La energía solar concentrada (CSP) es un enfoque para generar electricidad en el que se utilizan espejos para reflejar, concentrar y enfocar la luz solar en un punto específico. La luz concentrada se convierte en calor, que a su vez se utiliza para crear vapor. Luego, el vapor se utiliza para impulsar una turbina que genera energía eléctrica.
La tecnología CSP se utiliza para almacenar energía solar, por lo que se puede utilizar en días nublados y en las horas posteriores a la puesta del sol o antes del amanecer. En el momento de escribir este artículo, la CSP es todavía un enfoque emergente para generar electricidad y se usa con mayor frecuencia en proyectos a escala de servicios públicos.
La energía solar concentrada y la capacidad de la tecnología CSP para almacenar energía térmica han hecho que la opción de energía renovable sea especialmente popular en la región de Sun Belt de Estados Unidos. La región de Sun Belt cubre los estados del sur y suroeste del país, desde California hasta Florida; esto incluye: Georgia, Carolina del Sur, Alabama, Mississippi, Luisiana, Nuevo México, Arizona, Nevada y Texas.
Estados Unidos ha estado operando plantas de CSP de manera confiable durante más de 15 años. Por ejemplo, la planta de energía Crescent Dunes en el desierto de Mojave, que se extiende por el sureste de California y el sur de Nevada, se desarrolló con fondos del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en la década de 1990. La planta de energía utiliza sal fundida como fluido de transferencia de calor y medio de almacenamiento, lo que se beneficia de una mayor eficiencia y rentabilidad.
Requisitos clave para la energía solar concentrada
Varios factores son esenciales para la implementación exitosa de un sistema de energía solar concentrada. Los requisitos clave incluyen:
- Financiamiento adecuado - Las tecnologías y sistemas de CSP son costosos. Recibir la financiación adecuada del proyecto puede ser difícil, pero necesario.
- Fuentes de agua disponibles - Los sistemas CSP necesitan acceso a una fuente de agua para enfriar y lavar la colección y las superficies del espejo. Las plantas de CSP tienen la capacidad de emplear técnicas de enfriamiento húmedo, seco o híbrido para optimizar la eficiencia en la generación de electricidad y conservación de agua.
- Lugares con alta radiación solar - La concentración óptima de la energía solar requiere que la luz sea intensa y no demasiado dispersa. El foco de la luz solar se puede medir por la intensidad normal directa (DNI) de la energía solar. El DNI del sol es más fuerte en la región de Sun Belt que en cualquier otra área de los EE. UU., Lo que hace que el potencial de producción con CSP sea más fuerte aquí que en cualquier otro lugar del país.
- Parcelas de tierra adyacentes con mínima cobertura de nubes - Si bien la cantidad exacta de terreno requerido por una planta de CSP variará según las tecnologías utilizadas, las plantas de CSP generalmente requieren de cinco a diez acres de tierra por megavatio (MW) de capacidad.
- Acceso de transmisión accesible y próximo - El terreno utilizado para la CSP debe ser adecuado para la generación de energía, así como proporcionar acceso a una red de transmisión cada vez más estresada y anticuada. Las líneas de transmisión de alto voltaje también son un requisito clave para los proyectos a escala de servicios públicos para transferir electricidad desde el sistema CSP al usuario final.
Tipos de sistemas de energía solar concentrada
Los cuatro tipos principales de sistemas CSP son:
- Sistemas de plato parabólico
- Sistemas de colectores cilindroparabólicos
- Sistemas de reflectores lineales compactos de Fresnel
- Sistemas de torre de energía
Sistemas de plato parabólico Emplee antenas parabólicas en forma de U (o parabólicas) que tengan aproximadamente diez veces el tamaño de una antena parabólica residencial para enfocar la luz solar en el receptor que está montado en el punto focal de la antena. Este receptor está integrado en un motor de combustión externa de alta eficiencia que utiliza tubos que contienen hidrógeno o gas helio que corren a lo largo del exterior del motor y se abren a los cuatro cilindros de pistón.
A medida que el receptor recoge la luz solar concentrada, calienta el gas de los tubos a temperaturas extremas, lo que hace que el gas caliente se expanda dentro de los cilindros. Este gas en expansión impulsa los pistones que hacen girar un cigüeñal que, a su vez, alimenta el generador que produce electricidad.
En un sistema de plato parabólico, el receptor, el motor y el generador forman un solo conjunto combinado que se coloca en el punto focal del plato reflejado. Para capturar la cantidad máxima de energía solar, el sistema de plato sigue el camino del sol a través del cielo, similar a una matriz de seguimiento.
Sistemas de colectores cilindroparabólicos incorporan espejos en forma de U que tienen tuberías llenas de aceite a lo largo del punto focal. Los espejos apuntan hacia el sol y concentran la luz solar en las tuberías para calentar el aceite del interior; las temperaturas pueden alcanzar los 750 ° F. El aceite calentado se usa luego para hervir agua y producir el vapor que se usa para impulsar turbinas y generadores.
Sistemas de reflectores lineales compactos de Fresnel utilice largas filas paralelas de espejos planos que cuesten menos que los espejos curvos del sistema cilindroparabólico. Los espejos planos del sistema Fresnel lineal compacto concentran la energía solar en receptores elevados que incorporan una colección de tubos llenos de agua corriente. La luz solar enfocada se usa para hervir el agua, produciendo así vapor que puede usarse para generar energía.
