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Energía Solar Termoeléctrica y Energía Fotovoltaica de Concentración

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La tecnología termoeléctrica (CSP) está consolidándose en numerosos lugares del globo como la alternativa viable de producción de electricidad solar. Existe igualmente una reciente candidata a ocupar …

La tecnología termoeléctrica (CSP) está consolidándose en numerosos lugares del globo como la alternativa viable de producción de electricidad solar. Existe igualmente una reciente candidata a ocupar lugares señalados en la generación eléctrica renovable : la fotovoltaica de concentración (CPV). Esta presentación pasa en revista estas dos tecnologías, así como diversos aspectos ligados a la promoción y desarrollo de proyectos en este ámbito.

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  • The objectives of the Directive are :
  • P arabolic troughs : this is the most mature technology, well inside the market. Its operation started in 80’s, so several decennies experience have been cumulated, giving confidence to this technology. Currently there are many power stations using this technology in Spain and US. The power of these plants ranges from 50 to 300 MW. Parabolic dishes using stirling engine : In Europe there are only pilote plants. The average power of a unit is about 10 kW. This is a modular and scalable technology, with added advantages as the operation doesn’t need cooling water. Central tower : the first commercial power plant of this type was commissionned in June 2007 in Spain. Its power reaches 10 MW. There are about 20 MW more in construction and also about 20 MW in development phase in Spain. Fresnel : there are no plants using this technology in Europe. The operating principle is the same as parabolic troughs. This technology will probably find its application in middle temperature uses, such as industrial steam or heating and cooling.
  • The objectives of the Directive are :
  • The PPA (Power Purchase Agreements) establishes the rate and duration of power purchases from an REPG project with an offtaker such as an electric utility . The associated revenue may account for up to 70 percent of project cash flows, and the level of commercial financing a project will receive is largely based on this contract. Given their complexity and importance, significant transaction costs are associated with negotiation of PPAs, driving up the price for REPG projects further. Some participants in the study pointed to the success of standardized contracts in several markets to address this issue, but many were opposed because most PPAs were already standardized to the extent they can be and flexibility is needed to suit each project. major policies for promoting development of renewable power generation projects within the U.S., including the federal Production/Investment Tax Credit (PTC & ITC), renewable portfolio standards (RPSs ), renewable energy certificates (RECs), state public benefit funds (PBFs), and policies relating to transmission
  • The objectives of the Directive are :
  • The objectives of the Directive are :
  • The objectives of the Directive are :
  • Transcript

    • 1. Junio 08 Producción de electricidad solar : Tecnologías CSP y CPV Fernando Nuño European Copper Institute [email_address] Con la colaboración de Víctor Criado
    • 2. Índice
      • Energía solar: por qué tiene sentido?
      • Definiciones
      • Análisis de la tecnología CSP
        • Tecnología
        • Cuestiones del desarrollo de proyectos
        • Costes de generación – Perspectivas de mercado – Planes de apoyo
      • Análisis de la tecnología CPV
        • Tecnología
        • Costes de generación – Perspectivas de mercado
      • Índices y comparaciones
    • 3. Recursos solares disponibles: muchos más de los que necesitamos La Tierra recibe de la radiación solar en 10 días tanta energía como la de las reservas de combustibles fósiles conocidas
    • 4. Evolución de la energía solar – Cada vez más importante en los próximos años
    • 5. ¿Dónde tiene sentido la tecnología de concentración? Irradiación directa normal anual Fuente : NASA
    • 6. ¿Dónde tiene sentido la tecnología de concentración? Fuente : Schott Solar
    • 7. El potencial de los países mediterráneos
      • El norte de África tiene un potencial enorme. Podrían desarrollarse interconexiones con Europa.
      Fuentes : Eurelectric 2007 German Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety
    • 8. ¿Por qué la energía solar encaja bien en climas cálidos? Perfil medio de demanda vs Perfil medio de irradiación en España Fuente : Red Eléctrica de España
    • 9. Índice
      • Energía solar: por qué tiene sentido?
