La CSP centrífuga ofrece mejoras de emplazamiento y una potencia de 60 $/MWh
Un nuevo receptor CSP de partículas cerámicas que pronto se someterá a ensayo en EE.UU. podría reducir el coste eléctrico en un 20 % y propiciar el desarrollo del calor industrial con innovaciones en el transporte de partículas, dijo Reiner Buck, director de sistemas de torre en el DLR, a New Energy Update.
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El mes pasado, el Departamento de Energía de los Estados Unidos destinó un fondo de 750 000 dólares a los Sandia National Laboratories a fin de acelerar las pruebas del receptor centrífugo (Centrec), un nuevo receptor de partículas cerámicas de alta temperatura desarrollado por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR, por sus siglas en inglés).
Las actuales centrales de torre CSP utilizan sales fundidas como medio de transferencia de calor (HTM) y de almacenamiento, con lo que las temperaturas se limitan a 565 °C a fin de evitar la corrosión y la descomposición. Algunos de los grupos de investigación están desarrollando sistemas que alcanzan temperaturas más altas y aumentan la eficiencia de la conversión de calor en electricidad.
El DLR utilizará el Centro Nacional de Pruebas Térmosolares (NSTTF, por sus siglas en inglés) de Sandia, en Albuquerque, Nuevo México, con objeto de demostrar que el diseño Centrec puede alcanzar temperaturas de partículas de más de 1000 °C en la salida del receptor. En dos fases de demostración previas en el centro de pruebas de la torre solar Julich del DLR se alcanzaron temperaturas de partículas de 965 °C.
La eficiencia energética y las ventajas del almacenamiento energético derivadas de la ampliación de los intervalos de temperatura y de la menor densidad necesaria en el diseño hacen que el Centrec ofrezca ventajas notables en comparación con la tecnología de sales fundidas, según aseguró Buck a New Energy Update.
"Los cálculos preliminares muestran que lograr temperaturas más elevadas desde el punto de vista de las partículas redunda en una reducción de costes de entre el 10 y el 20 %", explicó.
Nuevos límites
El CentRec emplea un receptor giratorio situado en la parte superior de la torre que ejerce una fuerza centrífuga con el fin de mantener en movimiento las partículas oscuras de bauxita, un material similar a la arena, por toda la pared de la cámara. Esto permite la irradiación directa de las partículas del flujo solar.
La bauxita puede alcanzar una temperatura de funcionamiento de alrededor de 600 °C y oscilar entre 400 °C y 1000 °C, el doble del intervalo que pueden alcanzar los sistemas de sales fundidas (entre 290 y 565 °C).
"Las principales ventajas frente a las tecnologías existentes son que podemos alcanzar temperaturas significativamente más elevadas, al paso que se conserva una buena eficiencia y se consiguen costes relativamente bajos en los receptores", según dijo Buck.
Impacto del rango de temperatura HTM en el coste de componentes
Fuente: Reiner Buck, 2018.
El diseño Centrec favorecería probablemente una disposición de varias torres a fin de lograr la capacidad ofrecida por los actuales proyectos de CSP, los cuales superan por lo común los 100 MW.
El DLR diseñó un ciclo de potencia de turbina de vapor en una torre múltiple de 125 MWe (14 módulos) con 12 horas de almacenamiento y partículas de bauxita a modo de HTF y medio de almacenamiento. El ahorro de costes asociado a la disminución del inventario de partículas (gracias a una mínima corrosión), la contención del almacenamiento y el generador de vapor redujeron notablemente el LCOE, según señalaron los investigadores.
A diferencia de las sales fundidas, las partículas cerámicas no son susceptibles de congelarse, por lo que se requieren menos medidas anticongelantes para las tuberías y los demás componentes.
El aumento en la diferencia de temperatura de conducción en el intercambiador de calor permite diseñar un intercambiador de menor volumen y la irradiación directa de partículas evita la necesidad de instalar los costosos tubos de superaleación utilizados en diseños tradicionales con líquidos.
