1

Status actual de la Energía solar

VIII Foro Nacional sobre Gestión Ambiental y Sostenibilidad

29 de octubre de 2009

Dr. Juan Fco. Gonzalez Gonzalez

Dirección de Ingeniería e I+D

Endesa Generación S.A.

Índice

• Bases de la Energía Solar• Fundamentos de Tecnología Fotovoltaica FV

– En Si– FV de concentración

• Aplicaciones de la Tecnología FV• Fundamentos de Tecnología solar Termoeléctrica

– Cilindro-parabolica– Torre y heliostato

2

Energía solar

•Radiación solar•Tecnologías de uso de la energía solar

Radiación solar

El sol es una fuente inagotable de recursos para el hombre y para los seres vivos. En un año habrá suministrado a la Tierra cuatro mil veces más energía que la consumida por todos los países del mundo.

España, por su privilegiada situación y climatología, se ve favorecida en su aprovechamiento, ya que cada m2 de suelo en nuestro país recibe al año unos 1.500 kilovatios-hora de energía.

La espectacular revolución tecnológica que vivimos desde hace pocos años no ha servido aun para el aprovechamiento de esta incomparable opción energética: la cruda realidad se impone: en nuestro país, la energía obtenida del astro rey representa sólo el 0,005% del consumo energético total.

3

•RECURSO SOLAR ABUNDANTE Y DE CALIDAD, especialmente en el Sur•RECURSO SOLAR ABUNDANTE Y DE CALIDAD, especialmente en el Sur

Recurso solar en EspañakWh/m2/año

Recurso de radiación directa solar en el Mediterraneo

4

Mapa Solar España. Radiación total en ciudad

¿Qué hacer con la energía del Sol?

Se puede obtener calor mediante colectores térmicos, y electricidad a través de módulos fotovoltaicos, si bien ambos procesos nada tienen que ver entre sí en tecnología ni en aplicación.

Fotovoltaica es la energía solar producida por celdas fotoeléctricas, capaces de convertir la luz en un potencial eléctrico sin sufrir un efecto térmico (se aprovecha entre un 9% y un 15% de la energía del Sol).

La energía térmica se logra con colectores solares o placas solares térmicas, que convierten en calor entre un 40% y un 60% de la energía primaria recibida.

5

1. SOLAR FOTOVOLTAICA (FV)- Paneles planos formados por células de Silicio, fijos,y con seguimiento en un eje. - Paneles planos con tecnología de concentración y seguimiento en dos ejes.

2. SOLAR TERMOELÉCTRICA (STE)Centrales convencionales donde la producción de vapor se logra por concentración de la energía calorífica del sol, mediante dispositivos que siguen la orientación del sol:

2.1 COLECTORES CILINDRICOS 2.2 HELIOSTATOS + TORREConcentran el calor en un tubo en su foco, Campos de espejos que apuntanque puede llevar agua u otro fluido intermedio a un solo foco elevado (caldera)

Alternativas tecnológicas de uso de la energía solar

7

Ventajas y desventajas de la Energía Solar para producción de electricidad

•Es limpia e inagotable. •Permite la generación distribuida, reduciendo las perdidas totales de energía eléctrica en el trasporte desde los centros de producción a los de consumo.•Puede ser desarrollada como una tecnología totalmente nacional•Reduce la dependencia del petróleo y de otras alternativas más contaminantes (centrales térmicas y nucleares). •Su principal punto débil es ser una energía no gestionable: su producción no puede ser adecuada a la demanda:

•La radiación solar en invierno (cuando más energía necesitamos) es menor•Producción solo diurna•Producción solo en días soleados

6

= Solar (Fotovoltaica y termoeléctrica)Desarrollo Sostenible

Generación eléctrica cuasi-previsible.El balance energético mejora constantemente.Energía clave para el suministro eléctrico en horas pico de demanda en verano (AC).Distribución homogénea de la producción.

Económico

Creación de puestos de trabajo altamente cualificados.Contribuirá a la independencia energética de Europa.Única solución para regiones sin electrificar en países en vías de desarrollo.

