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Historia de la energía solar III
 

Historia de la energía solar III

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Aprovechamiento de la energía solar térmica (tercera parte).

Aprovechamiento de la energía solar térmica (tercera parte).
Chimeneas solares y centrales cilindro-parabólicas y Fresnel lineal.

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    Historia de la energía solar III Historia de la energía solar III Presentation Transcript

    • Paloma Román Gómez
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      • Con la crisis del petróleo de los años 70, comienza lo que podríamos llamar la historia moderna de la energía termosolar.
      • Existen dos grandes grupos de tecnologías utilizadas en las centrales termoeléctricas, capaces de generar energía eléctrica a partir del calor producido por la radiación solar.
      • Básicamente, su funcionamiento consiste en calentar un fluido, con la energía del Sol, para lograr que este provoque el movimiento de un generador eléctrico.
      • Las tecnologías desarrolladas, son:
    • B. CENTRALES DE CONCENTRACIÓN DE LOS RAYOS SOLARES
      • CHIMENEAS SOLARES (TORRES SOLARES)
      B.1. CON SISTEMAS DE CONCENTRACIÓN BIDIMENSIONAL B.2. CON SISTEMAS DE CONCENTRACIÓN TRIDIMENSIONAL B.1.I. CAPTADORES CILINDROPARABÓLICOS B.1.2. FRESNEL LINEAL B.2.1 DISCOS PARABÓLICOS Tipos en base al fluido caloportador utilizado 1.Aceite térmico: ( SEGS, NSO, Andasol, Solnova1 y 3) 2. Sales fundidas: (Enea, NREL- Abengoa Solar Power Inc) 3. Vapor de agua: Diss 4. CO2: Ciemat (lazo) B.2.2. RECEPTOR CENTRAL Tipos en base al fluido caloportador utilizado 1. Vapor de agua Tipos en base al fluido caloportador utilizado 1. Hidrógeno: SBP, Advanco, SES 2. Helio: SBP, CPG-sunpower, Infinia 3. Sodio: CPG- sunpower Tipos en base al fluido caloportador utilizado 1.- Sodio (SSPS) 2.- Sales fundidas: (Themis, DAR, RAS, Solar Two, Solar Tres) 3.- Aire (Receptor volumétrico) • Aire atmosférico (TSA Sirec Hitrec) • Presurizado (Solgate, SolHyco, Solugas) 4.-Agua/Vapor • Vapor saturado (PS10, PS20) • Vapor sobrecalentado (Solar One, Cesa 1, Superheater Eureka5)
    •  
      • Las chimeneas solares son centrales eléctricas formadas por una gran superficie de terreno cubierta de vidrio o plástico transparente dispuesta alrededor de una chimenea de gran altura, en cuya base se disponen unas turbinas.
      • Los rayos solares atraviesan la superficie de vidrio o plástico y recalientan el suelo y la masa de aire sobre este. El aire al calentarse se dilata, se hace más ligero y tiende a ascender, formándose una corriente de aire caliente que se dirige hacia la chimenea, cuya velocidad y temperatura aumentan progresivamente a medida que se aproxima a ella, llegando a ser ambos valores máximos en la base de esta.
      • El aire en movimiento se canaliza por la chimenea en forma de potente chorro y transfiere su energía cinética a unas turbinas y convertidores dispuestos en su base que la transforman en electricidad, que es entregada a la red eléctrica.
      • La idea ha interesando a ingenieros pero no a inversores. Hasta el momento solamente se han construido dos torres solares de aire ascendente: El prototipo construido en 1982 en Manzanares, España. Y una torre de 22 metros de altura en Botswana en el 2005
      • 1982: La empresa alemana Schlaich Bergermann & Partners, bajo la dirección de Jörg Schlaich construyen la primera planta termoeléctrica piloto, utilizando la tecnología de la chimenea solar, situada en un terreno cedido por la compañía eléctrica Unión FENOSA, concretamente es Manzanares, (Ciudad real, España).
