Energía solar termoeléctrica, una alternativa real a los combustibles fósiles

Ignacio Mártil

Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

1. Introducción

Todas las plantas de producción de energía eléctrica que utilizan combustibles fósiles basan su principio de funcionamiento en la obtención de calor mediante la quema de esos combustibles para hervir agua y generar vapor. El vapor de agua se dirige hacia los álabes de una turbina que a su vez, acciona el rotor de un generador para producir electricidad. Este procedimiento, basado en la ley de Faraday, se ha generalizado a lo largo del siglo XX y mediante él, hoy en día se obtiene el 85% del total de la energía eléctrica producida en el mundo. Las consecuencias que tiene la quema de esos combustibles sobre el clima son sobradamente conocidas.

Pero hay alternativas que no precisan de la quema de combustibles fósiles para obtener electricidad. Las energías renovables (hidráulica, eólica y solar) pueden mover las turbinas de un generador recurriendo a otros procedimientos. En este artículo describiré una de las tecnologías que mayor proyección de futuro tiene: la energía solar termoeléctrica o termosolar.

2. Fundamentos de las centrales termosolares

Las centrales de generación de energía termosolar se basan en la utilización de espejos que concentran la radiación del sol para obtener vapor de agua, que posteriormente se dirige hacia los álabes de una turbina para moverlos y producir así electricidad.

La idea de utilizar espejos para concentrar la radiación solar y así calentar un determinado objeto o un fluido no es nueva. El científico griego Arquímedes usó las propiedades reflectoras de escudos de bronce para incendiar las naves romanas que asediaban Siracusa en 212 a. C. en el transcurso de la Segunda Guerra Púnica. Aunque hay dudas acerca de la veracidad de esta singular historia, la experiencia se ha recreado con éxito, lo que prueba la eficacia de concentrar la luz solar para generar calor. La siguiente imagen muestra una pintura de la galería Ufizzi en Florencia que ilustra el supuesto artilugio de Arquímedes:

Pintura mural (Giulio Parigi, 1600) que muestra el espejo de bronce construido por Arquímedes para reflejar los rayos del sol sobre las naves romanas para incendiarlas. Galería de los Uffizi (Florencia, Italia)

A grandes rasgos, una central termosolar consta de tres unidades principales:

1. Captadores solares, que son espejos que reflejan la luz del sol y la concentran en un determinado foco, convirtiendo la energía solar en energía térmica.

2. Un medio de almacenamiento del calor mediante vapor de agua o sales fundidas.

3. Un generador de energía eléctrica, que produce electricidad mediante una turbina accionada por el vapor obtenido en la conversión de la radiación solar en calor.

Las centrales termosolares son de cuatro tipos principales: concentradores lineales, concentradores con lentes de Fresnel, concentradores de torre y concentradores Stirling [1]. En la siguiente figura se muestran los cuatro, cuyos fundamentos describo a continuación:

Los cuatro tipos de centrales termosolares: (A) Lineales; (B) Espejos de Fresnel; (C) De torre; (D) Stirling

(A) Concentradores lineales: su funcionamiento se basa en captar la energía del sol usando espejos rectangulares curvados en forma de U, orientados hacia el sol; recogen la luz de este y la concentran en tubos que corren paralelos a lo largo de los espejos y están situados en la línea focal de estos. La luz del sol reflejada calienta un fluido que circula por los tubos. Ese fluido se utiliza posteriormente para hervir agua en un generador de turbina de vapor convencional que produce electricidad.

(B) Concentradores de espejos de Fresnel: similares a los anteriores, el tubo receptor está situado por encima de varios espejos orientados con diferentes ángulos de manera que todos redirigen la radiación solar hacia el tubo.

