Status actual de la Energía solar

Transcripción

1 Status actual de la Energía solar VIII Foro Nacional sobre Gestión Ambiental y Sostenibilidad 29 de octubre de 2009 Dr. Juan Fco. Gonzalez Gonzalez Dirección de Ingeniería e I+D Endesa Generación S.A. Índice Bases de la Energía Solar Fundamentos de Tecnología Fotovoltaica FV En Si FV de concentración Aplicaciones de la Tecnología FV Fundamentos de Tecnología solar Termoeléctrica Cilindro-parabolica Torre y heliostato 1

2 Energía solar Radiación solar Tecnologías de uso de la energía solar Radiación solar El sol es una fuente inagotable de recursos para el hombre y para los seres vivos. En un año habrá suministrado a la Tierra cuatro mil veces más energía que la consumida por todos los países del mundo. España, por su privilegiada situación y climatología, se ve favorecida en su aprovechamiento, ya que cada m2 de suelo en nuestro país recibe al año unos kilovatios-hora de energía. La espectacular revolución tecnológica que vivimos desde hace pocos años no ha servido aun para el aprovechamiento de esta incomparable opción energética: la cruda realidad se impone: en nuestro país, la energía obtenida del astro rey representa sólo el 0,005% del consumo energético total. 2

3 Recurso solar en España kwh/m2/año RECURSO RECURSO SOLAR SOLAR ABUNDANTE ABUNDANTE Y DE DE CALIDAD, CALIDAD, especialmente especialmente en en el el Sur Sur Recurso de radiación directa solar en el Mediterraneo 3

4 Mapa Solar España. Radiación total en ciudad Qué hacer con la energía del Sol? Se puede obtener calor mediante colectores térmicos, y electricidad a través de módulos fotovoltaicos, si bien ambos procesos nada tienen que ver entre sí en tecnología ni en aplicación. Fotovoltaica es la energía solar producida por celdas fotoeléctricas, capaces de convertir la luz en un potencial eléctrico sin sufrir un efecto térmico (se aprovecha entre un 9% y un 15% de la energía del Sol). La energía térmica se logra con colectores solares o placas solares térmicas, que convierten en calor entre un 40% y un 60% de la energía primaria recibida. 4

5 Alternativas tecnológicas de uso de la energía solar 1. SOLAR FOTOVOLTAICA (FV) - Paneles planos formados por células de Silicio, fijos,y con seguimiento en un eje. - Paneles planos con tecnología de concentración y seguimiento en dos ejes. 2. SOLAR TERMOELÉCTRICA (STE) Centrales convencionales donde la producción de vapor se logra por concentración de la energía calorífica del sol, mediante dispositivos que siguen la orientación del sol: 2.1 COLECTORES CILINDRICOS 2.2 HELIOSTATOS + TORRE Concentran el calor en un tubo en su foco, Campos de espejos que apuntan que puede llevar agua u otro fluido intermedio a un solo foco elevado (caldera) 7 Ventajas y desventajas de la Energía Solar para producción de electricidad Es limpia e inagotable. Permite la generación distribuida, reduciendo las perdidas totales de energía eléctrica en el trasporte desde los centros de producción a los de consumo. Puede ser desarrollada como una tecnología totalmente nacional Reduce la dependencia del petróleo y de otras alternativas más contaminantes (centrales térmicas y nucleares). Su principal punto débil es ser una energía no gestionable: su producción no puede ser adecuada a la demanda: La radiación solar en invierno (cuando más energía necesitamos) es menor Producción solo diurna Producción solo en días soleados 5

6 Desarrollo Sostenible Medio Ambiente = Solar (Fotovoltaica y termoeléctrica) Instalaciones pequeñas/medias. La generación eléctrica es descentralizada, los sistemas son instalados en los lugares donde la energía es necesaria (FV aislada). No se produce ruido ni emisiones (casi). Social Económico Creación de puestos de trabajo altamente cualificados. Contribuirá a la independencia energética de Europa. Única solución para regiones sin electrificar en países en vías de desarrollo. Generación eléctrica cuasi-previsible. El balance energético mejora constantemente. Energía clave para el suministro eléctrico en horas pico de demanda en verano (AC). Distribución homogénea de la producción. 6

