La red temática ESTCI (Energía Solar Térmica de Concentración para Iberoamérica) pertenece al conjunto de redes temáticas del Programa Iberoamericano CYTED (Ciencia y Tecnología para el Desarrollo, www.cyted.org) y tiene como objetivo principal fomentar el uso de los sistemas solares térmicos de concentración (SSTC) en los países latinoamericanos que participan en la red: Argentina, Brasil, Chile, Colombia y México.

La energía solar es, junto con la eólica, la energía renovable más abundante en la Tierra. Existen muchas formas diferentes de aprovechar la energía solar, siendo los sistemas solares térmicos de concentración (SSTC) los que presentan un rango más amplio de temperatura de trabajo, ya que permiten convertir la radiación solar directa en energía térmica dentro de un rango de temperaturas que va desde 100ºC hasta más de 1000ºC; cuanto mayor sea el grado de concentración de la radiación solar, mayor es la temperatura que se puede alcanzar. Este amplio rango de temperaturas convierte a los SSTC en sistemas muy interesantes para reemplazar a los combustibles fósiles en un gran número de procesos que requieren energía térmica. Esto hace que los SSTC sean atractivos para los países que posean un buen nivel de radiación solar directa y deseen reducir su dependencia y consumo de los combustibles fósiles.


Figura 1: Mapa mundi con el nivel de radiación solar directa disponible

 

Puesto que todos los países que participan en esta red temática poseen zonas con un buen nivel de radiación solar directa, tal y como se puede observar en el mapa adjunto, todos ellos son buenos usuarios potenciales de este tipo de sistemas solares. Pero no se dispone de una información completa sobre la radiación solar directa que existe en las diversas zonas de estos países, por lo que se considera muy interesante conocer en más detalle el recurso solar disponible en ellos y analizar las acciones, tanto legislativas como de I+D, que puedan hacer factible la instalación comercial de este tipo de sistemas en dichos países. Es importante remarcar aquí que solo la radiación solar directa puede ser aprovechada por los SSTC, pues la radiación solar difusa no puede ser concentrada. Aunque en muchos países se dispone ya de una buena información sobre la radiación solar global (directa+difusa), aún no se conoce bien cuál es su nivel de radiación solar directa, por lo que las actividades planificadas dentro de esta red en relación con el estudio de la radiación solar en los países participantes se centra en la radiación solar directa, porque es la única que puede ser utilizada por los SSTC
España posee ya una valiosa experiencia industrial y comercial sobre los SSTC, especialmente en su aplicación para la generación de electricidad (centrales termosolares) y su experiencia en este campo puede resultar muy útil a los demás países participantes en esta red temática, por lo que uno de los objetivos de esta red es transferir a estos países la experiencia española en este campo. 

El Sol, la Radiación Solar y su concentración

El Sol es un enorme reactor nuclear de forma esférica, cuya radiación (la radiación solar) constituye la principal fuente de energía para la Tierra. Sin el Sol, la vida en la Tierra no sería posible.
Se considera que el Sol radia continuamente una potencia de 3,8 x 1023 kW, de los cuales la Tierra intercepta 1,7 x 1014 kW. La potencia interceptada por la Tierra es tan importante que en un solo día supone una energía que es cuarenta veces superior al consumo energético mundial anual. Le energía solar que recibe la Tierra en 10 días iguala a la capacidad de todas las reservas conocidas actualmente de combustibles fósiles (gas, carbón y petróleo). Otro dato que pone claramente de manifiesto la importancia y magnitud de la energía que supone la radiación solar que llega a la superficie terrestre es que si se aprovechase la radiación solar que llega al 2% de la superficie desértica que actualmente existe en la Tierra, se podría abastecer toda la demanda energética mundial.
De la radiación solar recibida por la Tierra, el 30% es reflejada al espacio exterior por las nubes, el 47% es absorbida por la atmósfera, mares y tierra para mantener la temperatura ambiente, y el restante 23% se usa para mantener la convección atmosférica y el ciclo hidrológico.
Al valor de la potencia radiante recibida en el exterior de la atmósfera terrestre por unidad de superficie perpendicular a la radiación enviada por el Sol cuando la Tierra se encuentra a su distancia media del Sol, se denomina Constante Solar. Aunque el valor de la Constante Solar no es realmente constante (varia unas décimas por ciento, dependiendo fundamentalmente de los ciclos solares que tienen una duración de 11 años), se suele tomar un valor de 1367 W/m2 como estándar de la Constante Solar.
En su camino hacia la superficie terrestre, la radiación solar directa que llega al exterior de la atmósfera interacciona con las partículas de las diferentes substancias que encuentra en la atmósfera. Esta interacción da como resultado la existencia de dos tipos de radiación solar a nivel de la superficie terrestre (ver Figura 2): la Radiación Solar Directa y la Radiación Solar Difusa.
La Radiación Solar Directa es aquella fracción de la radiación solar que llega a la superficie terrestre con una trayectoria bien definida, que es la que une al Sol con ese punto de la superficie terrestre. La Radiación Solar Difusa es aquella fracción de la radiación solar que llega a la superficie terrestre sin una trayectoria definida, ya que surge como resultado del scattering o interacción de la radiación solar directa extraterrestre con las partículas y substancias que existen en la atmósfera. La suma de la radiación solar directa y difusa es lo que se conoce con el nombre de Radiación Solar Global.
Atendiendo a la forma en que convierten a la radiación solar en energía térmica, los captadores solares térmicos disponibles actualmente en el mercado pueden dividirse en dos grandes grupos:

  • captadores solares sin concentración: aquellos en los que la radiación solar es convertida en energía térmica sin sufrir previamente una concentración
  • captadores solares con concentración: aquellos en los que la radiación solar es concentrada antes de convertirla en energía térmica.


Figura 2: Interacción de la radiación solar directa con la atmósfera (Scattering), produciendo la radiación difusa.

Dependiendo de la temperatura a la que se desee calentar el fluido de trabajo que circula por los captadores solares, resultará más idóneo un tipo u otro de captador. Así, los captadores sin concentración son válidos para temperaturas de hasta unos 100ºC. Si se desean conseguir temperaturas más altas, entonces es necesario recurrir a captadores con concentración. El grado de concentración deberá ser tanto más alto cuanto mayor sea la temperatura de trabajo deseada.

La concentración de la radiación solar puede realizarse de diversas formas, siendo las más comunes las dos siguientes (ver figura 3):

  • Utilización de una superficie reflectante (espejo) que concentra mediante reflexión la radiación solar directa sobre un receptor o absorbente que tiene una superficie menor que la superficie captadora reflectante.
  • Utilización de lentes, que están compuestas por muchas superficies refractivas pequeñas. Aunque este tipo de concentración refractiva puede hacerse también con lentes convexas, a veces se utilizan las lentes Fresnel porque son más baratas, más ligeras y absorben menos energía.

Puesto que solo la radiación solar directa tiene una trayectoria bien definida, la radiación solar difusa es inutilizable por aquellos captadores solares que concentran la radiación solar. Por el contrario, la componente difusa de la radiación solar sí resulta útil para los captadores solares sin concentración, como es el caso de los captadores solares planos, o para aquellos captadores con un grado de concentración muy pequeño (< 2).

 


a)  concentración mediante espejos


b) concentración mediante lentes de Fresnel

Figura 3: Métodos más comunes para concentrar la radiación solar

Debido a que los captadores solares de concentración utilizan solamente la radiación solar directa, y puesto que la trayectoria de dicha radiación viene dada por la posición del Sol con respecto a la Tierra, los captadores de concentración tienen que ir provistos de un sistema de movimiento que les permita modificar su posición para hacer un seguimiento del Sol a lo largo del día. La existencia de sistemas de seguimiento hace que los captadores de concentración sean algo más caros, pero no sería posible alcanzar temperaturas altas sin concentración. Además, actualmente existen sistemas de seguimiento solar muy perfeccionados y económicos, por lo que esta necesidad no supone ningún obstáculo económico para el uso comercial de los captadores solares de concentración

¿Qué son los Sistemas Solares Térmicos de Concentración (SSTC)?