(C) Concentradores de torre: utilizan un gran campo de espejos planos denominados helióstatos para enfocar y concentrar la luz solar en un receptor situado en la parte superior de una torre. Un fluido se calienta en el receptor y se usa para generar vapor que, a su vez, se utiliza en un generador de turbina convencional para producir electricidad. Algunas torres de energía usan agua como fluido, mientras que otros diseños avanzados están experimentando con sales de nitrato fundida debido a sus superiores capacidades de almacenamiento del calor. Esa posibilidad de almacenr energía permite que el sistema continúe generando electricidad en días nublados o por la noche, aspecto que trataré con detalle en el siguiente punto.

(D) Concentradores Stirling: hacen uso de un espejo circular similar a los platos que se emplean en las antenas parabólicas de captación de señales de televisión por satélite. La superficie del disco recibe la luz solar y la redirige concentrándola en un receptor térmico, que absorbe y recoge el calor y lo transfiere a un motor de émbolo, similar a los pistones de los motores de combustión interna. Este sistema utiliza el fluido calentado por el receptor para mover los pistones del motor y transformar la energía calorífica en energía mecánica. La energía mecánica posteriormente se utiliza entonces para mover un generador para producir electricidad.

3. Parámetros clave de las centrales termosolares: eficiencia energética, almacenamiento de energía y costes

i) Eficiencia energética

Es dependiente de diversos factores, siendo los principales los siguientes: capacidad de concentración de la radiación solar por los espejos reflectores, temperatura que alcanza el fluido de transferencia y área de los captadores. En los sistemas operativos actuales, la eficiencia está comprendida entre el 10% y el 30%, valores equiparables e incluso superiores a los del otro gran sistema de conversión de la energía solar en eléctrica, la energía solar fotovoltaica, cuyas eficiencias comerciales están comprendidas en el margen 12-20%. Los valores de la eficiencia de conversión de las centrales termosolares pueden competir favorablemente también con las centrales de carbón o con las nucleares, cuyas eficiencias energéticas son del orden del 35%, aunque quedan por debajo de las centrales de ciclo combinado que emplean gas natural (50%). Para más detalles sobre este aspecto, consultar este artículo.

ii) Almacenamiento de energía

La capacidad de almacenamiento de las centrales termosolares es, junto con la eficiencia energética, el factor determinante para la incorporación de dicha tecnología al mix energético en condiciones de igualdad con otras tecnologías renovables más maduras, como la fotovoltaica o la eólica. La capacidad de almacenamiento es un factor clave si se dispone de sistemas capaces de almacenar suficiente cantidad de energía como para que la producción eléctrica se mantenga durante espacios de tiempo mínimos del orden de 10-15 horas, en momentos en los que el sol no esté disponible (por la noche o en días nublados). Esta capacidad de almacenamiento a gran escala por esos períodos de tiempo, hoy en día sólo la tienen las centrales termosolares (la energía solar fotovoltaica también permite almacenar energía con dispositivos como la batería Tesla, pero en cantidades muy limitadas, adecuadas sólo para consumos individuales)

Gracias a los sistemas de almacenamiento, la curva de producción de las centrales termosolares se acopla perfectamente a la curva de demanda eléctrica, lo que garantiza que mediante estas centrales se puede asegurar el suministro continuado las 24 horas del día.

iii) Costes de la electricidad termosolar

Por el momento, este es el principal factor que frena su desarrollo, lo que hace que hoy en día sólo pueda entrar en el mix energético mediante incentivos (primas) a la producción. Esta situación, que ya no es necesaria para la energía solar fotovoltaica y la energía eólica, dada la fuerte reducción de precios experimentada en los últimos años por estas tecnologías, sigue siendo necesaria para la termosolar.

Un reciente estudio realizado por el Fraunhofer Institut, demuestra que si bien se lograrán reducciones significativas de precios en los próximos años, el coste de la electricidad de origen termosolar seguirá siendo superior al de las otras fuentes renovables. Sólo en zonas con altos niveles de irradiación (por encima de 2000 kWh/m²/año, típico del sur de Europa y norte de África) podrá ser competitiva. No obstante, su capacidad de almacenamiento a gran escala la hace una tecnología sumamente atractiva, con lo que puede compensar unos costes algo superiores.

