Ecologia, Medio Ambiente y Energias Renovables en la Naturaleza

En los últimos meses BrightSource Energy, con sede en California, ha firmado los dos contratos más grandes del mundo para impulsar la capacidad energética solar. La empresa construirá muy pronto la primera de una serie de 14 plantas que colectivamente suministrarán más de 2,6 GW de electricidad- suficiente para abastecer a cerca de 1,8 millones de hogares. Pero para alcanzar este reto BrightSource no usará células fotovoltaicas, que generan electricidad directamente de la luz solar y que constituyen hoy en día la forma más común de energía solar. En su lugar, la empresa se especializa en “tecnología termosolar de concentración” en la que espejos concentran la luz solar para producir calor. Ese calor es utilizado posteriormente para producir vapor, que a su vez hace funcionar una turbina para generar electricidad.

Las estaciones termosolares poseen una serie de ventajas en comparación con los proyectos fotovoltaicos. Se construyen normalmente a una escala mucho más grande e históricamente sus costes han sido menores. En comparación con otras fuentes de energía renovable, son probablemente mejores a la hora de alcanzar una carga eléctrica comercial, según señala Nathaniel Bullard de New Energy Finance, una firma de investigación. Funcionan mejor cuando se alcanza un calor elevado y la demanda está en su punto más álgido. El calor que se genera puede ser almacenado, por lo que el rendimiento de una planta termosolar no fluctúa de una manera tan salvaje como el de un sistema fotovoltaico. Más aún, desde que se usa una turbina para generar electricidad a partir del calor, la mayoría de las plantas termosolares pueden ser fácilmente complementadas con calderas de gas natural de una manera económica, permitiendo su funcionamiento con una fiabilidad comparable a la de una planta de combustibles fósiles.

Aparte de estos beneficios, los principales motores del crecimiento de la industria termosolar son las acciones para limitar las emisiones de dióxido de carbono y los requisitos para aumentar la proporción de electricidad producida a partir de fuentes renovables. Según New Energy Finance, se están planificando unos 12 GV de capacidad de energía termosolar de concentración por todo el mundo- una enorme cantidad teniendo en cuenta que sólo se han construido hasta la fecha unos 500 MV de esa capacidad. Para maximizar la energía que puede ser captada del sol, las instalaciones solares se crean en regiones que disfrutan de luz solar diaria sin interrupción en la mayor parte del año. Según Mark Mehos del Laboratorio Nacional de Energías renovables de América (NREL), la energía termosolar podría generar en teoría 11.000 GV  en el sudoeste de EE.UU. Esto constituye 10 veces la capacidad de generación existente en Estados Unidos.

Las técnicas sencillas para concentrar la luz solar y así generar calor datan de hace miles de años. En China y la antigua Grecia, la gente centraba los rayos solares con espejos o vidrio para encender fuegos. En tiempos de guerra, esa misma idea fue usada para prender fuego a los barcos enemigos. A principios del siglo XX, varios científicos habían construido máquinas simples que podían funcionar a partir de la concentración del calor del sol.

Se alcanzó un éxito significativo en 1913 cuando Frank Shuman, un inventor norteamericano, creó la primera estación termosolar de bombeo en Meadi, Egipto. Diseñó un sistema basado en 5 grandes reflectores, cada uno de 62 metros de largo y hecho de espejos de vidrio arreglados para formar un cilindro con aspecto de parábola. Cada cilindro parabólico centró la luz solar en un tubo de su longitud, calentando el agua que se encontraba dentro. El vapor resultante alimentaba un motor conectado a una bomba capaz de distribuir 6.000 galones de agua por minuto desde el Nilo hasta campos cercanos.

Intentos de concentración

La historia moderna de la energía termosolar comenzó tras las crisis del petróleo de los años 70, que obligó a muchas naciones a iniciar la investigación de fuentes de energías renovables y limpias como alternativas a los combustibles fósiles. Durante las siguientes décadas EE.UU, España y un puñado de países construyeron plantas termosolares piloto con propositos de investigación. La primera empresa en implementar la tecnología a una escala comercial fue Luz International, una empresa israelí fundada en 1980.

