La energía solar concentrada, o CSP, es una tecnología en la que los espejos reflejan y concentran la energía del sol en pequeñas áreas conocidas como receptores. Luego, el receptor absorbe este calor en diferentes formas, como gases, líquidos o sólidos.
El aire calentado es absorbido por la electricidad generada o almacenada en un dispositivo de almacenamiento de energía, dependiendo de la fuente de energía. La energía calorífica producida por el sol se denomina energía solar térmica o radiación solar. Este tipo de energía solar es diferente de la energía solar fotovoltaica, o generación de energía fotovoltaica, que utiliza la luz solar para generar electricidad a través de paneles solares fotovoltaicos.
La forma en que la energía solar concentrada (CSP) y los paneles solares fotovoltaicos (PV) producen energía es lo que los distingue.
fotovoltaica utilizan electrones para transformar la energía solar en electricidad, mientras que una planta de CSP utiliza la energía solar para generar turbinas de vapor.
El elemento principal de cualquier sistema de energía solar concentrada (CSP) son los espejos. Las plantas de CSP usan espejos para rebotar y enfocar la luz del sol en un área en particular para generar calor, ¡y mucho calor! Este calor no solo puede impulsar una turbina o motor de vapor para generar electricidad, sino que también puede almacenar energía térmica para proporcionar energía cuando la luz del sol es más débil.
El calor geotérmico no solo se puede utilizar para la generación de energía, sino que también tiene una variedad de otras aplicaciones, que incluyen la desalinización de agua, la recuperación mejorada de petróleo, la producción de cemento, la producción de acero y la producción de hidrógeno verde. La CSP, o energía solar concentrada, se usa más comúnmente para producir electricidad a gran escala. Por lo general, cae en una de cuatro categorías.
Sistemas cilindroparabólicos
Sistemas de plato parabólico
Sistemas de torres de energía
Sistemas Fresnel Lineales
Los sistemas cilindroparabólicos utilizan reflectores parabólicos que utilizan la energía del sol para concentrar la luz solar en un tubo receptor central, que se denomina tubo absorbente. Los espejos en un campo de sistema cilindroparabólico están alineados uno al lado del otro en numerosas filas que se extienden de norte a sur. Esto permite que los espejos sigan al sol mientras se mueve por el cielo de este a oeste.
La forma parabólica y curva del reflector le permite enfocar los rayos de luz en un punto central, lo que amplifica su capacidad de reflexión de 30% a 60%. El tubo, que está lleno de aceite artificial, se calienta hasta unos 390°C. Este calor se puede usar para hervir agua y crear vapor que generará electricidad.
De todas las tecnologías de energía solar por concentración, los sistemas cilindroparabólicos solares son los más avanzados y ampliamente utilizados. La central de cilindros parabólicos de Génesis, ubicada en el condado de Riverside, California, es una de las mayores centrales de CSP en funcionamiento en los Estados Unidos. Con una capacidad de generación de electricidad de 250MW, funciona desde 2011. El ciclo Rankine es un proceso en el que un fluido fluye desde una fuente de calor a un espacio más frío, convirtiendo la energía térmica en trabajo mecánico.
La CSP utiliza vapor para impulsar una turbina, de forma similar a como funcionan la mayoría de las demás centrales eléctricas. Además de utilizar energías renovables, la CSP y otras centrales de colectores cilindroparabólicos pueden utilizarse junto con centrales térmicas que queman carbón, gas natural o biocombustibles.
Aunque todas las tecnologías CSP cuentan con una alta eficiencia, los sistemas cilindroparabólicos tienen la más baja con aproximadamente 151 TP3T. Esto se debe a que la temperatura del fluido no se calienta tanto como con los otros métodos.
Los sistemas de antena parabólica son similares en apariencia a las antenas parabólicas. Los espejos son parabólicos y siguen al sol para concentrar la luz solar en una unidad de conversión de energía que se extiende desde el centro del disco. La unidad de conversión de energía contiene receptores térmicos, que son una serie de tubos que contienen un fluido refrigerante.