Social

Instalaciones pequeñas/medias. La generación eléctrica es descentralizada, los sistemas son instalados en los lugares donde la energía es necesaria (FV aislada).No se produce ruido ni emisiones (casi).

Medio Ambiente

1

Tecnología FV

FUNDAMENTOS DE ENERGÍA FOTOVOLTAICA

La fuente de energía primaria que se utiliza es la radiación solar

Para aprovecharla, se explota una propiedad de los materiales semiconductores como el silicio

En estos materiales, las cargas eléctricas de sus átomos se polarizan bajo la incidencia de la radiación solar

Esta polarización genera una diferencia de potencial eléctrico entre las caras de una lámina

Al cerrar el circuito, se genera una intensidad de corriente continua que posteriormente se rectifica a corriente alterna para su conexión a red

Contacto eléctricoposterior

Contacto eléctricofrontal

Siliciotipo-n

Siliciotipo-p

2

Gráfico de una instalación fotovoltaica

ContadorSuministroa la red Contador

de consumo

Módulos Fotovoltaicos, agrupación de células en serie y paralelo, Wp

Inversor DC/AC con transformadorIncluido, W nom.

Armario paraprotecciónfusiblesconmutadores

Transformador baja tensión (230V/400V) a media tensión (15KV)

Punto conexióna la red

Conexión aislada

Conexión a red

ELEMENTOS DE UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA CONECTADA A RED

PANEL: Agrupación de células fotovoltaicas conectadas entre sí. INVERSOR DC/AC: Transforma la corriente continua generada en

el panel a corriente alternaCONTADOR: Contabiliza la potencia vertida a la red de

distribuciónRED: Se establece un punto de conexión a la red de distribución

eléctrica

3

Minimizan la superficie necesaria para una misma potencia instalada: 2100 m2 por 100 kW nomin

Orientacion SURAngulo según la latitudNo hay posición optima respecto

del solMenor producción: 1250 kWh-

año/kWpInversión más bajaEscaso mantenimientoConfiguración más extendida y

ampliamente probada

PANELES EN ESTRUCTURAS FIJAS

PANELES EN ESTRUCTURAS MOVILES

• En general, permiten orientar el panel según la posición de sol, aumentando la producción por m2 de panel por la Optimización de la irradiación a lo largo del día

• Diversos sistemas y tecnologías de seguimiento

• Aparición de partes móviles en la instalación

• Incremento de inversión• Mantenimiento mayor• Las estructuras móviles son mas

interesantes a medida que se incrementa el precio del panel

4

A) SEGUIMIENTO A UN EJE HORIZONTAL NORTE-SURIncrementa aproximadamente un 20% de la producción respecto a los sistemas fijos

SISTEMAS DE SEGUIMIENTO (1)

SEGUIDOR A 1 EJE AZIMUTAL: giro vertical, inclinación constante

SEGUIDOR A 2 EJES: giro vertical + inclinación de los paneles variable

Mayor producción:

o 28 % seguidores eje azimutalo 35 % seguidores en dos ejes

Doble necesidad de terreno que sistema fijo (5.800 m2 suelo/100 kW)

Tamaño de seguidor 5 kWp - 30 kWp

Más complejos y menos fiables

SEGUIMIENTO A UN EJE AZIMUTAL Y DOS EJES

SEGUIMIENTO A UN EJE AZIMUTAL Y DOS EJES

5

Sistemas de seguimiento a dos ejes

APOYO TETRAÉDRICO

SEGUIDOR DE POSTE

Sistemas de dos ejes. Escalación comercial

6

SISTEMAS DE CONCENTRACIÓN

SISTEMAS DE BAJA CONCENTRACIÓN

- Pueden combinarse con un sistema de seguimiento.- Uso de la radiación directa- Aumentan la eficiencia de las células, hasta un 25-27%- Minimizan la cantidad de silicio necesaria para una misma producción de energía- Los ratios de concentración son del orden de 2 a 5 soles

• Electrificación Rural, – Según los expertos , la vía mas económica y rápida para el aumento

del nivel de vida en países subdesarrollados• Cobertura de necesidades básicas: agua potable, sanidad

básica, comunicaciones básicas, etcEnergía solar = Desarrollo sostenible

– Europa se debería convertir en el mayor exportador de tecnología FV en forma de cooperación internacional para la lucha contra la pobreza, y como su contribución a los Objetivos de Desarrollo para el Milenio.

