Continuando con el tema del potencial de Venezuela para la generación eléctrica a partir de la energía solar, publicamos el siguiente artículo escrito por Rodolfo J. Aguilar A. sobre el uso de la tecnología termosolar para producir electricidad en nuestro país como alternativa ecológica a los combustibles fósiles.
Actualmente, año 2017, en Venezuela la tecnología con más preponderancia aplicada y usada en la generación eléctrica ha sido la Hidroeléctrica. Sus exponentes principales son: la Central Hidroeléctrica Simón Bolívar (Guri, Estado Bolívar), la Central Hidroeléctrica Leonardo Ruíz Pineda (Uribante Caparo, Estado Táchira) y la Central Hidroeléctrica José Antonio Páez (Santo Domingo, estado Mérida), etc., y que en conjunto aportan aproximadamente un 60% de los 27496 MW (millones de vatios) de la capacidad instalada de generación a la fecha (1).
El uso de tecnologías de generación eléctrica, dependientes de los hidrocarburos representan casi el total del restante, lo que corresponde entonces a una proporción aproximada al 40%, estando estas distribuidas en generación termoeléctrica (a gas) en 15% del porcentaje mencionado, e hidrocarburos (gasoil y fueloil) los restantes 25%.
También ha habido la intención por parte del estado de implementar tecnologías ecológicas de generación de energía eléctrica como lo es el de las turbinas eólicas, y ya a la fecha se han instalado en dos locaciones: La Goajira (estado Zulia), con una capacidad proyectada de generación de 75.6 MW, pero que en la actualidad no está en funcionamiento, y en Paraguaná (estado Falcón), con una capacidad proyectada de generación de 98.8 MW, y que lamentablemente en conjunto representan aportes insignificantes por debajo del 0.5%, del total nacional.
En el marco de las Naciones Unidas se han suscritos compromisos como los establecidos en el Protocolo de Kioto (), Protocolo de Montreal () y la Cumbre de la Tierra (), en función de ir eliminando paulatinamente los contaminantes desechados al medio ambiente por los procesos industriales, emigrando a tecnologías mas amigables con el medio ambiente, y obligando a que los nuevos procesos industriales contemplen tecnologías definitivamente ecológicas, por supuesto incluyendo también en esto a la generación a nivel industrial de energía eléctrica.
Todo esto nos lleva a plantearnos la siguiente interrogante:
¿Existe algún método de generación eléctrica que cumpla con las siguientes pautas?
- Altamente ecológica.
- Capaz de atender las demandas pico en horas de alto consumo, como es el caso de las horas diurnas para los días laborales.
- Generación confiable y constante en épocas de sequias con alta incidencia solar.
- Construcción con aporte de un alto valor agregado nacional que garantice la definitiva independencia tecnológica.
- Mantenimiento y repuestos garantizados dada su fabricación nacional.
- Investigación y mejoras constantes dado la alta calidad del RRHH del que dispone el país en Universidades, Consultoras de Ingeniería y empresas estatales como PDVSA y CADAFE.
- Posibilidad de ubicar sobre las rutas de los tendidos eléctricos de transmisión ya existentes en función de abaratar costos en la construcción de nuevos tendidos eléctricos para interconexiones distantes.
Sin ánimos de desprestigiar las tecnologías hasta ahora implementadas, ya que sin duda alguna contamos con la hidroeléctrica como vanguardia en generación y definitivamente altamente ecológica y confiable, ni de pretender tener la solución única, se intentará dar respuesta a esta pregunta, basados en un trabajo investigativo llevado a cabo desde hace ya varios años, y que nos lleva a manejar la tecnología de generación eléctrica Termosolar de Colectores Solares (CSP) del tipo Parabólicos Cilíndricos como la alternativa que da respuesta a todas las pautas mencionadas.
Cabe destacar que la realidad actual del país nos obliga de manera imperativa a mirar hacia adentro, en función de usar nuestros propios recursos naturales buscando minimizar las compras al exterior, motivo por el cual estoy seguro que el desarrollo e implementación de este tipo de tecnología colaborará grandemente a esa independencia tecnológica tan usada en el discurso político pero nunca llevada a cabo en proyectos concretos de envergadura.
El contexto actual donde se inicia una actividad de alto consumo eléctrico como la minería de criptoactivos, el aumento en la producción de energía eléctrica deberíamos suplirla desarrollando ingeniería e implementándola en la construcción de plantas de generación eléctrica como las CSP por las razones que acá justificamos.