7 Tecnología FV FUNDAMENTOS DE ENERGÍA FOTOVOLTAICA La fuente de energía primaria que se utiliza es la radiación solar Para aprovecharla, se explota una propiedad de los materiales semiconductores como el silicio En estos materiales, las cargas eléctricas de sus átomos se polarizan bajo la incidencia de la radiación solar Esta polarización genera una diferencia de potencial eléctrico entre las caras de una lámina Al cerrar el circuito, se genera una intensidad de corriente continua que posteriormente se rectifica a corriente alterna para su conexión a red Contacto eléctrico frontal Silicio tipo-n Silicio tipo-p Contacto eléctrico posterior 1

8 Conexión a red Módulos Fotovoltaicos, agrupación de células en serie y paralelo, Wp Gráfico de una instalación fotovoltaica Inversor DC/AC con transformador Incluido, W nom. Conexión aislada Armario para protección fusibles conmutadores Transformador baja tensión (230V/400V) a media tensión (15KV) Contador Suministro a la red Contador de consumo Punto conexión a la red ELEMENTOS DE UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA CONECTADA A RED PANEL: Agrupación de células fotovoltaicas conectadas entre sí. INVERSOR DC/AC: Transforma la corriente continua generada en el panel a corriente alterna CONTADOR: Contabiliza la potencia vertida a la red de distribución RED: Se establece un punto de conexión a la red de distribución eléctrica 2

9 PANELES EN ESTRUCTURAS FIJAS Minimizan la superficie necesaria para una misma potencia instalada: 2100 m 2 por 100 kw nomin Orientacion SUR Angulo según la latitud No hay posición optima respecto del sol Menor producción: 1250 kwhaño/kwp Inversión más baja Escaso mantenimiento Configuración más extendida y ampliamente probada PANELES EN ESTRUCTURAS MOVILES En general, permiten orientar el panel según la posición de sol, aumentando la producción por m2 de panel por la Optimización de la irradiación a lo largo del día Diversos sistemas y tecnologías de seguimiento Aparición de partes móviles en la instalación Incremento de inversión Mantenimiento mayor Las estructuras móviles son mas interesantes a medida que se incrementa el precio del panel 3

10 SISTEMAS DE SEGUIMIENTO (1) A) SEGUIMIENTO A UN EJE HORIZONTAL NORTE-SUR Incrementa aproximadamente un 20% de la producción respecto a los sistemas fijos SEGUIMIENTO A UN UN EJE EJE AZIMUTAL Y DOS EJES SEGUIDOR A 1 EJE AZIMUTAL: giro vertical, inclinación constante SEGUIDOR A 2 EJES: giro vertical + inclinación de los paneles variable Mayor producción: o o 28 % seguidores eje azimutal 35 % seguidores en dos ejes Doble necesidad de terreno que sistema fijo (5.800 m2 suelo/100 kw) Tamaño de seguidor 5 kwp - 30 kwp Más complejos y menos fiables 4

11 Sistemas de seguimiento a dos ejes SEGUIDOR DE POSTE APOYO TETRAÉDRICO Sistemas de dos ejes. Escalación comercial 5

12 SISTEMAS DE CONCENTRACIÓN SISTEMAS DE BAJA CONCENTRACIÓN - Pueden combinarse con un sistema de seguimiento. - Uso de la radiación directa - Aumentan la eficiencia de las células, hasta un 25-27% - Minimizan la cantidad de silicio necesaria para una misma producción de energía - Los ratios de concentración son del orden de 2 a 5 soles Sectores de la implementación de FV de Si Electrificación Rural, Según los expertos, la vía mas económica y rápida para el aumento del nivel de vida en países subdesarrollados Cobertura de necesidades básicas: agua potable, sanidad básica, comunicaciones básicas, etc Energía solar = Desarrollo sostenible Europa se debería convertir en el mayor exportador de tecnología FV en forma de cooperación internacional para la lucha contra la pobreza, y como su contribución a los Objetivos de Desarrollo para el Milenio. Conexión a Red, el desarrollo de plantas de generación distribuida y la integración arquitectónica serán la clave para la promoción de la tecnología FV. 6

13 Electrificación Rural Solar Home Systems Hospital Rural de Tanzania Generador Solar de 26 kwp 2 Generadores Diesel (28 kw 3-fase y 15 kw) 30 kw Inversor Híbrido 990 Baterías Ah Gel Batteries 7

