Ayleen
Villarreal
Panamá, 18-1-2018
Resumen: El objetivo de este artículo consiste en conocer la
nueva tecnología termosolar de torre central con receptor de sales fundidas y almacenamiento
térmico. La misma se desarrolla actualmente y permite obtener energía de forma
ininterrumpida por varias horas, aun cuando la luz solar no incida directamente
sobre los heliostatos, ya que se almacena el calor permitiendo de esta manera
un suministro continuo de energía durante horas de la noche o en días oscuros,
utilizando principios termodinámicos en el sistema y aprovechando la energía
solar como fuente principal, la cual es virtualmente renovable para el ser
humano. Se plasmará el funcionamiento básico de la planta Gemasolar que utiliza
este tipo de tecnología, de manera que podamos familiarizarnos con esta
reciente técnica que genera valiosos resultados.
Palabras claves: almacenamiento
energético, energía termosolar, heliostato, radiación solar, sal fundida.
Title: Gemasolar solar thermal as an innovative and sustainable technology.
Abstract: The aim of this article is to know about the new central tower technology with molten salt receiver and thermal storage is currently being developed , and that allows for uninterrupted power for several hours even when sunlight does not shine directly heliostats , because heat is stored thus allowing a continuous power supply even during at night or in dark days, using thermodynamic principles in the system using solar energy as the main source, which is virtually renewable for the human being. Here the basic operation of the Gemasolar plant using this technology, so that we can familiarize ourselves with the recent technical that is generating valuable results will be reflected.
Key words: energy storage, solar thermal energy, heliostat, solar radiation,
molten salt.
Introducción
El hombre ha
sabido aprovechar las fuentes de energías renovables desde hace mucho tiempo,
hecho que experimentó una extensa duración, pero
tuvo una significativa pausa con la llegada de la llamada “Revolución
Industrial”, época en la que se da la aparición del carbón, cuya densidad
energética es superior a la de las energías renovables y su menor precio
desplazó a las tecnologías anteriores. Luego, el carbón fue desplazado por el
petróleo en varias aplicaciones, debido a que era más limpio y con mayor poder
calorífico [1].
A través del
proceso químico que se lleva a cabo en las plantas a través la fotosíntesis, se
da la transformación de la luz solar hasta convertirse en materia orgánica
sumamente rica en energía, dando lugar a la creación de la energía fósil, en la
cual se fija parte del carbono existente en nuestra atmósfera. A pesar de que
se requieren miles de años para que se forme el recurso energético, la demanda
indica que la energía obtenida durará muy poco, ya que el consumo de la
sociedad moderna cada día se incrementa más para lograr satisfacer las
necesidades actuales.
Por otro lado,
se da la aparición del gas natural como fuente energética, también conocido
como “la energía del siglo XXI”. La utilización del gas natural, así como los
combustibles de bajo carbono tienen gran auge, reemplazando al petróleo y el
carbón. Presenta significativas ventajas con respecto a otros tipos de
combustible, entre las cuales destacan su precio accesible, la cualidad de que
es limpio y seguro, existe una alta continuidad en el suministro y el
mantenimiento de los equipos puede llevarse a cabo con facilidad. No obstante,
el agotamiento de los combustibles fósiles provoca un aumento en los costos de
este tipo de energía, además es imposible ignorar el impacto medioambiental
causado por la extracción del recurso [2].
Es por ello que
el surgimiento de la energía solar y otras energías limpias se están abriendo
camino y retoman su lugar en la actualidad, ya que ahora no es únicamente una
opción energética, sino que se convierten prácticamente en una alternativa
prometedora que hará frente a la escasez de otros combustibles, además de
reducir las emisiones de carbono y gases invernaderos que son despedidos
diariamente al ambiente, mejorando así nuestro entorno de vida [3].
En cuanto a las
tendencias y novedades que trae consigo el enfoque futuro por solucionar la
crisis energética que azota nuestro planeta, la planta Gemasolar supera el reto
de utilizar las más recientes tecnologías que permiten desarrollar un modelo
energético sostenible y que también garantizan la seguridad del servicio
eléctrico que abastece tanto a hogares como a industrias, empleando la
tecnología por concentración que es sumamente amigable con el ambiente.
