TORRES CENTRALES

R a f a e l E . C a b a n i l l a s L p e z

Se le suma la alta dependencia de gas natural de

bsicamente funcionan con gas natural importado

Para Mxico y para el mundo existe la imperiosa necesidad de

iniciar la migracin de un sistema energtico basado en el petrleo

a esquemas de produccin y consumo de energticos ms limpios

y perdurables.

Los problemas ocasionados por el consumo de hidrocarburos para

mantener la demanda creciente de energa que la sociedad actual

requiere, estn en continua fase de agudizamiento

Dependiendo del tipo de ptica utilizadapara la concentracin, se han desarro-llado cuatro tipos de tecnologas para laproduccin de energa elctrica:a) Canal parablico,b) Disco parablicoc) Fresnel lineald) Torre central.

Concentracin solar para la produccin de energa elctrica

Tecnologa de Torre Central

GENERACIN ELCTRICA

La aplicacin fundamental para la que se han concebido los sistemas de receptor central

es la generacin solar de potencia elctrica. Una planta solar termoelctrica de torre

central utiliza el calor solar concentrado para producir vapor y con esto generar

electricidad a travs de una turbina de vapor en un ciclo Rankine convencional. Tambin

se pueden usar turbinas alimentadas por aire caliente, en lugar de vapor, en un ciclo

Brayton. Existen tres plantas comerciales en operacin en Espaa bajo este concepto y

una planta piloto en los Estados Unidos.

Plantas de Torre Central en el mundo

SANDIA NATIONAL LABS

En Espaa se construyeron dos plantas de prueba en la Plataforma Solar de

Almera.

Las experiencias adquiridas en estas anteriores plantas, dieron como origen la

primera planta solar de torre central comercial, la PS10 o Solar Tres, inaugurada el

30 de marzo del 2007 tiene una capacidad de 11 MW y se encuentra localizada en

las cercanas de la ciudad de Sevilla, en el municipio de Sanlcar la Mayor.

La PS10 cuenta con 624 heliostatos de 120m2 cada uno y, una torre de 115 metros

de altura donde se encuentra instalado el receptor solar y la turbina.

La PS20 tiene el doble de capacidad (20 MW), con 1,255 heliostatos de igual rea

de reflexin que los utilizados en la PS10 es decir de 120m2 cada uno, en este

caso la torre es de 160 metros de altura.

Estas plantas forman parte de una plataforma de generacin de 300MW con

diferentes tecnologas solares, el cual se proyecta terminar para el ao de 2013

GemaSolarGemasolar es la primera planta comercial de energa solar trmica con tecnologa 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 2.650 heliostatos cada uno de ellos de 120 m2- distribuidos en anillos concntricos alrededor de la torre.

Los aspectos ms 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; adems, el sistema de almacenamiento

permite producir electricidad durante 15 horas sin sol (por la noche o en das nublados). Gracias a esta capacidad

de almacenamiento, la energa solar pasa a ser gestionable y puede ser suministrada en funcin de la demanda. La

planta ya ha alcanzado un da completo1 de suministro ininterrumpido a la red mediante la tecnologa de

transferencia trmica desarrollada por SENER.

Gemasolar, de 19.9 MW de potencia, es capaz de suministrar 110 GWh al ao, con lo que se puede abastecer

energa a 27.500 hogares. Esta planta est operativa desde mayo de 2011. La inauguracin oficial se celebr en

octubre de 2011.

El campo de heliostatos con un 43%

El receptor con un 18%

Sistema de generacin elctrica (13%)

Sistema de almacenamiento trmico (8%)

y el sistema de generacin de vapor (2%)

Costos Generales de una Planta de Torre Central (PTC)

Heliostatos

Jacobs Gravesande, quien

alrededor del ao 1720 logr

obtener un instrumento funcional.

Los heliostatos eran utilizados en

laboratorios de investigacin con

varios propsitos: como la

iluminacin de microscopios, el

estudios de la luz polarizada,

espectroscopia, etc.

Heliostatos modernos

Tomando como base las plantas de torre central construidas, podemos observar

que los heliostatos han ido creciendo sustancialmente buscando el punto de

equilibrio econmico de costo-factibilidad, en la planta Solar-One se us un

tamao de 40 m2, en la PS-10 de 120m2

Efecto del costo del heliostato sobre el precio del kwh producido

Precios en dlares

Costos de heliostatos e instalacin %

Superficie reflectora 25

Motores 20

Estructura de soporte 14

Pedestal 13

Control 2

Costos directos 75

Overhead 15

Precio total de fabricacin 90

Cableado del campo 6

Cimentacin 2

Alineacin y pruebas 2

Concepto %

Superficie reflectora 25

Motores 20

Estructura de soporte 14

Pedestal 13

Control 2

Costos directos 75

Overhead 15

Precio total de fabricacin 90

Cableado del campo 6

Cimentacin 2

Alineacin y pruebas 2

En un campo de heliostatos, la distribucin

de los mismos sobre el terreno es

resultado de un complicado estudio

geomtrico de posicin, donde intervienen

variables tales como el efecto coseno, el

sombreado y el bloqueo

Ventajas de la aplicacin de la tecnologa de PTC en Mxico

Radiacin Solar

Se tienen valores de irradiacin ms

elevados, se presentan valores de

Radiacin Solar Global en, se puede

observar que Mxico se encuentra en la

franja de 1700 a ms de 2100 kWh/m2,

que son de los valores ms altos del

mundo. Si se comparan los valores

anteriores, por ejemplo con los valores de

los pases europeos, se tienen mnimo el

25% de mayor cantidad de radiacin solar

disponible.