Sistemas de torre de energía, a veces llamados receptores centrales, utilizan numerosos espejos grandes y planos para rastrear el sol y enfocar la energía solar en un receptor. En este sistema, el receptor se encuentra en la parte superior de una torre alta y recoge la luz solar que se utiliza para calentar fluidos, como la sal fundida; las temperaturas pueden alcanzar hasta 1,050 ° F. El fluido calentado puede usarse inmediatamente para producir vapor y generar electricidad, o puede almacenarse y guardarse para su uso en un momento posterior.
Beneficios de la energía solar concentrada
La reducción de las emisiones de carbono es uno de los principales beneficios que presentan todos los sistemas de energía solar. Algunos otros beneficios incluyen:
- Seguridad energética - La energía renovable es doméstica, mientras que las fuentes de petróleo y gas se concentran en áreas específicas. Un suministro de energía diverso en todo el país, proporcionado por fuentes de energía nacionales, fortalece la seguridad energética y contribuye a una estrategia energética sostenible y duradera que puede proteger el suministro de energía de las fluctuaciones y vulnerabilidades perjudiciales del mercado. Disminuir la dependencia de fuentes importadas y reemplazar la energía extranjera con electricidad doméstica limpia y confiable puede brindar oportunidades económicas locales al tiempo que aumenta la seguridad energética.
- Fiabilidad duradera - En promedio, las plantas de energía solar se construyen para hasta 25 a 30 años de operación. El operador de la planta debe comprender que la tecnología y el equipo deberán mantenerse, renovarse y reemplazarse con el tiempo. Se espera que cada actualización sea más eficiente con un costo menor. Por lo tanto, se establece una confiabilidad duradera ya que la fuente de energía renovable produce electricidad durante mucho tiempo mientras mejora continuamente la eficiencia.
- Precios cada vez más competitivos - Si bien el costo del gas, los combustibles fósiles y otras alternativas energéticas continúa fluctuando entre las regiones, la energía renovable ha experimentado una disminución continua en el precio. La caída más significativa se ha producido en la industria solar, con precios que cayeron alrededor del 80% en los últimos siete años. Por lo tanto, la energía solar presenta una fuente de energía más barata y rentable.
Historia de la energía solar concentrada
Según el antiguo mito griego, el concepto de energía solar concentrada fue descubierto por primera vez por Arquímedes entre el 214 y el 212 a. C. Desarrolló una táctica de defensa en la que los soldados usaban escudos de bronce para concentrar la luz del sol en los barcos romanos invasores, haciendo que los barcos se incendiaran. Sin embargo, el primer uso documentado de CSP fue en 1866 cuando August Mouchout usó un sistema cilindro-parabólico para calentar agua y producir vapor con el fin de impulsar la primera máquina de vapor solar.
En 1912, Frank Schuman, un inventor de Filadelfia, Pensilvania, estableció un sistema cilindroparabólico en una pequeña comunidad agrícola en Meadi, Egipto. Los comederos se utilizaron para generar vapor que, a su vez, se utilizó para impulsar grandes bombas de agua, entregando 6,000 galones de agua por minuto a vastas áreas del desierto.
En 1968, el profesor Giovani Francia construyó la primera planta de CSP operativa en Sant'Ilario, Italia. La planta utilizó un sistema de torre de energía rodeado por un campo de otros colectores de energía solar.
En 1982, una colección de organizaciones de la industria solar y el DOE de EE. UU. Comenzaron a operar Solar One. Solar One fue un proyecto de demostración de 10 MW del sistema de torre de energía que estableció el uso y la operación factibles del sistema.
En 1986, se puso en servicio la instalación de energía solar más grande del mundo en Kramer Junction, California. El sistema utilizó filas de espejos para enfocar la energía solar en un sistema de tuberías y calentar el fluido de transferencia en el interior. El vapor producido accionaba una turbina que producía electricidad.
Entre 1996 y 1999, el DOE de EE. UU. Y un grupo de organizaciones de la industria solar trabajaron en Solar Two, un proyecto que se suponía que era una mejora del proyecto de torre de energía Solar One.
Futuro de la energía solar concentrada y la energía solar basada en el espacio
Se siguen realizando avances e invenciones que mejoran el uso y la accesibilidad de la energía solar concentrada. Las mejoras se desarrollan y aplican continuamente a los sistemas CSP, lo que les permite operar con mayor eficiencia y alimentar una variedad de proyectos a escala de servicios públicos.
Desde mediados del siglo XX, se han realizado investigaciones sobre el uso de energía solar basada en el espacio (SBSP). SBSP es el concepto de que la energía solar puede capturarse en el espacio exterior y luego transferirse a la Tierra u otros planetas para usarla como electricidad. SBSP tiene la capacidad de resolver el efecto invernadero mundial con un impacto mínimo en el medio ambiente.
Una forma de construir un sistema SBSP es utilizando energía solar concentrada. Estos sistemas SBSP emplean la técnica de enfocar la energía solar mediante espejos que calientan un líquido y accionan una turbina que genera electricidad.
Un obstáculo que impide la experimentación y el despliegue generalizados de sistemas de energía solar basados en el espacio es el elevado costo de adquirir y enviar todos los materiales necesarios. SBSP tiene la capacidad de proporcionar energía constante, limpia y confiable a costos más bajos, pero se necesitarán muchos años de construcción, prueba, inversión e implementaciones exitosas antes de que el sistema pueda siquiera comenzar a compensar sus costos iniciales.