ENERGÍA SOLAR TERMOELÉCTRICA COL LEGI COR DE MARIA (VALLS) UN POCO DE HISTORIA

Transcripción

1 1 UN POCO DE HISTORIA La historia nos explica que Arquímedes fue el primero en utilizar el poder del Sol para vencer a sus enemigos. Cuenta la leyenda que, en el año 213 a.c., Arquímedes utilizó espejos para incendiar los barcos romanos que asediaban su ciudad, Siracusa... y parece que tuvo éxito. Arquímedes. Pintura de Domenico Fetti ( )

2 2 POR QUÉ ENERGÍA SOLAR? De todas las formas de energía, la solar es la más abundante: 120 trillones de megavatios de luz solar llegan constantemente a la Tierra. Durante un año, el Sol envía a la Tierra más energía que se encuentra en las reservas de petróleo, gas natural, carbón y uranio juntas, y veces de la que se consume... Además se trata de una energía ilimitada, económica y ecológica. Entonces, cómo es que no la utilizamos más? El Sol nos proporciona mucha más energía de la que necesitamos, pero hay que captarla de manera eficiente.

3 3 CÓMO PODEMOS OBTENER ELECTRICIDAD DEL SOL? La energía termosolar eléctrica basa su funcionamiento en la concentración de los rayos solares para elevar la temperatura de un fluido, y conseguir de este modo vapor que accione una turbina que produzca electricidad. Sistema de conversión de energía térmica en energía eléctrica Sistemas de captación de la radiación solar y conversión en energía térmica

4 4 LAS SUPERFICIES CONCENTRADORAS Para concentrar los rayos solares se utilizan superficies reflectantes que concentran entre 600 y veces la radiación del Sol en un punto. Estas superficies pueden tener forma parabólica o plana. Obviamente, la superficie reflectante está formada por espejos, puesto que éstos son capaces de reflejar casi todas las ondas electromagnéticas que llegan del Sol (pocas pérdidas por refracción). Así, utilizando muchos espejos y enfocándolos a un mismo punto, aumenta proporcionalmente la radiación que recibe este punto. En el espejo plano, el rayo del puntero láser sale reflejado con el mismo ángulo que incide. Podemos dirigir el rayo hacia cualquier EMMAGATZEMATGE AMB SALS punto que nos interese sólo orientando el espejo. En el espejo parabólico, todos los rayos se concentran en un punto llamado foco. Aumentamos así la concentración solar en un punto. Para saber la forma de la parábola y la localización del foco (p), hay que usar la fórmula: y 2 = 4 p x

5 5 SOLUCIONES A LOS PROBLEMAS: HIBRIDACIÓN Y ALMACENAMIENTO TÉRMICO Los sistemas de la energía solar termoeléctrica tienen algunos inconvenientes, por ejemplo, los días nublados o los días de invierno hay menos horas de Sol y, por lo tanto, disminuye la producción de energía. HIBRIDACIÓN: Hay la posibilidad de combinarla con biomasa como fuente renovable, o bien con gas natural, que es el combustible fósil menos contaminante. Esto permite cubrir los posibles fallos de suministro solar, mejorar el rendimiento del conjunto y ajustar la demanda energética de los consumidores con la producción. ALMACENAMIENTO: Las sales fundidas son una sustancia que funde a 222ºC y que conserva durante mucho tiempo el calor; por ejemplo: en un mes sólo baja un grado la temperatura. Si se calientan junto con el agua durante las horas de Sol, puede continuar generando electricidad por la noche o en las horas sin Sol.

6 6 EL SISTEMA CILÍNDRICO PARABÒLICO (I) ESPEJO PARABÓLICO: es el encargado de concentrar todos los rayos solares 1 3 GENERADOR: el vapor de agua hace girar una turbina. Esta acciona el generador en el tubo receptor, el cual y se produce electricidad. contiene aceite sintético. Este es calentado por acción del Sol a unos 390ºC.en el tubo receptor, el qual conté oli sintètic. Aquest 2 és escalfat per INTERCAMBIADOR acció del Sol a uns 390ºC. DE CALOR: el aceite sintético calienta el agua que circula por otro tubo hasta convertirlo en vapor de agua. 4 TORRE DE REFRIGERACIÓN: el vapor de agua se enfría para poder volver a ser utilizado.