Actualmente existe todo un abanico de opciones tecnológicas para aprovechar energéticamente la radiación solar. Pero de todas las opciones disponibles, solo algunas son ya ampliamente conocidas por la población, como es el caso de los sistemas solares térmicos para producción de agua caliente o los sistemas fotovoltaicos para producir electricidad. No obstante, existen otras tecnologías solares que son aún desconocidas por una gran parte de la población, a pesar de estar ya suficientemente maduras como para ser implementadas comercialmente a gran escala y estar en funcionamiento comercial en algunos países. Tal es el caso de los sistemas solares térmicos de media y alta concentración, que como su propio nombre indica consisten en sistemas solares que convierten la radiación solar en energía térmica dentro de un rango de temperaturas que va desde los 125ºC hasta temperaturas superiores a los 1000ºC. Para alcanzar estas temperaturas, estos sistemas tienen que concentrar la radiación solar directa antes de convertirla en energía térmica, la cual puede ser utilizada directamente como tal para alimentar procesos industriales puramente térmicos (pasteurización, desinfección, producción de derivados plásticos, etc.), o también puede transformarse en electricidad mediante un ciclo termodinámico.
Puesto que los sistemas solares térmicos de media y alta concentración trabajan a temperaturas normalmente superiores a los 125ºC, también se les denomina sistemas solares térmicos de media y alta temperatura. Cuando la energía térmica que producen se emplea para la producción de electricidad mediante un ciclo termodinámico, se les denomina Centrales Termosolares, porque la radiación solar directa es concentrada y convertida en energía térmica como paso previo a la producción de electricidad. La generación de electricidad es la aplicación de los sistemas solares térmicos de concentración que se encuentra más desarrollada comercialmente en la actualidad, ya que en Estados Unidos existían ya en el año 2013 trece plantas de este tipo en operación con una potencia eléctrica total superior a los 700 MWe. En España funcionaban a principios de 2014 un total de 50 centrales termosolares, con una potencia eléctrica total instalada de 2,3 GWe. En Argelia, Emiratos Árabes Unidos, Egipto y Marruecos también existen ya centrales termosolares en operación (1 en cada país), mientras que en India y Sudáfrica hay también proyectos en curso. En otros países, como Chile, está previsto que en breve comience la construcción de las primeras centrales termosolares.
Hay muchos Países en los que se está estudiando la viabilidad comercial de este tipo de plantas solares para producción de electricidad. En principio, esta tecnología puede ser interesante para los países que cuentan con un buen nivel de radiación solar directa, como es el caso de una buena parte de los países situados en el denominado “Cinturón Solar Terrestre”, comprendido entre las latitudes 40ºN y 40ºS. A continuación se explican las diversas tecnologías que existen actualmente para los sistemas solares térmicos de concentración y se realizará una comparación técnica y económica de dichas tecnologías.
Como ya se ha explicado en la introducción de este documento, se denominan plantas solares térmicas (o termo-solares) de concentración a aquellas en las que la radiación solar directa es concentrada previamente a su conversión en energía térmica. La energía térmica así obtenida puede ser utilizada directamente como tal (estas aplicaciones se denominan Aplicaciones a Procesos de Calor) o transformada en energía eléctrica (estas aplicaciones se denominan Centrales Termosolares). Así pues, las dos aplicaciones comerciales principales de los SSTC son las aplicaciones a procesos de calor y las centrales termosolares.
Un Sistema Solar Térmico de Concentración está constituido (ver figura 4) por los siguientes subsistemas:

  • Concentrador solar: es el encargado de concentrar la radiación solar directa que llega a su superficie, de modo que se aumenta la densidad por unidad de superficie de la radiación sola. La concentración de la radiación solar suele conllevar pérdidas de tipo geométrico u óptico, asociadas a la propia superficie del concentrador y su montaje. El concentrador solar suministra, como su nombre indica, radiación solar concentrada.
  • Receptor solar: es el elemento donde la radiación solar concentrada suministrada por el concentrador es convertida en energía térmica útil. Esta conversión se hace generalmente aumentando la temperatura de un fluido de trabajo que circula por dicho receptor. Como consecuencia de su mayor temperatura, en el receptor tienen lugar pérdidas térmicas hacia el ambiente que le rodea.
  • Almacenamiento Térmico: tiene por finalidad solucionar el problema de suministro energético que supone la discontinuidad temporal inherente a la radiación solar. La radiación solar solo está disponible durante las horas de Sol, por lo que nuestro sistema solar no podría, en principio, proporcionarnos calor útil cuando no haya Sol o durante días totalmente cubiertos de nubes. Para solucionar este inconveniente, se pueden usar sistemas de almacenamiento de energía térmica que se carguen durante las horas de Sol para poder disponer de energía térmica cuando no haya radiación solar directa. La existencia de un sistema de almacenamiento es optativa del cliente, ya que no constituye un elemento esencial del sistema solar térmico de concentración. El almacenamiento térmico solo resulta necesario si deseamos que el funcionamiento del proceso que alimenta nuestro sistema solar no quede restringido a las horas en las que hay disponible radiación solar directa. Cuando se instala un sistema de almacenamiento térmico hay que construir un campo solar mayor que cuando no lo hay, porque durante las horas de Sol el campo solar no solo debe alimentar al proceso industrial o al ciclo termodinámico, sino también enviar energía térmica al sistema de almacenamiento para que podamos seguir alimentando al proceso industrial cuando ya no haya radiación solar directa.


