Heat pipe (literalmente en español tubería de calor, aunque el término no suele traducirse), es un tubo con alta conductividad usado como disipador de calor. Consiste en un tubo cerrado por ambos extremos en cuyo interior hay un fluido a una presión adecuada para que se evapore y condense en un rango determinado de temperatura. Al aplicarle calor en un extremo se evapora el líquido de ese extremo y se desplaza al otro lado, ligeramente más frío, condensándose y transfiriéndole el calor. En informática se utiliza para disipar el calor que producen algunos componentes de hardware, como los microprocesadores. Tiene la ventaja que no emite ningún ruido, a diferencia de los ventiladores. Básicamente un Heat Pipe es un tubo hueco, relleno de un fluido. Uno de los extremos del tubo se coloca sobre un generador de calor (en el caso que nos ocupa, sobre el core de un microprocesador ). A: El extremo del cilindro con el fluido activo, reposa sobre un generador de calor.B: La superficie del HeatPipe transmite el calor, al fluido activo, el cual aumenta su temperatura y comienza a evaporarse.C: El líquido evaporado asciende hasta la sección de condensación, que será donde se libera el calor del fluido (se enfría ), y este se condensa, volviendo a estado líquido.D: El fluido activo vuelve hacia la zona de evaporación debido a la gravedad. El flujo básico del calor se describe en estas etapas, primero se transmite al fluido (a través de la superficie del HeatPipe, de ahí que sea importante que el material del que está hecho el Heat Pipe sea un buen conductor térmico.. suelen estar hechos de cobre ). El fluido absorbe el calor, hasta que alcanza su punto de ebullición y comienza a evaporarse, al evaporarse el vapor caliente asciende (llevándose consigo el calor que se produce en el generador térmico -> microprocesador ). El vapor alcanza el final del Heat Pipe, donde se enfría. Típicamente al final del Heat Pipe hay una disipador o algún tipo de refrigerador, para potenciar la refrigeración del fluido activo evaporado. El vapor se condensa al enfriarse (ya ha transmitido el calor que absorbió ). Básicamente un Heat Pipe es un tubo hueco, relleno de un fluido. Uno de los extremos del tubo se coloca sobre un generador de calor (en el caso que nos ocupa, sobre el core de un microprocesador ). A: El extremo del cilindro con el fluido activo, reposa sobre un generador de calor.B: La superficie del HeatPipe transmite el calor, al fluido activo, el cual aumenta su temperatura y comienza a evaporarse.C: El líquido evaporado asciende hasta la sección de condensación, que será donde se libera el calor del fluido (se enfría ), y este se condensa, volviendo a estado líquido.D: El fluido activo vuelve hacia la zona de evaporación debido a la gravedad. El flujo básico del calor se describe en estas etapas, primero se transmite al fluido (a través de la superficie del HeatPipe, de ahí que sea importante que el material del que está hecho el Heat Pipe sea un buen conductor térmico.. suelen estar hechos de cobre ).El fluido absorbe el calor, hasta que alcanza su punto de ebullición y comienza a evaporarse, al evaporarse el vapor caliente asciende (llevándose consigo el calor que se produce en el generador térmico -> microprocesador ).El vapor alcanza el final del Heat Pipe, donde se enfría. Típicamente al final del Heat Pipe hay una disipador o algún tipo de refrigerador, para potenciar la refrigeración del fluido activo evaporado. El vapor se condensa al enfriarse (ya ha transmitido el calor que absorbió ). En principio hay que decir que el HeatPipe en sí mismo constituye un recipiente de un comportamiento próximo al de un Recinto adiabático. Un Recinto Adiabático es un recipiente ideal en el cual no se produce intercambio de temperatura entre su interior y el exterior (aísla la temperatura exterior de la interior ).¿Entonces cómo se calienta el fluido, y cómo se enfría? ¿no es ese recinto un aislante ?. Efectivamente, pero el comportamiento adiabático se produce en la sección del tubo, no en los extremos que es donde se produce el intercambio de temperatura, lo que se procura es que a la largo de la sección del tubo, no se produzcan fugas térmicas.De hecho el funcionamiento óptimo se obtiene cuando cada una de las secciones: Evaporador, Adiabático y Condensador se prolonga durante un tercio de la longitud total del Heat Pipe. De ahí que suelan estar curvados sobre el bloque que cubre el micro, y más tarde las aletas del disipador no se encuentren sobre el extremo, sino que abarquen todo el tramo final del Heat Pipe.El recipiente consta de un tubo de material conductor, típicamente cobre, recubierto por el material poroso en su cara interior, y a su vez impregnado por el fluido activo, luego el tubo se sella. De tal forma que la presión interior viene dada por el vapor del líquido activo del interior. A parte para evitar fugas de vapor, lo cual inutilizaría el Heat PipeEsta presión es importante, ya que al evaporarse el fluido, crea un gradiente (variación) de presión que empuja el vapor hacia arriba (hacia el condensador ).El material poroso tiene una doble función, el fluido impregna sus poros, y al evaporarse los abandona para subir hacia el evaporador. Por tanto contiene el fluido activo. El fluido condensado vuelve a penetrar en los poros del material capilar, y por presión capilar lo canaliza hacia el evaporador. Por tanto actúa como vehículo para devolver el líquido condensado hacia abajo.Por otro lado al contener el fluido en sus poros, contribuye a que la evaporación se efectúe de forma gradual. Si todo el fluido se evaporase rápidamente, se podría dar el caso de no quedar líquido en el evaporador antes de que vuelva el líquido condensado. Si se produjese esta situación no habría transporte de la temperatura del generador -> Micro Quemado. El fluido activo no se encuentra solamente en los poros del material capilar, también depositado en el evaporador (sin absorberse ). Ya que el material poroso podría no tener capacidad de absorción para todo el líquido necesario (la cantidad de líquido dependerá del Heat Pipe.. Es decir del diseño del mismo, y el diseño va en función de lo que se quiera refrigerar con él.La elección del fluido activo dependerá de varios factores. El principal es la temperatura de trabajo. Es decir, si se espera que el generador de calor produzca un rango de temperaturas, habrá que elegir un fluido cuyo punto de ebullición se encuentre dentro de ese rango de temperaturas (si metiésemos nitrógeno líquido, ya estaría en estado gaseoso antes de que el disipador saliese de la tienda y para hacerlo volver a estado líquido necesitaríamos un REFRIGERADOR POTENTE, lo cual lo haría inútil para un Heat Pipe destinado a un Disipador de CPU ).También se toman en consideración otros factores como la Viscosidad (a mayor viscosidad mayor temperatura para evaporar el líquido ). También es importante que el líquido no tenga otros componentes disueltos, ya que estos precipitarían al evaporarse dejando un residuo en el evaporador que disminuiría su rendimiento. Un fluido activo típico para Heat Pipes en disipadores para CPUs es el agua destilada. Cuyo punto de ebullición se alcanza dentro del Heat Pipe, y su calor específico lo hace buen conductor de la temperatura.Como apunte decir que el uso de Heat Pipes alcanza tasas de transferencia térmica desde cientos a miles de veces mayores que el uso de cobre como conductor térmico. ¿Qué diferencia a un sistema de otro ?.. el estado en el que se encuentra el transmisor de temperatura. En Refrigeración por Heat Pipes, la transmisión la hace el vapor del fluido activo al trasladarse desde el evaporador al condensador (en parte también. cuando se encuentra en estado líquido, pero su función es evaporarse ).En Refrigeración líquida, el transporte se realiza mediante el líquido que añadamos al sistema, el cual permanece siempre en estado líquido.En refrigeración tradicional, la transmisión de temperatura se realiza a través de un metal sólido (aluminio, o cobre típicamente ).Así que teniendo en cuenta que al final de los tres sistemas encontramos un ventilador en un radiador/disipador (salvo en sistemas pasivos, pero estos también. los hay en los tres tipos de refrigeración, sobre todo cuando el micro no produce temperaturas muy elevadas ). Lo que acaba por diferenciar a un sistema de otro, es el estado en el que se encuentra el transmisor del calor. Sólido, líquido, gaseoso.Así que si me permitís la licencia me voy a tomar la libertad de llevarle la contraria a todo el mundo y renombrar a la "mal llamada" refrigeración por aire, como refrigeración sólida.
Gas ideal: una descripción microscópica. Desde el punto de vista microscópico, definimos a un gas ideal haciendo las siguientes suposiciones, con lo que nuestra tarea sera la de aplicar las leyes de la mecánica clásica, estadisticamente, a los atomos del gas y demostrar que nuestra definición microscópica es consecuente co la definición macroscópica de la sección procedente: 1.- Un gas esta formado por particulas llamadas moleculas. Dependiendo del gas, cada molecula esta formada por un atomo o un grupo de atomos. Si el gas es un elemento o un compuesto en su estado estable, consideramos que todas sus moleculas son identicas. 2.- Las moleculas se encuentran animadas de movimiento aleatorio y oobedecen las leyes de Newton del movimiento. Las moleculas se mueven en todas direcciones y a velocidades diferentes. Al calcular las propiedades del movimiento suponemos que la mecánica newtoniana se puede aplicar en el nivel microscopico. Como para todas nuestras suposisiones, esta mantendra o desechara, dependiendo de si los hechos experimentales indican o no que nuestras predicciones son corectas. 3.- El numero total de moleculas es grande. La dirección y la repidez del movimiento de cualquiera de las moleculas puede cambiar bruscamente en los choques con las paredes o con otras moleculas. Cualquiera de las moleculas en particular, seguira una trayectoria de zigzag, debido a dichos choques. Sin embargo, como hay muchas moleculas, suponemos que el gran numero de choques resultante mantiene una distribución total de las velocidades moleculares con un movimiento promedio aeleatorio, 4.- El volumen de las moleculas es una fracción despresiablemente pequeña del volumen ocupado por el gas. Aunque hay muchas moleculas, son extremadamente pequeñas. Sabemos que el volumen ocupado por una gas se puede cambiar en un margen muy amplio, con poca dificultad y que, cuando un gas se condensa, el volumen ocupado por el liquido puede ser miles de veces menor que la del gas se condensa, el volumen ocupado por el liquido puede ser miles de veces menor que el del gas. De aqui que nuestra suposición es posible. 5.- No actuan fuerzas apresiables sobre las moleculas, excepto durante los choques. En el grado de que esto sea cierto, una molecula se movera con velocidad uniformeentre los choques.
Como hemos supuesto que las moléculas son tan pequeñas, la distancia media entre ellas es grande en comparación con el tamaño de una de las moléculas. De aquique suponemos que el alcance de las fuerzas moleculares es comparable al tamañomolecular. 6.- Los choques son elasticos y de duración despresiable. En las choques entre las moleculas con las paredes del recipiente se conserva el impetu y (suponemos)la energia cenetica. Devido a que el tiempo de choque es despresiable comparado con el tiempo que transcurreentre los choque de moleculas, la energia cinetica que se convierte en nergia potencial durante el choque, queda disponible denuevo como energia cinetica, despues de un tiempo tan corto, que podemos ignorar este cambio por completo. Leyes de los gases: Toda las masas gaseosas experimentan variaciones de presión, volumen y temperatura que se rigen por las siguientes leyes: primera ley (Boyle-Mariotte) Los volumenes ocupados por una misma masa gaseosa conservandose su temperatura constante, son inversamente proporcionales a la presión que soporta.
Teoría cinética de los gases. La termodinámica se ocupa solo de variables microscópicas, como la presión, la temperatura y el volumen. Sus leyes básicas, expresadas en términos de dichas cantidades, no se ocupan para nada de que la materia esta formada por átomos. Sin embargo, la mecánica estadística, que estudia las mismas áreas de la ciencia que la termodinámica, presupone la existencia de los átomos. Sus leyes básicas son las leyes de la mecánica, las que se aplican en los átomos que forman el sistema. No existe una computadora electrónica que pueda resolver el problema de aplicar las leyes de la mecánica individualmente a todos los átomos que se encuentran en una botella de oxigeno, por ejemplo. Aun si el problema pudiera resolverse, los resultados de estos cálculos serian demasiados voluminosos para ser útiles. Afortunadamente, no son importantes las historias individuales detalladas de los átomos que hay en un gas, si sólo se trata de determinar el comportamiento microscópico del gas. Así, aplicamos las leyes de la mecánica estadísticamente con lo que nos damos cuenta de que podemos expresar todas las variables termodinámica como promedios adecuados de las propiedades atómicas. Por ejemplo, la presión ejercida por un gas sobre las paredes de un recipiente es la rapidez media, por unidad de área, a la que los átomos de gas transmiten ímpetu a la pared, mientras chocan con ella. En realidad el numero de átomos en un sistema microscópico, casi siempre es tan grande, que estos promedios definen perfectamente las cantidades. Podemos aplicar las leyes de la mecánica estadísticamente a grupos de átomos en dos niveles diferentes. Al nivel llamado teoría cinética, en el que procederemos en una forma más física, usando para promediar técnicas matemáticas bastantes simples.