7 7 EL SISTEMA CILÍNDRICO PARABÓLICO (II) Los rayos que inciden en el espejo parabólico se reflejan y se concentran en el tubo receptor, calentando el aceite sintético que contiene. En el tubo receptor actualmente se utiliza una técnica llamada al vacío, que consiste principalmente en extraer el aire entre dos tubos: uno de metal que está en el interior, recubierto de una capa especial de pintura negra a base de materiales de gran absorción (superior al 90 %) y baja emisividad a altas temperaturas, y el otro tubo transparente de vidrio de alta transmitancia en el intervalo solar. Además, dentro de los tubos se introducen unos Getters, encargados de absorber las moléculas de las sustancias que puedan penetrar entre el tubo metálico y el de vidrio, para mantener el vacío y evitar pérdidas de calor por conducción.. En el tubo que se hace el vacío la temperatura disminuye más lentamente que en el otro.

8 8 EL DISCO PARABÒLICO (I) Un concentrador solar parabólico concentra los rayos solares en la parte apropiada del motor Stirling que genera un trabajo mecánico, y este mediante un alternador, lo convierte en energía eléctrica. MOTOR STIRLING El receptor absorbe la energía lumínica que refleja el espejo convirtiéndola en energía térmica. ESPEJO PARABÓLICO En el caso del disco parabólico se utiliza como fluido helio o hidrógeno. El disco parabólico rastrea el sol a dos ejes.

9 9 EL DISCO PARABÓLICO (II) Un concentrador solar parabólico concentra los rayos solares en la parte apropiada del motor Stirling que genera un trabajo mecánico, y este mediante un alternador, lo convierte en energía eléctrica. 8,5 metros MOTOR STIRLING ESPEJO PARABÓLICO 4,1 metros En el caso del disco parabólico podemos instalar uno a nivel particular sin necesidad de construir una gran planta. Cada disco parabólico tiene una capacidad de 10 a 50 KW. Son los más eficientes de todos los colectores, tienen factores de concentración alrededor de 600 a veces la luz del Sol y logran temperaturas 600 a ºC, de 50 a 200 bar de presión.

10 10 EL MOTOR STIRLING El motor Stirling transforma la energía calorífica en energía mecánica. Es un motor de combustión externa, puesto que el calor que usa proviene del exterior. Trabaja a 650 grados y tiene una eficiencia entre 30 y 35%. Tiene un foco de temperatura caliente en la parte inferior y frío en la superior; debido a la diferencia de temperatura se mueve el pistón generando electricidad. Agua caliente Es un motor de reacción lento puesto que desde que empieza a calentarse hasta que empieza a funcionar tarda un poco. Pero es el mejor de estos tipos de motores. Es un motor silencioso puesto que no es de explosión.

11 11 EL SISTEMA FRESNEL (I) Una de las nuevas maneras de aprovechamiento térmico de la energía solar es el concentrador lineal Fresnel, que destaca por la sencillez de su construcción y por el bajo coste. 3 3 El agua del tubo se calienta a temperaturas de 270 ºC aproximadamente, bar de presión. Esto produce vapor, que se convierte en energía eléctrica en una turbina de vapor. 1 1 Utiliza reflectantes planos que, por filas, se orientan para concentrar la radiación solar en un mismo tubo absorbedor Los espejos paralelos enfocan la energía irradiada por el Sol en un tubo colocado a 8 metros. 4 Después el agua vuelve a su estado líquido en el refrigerador, para repetir el ciclo. La tecnología Fresnel permite un máximo aprovechamiento de la superficie, puesto que la forma plana de los espejos y el hecho de estar fijados reduce el problema de sombras entre ellos. Aunque la concentración lineal sea inferior a la puntual porque consigue temperaturas más bajas, se puede compensar ocupando más superficie.