      • Definiciones
      • Análisis de la tecnología CSP
        • Tecnología
        • Cuestiones del desarrollo de proyectos
        • Costes de generación – Perspectivas de mercado – Planes de apoyo
      • Análisis de la tecnología CPV
        • Tecnología
        • Costes de generación – Perspectivas de mercado
      • Índices y comparaciones
    • 10. Tecnologías de energía solar y reparto de aplicaciones
    • 11. Tecnologías de producción eléctrica a gran escala CSP CPV
      • ENERGÍA SOLAR TERMOELÉCTRICA: proceso térmico
        • Calentamiento un fluido
        • Generación de energía mecánica mediante un ciclo termodinámico (rankine, brayton, stirling…)
        • Conversión de la energía mecánica en energía eléctrica (alternador)
      • ENERGÍA FOTOVOLTAICA DE CONCENTRACIÓN: proceso fotovoltaico
        • Concentrar la radiación solar en la celda FV
        • Generación directa de energía eléctrica
    • 12. Índice
      • Energía solar: por qué tiene sentido?
      • Definiciones
      • Análisis de la tecnología CSP
        • Tecnología
        • Cuestiones del desarrollo de proyectos
        • Costes de generación – Perspectivas de mercado – Planes de apoyo
      • Análisis de la tecnología CPV
        • Tecnología
        • Costes de generación – Perspectivas de mercado
      • Índices y comparaciones
    • 13. Perspectiva general de la tecnología CSP Concentradores cilíndrico- parabólicos Discos parabólicos con motor de Stirling Torre central Concentradores tipo Fresnel
    • 14. Análisis de la tecnología CSP Cilíndrico-parabólicos Estructura Espejo parabólico Tubo receptor
    • 15. Análisis de la tecnología CSP Cilíndrico-parabólicos Campo solar Bloque de generación de energía
    • 16. Análisis de la tecnología CSP HFT, Heat Transfer Fluid Tecnología en disponible comercialmente Cilíndrico-parabólicos Sales fundidas Foco caliente Campo solar Sales fundidas Foco frío Generador de vapor Turbina de vapor Vapor sobrecalentado (100 bar, 380ºC) Vapor recalentado (17 bar, 371ºC) Condensador Pre-calentador Re-calentador Tanque de expansión del aceite Desgasificador Aceite a 395ºC Aceite a 295ºC
    • 17. Análisis de la tecnología CSP
      • El vapor se genera directamente en el campo de colectores solares, por lo que no es necesario el intercambio de calor, reduciéndose los costes e incrementándose la eficiencia
      Cilíndrico-parabólicos Generación directa de vapor (GDV) Disponible próximamente
    • 18. CSP: Desarrollo del proyecto – Emplazamiento Sumiso a la meteorología
      • Irradiación Normal Directa > 1800 kWh/m2/año
      • Se requiere una campaña de medida
      Acceso a las redes de gas y electricidad Acceso al agua Disponibilidad de un espacio llano
      • Fuera de zonas restringidas (urbanizable, industrial, protección ambiental)
      • Absolutamente plana para los colectores cilíndrico-parabólicos
      Autoridades locales
      • Deben aceptar y apoyar el proyecto
      • En lugares soleados hay una fuerte competencia por el uso del agua!
      • Impacto de construir una línea eléctrica dedicada a llegar hasta la red principal
      • Gas : necesario para mantener las temperaturas durante la noche (pueden considerarse otros combustibles para zonas aisladas)
    • 19. CSP: Desarrollo del proyecto – Emplazamiento Configuraciones típicas Campo solar Bloque Generación Energía
    • 20. CSP: Desarrollo del proyecto – Cuestiones administrativas Solicitud de Autorización Administrativa Análisis de impacto ambiental Información pública Obtención de la Autorización Administrativa Consulta a las entidades afectadas
      • Respuestas a esta publicación
      • Réplica a las respuestas
      Solicitud de aprobación del proyecto Permisos de construcción Periodo de maduración: 18 meses
    • 21. CSP: Desarrollo del proyecto – Ingeniería, Aprovisionamiento y construcción Ingeniería básica preliminar Compra de equipos básicos Contratos de construcción Ingeniería de detalle Suministro de equipos - Construcción Puesta en servicio y periodo de prueba Periodo de ejecución: 24 meses Maduración + Periodo de ejecución : 36 - 44 meses
    • 22. CSP: Desarrollo del proyecto – Acceso a la red Garantía: 20 €/kW Solicitud de reconocimiento de gestionabilidad RE – PO 08/2007 (ver siguiente diapositiva) Solicitud de Acceso a la Red El Gestor de la Red impone las condiciones de acceso a la red Sistema español El Promotor del Proyecto presenta su proyecto El Promotor del Proyecto pide un punto de conexión El Gestor de la Red proporciona un punto de conexión
    • 23. CSP: Desarrollo del proyecto – Acceso a la red Gestionabilidad RE – PO 08/2007 Sistema español
      • Instalación debe poder ser controlada por el centro dedicado a renovables (CECRE)
      • Fiabilidad del programa:
      • 90% a 24h vista
      • 95% a 6h vista
      Condiciones requeridas
      • Capacidad de almacenamiento: 4h
      • Eficiencia de restitución de energía : 60%
      • Capacidad de soportar huecos de tensión (hasta 1s)
      Beneficios
      • Menos requerimientos y más garantías para obtener acceso a la red
      • Participación en el mercado servicios complementarios
      • El Promotor del Proyecto puede tomar la decisión de poner almacenamiento o no, luego disponer de una instalación gestionable o no.