El territorio mexicano se encuentra comprendido entre los

paralelos 15 N y 30 N, esto permite utilizar campos de

heliostatos que tengan menor rea debido al factor coseno

(que se explico anteriormente), con un anlisis simple se

puede concluir que el uso de suelo puede ser mejorado

entre un 5 a un 20%, comparado con las plantas existentes

las cuales han sido construidas por arriba del paralelo 37 N.

Esto afecta positivamente el tamao de los campos de

heliostatos, ya que esto significa que para una potencia

dada, el terreno ocupado por el campo de heliostatos ser

menor que el utilizado en regiones que se encuentren en

paralelos ms alejados del ecuador.

Ubicacin

Grandes extensiones de tierra sin uso productivo

En los estados del norte y noroeste se tienen extensiones

de terrenos sin un uso productivo por falta de agua y por

el clima extremo, estas reas son susceptibles a ser

usadas sin afectar el ambiente o actividades productivas

(como en el caso de las presas).

Actualmente se est desarrollando el proyecto

denominado Laboratorio Nacional de Concentracin y

Qumica Solar, el cual es liderado por la UNAM y donde

co-participa la Universidad de Sonora. Con fondos de

CONACYT y de estas dos instituciones el monto de la

primera etapa terminada a finales del 2010 fue de 44M, la

segunda etapa ya se encuentra aprobada por CONACYT

y tendr un presupuesto cercano a los 38 M.

Bajo la direccin del Dr. Claudio Estrada Gasca del Centro

de Investigacin en Energa (CIE-UNAM), alrededor de 30

investigadores de ambas universidades participan en lo

que viene a ser el esfuerzo coordinado ms importante en

el impulso de tecnologas de concentracin solar en

nuestro pas.

Laboratorios Nacionales de Sistemas de Concentracin y Qumica Solar

Laboratorios Nacionales de Sistemas de Concentracin y Qumica Solar

El proyecto de Laboratorio Nacional est dividido

en tres subproyectos principales:

1. Horno Solar de Alta Temperatura

2. Planta de Destoxificacin Solar

3. Campo de Prueba de Heliostatos (CPH)

Campo de Pruebas de Heliostatos (CPH), Radiacin Solar Anual Promedio Diaria en KW-h/m2

San Luis Rio Colorado

Agua PrietaNogalesPuerto Peasco

AltarCaborca

Hermosillo

Empalme

Obregn

Yecora

Navojoa Alamos

Nacozari

Santa Ana

Campo de Pruebas de HelistatosOBJETIVO:

Desarrollado por la UNAM y la UNISON, dentro del Laboratorio Nacional

de Sistemas de Concentracin y Qumica Solar, es la primera instalacin en su tipo en Amrica Latina y busca consolidar una red de grupos de investigacin para el desarrollo de la tecnologa solar de generacin elctrica, promover la generacin de conocimiento y la formacin de

recursos humanos de alto nivel.

INFRAESTRUCTURA:

- Campo para 82 helistatos de 36m2 (23 prototipos instalados actualmente)

- Torre central de 32 m de altura- Potencia Trmica Pico Esperada: 2MW - Concentracin esperada: 1000 soles

- Sistemas de adquisicin de datos e imgenes para pruebas de helistatos

- Cabina de experimentacin 6m x 6m- Receptor Lambertiano (8m x 6m)

- Placa receptora (1m x 1m) - Cuarto de control

INVESTIGACION:

- Tecnologa de helistatos- Metodologas de evaluacin y estandarizacin de helistatos-Desarrollo de componentes de tecnologa de receptor central

-Generacin termosolar de electricidad-Aplicaciones de de las tecnologas

- de receptor central

El CPH es una instalacin dedicada a la generacin de conocimiento en

la lnea de tecnologas de torre central.

La finalidad es hacer pruebas de desarrollo tecnolgico para las distintas

partes que conforman los heliostatos, desde los mecanismos de

seguimiento, las estructuras de soporte y cimentacin, hasta pruebas de

optimizacin ptica.

Se pretende contar con la instrumentacin necesaria para el

perfeccionamiento de los procesos de instalacin, alineacin, calibracin

y operacin de los heliostatos. As mismo en la parte de receptores

solares de alto flujo radiativo se podr contar con una torre verstil que

permita la instalacin de distintos tipos de equipos para medir eficiencia

de reflexin y de distribucin de flujo radiativo.