La primera
sección de este artículo describe en general la planta Gemasolar, seguida
inmediatamente por la descripción de los componentes que conforman el sistema y
el funcionamiento de la planta. Una vez planteados estos puntos, se procede
a analizar las ventajas y desventajas de
la energía termosolar, así como el impacto ambiental que esta tecnología
involucra.
Descripción
general de la planta Gemasolar.
La tecnología solar térmica es aquella que aprovecha
la energía que irradia el sol y es captada por un concentrador solar, de manera
que pueda calentarse un fluido para que pueda utilizarse y abastecer procesos
domésticos, comerciales e industriales a partir de la energía generada. En el
año 2006, la empresa multinacional española SENER Grupo de Ingeniería S.A.,
inició el proyecto Gemasolar. Más tarde se fusionó junto a la compañía de
energías alternativas MASDAR de Abu Dhabi, dando origen a Torresol Energy, que
finalmente promovió la construcción de la planta y quedó lista para el mes de
abril del año 2011 [4].
La
planta Gemasolar tiene una torre central cuya altura es de 140 metros y posee
además como elemento singular un receptor cilíndrico de alta eficiencia, que se
ubica en el punto más alto de la torre. Los espejos planos alrededor de la
torre son los llamados heliostatos que conforman el campo solar sobre el cual
incide la radiación. En el caso de Gemasolar, existen 2650 heliostatos que
fueron instalados en un periodo maratónico de siete meses.
Cada uno de los heliostatos consta de una superficie
de espejos de 120 m2 que es orientada de forma continua a lo largo del día en
función de la posición del sol y las condiciones meteorológicas que se presentan.
Poseen además un sistema de actuación de dos ejes de alta precisión que
controlan los movimientos apropiados para que los rayos incidan sobre los
espejos en todo momento del día y de esta manera llevar a cabo la técnica de
concentración solar. Los mismos están distribuidos concéntricamente en forma de
anillos alrededor de la torre central y el más alejado se encuentra ubicado a
una distancia de aproximadamente 1 km en una orografía plana tal como puede
apreciarse en la Figura 1.
La
potencia nominal de la planta es de 19,9 MW con una generación anual de 110
GWh, siendo capaz de abastecer alrededor de 27 500 hogares. Al ser la primera
planta termosolar que utiliza la tecnología de receptor de torre central con
receptor y almacenamiento de sales fundidas, tiene la peculiaridad de ser la
única planta capaz de suministrar exitosamente electricidad por periodos
gestionables ininterrumpidos de 24 horas a plena potencia durante la mayoría de
los meses del año, lo que la convierte perfectamente en un modelo a seguir para
el diseño, desarrollo y construcción de nuevas plantas.
Componentes.
Para conocer el funcionamiento de una
planta termosolar, consideramos indiscutiblemente necesario el hecho de conocer
cada uno de los componentes del sistema para la transformación de la energía,
motivo por el cual se describen brevemente a continuación:
Los heliostatos son los encargados de
recibir la radiación solar y consisten en la colocación de varios espejos cuya
orientación automática detecta el ángulo correcto para una eficiente captación
solar, haciendo que los rayos solares converjan en la caldera. Aunque existe un
sistema de control, existe pérdida de captación de los rayos solares
principalmente por dos factores: el primero consiste en que los heliostatos no
reflejan en su totalidad la radiación y el segundo factor corresponde a la
distribución de los mismos en el terreno, lo que atribuye las pérdidas a la
posición geométrica dentro del campo solar.
Otro componente importante es la caldera,
que es donde convergen los rayos solares y en la cual se alcanzan elevadas
temperaturas. El aislamiento juega un papel importante para potenciar el uso de
la energía, ya que el fluido debe mantenerse caliente durante todo el proceso.
El vapor que se genera en la caldera
dará origen al movimiento que produce el giro en los álabes de la turbina, que
a su vez está unida al generador para recibir el movimiento y transformar la
energía mecánica en energía eléctrica por inducción.
La energía calorífica que no es
utilizada inmediatamente se almacena en el acumulador con el fin de abastecer
el sistema en ausencia de la radiación solar. Esta energía es incluida en su
momento en la red eléctrica a través de un transformador.
También está el condensador, encargado
de convertir el vapor proveniente de la turbina en agua líquida, luego de
realizar el trabajo termodinámico, lo cual se logra a través del circuito de
enfriamiento que contiene en el interior. Como se trata de un ciclo cerrado, la
bomba impulsa nuevamente el agua hasta la caldera para continuar el ciclo.