      • La torre tenía un diámetro de 10,6 m y una altura de 194,6 m., el colector (invernadero) cubierto con una membrana de plástico tenía un diámetro de 244 m. con un área de 46.000 m². El aire calentado en el invernadero creaba una corriente de aire que ascendía por la chimenea atravesando unas turbinas que constaban de 4 palas, que conseguían una producción máxima de energía, de cerca de 50 Kw.
      • El objetivo de esta planta era verificar, mediante mediciones de campo, los resultados de las teorías desarrolladas sobre el funcionamiento de este tipo de instalaciones. Igualmente, se examinó la influencia de cada componente individual en la producción y la eficiencia global de la planta, bajo condiciones realistas de ingeniería y de meteorología.
    • Esta central eléctrica funcionó satisfactoriamente durante unos 8 años, hasta que fue derribada por una tormenta, en 1989.
      • 2005-2007 Botswana : El Ministerio de Ciencia y Tecnología de Botswana diseñó y construyó una pequeña chimenea solar, destinada a la investigación.
      • La torre tenía un diámetro interior de 2 metros y una altura de 22 metros. El colector tenía una superficie unos 160 m 2 , con un techo de un vidrio grueso de 5 mm. que se apoyaba en un marco de acero.
      • Torre solar de Buronga (Nueva Gales del Sur, Australia) en las proximidades de Mildura:
      • Proyecto desarrollado desde 2001, por la compañía australiana EnviroMission . Aunque el proyecto inicial era mucho más ambiciosos, actualmente las pretensiones son más modestas: Una torre central de 50 MW de potencia dotada de una chimenea de 550 metros de altura que será capaz de dar electricidad a unos 100 000 hogares australianos.
      • 2008 Namibia : El gobierno de Namibia aprobó una propuesta para la construcción de una chimenea solar con la tecnología “Greentower” de 400 MW.
      • La torre está prevista que tenga una altura de unos 1000 m y 280 m de diámetro, en el perímetro de su base se instalarían 32 turbinas de combustión con generadores lineales integrados. El Colector consistiría en un invernadero de 37 km 2 destinado a cultivos comerciales.
      • Otro proyecto es la Torre solar de Fuente el Fresno (ciudad Real España).
      • Esta planta tendrá una potencia nominal de 50 MW , capaz de cubrir la demanda de unas 120.000 personas.
      • Su superficie de captación será de 650 hectáreas (6 500 000 m 2 ) y su torre tendrá una altura de 750 metros lo que la convertirá en la construcción más alta de Europa.
      • En esta central, aparte de la función eléctrica, se pretende aprovechar la estructura periférica del invernadero para instalar cultivos de regadío, energéticos, o de biomasa.
      • También se busca darle una finalidad turística instalando un mirador en lo alto de la torre.
    •  
    • B.1. CENTRALES CON SISTEMAS DE CONCENTRACIÓN BIDIMENSIONAL 2D B. 2. CENTRALES CON SISTEMAS DE CONCENTRACIÓN TRIDIMENSIONAL 3D
    • B.1. 1. CAPTADORES CILINDROPARABÓLICOS B. 1. 2. FRESNEL LINEAL
      • Desde hace muchos años, las centrales con colectores cilindro-parabólicos son la única tecnología utilizada comercialmente para el aprovechamiento de la energía solar en centrales de gran potencia. Pero no es hasta la década de los 70, dada la crisis del petróleo existente en estos momentos en la que el precio de los hidrocarburos se dispara, cuando se retoma el interés por esta tecnología.
      • Las centrales termosolares con sistemas de captación cilindro-parabólicos se componen de un campo solar compuesto por filas paralelas de colectores cilindro parabólicos conectados en serie para convertir la energía solar en energía térmica, calentando así un fluido caloportador (como por ejemplo el aceite) que circula por los tubos absorbentes de los colectores solares. El fluido caliente se envía a un intercambiador de calor donde se genera el vapor sobrecalentado requerido para accionar un una turbina a vapor con un generador acoplado, y producir la energía eléctrica.
