TORRES CENTRALES. R a f a e l E. C a b a n i l l a s L ó p e z

Transcripción

1 TORRES CENTRALES R a f a e l E. C a b a n i l l a s L ó p e z

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7 Para México y para el mundo existe la imperiosa necesidad de iniciar la migración de un sistema energético basado en el petróleo a esquemas de producción y consumo de energéticos más limpios y perdurables. Los problemas ocasionados por el consumo de hidrocarburos para mantener la demanda creciente de energía que la sociedad actual requiere, están en continua fase de agudizamiento

8 Concentración solar para la producción de energía eléctrica Dependiendo del tipo de óptica utilizada para la concentración, se han desarrollado cuatro tipos de tecnologías para la producción de energía eléctrica: a) Canal parabólico, b) Disco parabólico c) Fresnel lineal d) Torre central.

9 Tecnología de Torre Central

10 GENERACIÓN ELÉCTRICA La aplicación fundamental para la que se han concebido los sistemas de receptor central es la generación solar de potencia eléctrica. Una planta solar termoeléctrica de torre central utiliza el calor solar concentrado para producir vapor y con esto generar electricidad a través de una turbina de vapor en un ciclo Rankine convencional. También se pueden usar turbinas alimentadas por aire caliente, en lugar de vapor, en un ciclo Brayton. Existen tres plantas comerciales en operación en España bajo este concepto y una planta piloto en los Estados Unidos.

11 Plantas de Torre Central en el mundo SANDIA NATIONAL LABS

12 En España se construyeron dos plantas de prueba en la Plataforma Solar de Almería. Las experiencias adquiridas en estas anteriores plantas, dieron como origen la primera planta solar de torre central comercial, la PS10 o Solar Tres, inaugurada el 30 de marzo del 2007 tiene una capacidad de 11 MW y se encuentra localizada en las cercanías de la ciudad de Sevilla, en el municipio de Sanlúcar la Mayor.

13 La PS10 cuenta con 624 heliostatos de 120m 2 cada uno y, una torre de 115 metros de altura donde se encuentra instalado el receptor solar y la turbina. La PS20 tiene el doble de capacidad (20 MW), con 1,255 heliostatos de igual área de reflexión que los utilizados en la PS10 es decir de 120m 2 cada uno, en este caso la torre es de 160 metros de altura. Estas plantas forman parte de una plataforma de generación de 300MW con diferentes tecnologías solares, el cual se proyecta terminar para el año de 2013

14 GemaSolar Gemasolar es la primera planta comercial de energía solar térmica con tecnología de receptor central de torre y sistema de almacenamiento en sales fundidas. Se trata de un campo solar de 185 Ha que alberga el receptor en una torre de 140 m de altura, la isla de potencia y heliostatos cada uno de ellos de 120 m2- distribuidos en anillos concéntricos alrededor de la torre. Los aspectos más innovadores de esta planta, propiedad de la empresa Torresol Energy, son el receptor de sales fundidas, el mecanismo de apunte de heliostatos y el sistema de control; además, el sistema de almacenamiento permite producir electricidad durante 15 horas sin sol (por la noche o en días nublados). Gracias a esta capacidad de almacenamiento, la energía solar pasa a ser gestionable y puede ser suministrada en función de la demanda. La planta ya ha alcanzado un día completo1 de suministro ininterrumpido a la red mediante la tecnología de transferencia térmica desarrollada por SENER. Gemasolar, de 19.9 MW de potencia, es capaz de suministrar 110 GWh al año, con lo que se puede abastecer energía a hogares. Esta planta está operativa desde mayo de La inauguración oficial se celebró en octubre de 2011.

15 Costos Generales de una Planta de Torre Central (PTC) El campo de heliostatos con un 43% El receptor con un 18% Sistema de generación eléctrica (13%) Sistema de almacenamiento térmico (8%) y el sistema de generación de vapor (2%)

16 Heliostatos Jacob s Gravesande, quien alrededor del año 1720 logró obtener un instrumento funcional. Los heliostatos eran utilizados en laboratorios de investigación con varios propósitos: como la iluminación de microscopios, el estudios de la luz polarizada, espectroscopia, etc.

17 Heliostatos modernos

18 Tomando como base las plantas de torre central construidas, podemos observar que los heliostatos han ido creciendo sustancialmente buscando el punto de equilibrio económico de costo-factibilidad, en la planta Solar-One se usó un tamaño de 40 m 2, en la PS-10 de 120m 2

19 Efecto del costo del heliostato sobre el precio del kwh producido Precios en dólares

20 Costos de heliostatos e instalación % Superficie reflectora 25 Motores 20 Estructura de soporte 14 Pedestal 13 Control 2 Costos directos 75 Overhead 15 Precio total de fabricación 90 Cableado del campo 6 Cimentación 2 Alineación y pruebas 2

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22 Concepto % Superficie reflectora 25 Motores 20 Estructura de soporte 14 Pedestal 13 Control 2 Costos directos 75 Overhead 15 Precio total de fabricación 90 Cableado del campo 6 Cimentación 2 Alineación y pruebas 2