• Conexión a Red,– el desarrollo de plantas de generación distribuida y la integración

arquitectónica serán la clave para la promoción de la tecnología FV.

Sectores de la implementación de FV de Si

7

Electrificación Rural – Solar Home Systems

Generador Solar de 26 kWp

2 Generadores Diesel (28 kW 3-fase y 15 kW)

30 kW Inversor Híbrido

990 Baterías Ah Gel Batteries

Hospital Rural de Tanzania

8

Electrificación Rural – Abastecimiento de agua

Electrificación Rural – Comunicaciones

9

Aplicaciones en edificación

De las instalaciones conectadas a red, son muy interesantes las integradas en edificaciones...

Connexión a red. Integración en tejados:

10

55,000 módulos fotovoltaicos

4 tejados en la empresa, con 200,000 m2 (40 campos de fútbol)

Capacidad instalada de más de 9 MWp

Electricidad para aprox. 2,500 viviendas

Mayor instalación en tejado (105,000 m2) terminada en un tiempo record de 5 semanas

Tejados de instalaciones industriales

Conexión a red. Integración en edificios:

11

Conexión a red – Integración arquitectónica (1)

Conexión a red – Integración arquitectónica (2)

12

Aplicaciones FV en suelos

...La disponibilidad de terrenos poco productivos o la recuperación de terrenos en zonas económicamente deprimidas y con alta radiación solar, ofrecen las mejores oportunidades para instalar plantas de mayor tamaño y productividad...

Aplicaciones FV en suelos (2)

13

Aplicaciones FV en suelos rústicos (3)

Aplicaciones FV en suelos improductivos

...Las configuraciones posibles son muchas. El número de plantas seguirá creciendo en número y tamaño.

14

Conexión a Red – Centrales FV

Barreras acústicas en autopistas

Edificios singulares: Forum en Barcelona

Ejemplos diversos:

1

Tecnologías solares Termoeléctricas, STE

FocoConcentrador

óptico

Elementos de Concentración óptica

Aplicaciones de Concentración óptica

Sistemas Disco / Stirling5-25 kWeNo conectados a red / plantas piloto

Sistemas Torre-Helióstatos5-25 MWeConectados a red / plantas piloto

Sistemas Cilindro parabólicos5-50 MWeConectados a red / operación comercial

Sistemas Fresnel lineales5-50 MWeConectados a red / plantas piloto

ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS DE CONCENTRACIÓN SOLAR

2

Planta PilotoPlanta ComercialPlanta

precomercialPlanta PilotoNivel de madurez

1.8-2.5 €/W2.3-3.5 €/W3.0-4.1 €/W4.3-8.0 €/WCoste de

instalación

0.10-0.16 €/kWh0.12-0.21 €/kWh0.16-0.25 €/kWh0.21-0.35 €/kWhCoste producción

electricidad

5-50 MWe5-50 MWe5-25 MWe0.025 MWePotencia típica(instalaciones

unitarias)

300ºC390ºC500-1500ºC800ºCTemperatura de

Operación

20 %21 %23 %29 %Eficiencia

Disco/Stirling Torre helióstatos Cilindro Parabólica Fresnel

ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS DE CONCENTRACIÓN SOLAR

En España se han instalado las primeras plantas comerciales de este tipo y existen ademas muchos proyectos en evaluación.

REQUISITOS PARA GENERACIÓN TERMOSOLAR

•IMPRESCINDIBLE

•Radiación Suelo plano Evacuación

•NECESARIO

• Agua Combustible Almacenam. térmico

•IMPRESCINDIBLE

•Radiación Suelo plano Evacuación

•NECESARIO

• Agua Combustible Almacenam. térmico

3

CONCENTRADORES CILINDRO PARABÓLICOS (CCP)

– Reflectores de espejo en forma de canal concentran la luz solar en los tubos del receptor situados en la línea focal del canal. En estos tubos circula un fluido de transferencia del calor, 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. Este vapor se convierte en energía eléctrica en una de turbina de vapor y alternador, que puede ser parte de

un ciclo de vapor convencional o integrado en una turbina de ciclo combinado de vapor y gas.