14 Electrificación Rural Abastecimiento de agua Electrificación Rural Comunicaciones 8

15 Aplicaciones en edificación De las instalaciones conectadas a red, son muy interesantes las integradas en edificaciones... Connexión a red. Integración en tejados: 9

16 Tejados de instalaciones industriales 55,000 módulos fotovoltaicos 4 tejados en la empresa, con 200,000 m2 (40 campos de fútbol) Capacidad instalada de más de 9 MWp Electricidad para aprox. 2,500 viviendas Mayor instalación en tejado (105,000 m2) terminada en un tiempo record de 5 semanas Conexión a red. Integración en edificios: 10

17 Conexión a red Integración arquitectónica (1) Conexión a red Integración arquitectónica (2) 11

18 Aplicaciones FV en suelos...la disponibilidad de terrenos poco productivos o la recuperación de terrenos en zonas económicamente deprimidas y con alta radiación solar, ofrecen las mejores oportunidades para instalar plantas de mayor tamaño y productividad... Aplicaciones FV en suelos (2) 12

19 Aplicaciones FV en suelos rústicos (3) Aplicaciones FV en suelos improductivos...las configuraciones posibles son muchas. El número de plantas seguirá creciendo en número y tamaño. 13

20 Conexión a Red Centrales FV Barreras acústicas en autopistas Edificios singulares: Forum en Barcelona Ejemplos diversos: 14

21 Tecnologías solares Termoeléctricas, STE ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS DE CONCENTRACIÓN SOLAR Aplicaciones de Concentración óptica Elementos de Concentración óptica Foco Concentrador óptico Sistemas Disco / Stirling 5-25 kwe No conectados a red / plantas piloto Sistemas Torre-Helióstatos 5-25 MWe Conectados a red / plantas piloto Sistemas Cilindro parabólicos 5-50 MWe Conectados a red / operación comercial Sistemas Fresnel lineales 5-50 MWe Conectados a red / plantas piloto 1

22 ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS DE CONCENTRACIÓN SOLAR Disco/Stirling Torre helióstatos Cilindro Parabólica Fresnel Eficiencia 29 % 23 % 21 % 20 % Temperatura de Operación 800ºC ºC 390ºC 300ºC Potencia típica (instalaciones unitarias) MWe 5-25 MWe 5-50 MWe 5-50 MWe Coste producción electricidad /kwh /kwh /kwh /kwh Coste de instalación /W /W /W /W Nivel de madurez Planta Piloto Planta precomercial Planta Comercial Planta Piloto En España se han instalado las primeras plantas comerciales de este tipo y existen ademas muchos proyectos en evaluación. REQUISITOS PARA GENERACIÓN TERMOSOLAR IMPRESCINDIBLE Radiación Suelo plano Evacuación NECESARIO Agua Combustible Almacenam. térmico 2

23 CONCENTRADORES CILINDRO PARABÓLICOS (CCP) Reflectores de espejo en forma de canal concentran la luz solar en los tubos del receptor situados en la línea focal del canal. En estos tubos circula un fluido de transferencia del calor, un aceite térmico sintético. Calentado a unos 400 C por los rayos solares concentrados, se bombea este aceite en una serie de intercambiadores de calor para producir vapor. Este vapor se convierte en energía eléctrica en una de turbina de vapor y alternador, que puede ser parte de un ciclo de vapor convencional o integrado en una turbina de ciclo combinado de vapor y gas. SISTEMAS TORRE-HELIÓSTATOS Un conjunto circular de helióstatos (grandes espejos de tracción individual) concentran la luz solar en un receptor central montado en lo alto de una torre. Un medio de transferencia de calor en este receptor central absorbe la radiación altamente concentrada reflejada por los heliostatos y la convierte en energía térmica para ser usada en la generación de vapor sobrecalentado para el funcionamiento de la turbina. Los medios de transferencia de calor usados hasta ahora incluyen agua/vapor, sales fundidas y aire. Si se presuriza un gas o incluso aire en el receptor, puede usarse alternativamente para hacer funcionar una turbina de gas TG, en lugar de producir vapor para una turbina de vapor TV (en desarrollo). 3

24 Ejemplos de plantas termosolares COLECTORES CILINDRO- PARABÓLICOS TORRE SOLAR --PS10. PS10. SANLÚCAR LA LA MAYOR (SEVILLA) Vista general plantas SEGS en California, 4