      • Si no es gestionable, el acceso a la red resultará más difícil de obtener y estará sujeto a restricciones en el funcionamiento
    • 24. CSP: Desarrollo del proyecto – Cuestiones técnicas Espejos
      • Algunas empresas que realizan proyectos solares están desarrollando su propia tecnología, o compran fabricantes de espejos
      Tubo de absorción Estructura de soporte Almacenamiento térmico
      • Oligopolio de fabricantes
      • Producto técnico y extremadamente crítico (vacío permanente, estabilidad de las capas, alta transmisividad del vidrio, alta absortividad y baja emisividad del absorbedor, uniones metal/vidrio, tratamiento de la dilatación,…)
      • Hay distintas estructuras disponibles en el mercado
      • Continua evolución hacia la satisfacción de los requerimientos al coste más bajo
      • Las sales líquidas son la tecnología usada hasta el momento, pero hay muchas otras en desarrollo
    • 25. CSP – Desarrollo del proyecto – Optimización del almacenamiento
    • 26. CSP – Desarrollo del proyecto – Estructura contractual y financiación del proyecto CONTRATOS Contrato Engineering Procurement and Construction (EPC) Contrato LLave en Mano Paquetes separados a negociar por el Promotor del Proyecto Operación y mantenimiento Conexión a la red Obtención de combustible
    • 27. CSP – Desarrollo del proyecto – Estructura contractual y financiación del proyecto Contrato LLave en Mano
      • One Main Contractor assumes the whole project and outsource the various packages to other companies
      • El precio es negociado ex-ante y es inamovible
      • La fecha de entrega se negocia ex-ante y es inamovible (bajo penalización )
      • Responsibility : only one visible head
      • Un Contratista Principal asume la totalidad del proyecto y asume o subcontrata los distintos paquetes a otras empresas
      • Responsabilidad: sólo una cabeza visible
      • El Contratista Principal asume el trabajo de supervisar y coordinar
      • Es entorno a un 20% más caro que con la opción “paquetes separados negociados por el promotor”
      • Para ser financiado por bancos, es la única estructura de contrato aceptada
      • La Entidad Financiera obtendrá del Contratista Principal las garantías requeridas
    • 28. CSP – Desarrollo del proyecto – Estructura contractual y financiación del proyecto Estructura Contractual Promotor del proyecto Entidad Financiera Consultor legal Consultor técnico Consultor de seguros Consultor ambiental Contratista Llave en Mano Campo solar Almacenamiento Térmico Bloque de potencia Obra civil Sistemas Eléctricos PROYECTO Combustible Operación y mantenimiento Seguros Venta de electricidad
    • 29. CSP – Desarrollo del proyecto – Estructura contractual y financiación del proyecto Principales riesgos de la CSP según las Entidades Financieras
      • Almacenamiento de las sales fundidas
      • Generación esperada:
        • Disponibilidad y Calidad de los datos de radiación solar
        • Almacenamiento Térmico
        • Hibridar con GN o biomasa
      • Disponibilidad de los componentes principales (espejos, tubos receptores)
      • Experiencia del Contratista Principal
      • Riesgo Administrativo: una vez alcanzados los objetivos fijados por el Ministerio, ¿las nuevas instalaciones puestas en servicio contarán también con el régimen de ayuda?
    • 30. CSP – Algunos ratios 50 MW – Sin almacenamiento
      • Inversión : 3000 €/kW
      50 MW – Con almacenamiento
      • Producción anual: 2050 horas en el sur de España
      • Consumo de agua: 6m3/MWh
      • Consumo de gas : 60 GWh /año
      • Superficie de los colectores : 287000 m2, 52 km lineales
      • Inversión : 4500 €/kW up to 6000 €/kW
      • Producción anual: 3000 to 4000 hours – Sur de España
      • Superficie de los colectores: se incrementa de acuerdo con la capacidad de almacenamiento
      • Consumo de agua: 6m3/MWh - 1600 m3/día
      • Consumo de gas : > 60 GWh / year
    • 31. CSP – Planes de apoyo España
      • CSP :
        • Objetivo : 500 MW en 2010
        • Tarifa : 278 €/MWh o precio de mercado + 262 €/MWh.
