El tamaño del sol es tan grande y su núcleo tan denso que la energía que sale de su centro tarda unos 50 millones de años en llegar a la superficie de nuestro planeta, sufriendo en el camino procesos de absorción y re-emisión. En otras palabras, si el sol dejara hoy de producir energía, ¡tendrían que pasar 50 millones de años para que se sintiera algún efecto significativo en la tierra!

Respecto a sus efectos positivos, la exposición moderada del cuerpo humano al llamado Astro Rey produce, psicológica y fisiológicamente, una sensación de salud, de sosiego natural y bienestar general. Además, desencadena una serie de procesos biológicos y bioquímicos esenciales para la vida del hombre.

Por otra parte, el aprovechamiento directo de la radiación del sol permite producir energía solar, de la cual se obtienen calor y electricidad. El calor se consigue mediante el uso de colectores térmicos y la electricidad a través del empleo de paneles fotovoltaicos.

Específicamente, las tecnologías y aplicaciones en el campo de la energía solar térmica se han ido desarrollando con fuerza en los últimos años, de manera especial en Europa y Estados Unidos. Las de mayor proyección son aquellas que requieren de una temperatura superior a los 300 °C, lo que supone la utilización de dispositivos de media (hasta 500 ºC) y alta concentración (>500 ºC) de la radiación solar.

Estos sistemas se pueden emplear también para la síntesis y/o tratamiento superficial de materiales en hornos solares, producción de hidrógeno y de combustibles solares, aporte de calor industrial e, incluso, en experimentos astrofísicos.

Destacan cuatro tecnologías para generar energía solar térmica: colectores cilindro-parabólicos, sistemas de receptor central/centrales de torre, discos parabólicos y hornos solares. El primero de ellos pertenece al rango de aprovechamiento térmico denominado de media temperatura (125 a 450 °C) y los tres últimos al que podríamos denominar de alta y/o muy alta temperatura (>450 °C).

De acuerdo a un informe elaborado por el portal español www.energiasrenovables.ciemat.es, en lo sucesivo se revisan los usos actuales de ese grupo de sistemas.

Colectores Cilindro-Parabólicos

La tecnología de colectores cilindro-parabólicos aplicada a la producción de electricidad, en la que fue pionera la planta DCS (Distributed Colector System, 1981) de la Plataforma Solar de Almería (España), goza de elevada madurez técnica y comercial. Esto se debe a la valiosa experiencia aportada por las nueve plantas solares SEGS (Solar Electric Generating System) de California, que en la actualidad producen más del 90% de la energía solar termoeléctrica mundial.

Las instalaciones, construidas en el periodo 1984-1991 y situadas en el desierto de Mojave (Barstow), cuentan con un campo de colectores cuya extensión supera los 2 millones de metros cuadrados y utilizan como fluido termoportador aceites sintéticos. Representan un total de 354 MW conectados a la red eléctrica, distribuidos en plantas con potencias entre 14 y 80 MW sin sistemas de almacenamiento térmico (excepto una) y con calderas auxiliares de gas. Anualmente, suministran 800 millones de kWh a un costo de generación de 0.12-0.14 Euro/kWh.

Aunque la tecnología SEGS está totalmente disponible en la actualidad, no resulta competitiva en la mayor parte de los mercados si no dispone de algún tipo de incentivo fiscal o ayuda económica externa. En todo caso, son sistemas de escaso riesgo tecnológico debido fundamentalmente a la gran cantidad de horas de operación acumuladas en las plantas existentes.

Para reducir gastos y simplificar el mantenimiento de las plantas con colectores cilindro-parabólicos, se están desarrollando diversos proyectos de promoción a escala comercial en España, Estados Unidos (Nevada), Marruecos, Argelia, Israel, Egipto, India, Irán, Sudáfrica y México. Por ejemplo, en Boulder (Nevada) ya está en construcción el tercer mayor sistema termoeléctrico del mundo en base a energía solar. Se trata de una planta de 64 MW constituida por 19.300 colectores cilindro-parabólicos, cuya conexión a la red está prevista para 2007.

Entre las vías más empleadas para disminuir los costos de esta tecnología destacan: el aporte energético auxiliar a partir de combustibles fósiles (centrales híbridas), la integración de los colectores solares en plantas de ciclo combinado, la utilización de métodos innovadores de concentración solar y la generación directa de vapor en los propios tubos receptores de los colectores.