Este componente toma el calor reflejado por el espejo y lo transfiere al motor, que luego usa ese calor para producir energía. Muchas otras tecnologías solares concentradas utilizan turbinas de vapor, pero el receptor de los platos parabólicos está integrado en un motor de combustión. El tipo más común de motor de combustión utilizado es un motor Stirling, que impulsa un generador eléctrico para producir energía.
El motor consta de tubos que contienen un fluido de trabajo, como el hidrógeno. La temperatura dentro de los tubos puede alcanzar los 1200 grados Fahrenheit. El calor hace que el gas se expanda y acciona los pistones que hacen girar un cigüeñal, generando electricidad en el proceso.
El sistema de plato promedio produce 10-25kW por plato y tiene una tasa de eficiencia de conversión de 30%. Sin embargo, el uso de un reflector además del motor Stirling no hace que la tecnología sea adecuada para el almacenamiento térmico.
Los sistemas CFNL, también conocidos como reflectores compactos lineales de Fresnel, son muy similares a los sistemas cilindroparabólicos. Sin embargo, usan largas filas de espejos planos que son paralelos entre sí en lugar de espejos curvos.
Estos espejos reflejan la luz del sol en un receptor elevado arriba, donde los tubos hacen circular el agua como fluido de transferencia de calor.
La energía solar concentrada calienta el agua para producir vapor a alta presión, que hace girar una turbina para generar electricidad.
Por último, los sistemas CSP más masivos son los sistemas de torre de energía. Usan grandes espejos llamados helióstatos que concentran y reflejan la luz solar en un receptor en la parte superior de una torre. Estos espejos en las torres de energía son planos y controlados por computadora para que siempre sigan al sol.
Luego, la energía térmica se usa para producir vapor al calentar un fluido de transferencia a temperaturas superiores a los 1000 grados Fahrenheit. El vapor extraído del agua hirviendo alimenta una turbina generadora para generar electricidad.
Los sistemas avanzados de torres de energía generalmente usan sal fundida como fluido de transferencia de calor en lugar de agua porque es más eficiente.
La capacidad de la sal fundida para retener el calor significa que puede almacenarse y usarse días después para generar energía. Incluso durante el clima triste o después de que se haya puesto el sol, la electricidad almacenada en estas instalaciones de torres de energía aún se puede producir cuando hay una gran demanda.
La mayoría de las plantas de energía termosolar del mundo están ubicadas en España, lo que representa aproximadamente 42% de todos los proyectos de plantas de CSP.
La central solar de concentración de Ouarzazate en Marruecos tiene una capacidad de 510 MW, lo que la convierte en el mayor proyecto de central de CSP del mundo. Con tanta generación de energía, es capaz de proporcionar energía a 1,1 millones de personas.
La planta termosolar de concentración más grande de Estados Unidos es Ivanpah Solar Electric Generating System. El proyecto de 392MW, ubicado en el desierto de Mojave en California, utiliza 173.500 helióstatos e inició operaciones comerciales en 2013.
Yara, una empresa noruega, ha desarrollado una nueva mezcla ternaria de sales fundidas que contiene calcio, potasio, nitrato de sodio y otros ingredientes naturales. Esta composición innovadora reduce el riesgo de congelación y solidificación al mismo tiempo que brinda resultados superiores.
La temperatura de las sales fundidas debe mantenerse por encima de los 270 ºC para permanecer líquidas; si desciende, la sal se congelará y solidificará. si hace demasiado frío, la sal puede dañar el equipo, obstruir las tuberías y detener las operaciones, lo que genera más riesgos y costos de mantenimiento.
El bajo punto de fusión de la nueva mezcla (131 °C) y la amplia variación de temperatura (438 °C) aumentan el rendimiento/eficiencia energética al tiempo que utilizan menos mezcla de sales fundidas. La composición de la sal también reduce la corrosión. Al agregar estas características, se aumenta la vida útil de la planta y se reducen los costos. Esto se debe a la menor necesidad de materiales, el precio competitivo del nitrato de calcio y potasio y la reducción de las tarifas de mantenimiento relacionadas con la corrosión. Pero el almacenamiento de energía solar térmica en una planta de CSP no se limita a la sal fundida.