SISTEMAS TORRE-HELIÓSTATOS

Un conjunto circular de helióstatos (grandes espejos de tracción individual) concentran la luz solar en un receptor central montado en 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 generación de vapor sobrecalentado para el funcionamiento de la turbina.

Los medios de transferencia de calor usados hasta ahora incluyen agua/vapor, sales fundidas y aire.Si se presuriza un gas o incluso

aire en el receptor, puede usarse alternativamente para hacer funcionar una turbina de gas TG, en lugar de producir vapor para una turbina de vapor TV (en desarrollo).

4

Ejemplos de plantas termosolares

COLECTORES CILINDRO-PARABÓLICOS

COLECTORES CILINDRO-PARABÓLICOS

TORRE SOLAR - PS10. SANLÚCAR LA

MAYOR (SEVILLA)

TORRE SOLAR - PS10. SANLÚCAR LA

MAYOR (SEVILLA)

Vista general plantas SEGS en California,

5

DISCO PARABÓLICO

Un reflector parabólico en forma de disco concentra la luz solar en un receptor situado en el punto focal del disco. Éste absorbe la energía reflejada por los concentradores, haciendo que el fluido del receptor se caliente a unos 750°C, generando electricidad en un pequeño motor, p.e. un motor Stirling o una micro turbina, unida al receptor.

Generación de Vapor

Bloque de PotenciaCampo solar

Diagrama de funcionamiento de un sistema Cilindro parabólico

6

Requisitos de SISTEMAS CILINDRO PARABÓLICOS

Amanecer

Medio día

Ocaso

Requisitos de los Terrenos

• 200-250Ha / 50 MW• Terrenos llanos• Con acceso a agua: 300 m3/h

• 250 m3/h ciclo + refr.• 50 m3/h lavado + aux.

• Con suministro de gas de soporte• Con capacidad de evacuación de potencia• Con radiación solar directa

Componentes de un sistema Cilindro Parabólico

Colector Tubo Absorbedor B.O.P.

Generador de Vapor Turbina de Vapor Conexión a Red

1 2 3

4 5 6

7

Vista general de colectores cilindro parabólicos

Experiencia en Colectores cilindroparabólicos

• 354 MW en funcionamiento en California desde finales de los 80 (plantas SEGS), con disponibilidad superior al 95%

• Tecnología madura de aplicación inmediata

• Proyectos actuales conceptualmente iguales a las SEGS, p.ej:

Proyecto NevadaSolar (USA) de 64 MWProyectos ANDASOL (Granada): grupos 50 MW de ACS-Cobra con 7.5 h de almacenamiento

térmico.Ibersol (CR) de Iberdrola, Alvarado (BA) de Acciona, Solnova (SE) de Abengoa, etc.etc… solicitados 4000 MW en registro de preasignación, con 1500-2000 MW factibles

• 354 MW en funcionamiento en California desde finales de los 80 (plantas SEGS), con disponibilidad superior al 95%

• Tecnología madura de aplicación inmediata

• Proyectos actuales conceptualmente iguales a las SEGS, p.ej:

Proyecto NevadaSolar (USA) de 64 MWProyectos ANDASOL (Granada): grupos 50 MW de ACS-Cobra con 7.5 h de almacenamiento

térmico.Ibersol (CR) de Iberdrola, Alvarado (BA) de Acciona, Solnova (SE) de Abengoa, etc.etc… solicitados 4000 MW en registro de preasignación, con 1500-2000 MW factibles

• Posibilidad de aumentar la producción eléctrica con

almacenamiento térmico (sólo referencias experimentales)

• La Ley permite hibridación con combustible auxiliar

• Posibilidad de aumentar la producción eléctrica con

almacenamiento térmico (sólo referencias experimentales)

• La Ley permite hibridación con combustible auxiliar

8

Plantas CCP. Detalles fotográficos

Integración en ciclos de vapor y en ciclos combinados

9

Sistema de Sales Fundidas

Receptor

Bombas de Sal

Torre Central

Helióstato

Tanques almacenamiento

En EE.UU., se desarrollaron los proyectos de plantas piloto Solar One y Solar Two (ya desmanteladas). En España se instalarán la primera planta comercial: Gemasolar, Fuentes de Andalucía, SE, Grupo SENER.