Tras una investigación previa, Luz comentó a construir una serie de estaciones termosolares en el desierto Mojave de California a mediados de 1980. Al igual que Sr. Shuman en el pasado, la empresa usó cilindros parabólicos para centrar la luz solar en tubos rellenos de liquido. En lugar de usar agua, utilizaron aceite como fluido de transferencia térmica. Al alcanzar una temperatura de aproximadamente 390ºC, el aceite caliente es bombeado hacia el llamado “bloque de potencia” por el que atraviesa una serie de intercambiadores de calor, convirtiendo el agua en vapor y alimentando una turbina convencional de vapor. Entonces, la turbina activa un generador para producir electricidad.

En 1990, Luz ya había construido 9 plantas con una capacidad total de 354 MV. En ese momento,  la energía termosolar producía un 90% de toda la electricidad solar en el mundo, afirma Arnold Goldman, antiguo CEO de Luz, que es ahora presidente de BrightSource.  Pero cuando el precio del gas natural cayó y los incentivos fiscales estadounidenses para energía termosolar quedaron sin ser renovados, la industria llegó a un alto en el camino. Durante casi dos décadas, no se pusieron en marcha nuevas plantas termosolares comerciales. Mientras tanto, la tecnología fotovoltaica solar comenzó a tomar lentamente el mercado, y en 2007 su capacidad instalada a nivel mundial llegó a 9,2 GV. Aunque es más caro por kilovario hora, los paneles solares pueden instalarse en pequeños sistemas modulares y requieren por ello menos inversión de capital. Además podía generar energía fuera de red,  lo cual constituyó un mercado importante para la energía solar en los primeros días.

Hoy en día, la industria termosolar experimenta un renacer y los proyectos de cilindros parabólicos están recogiendo gran parte de la inversión actual debido a la fiabilidad de su historial. SkyFuel, una firma con sede en Nuevo Méjico, está reemplazando los espejos curvos de vidrio, que son caros de fabricar, por una capa fina reflectiva de bajo coste. Otras tecnologías termosolares competidoras, que fueron desarrolladas de forma paralelea a los sistemas cilíndricos pero que nunca se habían comercializado, están preparadas también para ser instaladas.

Entre estas tecnologías se encuentra un enfoque utilizado por BrightSource, en el que un campo de pequeños espejos planos llamados "helióstatos" redirigen y concentran la luz solar en un receptor central que se encuentra en la cima de una torre. La torre contiene un fluido, normalmente agua, que hierve. El vapor resultante se transfiere a un "bloque de potencia" cercano en el que se hace funcionar una turbina convencional. La ventaja de esta "torre de potencia" consiste en la producción de vapor a una temperatura de 550ºC y en consecuencia alcanzar una eficiencia térmica-eléctrica mayor que en los sistemas de cilindros, afirma John Woolard, CEO de BrightSource. Además, los sistemas de torre de potencia tienen menos pérdidas de bombeo que los diseños cilíndricos. La primera torre de potencial comercial comenzó a funcionar en España en 2007.

Otro avance que hace a la energía termosolar económica y tecnológicamente más viable que en el pasado es la capacidad de usar grandes cantidades de espejos más pequeños y baratos, controlados por sistemas informáticos para asegurar un seguimiento más preciso y  automático y un adecuado redireccionamiento de la luz solar. Bill Gross, Jefe Ejecutivo de eSolar, un promotor de tecnología de “torre de potencia” con sede en Pasadena, California, afirma que su empresa está usando software para girar miles de espejos planos y formarlos  en una parábola continua envolvente alrededor de la torre.

Almancenamiento e híbridos

Tanto las torres de potencia como los sistemas de cilindros parabólicos pueden almacenar energía térmica en forma de calientes sales fundidas. De esta manera, es posible generar vapor, y con ello electricidad, incluso cuando no brilla el sol. Las plantas termosolares sin almacenamiento pueden funcionar un 30% al año, pero con almacenamiento esta operatividad podría subir hasta el 70% o más. Desgraciadamente, el almacenamiento es caro y sólo es económico cuando se proporcionan incentivos. En España, por ejemplo, los productores de energía termosolar reciben primas estatales garantizadas. Esto resulta particularmente atractivo para que las plantas españolas posean capacidades de almacenamiento y así maximizar su habilidad para vender electricidad a los servicios. En EE.UU, los principales incentivos para proyectos termosolares son  un 30% de créditos fiscales por inversión o una subvención equivalente en dinero. Como resultado,  las plantas norteamericanas tienen que construirse de una manera más económica para poder sacar beneficio, y eso normalmente no incluye almacenamiento.