Heliogen es una empresa con sede en California que utiliza inteligencia artificial/visión por computadora avanzada para alinear con precisión una serie de espejos. Al hacer esto, pueden almacenar energía en rocas y crear una solución solar concentrada. Ajustan constantemente la posición de los bordes del espejo y los ángulos de reflexión 30 veces por segundo.
El sistema de torre de energía promedio solo produce calor entre 400 y 500 °C, pero esta máquina usa IA y aprendizaje automático para producir 1500 °C.
El calor se concentra en la parte superior de la torre de energía y baja por un tubo de acero aislado hasta un montón de rocas. Si se almacena correctamente, el calor puede durar días o incluso hasta una semana. La tecnología única de Heliogen no solo es más eficiente sino que también requiere menos agua que las turbinas de vapor tradicionales.
Además, el fundador de la compañía, Bill Gross, al hablar de los costos, afirmó que su tecnología de torre de energía tiene como objetivo proporcionar calor a $0.01/kWh.
En marzo de 2022, la empresa firmó un acuerdo de proyecto con Woodside Energy para desarrollar un proyecto de energía solar concentrada a escala de servicios públicos en un sitio en Mojave, California. La capacidad prevista para la planta es de 5 megavatios. Después de un par de meses, la empresa anunció que estaba lista para comenzar a probar e implementar el proyecto.
En la web del laboratorio nacional de energías renovables puedes encontrar todas las plantas termosolares de concentración y sistemas de almacenamiento térmico actuales y previstas aquí.
La CSP no es la única tecnología innovadora en el almacenamiento de energía solar como calor. Esto es completamente diferente de lo que ofrece la CSP para la producción de energía a gran escala, pero es una indicación de hacia dónde se dirige la investigación en términos de almacenamiento de energía solar en más aspectos de nuestras vidas.
Universidad Tecnológica de Chalmers Científicos en Suecia han descubierto un fluido que podría aprovechar la energía hasta por 18 años. Este nuevo fluido contiene una molécula compuesta de carbono, hidrógeno y nitrógeno.
Los electrones se comparten entre los átomos cuando forman enlaces para crear moléculas. Cada tipo de molécula tiene una forma tridimensional distintiva. Por ejemplo, el metano tiene forma de tetraedro. Cuando las moléculas absorben energía, pueden cambiar su estructura y forma. Esto permite que los átomos formen nuevos enlaces que pueden actuar como almacenamiento térmico para diferentes cantidades de energía.
La molécula de la Universidad de Chalmer fue diseñada específicamente para ser más eficaz en la absorción de varias longitudes de onda de luz solar concentrada. Esta molécula puede utilizar la energía de las ondas de luz ultravioleta y azul-verde. Cuando la molécula es golpeada por la luz solar, se transforma en un isómero de alta energía. Un isómero es una molécula formada por los mismos átomos unidos de una forma nueva.
El equipo de investigación creó un catalizador para gestionar el almacenamiento de energía y la liberación de energía de la molécula, lo que devuelve la molécula a su estado original. Cuando el fluido solar cambia de forma, aumenta su temperatura en 63ºC. Una vez que vuelve a su estado original, es capaz de captar más energía solar.
El sistema es de base líquida y fluye a través de un panel. Consiste en dos placas de vidrio con un líquido en el medio. Las moléculas se exponen a la luz, que las convierte.
Las moléculas de alta energía se almacenan en un pequeño tanque y luego fluyen sobre un catalizador que se encuentra en un dispositivo. Este dispositivo activa la liberación de calor y envía la energía almacenada.
En pocas palabras, las moléculas absorben la radiación solar en forma de energía y la almacenan como energía química. Cuando se necesita calor, las moléculas liberan la energía almacenada en forma de calor. Es como un ciclo interminable que puede ocurrir cientos de miles de veces.
Enviaron las moléculas, que habían absorbido la energía de la luz solar sueca a China. Allí, investigadores de la Universidad Jiao Tong de Shanghai liberaron la energía y la convirtieron en electricidad utilizando un generador que desarrollaron. Esto suena como que podría ser prometedor. Es bastante loco que la luz del sol sueca se enviara al otro lado del mundo y se convirtiera en electricidad.