Es bueno aclarar que los documentos consultados y de soporte usados a lo largo de toda esta exposición, serán de consulta pública, tratando que ellos sean de fácil disponibilidad, preferiblemente vía internet, para su mejor acceso, consulta y verificación, al igual que las fuentes que las emitan sean de comprobada confiabilidad.
En las páginas que nos preceden haremos entonces un ejercicio con intenciones primeramente divulgativa, seguido de un análisis general, técnico (pero no a niveles de aburrimiento) y de costos tanto de construcción como de los KWH generados (comparativo), llevado de mucho sentido común, sobre la factibilidad de esta alternativa de generación eléctrica para su proyección, construcción y masificación en Venezuela.
¿Qué es energía termosolar?
La energía termosolar es básicamente la extraída de la luz recibida del sol y utilizada para elevar la temperatura de alguna sustancia en particular.
Este principio totalmente renovable viene usándose, desde ya hace unos cuantos años, para producir energía motriz que impulse una turbina a vapor (de agua), y ésta conectada a un generador pues produzca energía eléctrica.
Potencial solar
Para comprender el potencial, que en lo particular tiene Venezuela, de la radiación solar recibida a diario y anual, en toda la extensión geográfica de nuestro país, necesitamos conocer el concepto de Irradiación Directa Normal (DNI en sus siglas en inglés Direct Normal Irradiation) como la variable que define las capacidades específicas geográficas de potencial solar.
La Irradiación Directa Normal (DNI) es la cantidad de radiación solar recibida por unidad de área por una superficie que siempre se mantiene perpendicular (o normal) a los rayos que vienen en línea recta desde la dirección del sol en su posición actual en el cielo. Normalmente, puede maximizarse la cantidad de irradiancia recibida anualmente por una superficie manteniéndola normal (perpendicular) a la radiación entrante. Se usa por lo general las unidades Kwh/m2, o kilovatio-hora/ metro cuadrado en la cuantificación del DNI.
Obviamente la manera de aprovechar mejor la luz solar es estando de cara al sol, por lo que las tecnologías solares y termosolares, tratan dentro de lo posible, mecanizar sus receptores para lograr el seguimiento del sol a lo largo de todo el día, cual flores de girasol.
De esta manera tenemos el DNI como una variable, que dependiendo de la ubicación geográfica, características topográficas y pluviométricas, tipo de vegetación, entre otras, nos definirá el potencial de colocar una instalación, a nivel industrial, en un punto geográfico en particular, para la generación de energía eléctrica basada en energía termosolar.
Para facilitar la comprensión y manejo rápido del DNI se han trazado mapas de irradiación solar, que nos permiten, a través de un código de colores, observar rápidamente las zonas isométricas de irradiación, por lo que a continuación se muestran en Fig 1. Plano Global de Irradiación Directa Normal, Fig 2. Plano de Suramérica de Irradiación Directa Normal, y Fig 3. Plano de Venezuela de Irradiación Directa Normal.
Fig. 1. Irradiación Directa Norma Global (2).
En la Fig. 1 Irradiación Directa Normal Global, se puede apreciar a lo largo del Ecuador geográfico la zona de mayor intensidad de DNI mundial, con niveles de 1800 a 2500 Kw/m2 en promedio, con la excepción de zonas un poco apartadas del Ecuador donde se registran extremos niveles DNI, como al sur de África, al norte de Chile en la frontera con Bolivia, y en el continente Australiano casi en su totalidad, lo que sin duda les da características inigualables al resto de países.
Fig. 2. Irradiación Directa Normal Sur América y el Caribe (2).
En las figuras siguientes, Fig. 2 y Fig. 3, se va haciendo acercamiento aún mas hasta llegar a Venezuela donde podemos observar un promedio de DNI sobre los 1800Kw/m2 en los llanos centrales y occidentales, pero también un promedio de mas de los 2100Kw/m2 al norte del estado Falcón continental, y total en el peninsular, en el estado Zulia en la franja norte de la Guajira, al igual que en el estado Sucre en su zona peninsular, y en el estado Nueva Esparta específicamente en La Isla de Margarita.
En resumen tenemos a Venezuela con una gran extensión de zonas libres para disponer y aprovechar como locaciones para generación eléctrica basada en tecnología Termosolar.
Fig. 3. Irradiación Directa Normal Venezuela (2).
¿Qué es una planta de colectores solares (CSP) del tipo parabólico cilíndrico?
Es una instalación industrial con un equipamiento diseñado para aprovechar el calor generado por los rayos del sol, al concentrarlos y hacerlos incidir sobre un fluido con ciertas características de capacidad térmica especiales, que al transportarlo pro tuberías y llegar hasta una caldera (intercambiador de calor) al ponerse en contacto con agua produce vapor que hace mover una turbina y genera finalmente energía eléctrica. Ver Fig. 4.