12 12 EL SISTEMA FRESNEL (II) La curva de los espejos cilíndrico parabólico hace que sean un 15% más eficientes que el sistema Fresnel, pero se compensa con el bajo coste de la construcción. La tecnología Fresnel utiliza reflectantes planos que se construyen con vidrio normal, es decir, como los de las casas, pero sin contenido en hierro. 8 metros En la tecnología Fresnel, el tubo receptor está separado de los reflectantes 8 m y se mantiene fijo. Esto también lo hace más económico. Las dimensiones pequeñas de los espejos hace que sean poco sensibles al viento, reduciendo los costes de mantenimiento. Algunas empresas de tecnología Fresnel utilizan nuevas tecnologías de almacenamiento de calor, como las sales fundidas.

13 13 LA TORRE SOLAR (I) En las plantas termosolares con tecnología de torre, un campo de heliostatos (compuestos por una superficie reflectante, una estructura de apoyo, y mecanismos para seguir el movimiento del Sol) reflejan la radiación solar hacia un único punto, el receptor, situado en la parte superior de una gran torre. El receptor transmite el calor a un fluido con el Los rayos solares que inciden en objetivo de generar vapor los heliostatos son redireccionados para accionar una turbina, hacia el receptor, para concentrar que producirá electricidad. la radiación solar en él. El agua se calienta entre 600 y ºC, de 1 a 20 bar de presión. Los heliostatos pueden estar colocados de dos maneras: o bien en campo norte, donde los heliostatos estarían situados en hileras orientados hacia la torre; o bien en campo circular, donde los heliostatos estarían situados en forma circular alrededor de la torre.

14 14 LA TORRE SOLAR (II): LOS HELIOSTATOS Un heliostato es un espejo plano, que mide 120 m². Pérdidas por sombras. Un heliostato hace sombra al posterior reduciendo la superficie reflectante. Pérdidas por factor coseno. Cuanto mayor es el ángulo más pérdidas. El factor coseno es diferente por cada momento del día y para cada uno de los heliostatos según su posición. Pérdidas por bloqueo. Un heliostato evita que una parte de la radiación solar reflejada llegue al receptor. Los heliostatos mediante el seguimiento solar en dos ejes (uno de rotación circular y otro de elevación), son los encargados de reflejar los rayos solares en un mismo punto llamado receptor.

15 15 LA TORRE SOLAR (III): EL EXPERIMENTO Quizás la experiencia más espectacular fue la de la torre solar en la que se construyó una torre de 2,30 m y 40 heliostatos. Además, se les dio a los alumnos de 4º, 5º y 6º de Primaria unos espejos, con los cuales enfocaron hacia el receptor de la torre, en él se colocó una botella de plástico con un poco de agua. Se logró una temperatura de 90 ºC en pocos segundos.

16 16 UNA PROPOSTA A VALLS Datos aproximados para una planta con colectores cilindroparabólicos, con una acumulación equivalente a 7,5 horas con sales fundidas y una capacidad de generación de 50 MW ubicada en Valls (Tarragona). (Cálculos realizados con el programa Exelergy.) DEFINICIÓN VALORES UNIDADES kw.h/m2*año m2 Campo solar 300 Ha kw.h / año Radiación total MW.h / año GW.h / año Factor de ocupación 33% m2 Superficie de espejos 99 Ha Energía incidente total GW.h / año Pérdidas por incidencia -14% Energía capturada por los espejos GW.h / año Pérdidas ópticas -31% Energía dirigida al tubo absorbedor 984 GW.h / año Pérdidas por los conductos -26% Energía liberada 725 GW.h / año a los generadores de vapor Pérdidas operativas circuito vapor -12% y funcionales de la turbina Energía útil entrante a la turbina 640 GW.h / año Rendimiento del bloque 37% de potencia Energía eléctrica neta generada 236,870 GW.h / año Rendimiento global de la planta 14% Hemos calculado la superficie que ocuparía una instalación solar de estas características y es de unas 300 ha. La hemos situado junto al polígono puesto que hay una amplia zona sin casas y con acceso a agua (7-8 m 3 /h y MW). También se dispondría de un punto de conexión de red..