Este tipo de colectores también podría emplearse en climatización industrial y para suministrar calor y vapor a procesos industriales en sectores como el alimentario, textil o papel, que requieren temperaturas del orden a las obtenidas con estos sistemas.

Receptores Centrales

Los sistemas de receptor central se encuentran hoy en día a punto de comenzar su primera etapa de explotación comercial. Los ensayos realizados en más de 10 pequeñas instalaciones experimentales de este tipo (0.5 a 10 MW), principalmente en los años 80, sirvieron para demostrar la viabilidad técnica del concepto y su capacidad para operar con grandes sistemas de almacenamiento térmico. Las aplicaciones más prolongadas se verificaron en plantas piloto de Barstow (California), entre los años 1982 y 1988, y en la Plataforma Solar de Almería, entre 1996 y 1999.

Los distintos proyectos de desarrollo tecnológico que se han implementado desde entonces han permitido mejorar componentes y procedimientos, de modo que actualmente las predicciones establecen valores de eficiencia del sistema (conversión de solar a electricidad) del 23% en punto de diseño y del 20% anual. A pesar de todo, el gran reto pendiente para esta tecnología es la puesta en marcha de una primera generación de plantas comerciales operando en régimen de conexión a red y competitivas en las condiciones del mercado energético actual.

Las primeras instalaciones comerciales de este tipo que están en proceso de construcción en España se basan en el uso como fluido termoportador de sales fundidas, vapor saturado y receptor volumétrico refrigerado por aire.

La utilización de este último fluido evita la limitación de la temperatura de las sales y la complejidad del control de la generación de vapor. También permite rangos más altos de temperatura de trabajo y su funcionamiento en sistemas de generación eléctrica basados en ciclos combinados (turbina de gas y posteriormente de vapor), con lo que se obtienen mayores rendimientos de planta.

Se espera que, paulatinamente, las nuevas plantas vayan incorporando en su diseño los avances tecnológicos en los que se está trabajando, como el uso de helióstatos de elevada superficie (90 a 150 m2), de mejores propiedades ópticas y estructuras más ligeras y baratas; el empleo de mejores estrategias de control y procedimientos de arranque, así como nuevos desarrollos de receptores. Pese a ello, la elevada inversión constituye todavía un obstáculo hacia el pleno aprovechamiento del potencial de esta tecnología a nivel comercial.

De hecho, las primeras aplicaciones comerciales que están a punto de ver la luz aún presentan costos por potencia instalada de 3.000 Euro/kW y de electricidad producida próximos a 0.18-0.20 Euro/kWh.

Sin embargo, se auguran buenos pronósticos en vista de los avances tecnológicos registrados y se prevé que los costos de generación se reduzcan a 0.06 Euro/kWh, a medio plazo, y a 0.04 Euro/kWh, a largo plazo, a medida que el sistema se introduzca en el mercado.

Por último, y aunque no se trata propiamente de sistemas de receptor central, las denominadas centrales solares de chimenea sí son una tecnología de torre. En estos sistemas la radiación del sol calienta el aire que se encuentra debajo de una gran cubierta de cristal abierta en su contorno.

Una sola chimenea con una superficie de colector de 7.000 metros de diámetro, construida y explotada en una zona con una radiación anual de 2.300 kWh/m², puede producir entre 700 y 800 GWh al año. De esta forma, con un pequeño número de “chimeneas solares” se puede reemplazar una central nuclear.

Actualmente, una empresa alemana ejecuta un proyecto en Australia que verá la luz en el año 2009, para la construcción de una central de 200 MW, que dispondrá de un tiro térmico acentuado gracias a una chimenea de 1.000 metros de altura.

Discos Parabólicos

Los discos parabólicos han evolucionado tanto en Europa como en Estados Unidos hacia la construcción de unidades autónomas conectadas a motores Stirling situados en el foco, con potencias de 7 a 25 kW. Los sistemas disco-Stirling presentan una alta eficiencia en la conversión de la radiación solar en energía eléctrica, entre 25-30%, en condiciones nominales de operación. Además, se pueden conseguir relaciones de concentración superiores a 3.000, lo que permite alcanzar temperaturas entre 650 y 800 °C y eficiencias nominales en los motores Stirling de entre 30 y 40%.