        • Duración : 25 years
          • Después de 25 años : 222 €/MWh o precio de mercado + 210 €/MWh
      • CPV : integrada en la FV general
        • Objetivo de 371 MW alcanzado en 2007 (esperando nuevos planes hasta el año 2010)
        • Tarifa : hasta 2007 431 €/MWh – se espera 300 €/MWh desde Septiembre de 2008. Duración : 25 años + tarifa reducida después de este periodo
        • Expectativas de discriminar CPV de la FV general
      • Las Tarifas subvencionadas han proporcionado la confianza requerida para llevar a cabo grandes inversiones hasta de 6000 €/kW
    • 32. CSP – Planes de apoyo Norte de África
      • Petición de ofertas por las agencias nacionales de electricidad
      • Ciclo Combinado con Energía Solar Integrada
      • (ISCC, Integrated Solar Combined Cycle)
        • Excelente forma de recuperar la energía solar y optimizar su eficiencia termodinámica gracias a las altas temperaturas alcanzadas al quemar gas natural
        • ISCC by Abengoa Solar : Marruecos 470 MW, Argelia 150 MW
    • 33. CSP – Planes de apoyo EEUU
      • Requerimientos estatales RPS (Renewable Portfolio Standards) + remuneración basada en la negociacón PPA (Power Purchase Agreements) +Planes pluri-anuales del Federal ITC (Investment Tax Credit)
      • Abril de 2008 : Pacific Gas & Electric Company (PG&E) firman un contrato en firme para comprar electricidad generada en plantas solares del Desierto de Mojave: 500 MW + 400 MW opcionales
      • Febrero de 2008 : Arizona Public Service (APS) firma un contrato con Abengoa Solar para comprar electricidad de una planta solar de 280 MW
      • Serie SEGS desde los ochenta : más de 300 MW con más de 20 años de experiencia en tecnología cilídrico- parabólica
    • 34. CSP – Crecimiento actual
      • Sólo en España, habrá confirmados en firme más de 1000 MW durante 2008
    • 35. CSP – Expectativas de mercado
      • De acuerdo con la German Aerospace Center (DLR), la CSP tiene un crecimiento potencial de 40 GW para 2030
    • 36. CSP – Expectativas de mercado
      • Mucho más optimista, ESTELA, la Asociación Europea de Energía Solar Térmica (European Solar Thermal Electricity Association), considera que será de 60 GW para el 2030 sólo en Europa …
    • 37. CSP – Expectativas de coste
      • De acuerdo con ESTELA, la Asociación Europea de Energía Solar Térmica (European Solar Thermal Electricity Association), sólo se puede esperar una reducción moderada en los costes de la energía debido al alto incremento de las materias primas, como el acero y el hormigón
    • 38. Índice
      • Energía solar: por qué tiene sentido?
      • Definiciones
      • Análisis de la tecnología CSP
        • Tecnología
        • Cuestiones del desarrollo de proyectos
        • Costes de generación – Perspectivas de mercado – Planes de apoyo
      • Análisis de la tecnología CPV
        • Tecnología
        • Costes de generación – Perspectivas de mercado
      • Índices y comparaciones
    • 39. CPV – Aspectos generales
      • A pesar de su juventud (mucho menos madura que la CSP), ya hay varios MW instalados en todo el mundo
      • La gran reducción de coste está todavía por llegar gracias a la producción en serie
      • No necesita agua de refrigeración (excepto algunas aplicaciones especiales)
      • Tecnología modular y ampliable
    • 40. CPV – La estrategia
      • Sustitución del caro semiconductor por un sistema óptico barato que concentra la luz en una pequeña célula FV
      • Uso de células FV de la mayor eficiencia disponible
    • 41. CPV - Ventajas No necesitan agua Desarrollo de proyecto más breve Menos sensible a climas cálidos Modulares / Ampliables
    • 42. CPV - Desventajas Sensibilidad a las nubes No es fácil el almacenamiento
      • Estas dos cuestiones deben ser solucionadas, ya que la red de transporte no puede aceptar fluctuaciones bruscas e imprevistas en la energía generada
    • 43. CPV – Componentes: Células – Células de triple unión
      • El principio es que si cada material opera con diferentes longitudes de onda, los tres cubrirán un largo espectro