Calor y Temperatura Mediante el contacto de la epidermis con un objeto se perciben sensaciones de frío o de calor, siendo está muy caliente. Los conceptos de calor y frío son totalmente relativos y sólo se pueden establecer con la relación a un cuerpo de referencia como, por ejemplo,la mano del hombre.
Lo que se percibe con más precisión es la temperatura del objeto o, más exactamente todavía, la diferencia entre la temperatura del mismo y la de la mano que la toca. Ahora bien, aunque la sensación experimentada sea tanto más intensa cuanto más elevada sea la temperatura, se trata sólo una apreciación muy poco exacta que no puede considerarse como medida de temperatura. Para efectuar esta ultima se utilizan otras propiedades del calor, como la dilatación, cuyos efectos son susceptibles Con muy pocas excepciones todos los cuerpos aumentan de volumen al calentarse y diminuyen cuando se enfrían. En caso de los sólidos, el volumen suele incrementarse en todas las direcciones se puede observar este fenómeno en una de ellas con experiencia del pirometró del cuadrante.
El, pirometro del cuadrante consta de una barra metálica apoyada en dos soportes, uno de los cuales se fija con un tornillo, mientras que el otro puede deslizarse y empujar una palanca acodada terminada por una aguja que recorre un cuadrante o escala cuadrada.
Cuando, mediante un mechero, se calienta fuertemente la barra, está se dilata y el valor del alargamiento, ampliado por la palanca, aparece en el cuadrante. Otro experimento igualmente característico es el llamado del anillo de Gravesande. Este aparato se compone de un soporte del que cuelga una esfera metálica cuyo diámetro es ligeramente inferior al de un anillo el mismo metal por el cual puede pasar cuando las dos piezas están a l a misma temperatura. Si se calienta la esfera dejando el anillo a la temperatura ordinaria, aquella se dilata y no pasa por el anillo; en cambio puede volver a hacerlo una vez enfriada o en el caso en que se hayan calentando simultáneamente y a la misma temperatura la esfera y el anillo. La dilatación es, por consiguiente, una primera propiedad térmica de los cuerpos, que permite llegar a la noción de la temperatura. La segunda magnitud fundamental es la cantidad de calor que se supone reciben o ceden los cuerpos al calentarse o al enfriarse, respectivamente. La cantidad de calor que hay que proporcionar a un cuerpo para que su temperatura aumente en un numero de unidades determinado es tanto mayor cuanto más elevada es la masa de dicho cuerpo y es proporcional a lo que se denomina calor especifico de la sustancia de que está constituido. Cuando se calienta un cuerpo en uno de sus puntos, el calor se propaga a los que son próximos y la diferencia de temperatura entre el punto calentado directamente y otro situado a cierta distancia es tanto menor cuando mejor conducto del calor es dicho cuerpo. Si la conductabilidad térmica de un cuerpo es pequeña, la transmisión del calor se manifiesta por un descenso rápido de la temperatura entre el punto calentado y otro próximo. Así sucede con el vidrio, la porcelana, el caucho, etc. En el caso contrario, por ejemplo con metales como el cobre y la plata, la conductabilidad térmica es muy grande y la disminución de temperatura entre un punto calentado y el otro próximo es muy reducida. Se desprende de lo anterior que el estudio del calor sólo puede hacerse después de haber definido de una manera exacta los dos términos relativos al propio calor, es decir, la temperatura, que se expresa en grados, y la cantidad de calor, que se expresa en calorías. Habrá que definir después algunas propiedades específicas de los cuerpos en su manera de comportarse con respecto al calor y la conductabilidad térmica. Escalas de medición de la temperatura Las dos escalas de temperatura de uso común son la Celsius (llamada anteriormente ‘’centígrada’’) y la Fahrenheit. Estas se encuentran definidas en términos de la escala Kelvin, que es las escala fundamental de temperatura en la ciencia. La escala Celsius de temperatura usa la unidad ‘’grado Celsius’’ (símbolo 0C), igual a la unidad ‘’Kelvin’’. Por esto, los intervalos de temperatura tienen el mismo valor numérico en las escalas Celsius y Kelvin.
La segunda ley nos dice que muchos procesos son irreversibles.
Por ejemplo, el enunciado de Clausius específicamente elimina una inversión simple del proceso de transmisión de calor de un cuerpo caliente, a un cuerpo frío. Algunos procesos, no sólo no pueden regresarse por sí mismos, sino que tampoco ninguna combinación de procesos pueden anular el efecto de un proceso irreversible, sin provocar otro cambio correspondiente en otra parte.
Tercera ley de la termodinámica.
En el análisis de muchas reacciones químicas es necesario fijar un estado de referencia para la entropia. Este siempre puede escogerse algún nivel arbitrario de referencia cuando solo se involucra un componente; para las tablas de vapor convencionales se ha escogido 320F. Sobre la base de las observaciones hechas por Nernst y por otros, Planck estableció la tercera ley de la termodinámica en 1912, así: la entropia de todos los sólidos cristalinos perfectos es cero a la temperatura de cero absoluto.
Un cristal “perfecto” es aquel que esta en equilibrio termodinámica. En consecuencia, comúnmente se establece la tercera ley en forma más general, como: La entropia de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinamico tiende a cero amedida que la temperatura tiende a cero. La importancia de la tercera ley es evidente. Suministra una base para el calculo de las entropías absolutas de las sustancias, las cuales pueden utilizarse en las ecuaciones apropiadas para determinar la dirección de las reacciones químicas. Una interpretación estadística de la tercera ley es más bien sencilla.
Esto significa que sólo existe una forma de ocurrencia del estado de energía mínima para una sustancia que obedezca la tercera ley.
Hay varios casos referidos en la literatura en donde los cálculos basados en la tercera ley no están desacuerdo con los experimentos. Sin embargo, en todos los casos es posible explicar el desacuerdo sobre la base de que la sustancia no es “pura”, esto es, pueda haber dos o más isótopos o presentarse moléculas diferentes o, también, una distribución de no equilibrio de las moléculas. En tales casos hay más de un estado cuántico en el cero absoluto y la entropia no tiende a cero. Entropía. La entropía, como todas las variables de estado, dependen sólo de los estados del sistema, y debemos estar preparados para calcular el cambio en la entropía de procesos irreversibles, conociendo sólo los estados de principio y al fin. Consideraremos dosejemplos: 1.- Dilatación libre: Dupliquemos el volumen de un gas, haciendo que se dilate en un recipiente vacío, puesto que no se efectúa reacción alguna contra el vacío,
apreciable del calor absorbido se sigue descargando en el escape de una máquina a baja temperatura, sin que pueda convertirse en energía mecánica.
Sigue siendo una esperanza diseñar una maquina que pueda tomar calor de un depósito abundante, como el océano y convertirlo íntegramente en un trabajo útil. Entonces no seria necesario contar con una fuente de calor una temperatura más alta que el medio ambiente quemando combustibles.
De la misma manera, podría esperarse, que se diseñara un refrigerador que simplemente transporte calor, desde un cuerpo frío a un cuerpo caliente, sin que tenga que gastarse trabajo exterior. Ninguna de estas aspiraciones ambiciosas violan la primera ley de la termodinámica. La máquina térmica sólo podría convertir energía calorífica completamente en energía mecánica, conservándose la energía total del proceso.
En el refrigerador simplemente se transmitiría la energía calorifica de un cuerpo frío a un cuerpo caliente, sin que se perdiera la energía en el proceso.
Nunca se ha logrado ninguna de estas aspiraciones y hay razones para que se crea que nunca se alcanzarán.
La segunda ley de la termodinámica, que es una generalización de la
experiencia, es una exposición cuyos artificios de aplicación no existen. Se tienen muchos enunciados de la segunda ley, cada uno de los cuales hace destacar un aspecto de ella, pero se puede demostrar que son equivalentes entre sí.
Clausius la enuncio como sigue:
No es posiblepara una máquina cíclica llevar continuamente calor de un cuerpo a otro que esté a temperatura más alta, sin que al mismo tiempo se produzca otro efecto (de compensación). Este enunciado desecha la posibilidad de nuestro ambicioso refrigerador, ya que éste implica que para transmitir calor continuamente de un objeto frío a un objeto caliente, es necesario proporcionar trabajo de un agente exterior. Por nuestra experiencia sabemos que cuando dos cuerpos se encuentran en contacto fluye calor del cuerpo caliente al cuerpo frío.
En este caso, la segunda ley elimina la posibilidad de que la energía fluya del cuerpo frío al cuerpo caliente y así determina la dirección de la transmisión del calor.
La dirección se puede invertir solamente por medio de gasto de un trabajo. Kelvin (con Planck) enuncio la segunda ley con palabras equivalentes a las siguientes: es completamente imposible realizar una transformación cuyo único resultado final sea el de cambiar en trabajo el calor extraído de una fuente que se encuentre a la misma temperatura. Este enunciado elimina nuestras ambiciones de la máquina térmica, ya que implica que no podemos producir trabajo mecánico sacando calor de un solo depósito, sin devolver ninguna cantidad de calor a un depósito que esté a una temperatura más baja.
Para demostrar que los dos enunciados son equivalentes, necesitamos demostrar que si cualquiera de los enunciados es falso, el otro también debe serlo. Supóngase que es falso el enunciado de Clausius, de tal manera que se pudieran tener un refrigerador que opere sin que se consuma el trabajo.
Podemos usar una máquina ordinaria para extraer calor de un cuerpo caliente, con el objeto de hacer trabajo y devolver parte del calor a un cuerpo frío.
Pero conectando nuestro refrigerador “perfecto” al sistema, este calor se regresaría al cuerpo caliente, sin gasto de trabajo, quedando así utilizable de nuevo para su uso en una máquina térmica. De aquí que la combinación de una maquina ordinaria y el refrigerador “perfecto” formará una máquina térmica que infringe el enunciado de Kelvin-Planck. O podemos invertir el argumento. Si el enunciado Kelvin-Planck fuera incorrecto, podríamos tener una máquina térmica que sencillamente tome calor de una fuente y lo convierta por completo en trabajo. Conectando esta máquina térmica “perfecta” a un refrigerador ordinario, podemos extraer calor de un cuerpo ordinario, podemos extraer calor de un cuerpo caliente, convertirlo completamente en trabajo, usar este trabajo para mover un refrigerador ordinario, extraer calor de un cuerpo frío, y entregarlo con el trabajo convertido en calor por el refrigerador, al cuerpo caliente. El resultado neto es una transmisión de calor desde un cuerpo frío, a un cuerpo caliente, sin gastar trabajo, lo infringe el enunciado de Clausi .
recordar que Q se considera positiva cuando el calor entra al sistema y que W será positivo cuando el trabajo lo hace el sistema.
A la función interna U, se puede ver como muy abstracta en este momento. En realidad, la termodinámica clásica no ofrece una explicación para ella, además que es una función de estado que cambia en una forma predecible. ( Por función del estado, queremos decir, que exactamente, que su valor depende solo del estado físico del material: su constitución, presión, temperatura y volumen.)
La primera ley de la termodinámica, se convierte entonces en un enunciado de la ley de la conservación de la energía para los sistemas termodinámicos.
La energía total de un sistema de partículas (U), cambia en una cantidad exactamente igual a la cantidad que se le agrega al sistema, menos la cantidad que se le quita. Podrá parecer extraño que consideremos que Q sea positiva cuando el calor entra al sistema y que W sea positivo cuando la energía sale del sistema como trabajo. Se llegó a esta convención, porque fue el estudio de las máquinas térmicas lo que provocó inicialmente el estudio de la termodinámica.
Simplemente es una buena forma económica tratar de obtener el máximo trabajo con una maquina de este tipo, y minimizar el calor que debe proporcionársele a un costo importante. Estas naturalmente se convierten en cantidades de interés.
Si nuestro sistema sólo sufre un cambio infinitesimal en su estado, se absorbe nada más una cantidad infinitesimal de calor dQ y se hace solo una cantidad infinitesimal de trabajo dW, de tal manera que el cambio de energía interna dU también es infinitesimal. Aunque dW y dQ no son diferencias verdaderas.
Podemos expresar la primera ley en palabras diciendo: Todo sistema termodinámico en un estado de equilibrio, tiene una variable de estado llamada energía interna U cuyo cambio dU en un proceso diferencial está dado por la ecuación antes escrita.
La primera ley de la termodinámica se aplica a todo proceso de la naturaleza que parte de un estado de equilibrio y termina en otro. Decimos que si un sistema esta en estado de equilibrio cuando podemos describirlo por medio de un grupo apropiado de parámetros constantes del sistema como presión ,el volumen, temperatura, campo magnético y otros la primera ley sigue verificándose si los estados por los que pasa el sistema de un estado inicial (equilibrio), a su estado final (equilibrio), no son ellos mismos estados de equilibrio. Por ejemplo podemos aplicar la ley de la termodinámica a la explosión de un cohete en un tambor de acero cerrado.