Diagrama de funcionamiento de un sistema Torre-Helióstatos

Torre + Receptor Helióstatos

Almacenamiento térmico + B.O.P.

Componentes de un sistema Torre-Helióstatos

10

Experiencias en sistemas de Torre solar y heliostatos

• Plataforma Solar de Almería (PSA)• Proyectos SolarOne (1985) y SolarTwo (1996) EEUU: 10 MW sin/con almacenamiento térmico

• Tecnología actualmente pasando a explotación comercial:

PS10 y PS20 (Sanlúcar la Mayor): en operación

Gemasolar, SolarTres, 17 MW: en construcción

• Plataforma Solar de Almería (PSA)• Proyectos SolarOne (1985) y SolarTwo (1996) EEUU: 10 MW sin/con almacenamiento térmico

• Tecnología actualmente pasando a explotación comercial:

PS10 y PS20 (Sanlúcar la Mayor): en operación

Gemasolar, SolarTres, 17 MW: en construcción

PSA

PSA, Almeria, Ciemat

11

Comparación tecnológica en STE

Operación comercialEntrado en fase de

operación comercial.Madurez

Cilindro-parabólicoTorre solar

2.3 - 3.5 €/W3.0 - 4.1 €/WCoste instalación

0.12 - 0.21 €/kWh0.16 - 0.25 €/kWhCoste generación

5 - 50 MW5 - 25 MWPotencia típica390 ºC500 - 1500 ºCTemp. operación

21 %/17%23 %/18%Rendimiento

máximo/anual

Requisitos: superficie, radiación y agua

4.9 m³/MWh

340.000 m³/año

Plano, pero puede ser

ligeramente irregular

140 Ha (17 MW)Torre solar

4.9 m³/MWh

1.000.000 m³/añoDNI > 1900

kWh/m² año

Plano, horizontal o

ligera pendiente sur

220 Ha (50 MW)

Cilindro-parabolico

Las cantidades de superficie y agua aumentan cuanto mayor sea elalmacenamiento térmico, y por tanto el número de horas de producción

DNI: Irradiación directa normal: radiación directa sobre superficie siempre perpendicular al sol

AGUARADIACIÓNRELIEVESUPERFICIE

12

Ventajas de la solar termoeléctrica

• La ventaja de las tecnologías solar termoeléctricas es ser una energía renovable GESTIONABLE, adecuando la producción a la demanda

• Permite su integración en plantas térmicas convencionales: representan un generador de vapor solar, que se puede operar en paralelo/ ayuda con generadores de vapor convencionales

• Con almacenamiento térmico y/o combustible auxiliar las plantas solar termoeléctricas, como las de biomasa, son los únicos sistemas renovables que pueden suministrar electricidad sin interrupción, atender la demanda eléctrica de cada momento y siempre asegurar la capacidad de potencia.

• La ventaja de las tecnologías solar termoeléctricas es ser una energía renovable GESTIONABLE, adecuando la producción a la demanda

• Permite su integración en plantas térmicas convencionales: representan un generador de vapor solar, que se puede operar en paralelo/ ayuda con generadores de vapor convencionales

• Con almacenamiento térmico y/o combustible auxiliar las plantas solar termoeléctricas, como las de biomasa, son los únicos sistemas renovables que pueden suministrar electricidad sin interrupción, atender la demanda eléctrica de cada momento y siempre asegurar la capacidad de potencia.