25 DISCO PARABÓLICO Un reflector parabólico en forma de disco concentra la luz solar en un receptor situado en el punto focal del disco. Éste absorbe la energía reflejada por los concentradores, haciendo que el fluido del receptor se caliente a unos 750 C, generando electricidad en un pequeño motor, p.e. un motor Stirling o una micro turbina, unida al receptor. Diagrama de funcionamiento de un sistema Cilindro parabólico Campo solar Bloque de Potencia Generación de Vapor 5

26 Requisitos de SISTEMAS CILINDRO PARABÓLICOS Requisitos de los Terrenos Ha / 50 MW Terrenos llanos Con acceso a agua: 300 m3/h 250 m3/h ciclo + refr. 50 m3/h lavado + aux. Con suministro de gas de soporte Con capacidad de evacuación de potencia Con radiación solar directa Amanecer Medio día Ocaso Componentes de un sistema Cilindro Parabólico Colector Tubo Absorbedor B.O.P Generador de Vapor Turbina de Vapor Conexión a Red 6

27 Vista general de colectores cilindro parabólicos Experiencia en Colectores cilindroparabólicos MW MW en en funcionamiento en en California desde desde finales de de los los (plantas SEGS), con con disponibilidad superior al al 95% 95% Tecnología madura de de aplicación inmediata Proyectos actuales conceptualmente iguales a las las SEGS, SEGS, p.ej: p.ej: Proyecto Proyecto NevadaSolar NevadaSolar (USA) (USA) de de MW MW Proyectos Proyectos ANDASOL ANDASOL (Granada): (Granada): grupos grupos MW MW de de ACS-Cobra ACS-Cobra con con h h de de almacenamiento almacenamiento térmico. térmico. Ibersol Ibersol (CR) (CR) de de Iberdrola, Iberdrola, Alvarado Alvarado (BA) (BA) de de Acciona, Acciona, Solnova Solnova (SE) (SE) de de Abengoa, Abengoa, etc. etc. etc etc solicitados solicitados MW MW en en registro registro de de preasignación, preasignación, con con MW MW factibles factibles Posibilidad de de aumentar la la producción eléctrica con con almacenamiento térmico (sólo (sólo referencias experimentales) La La Ley Ley permite hibridación con con combustible auxiliar 7

28 Plantas CCP. Detalles fotográficos Integración en ciclos de vapor y en ciclos combinados 8

29 Diagrama de funcionamiento de un sistema Torre-Helióstatos Torre Central Receptor Bombas de Sal Helióstato Sistema de Sales Fundidas Tanques almacenamiento En EE.UU., se desarrollaron los proyectos de plantas piloto Solar One y Solar Two (ya desmanteladas). En España se instalarán la primera planta comercial: Gemasolar, Fuentes de Andalucía, SE, Grupo SENER. Componentes de un sistema Torre-Helióstatos Torre + Receptor Helióstatos Almacenamiento térmico + B.O.P. 9

30 Experiencias en sistemas de Torre solar y heliostatos Plataforma Solar Solar de de Almería (PSA) (PSA) Proyectos SolarOne (1985) (1985) y SolarTwo (1996) (1996) EEUU: EEUU: MW MW sin/con almacenamiento térmico Tecnología actualmente pasando a explotación comercial: PS10 PS10 y PS20 PS20 (Sanlúcar la la Mayor): en en operación Gemasolar, SolarTres, MW: MW: en en construcción PSA PSA, Almeria, Ciemat 10

31 Comparación tecnológica en STE Rendimiento máximo/anual Temp. operación Potencia típica Coste generación Coste instalación Madurez Torre solar 23 %/18% ºC 5-25 MW /kwh /W Entrado en fase de operación comercial. Cilindro-parabólico 21 %/17% 390 ºC 5-50 MW /kwh /W Operación comercial Requisitos: superficie, radiación y agua SUPERFICIE RELIEVE RADIACIÓN AGUA Cilindroparabolico Torre solar 220 Ha (50 MW) 140 Ha (17 MW) Plano, horizontal o ligera pendiente sur Plano, pero puede ser ligeramente irregular DNI > 1900 kwh/m² año 4.9 m³/mwh m³/año 4.9 m³/mwh m³/año Las cantidades de superficie y agua aumentan cuanto mayor sea el almacenamiento térmico, y por tanto el número de horas de producción DNI: Irradiación directa normal: radiación directa sobre superficie siempre perpendicular al sol 11

