Presente y futuro de la energía solar termoeléctrica en Cataluña

Transcripción

1 Monográfico 223 Presente y futuro de la energía solar termoeléctrica en Cataluña Marc Gummà Abantia 1 Introducción El avance de los países desarrollados se ha basado en el consumo masivo de los combustibles fósiles. Para los países en vías de desarrollo, las necesidades energéticas todavía son más vitales si pretenden equipararse con países que disponen de unas infraes truc turas y de unos niveles de industrialización ya consolidados. Los graves efectos medioambientales en el clima regional y global provocados por el actual sistema energético hacen que la sociedad tome conciencia de la necesidad de plantearse cambios en este sistema. Estos cambios se dirigen hacia el desarrollo de sistemas más eficientes, hacia el fomento de una cultura de consumo más razonable y en la implantación de tecnologías energéticas que utilicen fuentes de energías renovables con la finalidad de conseguir un modelo energético sostenible. El sistema energético actual se caracteriza porque la mayor parte del consumo final de energía tiene lugar en forma de calor y trabajo, en muchos casos a través de electricidad como forma energética de alta calidad y gran comodidad de transporte. Esto, unido a la importancia de la energía solar como fuente de energía renovable, hace que las centrales solares termoeléctricas como sistemas generadores de energía eléctrica adquieran una gran relevancia de cara a asegurar las necesidades energéticas de una sociedad respetuosa con el medio. 2 Los principios básicos de la solar termoeléctrica En general, una central termoeléctrica es un sistema capaz de generar energía eléctrica a partir de energía térmica mediante lo que se conoce como ciclo de potencia, y para poder desarrollar este ciclo

2 224 Nota d economia er cuatrimestre 2010 Gráfico 1 Esquema simplificado de proceso de una planta solar termoeléctrica Campo de colectores solares Aceite a 295 C Circuito de aceite Caldera auxiliar Aceite a 390 C Vapor a 104 bar/371 C Sobrecalentador Recalentador Dep. expansión aceite Generador de vapor Desgasificador Turbina de vapor Condensador se necesita una fuente de energía primaria a partir de la cual se pueda obtener la energía térmica necesaria. Si la fuente de energía primaria es la energía química de un combustible fósil (carbón, gas o fuel), la central termoeléctrica se llama central termoeléctrica convencional. Si la fuente de energía primaria es la radiación solar, la central termoeléctrica recibe el nombre de solar termoeléctrica. Al contrario de una instalación fotovoltaica, una central solar termoeléctrica no genera electricidad directamente a partir de la radiación solar, sino que transforma esta radiación en energía térmica que es aportada a un ciclo de potencia convencional que transforma esta energía térmica en energía mecánica. Posteriormente, mediante un generador eléctrico se transforma la energía mecánica en energía eléctrica, siendo esta última la que se inyecta a la red eléctrica y llega a los puntos de consumo. Las centrales solares termoeléctricas pueden incorporar un sistema de almacenamiento de energía, lo cual permite seguir suministrando energía en ausencia de radiación solar. Dependiendo de la capacidad del sistema de almacenamiento variará el intervalo de tiempo diario durante el cual se podrá seguir suministrando energía eléctrica. En el gráfico 1 se representa el esquema simplificado de una central solar termoeléctrica en la cual se ha incluido un soporte con combustible fósil. En realidad, únicamente el concentrador y el receptor son sistemas específicos, y forman lo que se denomina campo solar; el resto son sistemas comunes para cualquier central termoeléctrica. El sistema concentrador está constituido por superficies reflectoras que interceptan, concentran y reflejan la radiación solar y la dirigen hacia el receptor, que se encarga de captar esta radiación concentrada e introducirla en el sistema. Como el objetivo es concentrar los rayos solares sobre la superficie del receptor, el sistema concentrador tiene que disponer de un mecanismo de control que le permita seguir la trayectoria del Sol de manera que siempre esté enfocado. Una vez que la radiación concentrada llega al receptor, éste la convierte en energía térmica mediante una transferencia de energía en el fluido de trabajo. Por último, el sistema de conversión de energía térmica transforma esta energía en energía eléctrica. Una característica diferencial de los sistemas solares termoeléctricos es que la concentración de la radiación la realizan mediante reflexiones especulares, y eso hace que únicamente se pueda aprovechar el componente directo de la radiación solar. 3 Tipología de tecnologías 3.1 Sistema de colectores cilindro-parabólico (CCP) La tecnología cilindro-parabólica es una tecnología limpia, madura y con un extenso historial que demuestra que está preparada para la instalación a gran escala. Esta tecnología se instala comercialmente desde los años ochenta con un comportamiento excepcional. Desde entonces, ha experimentado mejoras importantes con respecto a costes y rendimientos. La tecnología cilindro-parabólica basa su funcionamiento en el seguimiento solar y la concentración