23 En un campo de heliostatos, la distribución de los mismos sobre el terreno es resultado de un complicado estudio geométrico de posición, donde intervienen variables tales como el efecto coseno, el sombreado y el bloqueo

24 Ventajas de la aplicación de la tecnología de PTC en México Radiación Solar Se tienen valores de irradiación más elevados, se presentan valores de Radiación Solar Global en, se puede observar que México se encuentra en la franja de 1700 a más de 2100 kwh/m 2, que son de los valores más altos del mundo. Si se comparan los valores anteriores, por ejemplo con los valores de los países europeos, se tienen mínimo el 25% de mayor cantidad de radiación solar disponible.

25 Ubicación El territorio mexicano se encuentra comprendido entre los paralelos 15 N y 30 N, esto permite utilizar campos de heliostatos que tengan menor área debido al factor coseno (que se explico anteriormente), con un análisis simple se puede concluir que el uso de suelo puede ser mejorado entre un 5 a un 20%, comparado con las plantas existentes las cuales han sido construidas por arriba del paralelo 37 N. Esto afecta positivamente el tamaño de los campos de heliostatos, ya que esto significa que para una potencia dada, el terreno ocupado por el campo de heliostatos será menor que el utilizado en regiones que se encuentren en paralelos más alejados del ecuador.

26 Grandes extensiones de tierra sin uso productivo En los estados del norte y noroeste se tienen extensiones de terrenos sin un uso productivo por falta de agua y por el clima extremo, estas áreas son susceptibles a ser usadas sin afectar el ambiente o actividades productivas (como en el caso de las presas).

27 Laboratorios Nacionales de Sistemas de Concentración y Química Solar Actualmente se está desarrollando el proyecto denominado Laboratorio Nacional de Concentración y Química Solar, el cual es liderado por la UNAM y donde co-participa la Universidad de Sonora. Con fondos de CONACYT y de estas dos instituciones el monto de la primera etapa terminada a finales del 2010 fue de 44M, la segunda etapa ya se encuentra aprobada por CONACYT y tendrá un presupuesto cercano a los 38 M. Bajo la dirección del Dr. Claudio Estrada Gasca del Centro de Investigación en Energía (CIE-UNAM), alrededor de 30 investigadores de ambas universidades participan en lo que viene a ser el esfuerzo coordinado más importante en el impulso de tecnologías de concentración solar en nuestro país.

28 Laboratorios Nacionales de Sistemas de Concentración y Química Solar El proyecto de Laboratorio Nacional está dividido en tres subproyectos principales: 1. Horno Solar de Alta Temperatura 2. Planta de Destoxificación Solar 3. Campo de Prueba de Heliostatos (CPH)

29 Campo Radiación de Pruebas Solar de Anual Heliostatos Promedio Diaria (CPH), en KW-h/m2 San Luis Rio Colorado Puerto Peñasco Nogales Agua Prieta Caborca Altar Santa Ana Nacozari Hermosillo Yecora Empalme Obregón Navojoa Alamos

30 Campo de Pruebas de Helióstatos OBJETIVO: Desarrollado por la UNAM y la UNISON, dentro del Laboratorio Nacional de Sistemas de Concentración y Química Solar, es la primera instalación en su tipo en América Latina y busca consolidar una red de grupos de investigación para el desarrollo de la tecnología solar de generación eléctrica, promover la generación de conocimiento y la formación de recursos humanos de alto nivel. INVESTIGACION: - Tecnología de helióstatos - Metodologías de evaluación y estandarización de helióstatos -Desarrollo de componentes de tecnología de receptor central -Generación termosolar de electricidad -Aplicaciones de de las tecnologías - de receptor central INFRAESTRUCTURA: - Campo para 82 helióstatos de 36m 2 (23 prototipos instalados actualmente) - Torre central de 32 m de altura - Potencia Térmica Pico Esperada: 2MW - Concentración esperada: 1000 soles - Sistemas de adquisición de datos e imágenes para pruebas de helióstatos - Cabina de experimentación 6m x 6m - Receptor Lambertiano (8m x 6m) - Placa receptora (1m x 1m) - Cuarto de control

31 Campo de Prueba de Heliostatos (CPH), El CPH es una instalación dedicada a la generación de conocimiento en la línea de tecnologías de torre central. La finalidad es hacer pruebas de desarrollo tecnológico para las distintas partes que conforman los heliostatos, desde los mecanismos de seguimiento, las estructuras de soporte y cimentación, hasta pruebas de optimización óptica. Se pretende contar con la instrumentación necesaria para el perfeccionamiento de los procesos de instalación, alineación, calibración y operación de los heliostatos. Así mismo en la parte de receptores solares de alto flujo radiativo se podrá contar con una torre versátil que permita la instalación de distintos tipos de equipos para medir eficiencia de reflexión y de distribución de flujo radiativo.