Fig. 4. Planta de Colectores Solares Parabólicos en Abu Dhabi, Qatar, construida Por Abengoa, España.
¿Qué requieren estas plantas CSP para generar electricidad?
De manera generalizada, las CSP están compuestas por los siguientes elementos:
- Colectores solares parabólicos cilíndricos
- Fluido de trabajo HFT
- Sistema de tuberías del campo solar
- Tanque de sales fundidas (Pila térmica)
- Intercambiador de calor (Caldera)
- Turbina de vapor
- Generador eléctrico
Fig. 5. Diagrama General de una CSP.
1. Colectores solares parabólicos cilíndricos
Antes de todo pasemos a dar una breve explicación del principio geométrico que da el sentido de uso a una parábola como elemento concentrador de la luz solar.
Fig. 6. Principio de reflexión de la Parábola.
En la Fig. 6 se muestra gráficamente el principio de reflexión de la parábola que establece que todo frente de onda (rayos en la figura) que se proyecte paralelo al eje focal, al chocar con la concavidad parabólica se proyectará a un punto único común denominado Foco. Esta característica es la que hace a la parábola en sus distintas disposiciones, como parábola cilíndrica (para los radares aéreos y los colectores solares) o paraboloide de rotación (para las antenas parabólicas satelitales y microondas para comunicaciones terrestres punto a punto) de gran utilidad dada su capacidad de concentrar, en un punto especifico en el espacio, la mayor cantidad de potencia venida desde una fuente remota, y que para nuestro caso será la energía infrarroja (calor) venida del sol.
Fig. 7. CSP Parabólico Cilíndrico
En la Fig. 8 se muestra un colector solar CSP parabólico cilíndrico. Dicho colector está compuesto por un reflector parabólico, un tubo de absorción, una estructura metálica (con sus bases de fundaciones de concreto y acero correspondientes) y el sistema de tuberías del campo solar.
Fig. 8. Colector Solar Parabólico de Plataforma Solar de Almeira, España.
1.1 Reflector Parabólico
Consta de una superficie doblada cumpliendo de manera bien precisa el trazado matemático de la parábola, se construye con lámina de aluminio con cierto grado de pulido, a fin de lograr concentrar en el foco (punto de localización del tubo de absorción) la mayor cantidad de energía infrarroja. Ver Fig. 8. (1)
1.2 Tubo de Absorción
Es un elemento compuesto (ver Fig. 9), de una longitud generalmente de 4,06 m, elaborado con cierta tecnología donde está dispuesto el tubo propiamente dicho, de acero de baja reflectividad y gran absorción térmica, dentro de una envolvente de vacio confinada en una cápsula de vidrio a todo lo largo del mismo. Es dentro de este tubo por donde circulará el HFT o fluido de transferencia de calor que en el siguiente punto trataremos. (2)
Fig. 9. Tubo de Absorción, acople en extremo.
1.3 Estructura Metálica
Básicamente cumple dos funciones, de soporte rígido del reflector parabólico, y para hacer de pivote en el seguimiento del sol a lo largo del día. Para ello constará de motores controlados por electrónica con sensores para el seguimiento preciso. Dicha estructura está fabricada totalmente en aluminio (1), con la excepción de los elementos de rodamiento para el pivote. Ver Fig. 8.
1.4 Sistema de Tuberías
El Sistema de Tuberías del Campo Solar consta de toda la red de tuberías en tierra, que transportan el HFT, el agua líquida y el vapor de agua en todas sus etapas. Está conformado por tubería de acero al carbón con envolvente térmica. De ello se hará mayor énfasis en el punto 3. Sistema de Tuberías del Campo Solar. Ver Fig. 11
2. Fluido de Trabajo HFT
El fluido de trabajo para transferencia térmica llamado también HFT (Heat Fluid Transfer por sus siglas en inglés) es básicamente un aceite sintético térmico, derivado del petróleo y procesado en laboratorio para lograr las características térmicas y de durabilidad adecuadas, con capacidad de llegar a temperaturas por el orden de los 450ºC sin alterar sus propiedades físico químicas, y de tener una vida útil de hasta 6 años. (1)
Este tipo de aceite luego de cumplida su vida útil suelen reciclarse, sometido a un proceso de re-refinación y re procesamiento, por los que recupera sus condiciones originales para ser usados de nuevo como fluido de transferencia térmica.
