La tecnología solar termoeléctrica, como su nombre lo indica, requiere básicamente de un concentrador solar para evaporar un líquido caloportador y una “máquina térmica” que utilice la presión del vapor para mover un conjunto turbina/generador transformando en energía eléctrica la energía contenida en el fluido.
Lo más frecuente, hasta ahora, ha sido que la máquina térmica utilizada sea una turbina a vapor de gran capacidad, la cual para tener una eficiencia razonable requiere operar a plena carga y con una alta temperatura de fluido sobre los 350°C, debiendo utilizar aceite como medio de transferencia de calor para evaporar agua.
El grupo tecnológico americano United Technologies Corp ha logrado adaptar dos equipos, originalmente diseñados y creados con otro fin primordial, para que, en conjunto, puedan trabajar con temperaturas bajo los 200°C y por tanto presiones y temperaturas más fácilmente manejables, con la gran ventaja de ser modulares en su crecimiento.
El primer equipo, bautizado como Microsteam, es un equipo diseñado originalmente para aprovechar el vapor excedente en edificios conectados a la red municipal de vapor de las grandes urbes americanas. En la práctica su microturbina reemplaza a las válvulas reductoras de presión, permitiendo el mismo efecto, reducir la presión, pero transformando el proceso en algo rentable al producir electricidad con una eficiencia energética entre los 60 - 65% que es un valor excelente para una turbina a vapor.
El segundo equipo, denominado PureCycle, es una adaptación de un Chiller Centrífugo cuya turbina modificada, en lugar de girar con la alimentación eléctrica para producir la compresión de gas refrigerante, gira inversamente, alimentada por la expansión (presión) de gas refrigerante sobrecalentado, haciendo girar a su vez un generador para producir electricidad. En este caso, el gas refrigerante, debido a su bajo punto de ebullición, es sobrecalentado en un intercambiador por agua caliente entre 90°C y 130°C. Originalmente este equipo fue diseñado para utilizar la energía geotérmica en los casos que el agua fluye naturalmente sobre 90°C o bien utilizarlo como cola de un sistema tradicional de producción eléctrica en base a geotermia, aprovechando que la temperatura del agua a reinyectar en la tierra es superior a la mínima requerida por la PureCycle para producir electricidad.
El croquis anterior reseña el esquema de operación para un módulo conformado por el campo solar requerido para alimentar una Microsteam y una PureCycle, a lo cual se ha acoplado una unidad de almacenamiento para producir electricidad durante la noche.
• La Microsteam produce hasta 275 Kwh, reduciendo bruscamente la presión del fluido a un poco más que la presión atmosférica, derivando app. 90% a un intercambiador de calor, en tanto el 10% restante retorna al campo solar como condensado.
• En el intercambiador de calor, un circuito es alimentado por el vapor proveniente de la Microsteam sobre 120°C entregándolo como condensado para retornar al campo solar, en tanto el otro circuito proviene del condensador de la PureCycle a menor temperatura (app. 80°C), saliendo del intercambiador con agua a app. 120°C para alimentar la PureCycle.
• Al interior de la PureCycle se produce un nuevo intercambio de calor entre el agua caliente mencionada y el refrigerante, el cual se vaporiza aumentando su presión haciendo girar la turbina. Por otra parte, el refrigerante saliente de la turbina, es condensado por un circuito de agua fría, entre 5°C y 25°C dependiendo de su procedencia (torre de enfriamiento, río, mar). Como resultado se logra obtener app. 255 Kwh.
• El estanque de almacenamiento, opcional, acumula el fluido a una temperatura superior a la requerida inicialmente (250ºC versus 190°C), para poder operar durante las horas sin radiación solar.
Para hacer una comparación económica de ambos sistemas, hay al menos tres aspectos principales: inversión, horas de operación y posibilidad de almacenamiento.
• La inversión inicial en plantas pequeñas es bastante menor con la alternativa modular, pero a medida que aumenta el tamaño de planta las economías de escala utilizando grandes turbinas son mayores, produciéndose el equilibrio entre 20 y 30 MW.
• Para una ubicación de alta radiación como el desierto Chileno, una turbina convencional puede trabajar a plena carga app. 2.500 horas/año, en tanto el presente sistema modular puede trabajar hasta 3.700 horas/año dada la menor temperatura requerida. Esta sola ventaja, frente a similares niveles de inversión, inclina la balanza a favor de la configuración modular.
• Sin embargo, resulta aún más desequilibrante si se considera un sistema de almacenamiento. En la configuración modular descrita es factible construir un estanque que almacene agua caliente con temperaturas inferiores a 250° C y presiones bajo 30 barg, requiriendo cada módulo un volumen del orden de 700 m3, lo cual es factible de realizar con una instalación relativamente convencional y amortizable rápidamente, ya que el sistema lograría más que duplicar sus horas de operación. En cambio, con las tecnologías actuales no se puede decir lo mismo de un sistema de almacenamiento para operar una gran turbina de vapor, ya que por las altas temperaturas requeridas hay que utilizar una solución de sales, de nitrato de sodio/potasio, operando a más de 500°C, con lo cual los escasos prototipos construidos han resultado económicamente poco atractivos. Prueba de lo anterior es que grandes proyectos solares termoeléctricos con inversiones de 4 millones de euros por MW instalado, no han contemplado almacenamiento.
Hay una última faceta que resulta interesante de analizar. La tecnología actual de turbinas de vapor requiere utilizar aceite a alta temperatura como elemento de transferencia para vaporizar agua en un circuito secundario, por lo cual es denominada tecnología HTF (Heat Transfer Fluid). En el croquis siguiente se muestra una comparación de una prestigiosa empresa Española desarrolladora de tecnologías solares, entre la tecnología HTF y una planta de Generación Directa de Vapor GDV. Puede verse que las temperaturas y presiones de la planta GDV siguen siendo muy superiores a las mencionadas para la planta modular acá comentada, sin embargo se están explorando con el fin de disminuir costos y prescindir del aceite que resulta ambientalmente reprochable.
El Gobierno Chileno, con el fin de investigar y acelerar la inversión en tecnologías solares cuando los costos sean competitivos, ha anunciado que prontamente llamará a licitación por la construcción y operación de una planta solar termoeléctrica de 10 MW, con un subsidio de 14 millones de dólares. Es quizás ésta una excelente oportunidad de utilizar tecnologías de vanguardia como la descrita.