      • De 1984 a 1991: Durante estos años la empresa Luz Internacional Ltd. diseña y construye 9 plantas termosolares comerciales, con potencias que oscilan entre 15 MW a 80 MW , en el desierto de Mojave al Sur de California (EEUU), donde va incorporando distintos avances en los sistemas de concentración parabólica.
        • Las nueve plantas diseñadas por esta empresa, con una capacidad total de generación de 354 MW de electricidad reciben el nombre de SEGS (Solar Energy Generating System) y constituyen el mayor complejo solar termoeléctrico del mundo.
        • Dichas centrales han funcionado de forma híbrida, utilizando 25% de gas natural, como sistema de respaldo.
        • Estas son:
          • SEGS I y II se encuentran en Dagget
            • SEGS I : Puesta en servicio en 1984 con 14 Mw de potencia y 82.960 m 2 de superficie de captación solar
            • SEGS II : Puesta en servicio en 1985 con 30 Mw de potencia y 165.376 m 2 de superficie de captación solar
          • SEGS III a VII están en Kramer Junction, constituyen el mayor sistema de colectores cilindro-parabólicos CSP construido en California.
            • SEGS III y IV : Puestas en servicio en 1986 , ambas con 30 Mw de potencia y 230.300 m 2 de superficie de captación solar
            • SEGS V : Puesta en servicio en 1987 con 30 Mw de potencia y 233.120 m 2 de superficie de captación solar
            • SEGS VI y VII : Puestas en servicio en 1988 con 30 Mw de potencia, con 188.000 y 194.280 m 2 respectivamente de superficie de captación solar.
          • SEGS VIII y IX están en Harper Lake.
            • SEGS VIII: Puesta en servicio en 1988 , con 80 Mw de potencia y 464.340 m 2 de superficie de captación solar
            • SEGS IX : Puesta en servicio en 1991 , con 80 Mw de potencia y 483.960 m 2 de superficie de captación solar
      • El desarrollo de esta tecnología entró en crisis en la década de los 90 paralizándose los recursos destinados a su investigación hasta iniciado el siglo XXI
      • 2007: Se termina la construcción de la nueva planta de la empresa Acciona, Nevada Solar One , que incorpora nuevas tecnologías para ampliar la captación solar.
      • La planta Nevada Solar One, de 64 MW de potencia, está ubicada en el desierto de Nevada, termino de Boulder City, sobre una superficie de 1,4 millones de metros cuadrados.
      • La instalación consta de 760 colectores cilindro-parabólicos (totalizan 76 kilómetros lineales) con 219.000 espejos, que concentran la irradiación solar sobre 18.000 tubos de recepción por los que circula un fluido que se calienta a unos 400º C. Este fluido es llevado por tuberías hasta un intercambiador por el que circula agua, que se convierte en vapor para ser llevado hasta una turbina conectada a un generador y producir electricidad.
      • La instalación genera unos 130 millones de kWh anuales, equivalentes al consumo de unos 14.000 hogares, que se inyecta en la red.
    •  
      • 2008 : Comienza a funcionar Andasol I, primera planta de tecnología cilindro-parabólica de Europa.
      • La planta Andasol I, de 50 MW de potencia, está ubicada en Aldeire (Granada, España), sobre una superficie de 200 hectáreas. La instalación de tecnología cilindro-parabólica posee una superficie de captación solar de 510.000 m2 que concentran la irradiación solar.
      • La instalación posee un sistema de almacenamiento térmico de 7,5 horas que permite incrementar en 3500horas/año las horas de operación.
      • Este calor se almacena en una combinación de sales líquidas, los tanques que contienen estas sales, uno frío y otro caliente, tienen 14m de altura y 36m de diámetro. La producción anual de energía se estima en 181 Gwh
    •  
      • Posteriormente (2009 - 2010) Solar Millennium, desarrolla en esta ubicación, otros dos proyectos hermanos: Andasol 2 y Andasol 3, de similares características al primero
      • El conjunto constituye el primer complejo termosolar del mundo con almacenamiento térmico.
