VII Jornadas de Ingeniería Eléctrica de la UFT “ELEKTRA 2014” Sistemas de Energía Solar Térmica de Concentración y energía eléctrica transportada por líneas en Alta Tensión y Corriente Directa (SESTC-ATDC) MSc. Ing. Pierercole Zecchetti Birzi (UFT)

SESTC−ATDC ¡En menos de seis horas los desiertos reciben más energía del sol de la que consume la humanidad en un año! Dr. Gerhard Knies Fundación DESERTEC

SESTC−ATDC Nuestro Sol ofrece un punto de partida… … en seis horas los desiertos del mundo reciben más energía de la que todas las personas que habitan el planeta consumen en un año. ¿Cómo puede de manera económica transformarse esta energía en energía utilizable y transportarse hasta los consumidores?

SESTC−ATDC Los sistemas de energía solar térmica de concentración (SESTC) producen calor o electricidad mediante el uso de cientos de espejos que concentran los rayos del sol a unas temperaturas que oscilan entre 400 y 1.000º C.

SESTC−ATDC Existe una gran variedad de formas de espejos, métodos de seguimiento solar y de generar energía útil, pero todos ellos funcionan bajo el mismo principio… … ¡producir vapor para accionar una turbina que, a su vez, acciona un generador de electricidad, como en las centrales termoeléctricas convencionales!

SESTC−ATDC La diferencia entre estas centrales termoeléctrica estriba en el origen de la energía: … ¡En lugar de combustibles fósiles, utilizan directamente la radiación solar para convertirla en vapor o gas a alta temperatura!

SESTC−atdc Se requieren cuatro elementos básicos principales: un concentrador, un receptor, alguna forma de medio de transporte y/o almacenamiento de calor, y conversión eléctrica.

SESTC−ATDC Tipos de receptores-concentradores De concentración lineal Cilindros o canales parabólicos Reflectores Fresnel De concentración puntual Helióstatos con torre central Discos parabólicos

SESTC−ATDC

SSTC−ATDC

SESTC−ATDC Sistemas con Cilindros o Canales Parabólicos Se utilizan reflectores de espejo en forma de cilindros parabólicos para concentrar la luz solar en tubos receptores térmicamente eficientes ubicados en la línea focal de la parábola. Normalmente los canales están diseñados para seguir el sol en un eje, generalmente norte-sur. Se hace circular por esos tubos un fluido de transferencia térmica (denominado “calor-portante”) como aceite térmico sintético.

SESTC−ATDC Canales Parabólicos

SESTC−ATDC NEVADA SOLAR ONE

SESTC−ATDC Nevada Solar One (EE.UU., desde 2007) Consta de 760 canales parabólicos. Potencia: 64 MW. Producción anual aproximada: 136 GWh. Consumo equivalente en hogares: 15000. Emisiones de CO2 evitadas: 129000 toneladas/año (en centrales de carbón). Superficie: 130 hectáreas. Longitud lineal de espejos: 76 kilómetros. Inversión: 250 millones de dólares.

SESTC−ATDC Sistemas de Concentradores Lineales Fresnel Contempla un conjunto de reflectores casi planos que concentran la radiación solar en receptores lineales invertidos elevados. Este sistema es de concentración lineal, similar a un canal parabólico, con la ventaja de su bajo coste en soporte estructural y reflectores, juntas fijas del fluido, un receptor separado del sistema de reflectores, y grandes longitudes focales que permiten utilizar espejos planos.

Sistema de lentes de Fresnel SESTC−ATDC Sistema de lentes de Fresnel

Línea de lentes lineales Fresnel - Murcia SESTC−ATDC Línea de lentes lineales Fresnel - Murcia

SESTC−ATDC Planta Solar Murcia (España) La primera central de energía solar termoeléctrica a gran escala del mundo con tecnología de lentes Fresnel será capaz de producir electricidad para 15000 hogares murcianos, energía cuyo coste de producción es menor que el del petróleo. Esta central, a punto de entrar en funcionamiento, producirá 30 MW de potencia.

SESTC−ATDC Sistemas de Receptor Central o Torre Central Un conjunto circular de heliostatos (grandes espejos con sistemas de seguimiento solar) concentra la luz solar en un receptor central montado sobre una torre. Un medio de transferencia térmica en este receptor central absorbe la radiación altamente concentrada reflejada por los heliostatos y la convierte en energía térmica que se utiliza para generar el vapor supe calentado para la turbina.