La experiencia operacional con sistemas de discos Stirling se circunscribe a unas pocas unidades ensayadas fundamentalmente en Estados Unidos, Europa, Australia y España. La primera generación de discos estuvo formada por configuraciones elaboradas en base a vidrio y metal, las cuales se caracterizaron por unas altas concentraciones y excelentes resultados, pero a precios muy elevados (estimaciones por encima de 300 Euro/m2 para grandes producciones) y estructuras muy pesadas.

A principios de 2006, se aprobó en California el proyecto Stirling Energy Systems of Arizona 2 (SES 2), que implica la instalación de la primera planta de envergadura de discos Stirling en el mundo. El sistema de 300 MW y un total de 12.000 discos reflectores con receptores de hidrógeno, se ubicará en el desierto de Imperial Valley.

En Europa, los principales desarrollos han estado a cargo de empresas alemanas, las cuales habilitaron seis unidades de 9-10 kW, tres de ellas ensayadas en la Plataforma Solar de Almería, con más de 30.000 horas de operación. Se trata de sistemas que conllevan una significativa reducción de costos, aunque a cambio de menores rendimientos. El motor trabaja con helio a 630 °C y presenta rendimientos del 20%.

El proyecto europeo Eurodish (1998-2001) mejoró los prototipos anteriores: Implicó el rediseño del concentrador y motor, la revisión y simplificación del sistema de seguimiento y control, y la utilización de hidrógeno como fluido termoportador, entre otras ventajas. Se construyeron tres unidades Eurodish que fueron probadas en Vellore (India), Milán (Italia) y la Plataforma Solar de Almería.

Posteriormente, el proyecto alemán Envirodish (2002-2005), además de incorporar mejoras de los componentes del prototipo Eurodish, comenzó a preparar su introducción en el mercado. Así, en el año 2004 se construyeron tres unidades de referencia en Odeillo (Francia), Sevilla (España) y Würzung (Alemania). La potencia generada por las dos últimas se vende a la tarifa de las redes eléctricas española y alemana.

Los logros que se están alcanzando con esta tecnología (como hibridación y optimización de procedimientos de arranque y control) hacen prever costos de generación de entre 0.12 y 0.17 Euro/kWh a corto plazo. Pero pese a su enorme potencial, la limitación que implica su potencia unitaria (inferior a 25 kW) obstaculiza muchas aplicaciones que pretenden la producción eléctrica a gran escala.

De ahí que su empleo más obvio sea la producción de electricidad para autoconsumo en lugares aislados donde no llegue la red eléctrica. En estos casos se espera que compitan con sistemas ya comerciales como los fotovoltaicos o los generadores diesel.

Hornos Solares

Son sistemas basados en una doble concentración de la radiación solar, generalmente en un campo de helióstatos y un disco. Aunque su desarrollo está aún a nivel de investigación, en Europa ya existen hornos solares en España (50 kW), Suiza (45 kW), Alemania (25 kW) y Francia (1.000 kW de potencia y temperaturas máximas alcanzables de 3.800 ºC).

Su campo de aplicación comprende principalmente ensayos de materiales, tanto en condiciones ambientales como en atmósferas controladas o de vacío, y experimentos de química solar mediante sistemas receptores asociados a reactores químicos.

Actualmente, se está diversificando el campo de aplicación de estas tecnologías de alta concentración solar y se estudia el desarrollo de diferentes reactores que permitan el aporte de calor a procesos industriales y eliminar residuos que requieran elevadas temperaturas.

Entre éstos destacan diferentes alternativas de producción de hidrógeno; los procesos de destoxificación de agua y aire; la síntesis de metales y semiconductores (como Zn, Ca, Fe, Na, Mn, Al y Si); y la síntesis de otros materiales, como nanotubos de carbono y carburos y nitruros metálicos.

Al mismo tiempo, se están mejorando los sistemas de control de los hornos solares para conseguir una mayor estabilidad de la temperatura y del flujo de radiación solar concentrada en el foco.

Fuente: (www.eere.energy.gov/troughnet/pdfs/solar_overview.pdf)
* Variación entre los años 1997-2030.
(d)= valores demostrados; (e)= valores estimados