Los tanques de almacenamiento tienen una
elevada importancia, ya que son los protagonistas de que la planta termosolar
continúe abasteciendo aún en ausencia de radiación solar, lo que se explica
detalladamente en el funcionamiento de la planta.
Existe también un moderno sistema de
control en el campo solar, encargado de regular y mejorar el funcionamiento del
sistema a través de controladores interconectados entre sí por medio de fibra
óptica. Este sistema es automático y está constantemente analizando las
condiciones físicas y ambientales en el campo de heliostatos, lo que permite
que se hagan las adecuaciones necesarias para el mejor aprovechamiento del
recurso energético, corrigiendo por ejemplo la posición de los heliostatos
según la hora del día para o la época del año para una mayor recepción de luz
solar.
Funcionamiento.
Luego de viajar 8
minutos, los
rayos del sol inciden sobre los
receptores. Los helióstatos son capaces de reflectar un alto
porcentaje de la radiación y transmitir esa energía al compuesto de
sales fundidas que circulan en el interior de la caldera. El
aprovechamiento de la luz solar ofrece una producción energética libre,
silenciosa y no contaminante. Su uso puede ser de forma indirecta, relacionado
con la energía eólica, hidroeléctrica, fotosíntesis, entre otras. En nuestro
caso, nos interesa conocer sobre el aprovechamiento de energía solar directa
que concentra la radiación solar incidente en los espejos en un punto por el
que existe la circulación de las sales fundidas y así generar el vapor de agua
a alta presión, generando así la fuerza mecánica que hará mover la turbina [5].
Para el funcionamiento de la
planta termosolar, se requiere el almacenamiento de sales, las cuales se
encuentran confinadas en tanques construidos en acero inoxidable para evitar la
corrosión a consecuencia de las altas temperaturas a las que se expone. Éstos
son cuidadosamente sellados de forma hermética para crear así un aislamiento
térmico. Las sales se manejan a través de tuberías soldadas con el fin de
impedir posibles derrames, tal y como podemos apreciar en la Figura 2.
Las dimensiones de los dos tanques térmicos de la
planta Gemasolar permiten el almacenamiento térmico de 800 MWh de capacidad de
energía. La
separación de los depósitos frío y caliente de la planta Gemasolar permiten una
adaptación de los materiales para las respectivas condiciones. En el caso de
alta temperatura se fabrica de acero inoxidable ASTM A 240 grado 347, mientras
el depósito de baja temperatura es construido de acero al carbono ASTM A 516
grado 70. La temperatura de operación de la planta Gemasolar es de 565 °C para
el tanque caliente y 288 °C para el tanque frío [6].
El sistema de sales fundidas genera el vapor y sirve
también para almacenar el excedente de calor proveniente de aquellos momentos
de sobre-energía en los que la radiación calórica recibida es más que
suficiente para cubrir la demanda de la turbina del sistema, por lo que parte
de esas sales se almacenan en un tanque caliente capaz de conservar el calor
para utilizarlo en momentos de baja radiación solar con una duración de hasta
15 horas sin necesidad de radiación directa o en ausencia de luz solar,
aplicando principios termodinámicos y de transferencia de calor para el manejo
de la energía almacenada
En
el caso de que sea inevitable evitar un derrame, la mezcla de sales liberadas
consta de sustancias químicas como el nitrato potásico y el nitrato sódico,
cuyo impacto al ambiente sería prácticamente inofensivo, puesto que su
composición es bastante similar a la que se utiliza para productos que se
utilizan tradicionalmente en la agricultura para aportar elementos nutrientes
al suelo y de esta manera funcionar como un abono a las plantas para favorecer
el rápido crecimiento.
En
vista de que es absolutamente necesaria la refrigeración del condensador del
sistema y tratando de conservar el carácter ecológico, se aprovecha el agua
lluvia como líquido refrigerante, que es un recurso ofrecido por la naturaleza
y que usualmente se desperdicia. Esta agua es recogida en embalses y se
transporta a través de canaletas y tuberías, evitando de esta manera utilizar
lagos, pozos y captaciones de agua para abastecimiento público, además de no
alterar el curso natural de los ríos y afluentes cercanos a la planta.
Ventajas de la
energía termosolar.
