En mayo, el Departamento de Energía (DE) lanzó su programa Sistemas de Energía Solar de Concentración de Tercera Generación (Gen3) con objeto de elaborar nuevos diseños de CSP con almacenamiento que resulten rentables y cuyos fluidos de transferencia de calor (HTF, por sus siglas en inglés) superen los 700 grados C. El DE proporcionará fondos a tres proyectos de investigación que competirán con el fin de disminuir los costes de la CSP en 20 $/MWh, un paso clave hacia el objetivo del DE de llegar a los 50 $/MWh antes de 2030.
En los próximos dos años, Brayton Energy, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL, por sus siglas en inglés) y Sandia Laboratories desarrollarán nuevos montajes integrados y perfilarán un diseño integral para instalar en un centro de pruebas. El proyecto ganador recibirá 25 millones de dólares con el fin de construir el centro de pruebas.
Los diseños en CSP siguen evolucionando y los proyectos Gen3 varían mucho en términos de tipo de tecnología y requisitos de los materiales. El proceso de selección de Gen3 podría destilar las próximas tendencias en sistemas de CSP, ya que los promotores tratarán de adaptarse a las innovaciones en almacenamiento y HTF.
El programa Gen3 centra mucho el interés en la eficiencia de la central a escala comercial, más que los anteriores programas del DE, que se centraban principalmente en los componentes o en los subsistemas, según aseguró Clifford Ho, ingeniero sénior y jefe de proyectos de Sandia Laboratories, a New Energy Update.
“Gen3 diseñará, desarrollará y ensayará con un sistema térmico completamente integrado a una escala correspondiente a varios miles de horas”, explicó Ho. “El objetivo es eliminar los riesgos de la tecnología para su adopción comercial”, dijo.
Avances rápidos
El proyecto Gen3 es el último de una serie de anuncios de financiación dirigidos a incrementar la rentabilidad y fiabilidad de las centrales de CSP.
EEUU alberga en la actualidad 1,8 GW de capacidad operativa de solar termoeléctica, pero el desarrollo de nuevos proyectos ha disminuido en los últimos años debido a que los costes de la fotovoltaica se han desplomado y a que algunos proyectos de CSP han sufrido una fuerte oposición por las preocupaciones generalizadas acerca de la fauna o la escasez de agua.
Así, se han cancelado siete proyectos de CSP estadounidenses, 15 están en espera y el proyecto termosolar Belridge de 850 MWth destinado a un yacimiento petrolífero en California es el único que actualmente se encuentra en fase de planificación, según afirma el New Energy Update CSP Tracker.
Sin embargo, la capacidad de almacenamiento energético durante la noche es un atractivo comercial clave para las centrales termosolares. Los promotores creen que las reducciones de costes permitirán a la CSP con almacenamiento complementar la creciente capacidad de fotovoltaica y eólica.
La investigación del Gen3 es importante puesto que los sistemas de mayor temperatura pueden aumentar la eficiencia de los sistemas de CSP y del almacenamiento y brindar nuevas opciones de transferencia de calor. Los investigadores de EEUU y Europa siguen ensayando con nuevos procesos de transferencia de calor y forzando los límites de los materiales conductores.
Los proyectos de centrales de torre, que en palabras de New Energy Update, están en auge, normalmente usan sales fundidas como HTF, las cuales pueden llegar a alcanzar temperaturas de unos 550 grados C.
Componentes más duraderos
Los fluidos con temperaturas más altas requerirán componentes más duraderos, como los receptores, las tuberías, los sistemas de almacenamiento y las turbinas. Se necesitarán avances en la resistencia, estabilidad, soldabilidad y resistencia a la corrosión de los materiales.
El programa Gen3 permitirá a los promotores ensayar con las últimas soluciones científicas, lo que puede mejorar mucho la eficiencia, según explicó Craig Turchi, ingeniero sénior del NREL, centro que analizará la tecnología termosolar en fase líquida de última generación forzando los límites de los sistemas actuales de sales fundidas.
“La mayor parte del trabajo que se desarrollará en este proyecto será para abordar cuestiones de costes y durabilidad de los componentes y los materiales en las nuevas sales, como pueda ser la resistencia de los sistemas de tuberías y contención, el rendimiento de los sensores o la capacidad de aislar las paredes de los depósitos respecto del líquido caliente”, dijo Turchi.
Sandia Laboratories diseñará y ensayará con un sistema de CSP con receptor de partículas en caída, que calentará un fluido de trabajo como pueda ser el aire o el dióxido de carbono supercrítico. “Esperamos lograr eficiencias térmicas cercanas al 90 % con un receptor de 1 MWth que calienta temperaturas por encima de los 700 grados C”, explicó Ho.
“También diseñaremos un intercambiador de calor de partículas de 1 MWt para calentar dióxido de carbono supercrítico (sCO2) a 700 grados C y por encima de los 20 MPa [unidad de presión de megapascales]”, aseguró. Un sistema con base en las partículas supone ahorros en los costes durante toda la vida útil de la central, añadió.
“Los gastos de capital y los gastos de explotación de un sistema de partículas deberían ser menores que los de los sistemas desarrollados comercialmente... Las partículas resultan económicas, son duraderas, no presentan corrosión, no son tóxicas y tienen un intervalo de temperaturas de trabajo mucho más amplio: desde bajo cero hasta por encima de los 1000 grados C”, explicó.
El diseño incluye un nuevo tipo de receptor, tanques de almacenamiento y un ascensor, todo lo cual se desarrollará en virtud del programa Gen3.
Uso de CO2
Brayton Energy desarrollará y ensayará con un sistema de CSP que funciona con CO2 en fase gaseosa, que absorberá energía de un campo de helióstatos y lo transferirá a un sistema de almacenamiento térmico.
El diseño de Brayton Energy presenta la ventaja de que es capaz de integrar el cambio de fase de última generación y los sistemas de almacenamiento termoquímico actualmente en desarrollo, según afirmó Shaun Sullivan, ingeniero principal y jefe de I+D en Brayton Energy. “Estos pueden almacenar hasta tres veces más energía en la misma cantidad másica de medio, lo que puede suponer un ahorro notable en términos de volumen y costes”, afirma.
La bomba de circulación del gas necesita menos energía para impeler el fluido de trabajo que los métodos convencionales y el sistema de almacenamiento de energía está a nivel del suelo, por lo que se elimina la necesidad de elevar el medio a la parte superior de la torre.
Brayton Energy propone un diseño modular para minimizar los costes de fabricación y aumentar la eficiencia de la instalación, mientras que la capacidad de lograr eficiencias altas con temperaturas moderadas disminuye los requisitos en términos de materiales, explicó Sullivan. “La elevada densidad del fluido de trabajo permite que las turbomáquinas sean menores que los sistemas equivalentes de turbinas por gas o vapor, y así se reduce el uso de material y los costes”, agregó.
Brayton Energy cree que su sistema de CSP en fase gas a escala comercial completamente integrado, instalado y ya puesto en servicio puede lograr un LCOE de 50 $/MWh, que es el objetivo del DE para 2030. De hecho, el proyecto Gen3 demostrará que los sistemas con HTF a alta temperatura pueden hacer de la CSP una energía “competitiva en materia de costes frente a los sistemas de combustible fósil sin subvención”, dijo Sullivan.