Zhihang Wang, investigador de la Universidad Tecnológica de Chalmers, explica que: “...El generador es un chip ultradelgado que podría integrarse en dispositivos electrónicos como auriculares, relojes inteligentes y teléfonos. Hasta ahora, solo hemos generado pequeñas cantidades de electricidad, pero los nuevos resultados muestran que el concepto realmente funciona. Parece muy prometedor..." -Zhihang Wang.
Los sistemas más óptimos tienen una tasa de eficiencia de entre 30 y 50% en la longitud de onda que reciben. Sin embargo, podemos utilizar todo el espectro solar. Se compone de numerosas longitudes de onda. Nuestro mejor sistema actual captura 3% de la energía de los rayos solares entrantes de estas ondas.
Según su teoría, la cantidad máxima de energía solar concentrada que se puede convertir en otra forma está entre 12 y 16%. No será tanto como una fotovoltaica, y eso es porque tienes que pagar algo por el almacenamiento de las moléculas, y por lo tanto no puede ser tan eficiente como eso.
La parte más difícil del proceso ha sido optimizar las moléculas. Sin embargo, la recuperación de calor está progresando bien. Están extrayendo con éxito el calor que han estado almacenando. Para minimizar las pérdidas durante el almacenamiento de energía, quieren expandir su espectro de generación de energía solar y al mismo tiempo mantener una alta densidad interna.
Están tratando de optimizar algunos parámetros al mismo tiempo, lo que puede ser difícil de hacer cuando cada parámetro tira en una dirección diferente. El objetivo es crear sistemas que funcionen bien sin importar el aspecto desde el que se mire. La investigación aún está en progreso, y constantemente están probando nuevas moléculas y realizando mejoras. El siguiente paso es hacer que el sistema sea más potente aumentándolo de unos pocos vatios a posiblemente mil vatios.
Es posible que la molécula no genere tanta energía como los sistemas fotovoltaicos o CSP, pero podría agregarse a otras cosas para mejorarlos.
Ahora imagine agregar un sistema fotovoltaico a su hogar. No solo convertiría fotones en energía eléctrica para su hogar, sino que también la almacenaría como calor. Este calor puede ayudar más adelante con otras cosas, como producir agua caliente en medio de la noche. Este sistema no solo puede calentar su agua caliente sin gas o electricidad, sino que también podría usarse para la cabina de un automóvil. ¡Las aplicaciones son ilimitadas!
El último nuevo proyecto de energía solar de concentración se estableció en 2016, y solo uno más está en proceso. La razón de esto es probablemente porque CSP solo funciona a gran escala, y es mucho más fácil decirlo que hacerlo para configurar uno.
Además, se están abandonando o dejando que se deterioren más plantas de CSP a gran escala debido al colosal alcance del proyecto.
Aunque es fácil obtener la financiación inicial necesaria para instalarlos, es difícil financiar su mantenimiento. Es posible que las empresas de generación de energía no consideren que mantenerlos sea lo suficientemente rentable y pueden terminar olvidándose del proyecto por completo.
Para que un proyecto de CSP tenga éxito, el SEIA ha establecido los siguientes requisitos.
Las plantas solares deben estar situadas cerca de una red eléctrica y, para obtener los mejores resultados, una obsoleta que esté bajo tensión actual.
Al ubicar plantas de CSP en áreas donde hay una necesidad inmediata de nuevas líneas de transmisión, los proveedores de energía eléctrica pueden ganar más dinero por kilovatio hora.
Según SEIA, el suroeste de EE. UU. es un lugar excelente para considerar bajo estas circunstancias para la aplicación a escala de servicios públicos.
Los proyectos de energía solar a gran escala requieren títulos de propiedad significativos porque son más productivos cuando se construyen en tamaños bulbosos, que generalmente miden al menos 100 MW.
La planta de CSP promedio requiere de 5 a 10 acres de tierra por MW, según lo estimado por SEIA. Esto es mucho espacio para muy poca producción.