Campo de Prueba de Heliostatos (CPH),

PROCESOS QUMICOS Y METALRGICOS Existen una variedad de procesos qumicos y de tratamiento de materiales a alta temperatura,

que tienen un alto consumo de energa y son susceptibles de llevarse a cabo mediante la

tecnologa de receptor central, por su rango de temperaturas entre 700 y 1500C:

Produccin solar de hidrgeno y otros combustibles.

Reduccin trmica y carbotrmica de xidos metlicos.

Calcinacin de piedra caliza y otros materiales (industria cementera).

Sinterizado de metales y cermicos.

Este tipo de aplicaciones pueden requerir de sistemas de torre en configuracin beam down,

donde se utiliza un espejo secundario, para redirigir la energa solar concentrada a un

receptor.

Figura 2. Sistema beam down para reduccin de xidos metlicos en el Weizmann Institute of

Science, Israel.

CALOR DE PROCESOS A ALTA TEMPERATURA Las aplicaciones a calor de procesos pueden llevarse a cabo bajo un esquema de cogeneracin:

el calor residual del proceso de generacin elctrica en una planta de receptor central, puede

estar en rangos de 300 a 800C, los cuales pueden ser tiles en particular para dos procesos

altamente consumidores de energa como son la refrigeracin trmica y la desalacin solar.

Adems de esto es posible considerar aplicaciones de produccin de vapor para procesos

industriales a diferentes temperaturas y presiones. Este tipo de aplicaciones requieren

evaluaciones especficas de factibilidad.

Se encuentra un contexto mundial propicio para la aplicacin de fuentes renovables de energa generado por el alza constante del costo del petrleo y por la inevitable sustitucin de los combustibles fsiles para evitar los impactos al medio ambiente.

La generacin de electricidad por medio de la concentracin solar trmica es una de las tecnologas ms prometedoras.

En base a la informacin mostrada se observa que la tecnologa de PTC se encuentra en su fase de emergente pero con aplicaciones ya en el mercado energtico mundial como lo muestra las plantas espaolas PS10-PS20 y Gemasolar.

La tecnologa de torre central tiene una distribucin de costos en la que aparece el campo de heliostatos como el componente con mayor inversin (43%), seguido por el receptor trmico (18%) y por el sistema de generacin elctrica (13%), entre otros. Esto sugiere que tanto los heliostatos como el receptor trmico son susceptibles de ser optimizados para bajar sus costos actuales y hacer ms competitiva esta tecnologa.

CONCLUSIONES GENERALES

El precio del kWh elctrico producido en las Plantas de Torre Central es especialmente sensible al costo del heliostato. Estudios econmicos sealan que un precio cercano a 100 dlares/m2, hacen aun ms viable la utilizacin masiva de la tecnologa de PTC, el precio actual es de 140 $/m2 por lo que mayor investigacin y desarrollo en la construccin de heliostatos es requerida para lograr esta meta.

Mxico presenta ventajas importantes para la aplicacin de la tecnologa de PTC que pueden ser clasificadas como: geogrficas al estar cerca del ecuador y recibir con menor inclinacin los rayos solares, abundancia de recurso solar al poseer valores de irradiacin solar de los mayores del mundo y de poseer una masa crtica de recurso humano.

La infraestructura nacional es apta para iniciar la produccin en masa de partes y componentes de las PTC. Entre las que destacan la construccin de campos de heliostatos.

Se observan retos tecnolgicos donde la ingeniera mexicana puede contribuir en hacer de las PTC una forma de obtencin de energa sustentable y robustecer el sistema energtico nacional. Para lo cual se requiere de una poltica de estado para el impulso del aprovechamiento de las fuentes renovables en especial de la energa solar .

CONCLUSIONES GENERALES (2)

Subproyecto: Laboratorio de TermoQumica Solar (LTQS)

Utilizar el HSAFR como instrumento base para el LTQS.

Complementar la infraestructura del Horno Solar de Alto Flujo Radiativo con

capacidades de anlisis qumico para

evaluar diferentes procesos.

Contribuir al desarrollo de las tecnologas de almacenamiento de la

energa trmica solar por mtodos

termoqumicos.

Disear y poner en operacin reactores solares en el HSAFR para llevar a cabo

ciclos termoqumicos de produccin de

Hidrgeno.

Objetivos por subproyecto

Campo Experimental de Torre Central (CEToC)Hermosillo, Sonora

Objetivos por subproyecto

Subproyecto: Campo Experimental de Torre Central (CEToC)

Perspectiva

LNSCSQS 2 Etapa

Subproyecto: Laboratorio de Sistemas Fotovoltaicos con Concentracin

(LSFVC)

Crear infraestructura

para el

desarrollo,

modelacin y

caracterizacin

de sistemas

fotovoltaicos

con

concentracin

solar aplicando

tecnologa

actual y

emergente.

Objetivos por subproyecto

Subproyecto: Laboratorio de Sistemas Fotovoltaicos con Concentracin

(LSFVC)

Disear y fabricar un sistema fotovoltaico de

concentracin que cuenten

con sistemas de

recuperacin del calor.

Disear un planta piloto de paneles FV con concentracin conectad a la

red elctrica.

Objetivos por subproyecto

Descripcin del grupo de trabajo y vinculacin