Hay algunas preguntas importantes que no puede decir la primera ley. Por ejemplo, aunque nos dice que la energía se conserva en todos los procesos, no nos dice si un proceso en particular puede ocurrir realmente. Esta información nos la da una generalización enteramente diferente, llamada segunda ley de la termodinámica, y gran parte de los temas de la termodinámica dependen de la segunda ley.
La energía radiante puede convertirse en cualquiera de las otras cuatro formas de energías que se han considerado. Así, cuando una sustancia absorbe radiaciones, se calienta y este efecto calorifico es particularmente intenso en el caso de las radiaciones infrarrojas. Por otra parte, los haces luminosos dirigidos hacia los cuerpos ejercen en estos una fuerza de empuje que produce efectos mecánicos y recibe el nombre de presión de radiación, fenómenos que explica la repulsión de la cola de cometas por los rayos solares.
La transformación de energía luminosa en energía eléctrica tiene lugar en la fotoelectricidad al captárselos electrones que emiten algunos metales cuando recibe la luz.
Este fenómeno ha dado lugar a innumerables aplicaciones practicas, entre las cuales pueden mencionarse el cine sonoro y la televisión.
Las modificaciones químicas sufridas por los cuerpos bajo la influencia de la luz son numerosas y constituyen el objeto de la ciencia denominada fotoquímica, que estudia la transformación de la energía luminosa en energía química. Las plantas realizan esta transformación gracias a la clorofila, que absorbe las radiaciones solares, y la energía así almacenada se emplea para sintetizar los alimentos hidrocarbonados.
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Permítase que un sistema cambie de un estado inicial de equilibrio i, a un estado final de equilibrio f, en un camino determinado, siendo Q el calor absorbido por el sistema y W el trabajo hecho por el sistema. Después calculamos el valor de Q W-. A continuación cambiamos el sistema desde el mismo estado i hasta el estado final f, pero en esta ocasión por un camino diferente. Lo hacemos esto una y otra vez, usando diferentes caminos en cada caso.
Encontramos que en todos los intentos QW-es la misma. Esto es, aunque Q y W separadamente dependen del camino tomado, QW-no depende, en lo absoluto, de cómopasamos el sistema del estado i al estado f, sino solo de los estados inicial y final (de equilibrio).
Del estudio de la mecánica recordará, que cuando un objeto se mueve de un puntoinicial i a otro final , f en un campo gravitacional en ausencia de fricción, el trabajo hecho depende solo de las posiciones de los puntos y no, en absoluto, de la trayectoria por la que el cuerpo se mueve. De esto concluimos que hay una energía potencial, función de las coordenadas espaciales del cuerpo, cuyo valor final menos su valor inicial, es igual al trabajo hecho al desplazar el cuerpo. Ahora, en la termodinámica, encontramos experimentalmente, que cuando en un sistema ha cambiado su estado i al f , la cantidad QW-dependen solo de las coordenadas inicial y final y no, en absoluto, del camino tomado entre estos puntos extremos. Concluimos que hay una función delascoordenadas termodinámicas, cuyo valor final, menos su valor inicial es igual al cambio QW-en el proceso. A esta función le llamamos función de la energía interna. Representemos la función de la energía interna por la letra U. Entonces la energía interna del sistema en el estado f, Uf, es solo el cambio de energía interna del sistema, y esta cantidad tiene un valor determinado independientemente de la forma en que el sistema pasa del estado i al estado f: Como sucede para la energía potencial, también para que la energía interna, lo que importa es su cambio. Si se escoge un valor arbitrario para la energía interna en un sistema patrón de referencia, su valor en cualquier otro estado puede recibir un valor determinado.
Energía calorifica: La suma de la energía potencial y de la energía sintética de un sistema no permanece siempre constante. De una manera general, la energía mecánica total de un sistema disminuye con el frotamiento y los choques. Si por ejemplo, se frena un cuerpo durante su caída por un plano inclinado, de forma que su velocidad permanezca constante, se producirá una disminución de su energía potencial sin que aumente su energía cinética.
Pero, en todos los fenómenos de esta naturaleza se produce calor. Así el fósforo de las cerillas se inflama por frotamiento, las herramientas se calientan al labrar los metales, etc. Sí una bala de plomo se dispara contra una placa de acero, se puede alcanzar, en el momento del choque, una temperatura superior a su punto de fusión. El calor debe, por consiguiente, considerarse como una forma de energía, hipótesis que se ve corroborada por la posibilidad de producir trabajo mecánico consumiendo calor, por ejemplo, en las maquinas de calor.
Otras formas de energía: eléctrica. La corriente eléctrica es uno de los numerosos fenómenos que pueden producir trabajo mecánico o calor. La primera transformación se realiza en los motores y la inversa de los generadores electromagnéticos de corriente (dínamos, alternadores). En todos los conductores por los que pasan una corriente hay una producción de calor, conocida con el nombre de efecto de joule; la transformación contraria directa, es decir de calor en electricidad, se observa en las pilas termoeléctricas y basta calentar una de las dos soldaduras de dos metales diferentes que forman parte de un circuito para que se engendre en el mismo una corriente. De ellos se deduce que existe energía eléctrica y que el paso de una corriente es en realidad un transporte de energía a lo largo de un circuito.
Un condensador cargado de corriente también energía eléctrica, puesto a descargarse es capaz de producir una corriente, pero esta energía es potencial. Química: Las reacciones químicas tienen lugar con absorción o desprendimiento de calor, según los casos. La combustión, que es la combinación del oxígeno del cuerpo combustible o con los elementos que lo integran, revelan que una muestra de carbón y oxigeno contiene energía química potencial, que puede utlizarse al iniciar la combustión o la combinación de ambos cuerpos.
La energía química se emplea a si mismo en las pilas y acumuladores eléctricos, que la transforman en energía eléctrica, y el fenómeno inverso se produce en la electrólisis, en particular al cargar los acumuladores. Las explosiones son un ejemplo de transformación de energía química en trabajo mecánico. Radiante: La luz se produce de diversas formas, pero la más corriente de éstas consiste en calentar cuerpos a una temperatura bastante elevada (lámpara de gas, Lámpara eléctrica de incandescencia). La incandescencia es precisamente la transformación de energía calorífica en energía radiante. En los fenómenos de luminiscencia, o emisión de luz en frío, interviene otra forma de energía que es mecánica en el caso de la tribolumiscencia. La ruptura de ciertos cristales que se producen por ejemplo al machacar azúcar provocan la aparición de luz. En la electroluminiscencia, la energía eléctrica se transforma directamente en luz sin que pase por la forma calorifica intermedia. Así acorde en los tubos de gas rarificado como el neón y los vapores de sodio y mercurio.En la quimioluminiscencia, algunas reacciones químicas, como la oxidación lenta del fósforo blanco en contacto del aire, provocan emisión de luz, sin calentamiento apreciable. La luz emitida por las luciérnagas se debe a un fenómeno análogo, puesto que produce de las reacciones químicas que se producen durante la digestión.
Una bomba de calor es dispositivo que permite transferir (bombear) el calor desde un medio frío hacia un medio más caliente, es decir a mayor temperatura . Para lograr esta acción es necesario un aporte de energía dado que, por la segunda ley de la termodinámica, de manera espontánea el calor se dirige de un foco más caliente a otro menos caliente, hasta que se igualan sus temperaturas. Existen varios efectos físicos utilizados para crear bombas térmicas. Los más comunes son la compresión de gas, el cambio de fase gas/líquido y el efecto termo-peltier. Los frigoríficos son los dispositivos domésticos más comunes que hacen uso de la bomba térmica. Se pueden encontrar frigoríficos que hacen uso de los tres tipos de bomba térmica. Una bomba de calor de cambio de fase emplea un líquido con un bajo punto de ebullición, unas veces freón (CFC), otras amoníaco líquido, u ocasionalmente los menos corrosivos propano o butano pero altamente peligrosos por su volatilidad. Este líquido requiere energía (denominada calor latente) para evaporarse, y extrae esa energía de su alrededor en forma de calor (de la misma manera que el sudor refresca el cuerpo). Cuando el vapor se condensa de nuevo, libera energía, de nuevo en forma de calor. En primer lugar, la presión del líquido se baja mediante una válvula de expansión en el lado que se va a enfriar, forzándolo a que se evapore y a que extraiga calor de su alrededor. El gas es entonces bombeado al otro lado (el compresor) donde se comprime a líquido, haciendo que suelte su calor. El resultado que se produce es que al final de la bomba, donde se deposita el calor, se obtiene el calor que ha sido bombeado de un lado hacia otro más la cantidad de calor correspondiente a la energía eléctrica que se ha utilizado para que la máquina se mueva (100 julios por segundo). La cantidad de calor que se puede bombear depende de la diferencia de temperatura entre el lugar desde el que bombeamos (exterior) y aquel donde se lo deposita (interior). Cuanto más frío haga fuera, menos calor se puede bombear. Si el bombeo se basa en el principio de cambio de fase, cuando haga un tiempo muy frío la máquina parará de trabajar cuando la parte exterior, el condensador, se enfríe. En estas condiciones, un simple calentador eléctrico funciona mejor, a menos que la bomba de calor de cambio de fase sea reemplazada por algo más adecuado, como un dispositivo de compresión de gas. Esquema de funcionamiento.
Una tecnología mixta entre la energía solar térmica y la bomba de calor consigue calentar agua con niveles de efiyciencia nueve veces superiores a los que estas técnicas logran de manera individual.Siempre y cuando la energia gastada por la producida sea menor. La empresa Solar PST (paneles solares termodinámicos) ha instalado más de 300 de estos sistemas en nuestro país con resultados excepcionales de ahorro, simplicidad, bajo peso y eficiencia.
Lo que diferencia a este sistema de la tecnología de paneles solares clásicos es que lo que circula por los circuitos no es agua sino un gas refrigerante como los que se utilizan en la refrigeración o el aire acondicionado cuyo punto de congelación está situado entre menos 110 y menos 130 grados centígrados,dependiendo del tipo de gas utilizado,normamalmente el r104.
Cuando el gas se comprime alcanza el estado líquido y es cuando pasa por los paneles solares donde se produce una evaporación al estar tan frío. Es en esta reacción en el exterior donde absorbe el calor del ambiente, aunque sea de noche, esté nevando o lloviendo; cuando es de día y hay sol el sistema es mucho más rápido. Además, los paneles logran absorber el calor por ambas caras.
Ese gas llega finalmente a un intercambiador de temperatura donde transfiere su exceso de calor al agua que se va a calentar. El sistema es útil para el agua caliente de la vivienda, la calefacción o la piscina.
Sólo hay una excepción: el sistema se para cuando la temperatura exterior es inferior a menos 5º C. Como esa temperatura es excepcional en la mayoría de las regiones españolas,menos en el centro de castilla, todo lo demás son ventajas: trabajan las 24 horas del día o de la noche, con nubes o con sol.
La congregación religiosa de los Mercedarios Descalzos situada en Las Matas (Madrid), ha recurrido al sistema de paneles solares termodinámicos para sustituir la caldera de agua caliente sanitaria de 25,5 Kw. En su lugar se han instalado 16 paneles con una potencia de consumo de dos Kilowatios. Las diferencias de consumo en la comunidad religiosa han sido de los 2,16 euros de gasóleo a la hora frente a 0,27 euros con el nuevo sistema. El ahorro anual será de 41.693 euros y se evitará la emisión de 75.000 kilos de dióxido de carbono.
Una última ventaja de estos equipos es que los paneles son de aluminio anodizado, por lo que un panel de casi dos metros de largo por uno de ancho no pesa más que ocho kilos. El circuito del gas forma parte del panel cuando se construye y su duración supera varias décadas por su capacidad anticorrosiva.