3 Monográfico. Presente y futuro de la energía solar termoeléctrica en Cataluña 225 Gráfico 2 Planta solar termoeléctrica con tecnología CCP Gráfico 3 Planta solar termoeléctrica con tecnología de torre central Receptor Tubo absorbente Reflectores parabólicos Tuberías Helióstatos de la radiación solar en unos tubos receptores de alta eficiencia térmica localizados en la línea focal de los cilindros. En estos tubos, un fluido transmisor de calor, aceite sintético, se calienta aproximadamente a unos 400º C por los rayos solares concentrados. Este aceite es bombeado a través de una serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado. El calor que hay en este vapor se convierte en energía eléctrica en una turbina de vapor convencional. Los componentes principales del campo solar de la tecnología cilindro-parabólica son los siguientes: 1. El reflector cilindro-parabólico: la misión del receptor cilindro-parabólico es reflejar y concentrar sobre el tubo absorbente la radiación solar directa que incide sobre la superficie. La superficie especular se consigue a través de películas de plata o aluminio depositadas sobre un soporte que le da bastante rigidez. 2. El tubo absorbedor: consta de dos tubos concéntricos separados por una capa de vacío. 3. El sistema de seguimiento del Sol: el sistema seguidor más común consiste en un dispositivo que gira los reflectores cilindro-parabólicos del colector en torno a un eje. 4. La estructura metálica: la función de la estructura del colector es la de dar rigidez al conjunto de elementos que lo componen. 3.2 Sistema de torre central La tecnología de torre se posiciona como una tecnología termosolar con un grado de madurez media. En los sistemas de torre, un campo de helióstatos o espejos móviles que se orientan según la posición del Sol reflejan la radiación solar para concentrarla hasta 600 veces sobre un receptor que se sitúa en la parte superior de una torre. Este calor se transmite en un fluido con el fin de generar vapor que se expande en una turbina unida a un generador para la producción de electricidad El funcionamiento de la tecnología de torre se basa en tres elementos característicos: los helióstatos, el receptor y la torre. 1. Los helióstatos tienen la función de captar la radiación solar y dirigirla hacia en el receptor. Están formados por una superficie reflectora, una estructura que le sirve de apoyo y mecanismos que permiten orientarlo para ir siguiendo el movimiento del Sol. Las superficies reflectoras más utilizadas actualmente son de espejos de cristal. 2. El receptor, que transfiere el calor recibido en un fluido de trabajo que puede ser agua, sales fundidas, etc. Este fluido es el encargado de transmitir el calor a la otra parte de la central termosolar,