3. Sistema de Tuberías del Campo Solar
Una red de tuberías para la distribución del HFT es la encargada de transportar la energía térmica.
Recibiendo el HFT de los colectores solares, alimentándolo a una nueva línea de de ellos para subir aun más la temperatura, y así de manera cíclica y repetida hasta alcanzar el nivel de calor requerido, recanalizándolo y distribuyéndolo gracias al sistema de válvulas controladas computarizadamente de manera automática, llevarán el HFT hasta los tanques de sales fundidas (pilas térmicas) y/o a los intercambiadores de calor, donde finalmente se almacenarán y producirán energía motriz respectivamente.
Igualmente para el ciclo del agua, en sus etapas de líquida-vapor-líquida, se requiere una red de tuberías para el trasporte y distribución entre el intercambiador de calor y la turbina, y entre el intercambiador de calor y el sistema de enfriamiento y condensación para la re utilización cíclica del agua en lazo cerrado. Esto último de “lazo cerrado” es bien importante ya que de ello depende también la sustentabilidad al evitar perdidas de agua en forma de vapor expedido a la atmosfera, lo que requeriría un suministro constante de agua, lo cual se debe minimizar.
Fig. 10. Red de Tuberías del campo Solar.
En la Fig. 10 se puede apreciar de manera esquemática, como líneas que interconectan los distintos equipos, la disposición de las diversas tuberías requeridas.
Fig. 11. Red de Tuberías de un CSP, construida por Accioma Energy, España.
4. Tanque de Sales Fundidas (Pila Térmica)
El almacenamiento de la energía térmica obtenida en condiciones normales de luz solar se confía a las sales fundidas confinadas en grandes depósitos (tipo tanques) construidos con ciertas características de aislamiento térmico.
Estos tanques están construidos con acero al carbono o acero inoxidable, con tratamiento especial de envolventes de alta resistencia térmica, que le dan propiedades aislantes para preservar la energía térmica almacenada con las menores pérdidas posibles por efectos de fugas.
El tanque de almacenamiento dispondrá de una tubería interna, tipo serpentín, a través de la cual fluirá el HFT, y transferirá a las sales fundidas el calor aportado por la luz solar en los ciclos de calentamiento en los colectores solares parabólicos.
Las sales fundidas surgen de la mezcla de nitrato de sodio y nitrato de potasio en proporción 60/40, lográndose una sustancia capaz de elevar su temperatura alrededor de los 400ºC sin afectar sus propiedades físico-químicas. Cabe destacar que entre los 220 ºC y 250 ºC esta sustancia tiene su punto de fusión, en el cual se hace liquida facilitando su traslado por tuberías de un tanque a otro, con la finalidad de mejorar las etapas del proceso de transferencia térmica.
Distribuido estratégicamente el tanque de almacenamiento tendrá dispuestos sensores térmicos, que constantemente medirán el nivel de temperatura, y de esta manera administrarán y controlarán computarizadamente el suministro de HFT.
Fig. 12. Tanques de Sales Fundidas en CSP Extresol 1, Badajoz, España.
En la Fig. 12. se muestran un par de tanques para sales fundidas, con capacidad de 16300 m3 cada uno. Se puede apreciar el acabado final que los recubre, lo que protege las capas de aislante térmico que los envuelve.
5. Intercambiador de Calor
La transferencia del calor transportado por el HFT al agua para la producción del vapor de agua se lleva a cabo en el Intercambiado de Calor. Ver Fig. 13.
Este equipo básicamente es un gran tanque de acero al carbono o acero inoxidable, donde entra agua desmineralizada, con una serie de tuberías internas a manera de serpentines por donde fluye el HFT a una temperatura mayor a los 400ºC, el contacto a través de las paredes de dicha tubería provoca el aumento drástico de la temperatura del agua, sobrepasando su punto de ebullición y logrando de esta forma la producción inmediata de grandes cantidades de vapor de agua a alta presión. Ver Fig. 12.
El intercambio de calor se lleva a cabo en varias etapas, por lo que es común colocar varios intercambiadores para aprovechar al máximo el calor del HFT, logrando precalentar, evaporar y sobrecalentar el agua, y de esta manera optimizar el uso de la energía térmica en el proceso.
Fig. 13. Vista interna del Intercambiador de Calor.
Fig. 14. Intercambiador de Calor, fabricado por MAC, Bilbao, España.
6. Turbina de Vapor
La fase final de la etapa térmica sucede en la turbina de vapor, donde llega el vapor de agua a presión, hace mover los álabes o aspas de la turbina, la cual gira y de esta manera genera fuerza motriz, que luego de ser adecuada en su velocidad de rotación es acoplada y entregada al eje del Generador Eléctrico. Ver Fig. 15.