Los sistemas de CSP dependen de la energía térmica para generar electricidad, lo que significa que se requiere mucha agua para mantener los componentes fríos y la turbina de vapor en funcionamiento. Aunque se están probando otros métodos, el enfriamiento por agua sigue siendo la mejor opción.
La necesidad de agua para generar vapor y hacer girar las turbinas limita dónde se pueden ubicar las instalaciones de concentradores solares, ya que estos lugares suelen ser áreas con poca agua disponible.
Si una planta de energía solar concentrada no recibe suficiente energía del sol de la luz solar directa, será un desperdicio tanto desde el punto de vista financiero como en términos de la cantidad de espacio que ocupa.
Los expertos en CSP utilizan la intensidad normal directa (DNI) de la luz solar para determinar el potencial de un área para aprovechar la energía solar. Y como era de esperar, el suroeste de EE. UU. es la región más prometedora.
Las plantas de CSP son costosas de construir, razón por la cual la mayoría de ellas son a gran escala.
Una de las razones de esto es que las tecnologías actuales de energía solar se consideran experimentales. Esto significa que hay un alto costo de inversión inicial.
La buena noticia es que la CSP está reduciendo costes, al igual que la tecnología solar fotovoltaica.
El costo por kilovatio instalado en 2020 fue de 4.725 dólares estadounidenses, 50% menos costoso que la tarifa de 2011 de 10.588 dólares.
La producción de los sistemas CSP en términos de eficiencia energética se encuentra entre 7% y 25%.
Las fuentes de energía renovable como la energía hidroeléctrica, la energía eólica y las células solares fotovoltaicas son mucho más eficientes que la CSP en 90%, 59% y 23%, respectivamente.
Sin embargo, con más investigación, podemos desarrollar nuevas tecnologías que hagan que la energía solar concentrada sea más eficiente.
Aunque la energía solar concentrada tiene muchas ventajas, ha habido varias desventajas que han provocado el cierre de algunas instalaciones de CSP.
El desperdicio y la contaminación del medio ambiente del desierto son una vergüenza, sobre todo porque todo fue causado por una inversión que ahora se ha dejado decaer.
La CSP es costosa y complicada de configurar porque requiere sal fundida, que es rara y no es barata.
La CSP es económicamente poco práctica porque requiere una gran cantidad de terreno para funcionar, lo que impide el establecimiento de estas plantas en áreas pobladas. Además, la tierra utilizada para la CSP podría aprovecharse mejor para otros fines.
Las plantas de CSP dependen de fuentes de agua dulce para sus instalaciones solares concentradas, pero estos recursos son escasos en algunas de las áreas donde eligen construir.
Aunque no producen gases de efecto invernadero y dependen únicamente de la energía solar, las plantas de concentración de energía solar como Ivanpah queman combustibles fósiles en forma de gas natural cuando generan electricidad, lo que libera gases de efecto invernadero a la atmósfera. Esto no se considera energía renovable.
Aunque muchas instalaciones de energía solar concentrada (CSP) están ubicadas en el suroeste del desierto, la gente no debe asumir que la tierra es inútil.
El frágil entorno del desierto es importante para la vida silvestre y las personas locales. Estas estructuras abandonadas son un desastre ecológico.
Las aves migratorias mueren cuando vuelan a través de campos de concentración de energía solar a lo largo de la ruta migratoria del Pacífico. Si estas aves migratorias no evitan los campos solares a lo largo de su camino, serán incineradas durante su migración natural.
Cada instalación de energía solar concentrada provoca la muerte anual de miles de aves. Solo en Ivanpah CSP, más de 6000 aves mueren cada año debido al intenso calor de los rayos solares concentrados. Aunque pueden estar buscando comida o refugio, las aves que vuelan hacia los campos solares se están poniendo en grave peligro. Estas plantas han causado un número de muertos entre estas criaturas, y los grupos ambientalistas están luchando para crear conciencia sobre el problema. Los animales no están seguros en su propio hábitat debido a las máquinas mortales que los humanos han instalado allí.
La gente no valora la tierra alrededor de Ivanpah, pero está directamente en la ruta migratoria del Pacífico, una ruta de migración para muchas aves, incluidas especies protegidas y en peligro de extinción. No están siendo protegidos de la incineración durante su migración natural.