Problematica de las energias renovables no gestionables

13

Estacionalidad de la demanda

Cobertura de los picos de demanda en verano

Proyectos STE en el mundo

140MW ISCCS 140MW ISCCS IndiaIndia400MW ISCCS Iran400MW ISCCS Iran

200MW ISCCS 200MW ISCCS MoroccoMorocco140MW ISCCS 140MW ISCCS EgyptEgypt

1000MW CSP 1000MW CSP SpainSpain

100MW SEGS Israel100MW SEGS Israel130MW SEGS/ISCCS 130MW SEGS/ISCCS

JordanJordan

100MW CSP South 100MW CSP South AfricaAfrica

1000MW CSP USA1000MW CSP USA

240MW ISCCS 240MW ISCCS MexicoMexico

Proyectos Solar Proyectos Solar TTéérmicosrmicos en Desarrollo:en Desarrollo:3.6GW, 12 3.6GW, 12 millonesmillones de mde m²² de de concentradoresconcentradores,,

140MW ISCCS 140MW ISCCS AlgeriaAlgeria

14

Necesita en ocasiones combustible de apoyo para mantener temperatura depósito sales fundidas (28-45.000 ton)Consumos de auxiliares en bombas y otros subsistemas de planta de aguas.

No necesita combustible de apoyoConsumos auxiliares mínimos

Necesidad de combustible de apoyo y consumos auxiliares

Pocos proveedores y tecnólogos. Mercado oligopólico en el caso de tubos absorbedores.Las únicas plantas en operación comercial están en EE.UU., el resto son proyectos y plantas experimentales.

Gran cantidad de proveedores y tecnólogos en un mercado competitivoGran número de instalaciones de baja potencia (<10MW) en muchos países del mundo.

Nivel de despliegue comercial

Gran cantidad de subsistemas y componentes complejos.Cuenta siempre con sistemas ópticos y mecánicos móviles.Genera electricidad mediante un ciclo Rankine de baja eficiencia.

Número de susbsistemas pequeño y de poca complejidad.No cuenta con partes móviles, salvo si se quiere tener sistema de seguimiento ( 1 o 2 ejes).

Complejidad de subsistemas y componentes

1. Requisitos de suelos planos y limpios2. Requerimientos de agua más

exigentes.

Solución más sostenible para regiones del arco mediterráneo español

1. Requisitos de suelo menos restrictivos.2. Requerimientos casi nulos de agua

Capacidad de implantación:

1. Requisitos de Suelos2. Requisitos de Aguas

Solar Termoeléctrica (STE)Fotovoltaica (FV)Características

ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS: Consideraciones adicionales

11

Adquisición de experiencia operativa en España de:•Sistemas con HTF aceite térmico sintético•Sistema de almacenamiento térmico con sales fundidas

Simplificación de la planta:•Desarrollo de la generación directa de vapor

Reducción de costes por:•Incremento de producción de silicio•Introducción de sistemas de Concentración (con Si, o materiales como As, Ge, Ga, etc.)•Aumento de la experiencia operativa de sistemas de seguimiento

Solar Termoeléctrica (STE)

Fotovoltaica(FV)

ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS: Vías de Trabajo para su implementación

11

15

Avances en el diseño: Aumento de la precisión óptica, reducción de peso y costes

Nueva generación de tubos receptores para reducción de pérdidas térmicas

Mejoras en el medio de transferencia de calor para aumentar la temperatura de operación y el rendimiento

Almacenamiento térmico masivo para aumentar las horas de operación anuales reduciendo costes de generación

Generación directa de vapor en los tubos de absorción. Esto aumentaría la eficiencia y reduciría los costes hasta un 30%

Integración en ciclos combinados

LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN Concentradores Cilindro Parabólicos (CCP)

Nuevos medios de transferencia de calor del receptor central, como agua/vapor, sodio líquido, sal fundida y aire ambiente.

Sistema de almacenamiento de sal fundida

Acoplamiento de la producción del sistema solar de alta temperatura a una turbina de gas para una mayor eficiencia que las aplicaciones a turbina de vapor de hoy, tiempos más cortos de puesta en marcha, menores costes de instalación y operación, y quizás un sistema menor, más modular.

Mejora del diseño con mejores propiedades ópticas, estructura más ligera y mejor control.

LÍNEAS DE INVESTIGACIÓNCentrales de Torre