El rendimiento de los helióstatos se ha convertido en un área clave de investigación de los promotores de plantas termosolares para reducir sus costes. Los heliostatos pueden llegar a suponer la mitad de los costes de inversión de una central de CSP y la falta de alineación puede afectar gravemente al rendimiento. Un problema que se hace más notable en los proyectos de mayor envergadura debido a que las distancias entre los helióstatos y la torre de CSP son mayores.
En la gigantesca central de torre de 377 MW Ivanpah, propiedad de NRG Energy y ubicada en California, los problemas de posicionamiento de los helióstatos causados por la suciedad y las tormentas de viento contribuyeron a que el complejo termosolar no cumpliera los objetivos de producción en sus primeros 24 meses de vida. En 2016, dos años después de que entrará en operación, la falta de alineación de los helióstatos provocó un incendio en la sección de una de las torres de la central, lo cual supuso una disminución de la producción en una tercera parte durante más de un mes.
Ahora, varios equipos tecnológicos están empleando las últimas cámaras y herramientas de automatización a fin de desarrollar sistemas de helióstatos de calibración automática. Estas soluciones podrían presentar múltiples beneficios, como la aceleración los tiempos de construcción y una mejora del rendimiento de la central, y podrían estar listas en un año, según aseguraron los promotores a New Energy Update.
El proyecto Photon
Photon, un proyecto europeo de 2 millones de euros liderado por la empresa española Tewer Ingenieria, ha integrado la calibración automática en un nuevo diseño de helióstatos. Tewer y sus socios –Acciona Industrial, Aalborg CSP, el Instituto de Investigación Aplicada F y Modern E-Technologies– han desarrollado un compuesto para los helióstatos que integra un sándwich de vidrio-espuma-vidrio de curvatura esférica, el cual evita los problemas de bloqueo y la falta de alineación inducida por la temperatura.
El sistema permite lograr una calidad óptica de 0,6 milirradianes (mrad) de desviación, cifra que mejora los 2 mrad de desviación de los modelos de helióstatos de última generación existentes. Los socios han integrado la tecnología con un sistema de comunicación inalámbrica autónomo, alimentado por energía fotovoltaica, a fin de facilitar la calibración automática.
El helióstato aprende de su cinemática aplicable al seguir el sol con un sensor incorporado en el plano superficial, según explicó José M. Blázquez Serrano, ingeniero de proyectos de Tewer, a New Energy Update. El sistema evita, además, la necesidad de cimientos, zanjas y cableado en el campo de los helióstatos, con lo cual se reducen los costes, añadió.
En la central de torre Redstone de 100 MW, proyectada por ACWA Power en Sudáfrica, se estima que este sistema puede reducir los gastos de capital en un 29,7 % y los gastos de explotación en un 8,8 %, lo cual reduciría el coste medio teórico total de la energía en un 11,9 %, de acuerdo con Blázquez, quien cree que "para el cuarto trimestre de este año habremos acumulado suficientes horas de funcionamiento para demostrar la solución".
Ahorros en fábrica
Las soluciones de alineación automática pueden permitir a los promotores adquirir helióstatos de menor coste y fabricados con métodos menos precisos que los modelos actuales. Esto supondría un ahorro significativo. Ivanpah, la mayor central de torre CSP del mundo, cuenta con 173.500 heliostatos, mientras que la torre en construcción de 100 MW del proyecto dubaití Noor Energy 1 cuenta con 70.000.
Los grupos españoles Cener e IK4-Tekniker han desarrollado un sistema de calibración escalable de helióstatos (SHORT, por sus siglas en inglés), que identifica las faltas de alineación por grietas y vuelve a calibrarse en "menos de una hora", según explicó Cristóbal Villasante, jefe de ingeniería térmica de IK4-Tekniker, a New Energy Update.
En este sistema, hay una cámara conectada a un helióstato de bajo coste y orientada a varios objetivos ubicados en posiciones conocidas, lo cual permite a la cámara comparar la posición real con la esperada. Este proceso se repite en diversas posiciones con objeto de adquirir datos que permitan al helióstato modificar las órdenes de seguimiento. El procedimiento puede automatizarse de manera que no se requiera interacción humana.
Las pruebas han confirmado precisiones "superiores a 0,25 mrad" y el coste final, que incluye todo el hardware necesario, sería "inferior a las ofertas actuales", aseguró Villasante. El sistema ya se ha demostrado en numerosos helióstatos y los socios tienen intención de colaborar con los proveedores para desarrollar una solución más "industrializada" e integrada.
Algoritmos avanzados
Otra empresa, la estadounidense CSP Heliogen, ha creado una solución informática vanguardista que supera los límites actuales de rendimiento, incluso con sistemas de helióstatos de bajo coste. Con el respaldo de Bill Gates, Heliogen ha desarrollado un sistema autónomo que calibra los helióstatos con base en un algoritmo de "circuito cerrado".
El sistema utiliza cámaras y un software avanzado de visualización por ordenador para alinear los helióstatos con mayor precisión y aumentar la eficiencia solar. Las pruebas han demostrado que el incremento en la precisión de la luz solar reflejada puede propiciar temperaturas superiores a los 1000 °C, según asegura la empresa.
"Podemos lograr una alta precisión de enfoque (con errores de vector normal submilirradianos) mediante un sistema de transmisión de coste comparativamente bajo, pues el controlador de circuito cerrado puede corregir las faltas de linealidad y otras variabilidades de fabricación que un controlador de circuito abierto encontraría difíciles o imposibles de corregir", dijo Fatimah Bello, vicepresidenta de desarrollo de negocios y productos de la empresa emergente CSP Heliogen.
La tecnología de calibración inteligente puede, además, acortar de manera notable los tiempos de instalación y los costes de construcción al permitir la calibración simultánea de los helióstatos. "Nuestro sistema evita el largo proceso de calibración del campo de helióstatos: acaba siendo cuestión de horas o días, ya no meses, poner el campo en funcionamiento", dijo Bello.
Las soluciones de calibración automática permiten también utilizar métodos de implantación más rápidos y de bajo coste para los helióstatos, todo lo cual reduce aún más los costes de la mano de obra. Las ventajas de semejante instalación serían mayores en ubicaciones con grandes requerimientos de obra civil y altos precios de mano de obra.
"Uno de los principales beneficios que se persiguen con esta tecnología es disponer de un planteamiento sólido para acelerar y reducir los costes durante el inicio y la puesta en marcha del campo solar", dijo Blázquez.
Despliegue en el mercado
Todos los promotores ven una buena oportunidad de adaptar su tecnología de helióstatos calibrados automáticos a las centrales existentes, si bien los beneficios en lo tocante a los costes diferirían entre las distintas soluciones y dependerían de factores específicos del emplazamiento.
Heliogen ve buenas oportunidades inmediatas para los nuevos proyectos de CSP que suministren calor a instalaciones industriales y cuenten con una disponibilidad de terreno restringida. Al incrementar la precisión de los helióstatos, se pueden proponer campos de helióstatos de menor tamaño y a un coste inferior, dijo Bello.
"Hace bien poco propusimos un campo de helióstatos casi un 20 % más pequeño de lo que el cliente esperaba", aseguró la directiva de Heliogen, compañía que está estudiando proyectos con plazos de amortización de tan solo dos años. "En la actualidad estamos proponiendo proyectos para su implementación entre el cuarto trimestre de 2020 y el primer trimestre de 2021", concluyó Bello.