Page 1 ENERGIA SOLAR TERMOELÉCTRICA EL CAMBIO CLIMÁTICO PASOS FIRMES CONTRA Page 2 Hasta el 2020 se evitaría la emisión a la atmósfera de un total de 154 millones de toneladas de dióxido de carbono, lo que supondría una contribución sustancial a los objetivos internacionales contra el cambio climático. Page 3 CENTRALES TERMOSOLARES 1 ANTECEDENTES RESUMEN 03 PARTE 1: ELECTRICIDAD SOLAR TERMICA:Ò 06 LOS FUNDAMENTOS PARTE 2: ELECTRICIDAD SOLAR TERMICA: 09 TECNOLOGIA, COSTES Y BENEFICIOS PARTE 3: EL MERCADO TERMICO SOLAR 24 GLOBAL PARTE 4: EL FUTURO DE LA ELECTRICIDAD 34 SOLAR TERMICA PARTE 5: RECOMENDACIONES POLITICAS 42 CONTENIDO Page 4 Co-autor Georg. Brakmann, Presidente European Solar Thermal Industry Association Sven Teske, B.Sc Director de Renovables, Greenpeace Este informe demuestra que no hay barreras técnicas, económi- cas o de recursos para suministrar el 5% de las necesidades eléc- tricas mundiales con sólo electricidad solar térmica en el 2040, incluso asumiendo que la demanda eléctrica global se podría doblar para entonces. La industria termosolar puede convertirse en un negocio dinámico e innovador de 15.000 millones de € anuales en 20 años, abriendo una nueva era de progreso económico, tecnológico y medioambiental global. Los beneficios de la electricidad solar son convincentes: protección medioambiental, crecimiento económico, creación de empleo, di- versificación de suministro de combustibles y rápido despliegue, así como el potencial global de transferencia tecnológica e innova- ción. La ventaja subyacente de la electricidad solar es que el com- bustible es gratuito, abundante e inagotable. La cantidad total de energía irradiada del sol a la superficie terrestre es suficiente para suministrar más de 10.000 veces el consumo eléctrico global. Un sólido consenso internacional sobre cambio climático afirma claramente que no es una opción seguir como estamos, el mundo debe avanzar rápidamente hacia una economía de energía limpia. La electricidad solar térmica es una opción primaria para desarrollar una fuente asequible, viable y global de energía que puede sustituir a los combustibles fósiles en las zonas más soleadas de la Tierra. Electricidad para 100 millones de personas Las modernas centrales eléctricas termosolares (CET) propor- cionan una cantidad de electricidad equivalente a la producción de las centrales convencionales y pueden construirse en meses. El objetivo de este informe es avanzar en los límites del progreso tecnológico y desvelar sus futuros beneficios. La electricidad solar térmica no necesita ser inventada, ni hay necesidad de esperar a ningún "avance importante" mágico; está lista para una puesta en práctica mundial hoy mismo. Compromiso político urgente La electricidad solar térmica es una tecnología de escala global que puede satisfacer las necesidades energéticas y de desarrollo del mundo sin destruirlo. ANTECEDENTES CENTRALES TERMOSOLARES 2 LA VISION ES CLARA: LAS CENTRALES SOLARES TERMOELECTRICAS PUEDEN CONVERTIRSE EN LOS PARQUES EOLICOS MARINOS DEL DESIERTO: APROVECHAR EL CALOR DEL SOL PARA COMBATIR EL CAMBIO CLIMATICO. Co-autor Rainer. Aringhoff, Secretario General . European Solar Thermal Industry Association La visión es clara: las centrales eléctricas termosolares pueden convertirse en los parques eólicos marinos de tierra adentro: aprovechar el calor del sol para combatir el cambio climático. Nota: Las cifras de este informe aparecen tanto en dólares de EE.UU. como en euros, que en el momento de escribir esto tienen un valor similar. El símbolo $ se usa siempre referido al dólar de EE.UU. a menos que se indique lo contrario. Greenpeace y la Asociación Europea de la Industria Solar Térmica (ESTIA en inglés) han producido juntos este informe para dar a conocer la contribución que la electricidad solar térmica puede hacer al suministro energético mundial. El informe es un ejercicio práctico para mostrar que la electricidad solar térmica puede suministrar electricidad en dos décadas a más de 100 millones de personas que viven en las partes más soleadas del mundo. El sólido compromiso industrial y político con la expansión de la industria de las centrales eléctricas solares térmicas perfilado en este informe muestra claramente que la aparición actual de actividad en el sector de electricidad solar representa tan sólo una muestra de la masiva expansión de la que es capaz en las próximas décadas. Tras la Cumbre de la Tierra de Johanesburgo del 2002, se formó la Coalición de Energías Renovables, con más de 80 países proclamando que su objetivo es “aumentar sustancialmente la cuota global de las fuentes de energías renovables” a partir de "objetivos claros y ambiciosos con fecha fija”. Las declaraciones políticas sig- nifican poco si no se llevan a la práctica. Este informe indica una serie de acciones que los gobiernos pueden llevar a cabo y muestra, con sólo una tecnología de renovables, lo que es posible. electricidad solar térmica dando pasos concretos que ayudarán a asegurar que cientos de millones de personas obtengan su Pero aunque los informes son una guía util, es la gente quien cambia el mundo con sus acciones. Nosotros animamos a políticos y legisladores, ciudadanos en general, especialistas del sector, empresas, inversores y otras partes interesadas a apoyar la electricidad del sol, aprovechando su pleno potencial para el bien común. Page 5 Electricidad del Sol La electricidad solar térmica es una tecnología relativamente nue- va que ya se ha mostrado muy prometedora. Con poco impacto ambiental y siendo una fuente masiva, ofrece una oportunidad a los países más soleados del mundo comparable al avance que los parques eólicos marinos está ofreciendo actualmente a los paí- ses europeos con más viento en costas y mares. convencional de carbón o de gas de 50 MW. A nivel mundial, 2 Las centrales eléctricas termosolares se pueden diseñar para generación exclusivamente solar, ideal para satisfacer demanda diurna, pero con los sistemas de almacenamiento futuros se puede extender su operación casi a requisitos de carga base. Tecnología, costes y beneficios Los sistemas cént. de €/kWh y 5 cént. de € a medio plazo. Los sistemas de receptor central (central de torre) usan RESUMEN CENTRALES TERMOSOLARES 3 La electricidad solar térmica usa directamente el sol, por lo que debe situarse en regiones con una alta radiación solar directa. Entre las áreas más prometedoras del mundo están el Suroeste de Estados Unidos, América Central y del Sur, Africa, Oriente Próximo, la Europa Mediterránea, Irán, Pakistán, y las regiones desérticas de India, la ex-Unión Soviética, China y Australia. En muchas regiones del mundo, un kilómetro cuadrado de tierra basta para generar unos 100-200 Gigavatios hora (GWh) de electricidad al año usando la tecnología solar termoeléctrica. Esto equivale a la producción anual de una central térmica la explotación de menos del 1% del potencial solar térmico total sería suficiente para estabilizar el clima mundial mediante reducciones masivas de CO . Convertir el calor del sol en electricidad Producir electricidad de la energía de los rayos solares es un pro ceso relativamente sencillo. La radiación solar directa puede con centrarse y recogerse mediante una serie de tecnologías (TCS) que proporcionarian temperaturas de medias a altas. Este Para producir electricidad a partir de la energía solar térmica se requieren cuatro elementos: concentrador, receptor, alguna forma de transporte del calor, almacenamiento y conversión de la energía, un equipo que es muy similar al de una planta de combustible fósil. Las tres tecnologías solares térmicas más prometedoras son el concentrador cilindroparabólico (CCP), el receptor central o central de torre y el disco parabólico. de CCP usan espejos reflectores en forma de canal para concentrar la luz solar en un tubo en el cual un fluido de transferencia térmica se calienta a unos 400°C y se utiliza después para producir vapor sobrecalentado. Representan la tecnología de energía solar térmica más madura con 354 MWe de centrales ya conectadas a la red del sur de California desde los 80s y más de dos kilómetros cuadrados de colectores cilíndrico parabólicos. Estas centrales suministran 800 millones de kWh anuales – suficiente para más de 200.000 hogares – a un coste de generación de unos 10-13 céntimos de $ /kWh. una disposición circular de grandes espejos de trayectoria indi- vidual (helióstatos) para concentrar la luz solar en un receptor central montado en lo alto de la torre, con el calor para la ge neración de electrcicidad transferido a través de una variedad. de medios. Tras una escala intermedia de hasta 30 MW de capacidad, los promotores confian que se puedan construir centrales de torre conectadas a la red de hasta 200 MWe de unidades sólo solares. El uso de almacenamiento térmico aumentará su flexibilidad. Ahora se están consiguiendo más avances en la tecnología, con los proyectos de gran escala previstos en Grecia, España, Egipto, México, India, Marruecos, Irán, Israel, Italia, Estados Unidos y Argelia. La electricidad generada por este tipo de cen trales que se combinan con una central de gas de ciclo combi nado (ISCC Integrated Solar Combined Cycle) – se espera que cueste hoy 6 generación que oscilan hoy entre 10-13 centavos de $/kWh. Sin embargo, se espera que en el futuro los costes caigan a 5 centavos de $. Juntas, tecnologías avanzadas, producción en masa, economías de escala y mejoras en la operación, permitirán una reducción en el coste de la electricidad solar a un nivel competitivo con las centrales térmicas de combustibles fósiles en los próximos 10 a 15 años. calor se utiliza entonces para operar un ciclo termodinámico convencional, por ejemplo mediante una turbina de vapor o de gas, o un motor Stirling. El calor solar recogido durante el día puede también almacenarse en medios líquidos, sólidos o que cambian de fase, como sales fundidas, cerámicas, cemento, o en el futuro, mezclas de sales que cambian de fase. Por la noche, puede extraerse el calor del medio de almacenamiento para hacer funcionar la turbina. La electricidad solar térmica también está abaratando costes de producción. Las centrales que operan en California ya han alcanzado impresionantes reducciones de costes, con costes de Page 6 Los sistemas de discos parabólicos Cada metro cuadrado de superficie de una central solar basta xido de carbono. Por tanto, la energía solar puede hacer una reducir emisiones de gases de efecto invernadero que contri buyen al cambio climático. El mercado solar térmico mundial termoeléctrica como consecuencia de la búsqueda global de internacionales apoyan la tecnología, alentando la • Egipto: Planta ISCC de 127 MW con 29 MW de capacidad solar. • Grecia: 50 MW de capacidad solar con ciclo de vapor. capacidad solar. • Israel: 100 MW en operación solar híbrida. • Italia 40 MW de capacidad solar con ciclo de vapor. capacidad solar. • Marruecos: Planta ISCC de 230 MW con 35 MW de capacidad solar. • EEUU: 50 MW de sistemas de generación eléctrica solar. • EEUU: 1 MW de colectores parabólicos usando un motor ORC. El futuro de la electricidad solar térmica . CENTRALES TERMOSOLARES 4 Aunque se considera que las centrales de torre están más lejos de la comercialización que los CCP, las torres solares tienen buenas perspectivas a largo plazo por su alta eficiencia de conversión. Hay proyectos en varias fases de desarrollo (de la evaluación a la puesta en marcha) en España, Sudáfrica, y los EEUU. En el futuro, los proyectos de centrales de torre se beneficiarán de reducciones de costes similares a los que se esperan en las centrales de colectores cilíndrico parabólicos. La previsión es que los costes totales de la electricidad bajarán a 5 cénts/kWh en el medio a largo plazo. contribución sustancial a los compromisos internacionales para para el suministro a gran escala de electricidad generada con tasas de interés y los costes de capital han caído drásticamente a Una serie de países han introducido legislaciones nacionales porcentaje creciente de su suministro de fuentes renovables. Enormes líneas de transmisión eléctrica de alto voltaje desde lugares de gran aislamiento como el norte de Africa, podría animar a las empresas europeas a financiar grandes centrales solares cuya electricidad sería utilizada en Europa. El escenario preparado por Greenpeace Internacional y la Asociación Europea de la Industria Solar Térmica prevé lo que son unidades menores en comparación que usan un reflector en forma de disco para concentrar la radiación solar y gas o aire calentado para ge- nerar electricidad en un motor en el punto focal del reflector. Su potencial reside sobre todo en el suministro eléctrico descentra- lizado y remoto, en los sistemas eléctricos independientes. Hay coste de la electricidad, un objetivo alcanzable a medio plazo es una cifra inferior a 15 cénts/kWh. En el desarrollo actual se han abierto dos grandes vías proyectos planeados en EE.UU., Australia y Europa. En cuanto al • India: Planta ISCC de 140 MW con 35 MW de nivel mundial, aumentando la viabilidad de los proyectos de energía renovable de importante capital inicial. Como ejemplos específicos de grandes poyectos termosolares actualmente