4 226 Nota d economia er cuatrimestre 2010 generalmente a un depósito de agua, que obtiene vapor a alta temperatura para producir electricidad mediante el movimiento de una turbina. 3. La torre sirve de soporte al receptor, que se tiene que situar a una cierta altura sobre el nivel de los helióstatos con el fin de evitar, o al menos reducir, las sombras. Gráfico 4 Planta solar termoeléctrica con tecnología de disco Stirling Receptor/motor Reflector 3.3 Disco Stirling Un sistema de concentrador disco Stirling está formado por un concentrador solar de alta reflectividad, por un receptor solar de cavidad, y por un motor Stirling o una microturbina que se acopla a un alternador. El funcionamiento consiste en calentar un fluido localizado en el receptor hasta una temperatura en torno a los 750 ºC. Esta energía se utiliza para generar energía para el motor o la microturbina. Para un funcionamiento óptimo, el sistema tiene que disponer de los mecanismos necesarios para poder hacer un seguimiento de la posición del Sol en dos ejes. 4 Ventajas de la solar termoeléctrica La tecnología solar termoeléctrica es capaz de producir electricidad a partir de un recurso ilimitado como es el Sol sin emitir emisiones contaminantes. Algunas de las principales ventajas de esta tecnología respecto de otras tecnologías son las siguientes: Protección ambiental al no emitir emisiones de CO 2 ni residuos contaminantes. Combustible gratuito, ilimitado y abundante. Genera puestos de trabajo cualificados, que puede ser un elemento de desarrollo económico regional. Aporta estabilidad al sistema eléctrico gracias a la posibilidad de hibridar y almacenar energía durante los periodos de tiempo en que no hay Sol. Tecnología suficientemente madura. 5 Situación del mercado en España y Cataluña 5.1 España España se ha situado en los últimos años como una potencia líder en el ámbito mundial en la tecnología solar termoeléctrica, gracias, en gran medida, a la disponibilidad de unos elevados índices de radiación solar directa (especialmente en las regiones del sur), un régimen de primas y tarifas favorables establecidas en el Real decreto 661/2007 que regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial, así como también gracias a una apuesta decidida de I+D de las instituciones y empresas españolas que las ha llevado a liderar tecnológicamente este sector. Hoy en día, hay un total de 8 instalaciones en funcionamiento que representan un total de 182 megavatios, la mayoría concentrados en la comunidad autónoma de Andalucía. El escenario en los próximos 3 años situará España con una potencia instalada en solar termoeléctrica que superará los megavatios instalados, muy por encima de los 500 megavatios establecidos como ob

5 Monográfico. Presente y futuro de la energía solar termoeléctrica en Cataluña 227 Gráfico 5 Distribución por comunidades autónomas de la potencia inscrita en solar termoeléctrica en el Registro de preasignación C. La Mancha 420,79 MW (18%) jetivo en el Plan de energías renovables (PER ). Las comunidades autónomas de Andalucía, Castilla-La Mancha y Extremadura reúnen el 95% de los proyectos que serán operativos el año 2013, tal como se puede observar en el gráfico 5, donde se refleja la distribución de megavatios por comunidades autónomas inscritas en el Registro de preasignación del Ministerio de Industria, Comercio y Turismo. 5.2 Cataluña Cataluña 22,5 MW (0,96%) Murcia 31,4 MW (1,4%) Andalucía 866,4 MW (37%) C. Valenciana 49,9 MW (2,2%) Extremadura 949 MW (40,5%) Si bien Cataluña, y concretamente la llanura de Lérida, dispone de unos valores de radiación solar directa significativos, la realidad es que hoy en día se sitúa a la cola de las comunidades autónomas con presencia de plantas solares termoeléctricas. Efectivamente, su peso específico representará el 0,96% de los megavatios totales instalados en el Estado español en el 2013, muy alejada de otras comunidades autónomas como Extremadura (40,5%), Andalucía (37%) o Castilla-La Mancha (18%). La única instalación inscrita en el Registro de preasignación del Ministerio y que, por lo tanto, tiene asegurado el derecho de percibir la prima establecida en el Real decreto 661/2007 es la planta solar termoeléctrica de 22,5 megavatios que se instalará en el municipio de las Borges Blanques (Lérida). Hay varias razones que explican el poco peso que tiene Cataluña en la implantación de este tipo de tecnología: Los índices de radiación solar directa en Cataluña si bien no son nada despreciables, en especial en la llanura de Lérida, son considerablemente inferiores si se comparan con otras regiones de España como Andalucía, Extremadura o Castilla-La Mancha, donde encontramos temperaturas más elevadas a lo largo de todo el año. La gran complejidad y duración en el proceso de tramitación administrativa de este tipo de instalaciones en Cataluña, en comparación con otras regiones del Estado, dificulta que las empresas puedan sacar adelante un proyecto de estas características. La necesidad de grandes extensiones de terreno, sumada a una estructura de propiedad del suelo caracterizada por la existencia de una gran cantidad de propietarios de extensiones pequeñas de terreno, hace que sea muy complicado disponer de los terrenos necesarios para sacar adelante cualquier proyecto. 6 Perspectivas de futuro en Cataluña El Plan de la energía de Cataluña , aprobado por el Gobierno de la Generalitat el 11 de octubre de 2005, preveía para el caso de la tecnología solar termoeléctrica unos objetivos de potencia instalada de 50 megavatios para el La Generalitat aprobó el 2009 la revisión del Plan de la energía de Cataluña , en el cual se fijan, para la tecnología solar termoeléctrica, unos nue vos ob jetivos por alcanzar en el 2015, y pasar de los 50 megavatios previstos en la versión inicial a los 202,5 megavatios fijados en la revisión, y que representa un aumento del 405%.