Una alternativa barata para el almacenamiento es la hibridación. Todas las plantas originales de Luz poseen también calderas de gas natural que pueden generar vapor cuando el sol no brilla. Debido a que las plantas termosolares tienen un bloque de potencia y turbina ya en su sitio, el coste extra es mínimo. La hibridación podría usarse también al revés, al utilizarse el vapor generado por colectores termosolares para activar turbinas de plantas de gas o carbón existentes. El Electric Power Research Institute, con sede en Palo Alto, está estudiando la fiabilidad de este enfoque con vistas a reducir los costes de combustible y las emisiones en las estaciones de energía.

Además de los cilindros parabólicos y las torres de potencia, hay una terca tecnología termosolar, que combina espejos curvos con forma de disco con motores de calor. En un diseño de motor de disco, los espejos concentran la luz solar para generar calor, que  a su vez suele alimentar un motor Stirling – una máquina que convierte el calor en energía mecánica al comprimir y expandir una cantidad fija de gas. El cambio en la presión hace funcionar los pistones del motor,  que a su vez hace funcionar un eje que permite que el generador produzca electricidad.

Aunque son bastante eficientes, los motores Stirling han tenido poco uso práctico desde su invención casi dos siglos atrás, y hasta el momento no existen sistemas termosolares comerciales que utilicen este enfoque. Los críticos de esta tecnología afirman que conlleva demasiadas partes móviles, convirtiéndolo en un sistema más complejo y caro de operar y mantener que las otras tecnologías. Stirling Energy Systems, con sede en Phoenix, Arizona, espera probar el error en el que se encuentran los  escépticos. Ha firmado dos amplios contratos de compra de energía por hasta 1.750 MV, y planea cumplirlos al usar sistemas de motor de disco construidos en colaboración con su empresa gemela, Tessera Solar. Ambos proyectos comenzarán, según los planes, en 2010 como muy pronto.

Un obstáculo que complica el crecimiento de todo este campo es la dificultad a la hora de obtener financiación para proyectos termosolares en el clima económico actual, señala Thomas Mancini, director de programas de energía solar de concentración en Sandia National Laboratories. Como resultado, algunos proyectos anunciados pueden retrasarse o incluso nunca ser construidos. La situación ha obligado a algunas empresas a cambiar sus modelos de negocio: por ejemplo, Ausra, una compañía termosolar con sed en Mountain View, California, ha pasado de ser una productora de energía independiente a ser una proveedora de equipamiento.

Aunque la energía termosolar no produce emisiones de dióxido de carbono, tiene algunos elementos negativos  para el medio ambiente. Tanto las torres de potencia como los sistemas de cilindros  funcionan con refrigeración de agua,  por lo que se necesitan  millones de galones  de agua anualmente. Esto puede causar grandes problemas, especialmente en los ambientes desérticos. La Comisión de Energía de California ha urgido recientemente a NextEra Energy Resources, una empresa renovable, que considere la refrigeración seco en lugar de usar agua para su proyecto termosolar en Kern County, California . (Los diseños de motor Stirling no necesitan agua para refrigerar). Otro problema potencial a la hora de construir plantas en zonas remotas es la ausencia de líneas de transmisión, ya que es difícil y caro aprobar y construir nuevas líneas.

A pesar de estos problemas, mucha gente piensa que la industria se escalará en poco tiempo. Entre los que así opinan se encuentra el Sr. Woolard, que cree que la energía termosolar podría recuperar su liderazgo histórico por encima del fotovoltaico. Sin embargo, no se debe subestimar  la competitividad de los sistemas fotovoltaicos a gran escala. Según el Sr. Bullard, los módulos de células solares “thin-film” están  bajando de precio  rápidamente, y pueden generar electricidad de manera más barata  que la energía termosolar en algunas situaciones. Pero no importa que enfoque llegue a la cima, la competición entre las dos tecnologías provocará, sin duda, una innovación continua y un suministro creciente de electricidad renovable en los años por venir.

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