planeados en el mundo, la evidencia de la "carrera por ser el primero", se incluye: Estos y otros factores han llevado a un interés significativo en la construcción de centrales en las regiones soleadas. Además, las energía solar térmica. Una es el tipo ISCC, operación híbrida que obligan a los suministradores eléctricos a usar un sal fundida para el almacenamiento. Esto permite que la La otra es la operación solar única, con una turbina de vapor soluciones energéticas limpias. Iniciativas nacionales e comercialización de la producción. Se están abriendo nuevas oportunidades para la energía solar para evitar la producción anual de 200 kilogramos (kg) de dió • México: Planta ISCC de 300 MW con 29 MW de central no plantea problemas. gases de combustión durante la operación. Desmantelar una neración convencionales. No hay contaminación en forma de Un beneficio principal de la energía solar térmica es el poco im distribuida cuando la demanda lo requiere. o inquietudes de seguridad asociadas a las tecnologías de ge de colección solar combinada con una planta de ciclo combi- inado alimentada por gas, debiéndose introducir criterios convencional, y cada vez más con el uso de un medio como la pacto ambiental, con ninguna de las emisiones contaminantes para evaluar la calidad de la hibridación. energía solar recogida por el día sea almacenada y luego • España: 2 x 50 MW de capacidad solar con ciclo de vapor y almacenamiento. • Australia: 35 MW en un grupo CLFR** para precalentar vapor en una central de carbón de 2000 MW. de electricidad. se podría conseguir en el año 2020 dadas las condiciones de mercado adecuadas. Se basa en los avances esperados en la tecnología solar termoeléctrica en conjunto con el creciente número de países que están apoyando proyectos para alcanzar objetivos tanto de reducción de emisiones como de suministro • Argelia: Planta ISCC* de 140 MW con 35 MW de capacidad solar. *ISCC: Central Solar Integrada de Ciclo Combinado **CLFR: Reflectores Compactos de Fresnel Page 7 • Para el 2020, la capacidad total instalada en el mundo de energía solar térmica habrá alcanzado 21.540 MW. • La energía solar térmica habrá alcanzado una producción anual de más de 54.600.000 MWh (54,6 TWh). Esto es equivalente a más de un tercio de la demanda eléctrica de Australia. • Los cinco países más prometedores en términos de los objetivos o potenciales gubernamentales de acuerdo con el escenario, cada uno con más de 1.000 MW de proyectos de solar térmica esperados para el 2020, son España, Estados Unidos, México, Australia y Sudáfrica. Se ha hecho también una proyección del potencial de expan- sión del mercado de la energía solar térmica en otras dos décadas, hasta el 2040. Esta proyección muestra que para el 2030 la capacidad mundial habrá alcanzado 106.000 MW, y para el 2040 un nivel de casi 630.000 MW. El aumento de dispo- nibilidad de las centrales debido al mayor uso de tecnologías eficaces de almacenamiento también aumentará la cantidad de electricidad generada por una capacidad instalada dada. El resultado es que para el 2040 más del 5% de la demanda eléctrica mundial podría satisfacerse con energía solar térmica. CENTRALES TERMOSOLARES 5 RESULTADOS CLAVES DEL ESCENARIO 2002-2020 DE GREENPEACE-ESTIA Capacidad de Electricidad Solar Térmica en 2020 21.540 MW Emisiones anuales de carbono evitadas en 2020 32,7 millones de toneladas de CO 2 Proyección 2021-2040 Capacidad eléctrica solar térmica en 2040 630.000 MW Producción eléctrica en 2040 1573 TWh Porcentaje de demanda global 5% Producción eléctrica en 2020 54.600.000 MWh (54,6 TWh) Inversión acumulada 41.800 millones de $ Empleo generado 200.000 puestos de trabajo Emisiones de carbono evitadas 2002 – 2020 154 millones de toneladas de CO 2 Durante el período del escenario, la tecnología solar térmica habrá subido desde una posición relativamente marginal en la jerarquía de las fuentes de energía renovables hasta alcanzar un estatus sustancial junto a los actuales líderes de mercado como las energías hidraúlica y eólica. Desde el nivel actual de sólo 354 MW, para el 2015 la capacidad total instalada de centrales eléctricas termosolares habrá alcanzado los 5.000 MW. Para el 2020 la capacidad adicional estaría aumentando a razón de casi 4.500 MW al año. • Durante el período hasta el 2020 se evitaría la emisión total de 154 millones de toneladas de dióxido de carbono a la atmósfera, lo que supondría una importante contribución a los objetivos internacionales de protección del clima. • La expansión de la industria de la energía solar térmica crearía 200.000 empleos en el mundo, incluso sin contar aquellos implicados en la maquinaria. • El capital invertido en centrales solares térmicas aumentará de 375 millones de $ en el 2005 a casi 7.600 millones de $ en el 2020. La inversión total en el perído del escenario ascendería a 41.800 millones de $. Page 8 CENTRALES TERMOSOLARES 6 1. Electricidad solar La electricidad solar térmica es una tecnología relativamente nueva que ya ha mostrado su enorme potencial. Con pocos impactos ambien tales y una fuente masiva, ofrece una oportunidad a los países más soleados de la tierra que se ELECTRICIDAD SOLAR TERMICA – LOS FUNDAMENTOS Patente del primer colector parábolico solar en 1907 al Dr. W. Maier de Aalen y A. Remshardt Stuttgart. Estos primeros diseños formaron las bases de desarrollos países industrializados como Estados Unidos, Rusia, Japón, España e Italia (ver Tabla 1). espectro de tecnologías disponibles, no llegaron a alcanzar los niveles posterior ha seguido tecnológicas e incrementos de tamaño de la unidad. los proyectos de solar térmica se emprendieron en Muchas de estas centrales, cubriendo todo el concentrándose en mejoras de I+D al final de los 70 y principio de los 80, cuando esperados de rendimiento, y la I+D puede comparar a la que los parques eólicos marinos están ofreciendo actualmente a países europeos y no europeos con viento en sus costas. PARTE1 Page 9 En muchas regiones del mundo un kilómetro cuadradro de terreno basta para generar entre 100-200 Gigavatios hora (GWh) A nivel mundial la explotación de menos del 1% del potencial total solar térmico bastaría para cumplir las recomendaciones del Panel Intergubernamental de Cambio Climático de Naciones Unidas (IPCC en inglés) para la estabilización a largo plazo del clima. Sin embargo, este gran potencial de energía solar sólo se usará hasta un cierto límite, al estar restringido por la demanda regional y por los recursos tecnológicos y financieros locales. Si se exporta la electricidad solar a regiones con alta demanda de energía pero pocos recursos solares propios, se podría extraer considerablemente más energía en los países del cinturón solar para la protección climática global. Países como Alemania ya están considerando seriamente la importación de electricidad solar de Africa del Norte y la Europa del Sur, como una manera de contribuir al desarrollo sostenible a largo plazo de su sector eléctrico. No obstante, se debería seguir dando prioridad al suministro de la legítima demanda autóctona. 2. Convertir el calor solar en electricidad Producir electricidad a partir de la energía de los rayos solares es un proceso relativamente sencillo. La radiación solar directa se puede concentrar y recoger mediante las tecnologías de concentración de energía solar (TCS, CSP en inglés) para conseguir calor de temperatura media a alta. Este calor se usa entonces para operar un ciclo convencional de electricidad, p.e. mediante una turbina de vapor o de gas o un motor Stirling. El calor solar recogido por el día también puede almacenarse en medio líquido, sólido o de cambio de fase como sal fundida, cerámica, cemento, o en el futuro, mezclas de sales que cambien de fase. Por la noche, se puede extraer del medio de almacenamiento para hacer funcionar la central de generación eléctrica. Se pueden diseñar las centrales eléctricas solares térmicas para generación sólo solar, idealmente para satisfacer demanda de punta diurna, y con sistemas de almacenamiento futuros, pueden La generación combinada de calor y electricidad por TCS tiene 3. ¿Por qué concentrar la energía solar? el consumo de combustibles fósiles. Sostenibilidad medioambiental La evaluación de las emisiones producidas en el ciclo de vida, y de los impactos en el terreno de los sistemas TCS, muestra que son perfectamente adecuados para la reducción de gases de efecto in- vernadero y otros contaminantes, sin crear otros riesgos medioam- bientales o contaminación. Cada metro cuadrado de superficie de un campo solar TCS es, por ejemplo, suficiente para evitar una emisión anual de 200 kilos(kg) de dióxido de carbono. Se amortiza la energía de los sistemas de concentración eléctrica solar en el plazo de tan sólo cinco meses. Esto se compara muy favorable- mente con una vida útil de 25 a 30 años. La mayoría de los mate- riales usados en los campos solares TCS, p.e. acero y cristal se pueden reciclar y reutilizar en otras centrales. Sostenibilidad económica El coste de la electricidad solar térmica está disminuyendo. La experiencia de los sistemas de generación eléctrica solar (SEGS) en California (ver Parte dos) demuestra que ya se han consegui- do hoy reducciones de costes impresionantes, con costes de ge- neración entre 10 y 13 cénts. de $/kWh. No obstante, la mayoría de la curva de aprendizaje está todavía por venir. CENTRALES TERMOSOLARES 7 aaaa un potencial especialmente prometedor, ya que el alto valor de entrada energética se usa a la mayor eficiencia posible, superando el 85%. El calor del proceso de generación combinada se puede usar para aplicaciones industriales, refrigeración de distrito o desalación de agua. Concentrar energía solar para generar electricidad es una de las tecnologías mejor situadas para ayudar a frenar el cambio climá- tico de una manera que podemos permitirnos, así como a reducir de electricidad solar al año usando tecnología solar térmica. Esto equivale a la producción anual de una central térmica convencional de carbón o de gas de 50 MW. Durante todo el ciclo de vida de un sistema eléctrico solar térmico, su producción equivaldría a la energía contenida en 16 millones de barriles de petróleo. Las actuales tecnologías TCS incluyen las centrales de colectores parabólicos, las centrales de torre y los discos parabólicos (ver Parte dos). Las centrales de CCP con una capacidad instalada de 354 MW llevan en operación comercial varios años mientras que las centrales de torre y los discos parabólicos se han probado con éxito en varios proyectos experimentales. Unión Soviética, China y Australia. La energía solar térmica utiliza la radiación solar directa, por lo que se debe situar en regiones con alta radiación solar directa. Los en- claves adecuados deben ofrecer al menos 2.000 kWh/m2 de irradiación solar directa anual, aún pudiendo funcionar con umbrales inferiores, mientras que los mejores enclaves ofrecerán más de 2.500kWh/m2 . Los enclaves típicos, en los que clima y vegetación no ofrecen niveles altos de humedad atmosférica, incluyen estepas, matorrales, sabanas, semidesiertos y desiertos, situados idealmente a ±40 grados de latitud. Entre las zonas más prometedoras del mundo están, por tanto, el Suroeste de Estados Unidos, América Central y del Sur, Africa, Oriente Medio, los países de la Europa Mediterránea, Irán, Pakistán y las regiones desérticas de India, la ex- extender su operación a cubrir la carga base. Durante la fase de desarrollo de mercado de la tecnología, es probable que la opción más favorecida sean las centrales híbridas con apoyo de combus- tibles fósiles. Esto supondría, p.e. centrales Solares Integradas de Ciclo Combinado (ISCC) para operar a carga media o base. Page 10 El interés por diseñar artefactos para suministrar energía renovable usando los rayos solares empezó unos 100 años antes de que la crisis del precio del petróleo de los años 70 provocara el desarrollo moderno de las renovables. Los experimentos empezaron en los años 1860 con el primer motor alimentado por energía solar de A. Mouchout produciendo vapor en un caldero de hierro encerrado en cristal, con- tinuando los primeros motores comerciales solares de A. Eneas a a inicios del siglo XX. En 1907 Maier de Aalen y Remshardt de Stut- gart obtuvieron patente para un dispositivo que usaba directamente CENTRALES TERMOSOLARES 8 Nombre Ubicación Tamaño Tipo, fluido transferencia Entrada en Financiación (MWe) calor y medio almacenaje servicio Aurelios Adrano, Sicilia 1 Torre, vapor de agua 1981 Unión Europea SSPS/ CRS Almería, España 0.5 Torre, sodio 1981 8 países europeos y EE.UU. SSPS/ DCS Almería, España 0.5 CC, aceite 1981 8 países europeos y EE.UU. Sunshine Nio, Japón 1 Torre, vapor de agua 1981 Japón Solar One California, EE.UU. 10 Torre, vapor de agua 1982 M.En.& emp. serv. público EEUU Themis Targasonne, Francia 2.5 Torre, sal fundida 1982 Francia CESA-1 Almeria, España 1 Torre, vapor de agua 1983 España MSEE Albuquerque, EE.UU. 0.75 Torre, sal fundida 1984 M.En.