6 228 Nota d economia er cuatrimestre 2010 El escenario para el 2013 prevé qué la potencia instalada en Cataluña representará el 11% del total de megavatios fijados como objetivo en el Plan de la energía para el 2015, por lo cual se hace difícil pensar que se puedan alcanzar las cifras previstas en el Plan de la energía de Cataluña. Por otra parte, la potencia inscrita en el Registro de preasignación en la tecnología solar termoeléctrica ha superado los objetivos establecidos en el Plan de energías renovables , y por eso el Ministerio ha cerrado el registro para esta tecnología, hecho que implica que sólo tienen garantizada la tarifa o prima de venta de energía eléctrica establecida en el Real decreto 661/2007 aquellas instalaciones que se hayan podido inscribir (en el caso de Cataluña, la planta solar termoeléctrica de 22,5 megavatios de las Borges Blanques). Habrá que esperar que el Gobierno español apruebe el nuevo Plan de energías renovables y la futura ley de régimen especial, que fijarán los nuevos objetivos que hará falta que alcance este tipo de tecnología así como las tarifas asociadas por la venta de energía eléctrica, y que establecerán el marco de futuro para los nuevos proyectos, para determinar si se podrán alcanzar los objetivos fijados para la solar termoeléctrica en el Plan de la energía de Cataluña. 7 Experiencias en Cataluña La primera experiencia de aplicación de energía solar termoeléctrica en Cataluña se llevará a cabo en la comarca de las Garrigues (Lérida), en concreto en el municipio de las Borges Blanques. Se trata de una planta de 22,5 megavatios promovida por la Sociedad Termosolar Borges, SL, la cual está participada al 50% por los grupos industriales catalanes Abantia y Comsa-Emte. La Generalitat de Catalunya tiene previsto entrar próximamente en el accionariado de la sociedad con una participación minoritaria. Gráfico 6 Esquema de conceptualización básica de la central Campo solar 7.1 Descripción general del proyecto La planta termosolar de las Borges Blanques utilizará la tecnología más extendida en la actualidad, el sistema de colectores cilindro-parabólico. La instalación estará integrada por cuatro grandes bloques: el campo solar, el bloque térmico, el bloque eléctrico y los elementos auxiliares Campo solar Bloque térmico Bloque eléctrico Auxiliares Los componentes principales del campo solar son los siguientes: (1) el colector, compuesto por una estructura metálica apoyada sobre unos pilones estructurales y donde se soportan los espejos cilíndrico-parabólicos y los tubos concentradores; (2) los espejos, los cuales captan la radiación solar y la reflejan en los tubos concentradores situados sobre el eje del colector; (3) el tubo concentrador, que es el elemento que recibe la energía solar reflejada por los espejos y la transfiere al fluido térmico que circula por su interior; (4) el fluido térmico, que es el responsable de transportar la energía solar captada por los espejos una vez reflejada en el tubo concentrador y con la temperatura incrementada hasta el bloque térmico para generar vapor. El campo solar ocupa una superficie de 62,7 ha y está formado por 56 lazos de 600 m de longitud. Cada lazo integra 4 colectores cilíndrico-parabólicos de 150 m de longitud, y está gobernado por un siste