La siguiente figura muestra la evolución de precios prevista hasta 2050 para tres tecnologías renovables: fotovoltaica, fotovoltaica de concentración y termosolar, para niveles de irradiación comprendidos entre 2000 kWh/m²/año y 2500 kWh/m²/año:

Coste en (€2013/kWh) de la energía eléctrica de origen termosolar (CSP) en función del nivel de irradiación comparado con las otras tecnologías solares: fotovoltaica concentrada (CPV) y fotovoltaica (PV). Fuente: “Fraunhofer ISE, Levelized Cost of Electricity - Renewable Energy Technologies” Informe Noviembre 2013

4. La energía termosolar en el mundo en la actualidad

La organización SolarPaces, una red mundial formada por investigadores y empresas cuyo objetivo es el desarrollo de la tecnología termosolar, ha elaborado un mapamundi de la situación de esta tecnología, que se muestra en la siguiente imagen:

Mapa de centrales termosolares en el mundo, según los diversos estadios de desarrollo: operativas (azul), en construcción (rojo) y en proyecto (verde). Fuente: Solar Thermal Electricity Global Outlook 2016

Como se puede ver, hay instalaciones termosolares en los cinco continentes. En conjunto, a finales del año pasado había instalados un total de 4.800 MW de potencia.

España es el país con más instalaciones termosolares del mundo; en total, cerca de cincuenta centrales que suman 2.300 megavatios (MW) y es líder mundial de esta tecnología. El pasado año 2015, la generación del sector termosolar alcanzó los 5.158 Gigavatios hora (GWh), record de generación de esta tecnología, que fue capaz de satisfacer el 2% de la demanda total de electricidad de dicho año.

La siguiente imagen muestra la central Solucar, que es la primera central termosolar comercial de torre central y campo de helióstatos instalada en el mundo, construida por Abengoa Solar:

Centrales termosolares de torre Solúcar PS-10 y PS-20. Tienen una potencia de 11 MW (PS-10, al fondo de la imagen) y de 20 MW (PS-20, en primer plano). A la derecha, las torres por donde circula el fluido a calentar; en el centro, los campos de helióstatos.

5. El futuro de la energía termosolar

La energía termosolar junto a la solar fotovoltaica y eólica, formará parte de la revolución tecnológica de generación de energía necesaria para mitigar el cambio climático al tiempo que garantiza un suministro de energía asequible. La energía termosolar necesita de niveles de irradiación elevados, por lo que su desarrollo será más sencillo en países como el nuestro. Además, gracias a sus posibilidades de almacenamiento, puede proporcionar seguridad en el suministro a lo largo de las 24 horas del día.

La energía termosolar se puede convertir en una fuente competitiva de energía hacia el año 2020 en prácticamente todos los países con niveles de irradiación anuales por encima de 2000 kWh/m2/año, podrá suministrar el 6% de la demanda de electricidad global en 2030 y alcanzar el 12% en 2050.

La eficiencia energética, la capacidad de almacenamiento y coste, se conjugan para dar un determinado valor a una tecnología renovable y en el caso de la termosolar los dos primeros la hacen una tecnología única; aunque, como ya se ha dicho, los precios seguirán siendo superiores a los de otras tecnologías renovables.

En conclusión, la termosolar es una tecnología joven, pero con un potencial enorme. Además en España estamos a la vanguardia de esta fuente de energía y su impulso contribuirá a proporcionar empleos de calidad [2] e independencia energética.

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[1] Toma su nombre de Robert Stirling, sacerdote escocés que diseñó el motor que lleva su nombre en 1816 para rivalizar con las máquinas de vapor.

[2] No obstante, la desacertada gestión de Abengoa, uno de los grandes del sector, ha generado recientemente numerosas incertidumbres respecto al futuro de esta empresa líder mundial del sector.