Entre las principales ventajas de esta
tecnología está el hecho de que es respetuosa con el medio ambiente, no existe
una gran emisión de gases contaminantes ni generación de residuos peligrosos.
La energía solar es un recurso renovable, lo que permite producir energía a
gran escala a través de este tipo de centrales, convirtiéndola en una fuente de
energía gratuita [7].
Las sales almacenadas son prácticamente
inofensivas al entorno, la instalación de la planta se puede llevar a cabo en
áreas rurales y aisladas, lo que la convierte en una energía sostenible, lo que
provoca una significativa disminución de la dependencia de suministros
externos.
Esta tecnología presenta gran eficiencia
y tiene un bajo costo de producción para unidades grandes de potencia, por el
orden de los 100 a 200 MW, además que es de fácil instalación.
A pesar de que los espejos de los
heliostatos en la planta Gemasolar están colocados en una orografía plana, para
el desarrollo de otras plantas puede considerarse también un terreno a
desnivel, ya que los ejes permiten una eficiente orientación para la captación
de la radiación solar.
Desventajas de
la planta.
Entre las desventajas de este sistema,
podemos mencionar una mayor complejidad mecánica, por ejemplo, los heliostatos
solo tienen seguimiento en uno de los ejes, presentando deficiencia en la
ubicación para el mejor aprovechamiento de los rayos solares. Es la
electricidad más baja de todas las tecnologías solares por concentración. El
costo de inversión inicial es elevado y ocupan grandes áreas de terreno, por lo
general desérticas, pero de cierta manera afecta la flora y fauna del lugar.
Otra desventaja es que depende a gran
escala de las condiciones meteorológicas, las cuales se ven afectadas o no
según la época del año o la posición en la que esté instalada la planta, además
de que existe un gran peligro por las altas temperaturas que logran alcanzarse.
Impacto
ambiental.
El
uso de la energía solar para cumplir con diversas funciones no es un tema
reciente, sin embargo, como se menciona en este artículo, el petróleo ocupó su
lugar con la llegada de la Revolución Industrial.
Debido
a los altos costos por el agotamiento del combustible y los graves daños
ocasionados al ambiente, la producción energética se está enfocando una vez más
en el aprovechamiento de la energía solar desarrollando innovadoras tecnologías
para generar electricidad.
En
el caso particular de la planta Gemasolar, la energía producida es limpia,
hecho que va estrechamente ligado a una significativa reducción de emisiones de
dióxido de carbono a la atmósfera, lo que la convierte en una tecnología
respetuosa con el medio ambiente y a pesar de que también genera efectos
negativos contra el entorno en que vivimos, definitivamente son menos dañinos
que las tecnologías convencionales.
El
impacto medioambiental de las tecnologías convencionales es significativamente
más dañino que la repercusión de las tecnologías basadas en energías
renovables, lo que convierte a la
energía termosolar en una tecnología amigable cuyos efectos no ocasionan
grandes cambios en el equilibrio de nuestro planeta.
Referencias
bibliográficas
|
[1]
|
Méndez, J. M. y R. Cuervo, Energía
Solar Térmica, 1ra. Ed, Ed. Fundación Confemetal, España.
|
|
2]
|
“International Energy Agency data sheet”, Concentrating Solar Power,
World Energy Outlook 2014 Factsheet.
|
|
[3]
|
C.S. Jwo, Ed., Solar Energy and
Clean Energy: Trends and Developments, ser. International Journal of
Photoenergy, Hindawi, 2015, vol. 2015.
|
|
[4]
|
(2010) Torresol Energy [Online]. Disponible en:
http://www.torresolenergy.com/torresol/gemasolar.html?swlang=es
|
|
[5]
|
F. A.
Farret and M. Godoy, Integration of
Alternative Sources of Energy, John Wilet & Sons, Inc. Hoboken, New
Jersey, 2006.
|
|
[6]
|
D. Stefan.
(2012) Madrid Solar. Guía Técnica de la
Energía Solar Termoeléctrica. [Online].
Disponible en:
http://www.fenercom.com/pdf/publicaciones/Guia-tecnica-de-la-energia-solar-termoelectrica-fenercom-2012.pdf
|
|
[7]
|
Luna N. (2013). TSS. Universidad de San
Martín. [Online]. Disponible en:
http://www.unsam.edu.ar/tss/ventajas-de-la-energia-solar-termica/
|
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