32 Ventajas de la solar termoeléctrica La ventaja de las tecnologías solar termoeléctricas es ser una energía renovable GESTIONABLE, adecuando la producción a la demanda Permite su integración en plantas térmicas convencionales: representan un generador de vapor solar, que se puede operar en paralelo/ ayuda con generadores de vapor convencionales Con almacenamiento térmico y/o combustible auxiliar las plantas solar termoeléctricas, como las de biomasa, son los únicos sistemas renovables que pueden suministrar electricidad sin interrupción, atender la demanda eléctrica de cada momento y siempre asegurar la capacidad de potencia. Problematica de las energias renovables no gestionables 12

33 Cobertura de los picos de demanda en verano Estacionalidad de la demanda Proyectos STE en el mundo 1000MW CSP Spain 400MW ISCCS Iran 140MW 140MW ISCCS India ISCCS Algeria 200MW ISCCS Morocco 140MW ISCCS Egypt 100MW SEGS Israel 130MW SEGS/ISCCS Jordan 100MW CSP South Africa Proyectos Solar Térmicos en Desarrollo: 3.6GW, 12 millones de m² m de concentradores, 1000MW CSP USA 240MW ISCCS Mexico 13

34 ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS: Consideraciones adicionales Características Fotovoltaica (FV) Solar Termoeléctrica (STE) Capacidad de implantación: 1. Requisitos de Suelos 2. Requisitos de Aguas Necesidad de combustible de apoyo y consumos auxiliares Complejidad de subsistemas y componentes Nivel de despliegue comercial Solución más sostenible para regiones del arco mediterráneo español 1. Requisitos de suelo menos restrictivos. 2. Requerimientos casi nulos de agua No necesita combustible de apoyo Consumos auxiliares mínimos Número de susbsistemas pequeño y de poca complejidad. No cuenta con partes móviles, salvo si se quiere tener sistema de seguimiento ( 1 o 2 ejes). Gran cantidad de proveedores y tecnólogos en un mercado competitivo Gran número de instalaciones de baja potencia (<10MW) en muchos países del mundo. 1. Requisitos de suelos planos y limpios 2. Requerimientos de agua más exigentes. Necesita en ocasiones combustible de apoyo para mantener temperatura depósito sales fundidas ( ton) Consumos de auxiliares en bombas y otros subsistemas de planta de aguas. Gran cantidad de subsistemas y componentes complejos. Cuenta siempre con sistemas ópticos y mecánicos móviles. Genera electricidad mediante un ciclo Rankine de baja eficiencia. Pocos proveedores y tecnólogos. Mercado oligopólico en el caso de tubos absorbedores. Las únicas plantas en operación comercial están en EE.UU., el resto son proyectos y plantas experimentales. 11 ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS: Vías de Trabajo para su implementación Fotovoltaica (FV) Reducción de costes por: Incremento de producción de silicio Introducción de sistemas de Concentración (con Si, o materiales como As, Ge, Ga, etc.) Aumento de la experiencia operativa de sistemas de seguimiento Solar Termoeléctrica (STE) Adquisición de experiencia operativa en España de: Sistemas con HTF aceite térmico sintético Sistema de almacenamiento térmico con sales fundidas Simplificación de la planta: Desarrollo de la generación directa de vapor 11 14

35 LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN Concentradores Cilindro Parabólicos (CCP) Avances en el diseño: Aumento de la precisión óptica, reducción de peso y costes Nueva generación de tubos receptores para reducción de pérdidas térmicas Mejoras en el medio de transferencia de calor para aumentar la temperatura de operación y el rendimiento Almacenamiento térmico masivo para aumentar las horas de operación anuales reduciendo costes de generación Generación directa de vapor en los tubos de absorción. Esto aumentaría la eficiencia y reduciría los costes hasta un 30% Integración en ciclos combinados LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN Centrales de Torre Nuevos medios de transferencia de calor del receptor central, como agua/vapor, sodio líquido, sal fundida y aire ambiente. Sistema de almacenamiento de sal fundida Acoplamiento de la producción del sistema solar de alta temperatura a una turbina de gas para una mayor eficiencia que las aplicaciones a turbina de vapor de hoy, tiempos más cortos de puesta en marcha, menores costes de instalación y operación, y quizás un sistema menor, más modular. Mejora del diseño con mejores propiedades ópticas, estructura más ligera y mejor control. 15