Los coyotes están matando a los correcaminos a un ritmo sin precedentes, ya que quedan atrapados fuera de la valla destinada a proteger a las tortugas del desierto de que se desvíen hacia un campo solar.
Además, la CSP tiene impactos ambientales negativos que no se pueden ignorar.
Por ejemplo, las centrales eléctricas necesitan una gran cantidad de agua para enfriar y generar electricidad. Sin embargo, estas plantas de energía generalmente se construyen en áreas donde el agua dulce es escasa.
Esto ha causado mucha ira y escepticismo entre los residentes que viven en lugares como el suroeste de Estados Unidos, Medio Oriente y el norte de África, donde la demanda de recursos hídricos limitados continúa creciendo.
Las plantas de CSP pueden tener un impacto negativo en el medio ambiente, ya que a menudo se instalan en terrenos que albergan especies de flora y fauna en peligro de extinción. Estos animales y plantas mueren o se ven obligados a migrar por el cambio repentino en su hábitat natural.
Ivanpah no es la única planta solar concentrada que todavía quema gas natural. De hecho, muchas plantas lo hacen para calentar el concentrador, especialmente cuando no hay suficiente sol para alimentar el generador.
En el primer año de Ivanpah, liberó 46.000 toneladas de dióxido de carbono a la atmósfera. El problema solo ha empeorado desde entonces.
La empresa solicita con frecuencia a la Comisión de Energía de California que les permita usar más gas natural. Sin embargo, esto conduciría finalmente a un aumento de las emisiones de efecto invernadero, a pesar de los subsidios que reciben por ser una fuente de energía renovable.
Si bien es cierto que el carbono liberado incluso por una planta solar "sucia" como Ivanpah palidece en comparación con las plantas tradicionales de energía de combustibles fósiles, la consideramos más una planta de energía híbrida que energía verde.
Aunque no toda la tecnología de CSP es una fuente de energía renovable y es posible que no elimine los problemas ambientales porque algunas todavía usan combustibles fósiles, sigue siendo un paso en la dirección correcta en términos de gases de efecto invernadero.
Muchas compañías de energía han invertido en energía solar concentrada porque generalmente, pero no siempre, tiene más ventajas o ventajas que desventajas.
El principal beneficio de la CSP es que es respetuosa con el medio ambiente porque depende de la energía renovable. Por ejemplo, la energía térmica del sol se aprovecha para generar energía y nunca usaremos todo el calor del sol.
Cuando se depende únicamente de la energía solar, la energía solar concentrada no emite dióxido de carbono.
El mantenimiento de las centrales de CSP es considerablemente menos complicado que el de las centrales nucleares o basadas en hidrocarburos, lo que se traduce en menores costes operativos para la energía solar concentrada.
La CSP es una fuente de energía más fiable que la energía solar fotovoltaica y eólica, especialmente cuando se utiliza sal fundida como fluido térmico porque puede almacenar energía.
Los sistemas de CSP se pueden combinar con plantas de energía eléctrica existentes que producen vapor para funcionar tanto con combustibles fósiles como con energía solar. Este tipo de sistema híbrido evita que las plantas de combustibles fósiles tengan un consumo excesivo.
Es esencial que encontremos una manera de almacenar energía solar a medida que avanzamos hacia un futuro más respetuoso con el medio ambiente a través de nuevas tecnologías de energía solar. Aunque la generación de electricidad a partir de la luz solar almacenada en energía de batería como la energía solar fotovoltaica es un método, no es la única opción.
Si bien ya existen algunas plantas de energía CSP que concentran la luz solar y usan sales fundidas para el almacenamiento de energía térmica, los métodos más nuevos, como el almacenamiento de la energía solar directamente en enlaces moleculares, aún están en pañales. Es probable que lleve algún tiempo descubrir cómo ampliar estos enfoques más nuevos y encontrar las mejores aplicaciones para ellos, pero los beneficios que podrían ofrecer, como poder almacenar energía eléctrica durante 18 años, son muy prometedores.
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