El diseño Centrec reduce también el coste del almacenamiento energético, un motor clave para el despliegue comercial de la CSP.
La ampliación del intervalo de temperatura de las partículas de bauxita puede duplicar la densidad de almacenamiento del sistema de solar de sales, explicó Buck. Los investigadores calculan el coste del sistema de almacenamiento en 9,2 euros/kWh (unos 10 dólares/kWh), menos de la mitad del coste de un sistema de almacenamiento de sales fundidas.
El ahorro global de costes se ve en parte contrarrestado por el aumento de los costes del campo de helióstatos y las torres. El diseño requiere una reducción en la eficiencia del receptor, lo cual exige instalar más heliostatos y una torre más alta.
Con estos factores en mente, el equipo de Buck calcula que, gracias a una diferencia de temperaturas de 600 °C entre la entrada y la salida del receptor se puede lograr un LCOE de 56 euros/MWh (alrededor de 60 dólares/MWh).
Impacto del intervalo de temperaturas del receptor CSP en el LCOE
Fuente: Reiner Buck, 2018.
Entre los retos clave para el despliegue de los sistemas de receptor de partículas en caída se incluye mantener un caudal másico constante y suficiente de partículas a escalas mayores, la fiabilidad de la central para un sistema de receptor giratorio de gran volumen y los requisitos de energía parasitaria.
Los socios del diseño Centrec han lanzado todo un abanico de proyectos con objeto de abordar dichos problemas, que abarcan temas como el aumento de la escala, la experiencia con el funcionamiento a largo plazo y las operaciones con alto flujo o alto flujo másico, según dijo.
Uno de los principales riesgos técnicos para su viabilidad comercial es la posible degradación de los materiales estructurales debido a la abrasión, explicó Buck.
"Sin embargo, en muchas partes el sistema puede verse afectado por los parámetros de diseño (caudal, etc.)", dijo.
Tras el éxito de las pruebas y la ampliación del diseño en los próximos años, el Centrec podría emplearse en proyectos comerciales hacia finales del decenio de 2020.
Antes de dicha fecha, el diseño podría utilizarse para reducir las emisiones y aumentar la eficiencia energética en el sector del calor industrial. Podría llegar a estar disponible en el mercado para aplicaciones de procesos térmicos en los próximos cinco años, según afirmaron los investigadores.
Beneficios del calor
El sistema CentRec permite el transporte de partículas calentadas a lo largo de varios kilómetros, con lo cual se amplían las oportunidades de emplazamiento para las aplicaciones de calor y las configuraciones de varias torres.
En lugar de utilizar una red de tuberías, los investigadores proponen el uso de camiones autónomos para transportar contenedores aislados de partículas desde las torres individuales hasta el bloque de potencia del ciclo de vapor a más de un kilómetro de distancia.
Los cálculos previos muestran que este proceso genera un aumento de los costes "en un mínimo porcentaje", aseguró Buck.
Tal capacidad de transporte podría mejorar la viabilidad de los sistemas de CSP en las instalaciones de calor de proceso existentes en emplazamientos industriales.
"Una fábrica que requiere una gran cantidad de calor de proceso a alta temperatura a menudo no dispone de espacio útil justo al lado de sus instalaciones, por lo que se podría ubicar la central termosolar a un kilómetro de distancia", explicó Buck.
Dicho avance podría suponer un punto de inflexión en la industria minera chilena, donde el DLR busca activamente socios para proyectos duales de calor y electricidad.
La acumulación de polvo alrededor de los complejos solares en el desierto de Atacama presenta una barrera para el desarrollo de la CSP, dijo Buck.
"Trasladar la instalación solar una cierta distancia podría entrañar un gran beneficio frente a la contaminación por polvo del campo de helióstatos", concluyó.
Por Kerry Chamberlain
Traducido por Vicente Abella Aranda