    •  
      • 2009: ACCIONA inaugura en España la planta termosolar Albarado1-La Risca, en Alvarado (Badajoz, España).
      • La planta de 50 MW de potencia, se ha construido con la tecnología cilindro-parabólica, utilizada por Acciona en la planta Nevada Solar One, operativa desde junio de 2007.
      • Se extiende por una superficie de 130 hectáreas.
      • Dispone de 184.320 espejos dispuestos en hileras y 768 colectores solares SGX-3, de Solargenix que ocupan una longitud total de casi 74 kilómetros.
      • Produce al año 102 millones de kilovatios hora, suficientes para abastecer las necesidades de electricidad de 28.000 hogares y evita la emisión annual de 98.000 toneladas de CO 2 que generaría una central térmica de carbón para producir la misma cantidad de electricidad.
      • No dispone de almacenamiento térmico.
    •  
      • 2009: Es inaugurada la primera central termosolar de IBERDROLA RENOVABLES.
      • La planta se sitúa en Puertollano (Ciudad Real), cuenta con una potencia de 50 MW y se estima una producción anual de 114,2 GWh.
      • La instalación cuenta con un área de captación solar de cerca de 290.000 m 2 , ocupa aproximadamente 150 hectáreas de terreno y tiene 352 colectores cilindro-parabólicos, equipados con unos 120.000 espejos parabólicos y 13.000 tubos absorbedores.
      • No dispone de almacenamiento térmico.
      • 2010: Es inaugurada, tras tres años de construcción, la primera planta Extresol 1, del parque termosolar actualmente constituido por dos plantas más (Extresol 2 y 3) ubicado en la localidad de Torre de Miguel Sesmero (Badajoz, España)
      Cada instalación, posee una potencia eléctrica de 50MW, ocupa 225 hectáreas, presenta 624 captadores cilíndricos parabólicos lo que supone una superficie de captación solar de 510.000 m 2 . y posee un sistema de almacenamiento térmico de sales fundidas con capacidad para 7,5 horas
      • 2010:  Entra en funcionamiento, la planta de energía Al Kuraymat (proyecto ISCCS Al Kuraymat), primera central eléctrica del mundo alimentada por gas y energía solar, la cual comenzó a construirse en 2008.
      • La central híbrida de Al Kuraymat, situada a unos 95 kilómetros al sur de El Cairo (Egipto), integra un ciclo combinado con dos turbinas, de gas y de vapor, con una potencia de 74 y 80 MW eléctricos respectivamente, apoyados por el aporte térmico que genera un campo solar de 1.900m 2 de colectores cilindro-parabólicos que ocupan una superficie de 60 hectáreas.
      • La central de Kuraymat es capaz de cubrir las necesidades de energía de una población de unas 250.000 personas, con una generación aproximada de 850 GWh, de los cuales 33 GWh son aportados por la fuente solar.
      • 2010: Se conecta a la red La central La Florida en Alvarado (Badajoz, España).
      • La planta tiene una potencia instalada de 50 MW y "supone un hito en el desarrollo del sector por el tamaño del campo solar, que con 550.000 metros cuadrados de área de captación es el mayor de entre todas las centrales en operación, tanto en España como en el resto del mundo".
      • 2010: Se inaugura la planta de energía solar térmica Archimede , en Priolo Gargallo (Siracusa, Sicilia, Italia). La planta utiliza sales fundidas como fluido de transferencia de calor e integra una instalación de gas de ciclo combinado y una planta de energía solar térmica para la generación de electricidad .
      • La potencia de la planta solar es de unos 5 MW, lo que representa un ahorro anual de 2.100 toneladas equivalentes de petróleo, y reducir las emisiones de dióxido de carbono en cerca de 3.250 toneladas.
      • La planta de energía solar térmica consiste en un campo de unos 30.000 metros cuadrados de colectores parabólicos que concentran la luz solar en 5.400 m de tubos que transportan el fluido de sales fundidas.