Fig. 15. Turbina SST-900 de Siemens.
Fig. 16. Rotor de Turbina SST-900 de Siemens.
En este proceso de entrega de presión de vapor de agua a la turbina, se experimenta una perdida de las capacidades del vapor en generar energía motriz, el cual es entregado inmediatamente a las correspondientes etapas de enfriamiento y condensación para retornar al Intercambiador de Calor y de ésta manera reiniciar el proceso de agua-vapor-agua. Actualmente se ha logrado poner en práctica procedimientos en lazo cerrado, con la intención de eliminar las perdidas de vapor de agua, lo que minimiza el requerimiento de agua adicional por parte de la planta en su proceso de generación de fuerza termo motriz.
En las Fig. 15 y 16 se pueden observar detalles, totalmente armada y solo el rotor con sus álabes, de la Turbina a vapor de Siemens modelo SST-900 capaz de entregar hasta 250MW a un generador eléctrico.
7. Generador Eléctrico
La energía motriz generada en la Turbina a Vapor es entregada al Generador Eléctrico quien finalmente convierte dicha energía en electricidad.
A partir del Generador la energía eléctrica pasa a través de una serie de protecciones para finalmente conectarse y servir a la red eléctrica pública.
Fig. 17. Generador Eléctrico de Siemens AMS Large.
Fig. 18. Vista del Rotor de Generador Eléctrico de Siemens.
Este componente de alto nivel técnico viene acompañado de una serie de elementos adicionales que lo complementan, como lo son el sistema de enfriamiento (Ver Fig. 19), el panel de control y celdas de sincronización para acoplar con más generadores similares en paralelo y poder multiplicar la potencia generada (Ver Fig. 20).
Artículo escrito por Rodolfo J Aguilar A
Fotografías cortesía del autor
(1) Plan de Desarrollo del Sistema Eléctrico Nacional PDSEN 2013-2019, pag. 28, Ministerio del Poder Popular para la Energía Eléctrica
(2) www.globalsolaratlas.info, publicado por el World Bank Group, fundado por ESMAP, y preparado por Solaris.
Te invito también a leer mi artículo > El Cambio Climático y sus evidencias
0 comentarios
Buenos días saludos Haiman, encuentro bastante bueno este articulo en cuanto a su explicación; recuerdo la materia Transferencia de Calor Impartida por el Dr. Alejo Sánchez en la Universidad de los Andes, comparto con ustedes esta dirección electrónica
El Libro Blanco de las Energías Renovables
https://www.salvadorescoda.com/tecnico/solar/Libro_Blanco_E_Renovables_Salvador_Escoda_18.1.pdf
Entre tanta literatura relacionada con este tema, consudero este manual bastante didáctica, ilustrativa y práctico a continuación la dirección de su página Web https://www.salvadorescoda.com/ es una empresa dedicada al tema de la energía solar entre otras cosas.
Desde hace tiempo quiero plantear una propuesta con el fin de enlazar los Estados, Universidades, empresas publicas y privadas en una mejora urbana aprovechando las energías alternativas y menos contaminantes, mi correo electrónico caarlos10@hotmail.com
Asi es Carlos, gracias por escribir, saludos…
Muchas gracias, camarada! Muy interesante artículo. Hago parte, como sistematizador, de la experiencia cultural de los trabajadores y trabajadoras del MPPPCultura que nos hemos organizado para autoconstruir nuestras viviendas (Gabinete por la Vivienda de Trabajadores/as…) , contando con la orientación y el apoyo de la GMVVO. Se trata de un proyecto de autoformación, formación y autoconstrucción de vivienda y hábitat, a través del Convenio Interinstitucional de Cooperación firmado por el MPPPST, el MPPPHV y nuestra Asamblea Viviendo Venezolano AVV César Rengifo. Hemos estado persiguiendo justamente la orientación en esta materia para el aprovechamiento de energías alternativas en nuestros espacios habitacionales. Ojalá pudiésemos tener el apoyo de estas iniciativas.
José Jenaro Rueda R.
Tel. 0426-9001568 / 0426-9971923
Corrector literario de la Fundación Editorial Escuela El perro y la rana
Mil gracias por tu comentario José, saludos hermano.
[…] Generación eléctrica termosolar CSP, alternativa ecológica y factible para Venezuela […]
Con todos los problemas que tenemos con el sistema eléctrico nacional especialmente en el Zulia yo no sé que estamos esperando para comenzar a instalar plantas como estas en las diferentes regiones del País.