    • 44. CPV – Componentes: Celdas – Evolución Tecnológica
      • En 2009, una media de eficiencia superior al 40% será lo normal para celdas multi-unión
    • 45. CPV – Componentes: Concentrador - Tecnologías Lentes Espejo Baja concentración Cassegrain
    • 46. CPV – Componentes: Concentrador - Tecnologías Torre central CPV Desarrollado por Solar Systems en Australia
    • 47. CPV – Componentes: Sistema de rastreo
      • La luz necesita ser focalizada en la célula, no cerca de ella
      • Cuanto mayor índice de concentración, menor tolerancia de ángulo
      • En la práctica, actualmente se alcanza el 0.1% de precisión
      • Se necesitan estructuras sólidas
      • Se están desarrollando nuevos conceptos estructurales
      Necesidad de una precisión cada vez mayor
    • 48. CPV – Potencial reducción de costes FV planas : los módulos representan el 45% del coste total El 40% de los costes restantes son proporcionales al área
      • Una reducción en el coste del módulo y en el área requerida conducirían a un drástico decrecimiento del coste de la energía generada
      Fuente : Concentrix
    • 49. CPV – Reducción de área Para la misma superficie, la potencia instalada es casi 50% mayor Dicho de otro modo, para instalar una potencia equivalente, es necesario 30% menos de material
    • 50. CPV – Expectativas de reducción de coste El coste de inversión se dividirá por 3 en los próximos diez años Fuente : Concentrix
    • 51. CPV – Objetivos de reducción de costes
    • 52. CPV – Crecimiento del mercado – algunos ejemplos EMCORE
    • 53. CPV – Crecimiento del mercado – algunos ejemplos GUASCOR FOTON
    • 54. CPV – Crecimiento del mercado – algunos ejemplos SOL 3G
    • 55. Índice
      • Energía solar: por qué tiene sentido?
      • Definiciones
      • Análisis de la tecnología CSP
        • Tecnología
        • Cuestiones del desarrollo de proyectos
        • Costes de generación – Perspectivas de mercado – Planes de apoyo
      • Análisis de la tecnología CPV
        • Tecnología
        • Costes de generación – Perspectivas de mercado
      • Índices y comparaciones
    • 56. Comparativa CSP - CPV 2 2 2 – 2,5 (más si tiene almacenamiento) 2,5 – 3 (más si tiene almacenamiento) Uso del espacio (Ha / MW) No necesita agua No necesita agua Similar a CSP con cilíndrico-parabólicos 6 m3/MWh Consumo de agua No Posible (cualquier combustible) Posible (cualquier combustible) Posible (cualquier combustible) Diseño híbrido No ? Térmico : posible Térmico : posible Almacenamiento integrado Sí, disponible en cantidades considerables en los próximos años Sólo prototipos Pronto Sí Disponible comercialmente Actualmente : 25 % Pronto : > 30 % 31% 23% 21% Eficiencia del sistema (eléctrica / solar) Efecto FV, no térmico 700ºC 600ºC 395ºC Temperatura de funcionamiento 10 kW – 20 kW por seguidor. Ampliable 5 – 40 kW por disco. Ampliable 20 – 100 MW 20 – 300 MW Rango de potencia CPV Discos parabólicos Stirling Torre central Concentradores cilíndrico-parabólicos
    • 57. Comparativa CSP - CPV *MENA : Middle East, North Africa 120 – 150 €/MWh en el sur de Europa. Más bajo en lugares más soleados En la línea de los cilíndrico-parabólicos En la línea de los cilíndrico-parabólicos 200 €/MWh en el sur de Europa. Más bajo en lugares más soleados LCOE esperado para 2020 300 €/MW en el sur de Europa. Más bajo en lugares más soleados ? ? 260 €/MWh en el sur de Europa – 180 €/MWh en MENA* Coste Actual de la Energía - LCOE (Levelized Cost of Energy) 6 – 7 €/W 14 €/W 4 – 6,5 €/W 4 – 6 €/W (según tamaño de almacenamiento) Coste de inversión actual CPV Platos parabólicos Stirling Torre central Concentradores cilíndrico-parabólicos
    • 58. References
      • CSP summit – Madrid February 2008 – Intereconomía Conferencias
      • CPV summit, Madrid 1-2 April 2008 (http://www.cpvtoday.com/index.shtml)
      • http://www.schott.com/csp/english/download/schott_memorandum_e.pdf
      • http://www.wbgu.de/wbgu_publications_annual.html
      • http://www.eupvplatform.org/
      • http://www.csptoday.com/
    • 59. ¡Gracias!