17 17 GASTOS DE CONSTRUCCIÓN Y MANTENIMIENTO Datos aproximados para una planta con colectores cilindroparabólicos, con una acumulación equivalente a 7,5 horas con sales fundidas y una capacidad de generación de 50 MW (precios aproximados de 2009). Detalle de la inversión (50 MW (b) ) Descripción % M /MW (a) Subtotal del coste (a * b) Colectores del campo solar 55,96% 2,300 M Sistema de generación de vapor 6,08% 0,250 M Sistema de transferencia térmica 5,60% 0,230 M Turbina - generador - condensador 14,60% 0,600 M Sistema de almacenamiento térmico 7,30% 0,300 M Balance Of Plant (BOP) y otros 10,46% 0,430 M COSTE TOTAL DE LOS EQUIPAMIENTOS 100,00% 4,110 M (Fuente: Exposición Cor de María. Àngel Clares) Otros costes no tecnológicos: Calderas Construcción civil Tramitación del punto de conexión y construcción de la línea de evacuación Redacción del proyecto ejecutivo, visados y otros costes de ingeniería Tramitación de las diversas licencias y permisos Costes de desarrollo del proyecto Ajustes finales, periodo de pruebas y puesta en marcha. Coste aproximado: Inversión final aproximada Costes tecnológicos: Otros costes: Impuestos: TOTAL APROX

18 18 INSTALACIONES EN CATALUÑA (I) Abantia construirá la primera Planta termosolar en Cataluña. La inversión es de 130 M. Abantia, pionera en esta tecnología, participa en la construcción de esta planta, que producirá 25 megavatios (MW). Su construcción se iniciará el próximo octubre en les Borges Blanques (Lleida). El complejo termosolar ocupará metros cuadrados de suelo rústico y estará formado por 56 hileras que dispondrán de seis colectores cilindroparabólicos cada una. Estos dispositivos permiten convertir la radiación solar en energía térmica. El proyecto permitirá ahorrar la emisión de toneladas al año de CO 2.

19 19 INSTALACIONES EN CATALUÑA (II) La empresa tecnológica Agni Iberpower, instalará en el municipio de Riudoms (Tarragona), la primera planta solar termoeléctrica de Cataluña. La planta inicialmente será de 15 MW. Agni apuesta por la utilización de la tecnología Fresnel por sus ventajas. La planta estará además equipada con nuevas tecnologías en sistemas de almacenamiento que, con el uso de ultracapacitadores de última generación, podrá exportar energía eléctrica a la red durante unas 20 horas diarias.

20 20 INSTALACIONES EN ESPAÑA (I) Tenemos que aprovechar más la energía solar, puesto que sí por su situación geográfica, España es un país privilegiado, destacando el sur por sus altos valores de radiación solar. Fuente: El mejor lugar para construir una planta termosolar eléctrica sería en un lugar plano y donde haya una radiación solar bastante elevada. En España, el lugar ideal seria al sur del país donde, además de tener una radiación solar elevada, hay grandes extensiones de terreno libres. Otro parámetro a considerar son los incentivos fiscales para instalaciones de tecnología solar termoeléctrica, que promueven este tipo de instalación y que facilitan su financiación.

21 21 INSTALACIONES EN ESPAÑA (II) CILINDROPARABÓLICA Fuente: Solnova 1 y 3: La primera planta cilíndroparabólica (de un total de 5) que se construye en la Plataforma Solúcar, tendrá una potencia de 50 MW. Generará 114,6 GWh de energía limpia al año lo que permite abastecer unos hogares. Evitará la emisión de toneladas de CO 2 al año. Está preparada para quemar entre un 12% y un 15% de gas natural. Formada por m 2 de espejos en una superficie de 115 Ha. El rendimiento es cercano al 19%. ANDASOL: Andasol es un complejo solar en fase de construcción en Aldeire y La Calahorra. Consta de tres centrales de cilindros parabólicos, de 50 MW cada una, llamadas Andasol-1, Andasol-2 y Andasol-3. Cada una ocupa una superficie de de metros cuadrados y genera una potencia de 50 MW ( MWh de energía al año). Producirán energía para unos hogares. Fuente: ages/news/ _solnova.jpg En la actualidad, existen estas centrales termoeléctricas de tecnología cilindroparabólica operativas y se prevé la construcción de 32 plantas más. La distribución de las plantas en el territorio español se muestra en la figura adjunta.

