiencia de conversión de energía se encuentra normalmente entre 40% a 65% [Transenergie, 2011], pero puede ser aún mayor, dependiendo en gran parte de las condiciones de trabajo de los equipos, como nivel de radiación y diferencia de temperatura entre el ambiente y el colector Las principales barreras se encuentran asociadas con los costos iniciales relativamente altos y un período de recuperación de capital largo lo que hace que este tipo de energía sea poco atractivo para un hogar promedio, además de la falta de profesionales capacitados para diseñar, implementar y mantener estos sistemas. A nivel local se puede mencionar como barrera, además, la falta de profesionales capacitados para diseñar, implementar y mantener estos sistemas. El costo de inversión se encuentra entre y USD/kW, con costos de mantención entre 2,14 y 28,5 USD/kW al año. El costo medio de la energía es de 5,5 a 19,1 centavos USD/kWh. Un colector de 2,4 m2 y 150 litros oscila entre USD 270 en China, y USD 950 en Grecia [OECD/IEA, 2009]. Los costos de operación varían fuertemente con la presencia del recurso solar, la complejidad de las instalaciones y el costo de mano de obra. En Europa el costo de generar ACS oscila entre 70 y 215 USD/MW de calor [OECD/IEA, 2009], lo que es más caro que utilizar gas natural pero competitivo frente al uso de electricidad.

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