      • La energía térmica capturada por el sistema produce vapor de alta presión que se canaliza hacia las turbinas de la central para producir electricidad, reduciendo el consumo de combustibles fósiles y, en consecuencia, mejorando el comportamiento medioambiental de la planta de ciclo combinado.
    • El sistema solar está formado por l os colectores solares (espejos parabólicos y tubos o receptores), un generador de vapor y dos tanques de almacenamiento de calor uno frío y otro caliente. Cuando el sol brilla, el fluido térmico elaborado desde el tanque de frío se distribuye a través de la red de colectores cilindro, donde se calienta a una temperatura de 550 ° C y se inyecta en el depósito caliente, donde se almacena la energía térmica. Con él, se produce vapor a alta presión y temperatura, que se envía a la planta de ciclo combinado, donde contribuye a la generación de electricidad.
    • Este sistema permite a la planta para generar electricidad en cualquier momento del día y en cualquier tiempo hasta que la energía almacenada se agota. La planta se llama "Archimede" por las filas de enormes espejos parabólicos, que recuerdan los espejos de la leyenda sobre Arquímedes, en la que se dice que habría usado espejos parabólicos para prender fuego a las naves romanas en el asedio de Siracusa durante la Guerra Púnica de 212 a. C.
    • B.1. 1. CAPTADORES CILINDROPARABÓLICOS B. 1. 2. FRESNEL LINEAL
      • A partir de 1990 se desarrollan los sistemas Fresnel, especialmente, en Bélgica, por la compañía Solarmundo, y en Australia por la Universidad de Sydney (Mills and Morrison, 2000).
      • Básicamente existen dos tipos de diseños en relación con esta tecnología, que se diferencian en la cavidad del absorbedor y en el grado de aprovechamiento de los reflectores:
        • El Concentrador lineal de Fresnel de Solarmundo (LFR): Utiliza una cavidad receptora, con un reflector secundario dentro de dicha cavidad y un solo absorbedor tubular que puede alcanzar hasta 500ºC de temperatura.
        • El Concentrador Lineal compacto tipo Fresnel (CLFR)
        • Formado por numerosos reflectores primarios lineales y paralelos, muy cercanos entre sí, para que las filas individuales de espejos tengan la opción de dirigir la radiación solar reflejada a dos receptores lineales situados en torres separadas, lo que permite eliminar casi por completo el sombreado y bloqueo entre espejos adyacentes.
        • En los receptores lineales, construidos con materiales de alta absorción solar, se calienta agua hasta obtener vapor a una temperatura aproxima a 285ºC. Ese vapor, se utiliza para precalentar el agua de alimentación que ingresa a la caldera.
      • En 1993, el reflector compacto lineal de tipo Fresnel fue desarrollado en la Universidad de Sydney y patentado en 1995.
      • Este proyecto fue propuesto por el Comité Olímpico Australiano, a la hora de presentar su candidatura para albergar los juegos olímpicos del 2000, como respuesta al proyecto medioambiental solicitado por el Comité Olímpico Internacional (COI) a las ciudades aspirantes a albergar los Juegos dicho año. Australia consiguió los juegos olímpicos, que se celebraron en Sydney, pero no se llegó a desarrollar.
      • 2003: Se inicia, en Australia, un proceso de introducción de energía renovable, con el objetivo combatir el cambio climático.
      • Este objetivo se concreta en el proyecto llevado a cabo en la central térmica de carbón de Liddell situada en el Valle de Hunter de Nueva Gales del Sur, donde la compañía australiana Solar Heat and Power propone reemplazar algunas de las estaciones de alimentación de la caldera por vapor de agua generado por la concentración de los rayos solares conseguidos mediante la tecnología CLFR.
      • Este proyecto se ha llevado a cabo en varias fases:
        • En 2003 se desarrolla la primera fase del Proyecto CLFR en Liddell: Se construye una planta piloto de 1MW , con ventilación a la atmósfera
        • En 2004 se desarrolla la segunda fase del Proyecto CLFR en Liddell: Se construye la central solar auxiliar, de 6.6 MW, que ya es conectada a la central térmica.