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36 PROCESOS QUÍMICOS Y METALÚRGICOS Existen una variedad de procesos químicos y de tratamiento de materiales a alta temperatura, que tienen un alto consumo de energía y son susceptibles de llevarse a cabo mediante la tecnología de receptor central, por su rango de temperaturas entre 700 y 1500 C: Producción solar de hidrógeno y otros combustibles. Reducción térmica y carbotérmica de óxidos metálicos. Calcinación de piedra caliza y otros materiales (industria cementera). Sinterizado de metales y cerámicos. Este tipo de aplicaciones pueden requerir de sistemas de torre en configuración beam down, donde se utiliza un espejo secundario, para redirigir la energía solar concentrada a un receptor. Figura 2. Sistema beam down para reducción de óxidos metálicos en el Weizmann Institute of Science, Israel.

37 CALOR DE PROCESOS A ALTA TEMPERATURA Las aplicaciones a calor de procesos pueden llevarse a cabo bajo un esquema de cogeneración: el calor residual del proceso de generación eléctrica en una planta de receptor central, puede estar en rangos de 300 a 800 C, los cuales pueden ser útiles en particular para dos procesos altamente consumidores de energía como son la refrigeración térmica y la desalación solar. Además de esto es posible considerar aplicaciones de producción de vapor para procesos industriales a diferentes temperaturas y presiones. Este tipo de aplicaciones requieren evaluaciones específicas de factibilidad.

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39 CONCLUSIONES GENERALES Se encuentra un contexto mundial propicio para la aplicación de fuentes renovables de energía generado por el alza constante del costo del petróleo y por la inevitable sustitución de los combustibles fósiles para evitar los impactos al medio ambiente. La generación de electricidad por medio de la concentración solar térmica es una de las tecnologías más prometedoras. En base a la información mostrada se observa que la tecnología de PTC se encuentra en su fase de emergente pero con aplicaciones ya en el mercado energético mundial como lo muestra las plantas españolas PS10-PS20 y Gemasolar. La tecnología de torre central tiene una distribución de costos en la que aparece el campo de heliostatos como el componente con mayor inversión (43%), seguido por el receptor térmico (18%) y por el sistema de generación eléctrica (13%), entre otros. Esto sugiere que tanto los heliostatos como el receptor térmico son susceptibles de ser optimizados para bajar sus costos actuales y hacer más competitiva esta tecnología.

40 CONCLUSIONES GENERALES (2) El precio del kwh eléctrico producido en las Plantas de Torre Central es especialmente sensible al costo del heliostato. Estudios económicos señalan que un precio cercano a 100 dólares/m 2, hacen aun más viable la utilización masiva de la tecnología de PTC, el precio actual es de 140 $/m 2 por lo que mayor investigación y desarrollo en la construcción de heliostatos es requerida para lograr esta meta. México presenta ventajas importantes para la aplicación de la tecnología de PTC que pueden ser clasificadas como: geográficas al estar cerca del ecuador y recibir con menor inclinación los rayos solares, abundancia de recurso solar al poseer valores de irradiación solar de los mayores del mundo y de poseer una masa crítica de recurso humano. La infraestructura nacional es apta para iniciar la producción en masa de partes y componentes de las PTC. Entre las que destacan la construcción de campos de heliostatos. Se observan retos tecnológicos donde la ingeniería mexicana puede contribuir en hacer de las PTC una forma de obtención de energía sustentable y robustecer el sistema energético nacional. Para lo cual se requiere de una política de estado para el impulso del aprovechamiento de las fuentes renovables en especial de la energía solar.

41 Objetivos por subproyecto Subproyecto: Laboratorio de TermoQuímica Solar (LTQS) Utilizar el HSAFR como instrumento base para el LTQS. Complementar la infraestructura del Horno Solar de Alto Flujo Radiativo con capacidades de análisis químico para evaluar diferentes procesos. Contribuir al desarrollo de las tecnologías de almacenamiento de la energía térmica solar por métodos termoquímicos. Diseñar y poner en operación reactores solares en el HSAFR para llevar a cabo ciclos termoquímicos de producción de Hidrógeno.

42 Objetivos por subproyecto Subproyecto: Campo Experimental de Torre Central (CEToC) Perspectiva LNSCSQS 2ª Etapa Campo Experimental de Torre Central (CEToC) Hermosillo, Sonora

43 Objetivos por subproyecto Subproyecto: Laboratorio de Sistemas Fotovoltaicos con Concentración (LSFVC) Crear infraestructura para el desarrollo, modelación y caracterización de sistemas fotovoltaicos con concentración solar aplicando tecnología actual y

44 Diseñar un planta piloto de paneles FV con concentración conectad a la red eléctrica. Objetivos por subproyecto Subproyecto: Laboratorio de Sistemas Fotovoltaicos con Concentración (LSFVC) Diseñar y fabricar un sistema fotovoltaico de concentración que cuenten con sistemas de recuperación del calor.

45 Descripción del grupo de trabajo y vinculación