Figura 4: Esquema genérico de un Sistema Solar Térmico de Concentración (SSTC)

  • Máquina Térmica: es donde la energía térmica o calor útil suministrado por el receptor se usa para la producción de un trabajo o energía mecánica. Dicha máquina térmica suele trabajar describiendo un ciclo termodinámico entre un foco caliente (calor suministrado por el receptor) y un foco frío (generalmente el ambiente), lo cual da lugar a unas pérdidas de calor a través del foco frío (circuito de condensación o refrigeración de la máquina). La máquina térmica puede alimentarse también a partir de calor útil suministrado por el sistema de almacenamiento térmico. En las aplicaciones a procesos de calor, no existe una máquina térmica, porque el calor útil suministrado por el receptor es directamente aportado al proceso industrial que se alimenta (pasteurización, desinfección, producción de derivados plásticos y otros porcesos endotérmicos, etc.). Las máquinas térmicas más usuales en los sistemas solares de concentración son las turbinas de vapor, turbinas de gas y motores Stirling. Mientras las turbinas de vapor son las más adecuadas para los sistemas con captadores cilindroparabólicos y los concentradores lineales tipo Fresnel, los motores Stirlings son la mejor opción para los discos parabólicos. Las turbinas de gas son más adecuadas para los sistemas solares de receptor central. A continuación se explica brevemente cómo funcionan estos sistemas solares.

En la actualidad existen cuatro tipos básicos de sistemas solares térmicos de concentración:

  • sistemas de receptor central,
  • sistemas de captadores cilindroparabólicos,
  • sistemas de discos parabólicos, y
  • concentradores lineales Fresnel

Aunque estos cuatro tipos de sistemas solares tienen en común que concentran la radiación solar directa, se trata de tecnologías que poseen características y peculiaridades propias, que las diferencian unas de otras. La tecnología de captadores cilindroparabólicos es la que ya cuenta con una mayor implantación comercial a nivel mundial y es la tecnología elegida por la mayoría de promotores actuales para sus centrales termosolares.

Atendiendo a la geometría del foco o lugar donde se transforma la radiación solar concentrada en energía térmica, los sistemas de receptor central y los de discos parabólicos se denominan también sistemas de foco puntual, mientras que los sistemas de captadores cilindroparabólicos se denominan sistemas de foco lineal.


Figura 5: Las cuatro tecnologías principales de concentración solar

Los sistemas de receptor central suelen utilizar espejos de gran superficie (40-125 m2 por unidad) denominados helióstatos, que están dotados de un sistema de control para que cada espejo refleje la radiación solar directa sobre un receptor central situado en la parte superior de una torre (ver Fig. 5). En esta tecnología la radiación solar concentrada suele calentar en el receptor un fluido a temperaturas entre 500ºC y 1.000ºC, el cual posteriormente puede usarse para alimentar energéticamente un proceso industrial que requiera calor a esos niveles de temperatura, o bien producir vapor en un intercambiador de calor para alimentar una turbina acoplada a un generador eléctrico.
En los captadores cilindroparabólicos (ver Fig. 5), la radiación solar directa es reflejada por espejos cilindroparabólicos que la concentran sobre su línea focal, en la que se sitúa el tubo receptor o absorbente por el que circula un fluido que se calienta como consecuencia de la radiación solar concentrada que incide sobre él. De este modo sencillo, la radiación solar es convertida en energía térmica. Con estos captadores solares se pueden alcanzar actualmente temperaturas de hasta 400ºC con una eficiencia del orden del 69%.
Los sistemas de discos parabólicos utilizan un concentrador solar en forma de parábola de revolución que refleja y concentran los rayos del sol en un foco, donde se sitúa el receptor en el que se calienta un fluido de trabajo (ver Fig. 5).
Los Concentradores Lineales tipo Fresnel son un tipo de sistema solar térmico de concentración más reciente que los otros tres explicados anteriormente. En un concentrador lineal Fresnel la radiación solar directa es reflejada por largos espejos rectangulares que poseen una curvatura muy pequeña, y que reflejan la radiación solar sobre un tubo receptor común, el cual está fijo y situado sobre los reflectores. Cada reflector tiene su propio eje de giro y sistema de seguimiento solar, de forma que giran independientemente unos de otros. En realidad, los Concentradores lineales tipo Fresnel pueden considerarse como un híbrido entre los captadores cilindroparabólicos y los sistemas de receptor central, ya que tienen un receptor longitudinal semejante al de los captadores cilindroparabólicos, pero sobre el tubo receptor se concentra la radiación solar reflejada por varios espejos, de forma semejante a los sistemas de receptor central

Los cuatro tipos de sistemas solares térmicos de concentración descritos anteriormente han sido probados y su viabilidad técnica ya ha sido demostrada mediante la experiencia de plantas comerciales y los ensayos experimentales en plantas piloto, como las existentes en la Plataforma Solar de Almería (PSA, www.psa.es), que pertenecen al CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas, www.ciemat.es), y en otros centros públicos de investigación, como Sandia National Laboratories (Estados Unidos).