& emp. serv. público EEUU SEGS-1 California, EE.UU. 14 CCP, aceite, alm. aceite 1984 Luz (compañía privada) Vanguard 1 EE.UU. 0.025 Disco, hidrógeno 1984 Advanco Corp. MDA EE.UU. 0.025 Disco, hidrógeno 1984 McDonnell-Douglas C3C-5 Crimea, Rusia 5 Torre, vapor de agua 1985 Rusia Tabla 1: Primeras centrales eléctricas termosolares Estos diseños iniciales formaron las bases de desarrollos I+D de finales de los años 70 y principios de los 80, cuando se emprendieron proyectos solares térmicos en varios países industrializados como Estados Unidos, Rusia, Japón, España e Italia (ver tabla 1). Muchas de estas centrales, cubriendo todo el espectro de tecnologías disponibles, no consiguieron alcanzar los niveles de rendimiento esperados, y por eso la I+D ha continuado concentrándose en la mejora tecnológica y el aumento de tamaño de las unidades. Tecnologías avanzadas, producción en masa, economías de escala y mejoras en la operación permitirán en su conjunto reducir el coste de la electricidad termosolar a un nivel competitivo con otras fuentes de energía en los próximos 10 a 15 años. Esto reducirá la dependencia de combustibles fósiles y el riesgo del aumento de costes de la electricidad en el futuro. Las centrales híbridas solar- fósil usando esquemas de financiación especiales en sitios favora- bles ya pueden suministrar electricidad a precios competitivos. La competencia por aspectos económicos de centrales eléctricas solares térmicas viene de centrales convencionales de combustibles fósiles conectadas a la red, especialmente las modernas centrales de gas de ciclo combinado operando a carga media o base. En los sistemas de generación a pequeña escala sin conexión a red, como islas o países en desarrollo, la competencia son los generadores de motores eléctricos diesel a gasóleo o fuel pesado. Sin embargo, la mezcla de factores, incluyendo reforma del sector eléctrico, aumento de demanda de ‘energía limpia’, posibilidad de ganar créditos de car- bono por generación no contaminante y esquemas de apoyo directo a las energías renovables en varios países, están aumentando la viabilidad de tales proyectos. 4. Los comienzos la radiación solar para la generación de vapor. Se basó en la tecnolo- gía del CCP solar. En 1912 Shuman usó esta tecnología para construir una central de colectores cilíndrico parabólicos de 45kW de seguimiento del sol en Meadi, Egipto. Un avance importante llegó a principios de los años 80 cuando la compañía americo-israeli Luz International comercializó la tecnología construyendo una serie de nueve centrales de gene- ración eléctrica solar en el desierto californiano de Mojave. Las cen- trales SEGS varían de 14 a 80 MWe de capacidad y acumulan una capacidad de 354 MW para la red de suministro del Sur de California. Page 11 1. Tecnología: perspectiva general. y convirtiéndola en vapor o gas a alta temperatura para hacer funcionar una turbina o un motor. Se re- quieren 4 elementos principales: un concentrador, un receptor, algun medio de transporte o almacena- miento del calor, y conversión eléctrica. Son posi- bles muchos tipos distintos de sistemas, incluso combinaciones con otras tecnologías renovables y no renovables, pero las tres tecnologías solares térmicas más prometedoras son: ELECTRICIDAD SOLAR TERMICA: TECNOLOGIA, COSTES Y BENEFICIOS CENTRALES TERMOSOLARES 9 Vista aérea de cinco centrales de 30MW SEGS en Kramer Junction, California Las centrales eléctricas termosolares producen electricidad casi de la misma forma que las centra- les convencionales. La diferencia es que obtienen su energía primaria concentrando radiación solar Page 12 Figura 1: Concentrador cilindroparabólico (CCP) Se usan reflectores de espejo en forma de canal para concentrar Figura 2: Central de torre Se usa un conjunto circular de helióstatos (grandes espejos de tracción in- dividual para concentrar la luz solar en un receptor central montado en la turbina. Los medios de transferencia de calor usados hasta ahora incluyen agua/vapor, sales fundidas, sodio líquido y aire. SI se presuriza un gas o incluso aire en el receptor, puede usarse alternativamente para hacer funcionar una turbina de gas (en lugar de producir vapor para una turbina de vapor). Figura 3: Disco parabólico Se usa un reflector parabólico de forma de disco para concentrar la luz solar en un receptor situado en el punto focal del disco. Este absorbe la energía reflejada por los concentradores, haciendo que el fluido del receptor se caliente a unos 750°C. Este se usa entonces para generar electricidad en un pequeño motor, p.e. un motor Stirling o una micro turbina, unida al receptor. Cada tecnología tiene sus propias características, ventajas y desventajas, algunas de las cuales se muestran en la Tabla 2. CENTRALES TERMOSOLARES 10 Reflector Tubería del campo solar Tubo de absorción Helióstatos Receptor central Receptor/Motor Reflector lo alto de una torre. Un medio de transferencia de calor en este receptor central absorbe la radiación altamente concentrada reflejada por los heliostatos y la convierte en energía térmica para ser usada en la genera- ción subsiguiente de vapor sobrecalentado para el funcionamiento de la luz solar en los tubos del receptor térmicamente eficiente situados en la línea focal del canal. En estos tubos circula un fluido de transfe- rencia del calor, como un aceite térmico sintético. Calentado a unos 400°C por los rayos solares concentrados, se bombea este aceite en una serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobreca- lentado. Este vapor se convierte en energía eléctrica en un generador de turbina de gas convencional, que puede ser parte de un ciclo de vapor convencional o integrado en una turbina de ciclo combinado de vapor y gas. Page 13 Desarrollos tecnológicos Pero aunque hayan tenido éxito, para nada suponen el final de la curva de aprendizaje. Un diseño estructural avanzado aumentará la precisión óptica reduciendo al mismo tiempo peso y costes. Si se aumenta la longitud de la unidad de colectores, se podrán reducir más las pérdidas de los extremos y ahorrar en los sistemas de funcionamiento y conexión a las tuberías. La nueva generación de tubos receptores también reducirá más las pérdidas térmicas a la vez que aumenta la fiabilidad. Las mejoras en el medio de transferencia de calor aumentarán temperatura de operación y rendimiento. El almacenamiento térmico masivo a bajo coste au- mentará las horas de operación anuales reduciendo los costes de generación. Sin embargo, aún más importante para otras reduccio- nes de costes, es la producción en masa automatizada para au- mentar constatemente el desarrollo del mercado. Actualmente se están desarrollando nuevos diseños estructurales de colec- tores en Europa y EEUU, mientras que se trabaja en mejorar los tubos del receptor en Israel, Alemania y EE.UU. SOLAR TERMICA CENTRALES ELECTRICAS 11 Tabla 2: Comparación de tecnologías de electricidad solar térmica Aplicaciones Ventajas Desventajas Concentrador (CCP) Centrales conectadas a la red, calor de proceso (unidad mayor construida hasta la fecha: 80 MWe) • Rendimiento anual comercial- mente probado del 14% de la pro- ducción solar eléctrica a la red • Costes de inversión y operación comercialmente probados • Modularidad • Mejor empleo del terreno • Demanda de material más baja • Concepto híbrido probado • Capacidad de almacenamiento • Mucho terreno y agua Central de torre Centrales conectadas a la red, ca- lor de proceso a alta temperatura (unidad mayor construida hasta la fecha: 10 MWe) • Buenas perspectivas a medio plazo de altas eficiencias de conversión con colección solar operando a temperaturas de hasta 1000°C potenciales (565°C probados a 10MW) • Valores de rendimiento anual proyectados, costes de inver- sión y operación todavía no vistos en operación comercial Disco Parabólico Aplicaciones independientes o pe- queños sist. eléctricos aislados (unidad mayor construida hasta la fecha: 25 kWe) • Eficiencia de conversión muy alta – máxima de solar a eléctrica de aproximadamente un 30% • Modularidad • Operación híbrida posible • Experiencia operacional de los primeros prototipos • Fiabilidad tiene que mejorar • Todavía por conseguir los costes proyectados de producción en masa • Comercialmente disponible–más de 10.000 millones de kWh de experiencia operacional; operan a una temperatura potencial de hasta 500°C (400°C comercialmente probados) • Almacenamiento a altas T (ºC) Operación híbrida posible • El uso de aceites como medios de transferencia de calor restringe las temperaturas de operación a 400°C, lo que origina calidades de vapor moderadas 2. Sistemas concentradores cilíndroparabólicos Lo que promete ser la próxima generación en tecnología de co- lector cilindroparabólico se ha desarrollado por un consorcio europeo en la Plataforma Solar de Almería (España) desde 1998. Conocido como Eurocolector (EuroTrough en inglés), pretende mejorar el rendimiento y abaratar costes usando los mismos componentes principales – espejos parabólicos y tubos de absorción – que en centrales comercialmente maduras de California, pero aumentando significativamente la precisión óptica mediante un diseño completamente nuevo de la estructura del canal. Con fondos de la Unión Europea, se pusieron en servicio con éxito en el 2000 y 2002 dos prototipos de Eurocolector de 100m y 150m respectivamente en el Centro de Investigación de la Plataforma Solar. Los concentradores cilindroparabólicos (CCP) son la tecnología solar termoeléctrica más madura, con 354 MW conectados a la red del sur de California desde los años 80 y más de 2 millones de metros cuadrados de CCP operando con una disponibilidad a largo plazo superior al 99%. Suministrando 800 millones de kWh anuales a un coste de generación de unos 10-12 centavos de $ /kWh, estas centrales han mostrado un máximo de eficiencia estival del 21% en términos de conversión de la radiación solar directa en electricidad en la red (ver cuadro "Centrales eléctricas SEGS de California” en la página 14). Page 14 Figura 5: Patrón estival de producción diaria en la central SEGS VI en Kramer Junction, California CENTRALES TERMOSOLARES 12 0 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 1,600,000 1,400,000 1,200,000 1,000,000 800,000 600,000 400,000 200,000 0 Año Producción eléctrica [GWh] Ingresos por electricidad [Millones $ EEUU] 0 200 400 600 800 1,000 05.00 07.00 09.00 11.00 13.00 15.00 17.00 19.00 21.00 0 20 40 60 80 100 Radiación solar directa [W/m] Eficiencia [%] Elemento colector de calor Radiación normal directa Motor empuje Recorrido solar de este a oeste Producción eléctrica anual [GWh] Figura 4: Generación eléctrica en centrales de concentradores cilíndroparabólicos de California, 1985 - 2001 Producción eléctrica acumulada [GWh] Ventas acumuladas [M$] Radiación solar directa ) Eficiencia del campo solar Eficiencia solar a eléctrica Figura6: Principiosdeoperaciónytrayectoriadiaria de un concentrador cilíndroparabólico Espejo cilindroparabólico Page 15 2 La eficiencia final dependerá de la operación de la turbina y otros factores. Se planea que los estanques tengan a escala real 110 me- tros de diámetro y contengan 340 módulos individuales. Tendrían una producción máxima estimada de 1,5 MW, y unos costes de capital estimados en 1 millón de $ australianos /MW. CENTRALES TERMOSOLARES 13 Figura 7: Vista lateral de una unidad colectora ET150 del EuroColector (150m de largo) 12m Elemento colector solar (SCE) Pilón regular Paneles Pilón de empuje central Tubos de absorción (HCE) Concentradores solares según el Principio de Fresnel Una serie de reflectores lineales de Fresnel (LFR) es un sistema de foco en línea similar a los concentradores (CCP) en los que la radiación solar se concentra en un captador lineal invertido elevado mediante una serie de reflectores casi planos. Con las ventajas de bajos costes estructurales de apoyo, juntas de fluido fijas, receptor separado del sistema reflector, y largas longitudes de foco que permiten el uso de cristal convencional, los colectores LFR han atraido una creciente atención. Se ve la tecnología como una alternativa de coste inferior a la tecnología CCP para la producción de vapor solar para la generación eléctrica. En 1999 la compañía belga Solarmundo construyó el mayor prototipo de colector Fresnel, con un colector de 24 m de ancho, y un área de reflector de 2500 m 2 . El siguiente paso debería ser una central piloto para demostrar la tecnología en un sistema a gran 2 Ya está totalmente operacional comercialmente, como parte del proyecto PARASOL, un bucle de 4.360 m2 de colectores avanza- dos EuroColector con unidades de tanto 100 como 150 m en la cen- tral SEGS V en Kramer Junction, California, desde abril de 2003. Desarrollada por Solar Millenium AG de Alemania, ha recibido apoyo financiero del Ministerio alemán de Medio Ambiente. En los EE.UU. y en Bélgica se están desarrollando también nuevos diseños de concentradores parabólicos. Otra tecnología potencial en investigación es el concepto de un foco lineal parabólico con espejos segmentados, usando el prin- cipio de Fresnel (veáse el cuadro). Aunque reducirá la eficiencia, los investigadores esperan un considerable potencial de reduc- ción de costes ya que la disposición más cercana de los espejos reduce el terreno necesario y proporciona debajo un espacio útil parcialmente sombreado. En Australia se está desarrollando una alternativa a los rastreadores mecánicos conocida como concentrador solar