Junto con la energía solar fotovoltaica y la energía eólica, disponemos de otra tecnología renovable que aprovecha nuestro principal recurso energético, el Sol, para producir electricidad: la energía solar termoeléctrica, termosolar o de concentración. Su principio de operación se basa en la utilización de espejos que concentran la radiación del Sol para obtener vapor de agua, que posteriormente se dirige hacia los álabes de una turbina para moverlos y producir así electricidad. En este sentido, es un fundamento similar al de las tecnologías basadas en combustibles fósiles o uranio, en el sentido de que lo que hace es mover las turbinas de un generador, pero sin quemar gas o fisionar uranio.
Denominada en inglés Concentrating Solar Power (Energía Solar de Concentración, en lo que sigue CSP), la capacidad de esta tecnología de almacenar la energía producida puede proporcionar energía flexible y renovable, 24 horas al día, 7 días a la semana, en regiones con excelentes recursos solares directos. En este artículo describo las principales características de esta tecnología.
Breve historia de la CSP
La idea de utilizar espejos para concentrar la radiación solar y así calentar un determinado objeto o un fluido no es nueva. El científico griego Arquímedes usó las propiedades reflectoras de escudos de bronce para incendiar las naves romanas que asediaban Siracusa en 212 a. C. en el transcurso de la segunda guerra púnica. Aunque hay dudas acerca de la veracidad de esta singular historia, la experiencia se ha recreado posteriormente con éxito, lo que prueba la eficacia de concentrar la luz solar para generar calor. La siguiente imagen muestra una pintura de la galería Ufizzi en Florencia que ilustra el supuesto artilugio de Arquímedes:
Pintura mural (Giulio Parigi, 1600) que muestra el enorme espejo de bronce que supuestamente construyó Arquímedes con objeto de reflejar los rayos del Sol sobre las naves romanas que asediaban Siracusa para incendiarlas. Stanzino delle Matematiche, Galería de los Uffizi (Florencia, Italia)
Aunque las primeras centrales CSP comerciales modernas se construyeron en la década de 1980, esta tecnología tiene una larga historia que se remonta a finales del siglo XIX, cuando se utilizó para alimentar la primera máquina de vapor solar. Dados los excelentes recursos solares de la región de Oriente Medio y Norte de África, no sorprende que los primeros sistemas cilindro-parabólicos se instalaron allí en 1912, cerca de El Cairo (Egipto). El sistema estaba diseñado para generar vapor para una bomba que suministraba 2.000 m3/h de agua para el riego. Cabe destacar que, incluso en 1912, la tecnología de las centrales CSP era regionalmente competitiva con las instalaciones de carbón para generar vapor.
En la década de 1970, cuando Estados Unidos se convirtió en importador neto de energía, el Presidente Richard M. Nixon creó varios grupos de investigación para examinar el potencial de las nuevas tecnologías renovables para devolver a Estados Unidos a una situación de independencia energética. En 1972, el Consejo Federal de Ciencia y Tecnología llegó a la conclusión de que las tecnologías de generación de energía solar térmica podrían proporcionar el 20% de las necesidades energéticas del país en 2020. Dados los costes prohibitivos de la tecnología solar fotovoltaica en aquel momento, se asumió que toda la energía solar sería térmica. Tras la crisis del petróleo de 1973, el presupuesto federal estadounidense de investigación en CSP se triplicó. Pero como los precios del petróleo bajaron en la década de 1980 y los recortes presupuestarios de la era Reagan redujeron la investigación y el desarrollo, el sector se estancó hasta principios de la década de 2000.
A principios del presente siglo, en España, tras la publicación del célebre Real Decreto 661/2007, unas generosas primas a la producción de energía eléctrica incentivaron a los promotores a poner en marcha proyectos de CSP, convirtiendo a España en el líder mundial de esta tecnología en lo que hace a la cantidad de potencia instalada (2.300 MW), posición que mantiene en la actualidad. Sin embargo, el despliegue de nuevos proyectos se estancó cuando en 2008-2010 se recortaron esas primas, situación que, en lo que se refiere a la tecnología CSP, no ha cambiado sustancialmente desde entonces.
Fundamentos de las centrales CSP
Como ya se ha dicho, las centrales CSP se basan en la utilización de espejos que concentran la radiación directa del Sol sobre un receptor lleno de fluido, normalmente aceite térmico o sales fundidas. Este fluido, denominado fluido de transferencia de calor, conduce el calor a un intercambiador donde se utiliza para generar vapor de agua. A continuación, el vapor se dirige a presión a una turbina para mover sus álabes y producir energía eléctrica, siguiendo un procedimiento similar al empleado en las centrales térmicas convencionales. A grandes rasgos, una central CSP consta de tres unidades principales:
- Captadores solares, que son espejos que reflejan la luz del Sol y la concentran en un determinado foco, convirtiendo la energía solar en energía térmica.
- Un medio de almacenamiento del calor mediante vapor de agua o sales fundidas.
- Un generador de energía eléctrica, que produce electricidad mediante una turbina accionada por el vapor obtenido en la conversión de la radiación solar en calor.
Las centrales CSP son de cuatro tipos principales: concentradores lineales cilindro-parabólicos, concentradores con lentes de Fresnel, concentradores de torre y concentradores de espejo parabólico (concentradores Stirling). En la siguiente figura se muestran los cuatro, cuyos fundamentos describo brevemente en el siguiente párrafo:
Los cuatro tipos de centrales termosolares, de arriba abajo y de izquierda a derecha: Concentradores lineales; espejos de Fresnel; espejo parabólico y concentradores de torre
– Concentradores lineales: su funcionamiento se basa en captar la energía del sol usando espejos rectangulares curvados en forma de U, orientados hacia el Sol; recogen la luz y la concentran en tubos que corren paralelos a lo largo de los espejos, situados en la línea focal de estos. La luz del Sol reflejada calienta un fluido que circula por los tubos. Ese fluido se utiliza posteriormente para obtener vapor de agua en un generador de turbina convencional que produce electricidad.
– Espejos de Fresnel: similares a los anteriores, el tubo receptor está situado por encima de varios espejos orientados con diferentes ángulos de manera que todos redirigen la radiación solar hacia el tubo.
– Espejo parabólico: hacen uso de un espejo circular similar a los platos que se emplean en las antenas parabólicas de captación de señales de televisión por satélite. La superficie del disco recibe la luz solar y la redirige concentrándola en un receptor térmico, que absorbe y recoge el calor y lo transfiere a un motor de émbolo, similar a los pistones de los motores de combustión interna. Este sistema utiliza el fluido calentado por el receptor para mover los pistones del motor y transformar la energía calorífica en energía mecánica. Posteriormente, la energía mecánica se utiliza para mover un generador y producir electricidad.
– Concentradores de torre: utilizan un gran campo de espejos planos denominados helióstatos para enfocar y concentrar la luz solar en un receptor situado en la parte superior de una torre (en la imagen que abre este artículo se ve un campo de estos captadores solares). Un fluido se calienta en el receptor y se usa para generar vapor que, a su vez, se utiliza en un generador de turbina convencional para producir electricidad. Algunas torres usan agua como fluido, mientras que otros diseños avanzados están experimentando con sales de nitrato fundida debido a sus superiores capacidades de almacenamiento del calor.
En un próximo artículo describiré los pros y contras de esta tecnología y su despliegue en el mundo en la actualidad.
Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física
Autor del libro Energía solar: De la utopía a la esperanza (Análisis y crítica)
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