22 22 INSTALACIONES EN ESPAÑA (III) FRESNEL La empresa Novatec Biosol ha abierto en Calasparra (Murcia) la primera central termoeléctrica que implementa la tecnología lineal Fresnel, denominada Puerto Errado 1 (PE1). Tiene m 2 de espejos (16 filas) y una potencia de 1,4 MW que produce cerca de 2 GWh anuales. Fuente: Uno de los proyectos más recientes con un sistema Fresnel es la planta construida por SGP y por el grupo alemán MAN Ferrostaal en Almería. Consta de 25 filas de espejos planos, cada uno de 100 metros de largo y 60 centímetros de ancho, que concentran la energía solar en un tubo de 100 metros de largo.

23 23 INSTALACIONES EN ESPAÑA (IV) TORRE SOLAR PSA: Situada al Sudeste de España en el desierto de Tavernas, recibe una insolación directa anual por encima de KWH/m²año. Su temperatura media anual está alrededor de 17ºC. umb/c/c8/torre_principal_solar_tabernas.jpg/25 0px-Torre_Principal_solar_Tabernas.jpg PS10: Situada en Sanlúcar la Mayor, Sevilla. Consta de 624 heliostatos de 120 m² y una torre de 115 m de altura. Tiene 11 MW de tecnología de Torre. Puede almacenar hasta 30 minutos de energía, y es capaz de alimentar a viviendas. Ahorra toneladas de CO 2 al año. PS20: Situada en Sanlúcar la Mayor, Sevilla. Consta de heliostatos de 120 m² y una torre de 120 m de altura. Tiene 20 MW de tecnología de Torre. Es capaz de alimentar a viviendas. Ahorra toneladas de CO 2 al año /04/thermal_tower.jpg

24 24 ANÁLISIS DE LOS DIFERENTES SISTEMAS Fuente: Exposición Cor de María. Àngel Clares CILINDROPARABÓLICO RECEPTOR DISC FRESNEL ( CCP ) CENTRAL PARABÓLICO ( CLF) POTENCIA MW MW 5-25 MW MW TEMPERATURA DE OPERACIÓN FACTOR DE CAPACIDAD ANUAL 390 ºC 575 ºC 750 ºC 390 ºC % * % * ~ 25 % * - EFICIENCIA PICO 20% 23% 30% 18% EFICIENCIA NETA ANUAL % * 7-20 % * % * 13% ESTADO COMERCIAL Disponible comercialmente Demostración Prototipodemostración Prototipodemostración RASGO TECNOLÓGICO Bajo Medio Alto Medio ALMACENAMIENTO DISPONIBLE Sí Sí Sí Sí DISEÑOS HÍBRIDOS SÍ SÍ SÍ Sí FACTOR DE CONCENTRACIÓN 200 (normal 30-80) COSTE W [ /W instalado] 4,0-6,5 4,0-6,5 11 2,0-3,0 NOTA: datos obtenidos del CIEMAT *: Datos referidos al periodo de 1997 al 2030 Fuente: Exposición Cor de María. Àngel Clares

25 25 CONCLUSIONES La energía solar es un recurso muy abundante, económico y ecológico, Durante mucho tiempo, la captación de esta energía se basaba principalmente en el uso de células fotovoltaicas para obtener electricidad o bien directamente energía térmica. Pero esta tecnología presenta un rendimiento limitado que ha dificultado su desarrollo. Por eso, han aparecido otras tecnologías que tienen mayores prestaciones, en particular la tecnología solar termoeléctrica, basada en la producción de electricidad mediante un ciclo termodinámico convencional a partir de un fluido calentado a alta temperatura. Los sistemas de generación termoeléctricos (la torre solar, el sistema lineal Fresnel, el disco Stirling y el cilíndrico parabólico) tienen una eficiencia de conversión mucho mayor que la tecnología fotovoltaica, lo que permite obtener electricidad de forma más limpia y eficiente. Además, permiten aprovechar las ventajas climáticas de países que tengan alta radiación solar (como España) para obtener energía renovable y minimizar la utilización de energías fósiles (reduciendo así los problemas que comportan) y por eso hay que continuar investigando. El futuro es la energía solar termoeléctrica.