flotante Yeoman. Están diseñados como una solución de tecnología inferior y bajo coste y usan módulos de flotación de cemento de 5 m y espejos de tiras de cristal bajo en hierro en la superfie superior de una estructura parabólica de Fresnel. Para protección de impactos, un simple bomba de riego de alto flujo puede inundar la parte alta de los módulos en minutos, sumergiéndolos en medio metro de agua. Se puede producir vapor a alta temperatura y presión con un 60% de eficiencia. escala bajo condiciones de operación comerciales. Lo más conveniente y rentable sería una solución ya preparada de un colector Fresnel conectado a una central eléctrica existente. La compañía australiana Solar Heat and Power planeaba para finales del 2003 una serie piloto de 24.000 m de reflectores compactos de Fresnel (CLFR) unida a una central de carbón. reflectores cilindroparabólicos Mientras que las centrales comerciales de California usan aceite sintético como fluido de transferencia de calor por su baja presión de operación y almacenabilidad, hay en curso I+D en la Platafor- ma Solar – a través de los proyectos DISS (vapor solar directo) e INDITEP patrocinados por la Comisión Europea – para conseguir generación de vapor directa en los tubos de absorción y así elimi- nar la necesidad de una transferencia de calor intermedia. Esto aumenta la eficiencia y podría reducir costes hasta un 30%. En la primera central DISS piloto se ha generado vapor solar directo a 100 bar y 375°C. Tras este éxito, el esfuerzo actual en I+D del proyecto INDITEP se centra en aumentar la temperatura del vapor más allá de 400°C. El tema de un medio de almacenamiento viable de cambio de fase para los sistemas de vapor directo será el eje futuro de las actividades de investigación y desarrollo (I+D). Se puede diseñar un LFR para que tenga rendimiento térmico similar por área de abertura al de un cilindro parabólico, pero los di- seños recientes tienden a usar materiales de reflector menos caros y componentes de captador que reducen el rendimiento óptico.Sin embargo, este rendimiento inferior se compensa por los menores costes de inversión y operación y mantenimiento. Los LFRademás permiten el uso de terrreno bajo los campos de espejos con otros fines económicos, como la horticultura. Page 16 Las centrales eléctricas SEGS de California Las centrales SEGS de 30 MWe SEGS Kramer Junction, con insolación anual superior a 2.700 kWh/m², producen a 15 centavos $/kWh en las horas de precio más alto (sobre todo por la carga de refrigeración en punta), incluído una subvención para generar hasta el 25% de la producción anual con combustible complementario de gas natural. Los costes equivalentes puramente solares serían de 20 centavos de $/kWh. Las SEGS de 80 MWe en Harper Lake, con la misma insolación anual, producen a unos 12 centavos $/kWh. Los costes equivalentes puramente solares serían de 16 centavos $ /kWh. En términos de eficiencia, las centrales SEGS alcanzan eficiencias diarias solar-eléctrica cercanas al 20%, y eficiencias máximas de hasta el 21.5%. La disponibilidad anual de la central supera el 98%, la del campo colector más del 99%. Las 5 centrales de Kramer Junction han conseguido una reducción del 30% en los costes de operación y mantenimiento entre 1995 y 2000. Hasta la fecha y como resultado del marco legal predominante Proyectos actuales España AG completó la compra de terreno y planificación de las dos primeras centrales AndaSol de 50 MW en Andalucía. Con 5 10.120 m 2 de campo solar y 6 horas de capacidad de almacenamiento, cada central alimentará con 157 GWh eficiencia anual del 14,7%. Fichtner Solar GmbH ha preparado los documentos de especificación EPC del bloque eléctrico. Egipto CENTRALES TERMOSOLARES 14 A partir de la introducción de un incentivo solar termoeléctrico de 12 cénts de €/kWh en España en septiembre de 2002, Solar Millennium La inversión para construir estas centrales procedió de capital privado y, por la creciente confianza en la madurez de la tecnología, de inversores institucionales. Aunque originalmente apoyadas por incentivos fiscales y atractivos contratos de compra de electrici- dad, éstos han desaparecido desde entonces, y una caída en los precios de los combustibles a finales de los 80s llevó a un 40% de reducción en los ingresos por ventas de electricidad. No obstante, se consiguieron significativas reducciones de costes en la construcción aumentando tamaño, rendimiento y eficiencia. Las 9 centrales SEGS todavía están en operación comercial rentable. en California durante la puesta en marcha de las centrales SEGS ciclo de vapor y un apoyo de capacidad a gas natural para Sin embargo, a partir de SEGS-II, las centrales SEGS pueden operar en modo sólo solar. Las centrales de con-centradores parabólicos (véase el cuadro), todas las centrales comerciales de CCP usan un suplementar la producción solar en períodos de baja radiación, hasta anuales de electricidad solar la red española y tiene una pueden tener unidades de hasta 200 MW. un máximo anual del 25% de la entrada primaria de calor térmico. Debido a su madurez comercial, la tecnología de CCP es la preferida gran escala propuestos en Europa y el suroeste de los Estados por los licitadores e inversores industriales en los proyectos de Grecia e Italia), mientras que los sistemas de ciclo combinado Se están planeando los siguientes proyectos de concentradores los programas de incentivos de electricidad limpia de España, Unidos (aunque sólo la operación solar pura es elegible bajo solar integrado son patrocinados por el Fondo para el Medio cilindroparabólicos a escala de compañía eléctrica: Ambiente Mundial (FMAM) en la India, México, Marruecos y Egipto. La compañía alemana Flagsol GmbH ha preparado los documentos de ingeniería detallada y permisos. El proyecto AndaSol-1 ha recibido 5 millones de € del apoyo financiero del V Programa Marco de la UE. Al mismo tiempo, el grupo español EHN y Duke Solar (ahora Solargenix Energy) están emprendiendo un proyecto de CCP en la región de Navarra. La Agencia egipcia de energías nuevas y renovables (NREA) publicó en marzo de 2000 una invitación de pre-calificación para el concurso para un sistema de 120-140 MW de ciclo combinado solar integrado a construir cerca de Kuraymat, 100 km al sur del Cairo, en el que se deja a los licitadores la elección de tecnología solar. 18 de los 20 consorcios que respondieron ofrecieron tecnología de CCP. En agosto de 2003 la NREA cambió el estatus a puesta en marcha y asignó a FichtnerSolar GmbH la preparación del diseño conceptual y la licitación. Construidas en 1984-91 con tamaños de 14 MWe a 80 MWe, los 9 sistemas de colectores cilindroparabólicos separados del desierto Mojave en California (con 354 MWe de capacidad total) se conocen colectivamente como sistemas de generación eléctrica solar (SEGS). Para la generación eléctrica usan una turbina de vapor altamente eficiente alimentada con vapor del campo solar, y usan quemadores de gas de respaldo para mantener la temperatura del fluido de transferencia de calor a la horas de insolación insuficiente. No obstante, las condiciones de compra de electricidad restringen el gas a un máx. anual del 25% del calor de entrada total. Con más de 2 millones de m² de espejos de cristal, las centrales generan más de 10.000 millones de kWh de electricidad solar desde 1985. Las mejoras conseguidas en el rendimiento de las centrales SEGS de Kramer Junction han sido el resultado de adaptaciones acertadas al diseño de los colectores solares, tubos de absorción e integración del sistema por una serie de compañías. En Europa y EEUU continúan en marcha trabajos de desarrollo para reducir más los costes en una serie de áreas, incluyendo mejo- ras en el campo colector, tubos del receptor, espejos y almacenamiento térmico. Page 17 México La comisión federal de electricidad de México publicó una petición de India Marruecos Irán Italia Estados Unidos Argelia Australia durante 2003. Tendencias de los costes CENTRALES TERMOSOLARES 15 Costes solares “Con la tecnología actual y muy buenos enclaves, un kWh solar puede generarse por unos 15 centavos $/kWh. Este coste disminuirá con la puesta en marcha de más proyectos. La industria TCS prevé reducir los costes de generación solar eléctrica un 20% una vez en marcha 400 MWe de nueva capacidad solar. Una vez alcanzados 5.000 MWe de nueva capacidad solar, los costes de generación eléctrica solar serán plenamente competitivos con los de generación a la red con combustibles fósiles .” Declaración de Berlín, Junio 2002 Pilkington Solar International GmbH) han preparado conce Israel d El tamaño del colector debería cambiar a: 220 000 m² propuestas en marzo 2002 para 198–242 MW de central de gas de ciclo combinado con un campo solar opcional integrado de colec- tores cilindroparabólicos de al menos 25 MW de producción eléctrica en lascondiciones del diseño. Los costes adicionales solares se cubriráncon una subvención del Fondo de Medio Ambiente Mundial. La compañía Rajasthan Renewable Energy publicó una petición de propuestas en junio 2002 para un sistema de ciclo combinado de 140 MW incorporando un campo solar térmico de concentradores cilindroparabólicos con un área de 220.000 m² para una central termoeléctrica de 35 a 40 MWe. Los costes solares adicionales se cubrirán con préstamos blandos del banco alemán KfW y subvenciones de India, Rajasthan y el FMAM. Fichtner Solar GmbH ha preparado el estudio previo de viabilidad, el diseño conceptual así como la petición de propuestas para un contrato EPC con O&M. El gobierno de Irán está interesado en la puesta en marcha de un campo de CCP de 200.000-400.000 m² en una central de ciclo detallado de viabilidad. El FMAM ha ofrecido a Marruecos una subvención de 50 millones de $ para un proyecto ISCC de 230 MW con una capacidad solar equivalente de 30-50 MW. Fichtner Solar GmbH está preparando ahora para la compañía nacional eléctrica ONE la petición de propuestas, dejando la elección de la tecnología a juicio de los inversores participantes. combinado de gas de 300 MW en el desierto de Luth en el área de Yazd. Fichtner Solar GmbH y Flagsol Pilkington Solar International GmbH) han preparado conjuntamente un estudio En 2001, el parlamento italiano asignó 110 millones de € al desa- rollo TCS y su programa de demostración. Desde entonces, han comenzado a desarrollarse varias centrales de CCP. Sierra Pacific Resources anunció enero 2003 que sus dos subsi- diarias de Nevada habían firmado contratos a largo plazo con Solargenix Energy (antes Duke Solar Energy) para suministrar50 MW de electricidad generada con energía solar usando con- centradores cilindroparabólicos en una planta del valle Eldorado, cerca de Boulder City, Nevada. Es el país que más recientemente ha anunciado su interés en po- ner en marcha un sistema de ciclo combinado solar con tecnología de concentradores cilindroparabólicos. En Hunter Valley, Nueva Gales del Sur, se usará para precalentar el vapor un sistema CLFR de 35 MWe en la gran central de carbón de 2.000 MW de Liddell. Más que ser una tecnología de sustitución del carbón, este sistema incrementa la producción eléctrica de una entrada de carbón dada. El uso de la infraestructura existente reduce costes en comparación con una central aislada. Los promotores Solar Heat and Power esperan iniciar la construcción Los costes de capital instalados de los sistemas SEGS de concentradores de ciclo Rankine de California con una operación eléctrica en punta cayeron de 4.000 $/kWe a menos de 3.000 El Ministerio de Infraestructuras nacional israelí, que es también responsable del sector eléctrico, decidió en noviembre de 2001 introducir la concentración de energía solar como elemento estratégico del mercado eléctrico israelí desde 2005, con una primera central de concentradores cilindroparabólicos de $/kWe de 1984 a 1991, debido fundamentalmente al aumento en tamaño de las unidades de 30 a 80 MWe y de la experiencia adquirida. El coste de inversión de los campos de concentradores cilindro parabólicos ha caido a 210 €/m2 para concentradores mejorados como el diseño del Eurocolector SKALET con grandes campos solares y a 110-130 €/m2 para gran producción a largo plazo. Se puede esperar un 15% de reducción en los precios de EEUU/Europa en los países desarrollados debido a los costes laborales más bajos. 100MWe. La compañía israelí Solel está preparando actualmente (antes la ingeniería del proyecto. Page 18 De acuerdo con la evaluación del Banco Mundial del mercado de centrales eléctricas solares térmicas EEUU/Europa ("Cost Reduction Study for Solar Thermal Power Plants", informe final, mayo 1999) 0,07 - 0,09 $ AUS/kWh como central solar térmica aislada. Egipto, Marruecos y México sería la clave para que ofertaran . 