        • La central solar demostró con éxito que era capaz de producir vapor a 285 º C, lo suficientemente caliente como para pasar por la turbina de vapor.
        • En 2007 se inicia el desarrollo de la tercera fase del Proyecto CLFR en Liddell: Se completa la construcción con la ampliación de la segunda fase hasta una potencia total de 38 MW
    •  
      • 2011: Se pone en marcha el proyecto Kogan Creek , que será la mayor integración, a nivel mundial, de energía solar en una central de carbón.
      • El proyecto, que se prevé que entre en marcha en 2013, consiste en la instalación de un 44 megavatios de energía solar térmica.
      • El impulso solar aumentará la cantidad de electricidad que la central eléctrica de Kogan Creek genera en 44 Mw adicionales, suficiente para alimentar a 5.000 hogares por año.
      • La acción se desarrollará mediante el uso de la tecnología lineal compacto AREVA Solar Reflector Fresnel de suministro de vapor a la turbina adicional, que complementa la turbina de carbón convencional en el proceso de generación de vapor.
    •  
      • 2008: Se pone en funcionamiento en la en la planta de energía solar térmica Kimberlina situada en Bakerfield, California (EEUU), la primera experiencia piloto realizada en América del Norte, basada en el Concentrador Lineal compacto tipo Fresnel (CLFR), por la empresa AUSRA
      • Kimberlina puede generar hasta 5 megavatios de electricidad, a pleno rendimiento.
    •  
      • En 1999 la compañía belga Solarmundo construye el mayor prototipo de colector Fresnel, con un colector de 24 m de ancho y un área de reflectores de 2500 m2. operando con generación directa de vapor
      • Tras el éxito del prototipo, Solarmundo, se funda en Múnich (Alemania) la compañía Solar Power Group (SPG) que desde 2004 investiga y desarrolla soluciones innovadoras que permiten utilizar la energía solar al más bajo costo.
      Prototipo de Solarmundo, de 2500 m², probado exitosamente en Lieja, Bélgica
      • En 2007: Se pone en funcionamiento en la Plataforma Solar de Almería (PSA) una planta piloto para la demostración de la tecnología de concentración solar tipo Fresnel (proyecto FRESDEMO)
      • Esta planta experimental, está formada por un módulo de 100 m de longitud y 21 m de ancho, con una superficie total de espejo primario de 1.433 m2. Esta superficie de espejo se distribuye en 1.200 facetas que están montadas sobre 25 filas paralelas que abarcan toda la longitud del lazo. Este lazo colector está diseñado para la producción directa de vapor a una presión máxima de 100 bar y una temperatura máxima de 450ºC.
    •  
      • En 2009 : Se conecta a la red la central de Puerto Errado I (PE1) en Calasparra, Murcia (España)
      • Se trata de la primera experiencia comercial con tecnología Fresnel (CLFR) en España, que ha sido diseñada y desarrollada por Novatec Biosol
      • La planta tiene una capacidad eléctrica de 1,4 MW. Consta de 2 filas de colectores Fresnel lineales de 806,40 m de longitud. Caca fila dispone de 16 líneas paralelas de espejos, ocupando una superficie de 18,489.60 m²
      • Los espejos recogen la energía solar y la envían a dos colectores lineal situadosn a 7.40m de altura en los que el agua se evapora directamente a vapor saturado a 270 ° C. El vapor resultante puede ser usado para generación directa de electricidad, para aplicaciones industriales que usan vapor o como vapor suplementario para calderas de plantas ya existentes de generación de energía
    •  
      • En 2010 : Se inicia la construcción de la central de Puerto Errado II (PE II) en Calasparra, Murcia (España)
      • La planta, situada en las inmediaciones de PE I, abarca una superficie de 650.000 m² , con un total de 28 hileras de espejos.
      • La planta con una potencia de 30 MW produce alrededor de 50 millones de kwh de electricidad al año.