SESTC−ATDC Torre Solar

SESTC−ATDC GEMASOLAR - España

SESTC−ATDC GEMASOLAR

Gemasolar (España, desde 2011) SESTC−ATDC Gemasolar (España, desde 2011) Gemasolar es la primera planta comercial de energía solar térmica con tecnología de receptor central de torre y sistema de almacenamiento en sales fundidas. Se trata de un campo solar de 185 Ha que alberga el receptor en una torre de 140 m. de altura, la isla de potencia y 2650 heliostatos, cada uno de ellos de 120 m2, distribuidos en anillos concéntricos alrededor de la torre. Los aspectos más innovadores de esta planta, propiedad de la empresa Torresol Energy, son el receptor de sales fundidas, el mecanismo de apunte de heliostatos y el sistema de control; además, el sistema de almacenamiento permite producir electricidad durante 15 horas sin sol (por la noche o en días nublados).

SESTC−ATDC Gracias a esta capacidad de almacenamiento, la energía solar pasa a ser gestionable y puede ser suministrada en función de la demanda. La planta ya ha alcanzado un día completo de suministro ininterrumpido a la red mediante la tecnología de transferencia térmica desarrollada por SENER. Gemasolar, de 19.9 MW de potencia, es capaz de suministrar 110 GWh al año, con lo que se puede abastecer de energía a 27500 hogares.

SESTC−ATDC Sistemas de Discos Parabólicos Un reflector parabólico en forma de disco concentra los rayos solares en un receptor situado en el punto focal del disco. La radiación de los rayos concentrados se absorbe en el receptor para calentar un fluido o gas (aire) a unos 750°C. Este fluido o gas se utiliza para generar electricidad en un pequeño pistón o motor Stirling o una micro turbina, conectada al receptor.

SESTC−ATDC Disco Solar

SESTC−ATDC Discos parabólicos

PLANTA SOLAR MOJAVE – EE.UU. SESTC−ATDC PLANTA SOLAR MOJAVE – EE.UU.

SESTC−ATDC Planta Solar de Mojave (EE.UU., desde 2010) La mayor planta solar del mundo de tecnología de discos parabólicos, se encuentra en el desierto de Mojave, ocupando 1821 hectáreas, con 20000 discos parabólicos de 11 m de diámetro, que usan el motor Stirling, con producción de 500 MW (25 kW por cada disco) El rendimiento es del 29%, superior al de las plantas fotovoltaicas.

SESTC−ATDC Almacenamiento de energía térmica Cuando se contempla esta opción, se debe ampliar el campo solar para así captar la energía extra que debe ser almacenada para ser transformada posteriormente en energía eléctrica durante el tiempo de oscuridad o de gran nubosidad.

SESTC−ATDC En la actualidad, existen centrales de energía solar térmica de concentración con potencias entre 30 y 500 MW; capacidad que podría ser mayor en los próximos años. Estas centrales solares pueden integrarse con almacenamiento o en una operación híbrida con otros combustibles, y ofrecen una potencia firme y energía despachable a demanda. Son aptas para cargas punta y cargas base, y la electricidad generada se inyecta generalmente a la red eléctrica.

Capacidad concentración (soles) SESTC−ATDC Estado actual de las tecnologías SESTC *Incremento de superficie si se añade sistema de almacenamiento Parámetro Canales parabólicos Espejos Fresnel Torre Solar Discos parabólicos Almacenamiento Eficiencia pico (%) 21 14 20 29 98 Área/kW (m2) 23 15 48 4 18* (7-8 horas) Capacidad concentración (soles) 50-200 30-100 1000 3000-10000 No aplica Potencia típica 50 MW --- 20- 30 MW Decenas de KW

Etapas de desarrollo de las tecnologías SESCT SESTC−ATDC Etapas de desarrollo de las tecnologías SESCT Pionero Introducción Mercado Competición Canales parabólicos Lentes Fresnel Torre Solar Discos parabólicos

SESTC−ATDC Proyección de capacidad instalada mundial (MW) En 2013, la capacidad instalada de ESTC estimada  3000 MW

SESTC−ATDC Proyección del ahorro acumulado de CO2 (millones de toneladas) En 2013 el ahorro mundial de CO2  25 millones toneladas

SESTC−ATDC Proyección del costo de instalación de centrales (US$/kW) En 2013 el costo de instalación  4800 (US$/kW)

Proyección del costo de generación (US$/kWH) SESTC−ATDC Proyección del costo de generación (US$/kWH)

SESTC−ATDC Más del 90% de la población mundial vive en un radio de 3000 kilómetros alrededor de algún desierto, del cual se puede obtener energía limpia.