3. Sistemas de receptor central/torre solar Desarrollos tecnológicos 21,5 MWe con un área de espejos helióstatos instalada de unos 160.000 m². Sin embargo, la operación comercial de la torre solar está aún por demostrar. Tras una escala intermedia de sistemas de hasta 30 MW, los promotores de torres solares confían ya que se puedan construir centrales de torre conecta- das a red con una capacidad de 200 MWe sólo solares. También se han hecho diseños conceptuales de unidades con más de 100 MWe para centrales ISCC. Para la operación de la turbina de gas, el aire a calentar debe pasar primero por un receptor solar presurizado con una ventana solar. Las centrales de ciclo combinado que utilizan este método requerirán CENTRALES TERMOSOLARES 16 Ciclo eléctrico Rankine Rankine ISCC Rankine Rankine Rankine Campo solar (.000m²) 193 1210 183 1151 1046 1939 Almacenamiento (h) 0 0 0 0 0 9-12 Capacidad solar (MW) 30 200 30 200 200 200 Capacidad total (MW) 30 200 130 200 200 200 Factor capacidad solar 25% 25% 25% 25% 25% 50% Eficiencia solar anual 12.5% 13.3% 13.7% 14.0% 16.2% 16.6% Costes capital ($/kW) Central EEUU 3500 2400 3100 2100 1800 2500 Internacional 3000 2000 2600 1750 1600 2100 Coste O&M ($/kWh) 0.023 0.011 0.011 0.009 0.007 0.005 LEC solar ($/kWh) 0.166 0.101 0.148 0.080 0.060 0.061 a bajo coste. La viabilidad técnica de la tecnología de receptor central se probó por primera vez en los 80 con la operación de 6 centra- les de investigación de 1 a 5 MWe de capacidad, y una central de demostración con un receptor agua/vapor, conectado a la red del sur de California. Su capacidad eléctrica total neta era Tabla 3: Reducciones de costes en las centrales solares termoeléctricas de concentradores cilíndroparabólicos Corto plazo Corto plazo Corto plazo Medio-plazo Largo-plazo Largo-plazo (5 años) (10 años) (10 años) los costes de instalación de las centrales de CCP a corto plazo se espera que estén en el rango de 3. 5 00-2.440 €/kWe para ciclo Rankine 30-200 MWe (tipo SEGS) y unos 1.080 €/kWe para centrales híbridas ISCC de 130 MWe con 30 MWe de capacidad solar equivalente. Los costes totales proyectados de la electricidad de la central oscilan entre 10 y 7 cénts €/kWh para centrales tipo SEGS y menos de 7 cents €/kWh para centrales ISCC. La caída aún mayor esperada en los costes de instalación de cen- trales de concentradores parabólicos conectados a la red daría costes de la electricidad de 6 cénts €/kWh a medio plazo y 5 cénts €/kWh a largo plazo. El prometedor potencial a largo plazo es que las centrales de concentradores de ciclo Rankine puedan competir con centrales de ciclo Rankine convencionales de punta (carbón o fuel) en buenos emplazamientos solares. La reducción potencial de coste de la generación directa de vapor con la tecnología de con- centradores es incluso mayor a largo plazo. En Australia, los costes totales de electricidad de la central CLFR se han estimado en unos 0,045 $ AUS/kWh cuando se usa junto a una central de carbón, y La tabla 3 muestra que se pueden conseguir sustanciales reduc- ciones de costes en los próximos 5-10 años, especialmente en las centrales con los mayores campos solares. Similarmente, el análisis muestra que la construcción de los proyectos se puede abaratar en los países en desarrollo. En un estudio previo de viabilidad de una central en Brasil, p.e., se estimó que el coste de construcción de una central de ciclo Rankine de 100 MW sería 2.660 $/kW, un 19% menor que en EE.UU., ahorrando en mano de obra, materiales y en cierta medida equipos. Una serie de compañías interesadas en construir proyectos FMAM han indicado que usar mano de obra y fabricantes locales en India, Concentrando luz solar hasta 600 veces, la tecnología de torre solar tiene la ventaja potencial de suministrar calor solar a alta temperatura en cantidades a escala comercial desde 500°C para los ciclos de vapor y más allá de los 1.000°C para las turbinas de gas y las centrales eléctricas de ciclo combinado. Una iniciativa de EEUU llamada "Hoja de ruta de la tecnología de CCP", desarrollada conjuntamente por el sector y el labora- -torio solar del Ministerio de Energía de EE.UU. identificó una serie de mejoras potenciales. La iniciativa sugiere que son posibles para la tecnología de CCP más reducciones de costes y aumentos de rendimientos de hasta el 50%. Page 19 un 30% menos de area de colector que los ciclos de vapor equiva- lentes. En la actualidad se construye un primer prototipo para de- mostrar este concepto como parte del proyecto europeo SOLGATE, con 3 unidades receptoras acopladas a una turbina de gas de 2 5 0 kW. Hoy se considera que los sistemas de almacenamiento más pro- metedores son la tecnología europea de aire volumétrico y la tecnología de sal fundida en tubo de EEUU. Esta última ya está cerca de ser comercialmente rentable, y una UTE de Ghersa (España) y Bechtel (EE.UU.), con trabajo subcontratado a Boeing (EE.UU.), espera construir la primera planta comercial de receptor central con la ayuda de subvenciones de EE.UU. y España. Esta central propuesta Solar Tres de 15 MWe en Córdoba, España, utilizará un sistema de almacenamiento de sal fundida de 16 horas para operar las 24 horas del día. CENTRALES TERMOSOLARES 17 Campo solar Supercalentador solar Recalentador solar Caldera (opcional) Fuel Generador solar Precalentador solar Contenedor de expansión Deareador Precalentador Baja presión Condensador Turbina de vapor Como ya se ha explicado, el sistema de almacenamiento de sal fundida permite que se recoja energía solar durante el día y se distribuya como energía eléctrica de alto valor por la noche o cuando lo requiera la compañía eléctrica. En las zonas del cinturón solar de EE.UU., una central puede por tanto cubrir la demanda de la totalidad de los períodos punta del verano (tarde,debido al aire acondicionado, y noche). En los países en desarrollo, esta capacidad de almacenamiento podría ser incluso más importante, con horas punta exclusivamente por la noche. Figura 8: Central eléctrica de CCP con tanque de almacenamiento térmico calor-frío y generador de vapor de fuel Se han investigado varios medios de transferencia de calor del recep- tor central, como agua/vapor, sodio líquido, sal fundida y aire ambien- te. La planta piloto Solar One de 10 MWe operada en California de 1982 a 1988 usaba vapor como medio de transferencia de calor. Reconstruida como central solar de 10 MWe operó con éxito de 1997 a 1999 con un sistema de receptor con sal fundida en el tubo y dos tanques de almacenamiento de sal fundida, acumulando varios miles de horas de experiencia de operación y suministrando electricidad a la red de forma continuada. El sistema europeo implica irradiar finas estructuras de malla de cable o espuma cerámica, transfiriendo la energía por convec- ción a una temperatura de 700-1.200°C. Las pruebas realizadas por el proyecto conjunto hispanoalemán Phoebus entre 1993 y 1995 con una central piloto alemana de 2.5 MWth demostró la viabilidad del concepto del sistema receptor de aire con un sistema de almacenamiento de energía cerámico. Las compañías española y alemana están ahora implicadas en la comercialización de esta tecnología mediante el proyecto Planta Solar (PS10) de 10 MWe cerca de Sevilla. Como con los concentradores parabólicos, se están intentando desarrollar centrales de receptor central comerciales utilizando sistemas híbridos solar/combustible fósil, especialmente en modo ISCC. Un concepto que implica un reflector secundario en lo alto de la torre, que dirige la energía solar a nivel de terreno para ser colectado en un receptor aire a alta temperatura para uso en una turbina de gas. Acoplar la producción del sistema solar de alta temperatura a una turbina de gas permitiría una Page 20 mayor eficiencia que las aplicaciones a turbina de vapor de hoy, tiempos más cortos de puesta en marcha, menores costes de ins- talación y operación, y quizás un sistema menor, más modular. Como los helióstatos suponen la mayor inversión individual de capital en una central de receptor central, continúan los trabajos para mejorar el diseño con mejores propiedades ópticas, estruc- tura más ligera y mejor control. Las actividades incluyen el heliós- tato de 150 m 2 desarrollado por Advanced Thermal Systems (EE.UU.); el de 170 m 2 desarrollado por Science Applications 2 2 de escala en la fabricación. Proyectos actuales España Sudáfrica La compañía nacional de electricidad sudafricana ESKOM ha tomado la decisión estratégica de evaluar la viabilidad de la tecnología de torre solar de sal fundida dentro de su pro- grama de electricidad renovable a gran escala, considerando una posible central de demostración de 100 MW. CENTRALES TERMOSOLARES 18 Las dos primeras torres solares comerciales en el rango 10-15 MW se está planificando dentro del marco legal español para TCS. El grupo español Abengoa promueve una torre solar de 10 MW con tecnología de receptor de aire conocida como PS-10. Con un campo de helóstatos de 90.000 m², la central PS-10 suministrará 19,2 GWh anuales de electricidad solar a la red y alcanzará una eficiencia anual neta de 10, 5 %. Pese a las altas temperaturas del receptor, el punto débil del sistema es el pequeño tamaño de su turbina. El grupo español Ghersa, junto a sus socios de EE.UU.Boeing y Bechtel, planea un sistema de 15 MW de sal fundida con 16 horas de almacenamiento basado en el modelo californiano Solar Two. Con su campo de helióstatos de 240.000 m² la central Solar Tres suministrará a la red española unos 80 GWh de electridad. Los proyectos PS-10 y Solar Tres han recibido cada uno una subvención de 5 millones de € de apoyo financiero del V Programa Marco de I+D de la Unión Europea. International Corporation (EE.UU.); el de membrana de 150 m ASM-150 de Steinmüller (Alemania), y el de 100 m GM-100 cristal/metal de España. También hay iniciativas para desarrollar técnicas de fabricación de bajo coste para series pre-comerciales de bajo volumen, mientras que los precios de fabricación en un país en desarrollo podrían ser un 15% menor que los niveles de EE.UU./Europa. Como con muchos componentes solares térmicos, el precio caería significativamente con economías Aunque se piensa que las centrales de receptor central están más lejos de la comercialización que los sistemas de CCP, las torres solares tienen buenas perspectivas a largo plazo por sus altas eficiencias de conversión. Mientras tanto, se necesitan proyectos de demostración de mayor escala. Page 21 Tendencia de costes Los costes de capital de instalación para centrales piloto de recep- tor central son todavía muy altos, y no hay aún disponibles costes de generación eléctrica para centrales a escala comercial. Sin em- bargo, estas centrales tienen un uso potencialmente importante ligadas a sistemas de almacenamiento de energía de alta tempe- ratura. Esto aumentaría el rendimiento y el factor de capacidad, aunque no necesariamente reduciría los costes de producción. Los promotores de próximos proyectos de torre en España, como la central PS-10 de 10 MW con 3 horas de almacenamiento, han indi- cado que sus costes de instalación serán unos 2. 7 00 €/kWe, con turbinas de ciclo Rankine y un pequeño sistema de almacenamiento de energía, y costes de electricidad totales previstos entre 14 y 20 cénts €/kWh. El coste total de capital para la central de 15 MW Solar Tres, con 16 horas de almacenamiento, es estimado en 84 millones de euros, con costes de operación anuales de unos 2 millones €. Los costes previstos de instalación de un campo de helióstatos varían de 180 a 2 5 0 €/m² para pruebas de pequeña producción en EE.UU. y de 140 a 220 €/m² en Europa. En los países en desarrollo se puede proyectar un 15% de descuento en el nivel de precio EE.UU./Europa por los menores costes de mano de obra. A largo plazo se espera que el coste de los campos de helióstatos baje a menos de 100 €/m² para volúmenes importantes de producción. En el futuro, los proyectos de centrales de receptor central se beneficiarán de similares reducciones de costes que los esperados en las centrales de concentradores. La evolución esperada de los costes totales de la electricidad, de acuerdo con el Banco Mundial, es una bajada a 8-7 cénts €/kWh a medio plazo (central de ciclo Rankine o ISCC de 100 MWe, ambas con almacenamiento) y 5 cénts €/kWh a largo plazo (central de ciclo Rankine de 200 MWe con almacenamiento) para enclaves de alta insolación con un nivel de insolación directa anual de más de 2. 7 00 kWh/m². 4. Motores de discos parabólicos Estado tecnológico Los concentradores de disco parabólico son unidades comparati- vamente pequeñas con un motogenerador en el punto focal del reflector. Los tamaños típicos oscilan de 5 a 15 metros de diámetro y 5 - 50kW de producción eléctrica. Como todos los sistemas de con- centradores, pueden ser alimentados adicionalmente por gas natural o biogas, proporcionando una capacidad firme en todo momento. CENTRALES TERMOSOLARES 19 Por su óptica parabólica ideal de enfoque en un punto y su control de trayectoria de doble eje, los concentradores de disco consiguen máxima concentración de flujo solar y por tanto el mejor rendimiento de todos los tipos de concentradores. Por razones económicas, la capacidad unitaria de los discos está actualmente restringida a unos 25 kWe, pero se pueden usar disposiciones con discos múltiples para Page 22 El nuevo desarrollo EuroDisco, apoyado por la Unión Europea, avanzará más en esta tecnología. Al mismo tiempo, dos equipos industriales que trabajan en EE.UU. - Stirling Energy Systems/ Boeing Company y Science Applications International Corporation/ STM Corp - han instalado varios prototipos disco/Stirling de segunda generación de 2 5