7 Monográfico. Presente y futuro de la energía solar termoeléctrica en Cataluña 229 ma de accionamiento hidráulico para hacer el seguimiento de la posición del Sol en todo momento. Cada colector dispone de 12 módulos de 12 m de longitud, con una longitud total para el conjunto del campo solar de m. En la línea focal de cada uno de estos colectores se coloca el tubo absorbedor, por cuyo interior circula el fluido de transferencia de calor (aceite térmico). Los colectores siguen la trayectoria del Sol desde la mañana hasta la noche, y así aprovechan al máximo la radiación solar. Cada uno refleja la radiación solar directa sobre el tubo absorbedor, calentando el fluido desde aproximadamente 293 ºC hasta los 393 ºC. La energía térmica absorbida por el fluido es transferida en el bloque térmico a un ciclo agua-vapor que varía de nuevo la temperatura desde 393 ºC en la entrada del recuperador hasta 293 ºC en la salida. A esta temperatura de salida, el fluido térmico se recircula de nuevo mediante un sistema de bombeo en la entrada del campo solar y cierra así el ciclo campo solarrecuperador Bloque térmico El bloque térmico es el responsable de la transferencia de la energía solar acumulada en el fluido térmico en el bloque eléctrico mediante la transformación a energía térmica en forma de vapor que al turbinarse cambia la energía mecánica por la eléctrica. El bloque térmico incluye las calderas con gas natural para la hibridación, el tren de recuperación térmico y una caldera auxiliar. Las calderas de hibridación son las responsables de completar el contenido energético del fluido térmico en momentos en que no hay bastante radiación para hacer posible un rendimiento de la turbina adecuado. El tren de recuperación está constituido por un conjunto de equipos cambiadores de calor responsables de la transferencia energética desde el fluido térmico hasta el ciclo de condensador / vapor para la generación de vapor sobrecalentado a ºC a 100 bares de presión, que alimentará la primera etapa de la turbina de vapor, y por el recalentamiento del vapor procedente de la primera etapa de la turbina hasta la segunda etapa. La caldera auxiliar tiene el objetivo de cubrir las necesidades particulares de la instalación, como son la alimentación a los cierres de la turbina cuando ésta está fuera de operación así como para incrementar la temperatura del fluido térmico del campo solar para asegurar la ausencia de riesgo de solidificación del fluido en caso de heladas o inclemencias graves del clima Bloque eléctrico El vapor producido en el recuperador del bloque térmico alimenta el bloque eléctrico constituido por una turbina de dos etapas, que en el alternador genera la correspondiente energía eléctrica a una tensión de 10,5 kw que se eleva a un centro de transformación hasta una tensión de 25 kw, que son las condiciones del punto de conexión de servicio para exportar la energía a la red de distribución. Forma parte del bloque eléctrico la turbina, el condensador de la turbina, el sistema de recirculación de los condensados, el centro de transformación de alta tensión para facilitar la exportación de energía a la red, el centro de transformación de baja tensión para cubrir los autoconsumos de la central y los centros de control de motores asociados para la central Instalaciones auxiliares La central dispone de un conjunto de instalaciones auxiliares que son principalmente las siguientes: (1) el sistema de captación, almacenaje y tratamiento de agua para la refrigeración, aportación al sistema de condensados y limpieza de los espejos del campo solar y consumo sanitario; (2) el sistema de refrigeración de la turbina; (3) el sistema de produc

8 230 Nota d economia er cuatrimestre 2010 Cuadro 1 Resumen de las principales características del proyecto Promotor Ubicación Tecnología seleccionada Potencia eléctrica instalada Potencia eléctrica limpia exportada Superficie total de ocupación Horas totales de funcionamiento Generación eléctrica total exportada Generación eléctrica de origen solar Generación eléctrica con gas natural (15%) Punto de conexión a la red eléctrica Consumo de agua Termosolar Borges, SL Las Borges Blanques (Lérida) Colector cilíndrico-parabólico 25 MWe 22,5 MWe 63,6 ha horas MWh/año MWh/año MWh/año SE Juneda (1,8 km LE enterrada) m 3 /año Inversión total 128 M Generación de puestos de trabajo directos 25 personas Generación de puestos de trabajo indirectos personas Toneladas de CO 2 evitadas a la atmósfera t/año ción de aire comprimido para instrumentos y aire de planta; (4) el sistema de abastecimiento de nitrógeno por inertización; (5) el sistema de medida y regulación de las condiciones de suministro de combustible de gas natural para las calderas de hibridación. La planta se opera automáticamente mediante un sistema de control distribuido.