Transporte de grandes bloques de energía a muy largas distancias SSTC−ATDC Transporte de grandes bloques de energía a muy largas distancias Con la utilización de líneas modernas de alta tensión en corriente directa (ATDC), es posible transportar energía con pérdidas inferiores al 3 por ciento por cada 1000 km. Dado que la radiación solar en las regiones desérticas es dos a tres veces más alta y las variaciones son más pequeñas entre verano e invierno, la transmisión de electricidad proveniente del desierto en corriente continua a una distancia de varios miles de kilómetros puede ser económicamente viable. Más del 90% de la población mundial vive en un radio de 3.000 km de algún desierto y podrían abastecerse de energía solar desde zonas cercanas.

Potencia en función de la distancia SSTC−ATDC Potencia en función de la distancia P 800 km d ATAC ATDC

FACTIBILIDAD DE USO DE LINEAS ATDC SSTC−ATDC FACTIBILIDAD DE USO DE LINEAS ATDC las líneas de transmisión ATDC ya llevan varias décadas en uso comercial, y se pueden construir a la escala necesaria. al contrario de las líneas de transmisión convencionales de corriente alterna, las líneas de transmisión a través de ATDC se pueden implementar con cables subterráneos incluso en largas distancias.

Costo de la energía de los SESTC-ATDC SSTC−ATDC Costo de la energía de los SESTC-ATDC El costo de la electricidad generada través de energía solar térmica de concentración, incluido el transporte mediante líneas de transmisión ATDC, oscila entre 10 y 20 céntimos de euro por kilovatio hora según la ubicación, la tecnología y la forma de explotación. Sin embargo, los costos se reducirán de forma considerable una vez se ponga en marcha la producción de componentes a gran escala.

¡No se generan costes adicionales directos SSTC−ATDC ¡No se generan costes adicionales directos ni indirectos por daños ambientales o por eliminación de residuos como en centrales de combustibles fósiles y nucleares!

SSTC−ATDC PROYECTO DESERTEC Utilizar la energía solar térmica de concentración, eólica e hidráulica que se produce en los desiertos de África, para suministrar energía eléctrica a Europa, Medio Oriente y Norte de África (EUMENA), a través de 20 líneas ATDC de 5 GW, a un costo total de 45000 millones de euros.

Mapa solar-eólico de Venezuela SESTC−ATDC Mapa solar-eólico de Venezuela

SESTC−ATDC Potencial energético de Venezuela Venezuela está en el llamado cinturón de sol, es decir, que forma parte de la región del planeta con mayor potencial para el aprovechamiento de la energía solar. Su radiación solar directa o difusa, oscila entre los 4.4 y 6.7 kWH/m2, estando la más alta en los estados Falcón, Nueva Esparta, Lara, Yaracuy y toda la costa norte.

SESTC−ATDC Conclusiones La energía primaria de los SESTC es inagotable y gratuita. Casi toda la población mundial puede abastecerse de energía limpia, utilizando como primaria la energía solar. Los SESTC pueden producir cantidades importantes de energía eléctrica, a costos cada vez más reducidos, sin causar mayores daños al medio ambiente. Venezuela tiene un potencial de aprovechamiento de energía solar de alto nivel. El estado Lara es una de las zonas con mayor nivel de radiación directa en Venezuela.

SESTC−ATDC Conclusiones 6.Proyecciones arrojan una alta tasa de crecimiento en la capacidad instalada de SETSC a escala mundial, en el período 2013 -2026. 7. En nuestro país, se deben tomar en cuenta los SESTC–ATDC como alternativas viables de solución. 8. En los programas instruccionales y líneas de investigación de las universidades venezolanas, y por supuesto, en los de la UFT, se hace impostergable la inclusión de la temática relativa a los SESTC. 9. El país requiere de una legislación que promueva la investigación, desarrollo y puesta en marcha de ambiciosos proyectos SESTC-ATDC.

SSTC−ATDC … A manera de reflexión ¿Será que podemos darnos el lujo de desperdiciar un “combustible” siempre disponible, inagotable, gratuito, razonablemente eficiente y no contaminante, como lo es la energía solar, para salvar al Planeta, y no ganarnos merecidamente el reproche de las futuras generaciones?

¡Muchas gracias por su atención! SSTC−ATDC ¡Muchas gracias por su atención!