Prototipo de central de energía solar de concentración a pequeña escala
La energía solar de concentración (ESC) utiliza espejos o lentes para concentrar la luz solar en un receptor, antes de convertirla en calor para alimentar motores que generan electricidad. Las centrales de ESC a pequeña escala, que generan decenas o cientos de kilovatios de electricidad, podrían ser ideales para viviendas, pequeñas empresas remotas o incluso países en desarrollo. Sin embargo, a diferencia de las soluciones fotovoltaicas, debido a las dificultades técnicas y a los elevados costes de inversión, la ESC ha tardado en despegar. El equipo del proyecto POLYPHEM, financiado con fondos europeos, creó prototipos de la mayoría de los componentes necesarios para una central solar a pequeña escala, y algunos ya están listos para su desarrollo comercial. También se desarrollaron herramientas de modelización numérica para optimizar el diseño de las instalaciones y evaluar su rendimiento. «Estamos muy orgullosos de la capacidad de nuestra prueba de concepto para generar energía de forma flexible y de un modo exclusivamente solar, en escenarios de oferta y demanda fluctuantes», afirma Alain Ferriere, coordinador del proyecto POLYPHEM.
Ciclo termodinámico híbrido
POLYPHEM funciona mediante un ciclo termodinámico combinado. En el ciclo superior, un receptor solar presurizado a alta temperatura situado en lo alto de una torre captura la radiación solar concentrada en espejos, que alimenta una turbina de gas para generar electricidad. El calor del escape se recupera mediante aceite térmico y se almacena en un depósito de hormigón. El aceite caliente de la parte superior empuja hacia abajo la termoclina, una zona intermedia que separa el líquido caliente del frío. El ciclo inferior utiliza una máquina de ciclo Rankine orgánico para también generar electricidad. En este caso, el calor descargado desde el depósito de almacenamiento invierte el flujo de aceite, al mover la termoclina de nuevo hacia arriba. «Un solo depósito de almacenamiento de termoclina con energía térmica caliente y fría es mucho más barato que un sistema convencional con dos depósitos, y la solución de dos ciclos significa que la central sigue generando electricidad en períodos con poco sol, lo que aumenta su capacidad», añade Ferriere, del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia (CNRS), entidad anfitriona del proyecto.
Prototipos y pruebas
El equipo desarrolló la mayoría de los componentes necesarios para una central, incluida una turbina de gas de 60 kilovatios y una máquina de ciclo Rankine orgánico de 23 kilovatios. La unidad de almacenamiento de calor desarrollada, con capacidad para 2 500 kilovatios hora, consistía en un único depósito con 22,8 toneladas de ladrillos de hormigón y 7 600 kilogramos de aceite térmico sintético, a una temperatura de entre 110 y 330 °C. El diseño del receptor solar se basó en materiales metálicos ya probados por el CNRS y la Comisaría de Energía Atómica y Energías Alternativas de Francia (CEA). Todos los componentes, excepto el receptor solar y la turbina de gas, se enviaron a Francia y se instalaron en bit.ly/3XvlyW5 (Themis). La microturbina de gas y el generador se ensayaron en un banco de pruebas durante 6 meses, lo que representó un total de más de 40 horas de funcionamiento, y se alcanzó una temperatura de entrada en la turbina de 700 °C y una velocidad de la turbina de 52 000 revoluciones por minuto. El lecho de relleno del acumulador térmico se probó satisfactoriamente en un depósito de termoclina con aceite térmico durante 5 meses y 59 ciclos. Se validó el material de hormigón, el diseño de los ladrillos y los patrones del lecho de relleno, así como el comportamiento de la termoclina en todos los modos operativos. «Por motivos técnicos no se pudo suministrar el receptor solar, lo cual implicó que no pudimos completar la totalidad del programa de pruebas de la central», explica Ferriere. «Pero los demás componentes están listos para su desarrollo comercial, como el intercambiador de calor de gas a líquido, que está disponible para su instalación como un componente compacto».
Llegar al mercado
Entre otras cosas, POLYPHEM podría ofrecer electricidad, calor y agua potable para lugares soleados con suministro eléctrico descentralizado. De hecho, se simuló el funcionamiento de una central comercial POLYPHEM para Chile y Namibia. «El coste de generar electricidad de POLYPHEM fue entre un 35 y un 45 % inferior a las centrales diésel de la competencia. Sin embargo, para competir con la generación de electricidad fotovoltaica, que cuesta una tercera parte, el coste de la inversión en ESC debe reducirse aún más», concluye Ferriere. El equipo se propone ahora construir y poner en funcionamiento una central prototipo completa, que incluya un campo solar y una torre de tamaño real.
Palabras clave
POLYPHEM, electricidad, turbina, generador, termoclina, petróleo, solar, termodinámico, fotovoltaica
